Drucktechnologien im Bildungswesen, Gründe und Vorteile der einzelnen Technologien

Der 3D-Druck ist einer der wichtigsten Trends der letzten Jahre im technologischen Bereich, aber entgegen der allgemeinen Vorstellung wird er nicht auf eine Art von Maschine reduziert, sondern auf eine Reihe von Technologien, die es ermöglichen, Objekte ohne die Notwendigkeit von Gussformen oder Mindestmaßen zu erstellen. Jede Technologie hat ihren Nutzen und ihre Anwendungen, ebenso wie ihre Materialien.

Heutzutage gibt es mehrere Geräte, die im Klassenzimmer sehr nützlich sein können, und Jahr für Jahr setzen immer mehr Schulen sie für die Durchführung von Bildungsprojekten ein. STEAM-Fähigkeiten, die bei jungen Menschen zunehmend geschätzt werden, wenn es z. B. darum geht, einen Arbeitsplatz zu finden, sind Fähigkeiten, die in den Bereichen Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen, Kunst und Mathematik erfasst werden. Und der 3D-Druck ist eine davon.

Bedeutung im Bildungswesen

Das Drucken von 3D-Modellen entwickelt Fähigkeiten, die die Schüler in den Prozess einbeziehen und sie dazu bringen, sich an Veränderungen anzupassen und Fehler zu beheben. Auf diese Weise lernen Sie nicht nur durch Beobachtung, sondern auch durch das Ausdrucken von Dateien, die Sie selbst erstellt haben. Durch die Integration des 3D-Drucks in den Unterricht entwickeln die Schülerinnen und Schüler Kreativität und organisatorische Fähigkeiten, indem sie ihren Geist für unendliche Möglichkeiten öffnen, einschließlich der Erstellung einzelner oder stückweiser 3D-Objekte sowie der Verbesserung aller bestehenden Objekte.

Der Wechsel von Blaupausen zum 3D-Design und die Möglichkeit, die eigenen Kreationen anzufassen, bringt einen viel realistischeren und dynamischeren Lernansatz mit sich. Und so wird die Aneignung von Wissen auf natürliche Weise erfolgen.

Die 3D-Technologie in Grund- und Sekundarschulen regt nicht nur das Engagement an und fördert kreatives Denken, um die Lernmöglichkeiten in den STEAM-Fächern zu verbessern, sondern dient den Lehrern durch die Integration in verschiedene Fächer auch als Plattform, um ihre Schüler auf die Zukunft vorzubereiten, indem sie den Erwerb von Problemlösungsfähigkeiten und Erfahrungen erleichtert.

Im Falle der beruflichen Aus- und Weiterbildung (VET) umfasst die Einführung der 3D-Technologie viel mehr Informationen als nur die Funktionsweise der Geräte; sie lädt die Schüler dazu ein, alle Aspekte des Designs zu erkunden, vom Zeichnen auf Papier über das Entwerfen oder Modellieren mit 3D-Software bis hin zur Vorbereitung ihrer Dateien für den 3D-Druck.

Die Möglichkeiten, die 3D-Drucker für den Schulunterricht bieten, sind endlos und können auf die Bedürfnisse der einzelnen Bildungsstufen zugeschnitten werden, so dass sich die Investition schnell amortisiert. Es gibt heute viele 3D-Drucktechnologien, aber die beiden gängigsten und zugänglichsten sind FFF/FDM und Laser.

Materialextrusion: FFF/FDM

Die FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling), auch bekannt als FFF (Fused Filament Manufacturer), ist heute die am weitesten verbreitete Technologie auf dem Markt. Diese Technologie besteht darin, ein Teil durch schichtweises Auftragen eines Filaments zu erhalten, das durch Einführen in einen Extruder, der es bei einer Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts verarbeitet hat, geschmolzen wurde. Es gibt zwei Arten von Filamentdurchmessern (1,75 mm und 2,85 mm), und der große Vorteil dieser Technologie liegt in der großen Vielfalt der verfügbaren Materialien, ihrem günstigen Preis und der Möglichkeit, sie zu kombinieren, um beispielsweise die Nachbearbeitung der Entfernung von Trägern zu reduzieren, indem ein lösliches Trägermaterial in den Druck integriert wird. Außerdem ist die Wartung dieser Geräte sehr einfach und beschränkt sich auf das Kalibrieren der Wellen oder das Aufheizen des Extruders, falls dieser verstopft ist.

Bild 1: Raise3D E2 3D-Drucker. Quelle: 3D anheben.

Diese Technologie ist ideal für Teile, die stark, groß, mechanisch und thermisch widerstandsfähig sind. Aber trotz der oben genannten Vorteile der Materialextrusionstechnologie gibt es einen Aspekt, in dem sie nicht mit den Lasertechnologien konkurrieren kann, und zwar, dass sie zwar mehr Nachbearbeitungszeit benötigen, aber viel präziser und schneller sind.

Laser (SLA, SLS)

Bei diesem Druckertyp wird das Filament nicht aufgetragen, sondern die gesamte Schicht auf das Material projiziert, das sich dabei verfestigt.

Bei der Steriolithografie oder SLA findet die Photopolymerisation statt, wenn man ein lichtempfindliches flüssiges Harz einer Lichtquelle aussetzt. Wenn die Lichtquelle gesteuert wird, können Sie ein Objekt formen. Bei dieser Technologie befindet sich flüssiges Harz in einem Tank, und durch das Auf- und Abbewegen einer Plattform wird mit Hilfe eines Lasers eine Materialschicht nach der anderen verfestigt.

Im Falle von SLS handelt es sich um eine Technologie, mit der durch Sintern oder Schmelzen von Kunststoff- oder Metallpulverpartikeln vollständig feste Teile hergestellt werden können. Bei dieser Technologie wird ein sehr feines Materialpulver auf ein flaches Bett dosiert, auf dem das benötigte Material geschmolzen und anschließend mit einer neuen Pulverschicht bedeckt wird. Die Unterschiede in der Technologie ergeben sich aus der Quelle der Schmelzenergie und dem zu verwendenden Material. Beim SLS-Verfahren werden Kunststoffe, hauptsächlich Nylon 12, mit einem Laser geschmolzen.

Bild 2: Studenten mit Formlabs-Druckern. Quelle: Formlabs.

Diese Technologien sind ideal für die Herstellung kleiner Details oder komplizierter Oberflächen auf Teilen, die robuster sein müssen, um eine höhere Präzision zu erreichen und Druckzeit zu sparen. Allerdings sind sie im Vergleich zum Filamentdruck teurer, da sowohl das Harz als auch die Maschine selbst teurer sind. 

Was ist mit Kindern? Nun, es gibt auch Drucker, die für ein kinderfreundlicheres Publikum geeignet sind, die über alle Sicherheitsvorkehrungen verfügen und speziell an die Bedürfnisse in Klassenzimmern angepasst sind: Isolierung, Materialien und Bedienung sind speziell für Kinder konzipiert. Der Desktop-3D-Druckerhersteller XYZprinting hat den Toybox-Drucker exklusiv für Kinder entwickelt. Es geht aber nicht immer nur um 3D-Drucker. 3Doodler bietet zum Beispiel eine Reihe von Lernpaketen für seinen 3D-Stift an. 

Bild 3: 3Doodler. Quelle: Wobleworks.

Der 3Doodler-Stift ist eine einfache Möglichkeit, den 3D-Druck in Schulen zu integrieren, indem er die Erstellung von 3D-Kunstwerken erleichtert und den Schülern ein grundlegendes Verständnis der Dreidimensionalität vermittelt.

Umsetzung im Klassenzimmer

Die Bedeutung der Einbeziehung des 3D-Drucks in Berufsausbildungen und Schulen ist eine Tatsache. Und da Schulungen für die Anwendung und Umsetzung der 3D-Technologie, insbesondere in der Industrie, unerlässlich sind, sind sie zu einer beruflichen Notwendigkeit geworden.

Die praktische Anwendung dieser Technologie kann in eine Vielzahl von Schulfächern integriert werden, um die oft schwierigen theoretischen Konzepte für die Schüler zu vereinfachen. Aber es ist weder einfach noch sehr verbreitet, einen 3D-Drucker in spanischen Schulen zu finden, und obwohl es experimentelle Initiativen gibt, die dies erfolgreich getan haben, ist sein Einsatz fast immer auf spezifische Projekte oder ganze Projekttage ausgerichtet. In anderen Ländern, wie den Vereinigten Staaten oder dem Vereinigten Königreich, werden sie in die Klassenzimmer integriert, da man sich ihres Potenzials als Bildungsressource, ihrer Vielseitigkeit und der Möglichkeit, die aktive Beteiligung der Schüler zu fördern, bewusst ist.

Einige der Gründe, warum die Einbeziehung dieser Technologie auf sichtbarere Weise beschleunigt werden sollte, sind die folgenden:

1. Motiviert die Schüler und fördert das Lernen.

2. Es beschleunigt den Lernprozess.
3. Verbessert das Behalten von Informationen.
4. Entwickelt die Fähigkeit zu Kritik und Reflexion.
5. Es fördert das kollektive und personalisierte Lernen.

Indem sie bestimmte Projekte greifbar machen, können Kinder und Jugendliche komplexe Konzepte begreifen. Durch die Aneignung dieser Konzepte in der Praxis werden die Schüler während des Lernprozesses motiviert. Zweifellos ermöglicht der Einsatz von 3D-Ausrüstung im Bildungsbereich den Schülerinnen und Schülern die Durchführung verschiedener Projekte und Aktivitäten, die ihre STEAM-Fähigkeiten stärken, ihre Teamfähigkeit verbessern, ihr Selbstwertgefühl steigern und ihre Kreativität fördern.