3D-Druck in der Bildung

3D-Druck oder additive Fertigung ist ein Produktionsverfahren, bei dem ein dreidimensionales Objekt aus einer CAD-Datei (Computer Aided Design) erstellt wird. Der Begriff umfasst mehrere verschiedene Verfahren, bei denen ein oder mehrere Materialien - in der Regel Kunststoff, Metall, Wachs oder Verbundwerkstoffe - Schicht für Schicht aufgetragen werden, um eine Form zu erzeugen.

Der gesamte Prozess wird von einem Computer gesteuert, was den 3D-Druck zu einer kostengünstigen, effizienten und präzisen Methode zur Herstellung von Objekten mit nahezu beliebiger Geometrie und Komplexität macht. Heute wird der 3D-Druck in allen Branchen zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen und Vorrichtungen, Komponenten und Endverbrauchsteilen eingesetzt.

3D-Drucker gibt es in verschiedenen Größen, von kleinen Tischgeräten bis hin zu großformatigen Industriemaschinen.

Mit großen Druckern können größere Objekte hergestellt werden, aber die Geräte benötigen mehr Platz und kosten deutlich mehr als Tischdrucker. Die Herstellung eines erfolgreichen Drucks ist bei einem Großformatdrucker aufgrund der Materialmenge und der Druckzeit ebenfalls komplexer.

Der 3D-Druck in der Bildung bietet viele Vorteile, darunter:  

Förderung des Engagements der Schüler
Vereinfachung komplizierter Themen und Konzepte
Theoretische Ideen zum Leben erwecken
Ermutigung zur Zusammenarbeit
Heranführen der Schüler an moderne Fertigungsverfahren
Vorbereitung der Schüler auf den zukünftigen Arbeitsplatz und die berufliche Laufbahn
Erschwingliche und vollständig anpassbare Lehrmittel produzieren
In nur wenigen Jahrzehnten haben Computer die Lehr- und Lernerfahrung dramatisch verändert. Der 3D-Druck in der Bildung wird einen ähnlich tiefgreifenden und positiven Einfluss haben, allerdings in viel kürzerer Zeit.

Der 3D-Druck hat sich zu einem wichtigen Instrument zur Verbesserung des Lernprozesses für Schüler, Auszubildende, Studenten, Forscher und Lehrer entwickelt. Die Technologie verfeinert kreative und praktische Fähigkeiten, erweckt Konzepte und Theorien zum Leben und bietet eine aktive Lernumgebung.

Dank des 3D-Drucks haben die Lernenden die Freiheit, zu entwerfen, zu denken, zu schaffen und sich auf neue und sinnvolle Weise mit der Welt auseinanderzusetzen. Außerdem fördern die Begeisterung und das Interesse am 3D-Druck das Engagement der Lernenden, insbesondere derjenigen, die praktische Erfahrungen bevorzugen.

Mit dem 3D-Druck können Schüler auf allen Ebenen hochkomplexe, einzigartige Objekte herstellen, die auf andere Weise nur schwer oder gar nicht zu realisieren wären. Darüber hinaus können solche Entwürfe schnell, einfach und individuell hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, sich mit einer Technologie vertraut zu machen, die in einer Vielzahl von Branchen und Berufen eingesetzt wird.

Für das rasche Wachstum des 3D-Drucks in der Bildung sind mehrere Faktoren verantwortlich, wie z. B. eine größere Wertschätzung der Technologie und ihrer Vorteile sowie die ständig wachsende Datenbank mit Open-Source-Lehrmitteln und -Leitfäden. 3D-Drucker sind inzwischen auch allgemein zugänglich und erschwinglich sowie intuitiver und einfacher zu bedienen - wichtig für Anfänger und jüngere Nutzer.  

Während sich der 3D-Druck in der Bildung zunächst auf den naturwissenschaftlichen, technischen und künstlerischen Unterricht konzentrierte, wird die Technologie zunehmend in fast allen Fachbereichen eingesetzt, von Geschichte und Mathematik bis hin zu Geografie und Theater. Auch in universitären Forschungslabors, Berufsbildungszentren, außerschulischen Lernorten und Bibliotheken sind Drucker inzwischen gang und gäbe.

Dennoch ist der 3D-Druck in der Bildung bei weitem noch nicht flächendeckend eingesetzt. Nicht jede Schule oder Bildungseinrichtung verfügt über einen Drucker, und diejenigen, die einen haben, verwenden ihn in der Regel nur für eine begrenzte Anzahl von Anwendungen. Das könnte sich ändern, wenn die Technologie preiswerter wird und mehr Menschen die Vorteile erkennen und verstehen.

Das Aufkommen von Plattformen für die On-Demand-Fertigung und Community Makerspaces, von denen viele 3D-Druckdienste anbieten, könnte eine Option für Schulen sein, die nicht in der Lage sind, ihre eigene Druckerflotte zu kaufen und zu verwalten. Hersteller und Händler von 3D-Druckern gewähren auch Rabatte auf Geräte für Bildungszwecke und stellen kostenlose Lehrbücher, Materialien und Unterrichtspläne zur Verfügung.

3D-Druck in der Bildung trägt zum Aufbau einer Vielzahl von Fähigkeiten bei, sowohl direkt als auch indirekt, auf allen Ebenen des Lernens. Die häufigsten sind:

• Design und Kreativität
• Computerkenntnisse, insbesondere im Umgang mit digitalen Konstruktionswerkzeugen
• Problemlösung
• 3D-Modellierung
• Kritisches Denken und Forschung
• Teamarbeit und Kommunikation
• MINT (Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen, Mathematik)
• Ausdauer und iterative Verbesserung
• Visualisierung und räumliches Vorstellungsvermögen 
• Unternehmertum  

Fast alle Lehrkräfte verwenden im Unterricht irgendeine Form von physischen Lernhilfen. Diese reichen von einfachen Diagrammen und Modellen bis hin zu Experimenten in Originalgröße oder Requisiten, die ein Märchenbuch zum Leben erwecken.

Laut einer Studie der Michigan Technological University könnten Lehrkräfte durch den 3D-Druck von Open-Source-Lernhilfen statt deren Kauf bei Händlern wie Amazon bis zu 86 % einsparen. 

In der Studie wurden verschiedene Lernhilfen untersucht, von einer Uhr über ein Periodensystem-Puzzle bis hin zu Modellen des Kolosseums und der Chinesischen Mauer. Die Forscher analysierten die Funktionalität, die Massenverhältnisse, die Sicherheit und den Energieverbrauch sowie die Druck- und Montagekosten, um die Kosten für den Druck pro Kilogramm zu ermitteln.

Die Studie zeigte auch, dass Lehrer weltweit den 3D-Druck in der Bildung begrüßen. Die Ergebnisse zeigen, dass die in der Studie bewerteten Lernmittel im Durchschnitt mehr als 1.500 Mal heruntergeladen und vermutlich ebenso oft gedruckt wurden.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass der 3D-Druck in der Bildung den Schulen nicht nur Geld spart, sondern auch eine Investitionsrendite von über 100 % ermöglicht. Ein Mitglied des Forschungsteams erklärte: "Es ist klar, dass der 3D-Druck verschiedener Lehrmittel im Klassenzimmer und in der Schule in fast jedem Kontext hohe Einsparungen ermöglicht."

Die Anwendungsmöglichkeiten für den 3D-Druck in der Bildung sind grenzenlos; die einzige Einschränkung ist die Vorstellungskraft der Lehrer und Schüler. Einige der häufigsten Anwendungen sind:

LEHRMITTEL
3D-Drucker können ultrarealistische und genaue Modelle von fast allem erstellen, von Objekten der Vergangenheit und Gegenwart bis hin zu Modellen, die wissenschaftliche oder mathematische Prinzipien veranschaulichen. Beispiele sind Planeten, Skelette, Fahrzeuge, Gebäude, historische Artefakte und eine archimedische Schraube.

Diese Modelle helfen den Lehrkräften, besser zu erklären, was etwas ist, wie es funktioniert und wie es in der realen Welt zusammenwirkt. Die Möglichkeit, ein Objekt in die Hand zu nehmen, zu untersuchen und zu manipulieren, bietet den Schülern eine reichhaltigere, interaktivere Bildungserfahrung als ein Diagramm oder ein Foto.

SPIEGEL
Die Forschung zeigt, dass der Einsatz von Spielen im Unterricht die Beteiligung der Schüler erhöht, das Lernen verstärkt und soziale Fähigkeiten wie Zusammenarbeit und Kommunikation fördert. Es gibt zahlreiche Beispiele für 3D-gedruckte Lernpuzzles. Sie reichen von einfachen Hilfsmitteln wie Puzzles und Spielen zum Erlernen von Brüchen und Dezimalzahlen bis hin zu komplexen Brückenbau-Sets.  

PRODUKTGESTALTUNG
Lange Zeit konnten Schüler nur theoretisch auf Aufgaben reagieren. In der Betriebswirtschaftslehre zum Beispiel werden die Schüler oft aufgefordert, einen Bedarf zu ermitteln und ein Produkt zu entwerfen, das diesen Bedarf deckt. Das Produkt wird selten hergestellt - zumindest nicht in seiner endgültigen, marktfähigen Form. Der 3D-Druck ändert das.

Studierende können nun ein fertiges Produkt entwerfen, testen, verfeinern und herstellen, das auf den Markt gebracht und verkauft werden kann. Die Produkte können schnell, kostengünstig, lokal und in kleinen Stückzahlen hergestellt werden. Sie können auch individuell angepasst und als Reaktion auf das Feedback des Marktes verändert werden. Immer mehr Unternehmen haben ihre Wurzeln in Unterrichtsprojekten, und der 3D-Druck ist für viele von ihnen ein wichtiger Wegbereiter.    

Die OTH Regensburg (OTH) ist eine der größten technischen Hochschulen in Süddeutschland und bietet mehr als 45 Studiengänge für 11.000 Studierende an. Die OTH beherbergt auch das Sensorik-Applikationszentrum (SappZ), ein Zentrum, in dem Studenten angewandte Forschung und Ingenieurwesen in Kombination mit 3D-Druck nutzen, um Sensoranwendungen für die Automobil-, Medizin-, Industrie-, Elektronik- und Maschinenbauindustrie zu entwickeln.

SappZ ist eine wichtige Schnittstelle zwischen den Forschungsaktivitäten der Universität und der Welt der Wirtschaft und Industrie. Es ist ein Innovationszentrum, in dem Konzepte Wirklichkeit werden. Der 3D-Druck hat das Zentrum aufgrund seiner Geschwindigkeit, Genauigkeit und Multimaterialfähigkeit tiefgreifend beeinflusst.

Der 3D-Druck hat die Art und Weise verändert, wie Studenten Objekte mit höchster Genauigkeit und Funktion entwerfen und herstellen. Die Studenten und Forscher am SappZ verwenden die PolyJet-Technologie des innovativen Anbieters von 3D-Drucklösungen Stratasys. PolyJet bietet eine breite Palette von Materialien, die den Studierenden eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten eröffnet hat.

Das Zentrum druckt in der Regel große und kleine funktionelle Teile mit sehr komplexen, präzisen Geometrien in 3D. Dazu gehören Sensorgehäuse und mechanische Prototypen, aber auch Teile für die eigene Laborausrüstung und Versuchsaufbauten sowie Projekte mit anderen Abteilungen.

Der Zugang zum 3D-Druck hat die Qualität der studentischen Projekte erhöht und, was noch wichtiger ist, er verändert auch die Denkweise der Studenten. Durch die Aufhebung der Beschränkungen, die mit den traditionellen Fertigungstechniken verbunden sind, ermöglicht der 3D-Druck den Studierenden, ohne Barrieren zu entwerfen und zu gestalten. Wer weiß, welche Innovationen dies in der Zukunft freisetzen wird?

3D-Druck in der Bildung hat einen weitreichenden positiven Einfluss auf die Lernerfahrung. Die Technologie bietet nahezu unbegrenzte Wachstumsmöglichkeiten für alle Altersgruppen, Qualifikationsstufen und Fächer.

Spannende Innovationen werden durch die Verbesserung der Qualität und der Detailgenauigkeit der gedruckten Objekte (auch als Auflösung bezeichnet), die Flexibilität und die größere Benutzerfreundlichkeit vorangetrieben. Dennoch sind dem 3D-Druck in der Bildung Grenzen gesetzt.

KOSTEN
Wenn jemand mit der Technologie nicht vertraut ist, könnte er glauben, dass die Einführung des 3D-Drucks in einem Klassenzimmer zu teuer ist. Es gibt jedoch erschwingliche Druckoptionen, und einige Maschinenhersteller bieten Rabatte für Bildungseinrichtungen an.

Auch die Regierungen haben den Nutzen des 3D-Drucks in der Bildung erkannt und bieten spezielle Förderprogramme an, um Schulen bei der Anschaffung von Druckern und der Schulung von Lehrkräften für deren effektive Nutzung zu unterstützen.

Der 3D-Druck ist jedoch mit Kosten verbunden, sowohl für die Drucker selbst als auch für die laufenden Kosten für den Austausch von Verbrauchsmaterialien wie Druckmaterial und die routinemäßige Wartung.

MANGELNDE VERTRAUTHEIT
Obwohl die Verbreitung des 3D-Drucks in der Bildung zunimmt, ist er noch kein fester Bestandteil des Unterrichts - jedenfalls nicht an Fachhochschulen und Universitäten. Lehrkräfte wissen möglicherweise nicht, wie der 3D-Druck den Lehrplan verbessern und bereichern kann oder wie einfach er in den Unterricht integriert werden kann.

Bei Schulen, die einen 3D-Drucker angeschafft haben, kann diese Unkenntnis dazu führen, dass das Gerät ungenutzt bleibt. Für diejenigen, die keinen Drucker haben, kann es bedeuten, dass die Investition gar nicht erst getätigt wird.   

Als Reaktion auf diese Herausforderung bieten viele Druckerhersteller und -händler nun Schulungen, Ressourcen und Unterstützung für Pädagogen an, um den 3D-Druck erfolgreich in den Lehrplan zu integrieren.

EINGESCHRÄNKTE MATERIALAUSWAHL
Für den 3D-Druck von hochwertigen oder schwereren Materialien wie Metallen, Verbundwerkstoffen und technischen Kunststoffen ist ein großer, hochentwickelter Drucker erforderlich. Diese Spezialgeräte sind viel teurer und komplizierter zu bedienen als Desktop-Modelle. Daher sind sie derzeit nur in höheren Bildungseinrichtungen wie Hochschulen, Universitäten und branchenspezifischen Ausbildungszentren zu finden.    

Grundschulen und weiterführende Schulen sowie zunehmend auch Bibliotheken und kommunale Makerspaces sind in der Regel auf 3D-Drucker der Einstiegsklasse beschränkt. Diese Geräte drucken nur mit bestimmten Kunststoffen, meist mit Polymilchsäure (PLA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).

Bei einem vom Aussterben bedrohten afrikanischen Pinguin im Mystic Aquarium, Connecticut, wurde eine nicht funktionierende Beugesehne im Knöchel festgestellt. Ähnlich wie eine Verletzung der Achillesferse eines Menschen führt eine Verletzung der Beugesehne eines Pinguins zu Schmerzen und Bewegungseinschränkungen.

Nachdem die Verletzung festgestellt worden war, legten die Tierärzte einen handgefertigten Stiefel an, um den verletzten Fuß zu immobilisieren, zu schützen und zu stützen. Das Tierpflegeteam wusste jedoch, dass der 3D-Druck haltbarer, weniger schwerfällig und weniger zeitaufwändig als die Handarbeit des Stiefels sein würde.

Das Mystic Aquarium trug diese Idee an die Mystic Middle School heran, die kürzlich einen 3D-Drucker von der ACT Group, einem lokalen Partner des globalen 3D-Druck-Pioniers 3D Systems, erworben hatte.

Als Team arbeiteten Mystic Aquarium, ACT Group und die Schüler zusammen, um einen neuen Stiefel für den kleinen Vogel zu entwerfen und in 3D zu drucken. Unter der anatomischen Anleitung des tierärztlichen Personals des Mystic Aquariums und der technischen Schulung durch die ACT Group leiteten die Studenten den Entwurfs- und Herstellungsprozess.

Sie begannen mit dem Scannen eines Abdrucks des Pinguinfußes und nutzten dann eine Software, um die Datei mit Details wie Trittflächen, Scharnieren und Verschlüssen zu versehen. Sobald sie mit dem Design zufrieden waren, wurde es mit dem ProJet 3D-Drucker von 3D Systems aus mehreren Materialien gedruckt.

Mit diesem Drucker können flexible und starre Materialien gleichzeitig gedruckt und gemischt werden, um individuelle Festigkeit und Elastizität zu erzielen. Der so entstandene Stiefel hat die beabsichtigte Wirkung in Bezug auf Haltbarkeit, Gewicht und Passform erzielt und ermöglicht es dem Pinguin, wie seine Artgenossen zu laufen und zu schwimmen.