Arbeitslehre Technik 3D-Druck Betty-Reis-Gesamtschule Wassenberg - Jahrgang 8 S. Müntges

Arbeitslehre Technik, Jahrgang 8      3D-Druck       S. Müntges

                              Arbeitslehre Technik
                                    Jahrgang 8

                                   3D-Druck
              Betty-Reis-Gesamtschule Wassenberg
                                    S. Müntges

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Arbeitslehre Technik, Jahrgang 8                                 3D-Druck                                                        S. Müntges

Inhaltsverzeichnis
1 Funktionsweise des 3D-Druckers......................................................................................................3
   1.1 Fertigungsverfahren...................................................................................................................3
   1.2 Verfahren im 3D-Druck.............................................................................................................4
      1.2.1 Stereolithographie..............................................................................................................4
      1.2.2 Selective Laser Sintering...................................................................................................5
      1.2.3 Fused Deposition Modeling...............................................................................................6
   1.3 Funktionsweise eines FDM-Druckers.......................................................................................7
2 Technisches Zeichnen........................................................................................................................8
   2.1 Regeln und Normen im technischen Zeichnen..........................................................................8
      2.1.1 Linienarten.........................................................................................................................8
      2.1.2 Ansichten............................................................................................................................9
      2.1.3 Schnittdarstellungen...........................................................................................................9
      2.1.4 Bemaßung und Beschriftung............................................................................................10
3 Das Programm FreeCAD................................................................................................................13

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1 Funktionsweise des 3D-Druckers
1.1 Fertigungsverfahren
Fertigungsverfahren sind (nach DIN 8580) in 6 Hauptgruppen unterteilt. Da Fertigungsverfahren
mehrheitlich in der Metallverarbeitung genutzt werden, steht der Zusammenhalt der einzelnen Teile
des Materials (Stoffteilchen) im Vordergrund.

Urformen (Zusammenhalt schaffen)
      Formloser Stoff → Werkstück
      Beispiele: Gießen mit schmelzflüssigem Ausgangsmaterial. Sintern von Pulvern und
      Granulaten.
      Generative Fertigungsverfahren, die zum Teil auch als 3D-Druck oder Rapid Prototyping
      bekannt sind, werden mehrheitlich dem Urformen zugeordnet.
Umformen (Zusammenhalt beibehalten)
      Feste Rohteile → Werkstück
      Die Formänderung muss bleibend sein und es darf dabei weder Material hinzugefügt noch
      entfernt werden. (Masse des Rohteils = Masse des Fertigteils)
      Beispiele: Walzen, Gesenkschmieden, Pressen, Tiefziehen und Biegen.
Trennen (Zusammenhalt vermindern)
      Werkstück oder Rohling → Werkstück
      Die Form eines Werkstücks wird durch die Aufhebung des Werkstoffzusammenhalts an der
      Bearbeitungsstelle verändert.
      Beispiele: Zerspanen (Sägen, Hobeln, Fräsen, Bohren), Scherschneiden (Stanzen),
      Brennschneiden.
Fügen (Zusammenhalt vermehren)
      Mehrere Werkstücke → Werkstück
      Langfristiges Verbinden mehrerer Werkstücke zu einem neuen Werkstück.
      Beispiele: Schweißen, Löten, Kleben, Nieten, Schrauben.
Beschichten (Zusammenhalt vermehren)
      Werkstück + formloser Stoff→ beschichtetes Werkstück
      Beispiele: Lackieren, Galvanisieren, Pulverbeschichten, Feuerverzinken.
Stoffeigenschaften ändern
      Fertigen durch Verändern der Eigenschaften des Werkstoffes, aus dem ein Werkstück besteht.
      Beispiele: Härten und Glühen.

Der 3D-Druck ist ein additives / generatives Fertigungsverfahren und zählt zur Fertigungsart des
Urformens.
(verändert nach https://de.wikipedia.org/wiki/Fertigungsverfahren, Abruf 01.02.2020)

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1.2 Verfahren im 3D-Druck
1.2.1 Stereolithographie
Die Stereolithographie (SLA) ist die älteste Form des 3D-Drucks (seit den 1980er Jahren).
Funktionsweise: Eine Hebebühne bewegt sich hierbei in flüssigem Epoxidharz schichtweise nach
unten. Vor jedem Absenken härtet ein Laser das Material der Ebene aus, das dort benötigt wird.
Nach der Herstellung wird das Modell unter UV-Licht komplett ausgehärtet.
Nachteil: Stützkonstruktion nötig.
Vorteil: Glatte Oberfläche des Werkstücks.

Abbildung 1: https://praxistipps.chip.de/wie-funktioniert-ein-3d-drucker-verstaendlich-erklaert_45124

siehe auch: https://www.youtube.com/watch?v=eKk2vRysioE

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1.2.2 Selective Laser Sintering
Das Selective Laser Sintering (SLS) oder Selective Laser Melting (SLM) nutzt ein Pulver als
Ausgangsmaterial.
Funktionsweise: Die Funktionsweise ist ähnlich zur SLA, nur wird nach jedem Aushärten eine neue
Pulverschicht von einem Becken ins andere geschoben.
Nachteil: Raue Oberfläche des Werkstücks. Preis.
Vorteil: Keine Stützkonstruktionen nötig.

Abbildung 2: https://praxistipps.chip.de/wie-funktioniert-ein-3d-drucker-verstaendlich-erklaert_45124

siehe auch: https://www.youtube.com/watch?v=9E5MfBAV_tA

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1.2.3 Fused Deposition Modeling
Das sogenannte Fused Deposition Modeling (FDM), auf Deutsch "Schmelzschichtung", ist das am
weitesten verbreitete Verfahren. Es wird auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet.
Funktionsweise: Ein Material wird in einer Düse erhitzt, verflüssigt und schichtweise an der
entsprechenden Stelle aufgebracht. Als Material können Kunststoffe (PVA, PET, Nylon), aber auch
z.B. Schokolade eingesetzt werden.
In der Schule setzen wir als Filament (Druckmaterial als dünner Strang auf Rollen) PLA
(Polymilchsäure) ein.
Nachteil: Stützkonstruktion nötig.
Vorteil: Preis (Drucker und Material)

Abbildung 3: https://praxistipps.chip.de/wie-funktioniert-ein-3d-drucker-verstaendlich-erklaert_45124

siehe auch: https://www.youtube.com/watch?v=wyQ4OWF-5ao

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1.3 Funktionsweise eines FDM-Druckers
Eine in der Höhe beheizbare Platte dient als Untergrund für das Werkstück. Von der Filamentrolle
wird das Material in den Druckkopf (Extruder) gezogen und erhitzt. Der Extruder ist in drei
Dimensionen durch Motoren bewegbar und bringt das verflüssigte Material schichtweise auf.

Siehe https://www.youtube.com/watch?v=BvNvEMzhhOI

Gedruckt wird keine Textdatei, sondern ein Dateiformat, dass ein 3D-Modellierungsprogramm
erstellt hat und alle notwendigen Informationen über das Werkstück enthält. Ein gängiges und von
uns genutztes Format ist das STL-Format. Zur Erstellung der Modelle wird ein CAD-Programm
(Computer aided design) benutzt. Wir nutzen FreeCAD, kostenlos für verschiedene Betriebssysteme
erhältlich unter https://freecadweb.org.

Das fertige 3D-Modell wird mithilfe eines Slicers für den Drucker in einzelne Schichten (Scheiben
oder auf Englisch slice) zerteilt und von dort aus an den Drucker gesendet. Wir nutzen dafür
MakerBot      Print,   kostenfrei     für    Windows       und     MacOS       erhältlich   unter
https://www.makerbot.com/3d-printers/apps/makerbot-print.

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2 Technisches Zeichnen
2.1 Regeln und Normen im technischen Zeichnen
2.1.1 Linienarten
In technischen Zeichnungen geben die Linien Aufschluss über die Beschaffenheit und Lage der
Kanten. Darüber hinaus gibt es Hilfslinien.

       - Breite Volllinien beschreiben sichtbare Werkstückkanten

       - Schmale Volllinien sind in der Regel Maßhilfslinien

       - Strichlinien sind nicht sichtbare Körperkanten

       - Zickzacklinien und Freihandlinien sind hauptsächlich
       bei der verkürzten Darstellung (großer Werkstücke) zu
       finden

       - Strichpunktlinien     werden    für     Symmetrieachsen
       verwendet

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2.1.2 Ansichten
Man unterscheidet im technischen Zeichnen grundsätzlich zwischen folgenden Ansichten:
1.Vorderansicht (1. Hauptansicht)
2.Seitenansicht von rechts
3.Seitenansicht von links (2. Hauptansicht)
4.Draufsicht (3. Hauptansicht)
5.Rückansicht
6.Untersicht

2.1.3 Schnittdarstellungen
Schnittdarstellungen dienen ganz allgemein der Darstellung von Elementen und Konturen, die
normalerweise im Inneren des darzustellenden Bauteils verborgen liegen und zu Zwecken der
Fertigung, der damit verbundenen Dokumentation oder Erklärung von Funktion sichtbar dargestellt
werden sollen.
Zur Hervorhebung von Schnittgrenzen sind beispielsweise bei Ausschnitten Freihandlinien zu
verwenden und der Schnittverlauf ist in einer ungeschnittenen Ansicht mit Pfeilen zu kennzeichnen,
welche die Blickrichtung des Schnittes definieren.

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Schraffurlinien sind in der Regel im 45° bzw. 135° Winkel
auszuführen, der Abstand der Schraffurlinien ist der Größe und dem
Maßstab der Zeichnung anzupassen.
Gegenläufige Schraffuren mit verschiedenen Linienabständen werden
im technischen Zeichnen nicht nur zur Unterscheidung verschiedener
Bauteile, sondern teilweise auch zur Darstellung unterschiedlicher
Materialien verwendet.

2.1.4 Bemaßung und Beschriftung
Grundelemente der Bemaßung (siehe Darstellung rechts) sind:
1.Maßpfeil links
2.Maßlinie
3.Maßzahl
4.Maßhilfslinie
5.Maßpfeil rechts

Statt Maßpfeilen können zur Maßlinienbegrenzung beispielsweise
bei Platzmangel oder zur Vereinfachung bei Skizzen auch Punkte
oder Schrägstriche verwendet werden.
Die Bemaßung ist in Millimetern vorzunehmen.

Aufgabe 1: Zeichne die sechs Ansichten eines Spielwürfels mit der Kantenlänge 80mm und einem
Radius für die Augenzahlen von 5mm. Zeichne anschließend das Schrägbild und markiere mit
Pfeilen deine einzelnen Ansichten.

Aufgabe 2: Ein Würfel soll so manipuliert werden, dass die Wahrscheinlichkeit für die „6“ erhöht
wird.
a) Beschreibe, wie man dies machen könnte.
b) Fertige eine geeignete Zeichnung an, die deine Idee verdeutlicht.

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3 Das Programm FreeCAD

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