3D-Druck von Hand
In dieser Lektion untersuchen die Schüler, wie 3D-Drucker funktionieren. Anschließend verwenden sie paarweise die gleichen Methoden, die von 3D-Druckern verwendet werden, um ein 3D-Modell eines Objekts zu erstellen.
Stellen Sie den Schülern Folgendes vor:
- 3D-Drucker, additive Fertigung und wie 3D-Druck funktioniert
- CAD- und STL-Dateien, die im 3D-Druck verwendet werden
Altersstufen: 8-14
Baumaterialien (für jedes Team)
Benötigtes Material
- Schaumkarton oder dicke Wellpappe
- Lineale
- Pfeifenreiniger oder leicht biegbarer Draht
- Bleistifte
- Kleben
- Eine Vielzahl kleiner Objekte mit relativ einfachen Formen, aus denen die Schüler auswählen können.
- Kugeln
- Vasen
- Schüsseln
- Flaschen
- Becher
Lehrermaterial
Kurzes Video von PBS LearningMedia für eine visuelle Einführung in den 3D-Druck https://ny.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c-9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/
Design-Herausforderung
Sie sind Teil eines Teams von Ingenieuren, die gemeinsam ein „3D-gedrucktes“ Modell eines Objekts aus alltäglichen Materialien erstellen.
3D-Drucksoftware bildet die Form eines Objekts ab und „schneidet“ es dann in Schichten. 3D-Drucker dann Drucken Sie Objekte, indem Sie Schicht für Schicht Material zusammenfügen, um das Objekt zu erstellen. Dieser Prozess wird als „Additive Fertigung“ bezeichnet.
Die Dicke Ihrer Schichten entspricht der Dicke Ihres Baumaterials (Schaumstoffplatte oder Karton). Um Ihre Schichten zu messen, wickeln Sie an jeder Schicht-/Höhenmarkierung Pfeifenreiniger um Ihr Objekt (wenn Ihre Schaumstoffplatte ¼" dick ist, messen Sie Ihr Objekt mit einem Pfeifenreiniger bei ¼" hoch, ½" hoch, ¾" hoch usw.). Der Pfeifenreiniger gibt Ihnen die Größe und Form derSchicht. Wenn Sie die Pfeifenreinigerform auf Ihr Baumaterial verfolgen, schneiden Sie jede Schicht Ihres Modells aus. Wenn Sie eine Schicht über die andere legen und mit Klebstoff befestigen, erstellen Sie Ihr dreidimensionales Modell.
Eigenschaften
- Objekt für die Modellierung muss vom Team ausgewählt werden
- Verwenden Sie Lineal und Pfeifenreiniger, um das Objekt an jeder Höhenmarkierung zu messen
Einschränkungen
- Verwenden Sie nur die bereitgestellten Materialien
- Teilen Sie die Klasse in 2er-Teams auf
- Verteilen Sie das Arbeitsblatt 3D-Druck von Hand sowie einige Blätter Papier zum Skizzieren von Designs.
- Besprechen Sie die Themen im Abschnitt Hintergrundkonzepte. Vielleicht möchten Sie dieses kurze Video von PBS LearningMedia für eine visuelle Einführung in den 3D-Druck zeigen https://ny.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c-9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/
- Überprüfen Sie den Konstruktionsprozess, die Konstruktionsherausforderung, die Kriterien, Einschränkungen und Materialien.
- Weisen Sie die Schüler an, mit dem Brainstorming zu beginnen und ihre Entwürfe zu skizzieren.
- Stellen Sie jedem Team seine Materialien zur Verfügung.
- Erklären Sie, dass die Schüler ein dreidimensionales Modell eines der von Ihnen bereitgestellten Objekte erstellen werden. Besprechen Sie, wie 3D-Drucker Objekte mithilfe von Schichten erstellen, weshalb dies manchmal als „additive Fertigung“ bezeichnet wird. Die Computerdateien, die mit 3D-Druckern verwendet werden, enthalten die Informationen, die für jede Schicht des zu druckenden Objekts benötigt werden. CAD-Software beschreibt die dreidimensionale Struktur eines Objekts. .STL-Dateien beschreiben die äußere Struktur eines Objekts, indem sie es in Dreiecke unterteilen. Anschließend teilt eine Slicing-Software die dreidimensionale Struktur für den 3D-Drucker in horizontale Schichten auf. Mit Methoden, die einem 3D-Drucker ähneln, arbeiten die Schüler mit der bereitgestellten Schaumstoffplatte oder Wellpappe, um ein Modell des von ihnen ausgewählten Objekts „3D-drucken“ zu können. Da sie ihr Modell aus Schaumstoffplatten aufbauen, verwenden sie eine Art additive Fertigung. Teilen Sie den Schülern die Dicke der verwendeten Schaumstoff- oder Wellpappe mit. Diese Dicke wird die Höhe jeder Schicht ihrer Modelle. Die Schüler teilen das Objekt mit diesem Höhenmarker in Schichten auf und wickeln die Pfeifenreiniger oder Drähte um ihr Objekt, um seine Form an jedem Höhenmarker zu bestimmen. Die Schüler werden den Draht auf den Karton oder die Schaumstoffplatte verfolgen und dann jede Schicht ausschneiden. Die Schüler stapeln und kleben die Schichten dann zusammen, um ihr Modell in einer Art additiven Fertigungsverfahrens zu erstellen.
- Geben Sie die Zeit an, die sie zum Entwerfen und Bauen haben (1 Stunde empfohlen).
- Verwenden Sie einen Timer oder eine Online-Stoppuhr (Countdown-Funktion), um sicherzustellen, dass Sie pünktlich sind. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Geben Sie den Schülern regelmäßige „Zeitprüfungen“, damit sie bei der Arbeit bleiben. Wenn sie Probleme haben, stellen Sie Fragen, die sie schneller zu einer Lösung führen.
- Die Schüler treffen sich und entwickeln einen Plan für ihr 3D-Modell. Sie vereinbaren Materialien, die sie benötigen, schreiben/zeichnen ihren Plan und präsentieren ihren Plan der Klasse. Teams können unbegrenzt Materialien mit anderen Teams tauschen, um ihre ideale Stückliste zu entwickeln.
- Teams bauen ihre Entwürfe.
- Teilen Sie in der Klasse die Entwürfe und diskutieren Sie die Reflexionsfragen der Schüler.
- Weitere Inhalte zum Thema finden Sie im Abschnitt „Tiefer graben“.
Studentenreflexion (technisches Notizbuch)
- Wie vergleicht sich das von Ihnen erstellte Modell mit dem Objekt, auf dem es basiert?
- Welche Änderungen am Verfahren oder an den Materialien würden Ihrer Meinung nach zu einer detaillierteren und genaueren Reproduktion des Originalobjekts führen?
- Inwiefern ähnelt der Prozess, mit dem Sie Ihr 3D-Modell erstellt haben, dem tatsächlichen? Verfahren, das von einem 3D-Drucker verwendet wird??
- Was denken Sie, wie die Dicke der Schichten, die Sie hier erstellt haben, im Vergleich zu den Schichten ist? für einen 3D-Drucker erstellt?
- Auf welche Herausforderungen sind Sie bei der Erstellung Ihres 3D-Modells gestoßen? Welche anderen Tools oder Materialien könnten Ihnen bei Ihren Messungen und dem Aufbau Ihrer Schichten geholfen haben?
Zeitänderung
Der Unterricht kann für ältere Schüler in nur 1 Unterrichtsstunde durchgeführt werden. Um den Schülern zu helfen, sich nicht gehetzt zu fühlen, und um den Erfolg der Schüler sicherzustellen (insbesondere für jüngere Schüler), teilen Sie die Lektion in zwei Abschnitte auf, damit die Schüler mehr Zeit für Brainstorming, Testideen und die Fertigstellung ihres Designs haben. Führen Sie die Tests und Nachbesprechungen in der nächsten Unterrichtsstunde durch.
Was ist 3D-Druck?
3D-Drucker sind Drucker, die dreidimensionale Objekte drucken, indem sie Schicht für Schicht des verwendeten Druckmaterials hinzufügen. Dieses Verfahren wird als additive Fertigung bezeichnet. 3D-Drucker haben Objekte mit einer Vielzahl von Druckmaterialien erstellt, darunter Kunststoff, Zucker und sogar menschliche Zellen.
3D-Drucker haben das Potenzial, die Herstellung von Alltagsgegenständen zu revolutionieren. Bei der traditionellen Herstellung ist die Herstellung kleiner Chargen eines Produkts oder die Herstellung eines kundenspezifischen Produkts sehr kostspielig. 3D-Drucker ermöglichen die kostengünstige Herstellung kleiner Stückzahlen kundenspezifischer Produkte. Das bedeutet, dass die Erstellung von Prototypen deutlich kostengünstiger wird und Produkte auf Bestellung gefertigt werden können, anstatt in großen Stückzahlen vorgefertigt werden zu müssen.
3D-Drucker haben auch das Potenzial, Produkte in abgelegenen Gebieten verfügbar zu machen, wo sie sonst schwer oder gar nicht zugänglich wären. Dies kann den 3D-Druck von individuell angepassten medizinischen Implantaten in einem abgelegenen Dorf oder 3D-Druckwerkzeuge im Weltraum bedeuten. 2014 wurde ein 3D-Drucker ins All geschickt und zur Internationalen Raumstation ISS geliefert. Die NASA war dann in der Lage, den Astronauten CAD-Zeichnungen (Computer Aided Design) für einen Steckschlüssel per E-Mail zu senden, und die Astronauten druckten den Steckschlüssel erfolgreich an Bord der Raumstation.
3D-Drucker könnten verwendet werden, um alle Arten von dreidimensionalen Objekten aus einer Vielzahl von Materialien herzustellen. Sie wurden bereits verwendet, um maßgeschneiderte Haushaltsprodukte, Lebensmittel wie Pfannkuchen und Zuckerskulpturen, Musikinstrumente und individuell angepasste medizinische Prothesen zu drucken. Forscher arbeiten auch daran, mit lebenden Zellen zu drucken, die es ihnen ermöglichen könnten, durch einen Prozess namens Bioprinting lebende Gewebe und Organe herzustellen. 3D-Drucker haben auch das Potenzial, komplexe Medikamente präzise und kostengünstig herzustellen.
Um ein 3D-Druckobjekt zu entwerfen, muss ein computergeneriertes 3D-Modell erstellt werden. 3D-Modelle können mit einer CAD-Software, einer Digitalkamera in Verbindung mit einer speziellen Software oder einem 3D-Scanner erstellt werden. Das 3D-Modell muss dann in eine .STL-Datei konvertiert werden, die die Form des 3D-Objekts in eine Reihe von Dreiecken umwandelt, oder in eine .OBJ-Datei, die auch Farb- und Texturinformationen enthalten kann. So kann die 3D-Drucker-Software es lesen. Diese Datei wird dann von einem „Slicer“ verarbeitet. Dies ist eine Software, die das 3D-Modell in eine Reihe von Schichten umwandelt und dem 3D-Drucker seine Druckanweisungen gibt.
3D-Drucker werden immer günstiger und immer häufiger verfügbar. Viele öffentliche Bibliotheken, Makerspaces und Schulen verfügen jetzt über 3D-Drucker für die öffentliche Nutzung.
- 3D: Die Qualität der Dreidimensionalität.
- Additive Fertigung: Erstellung leichterer, komplexerer Designs.
- Einschränkungen: Einschränkungen bei Material, Zeit, Teamgröße usw.
- Kriterien: Bedingungen, die das Design erfüllen muss, wie seine Gesamtgröße usw.
- Ingenieure: Erfinder und Problemlöser der Welt. In den Ingenieurwissenschaften werden XNUMX Hauptfachgebiete anerkannt (siehe Infografik).
- Engineering Design Process: Verfahrensingenieure verwenden, um Probleme zu lösen.
- Engineering Habits of Mind (EHM): Sechs einzigartige Denkweisen von Ingenieuren.
- Iteration: Test & Redesign ist eine Iteration. Wiederholen (mehrere Iterationen).
- Schichten: Ein Blatt, eine Menge oder eine Dicke des Materials.
- Modell: Eine dreidimensionale Darstellung einer Person oder Sache oder einer vorgeschlagenen Struktur, typischerweise in kleinerem Maßstab als das Original.
- Prototyp: Ein Arbeitsmodell der zu testenden Lösung.
Internetverbindungen
- PBS LearningMedia: Wird der 3D-Druck die Welt verändern?
Literatur-Empfehlungen
- 3D-Drucker: Ein Leitfaden für Anfänger von Oliver Bothmann (ISBN: 978-1565238718)
- Make: Erste Schritte mit dem 3D-Druck: Ein praktischer Leitfaden zu Hardware, Software und Services hinter der neuen Fertigungsrevolution von Liza Wallach Kloski und Nick Kloski (ISBN: 978-1680450200)
Aktivität schreiben
Schreiben Sie einen Aufsatz oder Absatz darüber, wie der 3D-Druck für die Gesellschaft hilfreich sein kann und welche potenziellen Gefahren, Fallstricke oder moralischen Probleme damit verbunden sind.
Anpassung an Curriculum Frameworks
Hinweis: Die Unterrichtspläne dieser Reihe richten sich nach einem oder mehreren der folgenden Standards:
- US-amerikanische Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Wissenschaftsstandards der nächsten Generation der USA (http://www.nextgenscience.org/)
- Standards der International Technology Education Association für technologische Kompetenz (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- US National Council of Teachers of Mathematics' Principles and Standards for School Mathematics (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- US Common Core State Standards für Mathematik (http://www.corestandards.org/Math)
- Computer Science Teachers Association K-12 Standards für Informatik (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 5-8 (Alter 10 - 14)
INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln
- Verständnis für wissenschaftliche Forschung
INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie
Aufgrund der Aktivitäten in den Klassen 5 bis 8 sollten sich alle Schüler entwickeln
- Fähigkeiten des technologischen Designs
- Verständnis für Wissenschaft und Technologie
INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Persönliche Gesundheit
- Risiken und Vorteile
- Wissenschaft und Technologie in der Gesellschaft
INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Wissenschaftsgeschichte
Nationale Standards für den naturwissenschaftlichen Unterricht Klasse 9-12 (Alter 14-18)
INHALTSSTANDARD A: Wissenschaft als Anfrage
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln
- Verständnis für wissenschaftliche Forschung
INHALTSSTANDARD E: Wissenschaft und Technologie
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten sich alle Schüler entwickeln
- Fähigkeiten des technologischen Designs
- Verständnis für Wissenschaft und Technologie
INHALTSSTANDARD F: Wissenschaft in persönlicher und sozialer Perspektive
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Wissenschaft und Technologie in lokalen, nationalen und globalen Herausforderungen
INHALTSSTANDARD G: Geschichte und Natur der Wissenschaft
Als Ergebnis von Aktivitäten sollten alle Schüler ein Verständnis für entwickeln
- Historische Perspektiven
Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 3-5 (Alter 8-11)
Ingenieur-Design
Schüler, die Verständnis zeigen, können:
- 3-5-ETS1-1.Definieren Sie ein einfaches Entwurfsproblem, das einen Bedarf oder einen Wunsch widerspiegelt, das festgelegte Erfolgskriterien und Einschränkungen hinsichtlich Material, Zeit oder Kosten enthält.
- 3-5-ETS1-2. Generieren und vergleichen Sie mehrere mögliche Lösungen für ein Problem, basierend darauf, wie gut jede die Kriterien und Einschränkungen des Problems wahrscheinlich erfüllt.
- 3-5-ETS1-3.Planen und führen Sie faire Tests durch, bei denen Variablen kontrolliert und Fehlerpunkte berücksichtigt werden, um Aspekte eines Modells oder Prototyps zu identifizieren, die verbessert werden können.
Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 6-8 (Alter 11-14)
Ingenieur-Design
Schüler, die Verständnis zeigen, können:
- MS-ETS1-2 Bewerten Sie konkurrierende Konstruktionslösungen mithilfe eines systematischen Prozesses, um zu bestimmen, wie gut sie die Kriterien und Einschränkungen des Problems erfüllen.
Wissenschaftsstandards der nächsten Generation, Klassen 9-12 (Alter 14-18)
Ingenieur-Design
Schüler, die Verständnis zeigen, können:
- HS-ETS1-2. Entwerfen Sie eine Lösung für ein komplexes reales Problem, indem Sie es in kleinere, leichter handhabbare Probleme zerlegen, die durch Engineering gelöst werden können.
Standards für technologische Kompetenz - alle Altersgruppen
Die Natur der Technologie
- Standard 3: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Beziehungen zwischen Technologien und die Zusammenhänge zwischen Technologie und anderen Studienbereichen.
Design
- Standard 8: Die Schüler entwickeln ein Verständnis für die Eigenschaften von Design.
- Standard 9: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für Ingenieurdesign.
- Standard 10: Die Studierenden entwickeln ein Verständnis für die Rolle von Fehlerbehebung, Forschung und Entwicklung, Erfindung und Innovation sowie Experimentieren bei der Problemlösung.
Fähigkeiten für eine technologische Welt
- Standard 11: Die Studierenden entwickeln Fähigkeiten zur Anwendung des Designprozesses.
- Standard 13: Die Schüler entwickeln Fähigkeiten zur Bewertung der Auswirkungen von Produkten und Systemen.
Industrial Engineering
Informationstechnik
Zu zweit erstellen Sie mit Ihrem Partner ein „3D-gedrucktes“ Modell eines Objekts. 3D-Drucksoftware bildet die Form eines Objekts ab und „schneidet“ es dann in Schichten. 3D-Drucker drucken dann Objekte, indem sie Schicht für Schicht Material zusammenfügen, um das Objekt zu erstellen. Dieser Prozess wird als „Additive Fertigung“ bezeichnet. Die Dicke Ihrer Schichten entspricht der Dicke Ihres Baumaterials (Schaumstoffplatte oder Karton). Um Ihre Schichten zu messen, wickeln Sie an jeder Schicht-/Höhenmarkierung Pfeifenreiniger um Ihr Objekt (wenn Ihre Schaumstoffplatte 1⁄4 Zoll dick ist, messen Sie Ihr Objekt mit einem Pfeifenreiniger in einer Höhe von 1⁄4 Zoll, 1⁄ 2" hoch, 3⁄4" hoch usw.). Der Pfeifenreiniger gibt Ihnen die Größe und Form der Schicht an. Wenn Sie die Pfeifenreinigerform auf Ihr Baumaterial verfolgen, schneiden Sie jede Schicht Ihres Modells aus. Wenn Sie eine Schicht über die andere legen und mit Klebstoff befestigen, erstellen Sie Ihr dreidimensionales Modell.
Betrachtung
1. Wie vergleicht sich das von Ihnen erstellte Modell mit dem Objekt, auf dem es basiert?
2. Welche Änderungen des Verfahrens oder der Materialien würden Ihrer Meinung nach zu einer detaillierteren und genaueren Reproduktion des Originalobjekts führen?
3. Inwiefern ähnelt der Prozess, mit dem Sie Ihr 3D-Modell erstellt haben, dem tatsächlichen Prozess, der von einem 3D-Drucker verwendet wird?
4. Wie ist Ihrer Meinung nach die Dicke der hier erstellten Schichten im Vergleich zu den Schichten, die für einen 3D-Drucker erstellt wurden?
5. Auf welche Herausforderungen sind Sie bei der Erstellung Ihres 3D-Modells gestoßen? Welche anderen Werkzeuge oder Materialien könnten Ihnen bei Ihren Messungen und der Konstruktion Ihrer Schichten geholfen haben?
Übersetzung des Unterrichtsplans
