11. – 13. Schuljahr

Michael Scheid, Kristina Hock und Stefan Schwarzer

Kunststoffe und 3D-Druck

Vom submikroskopischen Molekül zur makroskopischen Funktion am Beispiel der Erstellung eines Molekülbaukastens

Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Gegenstände erzeugt, indem ein Material Schicht für Schicht aufgetragen wird. Ein häufig verwendetes Material sind Kunststoffe. In diesem Beitrag wird eine Anwendung des mittlerweile günstigen und vielfach verfügbaren 3D-Druckverfahrens für den Chemieunterricht vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler entwickeln beispielsweise im Projektunterricht, welcher auch in Form eines Wahlpflichtkurses oder Projektseminars in der Oberstufe durchgeführt werden kann, Atommodelle für einen Molekülbaukasten. Diese werden direkt in der Schule oder an vielerorts nutzbaren FabLabs ausgedruckt. Bis zur Fertigstellung des Produkts durchlaufen die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen einen vollständigen Entwicklungs- und Produktionsprozess, von der Modellerstellung, der Konstruktion der benötigten Teile mit einem CAD-Programm (Computer-Aided Design, zu Deutsch: Rechner-unterstütztes Konstruieren) bis hin zum Druck einfacher und komplizierter Modelle (Abb.1 ). Der fertige Molekülbaukasten orientiert sich an den Ideen der Schülerinnen und Schüler, wie beispielsweise an ihren Designvorstellungen bezüglich Farbgestaltung und Steckverbindungen (Abb.2 ). Ein praktischer Vorteil gegenüber gekauften Molekülbaukästen ist, dass verloren gegangene „Atome bei Bedarf nachproduziert werden können.
Die Druckfilamente werden hinsichtlich ihrer Schmelztemperaturen und anderer Eigenschaften in Schülerexperimenten untersucht, das Druckfilament ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) wird chemisch analysiert. Auf Grundlage der erhaltenen Daten können die Schülerinnen und Schüler das für ihre Anforderungen geeignete Filament auswählen und wichtige Druckparameter, wie die Drucktemperatur, bestimmen. Bei der Bearbeitung vieler Teilbereiche der im Folgenden vorgestellten Unterrichtseinheit wird chemisches Vorwissen zu Polymeren, zum VSEPR-Model und zur kovalenten Bindung vorausgesetzt.
3D-Druck und (Chemie-)Unterricht
Vor 58 Jahren hatte der britische Physiker und Science-Fiction-Autor Arthur Clarke die Idee [1], dreidimensionale Gegenstände zu drucken. Damals klang dies noch nach Science-Fiction, seit gut 25 Jahren ist es nun Realität. Relevant für den Schulunterricht ist die Technologie der 3D-Drucker seit ein paar Jahren, da diese in der Entwicklung fortgeschritten und mittlerweile finanziell erschwinglich ist, so dass der Einsatz lohnenswert erscheint. Einsteigermodelle werden von Elektronikfachgeschäften ab 300€ angeboten [2], bessere Modelle für eine weiterführende Verwendung, wie die 3D-Drucker der Ultimaker-Baureihe (Abb.3 ), die für die im Folgenden vorgestellte Projektarbeit verwendet wurden, gibt es ab 1.500€ zu kaufen [3]. Die Einstiegsmodelle reichen aber für das hier vorgestellte Projekt in ihrer Druckgenauigkeit aus. Des Weiteren bieten Forscherlabore wie das FabLab (kurz für Fabrikationslabor) in München oder andernorts gegen einen kleinen Unkostenbeitrag die Möglichkeit der Nutzung von 3D-Druckern sowie Einsteiger- und Fortgeschrittenenkurse an [4].
Bis jetzt gibt es wenige deutschsprachige Veröffentlichungen zum Thema 3D-Druck im Chemieunterricht, die die Erstellung von Anschauungsmodellen beschreiben [5]. Im Physik- und Mathematikunterricht ist die Nutzung von 3D-Druckern bei der Darstellung von Wellenmodellen oder geometrischen Objekten, denkbar [7, 8]. Selten werden die 3D-Drucker in Schülerhände gegeben und damit als Chance im Projektunterricht genutzt [6]. Die hier beschriebene Verwendung stellt daher ein Novum dar, insbesondere weil ein Einblick in einen kompletten Entwicklungs- und Produktionsprozess gegeben werden kann.
Stoffeigenschaften nach Maß
Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren. Im Folgenden soll nur die für den Schulunterricht relevante „Fused...

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