Einrichtung eines MINT-Labors

Stand: 23.04.2016

1. Grundlagen

In unserer modernen Industrie-, Dienstleistungs- und Wissensgesellschaft kann auf eine anspruchsvolle mathematisch-naturwissenschaftliche Grundbildung nicht verzichtet werden. Das Ziel, Interesse an naturwissenschaftlichen Phänomenen und Technik zu wecken, ist im Profil unserer Schule festgeschrieben. Die naturwissenschaftlichen Fächer insgesamt liefern einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung. Damit dies auch zukünftig gelingt, sollen Naturwissenschaften und Technik anwendungsbezogen vermittelt werden.

2. Zielsetzung

Im Rahmen des Werkstattgedanken sollen Schülerteams projektorientiert an Themen arbeiten, die im Bereich Naturwissenschaft und Technik angesiedelt sind. Ein erstes Projekt, der Bau eines 3D-Druckers, ist zwischenzeitlich erfolgreich abgeschlossen. In Kooperation mit der Ausbildungswerkstatt eines Unternehmens wurde ein 3D-Drucker gebaut und Funktionsteile daran optimiert. Diesen Werkstattgedanken wollen wir an der Realschule weiterführen.

Zukünftige Konzepte werden sich mit Fragen beschäftigen, wie Energie umweltbewusst und nachhaltig erzeugt, gespeichert und genutzt werden kann. Die einzelnen Projekte orientieren sich damit an folgenden Schwerpunkten und sollen so umgesetzt werden, dass der Nutzen sich an den Erfordernissen zukünftiger realer Bedingungen orientiert:

• Effizienz der Energieerzeugung/des Einsatzes
• Umweltverträglichkeit
• Anwendungsmöglichkeiten im realen gesellschaftlichen Feld
• Möglichkeiten für die Speicherung von Energie

Auf dem Schulgelände wurde im zurückliegenden Monat ein Raum geschaffen, der als Labor genutzt werden kann und zugleich die Möglichkeit bietet, den Fortgang der Arbeiten nach außen darzustellen. Das MINTLabor wurde mit einem Sektionaltor ausgestattet. Damit können die gebauten Anlagen oder Fahrzeuge ins Freie geschafft werden. Das Projekt wurde bisher vom Förderverein in Fördergemeinschaft mit einem Sponsor finanziell unterstützt.

3. Nutzen:

Da das MINTLabor zentral auf dem Schulgelände untergebracht ist, kann die Schulgemeinschaft den Fortgang der Arbeiten an dem Fahrzeug, an der Windenergieanlage und anderen Projekten jederzeit verfolgen und einsehen.

Als zertifizierte MINT – Schule wollen wir unsere Schülerinnen und Schüler insgesamt für technische Themen und Abläufe begeistern. Indem Anlagen oder das E-Fahrzeug an einer zentralen Stelle im Schulzentrum gefertigt wird, stellen wir Öffentlichkeit her. Die Technik kommt zu den Jugendlichen und wird Bestandteil ihrer Lebenswelt.

4. Projekt: Bau und Vertrieb eines 3D-Druckers

Im Rahmen einer Projektwoche baute der Technik-Kurs einen 3D-Drucker zur Fertigung beliebiger Kunststoffteile. Im Nachspann erfuhr das Modell 16 Aktualisierungen, was sich heute in verbesserten Druckergebnissen widerspiegelt. Vor dem Hintergrund dieser Erfahrungen wurden weitere Drucker konfektioniert, die im Rahmen des MINTlabors gefertigt werden sollen. Wir wollen damit das Projekt nachhaltig weiterführen. Zeitgleich werden die Schülerinnen und Schüler praxisnah an die Kunststoffverarbeitung herangeführt.

Ebenso wie das mit einem automatischen Werkzeugwechsel arbeitende CNC-Bearbeitungszentrum werden die Drucker im Fach Technik immer dann genutzt, wenn es gilt, die am Rechner mittels CAD erstellten Endprodukte zu fertigen. Das Ausgangsdruckermodell ist auf der Website der Schule dokumentiert. Hier geht’s zum Beitrag.

Zwischenzeitlich sind weitere 3D-Drucker entstanden, die sich im Leistungsumfang aber unterscheiden. Neben einem Modell, das über eine aufwendige Steuerungselektronik verfügt, gibt es auch Lösungen, deren Funktionsumfang nicht so umfangreich ist. Die Fertigungskosten liegen entsprechend niedriger. Viele Druckerbau-teile werden mittlerweile von den Druckern selbst gefertigt, sprich gedruckt. Metallteile können im CNC Bearbeitungszentrum gefräst werden.

Damit liegt der Werkprozess in der Schule, im Technikunterricht und den angegliederten Arbeitsgemeinschaften und Leistungskursen.

Leistungsdaten Modell A: (ausgetestet)

• Druckraum: 230 x 280 x 300 mm,
• Druckgeschwindigkeit max. ca. 100mm/s,
• automatische Drucktischkalibrierung,
• ultra leiser Lauf, 32 Bit-CPU, 1/128-Schrittmotortreiber,
• eingebaute Beleuchtung der Druckfläche,
• Düsendurchmesser von 0,2mm bis 0,6mm wechselbar,
• Dauerdruckplatte mit PEI-Beschichtung,
• heizbarer Drucktisch,
• alle gängigen Filamente sind damit druckbar
• Eigenentwicklungen: Extruder, Hotend, Hotendkühler, Bedlevelingeinrichtung, Heizmatte, sowie die meisten verbauten Kunststoffteile

Leistungsdaten Modell B: (noch im Bau)

• Druckraum: 340 x 340 x 300mm,
• Aufbaugröße 500 x 500 x 500cm
• Im wesentlichen baugleich zum Vorläufermodell
• Fertigung der Alusonderteile in Zusammenarbeit mit der Ausbildungswerkstatt eines Kooperationsunternehmens gefertigt.
• Mechanik Eigenkonstruktion

5. Projekt: Bau und Vertrieb einer Experimentierplatine

Entwickelt wurde eine Experimentierplatine, die alle gängigen Versuche im Bereich des Steuern und Messens unterstützt. Die Platine kann von Schülerinnen und Schüler selbst bestückt und gelötet werden, da sie als Bausatz vorliegt.  Einfache Programmierungen zur Lichtsteuerung sind ebenso möglich, wie der Betrieb von Schrittmotoren. Sensoren zur Helligkeits-, Temperatur-, und Schallmessung können ausgelesen und abgefragt werden. Über eine Schülerfirma angeboten, möchten wir den Bausatz Schulen zum Kauf anbieten.

Dieses Produkt ist eingebunden ist eine Unterrichtsreihe, die nicht nur die Einzelschritte der Fertigung zeigt und beschreibt, sondern auch in die Löttechnik einführt. Anwendungsbeispiele aus dem Unterricht mit ausgearbeiteten Unterrichtskonzepten liegen der Experimentierplatine bei.

6. Projekt: Bau und experimentelle Nutzung eines Elektro-Fahrzeugs:

Nach dem Bau eines 3D-Druckers soll ein Elektro-Fahrzeug gebaut werden. Das Fahrzeug existiert als Rohkarosserie, wie auf dem Foto ersichtlich und in der Pressemitteilung vorgestellt. Die Voranfrage beim TÜV Nord hat ergeben, dass das projektierte Fahrzeug den Festigkeitsnachweis bestanden hat.

Spezifikation:

• Einsitzig
• Zwei Räder vorne gelenkt und ein Rad als Antrieb hinten (gefedert)
• Karosserie aus Kohlefaser ultraleicht
• Leistung 1 bis 2KW Spitze und 500Watt Dauerleistung
• Straßenzulassung in der Klasse L2E für max. 45 Km/h
• maximales Leergewicht 250 kg
• Akku: Lipo

Projektiert ist ein Fahrzeug, das als innerstädtisches Verkehrsmittel eingesetzt werden kann. Es soll für den Straßenverkehr zugelassen werden und kann als Werbeträger dienen. Als konkreter Einsatzzweck wird der Hausmeister mit dem Fahrzeug Zubringerdienste zwischen der Stadt Lemgo und der Schule erledigen.

7. Projekt: Bau und experimentelle Nutzung einer “Windkraftanlage”

Neben Photovoltaikanlagen und Blockheizkraftwerken bieten kleine Windenergieanlagen die Möglichkeit, auf dem Hausdach oder im Garten Strom selbst zu produzieren.

Die erzeugte Windenergie kann im eigenen Haushalt verbraucht werden und reduziert so die Stromrechnung. Überschüssigen Strom können die Besitzer der Anlage ins öffentliche Netz einspeisen und erhalten hierfür nach „Erneuerbare Energien Gesetz“ (EEG) eine Vergütung.

Eine Kombination von Wind- und Solarstrom ist möglich, so dass der Grad der “Selbstversorgung” steigt.

Ob dies sinnvoll ist, soll in einer Versuchsanlage kritisch geprüft werden. Auch der Einsatz von Batterie Speichersystemen ist in diesem Zusammenhang denkbar. Grundsätzlich ist das schulische Elektrofahrzeug als Speichersystem vorgesehen. (Siehe gesonderte Projektskizze)

Zielgruppe:

8-12 Schülerinnen und Schüler der Klassen 7-10

Projektziel:

Aufbau und Betrieb einer Windenergieanlage

Spezifikation:

• Vertikalläufer Bauart: Savonius / H-Darrieus
• Rotorhöhe 125cm
• Durchmesser 125cm
• Gewicht ca. 35Kg
• Anlaufwindgeschwindigkeit 4m/s
• Maximalleistung bei 14m/s
• Gleichstromgenerator 500Watt

Orientierungsphase:

• Zusammenbau einer Windenergieanlage aus einem Bausatz. Die SuS sollen praktische Erfahrungen sammeln und Eigenschaften/Spezifikationen benennen, die von der projektierten Anlage erwartet werden.
• Im Bereich Projektmanagement erarbeiten die SuS notwendiges Grundlagenwissen, wie ein derart komplexes Projekt umgesetzt werden kann.
• Im Bereich CAD (rechnergestütztes Konstruieren) greifen die SuS auf das im Hause vorhandene CNC-Bearbeitungszentrum zurück, um notwendige Modifikationen und Änderungen direkt umsetzen zu können. In die Funktionsweise einer CAD-Software sind sie eingearbeitet.
• Die SuS erlernen den Umgang mit den einzusetzenden Maschinen, lernen Funktionsweisen, Einsatzmöglichkeiten und Bedienung von CNC-Fräsen und entsprechende Metallbearbeitungsmaschinen.

Planungsphase:

• Die aus dem Projekt „Bau von 3D Druckern“ bekannte Arbeitsteilung wird auch in diesem Projekt Anwendung finden. Gedanke ist: Wie kann die zu leistende Arbeit auf weitgehend selbstständig und eigenverantwortlich tätigen Projektteams verteilt werden? Denkbar sind z.B. folgende Arbeitsgruppen:
  • Energiemanagement (Akkus/Kondensatoren)
  • Mechanische Baugruppen (Rotor, Befestigungsätze)
  • Generator
• Die SuS entwerfen eine Projektplanung, die Zwischenziele definiert und eine Zeitplanung Vorgaben enthält.

Arbeitsphase:

• Die SuS sichten zunächst die bisher beschafften Bauteile und konstruieren bzw. fertigen noch fehlende Teile.
• Falls es auf Grund der Statik erforderlich sein sollte wird in Zusammenarbeit mit einer Ausbildungswerkstatt ein Stahlgerüst für die Stabilisierung gefertigt.
• In der Projektwoche 2016 soll die Windkraftanlage zusammengebaut und auf eine Dachfläche gesetzt werden.
• Der elektrische Anschluss wird dann im Nachgang durch eine Fachkraft erfolgen.
• Ist die Windkraftanlage in Betrieb genommen werden verschiedene Schülergruppen Messreihen zu Windgeschwindigkeit, erzeugter Energiemenge und der Wirtschaftlichkeit solch kleiner Windanlagen untersuchen.

Perspektiven für die Zukunft:

• Um die erzeugte Energie sinnvoll und für die Schüler sichtbar zu nutzen ist die Errichtung einer Solartankstelle auf dem Schulgelände anzustreben.
• Um den jugendlichen klar zu machen, dass verschiedene Bauarten von Windkraftanlagen technisch möglich sind, könnten weitere Anlagen, anderer Bauart errichtet werden.
• Auch die solare Stromerzeugung mit Kleinanlagen soll den SuS nahe gebracht werden wozu eine nachgeführte Anlage geplant und gebaut werden soll.
• Im Endeffekt besteht die Vision darin einen ganzen Park mit funktionierenden, völlig verschiedenen Kleinkraftwerken auf dem Schulgelände der Realschule aufzubauen. Das Interesse wird so zunächst durch die Sichtbarkeit der Objekte geweckt und anschließend mit Versuchen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen weiter vertieft.

Die Skizze zeigt den Windrotor montiert auf einer Dachfläche auf dem Schulhof. Gegenwärtig prüft die Gebäudewirtschaft der Stadt Lemgo Fragen der Baustatik und der Ausführungsplanung. Gespräche mit den Stadtwerken wurden geführt. Auch hier besteht die Bereitschaft, das Projekt zu unterstützen. Aus Sicht der Realschule ist es wünschenswert, wenn im Rahmen einer regelmäßigen Berichterstattung der Fortgang des Projektes in den Medien verfolgt werden kann.

Die Windenergieanlage wird auf einem der „Betonpilze“ auf dem Schulhof errichtet. Die Skizze zeigt einen ersten Entwurf für den Aufbau der Anlage (vereinfacht ist die Windkraftanlage blau dargestellt) Das Grundgerüst ist hier rot und grün dargestellt.

Nach Rücksprache mit der Stadt muss das Grundgerüst seitlich befestigt werden, damit keine senkrechte Bohrung vorliegt, die Regenwasser aufnehmen könnte. er Abstand zwischen den beiden Pilzen ist 310cm.
Der Ansatz ist links und rechts ein Rechteckprofil längs anzuschrauben, die durch Rechteckprofile quer verstärkt werden. In der Mitte wird ein quadratisches Stahlblech 10mm dick angeschweißt, das die Windkraftanlage aufnimmt.
Die grün dargestellten Flächen sollen Gitterroste sein um die Anlage aufzubauen und warten zu können.
Die 8 Geländerstäbe werden bei Bedarf in Hülsen eingesteckt und mit Ketten verbunden, wodurch auch Schüler an der Anlage arbeiten können.