3D-Projekt: Modell einer Windkraftanlage

FunduinoZuletzt aktualisiert am 24.01.2019

Projektaufgabe für den Technikunterricht – 3D-Druck und Mikrocontrolling

Eine Windkraftanlage im Modell – selbst konstruiert, selbst gedruckt und mit einem Arduino angetrieben. Dieses Projekt verbindet 3D-Design, 3D-Druck und Mikrocontrolling zu einer Unterrichtseinheit, an deren Ende ein Modell steht, das sich wirklich dreht.

Anders als die übrigen Anleitungen ist das hier eine offene Projektaufgabe: Sie gibt Ziel, Aufgabenliste, Material und eine Checkliste vor – den Weg dorthin sucht ihr selbst.

3D-gedrucktes Modell einer Windkraftanlage mit drei Flügeln — Das fertige Modell einer Windkraftanlage

Die Projektaufgabe

In diesem Projekt konstruiert und baut ihr das Modell einer Windkraftanlage. Bis auf den Turm entsteht alles im 3D-Drucker.

Die Flügel dreht ein kleiner Schrittmotor, der im Maschinenhaus sitzt. Die Drehgeschwindigkeit des Rotors lässt sich über einen Drehregler einstellen – ein Arduino verarbeitet dessen Werte und steuert damit den Motor an.

Das Projekt eignet sich für die Klassenstufen 8 bis 10 im technischen Unterricht (Technik, Profil-Technik, Informatik) und verbindet 3D-Design, 3D-Druck und Mikrocontrolling. Für die Konstruktion empfiehlt sich die cloudbasierte Software Tinkercad. Die Unterrichtseinheit wurde mit einer 9. Klasse in der Sekundarstufe 1 erfolgreich durchgeführt.

Designbeispiel in Tinkercad

So könnte ein Windkraftanlagenmodell in Tinkercad aussehen. Die einzelnen Teile:

Maschinenhaus: frei gestaltbar. Die 3D-Datei des Schrittmotors 28BYJ-48 findest du bei Thingiverse. Den Motor schneidest du als Negativform aus dem Maschinenhaus heraus.
Standfuß: ein paar Zylinder und ein Kegel genügen, zusammengefügt nach eurem Modell.
Flügel: wegen der geschwungenen Form der schwierigste Teil. Am besten lädst du ein vorhandenes Flügelmodell herunter und passt es an. Vor allem der Übergang zur Nabe muss passen. Nach dem Druck werden die Flügel mit der Nabe verklebt oder verschraubt.
Rotornabe: nimmt die Flügel auf und wird mit der Achse des Schrittmotors verbunden. Für einen guten Sitz auf der Welle schneidest du auch hier ein Negativ der Motorwelle heraus.

Tinkercad-Ansicht der vollständigen Windkraftanlage — Die komplette Anlage in Tinkercad

Tinkercad-Ansicht des Maschinenhauses — Das Maschinenhaus mit der ausgeschnittenen Motorform

Tinkercad-Ansicht des Standfußes — Der Standfuß aus Zylindern und einem Kegel

Tinkercad-Ansicht eines Rotorflügels — Ein Rotorflügel

Tinkercad-Ansicht der Rotornabe — Die Rotornabe mit drei Aufnahmen für die Flügel

Tinkercad-Ansicht der Wellenaufnahme in der Rotornabe — Die Aufnahme für die Motorwelle, als Negativ herausgeschnitten

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Die Aufgaben im Detail

Sammelt Informationen über Windkraftanlagen und entscheidet euch für ein reales Modell eines Herstellers, das ihr nachempfinden wollt.
Besorgt euch das 3D-Objekt des Maschinenhauses im Internet oder erstellt es selbst mit Tinkercad.
Besorgt euch das 3D-Objekt des Schrittmotors und schneidet diese Form aus dem Maschinenhaus aus. Alternativ vermesst ihr den Motor und schneidet die Öffnung von Hand heraus.
Achtet darauf, dass im Maschinenhaus Ausschnitte oder Löcher zum Verlegen der Kabel vorhanden sind. Die Kabel werden durch den Turm nach unten geführt. Weil die Treiberplatine des Schrittmotors nicht in den Turm passt, müsst ihr die Motorkabel mit Steckkabeln verlängern.
An der Unterseite des Maschinenhauses braucht ihr ein Loch, durch das die Kabel nach unten laufen und in das sich der Turm einstecken lässt (Kunststoffrohr oder Kabelkanal, 20 mm).
Konstruiert eine Rotornabe, die genau auf die Achse des Schrittmotors passt. Sie braucht drei Löcher für die Flügel.
Besorgt euch das 3D-Objekt eines Rotorflügels und ergänzt am Übergang zur Nabe einen Zylinder, mit dem sich der Flügel befestigen lässt.
Gestaltet den Standfuß in Tinkercad und druckt ihn aus.
Verlegt die Kabel so, dass man sie von außen nicht sieht. Mikrocontroller und Spannungsversorgung dürfen sichtbar bleiben.
Programmiert den Mikrocontroller so, dass sich die Drehzahl des Rotors mit dem Drehregler von null bis zur Höchstgeschwindigkeit einstellen lässt.

Für den Programmierteil helfen zwei andere Anleitungen weiter: Schrittmotor ansteuern und Potentiometer auslesen. Zusammengenommen ergeben sie genau die Steuerung, die dieses Projekt verlangt.

Material

Arduino-Mikrocontroller
Schrittmotor 28BYJ-48 mit Treiberplatine
Potentiometer als Drehregler
einige Steckkabel, darunter fünf Stück mit 50 cm Länge für die Verlegung durch den Turm
runder Kabelkanal, 20 mm Durchmesser, 35 cm lang
3D-Druck-Filament (PLA)

Zusatzaufgaben zur Differenzierung

Gestaltet das Modell mit Farbe und Aufschriften so, dass es dem Original möglichst ähnlich sieht.
Setzt an der Oberseite eine rote blinkende LED ein.
Programmiert mit App Inventor eine Steuerung der Drehgeschwindigkeit per App.
Seid kreativ und überlegt euch weitere Extras.

Checkliste und Downloads

Diese Checkliste hilft beim Abarbeiten des Projekts:

Auswahl eines Windkraftanlagenmodells
Maschinenhaus gestalten
Schrittmotormodell verarbeiten
Elektronik im Maschinenhaus vorbereiten
Aufnahme für den Turm konstruieren
Rotornabe konstruieren
Rotorflügel konstruieren
Elektronikmaterial besorgen, sichten und vorbereiten
Mikrocontroller programmieren
Endmontage des Modells
Abschließender Funktionstest
Vorführung der Anlage im Plenum
Notengebung

Beispieldateien für die Windkraftanlage haben wir bei Thingiverse hinterlegt – du kannst sie dort kostenlos herunterladen. Oder scanne einfach den QR-Code.