Word Clock als Unterrichtsprojekt
Die Word Clock ist ein Unterrichtsprojekt, das Schülern ermöglicht, ihre technischen und handwerklichen Fähigkeiten zu kombinieren. Das Projekt wurde von Patrick Brunner in Kooperation mit den MINT-Labs Regensburg bereits mehrmals durchgeführt und umfasst das Programmieren von ES8266-Microcontrollern, Löten sowie den Einsatz von Lasercuttern und 3D-Druckern zur Erzeugung der Bauteile. Ziel des Projekts ist es, für jeden Teilnehmenden eine Word Clock zu bauen. Dabei handelt es sich um eine Uhr, die die Zeit in Worten anzeigt, basierend auf einem Konzept von Thingiverse. (Vorlage auf Thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:5344025).
Überblick
Einführung
Die Word Clock ist ein kreatives Unterrichtsprojekt, das Schülern ermöglicht, ihre technischen und handwerklichen Fähigkeiten zu kombinieren. Das Projekt wurde von Patrick Brunner in Kooperation mit den MINT-Labs Regensburg bereits mehrmals durchgeführt und umfasst das Programmieren von ES8266-Microcontrollern, Löten sowie den Einsatz von Lasercuttern und 3D-Druckern zur Erzeugung der Bauteile. Ziel des Projekts ist es, für jeden Teilnehmenden eine Word Clock zu bauen. Dabei handelt es sich um eine Uhr, die die Zeit in Worten anzeigt, basierend auf einem Konzept von Thingiverse. (Vorlage auf Thingiverse: https://www.thingiverse.com/thing:5344025)
Materialien LED-Strips: Es wurden LEDs mit den gleichen Spezifikationen wie in der Vorlage verwendet, jedoch aufgrund von Lagerproblemen von verschiedenen Lieferanten. (Amazon: BTF-LIGHTING WS2812 ECO 5M 300 LEDs RGB Individuell adressierbar WS2812 Legierungsdraht 60Pixels/m)
ESP8266 Mikrocontroller: Diese können günstig bei AliExpress erworben werden, jedoch mit längeren Lieferzeiten.
IKEA Sannahed-Bilderrahmen: Das Design des Rahmens hat sich geändert, das Innenmaß beträgt jetzt 24 cm.
Lasercutter und 3D-Drucker: Zum Anfertigen der benötigten Platten, wobei der 3D-Druck zu lange dauerte, weshalb der Lasercutter bevorzugt wurde.
Software und Programmierung: Schüler bringen die Software auf dem ESP-Mikrocontroller zum Laufen und programmieren die Word Clock.
Vorgehensweise Prototyping: Die einzelnen Teile wurden zunächst im 3D-Druck gefertigt. Aufgrund von Druckerbeschränkungen (max. 21 cm Plattengröße) und der langen Druckzeit wurde der Lasercutter als effizientere Methode gewählt.
Lasercutter: Die Schüler wandelten die STL-Dateien mithilfe von Tinkercad in SVG-Dateien für den Lasercutter um. Jede Platte dauerte etwa 10 Minuten im Schnitt.
Löten: Parallel zum Lasern haben die Schüler die LEDs verlötet und nach und nach die Uhren zusammengebaut. Heißkleber ersetzte die Abstandshalter, die im Thingiverse-Projekt vorgesehen sind.
Projektablauf: Das Projekt erstreckte sich über zwei Vormittage im DaVinci-Labor der MINT-Labs. Ein Engpass entstand durch die Geschwindigkeit des Lasercutters, was teilweise zu Leerlauf an den Löt-Stationen führte.
Feinschliff und Problemlösungen: Aufgrund der begrenzten Lasercutter-Kapazitäten wird überlegt, beim nächsten Durchlauf im Vorfeld einige Platten vorzulasern, um Verzögerungen zu vermeiden.
Unterstützung Die Vector-Stiftung unterstützte das Projekt finanziell durch das MINT@School-Programm, was es ermöglichte, die Materialien für die Schüler bereitzustellen.
Fazit und Ausblick Das Projekt erwies sich als großer Erfolg und wird erneut mit einer 11. Klasse am Ende des kommenden Schuljahres durchgeführt. Es fördert das interdisziplinäre Lernen und bietet den Schülern die Möglichkeit, moderne Technik wie Mikrocontroller, Lasercutter und LED-Technologie praktisch zu erproben.
Lasern
Die SVG- und LightBurn-Dateien befinden sich im DaVinci-Labor auf dem Computer neben dem Lasercutter im Ordner "Laser/Patrick". Alternativ können die Dateien bei Bedarf auch per E-Mail zugeschickt werden. Bitte senden Sie Ihre Anfrage an patrick.brunner(at)mint-labs.de
Die MDF-Platten können im Baumarkt bereits zugeschnitten gekauft werden. Am praktischsten sind Zuschnitte in den Maßen 25x25 cm, da so ausreichend Platz für Verschnitt beim Lasern bleibt. Der Quadratmeter kostet etwa 5 €, und der Zuschnitt ist kostenlos (zum Beispiel im Bauhaus Regensburg).
Der Zeitaufwand für das Lasern beträgt pro Uhr insgesamt etwa 2 x 20 Minuten, da sowohl eine Buchstabenplatte als auch eine Lochplatte benötigt werden.
Alternativ können auch die auf der Thingiverse-Vorlage bereitgestellten STL-Dateien im 3D-Druck hergestellt werden. Dieser Vorgang ist jedoch zeitaufwendig – der Druck jeder Scheibe dauert etwa 5 Stunden, während mit einem Lasercutter nur etwa 20 Minuten benötigt werden. Zudem besteht an den MINT-Labs das Problem, dass alle 3D-Drucker eine zu kleine Druckfläche für die Buchstabenplatte haben, sodass der Rahmen nicht vollständig ausgefüllt werden kann.
ESP8266-Programm
Für das ESP8266-Programm wurde die auf Thingiverse bereitgestellte Vorlage verwendet. Diese muss einfach, wie dort beschrieben, auf den ESP8266 installiert werden. Beim ersten Start erstellt der ESP ein eigenes WLAN, über das man das WLAN für den ESP sowie die Farbe der Anzeige konfigurieren kann.
Link zu passenden ESP8266-Modulen:
https://de.aliexpress.com/item/1005006748847380.html?spm=a2g0o.order_detail.order_detail_item.3.45ef6368fnURFe&gatewayAdapt=glo2deu
Kleben und Löten
Wie in der Vorlage beschrieben, werden die LED-Streifen zunächst in 10 Abschnitte à 11 LEDs geschnitten. Anschließend werden die Streifen auf eine Grundplatte geklebt, und die Verbindungen müssen durch Löten wiederhergestellt werden. Dieser Schritt erfordert relativ viel Zeit, da für jede Uhr insgesamt 60 Lötpunkte sehr präzise gesetzt werden müssen. Beim Kleben auf die Pfeilmarkierungen auf den LED-Streifen achten.
In der ersten Version stammte die Grundplatte noch aus dem Laser-Cutter. Als Grundplatte für die LED-Streifen eignet sich jedoch auch die Plexiglasscheibe, die dem Bilderrahmen beiliegt. Diese kann problemlos mit einer Schere auf die gewünschte Größe zugeschnitten werden.
Es hat sich dann als zweckmäßig erwiesen, die Positionen der LED-Streifen auf der Grundplatte mithilfe von Filzstiftmarkierungen zu kennzeichnen. Dazu legt man die Lochplatte einfach auf die Grundplatte und markiert die Löcher mit einem Filzstift, um die Positionen der LEDs genau festzulegen.
Uhr zusammenbauen
Zunächst öffnet man den Bilderrahmen und entfernt alle Bestandteile.
Als erstes wird die Buchstabenplatte eingelegt, gefolgt von einer Schicht Butterbrotpapier, die als Diffusor dient.
Danach kommt die Lochplatte und anschließend die Platte mit den LED-Streifen.
Alles wird von hinten mit Heißkleber fixiert. Für das USB-C-Kabel bohrt man ein Loch auf der Rückseite des Rahmens mit einem Holzbohrer.