CAD in der Cloud CAD-Software für die Konstrukteure von morgen

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Ein Abiturient hat einen OP-Roboter entwickelt, der selbstständig Knie-Operationen durchführen kann. Ihm half eine intuitiv bedienbare CAD-Software, die viel öfter in Schulen eingesetzt werden sollte.

So geht Lernen fürs Leben: Steve Sandhoop hat für seine Abitur-Prüfung am Gymnasium in den Filder Benden Moers einen chirurgischen Roboterarm konstruiert und programmiert. Damit lassen sich, wenn auch nur als Simulation, selbstständig Kniegelenkersatzoperationen durchführen.

Gemeinsam mit seinem Mentor und Informatiklehrer Marc Lachmann realisierte Sandhoop das ungewöhnliche Robotik-Projekt, wobei ihn die CAD-Software Onshape von PTC tatkräftig unterstützte. Sein Glück: Das Gymnasium setzt diese Software wie auch die AR/VR-Lösungen Vuforia seit Jahren ein. Für pädagogische Zwecke stellt der US-Softwareanbieter die Lösungen kostenfrei zur Verfügung. Sandhoop nutzte diese professionellen Tools bereits seit der neunten Klasse im Informatik-Unterricht, was ihn bei der Wahl seines Projektes ziemlich selbstbewusst werden ließ.

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Doch auf was er sich mit seinem Roboter-Projekt vor knapp zwei Jahren einließ, war ihm nicht völlig klar: „Ich dachte, ich programmiere einfach die Steuerung von Komponenten und fertig.“ Am Ende machte er fast alles selber: von dem anatomisch korrekten Design zahlreicher Knie-Modelle für den 3D-Drucker über Getriebe für die drehbaren Achsen des selbstentworfenen Roboterarms bis zur Steuerungssoftware.

Was Schule kann (und soll!)

Fachliche und technische Unterstützung ließen das kühne Projekt Wirklichkeit werden: Nun fräst ein feiner Bohrer präzise geschädigten Knorpel aus einem additiv produzierten Knie, um Platz für ein Implantat zu schaffen. Sandhoop hat dabei den von ihm generierten digitalen Zwilling des autonomen Roboterarms am Monitor im Blick, der mit einem Mausklick loslegt. Der Arm arbeitet komplett selbstständig. Das ist der entscheidende Unterschied. Denn in der Medizin gibt es bisher nur computerunterstützte Operationen.

Cloudbasiert konstruieren

Wie mit Onshape der treppensteigende Rollstuhl entsteht

Was so spielerisch einfach klingt, wurde nur durch hürdenreiches, agiles Arbeiten möglich: Als kompliziert gestaltete sich vor allem das Design des Getriebes für den Roboterarm: „Die Herausforderung bestand darin, präzise Bewegungen auf engstem Raum zu ermöglichen, wobei auch noch das relativ hohe Gewicht des Armes zu berücksichtigen war“, erklärt Sandhoop. Da dieser Getriebetyp teuer ist, hat der Abiturient selbst ein Zykloidgetriebe entworfen und mit einem 3D-Drucker gedruckt. Bei diesem Exzentergetriebe übertragen Kurvenscheiben Drehmomente wälzend. Effekt: Man kommt ohne Zahnräder aus und spart sich störende Scherkräfte. So arbeitet das nahezu spielfreie Getriebe auch bei kleinsten Bewegungen präzise – ideal für chirurgische Eingriffe.

Software als Motivationsbooster bei MINT-Müdigkeit

Hierbei war Onshape das Werkzeug der Wahl wie auch bei der Konstruktion des gesamten OP-Roboterarmes. Immerhin: Bei den Motoren konnte Sandhoop ohne große Anpassungen auf Modelle vom Markt zurückgreifen. Aber auch dabei half ihm die Software aus der Cloud, so dass er direkt am Rechner der Anbieter vor Ort auf seine Konstruktionspläne zugreifen konnte, um zu erklären, was er in welchen Abmessungen benötigte.

Denn Onshape läuft webbasiert und bietet eine eingebettete Simulation. Informatiklehrer Lachmann führt am Gymnasium in den Filder Benden bereits ab Klasse 7 Robotik-Projekte durch, um den Schülerinnen und Schülern Programmierfähigkeiten nahezubringen und sie auf die digitale Welt vorzubereiten. „Dabei nutzten wir Onshape, weil es intuitiv zu bedienen ist und auch junge Schülerinnen und Schüler schnell damit gut umgehen können“, berichtet der Lehrer. Er benötigt nur drei doppelte Schulstunden in Klasse 8 und schon werden die Schülerinnen und Schüler zu gewieften CAD-Konstrukteuren.

Lachmann betont: „Man muss kein Computer-Crack sein, um mit dem Programm zurechtzukommen.“ Gerade bei kreativen Projekten sei das Tool ein Motivationsbooster. Ein Schlüssel dazu, um vermeintlicher MINT-Müdigkeit entgegenzuwirken. Und: „Weil Onshape webbasiert läuft, braucht es nicht auf einem Rechner im Klassenzimmer installiert zu werden“, berichtet Lachmann, „Die Schülerinnen und Schüler können es jederzeit von überall nutzen, sei es in der Schule oder zuhause, vom Handy, Tablet oder Laptop.“

Darum sind Höchstleistungen auch an normalen Schulen möglich

Auch Steve Sandhoop arbeitete an seinem Projekt mobil, denn es wurde größtenteils außerhalb der Schulzeit realisiert. Dabei stand er in regem Kontakt mit seinem Lehrer. Beide tauschten sich im Live-Modus darüber aus, was geht und was nicht. Der Vorteil: Aufwändiges hin und her Schicken von Dokumenten war nicht nötig.

Bei der Steuerung des Roboterarms gelangte Sandhoop dann zu seiner ursprünglich angedachten Aufgabe, der Programmierung. Der hohe Grad der Automatisierung wird dadurch erreicht, dass der Behandler am Rechner nur die Region mit dem degenerierten Knorpel markiert, die Software von selbst den Pfad generiert, an dem gefräst werden muss – und das mit nur einem Mausklick geschieht. Der Weg des Bohrers wird mithilfe eines von Sandhoop selbst entwickelten Pathfill-Algorithmus berechnet. An dieser Stelle war der Abiturient voll in seinem Element. Dass er nun auch in Sachen Anatomie, Chirurgie, Mechatronik und Physik eine steile Lernkurve hinlegte, hätte er vor zwei Jahren nicht gedacht.

Aber genau das ist es, was gute Pädagogik ausmacht. Wobei Informatik-Lehrer Lachmann eines klarstellt: „Wir sind keine Eliteschule, sondern ein ganz normales Gymnasium.“ Man sieht: Auch hier geht einiges, wenn engagierte Lehrkräfte auf interessierte Schülerinnen und Schüler treffen. Und wenn es die nötige Technik gibt, angefangen vom Tablet über CAD-Software bis zu 3D-Druckern. Steve Sandhoop hat jedenfalls seine Bestimmung gefunden: Er strebt eine Karriere im Bereich IT und Mechatronik an.

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