Markforged в классе:использование 3D-печати в образовании

Примечание редактора. Алекс Ларсон - преподаватель прикладных технологий в средней школе Палатина. Он преподает курсы Project Lead the Way (PLTW) в течение 9 лет. Project Lead the Way - это учебная программа, основанная на STEM, которая сейчас используется на международном уровне учащимися от детского сада до 12-го класса. Он предоставляет учащимся возможность пройти межучебное обучение в области STEM, чтобы повысить уровень успешности учащихся, получающих образование в областях, связанных с STEM. Курсы, которые он преподает, ориентированы на инженерное дело.

В своем классе я использую 3D-печать всего около 10 лет. Мой округ сначала инвестировал в 3D-принтеры для наших школ, зная, что влияние на обучение учащихся будет способствовать их успеху в колледже и их будущему. Сегодня мы видим бурно развивающуюся отрасль аддитивного производства, и инженеры только начинают видеть все потенциальные области применения этих технологий.

3D-печать в образовании

В настоящее время существует множество учебных программ, основанных на STEM, которые преподаются с детского сада до старшей школы. Из-за этого многие школы, которые в настоящее время имеют в своем распоряжении 3D-принтер, используют их так же, как и мы. Большинство школ используют их для создания прототипов, небольших движущихся компонентов, визуализации сложных концепций или моделей и т. Д. Однако из-за ограничений PLA, наиболее часто используемого материала в школе, любое потенциальное использование аддитивного производства ограничивается деталями, которые имеют минимальное применение. условия загрузки. Из-за этого 3D-печать не используется в большинстве функциональных дизайнов, разрабатываемых учащимися.

Markforged Mark Two в классе

Это был один из первых занятий моего студента с резаком Markforged, Eiger. Он проектировал крепление для двух 6-фунтовых батарей, которые должны выдерживать значительное количество сотрясений во время использования. Батарейное крепление будет использоваться в 1 из 3 боевых роботов, которые строят ученики. Используя 3D-принтер Markforged, разговор со студентом перешел с вопроса «Какая ориентация печати лучше всего подходит для времени?» на:«Как разместить волокно там, где мне нужна прочность?» После этого разговор привел к вопросу:«Как мне сделать остальную часть достаточно сильной?» Затем изменили конструкцию детали, чтобы можно было разместить волокно там, где оно должно быть, во всех направлениях.

Конечный результат выглядел следующим образом:изображенная красная часть представляет собой тестовый отпечаток PLA на соответствие до того, как отпечаток попал в Mark Two.

Обычно ученик моего класса проектировал бы его для обработки на нашем станке с ЧПУ, и конструкция выглядела бы совершенно иначе. Гибкость аддитивного производства с принтером Markforged позволила студенту быстро разрабатывать дизайн и печатать в мгновение ока. В противном случае они бы потратили несколько дней в классе (48 минут в день) на настройку инструментов и приспособлений для обработки одной детали. Кроме того, если возникла проблема с дизайном, время на доработку на ЧПУ значительно больше. Нам повезло, что у нас есть несколько фрезерных и токарных станков с ЧПУ, с которыми могут работать наши студенты. На наших инженерных курсах студенты изучают основы программирования G&M и программного обеспечения CAM. Однако у нас есть совершенно отдельный набор курсов для более глубокого обучения студентов передовым технологиям. Если бы вы сравнили время, необходимое для обучения студентов безопасному управлению фрезерным станком с ЧПУ и обучения работе с принтером Markforged, сравнения просто не было бы. В школьных условиях сами помещения также могут стать большой проблемой, многие школы просто не могут разместить что-либо большее, чем настольный станок с ЧПУ. Настольные фрезерные станки имеют большие ограничения в отношении того, какие типы материалов они могут обрабатывать, а стоимость и требования к пространству реального фрезерного станка с ЧПУ делают Markforged уникальным местом и возможностью для обучения.

Эти два студента проектируют моторное крепление для своего робота. Деталь должна быть прочной, поскольку она будет использоваться в качестве конструктивного элемента шасси и надежной опоры для самого двигателя. Мотор также должен быть легко доступен в случае возникновения каких-либо проблем. Они попробовали аналогичную концепцию, напечатанную исключительно из АБС-пластика, и это привело к очень быстрой поломке детали. После трех моделей САПР и одной печати, армированной стекловолокном, ученикам пришлось внести изменения в конструкцию из-за непредвиденных проблем с процессом сборки этого крепления двигателя. Когда они пошли устанавливать моторную опору в прототип шасси, они не смогли установить крепеж в передней части опоры. Гибкость Mark Two позволила им распечатать, протестировать и перепечатать вторую версию с общим сроком выполнения 2 дня и получить деталь, достаточно прочную, чтобы выдерживать приложенные силы.

Извлеченные уроки и движение вперед

При поиске оборудования для нашего класса нам пришлось сделать трудный выбор:с одной стороны, нам нужно было больше 3D-принтеров, чтобы справиться с тем количеством отпечатков, которое хотели сделать студенты, но с другой стороны, мы хотели продвинуться дальше, чем мы. в прошлом. Как учитель, я не ставлю технологии в центр обучения, но обучение сосредоточено вокруг их использования. Я не создавал никаких новых уроков или проектов, в которых Markforged использовался бы исключительно для обучения студентов свойствам материалов. Я мог бы легко это сделать, но это произошло органично. Интерес студентов возрос, когда я рассказал им о материалах, с которыми он работал. Они не поверили, услышав о кевларе и углеродном волокне.

Одна из первых вещей, которые мы напечатали, была простая планка, только из нейлона и по умолчанию из стекловолокна. Я показал им слайсер и то, как он настраивает волокно, и они немедленно связали его с курсом PLTW, который они прошли годом ранее, где они узнали о моменте инерции и признали подход сэндвич-панелей.

Затем студенты захотели проверить различные свойства материала. Данные тестирования материалов с веб-сайта Markforged - отличный инструмент, но для учащихся, которые учатся, привязка данных к физическому опыту играет важную роль в понимании этих концепций. Поэтому мы распечатали больше деталей из стекловолокна и кевлара. Это привело к настоящему «научному» тестированию.

Вышеупомянутая часть представляет собой амортизирующую скобу для одного из роботов. Студенты частично распечатали его, чтобы увидеть, работает ли концепция на практике, как они надеялись, на основе FEA, что они и сделали.

Они провели FEA с силой в сто фунтов силы на краю и лицевой стороне объекта и установили материал как нейлон, они обнаружили самое высокое напряжение в красной области. Они думали, что там он расслоится прежде, чем с ним что-нибудь случится.

Он работал намного лучше, чем они ожидали, настолько хорошо, что потребовалось безумное количество силы, чтобы сломать деталь. Восемь тяжелых качелей с весом 32 унции. Перфоратор начал разрушение по краю с отслоением. Сила, приложенная в «испытании», оказалась примерно в пять раз больше силы, которую они приложили к FEA, и деталь не отклонялась так сильно, как хотелось бы, даже при такой силе. Это привело их к редизайну. Они не были уверены в том, насколько волокно повлияет на конструкцию, и с помощью этого «теста» они разработали гораздо лучшее понимание материала, с которым они работали. Хотя многие инженеры делают это ежедневно, старшеклассники редко задумываются о последствиях выбора материала для дизайна, поэтому заставить их задуматься об этом сейчас - большое преимущество для них в будущем.

Студенты не только узнают о свойствах материалов на собственном опыте, но и учатся конструировать с учетом аддитивного производства. Им нужно было включить крепежные детали во многие из своих компонентов, поэтому они начали проектировать с помощью доступных и встроенных креплений - то, что они нашли здесь, в блоге Markforged. Деталь, над которой работает этот ученик, была сделана для легкой разборки робота снаружи, поэтому понадобилась накидная гайка. Это была первая попытка студента сделать это по частям и в конце концов увенчалась успехом.

STEM-образование

Образование должно иметь влияние на будущее. Если мы дадим учащимся технологии, которые могут создавать кажущиеся невозможными объекты, мы дадим им возможность влиять на будущее с большим влиянием. Нельзя сказать, что ЧПУ, литье под давлением и т. Д. Когда-либо исчезнут, но эти технологии хорошо зарекомендовали себя и больше не обладают тем потенциалом, который есть сейчас в аддитивном производстве.

Mark Two позволил моим ученикам расширить свои представления о свойствах материалов и дизайне деталей. В качестве учебного опыта для студентов он выводит на совершенно новый уровень сложности их понимание того, что такое аддитивное производство сейчас и каким оно будет в будущем.

Думаете, принтер Markforged станет хорошим подспорьем в вашем классе? Запросите демо сегодня.