Markforged Mark Two: революция в STEM-образовании через передовые 3D-печать

Примечание редактора: Алекс Ларсон, учитель прикладных технологий в Palatine High School, ведёт курсы Project Lead the Way (PLTW) девять лет. PLTW доставляет STEM-ориентированную программу от детского сада до 12 класса, оснащая студентов навыками для успеха в инженерии и смежных областях.

За последнее десятилетие мой класс интегрировал 3D-печать для обогащения практического обучения. Ранние инвестиции округа в 3D-принтеры были движимы чётким видением: усилить студентов инструментами, отражающими сдвиг индустрии к аддитивному производству. По мере роста индустрии педагоги вроде нас обнаруживают новые способы использовать эти технологии для пробуждения любопытства и построения компетенций.

3D-печать в образовании

По всему K-12 STEM-куррикулумы теперь регулярно включают 3D-печать. Школы используют принтеры для быстрого прототипирования, создания движущихся деталей и визуализации сложных концепций. Однако доминирующий школьный материал — PLA — ограничивает структурную производительность, удерживая проекты в низконагруженных деталях. Следовательно, функциональные дизайны, требующие долговечности, редки в традиционных классах.

Markforged Mark Two в классе

Одним из первых встреч моих студентов со слайсером Markforged, Eiger, было проектирование крепления для двух 6-фунтовых батарей, которые должны были поглощать значительные тряски в использовании. Крепление — критичный компонент одного из трёх боевых роботов, которые команда строит. С 3D-принтером Markforged разговор сдвинулся с «Какая оптимальная ориентация печати для скорости?» на «Где разместить волокно для максимизации прочности?». Этот диалог перешёл к переосмыслению всей детали так, чтобы волокно могло быть стратегически позиционировано во всех необходимых направлениях.

Готовая деталь — показана ниже — включает тестовую печать из PLA (красная) для подтверждения посадки перед финальной сборкой на Mark Two.

Если бы мы полагались на наш ЧПУ-станок, дизайн был бы совершенно иным, и студенты потратили бы дни на настройку оснастки и фикстур. С Mark Two быстрая итерация возможна за ночь, сокращая время разработки с нескольких учебных сессий до одной печати. В школьной среде, где пространство и стоимость часто ограничивают крупномасштабную механическую обработку, Mark Two предлагает уникальную, доступную альтернативу.

В другом проекте два студента спроектировали моторное крепление, которое должно выдерживать структурные нагрузки, оставаясь легко доступным для обслуживания. Первые попытки с ABS быстро провалились. После трёх CAD-итераций и одной печати, усиленной стекловолокном, они столкнулись с проблемой сборки — невозможным размещением крепежа. Используя гибкость Mark Two, они перепроектировали деталь и завершили новую печать за 48 часов, достигнув требуемой прочности и доступности.

Уроки и आगे

Выбор оборудования для лабораторий требовал баланса между количеством и способностями. Хотя больше принтеров обработали бы большие объёмы печати, мы выбрали Mark Two, чтобы толкать студентов за пределы обычных PLA-проектов. Новизна технологии пробудила живой интерес: студенты были поражены доступностью Кевлара, углеродного волокна и других передовых композитов. Они быстро связали эти материалы с уроками PLTW по моменту инерции и дизайну сэндвич-панелей.

Мы начали с простого нейлонового бруска и версии с дефолтным стекловолокном, затем расширились до Кевлара. Практический опыт позволил студентам коррелировать данные материалов с сайта Markforged с реальной производительностью. Эта осязаемая связь углубила их понимание материаловедения.

В последующем проекте студенты напечатали амортизирующую опорку для робота и выполнили частичный тест для валидации их конечно-элементного анализа (FEA). FEA, применив 100 фунтов силы к краю и грани нейлоновой детали, предсказал пиковое напряжение в красной зоне. На практике опорка выжила восемь сильных ударов 32-унциевым молоточном — примерно в пять раз больше прогнозируемой силы — прежде чем произошло расслоение. Результаты бросили вызов их предположениям и привели к перепроектированию, балансирующему жёсткость и комплаенс.

Через эти эксперименты студенты получили первое рукоприкладное понимание того, как выбор материала движет дизайнерскими решениями — навык, редко встречающийся на уровне старшей школы. Они также научились проектировать с учётом аддитивного производства, внедряя встраиваемые крепежи и зажимные гайки для быстрой разборки робототехнических компонентов.

STEM-образование для будущего

Образование должно формировать следующее поколение инноваторов. Оснащая студентов передовой аддитивной технологией, мы даём им силу проектировать объекты, когда-то невообразимые. Пока ЧПУ и литьё под давлением остаются ценными, трансформационный потенциал 3D-печати — особенно с волокнисто-усиленными композитами — предлагает более богатый, универсальный учебный опыт.

Mark Two расширил горизонты наших студентов в материаловедении и дизайне деталей, добавив глубину в их понимание текущих и будущих возможностей аддитивного производства. Если вы заинтересованы, как принтер Markforged может поднять ваш класс, закажите демо сегодня.