Markforged in the Classroom:3D Printing gebruiken in het onderwijs

Noot van de redactie:Alex Larson is docent Toegepaste Technologie aan de Palatine High School. Hij geeft al 9 jaar Project Lead the Way (PLTW) cursussen. Project Lead the Way is een op STEM gebaseerd curriculum dat nu internationaal wordt ervaren door studenten van de kleuterschool tot de 12e klas. Het stelt studenten bloot aan vakoverschrijdend STEM-onderwijs om het slagingspercentage te verbeteren van studenten die een opleiding in STEM-gerelateerde gebieden volgen. De cursussen die hij geeft, zijn gericht op techniek.

In mijn klas gebruik ik al zo'n 10 jaar 3D-printen. Mijn district investeerde eerst in 3D-printers voor onze scholen, wetende dat de impact op het leren van leerlingen van grote invloed zou zijn op hun succes op de universiteit en in hun toekomst. Tegenwoordig zien we een bloeiende industrie in additive manufacturing en ingenieurs beginnen nu pas alle mogelijke toepassingen voor deze technologieën te zien.

3D-printen in het onderwijs

Er zijn veel STEM-gebaseerde curriculaire programma's die momenteel worden gegeven van de kleuterschool tot de middelbare school. Daarom gebruiken veel scholen die momenteel een 3D-printer tot hun beschikking hebben, deze net als wij. De meeste scholen gebruiken ze voor prototyping, kleine bewegende componenten, visualisatie van complexe concepten of modellen, enz. Vanwege de beperkingen van PLA, het meest gebruikte materiaal op school, is elk potentieel gebruik van additieve fabricage beperkt tot onderdelen die minimaal zijn toegepast laadomstandigheden. Daarom wordt 3D-printen niet gebruikt in de meeste functionele ontwerpen die studenten ontwikkelen.

Markforged Mark Two in de klas

Dit was de eerste keer dat mijn student met de Markforged-snijmachine, Eiger, werkte. Hij ontwierp een houder voor twee 6 lb. batterijen die tijdens gebruik behoorlijk wat schokken zouden moeten doorstaan. De batterijhouder wordt gebruikt in 1 van de 3 gevechtsrobots die de studenten bouwen. Met behulp van de Markforged 3D-printer verschoof het gesprek met de student van:"Wat is de beste afdrukoriëntatie voor tijd?" tot:"Hoe pas ik vezels aan waar ik de kracht nodig heb?" Van daaruit leidde het gesprek tot "hoe krijg ik de rest van de rol sterk genoeg?" Vervolgens in een herontwerp van het onderdeel zodat de vezel in alle richtingen kan worden geplaatst waar het moet zijn.

Het eindresultaat zag er zo uit, het rode gedeelte op de foto is een PLA-testafdruk voor pasvorm voordat de afdruk naar de Mark Two ging.

Normaal gesproken zou een student in mijn klas dit hebben ontworpen om op onze CNC-frees te worden bewerkt, en het ontwerp zou er heel anders uitzien. Dankzij de flexibiliteit van additieve productie met de Markforged-printer kon de student het ontwerp snel herhalen en 's nachts afdrukken. Anders zouden ze meerdere dagen lestijd (48 minuten per dag) hebben besteed aan het opzetten van gereedschappen en opspaninrichtingen om het enkele onderdeel te bewerken. Bovendien, als er een probleem was met het ontwerp, is de tijd om een ​​CNC opnieuw te bewerken aanzienlijk langer. We hebben het geluk dat we meerdere CNC-freesmachines en draaibanken hebben waar onze studenten mee kunnen werken. In onze ingenieursopleidingen leren de studenten basis G&M-programmering en CAM-software. We hebben echter een geheel aparte reeks cursussen om studenten geavanceerde productie op een veel grotere diepte bij te brengen. Als je de tijd zou vergelijken die nodig is om studenten te leren hoe ze veilig een CNC-frees moeten bedienen, versus de training om de Markforged-printer te bedienen, dan is er gewoon geen vergelijking. In een schoolomgeving kunnen de faciliteiten zelf ook een grote uitdaging zijn om te overwinnen, veel scholen kunnen eenvoudigweg niets groters dan een desktop-CNC-machine huisvesten. Desktop-freesmachines hebben grote beperkingen op wat voor soort materialen ze kunnen verwerken en de kosten en ruimtevereisten van een echte CNC-frees plaatsen de Markforged op een zeer unieke plek en kans voor onderwijs.

Deze twee studenten ontwerpen een motorsteun voor hun robot. Het onderdeel moet sterk zijn, omdat het zal worden gebruikt als een structureel onderdeel van het chassis en een solide bevestiging voor de motor zelf. Ook moet de motor goed bereikbaar zijn bij eventuele problemen. Ze probeerden een soortgelijk concept dat uitsluitend uit ABS was gedrukt en het resulteerde in een zeer snel kapot onderdeel. Na drie CAD-modellen en één met glasvezel versterkte print moesten de studenten hier het ontwerp wijzigen vanwege onvoorziene uitdagingen met het montageproces van deze motorsteun. Toen ze de motorsteun in het prototype van het chassis gingen installeren, konden ze de bevestiging aan de voorkant van de steun niet installeren. De flexibiliteit van de Mark Two maakte het voor hen mogelijk om de tweede versie af te drukken, te testen en opnieuw te printen met een totale doorlooptijd van 2 dagen en resulteren in een onderdeel dat sterk genoeg is om de uitgeoefende krachten te weerstaan.

Geleerde lessen en vooruitgang

Bij het zoeken naar apparatuur voor ons klaslokaal, moesten we een moeilijke keuze maken, aan de ene kant hadden we meer 3D-printers nodig om de hoeveelheid prints te kunnen maken die studenten wilden doen, maar aan de andere kant wilden we dingen verder gaan dan we deden in het verleden. Als docent stel ik de technologie niet centraal bij het leren, maar het leren rond het gebruik van technologie. Ik heb geen nieuwe lessen of projecten gemaakt die alleen de Markforged gebruiken om studenten over materiaaleigenschappen te leren. Ik had dat gemakkelijk kunnen doen, maar het gebeurde organisch. De interesse van studenten wekte toen ik hen de materialen vertelde waarmee het werkte. Ze waren vol ongeloof toen ze hoorden over Kevlar en Carbon Fiber.

Een van de eerste dingen die we printten was een eenvoudige staaf, gewoon nylon en een met standaard glasvezel. Ik liet ze de snijmachine zien en hoe hij vezels opbouwde en ze koppelden hem onmiddellijk aan de PLTW-cursus die ze het jaar ervoor hadden gevolgd, waar ze leerden over Moment of Inertia en de benadering van sandwichpanelen herkenden.

De studenten wilden vervolgens verschillende materiaaleigenschappen testen. De materiële testgegevens van de Markforged-website zijn een geweldig hulpmiddel, maar voor studenten die aan het leren zijn, is het koppelen van de gegevens aan een fysieke ervaring essentieel voor hun begrip van deze concepten. Dus hebben we meer glasvezel- en Kevlar-onderdelen geprint. Dit leidde tot een aantal echte "wetenschappelijke" tests.

Bovenstaand onderdeel is een schokabsorberende beugel voor een van de robots. De studenten maakten er een gedeeltelijke afdruk van om te zien of het concept in de praktijk werkte zoals ze hoopten op basis van FEA dat ze deden.

Ze voerden FEA uit met honderd pond kracht op de rand en het oppervlak van het object en stelden het materiaal in op nylon, ze vonden de hoogste spanning in het rode gebied. Ze dachten dat het daar zou delamineren voordat er iets anders mee zou gebeuren.

Het presteerde veel beter dan ze hadden verwacht, zo goed dat het een waanzinnige hoeveelheid kracht kostte om het onderdeel te breken. Acht zware schommels met een 32 oz. balpenhamer begon de storing aan de rand met delaminatie. De kracht die in de "test" werd uitgeoefend, was uiteindelijk ongeveer vijf keer de hoeveelheid kracht die ze in FEA hadden en het onderdeel deed het niet zo veel als ze wilden, zelfs met die hoeveelheid kracht. Dit leidde tot een herontwerp. Ze waren er niet zeker van hoeveel invloed de vezel op het ontwerp zou hebben, en met deze "test" ontwikkelden ze een veel beter begrip van het materiaal waarmee ze werkten. Hoewel veel ingenieurs dit dagelijks doen, denken middelbare scholieren zelden na over de implicaties van materiaalkeuze voor het ontwerp, dus als ze hier nu over gaan nadenken, is dat een groot voordeel voor hen in hun toekomst.

De studenten leren niet alleen over materiaaleigenschappen door ervaring, maar leren ook hoe ze kunnen ontwerpen met additieve fabricage in het achterhoofd. Ze moesten bevestigingsmiddelen in veel van hun componenten opnemen, dus begonnen ze te ontwerpen met toegankelijke en ingebedde bevestigingsmiddelen - iets dat ze hier op de Markforged Blog vonden. Het onderdeel waar deze leerling aan werkt, is gemaakt om een ​​robot eenvoudig van buitenaf te kunnen demonteren, daarom was de borgmoer nodig. Dit was de eerste poging van de student om dit gedeeltelijk te doen en was uiteindelijk een succes.

STEM-onderwijs

Het onderwijs moet de toekomst willen beïnvloeden. Als we studenten technologieën aanreiken die in staat zijn om schijnbaar onmogelijke objecten te maken, geven we ze het potentieel om de toekomst met een grotere impact te beïnvloeden. Om niet te zeggen dat CNC, spuitgieten, enz. ooit zullen verdwijnen, maar die technologieën zijn goed ingeburgerd en hebben niet langer het potentieel dat additieve fabricage nu biedt.

De Mark Two is voor mijn studenten een manier geweest om hun denken over materiaaleigenschappen en onderdeelontwerp uit te breiden. Als leerervaring voor studenten brengt het een geheel nieuw niveau van complexiteit voor hun begrip van wat additive manufacturing nu is en wat het in de toekomst zal zijn.

Denkt u dat een Markforged-printer een goede aanwinst is voor uw klaslokaal? Vraag vandaag nog een demo aan.