Markforged Mark Two: STEM-onderwijs revolutioneren door geavanceerd 3D-printen

Redactienota: Alex Larson, Applied Technology-docent op Palatine High School, leidt Project Lead the Way (PLTW)-cursussen al negen jaar. PLTW levert een STEM-gerichte curriculum van kleuterklas tot 12e klas, waarbij studenten worden uitgerust met vaardigheden nodig voor succes in engineering en verwante velden.

De afgelopen decennium heeft mijn klaslokaal 3D-printen geïntegreerd om hands-on leren te verrijken. De vroege investering van ons district in 3D-printers werd gedreven door een duidelijke visie: studenten machtigen met tools die de industrie's shift naar additieve manufacturing weerspiegelen. Naarmate de industrie groeit, ontdekken educaties zoals wij nieuwe manieren om deze technologieën te benutten om nieuwsgierigheid te ontbranden en competentie op te bouwen.

3D-printen in onderwijs

Over K-12 heen incorporeren STEM-curricula nu routinematig 3D-printen. Scholen gebruiken printers voor snel prototypen, bewegende delen creëren, en complexe concepten visualiseren. Echter, het dominante schoolmateriaal – PLA – beperkt structurele prestaties, wat projecten beperkt tot laag-belasting onderdelen. Gevolglijk zijn functionele ontwerpen die duurzaamheid vereisen zeldzaam in traditionele klaslokalen.

Markforged Mark Two in de klas

Een van de eerste confrontaties van mijn studenten met de Markforged-slicer, Eiger, betrof het ontwerpen van een bevestiging voor twee 6-lb batterijen die aanzienlijke schokken moesten absorberen tijdens gebruik. De bevestiging is een kritisch onderdeel van een van de drie combatrobots die het team bouwt. Met de Markforged 3D-printer verschuifde het gesprek van "Wat is de optimale printoriëntatie voor snelheid?" naar "Waar moet vezel geplaatst worden om sterkte te maximaliseren?" Deze dialoog evolueerde tot het herdenken van het hele onderdeel zodat vezel strategisch in alle benodigde richtingen gepositioneerd kon worden.

Het afgewerkte onderdeel – hieronder getoond – bevat een PLA-testprint (rood) om fit te bevestigen voordat de finale Mark Two-build.

Hadden we ons CNC-freesmachine betrouwd, het ontwerp zou heel anders geweest zijn, en studenten zouden dagen doorgebracht hebben met het opzetten van tooling en fixturing. Met de Mark Two is snelle iteratie overnachts mogelijk, wat de ontwikkeltijd van meerdere klassessessies naar een enkele printrun reduceert. In een schoolomgeving waar ruimte en kosten vaak grootschalige bewerking belemmeren, biedt de Mark Two een unieke, toegankelijke alternatief.

In een ander project ontwierpen twee studenten een motormount die structurele lasten moet weerstaan terwijl gemakkelijk toegankelijk blijft voor onderhoud. Initiële pogingen met ABS faalden snel. Na drie CAD-iteraties en één glasvezel-versterkte print, liepen ze tegen een montageprobleem aan – een onmogelijke bevestigingsplaats. Door de flexibiliteit van de Mark Two, herontwierpen ze het onderdeel en voltooiden een nieuwe print binnen 48 uur, wat de vereiste sterkte en toegankelijkheid bereikte.

Lessen geleerd en vooruitgaan

Het selecteren van apparatuur voor onze labs vereiste balans tussen hoeveelheid en capaciteit. Hoewel meer printers hogere printvolumes zouden aan, kozen we de Mark Two om studenten voorbij conventionele PLA-projecten te duwen. De technologie's नवीनheid ontbrande echt belangstelling: studenten waren verbazing over de beschikbaarheid van Kevlar, koolstofvezel, en andere geavanceerde composieten. Ze maakten snel de link met hun PLTW-lessen over moment van inertie en zandwichpaneel-ontwerp.

We begonnen met een simpele nylon-staaf en een standaard glasvezelversie, en breidden uit naar Kevlar. De hands-on ervaring liet studenten de materiaaldata van de Markforged-website correleren met real-world prestaties. Deze tastbare verbinding verdiepte hun begrip van materiaalkunde.

In een volgend project printten studenten een impact-absorberende beugeling voor een robot en voerden een gedeeltelijke test uit om hun finite-elementanalyse (FEA) te valideren. De FEA, die 100 lb kracht toepaste op de rand en het vlak van een nylon-onderdeel, voorspelde piekspanning in een rood-gelijnte gebied. In de praktijk overleefde de beugeling acht zware slagen met een 32-oz ball-peen hamer – ongeveer vijf keer de voorspelde kracht – voordat delaminatie optrad. De resultaten daagden hun aannames uit en gide een herontwerp dat stijfheid en compliantie balanceerde.

Door deze experimenten kregen studenten eerstehands inzicht in hoe materiaalkeuze ontwerpbeslissingen drijft – een vaardigheid zelden op high-school-niveau. Ze leerden ook ontwerpen met additieve manufacturing in gedachten, met ingebouwde bevestigingsmiddelen en captive nuts om snelle demontage van robotcomponenten te ermöglichen.

STEM-onderwijs voor de toekomst

Onderwijs moet de volgende generatie innovators vormgeven. Door studenten uit te rusten met cutting-edge additieve manufacturing-tools, geven we ze de kracht om objecten te ontwerpen die eens onvoorstelbaar waren. Terwijl CNC en injectiegieten waardevol blijven, biedt het transformerende potentieel van 3D-printen – met name met vezel-versterkte composieten – een rijker, veelzijdiger leerervaring.

De Mark Two heeft de horizon van onze studenten in materiaalkunde en onderdeelontwerp verbreed, diepte toevoegend aan hun begrip van additieve manufacturing's huidige en toekomstige mogelijkheden. Als je benieuwd bent hoe een Markforged-printer jouw klas kan verbeteren, vraag vandaag nog een demo aan.