教室でのMarkforged：教育での3D印刷の使用
編集者注：Alex Larsonは、パラタイン高校の応用技術の教師です。彼はプロジェクトリードザウェイ（PLTW）コースを9年間教えています。 Project Lead the Wayは、STEMベースのカリキュラムであり、現在、幼稚園から12年生までの生徒が国際的に経験しています。学生をクロスカリキュラムSTEM教育にさらし、STEM関連分野で教育を追求する学生の成功率を向上させます。彼が教えるコースは工学に焦点を当てています。
私の教室では、3Dプリントを約10年間使用しています。私の学区では、学生の学習への影響が大学での成功と将来に役立つことを知って、最初に学校用の3Dプリンターに投資しました。今日、積層造形業界は活況を呈しており、エンジニアはこれらのテクノロジーの潜在的なアプリケーションをすべて見始めたばかりです。
教育における3Dプリント
現在、幼稚園から高校まで、STEMベースのカリキュラムプログラムが数多く教えられています。このため、現在3Dプリンターを自由に使用できる多くの学校では、私たちと同じように3Dプリンターを使用しています。ほとんどの学校では、プロトタイピング、小さな可動コンポーネント、複雑な概念やモデルの視覚化などに使用しています。ただし、学校で最も一般的に使用される材料であるPLAの制限により、積層造形の潜在的な使用は、最小限の適用しか行われていない部品に限定されます。荷重条件。このため、3D印刷は、学生が開発するほとんどの機能的なデザインでは使用されていません。
教室でマークフォージドマーク2
これは、MarkforgedスライサーであるEigerを使用した初めての生徒の1人です。彼は、使用中にかなりの量の不快感に耐えなければならない2つの6ポンドのバッテリー用のマウントを設計していました。バッテリーマウントは、学生が構築している3台の戦闘ロボットのうちの1台で使用されます。 Markforged 3Dプリンターを使用して、学生との会話は「時間に最適な印刷方向は何ですか？」からシフトしました。に、「強度が必要な場所に繊維を取り付けるにはどうすればよいですか？」そこから、会話は「どうすれば残りの部分を十分に強くすることができますか？」につながりました。次に、パーツを再設計して、ファイバーをすべての方向に配置する必要がある場所に配置できるようにします。
最終結果は次のようになりました。写真の赤い部分は、プリントがMarkTwoに送られる前のPLAテストプリントです。
通常、私のクラスの学生は、これをCNCミルで機械加工するように設計していましたが、設計は大きく異なります。 Markforgedプリンターを使用した積層造形の柔軟性により、学生は設計を迅速に繰り返し、一晩印刷することができました。そうでなければ、彼らは、単一の部品を機械加工するための工具と固定具のセットアップに数日（1日48分）の授業時間を費やしていたでしょう。さらに、設計に問題があった場合、CNCでのやり直しにかかる時間は大幅に長くなります。幸運なことに、生徒が使用できるCNCミルと旋盤が複数あります。私たちの工学コースでは、学生は基本的なG＆MプログラミングとCAMソフトウェアを学びます。ただし、学生に高度な製造をより深く教えるための完全に別個のコースのセットがあります。 CNCミルを安全に操作する方法を学生にトレーニングするのにかかる時間を、Markforgedプリンターを操作するためのトレーニングと比較すると、比較はできません。施設自体を設定する学校では、克服するのも大きな課題になる可能性があります。多くの学校は、デスクトップCNCマシンよりも大きなものを収容することはできません。デスクトップミルには、処理できる材料の種類に大きな制限があり、実際のCNCミルのコストとスペースの要件により、Markforgedは非常にユニークな場所と教育の機会になります。
この2人の生徒は、ロボットのモーターマウントを設計しています。この部品は、シャーシの構造部材として使用され、モーター自体の頑丈なマウントとして使用されるため、頑丈である必要があります。また、問題が発生した場合に備えて、モーターに簡単にアクセスできる必要があります。彼らはABSだけから印刷された同様の概念を試みました、そしてそれは非常にすぐに壊れた部分をもたらしました。 3つのCADモデルと1つのグラスファイバー強化プリントの後、このモーターマウントの組み立てプロセスでの予期しない課題のために、ここの学生は設計を変更する必要がありました。プロトタイプのシャーシにモーターマウントを取り付けようとしたとき、マウントの前面にファスナーを取り付けることができませんでした。 Mark Twoの柔軟性により、2番目のバージョンを印刷、テスト、および再印刷することが可能になり、合計所要時間は2日で、加えられた力を保持するのに十分な強度の部品が得られました。
学んだ教訓と前進
教室の設備を検討するとき、私たちは難しい選択をしなければなりませんでした。一方で、生徒がやりたいと思う印刷物の量を処理するためだけに、より多くの3Dプリンターが必要でしたが、他方では、私たちがやったよりも物事をさらに推し進めたかったのです。過去に。教師として、私はテクノロジーを学習の焦点とはしていませんが、学習はテクノロジーの使用に焦点を合わせています。 Markforgedを使用して生徒に材料特性について教えるだけの新しいレッスンやプロジェクトは作成しませんでした。私はそれを簡単に行うことができましたが、それは有機的に起こりました。私が彼らにそれが働いた材料を話したとき、学生は興味をそそられました。彼らはケブラーとカーボンファイバーについて聞いて信じられませんでした。
私たちが最初に印刷したものの1つは、単純なバーで、プレーンナイロンとデフォルトのグラスファイバーを使用したものでした。私は彼らにスライサーとそれがどのようにファイバーをセットアップするかを示し、彼らはすぐにそれを1年前に取ったPLTWコースに結び付け、そこで彼らは慣性モーメントについて学び、サンドイッチパネルのアプローチを認識しました。
その後、生徒たちはさまざまな材料特性をテストしたいと考えました。 Markforged Webサイトの材料試験データは優れたツールですが、学習している学生にとって、データを物理的な経験に結び付けることは、これらの概念を理解するのに役立ちます。そこで、グラスファイバーとケブラーのパーツをさらに印刷しました。これにより、実際の「科学的」テストが行われました。
上記の部分は、ロボットの1つ用の衝撃吸収ブレースです。学生はそれを部分的に印刷して、コンセプトが実際に機能するかどうかを確認し、FEAに基づいてコンセプトが機能するかどうかを確認しました。
彼らは、オブジェクトのエッジと面に100ポンドの力でFEAを実行し、材料をナイロンに設定しました。赤い領域で最も高い応力が見つかりました。彼らは、他の何かが起こる前に、そこで剥離するだろうと考えました。
予想よりもはるかに優れた性能を発揮したため、パーツを壊すのに非常に大きな力がかかりました。 32オンスの8つの重いスイング。ボールピーンハンマーは、層間剥離でエッジの破損を開始しました。 「テスト」で加えられた力は、最終的にFEAに加えられた力の約5倍になり、その力でもパーツは希望どおりにたわみませんでした。これは彼らを再設計に導きます。彼らは、繊維が設計にどの程度の影響を与えるかについて確信が持てず、この「テスト」により、使用している材料についての理解を深めました。多くのエンジニアが日常的にこれを行っていますが、高校生はデザインの材料選択の影響についてほとんど考えていないため、今これについて考えさせることは、将来の彼らにとって大きなメリットです。
学生たちは、経験を通じて材料特性について学ぶだけでなく、積層造形を念頭に置いて設計する方法も学びます。彼らは多くのコンポーネントにファスナーを含める必要があったため、アクセス可能で埋め込まれたファスナーを使用して設計を開始しました。これは、Markforgedブログで見つけたものです。この学生が取り組んでいる部分は、ロボットを外部から簡単に分解できるように作られているため、拘束ナットが必要でした。これは、一部でこれを行う学生の最初の試みであり、最終的には成功しました。
STEM教育
教育は未来に影響を与えるように見えるべきです。一見不可能に見えるオブジェクトを作成できるテクノロジーを生徒に提供すれば、将来に大きな影響を与える可能性を生徒に与えることができます。 CNC、射出成形などがなくなることは言うまでもありませんが、これらの技術は十分に確立されており、現在の積層造形の可能性をもはや保持していません。
マーク2は、生徒が材料特性と部品設計についての考え方を広げるための方法です。学生の学習体験として、現在の積層造形と将来の積層造形の理解にまったく新しいレベルの複雑さをもたらします。
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