Markforged en el aula:uso de la impresión 3D en la educación

Nota del editor:Alex Larson es profesor de tecnología aplicada en Palatine High School. Ha estado impartiendo cursos de Project Lead the Way (PLTW) durante 9 años. Project Lead the Way es un plan de estudios basado en STEM que ahora es experimentado internacionalmente por estudiantes desde jardín de infantes hasta el grado 12. Expone a los estudiantes a la educación STEM transversal para mejorar la tasa de éxito de los estudiantes que persiguen una educación en campos relacionados con STEM. Los cursos que imparte se centran en la ingeniería.

En mi salón de clases, he estado usando la impresión 3D durante aproximadamente 10 años. Mi distrito primero invirtió en impresoras 3D para nuestras escuelas sabiendo que el impacto en el aprendizaje de los estudiantes sería fundamental para su éxito en la universidad y en su futuro. Hoy en día, vemos una industria en auge en la fabricación aditiva y los ingenieros ahora solo están comenzando a ver todas las aplicaciones potenciales para estas tecnologías.

Impresión 3D en la educación

Hay muchos programas curriculares basados ​​en STEM que actualmente se enseñan desde el jardín de infantes hasta la escuela secundaria. Debido a esto, muchas escuelas que actualmente tienen una impresora 3D a su disposición las utilizan de manera muy similar a como lo hacemos nosotros. La mayoría de las escuelas los utilizan para la creación de prototipos, pequeños componentes móviles, visualización de conceptos o modelos complejos, etc. Sin embargo, debido a las limitaciones del PLA, el material más comúnmente utilizado en la escuela, cualquier uso potencial de la fabricación aditiva se limita a piezas que tienen un mínimo de aplicación. condiciones de carga. Debido a esto, la impresión 3D no se utiliza en la mayoría de los diseños funcionales que desarrollan los estudiantes.

Markforged Mark Two en el aula

Esta fue una de las primeras veces que mi alumno trabajó con la cortadora Markforged, Eiger. Estaba diseñando un soporte para dos baterías de 6 libras que tendrían que soportar una cantidad significativa de sacudidas mientras estaban en uso. El soporte de la batería se utilizará en 1 de los 3 robots de combate que están construyendo los estudiantes. Con la impresora 3D Markforged, la conversación con el estudiante pasó de "¿Cuál es la mejor orientación de impresión para el tiempo?" a, "¿Cómo coloco la fibra donde necesito la fuerza?" A partir de ahí, la conversación condujo a "¿cómo consigo que el resto de la parte sea lo suficientemente fuerte?" Luego, en un rediseño de la pieza para permitir que la fibra se coloque donde debe estar en todas las direcciones.

El resultado final se veía así, la parte roja en la imagen es una impresión de prueba de PLA para ajustar antes de que la impresión fuera a la Mark Two.

Por lo general, un estudiante de mi clase lo habría diseñado para mecanizarlo en nuestra fresadora CNC, y el diseño se vería tremendamente diferente. La flexibilidad de la fabricación aditiva con la impresora Markforged permitió al estudiante iterar sobre el diseño rápidamente e imprimir de la noche a la mañana. De lo contrario, habrían pasado varios días de clase (48 minutos al día) configurando herramientas y fijaciones para mecanizar la pieza individual. Además, si hubiera algún problema con el diseño, el tiempo para volver a trabajar en un CNC es significativamente más largo. Somos afortunados de tener múltiples fresadoras y tornos CNC para que nuestros estudiantes trabajen. En nuestros cursos de ingeniería, los estudiantes aprenden programación básica de G &M y software CAM. Sin embargo, tenemos un conjunto de cursos completamente separados para enseñar a los estudiantes la fabricación avanzada con mucha mayor profundidad. Si tuviera que comparar el tiempo que lleva capacitar a los estudiantes sobre cómo operar de manera segura una fresadora CNC con la capacitación para operar la impresora Markforged, simplemente no hay comparación. En un entorno escolar, las instalaciones en sí mismas pueden ser un gran desafío de superar también, muchas escuelas simplemente no pueden albergar nada más grande que una máquina CNC de escritorio. Los molinos de sobremesa tienen grandes limitaciones sobre los tipos de materiales que pueden procesar y los requisitos de costo y espacio de un molino CNC real colocan a Markforged en un lugar y una oportunidad únicos para la educación.

Estos dos estudiantes están diseñando un soporte de motor para su robot. La pieza tiene que ser resistente, ya que se utilizará como un miembro estructural del chasis y un soporte sólido para el motor en sí. El motor también debe ser fácilmente accesible en caso de problemas. Intentaron un concepto similar impreso únicamente en ABS y resultó en una pieza que se rompió muy rápidamente. Después de tres modelos CAD y una impresión reforzada con fibra de vidrio, los estudiantes aquí tuvieron que hacer un cambio en el diseño debido a desafíos imprevistos con el proceso de ensamblaje de este soporte de motor. Cuando fueron a instalar el soporte del motor en el chasis prototipo, no pudieron instalar el sujetador en la parte frontal del soporte. La flexibilidad del Mark Two les permitió imprimir, probar y reimprimir la segunda versión con un tiempo de respuesta total de 2 días y dar como resultado una pieza que es lo suficientemente fuerte como para contener las fuerzas aplicadas.

Lecciones aprendidas y avances

Al buscar equipos para nuestro aula, tuvimos que tomar una decisión difícil, por un lado, necesitábamos más impresoras 3D solo para manejar la cantidad de impresiones que los estudiantes querían hacer, pero por otro lado queríamos llevar las cosas más lejos que nosotros. en el pasado. Como profesor, no hago de la tecnología el centro del aprendizaje, sino que el aprendizaje se centra en el uso de la tecnología. No creé ninguna lección o proyecto nuevos que solo usaran Markforged para enseñar a los estudiantes sobre las propiedades de los materiales. Podría haberlo hecho fácilmente, pero sucedió de manera orgánica. El interés de los estudiantes se despertó cuando les dije los materiales con los que funcionaba. No pudieron creerlo al escuchar sobre Kevlar y Fibra de Carbono.

Una de las primeras cosas que imprimimos fue una barra simple, solo nylon simple y una con fibra de vidrio predeterminada. Les mostré la cortadora y cómo configuraba la fibra e inmediatamente lo vincularon al curso PLTW que tomaron el año anterior, donde aprendieron sobre el momento de inercia y reconocieron el enfoque del panel sándwich.

Luego, los estudiantes querían probar diferentes propiedades de los materiales. Los datos de pruebas de materiales del sitio web de Markforged son una gran herramienta, pero para los estudiantes que están aprendiendo, vincular los datos a una experiencia física es fundamental para que comprendan estos conceptos. Así que imprimimos más piezas de fibra de vidrio y kevlar. Esto llevó a algunas pruebas "científicas" reales.

La parte anterior es una abrazadera de absorción de impactos para uno de los robots. Los estudiantes hicieron una impresión parcial para ver si el concepto funcionaba en la práctica como esperaban, basándose en FEA que lo hicieron.

Ejecutaron FEA con cien libras de fuerza en el borde y la cara del objeto y colocaron el material como nailon, encontraron la tensión más alta en el área roja. Pensaron que se deslaminaría allí antes de que le pasara cualquier otra cosa.

Funcionó mucho mejor de lo que esperaban, tan bien que se necesitó una enorme cantidad de fuerza para romper la pieza. Ocho columpios pesados ​​con 32 oz. El martillo de bola inició la falla en el borde con delaminación. La fuerza aplicada en la "prueba" terminó siendo aproximadamente cinco veces la cantidad de fuerza que pusieron en FEA y la pieza no se desvió tanto como querían, incluso con esa cantidad de fuerza. Esto los llevó a un rediseño. No estaban seguros de cuánto afectaría la fibra al diseño, y con esta "prueba" desarrollaron una comprensión mucho mejor del material con el que estaban trabajando. Si bien muchos ingenieros hacen esto a diario, los estudiantes de secundaria rara vez piensan en las implicaciones de la elección del material para el diseño, por lo que hacer que piensen en esto ahora es un gran beneficio para ellos en el futuro.

Los estudiantes no solo están aprendiendo sobre las propiedades de los materiales a través de la experiencia, sino que también están aprendiendo a diseñar teniendo en cuenta la fabricación aditiva. Necesitaban incluir sujetadores en muchos de sus componentes, por lo que comenzaron a diseñar con sujetadores accesibles e incrustados, algo que encontraron aquí en el Blog de Markforged. La parte en la que está trabajando este estudiante se hizo para un fácil desmontaje de un robot desde el exterior, por lo que se necesitaba la tuerca cautiva. Este fue el primer intento del estudiante de hacer esto en una parte y al final fue un éxito.

Educación STEM

La educación debe buscar influir en el futuro. Si proporcionamos a los estudiantes tecnologías que son capaces de hacer objetos aparentemente imposibles, les damos el potencial de influir en el futuro con un mayor impacto. No quiere decir que el CNC, el moldeo por inyección, etc. vayan a desaparecer alguna vez, pero esas tecnologías están bien establecidas y ya no tienen el potencial que tiene la fabricación aditiva ahora.

El Mark Two ha sido una forma para que mis estudiantes amplíen su pensamiento en las propiedades de los materiales y el diseño de piezas. Como experiencia de aprendizaje para los estudiantes, aporta un nivel completamente nuevo de complejidad a su comprensión de lo que es la fabricación aditiva ahora y lo que será en el futuro.

¿Cree que una impresora Markforged sería un buen activo para su salón de clases? Solicite una demostración hoy mismo.