Markforged in the Classroom:교육에서 3D 인쇄 사용

편집자 주:Alex Larson은 Palatine High School의 응용 기술 교사입니다. 그는 9년 동안 PLTW(Project Lead Way) 과정을 가르치고 있습니다. 프로젝트 리드 웨이는 유치원부터 12학년까지의 학생들이 국제적으로 경험하고 있는 STEM 기반 커리큘럼입니다. STEM 관련 분야에서 교육을 추구하는 학생들의 성공률을 향상시키기 위해 교차 교과 과정 STEM 교육에 학생들을 노출시킵니다. 그가 가르치는 과정은 엔지니어링에 중점을 둡니다.

제 강의실에서 저는 약 10년 동안 3D 프린팅을 사용해 왔습니다. 우리 학군은 학생 학습에 대한 영향이 대학 진학과 미래의 성공에 중요한 역할을 할 것이라는 사실을 알고 먼저 우리 학교를 위한 3D 프린터에 투자했습니다. 오늘날 우리는 적층 제조 분야에서 호황을 누리고 있는 산업을 보고 있으며 엔지니어들은 이제 이러한 기술의 모든 잠재적인 응용 프로그램을 보기 시작했습니다.

교육용 3D 프린팅

현재 유치원에서 고등학교까지 많은 STEM 기반 교과 과정 프로그램이 진행되고 있습니다. 이 때문에 현재 3D 프린터를 마음대로 사용할 수 있는 많은 학교에서 우리처럼 3D 프린터를 사용합니다. 대부분의 학교에서 프로토타이핑, 작은 움직이는 구성 요소, 복잡한 개념 또는 모델의 시각화 등에 사용합니다. 그러나 학교에서 가장 일반적으로 사용되는 재료인 PLA의 한계로 인해 적층 제조의 잠재적 사용은 최소한의 적용 부품으로 제한됩니다. 로딩 조건. 이 때문에 3D 프린팅은 학생들이 개발하는 대부분의 기능적 디자인에 사용되지 않습니다.

교실에서 Markforged Mark Two

이것은 제 학생이 Markforged 슬라이서인 Eiger로 작업한 첫 번째 작업 중 하나였습니다. 그는 사용하는 동안 상당한 양의 흔들림을 견뎌야 하는 2개의 6파운드 배터리용 마운트를 설계하고 있었습니다. 배터리 마운트는 학생들이 만들고 있는 3개의 전투 로봇 중 1개에 사용됩니다. Markforged 3D 프린터를 사용하여 학생과의 대화는 "시간에 가장 적합한 인쇄 방향은 무엇입니까?"에서 전환되었습니다. "강도가 필요한 곳에 섬유를 어떻게 맞추나요?" 거기에서 대화는 "나머지 부품을 충분히 강력하게 만드는 방법은 무엇입니까?"로 이어졌습니다. 그런 다음 섬유가 모든 방향에서 필요한 위치에 배치될 수 있도록 부품을 재설계합니다.

최종 결과는 다음과 같았습니다. 사진의 빨간색 부분은 인쇄가 Mark Two로 이동하기 전에 적합성을 위한 PLA 테스트 인쇄입니다.

일반적으로 우리 반의 한 학생은 이것을 CNC 밀에서 가공하도록 설계했을 것이고 디자인은 크게 다를 것입니다. Markforged 프린터를 사용한 적층 제조의 유연성 덕분에 학생들은 빠르게 설계를 반복하고 밤새 인쇄할 수 있었습니다. 그렇지 않았다면 그들은 단일 부품을 가공하기 위한 도구 및 고정 장치를 설정하는 수업 시간(하루 48분)을 여러 날 보냈을 것입니다. 또한 설계에 문제가 있는 경우 CNC에서 재작업하는 시간이 훨씬 더 길어집니다. 우리는 학생들이 작업할 수 있는 여러 개의 CNC 밀과 선반을 가지고 있어서 운이 좋습니다. 엔지니어링 과정에서 학생들은 기본적인 G&M 프로그래밍과 CAM 소프트웨어를 배웁니다. 그러나 우리는 학생들에게 훨씬 더 깊이 있는 고급 제조를 가르치기 위한 완전히 별도의 코스 세트를 가지고 있습니다. 학생들에게 CNC 밀을 안전하게 작동하는 방법을 교육하는 데 소요되는 시간과 Markforged 프린터를 작동하는 교육에 걸리는 시간을 비교한다면 비교할 수 없습니다. 학교 환경에서 시설 자체도 극복해야 할 큰 도전이 될 수 있으며, 많은 학교에서는 데스크탑 CNC 기계보다 더 큰 것을 수용할 수 없습니다. 데스크탑 공장은 처리할 수 있는 재료 유형에 큰 제한이 있으며 실제 CNC 공장의 비용 및 공간 요구 사항은 Markforged를 교육을 위한 매우 독특한 장소와 기회에 둡니다.

이 두 학생은 로봇용 모터 마운트를 설계하고 있습니다. 부품은 섀시의 구조적 부재와 모터 자체의 견고한 마운트로 사용되기 때문에 견고해야 합니다. 또한 문제 발생 시 모터에 쉽게 접근할 수 있어야 합니다. 그들은 ABS로만 인쇄된 유사한 개념을 시도했지만 결과적으로 매우 빠르게 파손된 부품이 되었습니다. 3개의 CAD 모델과 1개의 유리 섬유 강화 인쇄 후 여기 학생들은 이 모터 마운트의 조립 프로세스와 관련된 예상치 못한 문제로 인해 설계를 변경해야 했습니다. 모터 마운트를 프로토타입 섀시에 설치하려고 했을 때 마운트 전면에 패스너를 설치할 수 없었습니다. Mark Two의 유연성 덕분에 2일의 총 소요 시간으로 두 번째 버전을 인쇄, 테스트 및 재인쇄할 수 있었고, 가해진 힘을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강한 부품을 얻을 수 있었습니다.

배운 교훈 및 앞으로의 발전

우리 교실용 장비를 조사할 때 어려운 선택을 해야 했습니다. 한편으로는 학생들이 원하는 인쇄량을 처리하기 위해 더 많은 3D 프린터가 필요했지만 다른 한편으로는 우리가 했던 것보다 더 많은 것을 밀어내고 싶었습니다. 과거에. 교사로서 저는 기술을 학습의 초점으로 두지 않고 기술 사용에 초점을 맞춘 학습을 합니다. 저는 Markforged를 사용하여 학생들에게 재료 속성에 대해 가르치는 새로운 수업이나 프로젝트를 만들지 않았습니다. 나는 그것을 쉽게 할 수 있었지만 그것은 유기적으로 일어났다. 내가 그들에게 작업한 자료를 말했을 때 학생들은 흥미를 느꼈습니다. 그들은 Kevlar와 Carbon Fiber에 대한 소식을 듣고 믿을 수 없었습니다.

가장 먼저 인쇄한 것 중 하나는 일반 나일론과 기본 유리 섬유로 된 단순한 막대였습니다. 나는 그들에게 슬라이서와 그것이 어떻게 섬유를 구성하는지 보여주었고 그들은 1년 전에 그들이 관성 모멘트에 대해 배우고 샌드위치 패널 접근 방식을 인식했던 PLTW 과정에 즉시 연결했습니다.

그런 다음 학생들은 다양한 재료 특성을 테스트하고 싶었습니다. Markforged 웹 사이트의 재료 테스트 데이터는 훌륭한 도구이지만 학습 중인 학생들에게 데이터를 물리적 경험과 연결하는 것은 이러한 개념을 이해하는 데 도움이 됩니다. 그래서 우리는 더 많은 유리 섬유와 케블라 부품을 인쇄했습니다. 이는 실제 "과학적" 테스트로 이어졌습니다.

위의 부품은 로봇 중 하나의 충격 흡수 브레이스입니다. 학생들은 FEA를 기반으로 한 개념이 실제로 효과가 있는지 확인하기 위해 부분 인쇄를 했습니다.

그들은 물체의 가장자리와 면에 100파운드의 힘으로 FEA를 실행하고 재료를 나일론으로 설정했는데 빨간색 영역에서 가장 높은 응력을 발견했습니다. 그들은 다른 일이 일어나기 전에 그곳에서 박리될 것이라고 생각했습니다.

예상보다 훨씬 더 잘 수행되어 부품을 부수는 데 엄청난 힘이 필요했습니다. 32온스로 8번의 무거운 스윙. 볼펜 망치는 박리와 함께 가장자리에서 실패를 시작했습니다. "테스트"에서 가해진 힘은 FEA에 가해진 힘의 약 5배가 되었고 그 힘에도 불구하고 부품이 원하는 만큼 편향되지 않았습니다. 이것은 그들을 재설계로 이끕니다. 그들은 섬유가 디자인에 얼마나 영향을 미칠지 확신하지 못했고 이 "테스트"를 통해 작업 중인 재료에 대해 훨씬 더 잘 이해할 수 있었습니다. 많은 엔지니어가 매일 이 작업을 수행하지만 고등학생은 디자인에 대한 재료 선택의 의미를 거의 생각하지 않으므로 지금 생각하게 하는 것이 미래에 큰 이점입니다.

학생들은 경험을 통해 재료 특성에 대해 배울 뿐만 아니라 적층 제조를 염두에 두고 설계하는 방법을 배웁니다. 그들은 많은 구성 요소에 패스너를 포함해야 했기 때문에 Markforged 블로그에서 찾은 접근 가능한 내장형 패스너로 설계를 시작했습니다. 이 학생이 작업하고 있는 부분은 외부에서 로봇을 쉽게 분해할 수 있도록 만들어졌기 때문에 캡티브 너트가 필요했습니다. 이것은 부분적으로 이것을 하려는 학생의 첫 번째 시도였으며 결국 성공했습니다.

STEM 교육

교육은 미래에 영향을 미치도록 해야 합니다. 우리가 학생들에게 불가능해 보이는 물체를 만들 수 있는 기술을 제공한다면 학생들에게 더 큰 영향으로 미래에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 부여합니다. CNC, 사출 성형 등이 사라질 것이라는 것은 말할 필요도 없지만 이러한 기술은 잘 확립되어 있어 적층 제조가 현재 가지고 있는 잠재력을 더 이상 보유하지 않습니다.

Mark Two는 학생들이 재료 속성 및 부품 설계에 대한 사고를 확장할 수 있는 방법이었습니다. 학생들을 위한 학습 경험으로서 이것은 적층 제조가 현재 무엇이며 미래에 무엇이 될 것인지에 대한 이해에 완전히 새로운 차원의 복잡성을 제공합니다.

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