Markforged im Klassenzimmer:Einsatz von 3D-Druck im Bildungswesen

Anmerkung der Redaktion:Alex Larson ist Lehrer für angewandte Technologie an der Palatine High School. Er unterrichtet seit 9 Jahren Project Lead the Way (PLTW) Kurse. Project Lead the Way ist ein MINT-basierter Lehrplan, der jetzt von Schülern vom Kindergarten bis zur 12. Klasse international erfahren wird. Es ermöglicht den Schülern eine fächerübergreifende MINT-Ausbildung, um die Erfolgsquote von Schülern zu verbessern, die eine Ausbildung in MINT-bezogenen Bereichen absolvieren. Die Kurse, die er unterrichtet, konzentrieren sich auf Ingenieurwissenschaften.

In meinem Klassenzimmer nutze ich den 3D-Druck erst seit etwa 10 Jahren. Mein Distrikt investierte zuerst in einen 3D-Drucker für unsere Schulen in dem Wissen, dass die Auswirkungen auf das Lernen der Schüler für ihren Erfolg während des Studiums und für ihre Zukunft entscheidend sein würden. Heute sehen wir eine boomende Industrie in der additiven Fertigung und Ingenieure erkennen erst jetzt alle möglichen Anwendungen dieser Technologien.

3D-Druck im Bildungswesen

Es gibt viele MINT-basierte Lehrpläne, die derzeit vom Kindergarten bis zur Oberstufe unterrichtet werden. Aus diesem Grund verwenden viele Schulen, die derzeit über einen 3D-Drucker verfügen, diesen ähnlich wie wir. Die meisten Schulen verwenden sie für Prototypenbau, kleine bewegliche Komponenten, Visualisierung komplexer Konzepte oder Modelle usw. Aufgrund der Einschränkungen von PLA, dem am häufigsten verwendeten Material in Schulen, ist jedoch jede potenzielle Verwendung der additiven Fertigung auf Teile beschränkt, die nur minimal verwendet werden Ladebedingungen. Aus diesem Grund wird der 3D-Druck in den meisten funktionalen Designs, die Studenten entwickeln, nicht verwendet.

Markforged Mark Two im Klassenzimmer

Dies war das erste Mal, dass mein Schüler mit dem Markforged-Slicer Eiger arbeitete. Er entwarf eine Halterung für zwei 6-Pfund-Batterien, die während des Gebrauchs erheblichen Erschütterungen standhalten müssen. Die Batteriehalterung wird in 1 von 3 Kampfrobotern verwendet, die die Schüler bauen. Mit dem Markforged 3D-Drucker verlagerte sich das Gespräch mit dem Studenten von „Was ist die beste Druckorientierung für die Zeit?“ zu:„Wie bringe ich Fasern dort an, wo ich die Kraft brauche?“ Von da an führte das Gespräch zu „Wie bekomme ich den Rest des Teils, um stark genug zu sein?“ Dann in eine Neukonstruktion des Teils, damit die Faser in alle Richtungen dort platziert werden kann, wo sie sein sollte.

Das Endergebnis sah so aus, der abgebildete rote Teil ist ein PLA-Testdruck für die Passform, bevor der Druck an die Mark Two ging.

Normalerweise hätte ein Student in meiner Klasse dies für die Bearbeitung auf unserer CNC-Fräse entworfen, und das Design würde völlig anders aussehen. Die Flexibilität der additiven Fertigung mit dem Markforged-Drucker ermöglichte es dem Studenten, das Design schnell zu wiederholen und über Nacht zu drucken. Andernfalls hätten sie mehrere Unterrichtstage (48 Minuten pro Tag) damit verbracht, Werkzeuge und Vorrichtungen für die Bearbeitung des einzelnen Teils einzurichten. Außerdem dauert die Überarbeitung einer CNC bei Konstruktionsproblemen deutlich länger. Wir haben das Glück, dass unsere Schüler mit mehreren CNC-Fräsen und -Drehmaschinen arbeiten können. In unseren Ingenieurstudiengängen lernen die Studierenden grundlegende G&M-Programmierung und CAM-Software. Wir haben jedoch ein völlig separates Kursangebot, um Studenten die fortschrittliche Fertigung in viel tieferer Tiefe zu unterrichten. Vergleicht man die Zeit, die benötigt wird, um Studenten in die sichere Bedienung einer CNC-Fräse zu schulen, mit der Schulung zur Bedienung des Markforged-Druckers, gibt es einfach keinen Vergleich. In einer Schulumgebung können auch die Einrichtungen selbst eine große Herausforderung sein. Viele Schulen können einfach nichts Größeres als eine Desktop-CNC-Maschine unterbringen. Desktop-Fräsmaschinen haben große Einschränkungen hinsichtlich der Art von Materialien, die sie verarbeiten können, und die Kosten und der Platzbedarf einer echten CNC-Fräse machen die Markforged zu einem einzigartigen Ort und einer einzigartigen Gelegenheit zur Ausbildung.

Diese beiden Studenten entwerfen eine Motorhalterung für ihren Roboter. Das Teil muss stark sein, da es als tragendes Element des Chassis und als solide Halterung für den Motor selbst verwendet wird. Der Motor muss auch bei Problemen leicht zugänglich sein. Sie versuchten ein ähnliches Konzept, das nur aus ABS gedruckt wurde, und es resultierte sehr schnell in einem kaputten Teil. Nach drei CAD-Modellen und einem glasfaserverstärkten Druck mussten die Studenten hier aufgrund unvorhergesehener Herausforderungen beim Montageprozess dieser Motorhalterung eine Änderung im Design vornehmen. Als sie die Motorhalterung in das prototypische Chassis einbauen wollten, konnten sie das Befestigungselement nicht an der Vorderseite der Halterung installieren. Die Flexibilität des Mark Two ermöglichte es ihnen, die zweite Version mit einer Gesamtdurchlaufzeit von 2 Tagen zu drucken, zu testen und nachzudrucken und ein Teil zu erhalten, das stark genug ist, um die aufgebrachten Kräfte zu halten.

Gelernte Lektionen und Fortschritte

Bei der Suche nach Geräten für unser Klassenzimmer mussten wir eine schwierige Entscheidung treffen. Einerseits brauchten wir mehr 3D-Drucker, nur um die Menge an Drucken zu bewältigen, die die Schüler machen wollten, aber andererseits wollten wir die Dinge weiter vorantreiben als wir es getan haben in der Vergangenheit. Als Lehrer stelle ich nicht die Technologie in den Mittelpunkt des Lernens, sondern das Lernen konzentriert sich auf den Einsatz von Technologie. Ich habe keine neuen Lektionen oder Projekte erstellt, die ausschließlich das Markforged verwenden, um Schüler über Materialeigenschaften zu unterrichten. Ich hätte das leicht tun können, aber es geschah organisch. Das Interesse der Schüler war geweckt, als ich ihnen die Materialien erzählte, mit denen es funktionierte. Sie waren ungläubig, als sie von Kevlar und Kohlefaser hörten.

Eines der ersten Dinge, die wir gedruckt haben, war eine einfache Leiste, nur einfaches Nylon und eine mit Standard-Glasfaser. Ich zeigte ihnen den Slicer und wie er die Glasfaser einrichtet und sie verbanden ihn sofort mit dem PLTW-Kurs, den sie im Jahr zuvor besucht hatten, in dem sie etwas über das Trägheitsmoment erfuhren und den Sandwich-Paneel-Ansatz erkannten.

Anschließend wollten die Studenten verschiedene Materialeigenschaften testen. Die Materialprüfungsdaten von der Markforged-Website sind ein großartiges Werkzeug, aber für Schüler, die lernen, ist die Verknüpfung der Daten mit einer physischen Erfahrung entscheidend für ihr Verständnis dieser Konzepte. Also haben wir mehr Fiberglas- und Kevlar-Teile gedruckt. Dies führte zu einigen echten "wissenschaftlichen" Tests.

Das obige Teil ist eine stoßdämpfende Stütze für einen der Roboter. Die Schüler machten einen Teildruck davon, um zu sehen, ob das Konzept in der Praxis so funktionierte, wie sie es sich erhofft hatten, basierend auf der FEA, die sie taten.

Sie führten FEA mit einer Kraft von hundert Pfund auf die Kante und die Vorderseite des Objekts und legten das Material als Nylon fest, sie fanden die höchste Belastung im roten Bereich. Sie dachten, es würde sich dort ablösen, bevor etwas anderes passiert.

Es funktionierte viel besser, als sie erwartet hatten, so gut, dass es eine wahnsinnige Kraft erforderte, das Teil zu zerbrechen. Acht schwere Schwünge mit 32 oz. Kugelhämmer begann das Versagen am Rand mit Delamination. Die beim „Test“ aufgebrachte Kraft betrug am Ende etwa das Fünffache der Kraft, die sie in die FEM einbrachten, und das Teil verformte sich selbst bei dieser Kraft nicht so stark, wie sie es wollten. Dies führte zu einem Redesign. Sie waren sich nicht sicher, wie stark sich die Faser auf das Design auswirken würde, und entwickelten mit diesem „Test“ ein viel besseres Verständnis für das Material, mit dem sie arbeiteten. Während viele Ingenieure dies täglich tun, denken Gymnasiasten selten über die Auswirkungen der Materialwahl auf das Design nach. Daher ist es für sie in Zukunft ein großer Vorteil, sie jetzt dazu zu bringen, darüber nachzudenken.

Die Studierenden lernen nicht nur Materialeigenschaften durch Erfahrung kennen, sondern lernen auch, mit Blick auf die additive Fertigung zu konstruieren. Sie mussten Befestigungselemente in viele ihrer Komponenten integrieren, also begannen sie mit zugänglichen und eingebetteten Befestigungselementen – etwas, das sie hier im Markforged-Blog fanden. Das Teil, an dem der Student arbeitet, wurde für die einfache Demontage eines Roboters von außen entwickelt, weshalb die unverlierbare Mutter benötigt wurde. Dies war der erste Versuch des Schülers, dies teilweise zu tun, und am Ende war es ein Erfolg.

MINT-Bildung

Bildung sollte die Zukunft beeinflussen. Wenn wir Studenten Technologien zur Verfügung stellen, die scheinbar unmögliche Objekte herstellen können, geben wir ihnen das Potenzial, die Zukunft mit größerer Wirkung zu beeinflussen. Um nicht zu sagen, dass CNC, Spritzguss usw. jemals verschwinden werden, aber diese Technologien sind gut etabliert und haben nicht mehr das Potenzial, das die additive Fertigung heute bietet.

Der Mark Two war für meine Studenten eine Möglichkeit, ihr Denken in Bezug auf Materialeigenschaften und Teiledesign zu erweitern. Als Lernerfahrung für Studenten bringt es eine ganz neue Komplexität in ihr Verständnis davon, was additive Fertigung heute ist und was es in Zukunft sein wird.

Denken Sie, dass ein Markforged-Drucker eine gute Bereicherung für Ihr Klassenzimmer wäre? Fordern Sie noch heute eine Demo an.