Markforged en classe :utilisation de l'impression 3D dans l'enseignement

Note de la rédaction :Alex Larson est professeur de technologie appliquée à l'école secondaire Palatine. Il enseigne les cours Project Lead the Way (PLTW) depuis 9 ans. Project Lead the Way est un programme basé sur les STEM qui est maintenant expérimenté à l'échelle internationale par des élèves allant de la maternelle à la 12e année. Il expose les étudiants à une éducation STEM transversale pour améliorer le taux de réussite des étudiants poursuivant des études dans des domaines liés aux STEM. Les cours qu'il enseigne sont axés sur l'ingénierie.

Dans ma classe, j'utilise l'impression 3D depuis environ 10 ans. Mon district a d'abord investi dans une imprimante 3D pour nos écoles sachant que l'impact sur l'apprentissage des élèves serait déterminant pour leur réussite à l'université et pour leur avenir. Aujourd'hui, nous voyons une industrie en plein essor dans la fabrication additive et les ingénieurs commencent seulement à voir toutes les applications potentielles de ces technologies.

Impression 3D dans l'éducation

Il existe actuellement de nombreux programmes d'études basés sur les STIM qui sont enseignés de la maternelle au lycée. Pour cette raison, de nombreuses écoles qui disposent actuellement d'une imprimante 3D les utilisent un peu comme nous. La plupart des écoles les utilisent pour le prototypage, les petits composants mobiles, la visualisation de concepts ou de modèles complexes, etc. Cependant, en raison des limites du PLA, le matériau le plus couramment utilisé à l'école, toute utilisation potentielle de la fabrication additive est limitée aux pièces qui ont une application minimale. conditions de chargement. Pour cette raison, l'impression 3D n'est pas utilisée dans la plupart des conceptions fonctionnelles que les étudiants développent.

Markforged Mark Two en classe

C'était l'une des premières fois que mon élève travaillait avec la trancheuse Markforged, Eiger. Il concevait un support pour deux batteries de 6 lb qui devraient supporter une quantité importante de secousses pendant leur utilisation. Le support de batterie sera utilisé dans 1 des 3 robots de combat que les élèves construisent. À l'aide de l'imprimante 3D Markforged, la conversation avec l'étudiant est passée de « Quelle est la meilleure orientation d'impression pour le temps ? » à, "Comment puis-je mettre de la fibre là où j'ai besoin de la force?" À partir de là, la conversation a conduit à « comment faire pour que le reste de la pièce soit assez fort ? » Puis dans une refonte de la pièce pour permettre à la fibre d'être placée là où elle devait être dans toutes les directions.

Le résultat final ressemblait à ceci, la partie rouge illustrée est une impression de test PLA pour l'ajustement avant que l'impression ne passe au Mark Two.

En règle générale, un étudiant de ma classe aurait conçu cela pour être usiné sur notre fraiseuse CNC, et la conception serait très différente. La flexibilité de la fabrication additive avec l'imprimante Markforged a permis à l'étudiant d'itérer rapidement la conception et d'imprimer du jour au lendemain. Sinon, ils auraient passé plusieurs jours de cours (48 minutes par jour) à mettre en place l'outillage et le montage pour usiner la pièce unique. De plus, s'il y avait un problème avec la conception, le temps de retravailler sur une CNC est considérablement plus long. Nous avons la chance d'avoir plusieurs fraiseuses et tours CNC avec lesquels nos étudiants peuvent travailler. Dans nos cours d'ingénierie, les étudiants apprennent les bases de la programmation G &M et des logiciels de FAO. Cependant, nous avons un ensemble de cours entièrement distinct pour enseigner aux étudiants la fabrication de pointe de manière beaucoup plus approfondie. Si vous deviez comparer le temps qu'il faut pour former les étudiants à l'utilisation en toute sécurité d'une fraiseuse CNC par rapport à la formation pour utiliser l'imprimante Markforged, il n'y a tout simplement pas de comparaison. Dans un cadre scolaire, les installations elles-mêmes peuvent également être un défi de taille à relever, de nombreuses écoles ne peuvent tout simplement pas abriter quoi que ce soit de plus grand qu'une machine CNC de bureau. Les usines de bureau ont de grandes limitations sur les types de matériaux qu'elles peuvent traiter et les coûts et les exigences d'espace d'une véritable usine CNC placent le Markforged dans un endroit et une opportunité d'éducation tout à fait uniques.

Ces deux étudiants conçoivent un support moteur pour leur robot. La pièce doit être solide car elle sera utilisée comme élément structurel du châssis et comme support solide pour le moteur lui-même. Le moteur doit également être facilement accessible en cas de problème. Ils ont tenté un concept similaire imprimé uniquement en ABS et il en a résulté une pièce cassée très rapidement. Après trois modèles CAO et une impression renforcée de fibre de verre, les étudiants ici ont dû modifier la conception en raison de défis imprévus liés au processus d'assemblage de ce support de moteur. Lorsqu'ils sont allés installer le support de moteur dans le châssis prototypé, ils n'ont pas pu installer la fixation à l'avant du support. La flexibilité du Mark Two leur a permis d'imprimer, de tester et de réimprimer la deuxième version avec un délai d'exécution total de 2 jours et d'obtenir une pièce suffisamment solide pour supporter les forces appliquées.

Leçons apprises et aller de l'avant

Lors de la recherche d'équipements pour notre salle de classe, nous avons dû faire un choix difficile, d'une part nous avions besoin de plus d'imprimantes 3D juste pour gérer la quantité d'impressions que les étudiants voulaient faire, mais d'autre part nous voulions pousser les choses plus loin que nous ne l'avons fait. dans le passé. En tant qu'enseignant, je ne mets pas la technologie au centre de l'apprentissage, mais l'apprentissage axé sur l'utilisation de la technologie. Je n'ai pas créé de nouvelles leçons ou de nouveaux projets utilisant uniquement Markforged pour enseigner aux étudiants les propriétés des matériaux. J'aurais pu facilement le faire, mais c'est arrivé de manière organique. L'intérêt des élèves s'est éveillé lorsque je leur ai indiqué les matériaux avec lesquels cela fonctionnait. Ils étaient incrédules en entendant parler du Kevlar et de la fibre de carbone.

L'une des premières choses que nous avons imprimées était une simple barre, simplement en nylon et une avec de la fibre de verre par défaut. Je leur ai montré la trancheuse et comment elle mettait en place la fibre et ils l'ont immédiatement liée au cours PLTW qu'ils ont suivi l'année précédente, où ils ont découvert Moment of Inertia et reconnu l'approche du panneau sandwich.

Les étudiants ont ensuite voulu tester différentes propriétés des matériaux. Les données de test de matériaux du site Web Markforged sont un excellent outil, mais pour les étudiants qui apprennent, lier les données à une expérience physique est déterminant pour leur compréhension de ces concepts. Nous avons donc imprimé plus de pièces en fibre de verre et en Kevlar. Cela a conduit à de véritables tests « scientifiques ».

La partie ci-dessus est une attelle absorbant les chocs pour l'un des robots. Les étudiants en ont fait une impression partielle pour voir si le concept fonctionnait dans la pratique comme ils l'espéraient en se basant sur la FEA qu'ils ont fait.

Ils ont exécuté FEA avec une force de cent livres sur le bord et la face de l'objet et ont défini le matériau en nylon, ils ont trouvé la contrainte la plus élevée dans la zone rouge. Ils pensaient qu'il se délaminerait là-bas avant que quoi que ce soit d'autre ne lui arrive.

Il a fonctionné bien mieux qu'ils ne l'avaient prévu, si bien qu'il a fallu une force insensée pour casser la pièce. Huit balançoires lourdes avec un 32 oz. le marteau à panne ronde a déclenché la défaillance sur le bord avec délaminage. La force appliquée dans le « test » a fini par être environ cinq fois supérieure à la force qu'ils ont appliquée à la FEA et la pièce n'a pas dévié autant qu'ils le voulaient, même avec cette force. Cela les a conduits à une refonte. Ils ne savaient pas dans quelle mesure la fibre aurait un impact sur la conception, et avec ce « test », ils ont développé une bien meilleure compréhension du matériau avec lequel ils travaillaient. Alors que de nombreux ingénieurs font cela quotidiennement, les lycéens pensent rarement aux implications du choix des matériaux pour la conception, donc les faire réfléchir maintenant est un grand avantage pour eux dans leur avenir.

Les étudiants apprennent non seulement les propriétés des matériaux par l'expérience, mais apprennent également à concevoir en gardant à l'esprit la fabrication additive. Ils avaient besoin d'inclure des attaches dans bon nombre de leurs composants, ils ont donc commencé à concevoir avec des attaches accessibles et intégrées - quelque chose qu'ils ont trouvé ici sur le blog Markforged. La pièce sur laquelle travaille cet étudiant a été conçue pour faciliter le démontage d'un robot de l'extérieur, c'est pourquoi l'écrou captif était nécessaire. Il s'agissait de la première tentative de l'étudiant de faire cela dans une partie et à la fin a été un succès.

Éducation STIM

L'éducation doit chercher à influencer l'avenir. Si nous fournissons aux étudiants des technologies capables de fabriquer des objets apparemment impossibles, nous leur donnons le potentiel d'influencer l'avenir avec un plus grand impact. Cela ne veut pas dire que la CNC, le moulage par injection, etc. vont disparaître, mais ces technologies sont bien établies et n'ont plus le potentiel de la fabrication additive.

Le Mark Two a été un moyen pour mes étudiants d'élargir leur réflexion sur les propriétés des matériaux et la conception de pièces. En tant qu'expérience d'apprentissage pour les étudiants, il apporte un tout nouveau niveau de complexité à leur compréhension de ce qu'est la fabrication additive aujourd'hui et de ce qu'elle sera à l'avenir.

Vous pensez qu'une imprimante Markforged serait un bon atout pour votre classe ? Demandez une démo aujourd'hui.