Ditandai di Kelas:Menggunakan Pencetakan 3D dalam Pendidikan

Catatan Editor:Alex Larson adalah guru Teknologi Terapan di SMA Palatine. Ia telah mengajar mata kuliah Project Lead the Way (PLTW) selama 9 tahun. Project Lead the Way merupakan kurikulum berbasis STEM yang kini telah dialami secara internasional oleh siswa mulai dari Taman Kanak-Kanak hingga kelas 12. Ini menghadapkan siswa ke pendidikan STEM lintas kurikuler untuk meningkatkan tingkat keberhasilan siswa mengejar pendidikan di bidang terkait STEM. Kursus yang dia ajarkan berfokus pada teknik.

Di kelas saya, saya telah menggunakan pencetakan 3D selama sekitar 10 tahun. Distrik saya pertama kali berinvestasi dalam printer 3D untuk sekolah kami karena mengetahui bahwa dampak pada pembelajaran siswa akan berperan penting dalam kesuksesan mereka melalui perguruan tinggi dan di masa depan mereka. Saat ini, kita melihat industri yang berkembang pesat di bidang manufaktur aditif dan para insinyur sekarang baru mulai melihat semua aplikasi potensial untuk teknologi ini.

Pencetakan 3D dalam Pendidikan

Ada banyak program kurikuler berbasis STEM yang saat ini diajarkan dari Taman Kanak-kanak hingga Sekolah Menengah Atas. Karena itu, banyak sekolah yang saat ini memiliki printer 3D yang menggunakannya seperti kami. Sebagian besar sekolah menggunakannya untuk pembuatan prototipe, komponen bergerak kecil, visualisasi konsep atau model yang kompleks, dll. Namun karena keterbatasan PLA, bahan yang paling umum digunakan di sekolah, potensi penggunaan manufaktur aditif terbatas pada bagian yang memiliki penerapan minimal kondisi pemuatan. Karena itu, pencetakan 3D tidak digunakan di sebagian besar desain fungsional yang dikembangkan siswa.

Menandai Tanda Dua di Kelas

Ini adalah pertama kalinya siswa saya bekerja dengan alat pengiris Markforged, Eiger. Dia sedang merancang dudukan untuk dua baterai seberat 6 pon yang harus menahan guncangan yang signifikan saat digunakan. Dudukan baterai akan digunakan di 1 dari 3 robot tempur yang sedang dibuat siswa. Menggunakan printer 3D Markforged, percakapan dengan siswa beralih dari, “Apa orientasi cetak terbaik untuk waktu?” ke, "Bagaimana cara memasang serat di tempat yang saya butuhkan kekuatannya?" Dari sana percakapan mengarah ke "bagaimana saya membuat sisa bagian menjadi cukup kuat?" Kemudian desain ulang bagian tersebut untuk memungkinkan serat ditempatkan di tempat yang seharusnya di segala arah.

Hasil akhirnya terlihat seperti ini, bagian merah yang difoto adalah cetakan uji PLA untuk fit sebelum cetakan masuk ke Tanda Dua.

Biasanya, seorang siswa di kelas saya akan merancang ini untuk dikerjakan di pabrik CNC kami, dan desainnya akan terlihat sangat berbeda. Fleksibilitas manufaktur aditif dengan printer Markforged memungkinkan siswa untuk beralih pada desain dengan cepat dan mencetak dalam semalam. Jika tidak, mereka akan menghabiskan beberapa hari waktu kelas (48 menit sehari) untuk menyiapkan perkakas dan pemasangan untuk mengerjakan satu bagian. Selain itu, jika ada masalah dengan desain, waktu pengerjaan ulang pada CNC jauh lebih lama. Kami beruntung memiliki beberapa pabrik CNC dan mesin bubut untuk dikerjakan oleh siswa kami. Dalam kursus teknik kami, siswa belajar pemrograman dasar G &M dan perangkat lunak CAM. Namun, kami memiliki rangkaian kursus yang sepenuhnya terpisah untuk mengajar siswa manufaktur tingkat lanjut dengan lebih mendalam. Jika Anda membandingkan waktu yang diperlukan untuk melatih siswa cara mengoperasikan pabrik CNC dengan aman vs. pelatihan untuk mengoperasikan printer Markforged, tidak ada perbandingan. Di lingkungan sekolah, fasilitas itu sendiri dapat menjadi tantangan besar yang harus diatasi juga, banyak sekolah tidak dapat menampung sesuatu yang lebih besar dari mesin CNC desktop. Pabrik desktop memiliki batasan besar pada jenis bahan apa yang dapat mereka proses dan persyaratan biaya dan ruang dari pabrik CNC nyata menempatkan Markforged di tempat dan peluang yang sangat unik untuk pendidikan.

Kedua mahasiswa ini sedang merancang sebuah motor mount untuk robot mereka. Bagian harus kuat karena akan digunakan sebagai anggota struktural sasis dan dudukan yang kokoh untuk motor itu sendiri. Motor juga harus mudah diakses jika ada masalah. Mereka mencoba konsep serupa yang dicetak hanya dari ABS dan menghasilkan bagian yang sangat cepat rusak. Setelah tiga model CAD dan satu cetakan yang diperkuat fiberglass, para siswa di sini harus melakukan perubahan desain karena tantangan yang tidak terduga dengan proses perakitan dudukan motor ini. Ketika mereka pergi untuk memasang dudukan motor ke dalam sasis prototipe, mereka tidak dapat memasang pengikat di bagian depan dudukan. Fleksibilitas Mark Two memungkinkan mereka untuk mencetak, menguji, dan mencetak ulang versi kedua dengan total waktu penyelesaian 2 hari dan menghasilkan bagian yang cukup kuat untuk menahan gaya yang diterapkan.

Pelajaran yang Dipetik dan Maju

Ketika melihat peralatan untuk kelas kami, kami harus membuat pilihan yang sulit, di satu sisi kami membutuhkan lebih banyak printer 3D hanya untuk menangani jumlah cetakan yang ingin dilakukan siswa, tetapi di sisi lain kami ingin mendorong lebih jauh daripada yang kami lakukan di masa lalu. Sebagai seorang guru, saya tidak menjadikan teknologi sebagai fokus pembelajaran, tetapi pembelajaran berfokus pada pemanfaatan teknologi. Saya tidak membuat pelajaran atau proyek baru yang hanya menggunakan Markforged untuk mengajar siswa tentang sifat material. Saya bisa dengan mudah melakukan itu, tetapi itu terjadi secara organik. Minat siswa tergugah ketika saya memberi tahu mereka materi yang digunakannya. Mereka tidak percaya setelah mendengar tentang Kevlar dan Carbon Fiber.

Salah satu hal pertama yang kami cetak adalah batang sederhana, hanya nilon polos dan satu dengan fiberglass standar. Saya menunjukkan alat pengiris dan cara memasang fiber dan mereka segera mengikatnya ke kursus PLTW yang mereka ambil tahun sebelumnya di mana mereka belajar tentang Momen Inersia dan mengenali pendekatan panel sandwich.

Para siswa kemudian ingin menguji sifat material yang berbeda. Data pengujian materi dari situs web Markforged adalah alat yang hebat, tetapi bagi siswa yang sedang belajar, mengaitkan data dengan pengalaman fisik sangat penting dalam pemahaman mereka tentang konsep-konsep ini. Jadi kami mencetak lebih banyak bagian fiberglass dan Kevlar. Ini mengarah pada beberapa pengujian "Ilmiah" yang nyata.

Bagian di atas adalah penyangga penyerap benturan untuk salah satu robot. Siswa mencetak sebagian untuk melihat apakah konsep tersebut bekerja dalam praktik seperti yang mereka harapkan berdasarkan FEA yang mereka lakukan.

Mereka menjalankan FEA dengan kekuatan seratus pon di tepi dan wajah objek dan mengatur bahannya sebagai nilon, mereka menemukan tekanan tertinggi di area merah. Mereka pikir itu akan terdelaminasi di sana sebelum hal lain terjadi padanya.

Performanya jauh lebih baik daripada yang mereka perkirakan, sangat baik sehingga butuh kekuatan gila untuk memecahkan bagian itu. Delapan ayunan berat dengan 32 oz. palu bola peen memulai kegagalan di tepi dengan delaminasi. Kekuatan yang diterapkan dalam "pengujian" akhirnya menjadi sekitar lima kali jumlah kekuatan yang mereka berikan ke FEA dan bagian itu tidak membelokkan sebanyak yang mereka inginkan bahkan dengan jumlah kekuatan itu. Ini membawa mereka ke desain ulang. Mereka tidak yakin seberapa besar serat akan memengaruhi desain, dan dengan "tes" ini, mereka mengembangkan pemahaman yang jauh lebih baik tentang materi yang mereka kerjakan. Sementara banyak insinyur melakukan ini setiap hari, siswa sekolah menengah jarang memikirkan implikasi dari pilihan material untuk desain, jadi membuat mereka memikirkannya sekarang adalah manfaat besar bagi mereka di masa depan.

Para siswa tidak hanya belajar tentang sifat material melalui pengalaman, tetapi juga belajar bagaimana merancang dengan mempertimbangkan manufaktur aditif. Mereka perlu menyertakan pengencang di banyak komponen mereka, jadi mereka mulai mendesain dengan pengencang yang dapat diakses dan disematkan – sesuatu yang mereka temukan di sini di Blog Markforged. Bagian yang sedang dikerjakan siswa ini dibuat untuk memudahkan pembongkaran robot dari luar, oleh karena itu diperlukan captive nut. Ini adalah upaya pertama siswa untuk melakukan ini sebagian dan pada akhirnya berhasil.

Pendidikan STEM

Pendidikan harus melihat untuk mempengaruhi masa depan. Jika kami memberi siswa teknologi yang mampu membuat objek yang tampaknya mustahil, kami memberi mereka potensi untuk memengaruhi masa depan dengan dampak yang lebih besar. Bukan untuk mengatakan bahwa CNC, injection moulding, dll. akan hilang, tetapi teknologi tersebut sudah mapan dan tidak lagi memiliki potensi seperti manufaktur aditif sekarang.

Tanda Dua telah menjadi cara bagi siswa saya untuk memperluas pemikiran mereka dalam sifat material dan desain bagian. Sebagai pengalaman belajar bagi siswa, ini membawa tingkat kerumitan yang sama sekali baru dalam pemahaman mereka tentang apa itu manufaktur aditif sekarang dan apa yang akan terjadi di masa depan.

Pikirkan printer Markforged akan menjadi aset yang baik untuk kelas Anda? Minta demo hari ini.