Markforged in the Classroom:Usando a impressão 3D na educação

Nota do Editor:Alex Larson é um professor de Tecnologia Aplicada na Palatine High School. Ele tem ministrado cursos de Project Lead the Way (PLTW) por 9 anos. O Projeto Lead the Way é um currículo baseado em STEM que agora é experimentado internacionalmente por alunos do jardim de infância ao 12º ano. Ele expõe os alunos à educação transversal de STEM para melhorar a taxa de sucesso de alunos que buscam uma educação em campos relacionados a STEM. Os cursos que ele ministra se concentram em engenharia.


Na minha sala de aula, uso a impressão 3D há cerca de 10 anos. Meu distrito primeiro investiu em impressoras 3D para nossas escolas, sabendo que o impacto no aprendizado dos alunos seria fundamental para o sucesso deles na faculdade e no futuro. Hoje, vemos uma indústria em expansão na manufatura aditiva e os engenheiros agora estão apenas começando a ver todas as aplicações potenciais para essas tecnologias.

Impressão 3D na educação

Existem muitos programas curriculares baseados em STEM sendo ministrados desde o jardim de infância até o ensino médio. Por isso, muitas escolas que atualmente têm uma impressora 3D à disposição as utilizam de maneira muito semelhante a nós. A maioria das escolas os usa para prototipagem, pequenos componentes móveis, visualização de conceitos ou modelos complexos, etc. No entanto, devido às limitações do PLA, o material mais comumente usado na escola, qualquer uso potencial de manufatura aditiva é limitado a peças com aplicação mínima condições de carregamento. Por causa disso, a impressão 3D não é usada na maioria dos projetos funcionais desenvolvidos pelos alunos.

Markforged Mark Two in Classroom

Esta foi uma das primeiras vezes que meu aluno trabalhou com o fatiador Markforged, Eiger. Ele estava projetando um suporte para duas baterias de 6 libras que teriam de suportar uma quantidade significativa de choques durante o uso. A montagem da bateria será usada em 1 dos 3 robôs de combate que os alunos estão construindo. Usando a impressora 3D Markforged, a conversa com o aluno mudou de "Qual é a melhor orientação de impressão para o tempo?" a, “Como faço para encaixar fibra onde preciso de resistência?” A partir daí, a conversa levou a "como faço para que o resto da parte seja forte o suficiente?" Em seguida, faça um redesenho da peça para permitir que a fibra seja colocada onde deveria estar em todas as direções.


O resultado final ficou assim, a parte vermelha retratada é uma impressão de teste PLA para ajuste antes de a impressão ir para o Mark Two.

Normalmente, um aluno da minha classe teria projetado isso para ser usinado em nossa fresadora CNC, e o projeto seria totalmente diferente. A flexibilidade da manufatura aditiva com a impressora Markforged permitiu que o aluno repetisse o design rapidamente e imprimisse durante a noite. Caso contrário, eles teriam passado vários dias de aula (48 minutos por dia) configurando ferramentas e acessórios para usinar a peça única. Além disso, se houver um problema com o projeto, o tempo de retrabalho em um CNC é significativamente mais longo. Temos a sorte de ter várias fresas CNC e tornos para nossos alunos trabalharem. Em nossos cursos de engenharia, os alunos aprendem programação G&M básica e software CAM. No entanto, temos um conjunto totalmente separado de cursos para ensinar aos alunos manufatura avançada com muito mais profundidade. Se você fosse comparar o tempo que leva para treinar os alunos como operar com segurança uma fresadora CNC com o treinamento para operar a impressora Markforged, simplesmente não há comparação. Em um ambiente escolar, as próprias instalações também podem ser um grande desafio, muitas escolas simplesmente não podem abrigar nada maior do que uma máquina CNC de mesa. As fresadoras de mesa têm grandes limitações quanto aos tipos de materiais que podem processar e os requisitos de custo e espaço de uma fresadora CNC real colocam o Markforged em um lugar e uma oportunidade única para a educação.

Esses dois alunos estão projetando um suporte de motor para seu robô. A peça tem que ser forte, pois será usada como um membro estrutural do chassi e uma montagem sólida para o próprio motor. O motor também deve ser facilmente acessível em caso de quaisquer problemas. Eles tentaram um conceito semelhante impresso apenas em ABS e resultou em uma peça quebrada muito rapidamente. Após três modelos CAD e uma impressão reforçada com fibra de vidro, os alunos aqui tiveram que fazer uma mudança no design devido a desafios imprevistos com o processo de montagem deste suporte de motor. Quando eles foram instalar o suporte do motor no chassi prototipado, eles não puderam instalar o fixador na frente do suporte. A flexibilidade do Mark Two tornou possível para eles imprimir, testar e reimprimir a segunda versão com um tempo de resposta total de 2 dias e resultar em uma peça que é forte o suficiente para suportar as forças aplicadas.

Lições aprendidas e seguindo em frente

Ao analisar o equipamento para nossa sala de aula, tivemos que fazer uma escolha difícil, por um lado, precisávamos de mais impressoras 3D apenas para lidar com a quantidade de impressões que os alunos queriam fazer, mas por outro lado, queríamos ir mais longe do que fizemos no passado. Como professor, eu não faço da tecnologia o foco do aprendizado, mas o aprendizado focado no uso da tecnologia. Eu não criei novas aulas ou projetos que usem exclusivamente o Markforged para ensinar os alunos sobre as propriedades do material. Eu poderia ter feito isso facilmente, mas aconteceu organicamente. O interesse dos alunos aumentou quando lhes contei os materiais com os quais funcionava. Eles não acreditaram ao ouvir sobre o Kevlar e a fibra de carbono.


Uma das primeiras coisas que imprimimos foi uma barra simples, apenas de náilon comum e outra com fibra de vidro padrão. Mostrei a eles o fatiador e como ele configurava a fibra e eles imediatamente o vincularam ao curso PLTW que fizeram no ano anterior, onde aprenderam sobre o momento de inércia e reconheceram a abordagem do painel sanduíche.

Os alunos então queriam testar diferentes propriedades do material. Os dados de teste de material do site Markforged são uma ótima ferramenta, mas para os alunos que estão aprendendo, vincular os dados a uma experiência física é fundamental para a compreensão desses conceitos. Então imprimimos mais peças de fibra de vidro e Kevlar. Isso levou a alguns testes “científicos” reais.

A parte acima é uma cinta de absorção de impacto para um dos robôs. Os alunos fizeram uma impressão parcial dele para ver se o conceito funcionava na prática como eles esperavam, com base na FEA que eles fizeram.

Eles executaram FEA com cem libras de força na borda e na face do objeto e definiram o material como náilon, eles encontraram a maior tensão na área vermelha. Eles pensaram que iria delaminar lá antes que qualquer outra coisa acontecesse com ele.

O desempenho era muito melhor do que eles esperavam, tão bem que foi necessária uma força absurda para quebrar a peça. Oito balanços pesados ​​com um peso de 32 onças. o martelo de ponta esférica iniciou a falha na borda com delaminação. A força aplicada no “teste” acabou sendo cerca de cinco vezes a quantidade de força que eles colocaram no FEA e a peça não desviou tanto quanto eles gostariam, mesmo com aquela quantidade de força. Isso os levou a um redesenho. Eles não tinham certeza de quanto a fibra afetaria o design e, com esse “teste”, desenvolveram uma compreensão muito melhor do material com o qual estavam trabalhando. Embora muitos engenheiros façam isso diariamente, os alunos do ensino médio raramente pensam nas implicações da escolha do material para o design, portanto, fazê-los pensar sobre isso agora é um grande benefício para eles no futuro.


Os alunos não estão apenas aprendendo sobre as propriedades dos materiais por meio da experiência, mas também como projetar com a manufatura aditiva em mente. Eles precisavam incluir fasteners em muitos de seus componentes, então começaram a projetar com fasteners acessíveis e incorporados - algo que encontraram aqui no Markforged Blog. A parte em que este aluno está trabalhando foi feita para facilitar a desmontagem de um robô por fora, por isso a porca cativa foi necessária. Esta foi a primeira tentativa do aluno de fazer isso em uma peça e no final foi um sucesso.

Educação STEM

A educação deve procurar influenciar o futuro. Se fornecermos aos alunos tecnologias que são capazes de fazer objetos aparentemente impossíveis, damos a eles o potencial de influenciar o futuro com um impacto maior. Não quer dizer que CNC, moldagem por injeção, etc. irão desaparecer, mas essas tecnologias estão bem estabelecidas e não têm mais o potencial que a manufatura aditiva tem agora.


O Mark Two tem sido uma forma de meus alunos expandirem seu pensamento em propriedades materiais e design de peças. Como uma experiência de aprendizado para os alunos, ela traz um nível totalmente novo de complexidade para a compreensão do que é a manufatura aditiva agora e o que será no futuro.


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