Пълен STEAM напред! до безкрайност и отвъд: 11 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Сътрудничество между Алисия Блейки и Ванеса Краузе

Кой, по дяволите, е Фибоначи?

Въз основа на дизайна на Алисия (вложените планетарни предавки) решихме да си сътрудничим, за да се опитаме да създадем работеща система от зъбни колела, която може да се показва в изправено положение. В идеалния случай искаме нашата публика да се чувства комфортно и принудена да взаимодейства с този дизайн. Използвайки различни методи, описани в този документ, ние ще говорим за процеса на проектиране и за това как се борихме с математическите проблеми, логиката и избора на материал.

Bin-it

Привличане на нашите математически склонни братя и сестри да помогнат: Брат ми Джоуи ми изпрати формулата на Бине… без обяснение как да я използвам. Когато му изпратих текстово съобщение и казах „Здравей Джоуи, би ли ми обяснил?“на което той отговори: „Коя част?“

Тъй като нямам абсолютно никаква математическа склонност, помолихме брата на Алисия Мерик да обясни как формулата може да се приложи, за да се направят зъбните колела. Той прекара около десет минути в решаването му, отговори с „да, работи“и след това каза „трябва да тръгвам“и ни остави без отговори и без преведена формула.

Прекарахме още 30 минути в търсене на отговор на нашето запитване …

Интернет има отговори

За да надскочим бариерата Binet, решихме да ровим из интернет за отговори и предложения за решаване на нашата загадка. Открихме няколко сайта, които могат да създават съвместими съоръжения.

Някои от тези сайтове са:

Gear генератор планетарен

Gear Catalyst

След като разполагахме с тези генератори на зъбни колела, за да помогнем с математическите аспекти на този проект, се преместихме в Adobe Illustrator, за да създадем линии версии на тези предавки. Алисия се фокусира върху това да направи всяка предавка съвместима с лазерните фрези в центъра на 100 McCaul RP. Решихме да използваме шперплат Baltic Birch ⅛”за първоначалното рязане, за да гарантираме, че математиката е подравнена правилно. Алисия направи над 3 малки макета от това как биха могли да изглеждат тези съоръжения. При всяка итерация имаше проблеми с лазерния нож, който отнемаше твърде малко или твърде много от малките зъбни колела, така че те вече да не се блокират ефективно и да се завъртат (тя използва както акрил, така и шперплат (⅛”). Този процес беше разочароващо, но ни помогна да осъзнаем ограниченията на лазерното рязане за този проект.

Професорът знае най -добре

И Алисия, и аз сме много упорити и решени да решим загадката на вложените съоръжения. Бях готов да се спра на планетарни блокиращи предавки, но Алисия се нуждаеше от отговори! В последен опит да намери утеха с математиката, Алисия се свърза с пенсиониран професор от Университета на Куинс. Той обясни, че за лесно измерване на разстоянията между всяка от предавките, тя ще трябва да раздели и измери 37 сегмента. Това ще позволи на всички зъби да се подравнят правилно. Като отделяше време за решаване на загадката, все още имаше малък математически проблем с подравняването. Ние се спряхме на планетарни предавки, като се има предвид общото ни времево ограничение.

Излитам

Докато Алисия решаваше дълбоки математически проблеми, аз се съсредоточих върху отпечатването на 3D космически кораби. Това помогна да се затвърди цялостната тема и също така да даде на нашето парче по -приветливо интерактивно качество. Използвайки Thingiverse, успях да намеря забавен дизайн на ретро космически кораб (създаден от cerberus333). Този дизайн ми позволи да променя мащаба, за да бъде много по -малък. Като добавим космически кораб, нашата публика ще може да го задържи, докато зъбните колела се въртят заедно. Това беше много просто решение да направи парчето по -приветливо за другите. Въз основа на отворения код на Thingiverse, всеки с компютър и достъп до 3D принтер може да създаде този обект за себе си. Печатът също беше сравнително бърз (отнеха по -малко от 2 часа, за да се отпечатат 7 космически кораба). В крайна сметка използвахме само 3 или 7 печатни копия.

Снимайте за луната …

Въз основа на първоначалната идея за дизайн, Алисия и аз искахме да създадем планетни предавки с много вградени LED светлини, които да се активират от нашите магнити (прикрепени към гърба на всяка предавка), така че моделът да може да стои изправен и да осветява всяка „звезда“система, докато се върти. Алисия отиде в Home Hardware и закупи LED верига на Reed switch и магнитни сензори. Използвах бормашина и ръчен трион, за да направя правилния отвор за LED и магнитния сензор, който да се побере в дървената дъска от шперплат. По -късно разбрахме, че батериите, закупени от Home Hardware в College и Spadina, всъщност са дефектни и светват само една LED крушка, докато магнитът преминава.

Повече от вандализъм

За този проект също исках да приложа още малко ръце върху творческите техники. Въпреки че зъбните колела от дърво и акрил бяха красиви сами по себе си, те нямаха обща тема с космическите кораби. Реших да използвам акрилна боя Molotow, за да създам галактически мотив за зъбните системи. Въпреки че планирахме да боядисваме цялата дъска със спрей, срещнахме малкия мащаб на кабината за пръскане, разположена в лабораторията Maker в нашето съоръжение за дипломирани специалисти. Въз основа на това ограничение на размера решихме просто да спрей боядисваме зъбните колела по асиметрични начини. По този начин космическият кораб може да седи на една от обикновените или боядисани със спрей предавки, за да помогне на участника да разбере общата ни тема.

Орбита

След като всички големи зъбни колела бяха сглобени, Алисия използва инструментите за запояване, за да заварят заедно магнитния сензор и светодиода. Решихме да поставим 1 работещ светодиод и го поставихме близо до средната предавка. Когато под космическия кораб бяха поставени 3 силни магнита, се получи желаният резултат! Имахме светлина! Обаче наличието на други магнити под зъбните колела (за да ги държи вертикално) би попречило на магнитния сензор. Затова решихме, че дизайнът трябва да остане като настолна версия.

Тъмната страна на Луната

Основните предизвикателства, пред които сме изправени в тази съвместна итерация, бяха ограниченията на лазерното рязане и батерийната технология. Дизайнът на файла, космическите кораби за 3D печат и ръчното сглобяване (използването на традиционни инструменти като бормашини, ръчен трион, лепило и скоби беше изненадващо лесно). Ако някой може да пресъздаде това парче, основното предизвикателство би било да използва математиката, за да очертае най-идеалния дизайн, който лазерът може да изреже. Ние също се борихме с ограничението във времето и в идеалния случай бихме искали да преразгледаме този проект в близко бъдеще, за да продължим да разширяваме тази концепция.

Инструменти и технологии

За да създадат достоверно този проект, те трябва да имат основни познания за процеса на проектиране, математика, как да използват AI и да бъдат настроени правилно за изрязване на лазерен файл. След това те ще се нуждаят от основно разбиране за електричеството (LED, магнитен сензор и запояване). Те ще се нуждаят от достъп до добре вентилирана зона за боядисване със спрей и проектиране на тези съоръжения по поръчка. За отпечатване на космическия кораб беше използван Taz Lulzbot 6, заедно с нишка PLA Village Plastics (всеки цвят е подходящ, тъй като можете също да ги напръскате със спрей). И накрая, те ще се нуждаят от основни познания как да използват бормашина и ръчен трион, за да изрежат правилните размери на отворите за всеки светодиод и магнитен сензор (това трябва да се измери внимателно, тъй като сензорът не е много силен и трябва да се постави в близост до магнита). И накрая, ако искате вярно да пресъздадете този проект, ще ви трябва и малко място за сглобяване!

Гигантски скок за човечеството

Стигнахме до MARS! Само се шегувам! Използвайки методи за дигитални изработки, успяхме да създадем математическа система от зъбни колела и да направим от дърво и акрил (със скоростта, необходима за поставянето на астронавтския шлем). Това не би било възможно без технологията на Adobe Illustrator файлове, комбинирана с лазерно рязане. Лазерите са изключително точни и бързи. Нещо, което би било невъзможно да се постигне само с традиционните инструменти за производство. Въпреки че традиционните методи не бяха използвани в основния процес на производство, те станаха изключително важни при окончателното сглобяване и включване на технологиите.

Пълен STEAM напред

От образователна гледна точка тази планетарна предавка включва всички основи на ученето чрез правене. Геймификацията играе голяма роля в крайния продукт, за да го направи привлекателен за потребителите. Един от основните бенефициенти на този проект обаче е образованието. Този проект може да научи практически умения, започвайки с математика, инженерство, пространствени разсъждения и електронни цикли. Тя може да даде възможност на учениците да видят как математиката се свързва с физическия свят и как механичните процеси (като лазерно рязане) зависят от точните изчисления. И накрая, студентите имат шанс да приложат творчество и визуални изкуства към процеса на добавяне на боя, цвят, колаж, за да уточнят своя дизайн. Освен това им позволява да създадат интерактивна учебна среда, която поддържа STEAM в класната стая. STEAM е включен във всички критерии за създаване на този проект, като ефективно включва:

Наука

Технология

Инженерство

Изкуства

Математика

Напоследък има стремеж през последните години за подобряване на медийната грамотност и развитие на учениците още от първи клас. Този проект е внимателен подход за решаване на проблеми, сътрудничество, практическо обучение с отворен код, което е необходимо по много предмети в учебната програма на Онтарио и извън нея!

Неограничени съзвездия

И накрая, важно е да се признае, че този дизайн може да бъде значително подобрен в ръцете на други хора. Това означава, че въпреки че всички компоненти са намерени тук, все още има много модификации и ремиксиране на този дизайн, които са възможни. Работейки съвместно, този дизайн има неограничен потенциал. Това е чудесен стартов проект за всеки, който се интересува от прилагането на STEAM към собствената си учебна практика. Тъй като дизайнът се основава на математика, той може да се променя, променя и преработва в много различни съзвездия. Този проект популяризира идеята, че няма еднопосочен начин за създаване.

Стъпка 1: Кошчето

Можете ли да разрешите този пъзел?

Стъпка 2: Генериране на Gears

Използвайки раздела за справки, който можете да намерите по -долу, ние ви предоставихме инструменти за генериране на зъбни колела. Има 2 уебсайта, който е изключителен за математически чертежи, а другият сайт обсъжда различните материали и отклонения, ако трябва да отрежете зъбните колела сами.

И двете са важни при планирането и конструирането на вашия файл за лазерно изрязване, тъй като и двамата ще ви помогнат да вземете предвид материалите и да разберете как да работите в конструкциите с леки непредвидени вариации.

Изследвания, известни със споделените му знания, Матиас е озвучен в много проекти за предавки, защото предоставя рационализирана информация за това как да режете собствените си зъбни колела на ръка. Той също така предоставя основна информация, за да можете да започнете проекта си с добра основа. Това е от съществено значение, за да се генерира система, която работи и умения за решаване на проблеми, които да се отстраняват по -късно. Предоставеният по -долу речник е създаден и предоставен от: [email protected]

Стъпка 3: Разстояние между зъбите

Брой милиметри от един зъб до друг, по диаметъра на стъпката.

Зъби на зъбно колело 1: Брой зъби на зъбно колело, които да се оформят за зъбно колело. Управлява лявата предавка, когато показва две предавки. Въведете отрицателна стойност за зъбни колела.

Rack & Pinion: Сменете предавка 1 на линейна предавка (рейка). Можете също така да направите другата предавка багажник, като въведете "0" за броя на зъбите.

Измерено разстояние на кал (мм): След отпечатване на тестова страница измерете разстоянието между редовете, отбелязани „това трябва да бъде 150 мм“. Ако не е 150 мм, въведете стойността в това поле, за да компенсирате мащабирането на принтера. Следващата разпечатка трябва да е с правилния размер.

Ъгъл на контакт (градуси): ъгълът на налягане на зъбните колела. За зъбни колела с по -малък брой зъби задайте това малко по -голямо, за да получите по -наклонени зъби, които е по -малко вероятно да заседнат.

Предаване 2 зъба: Брой зъби за зъбното колело отдясно, ако е направено. Полето за отметка контролира дали се изобразяват една или две предавки.

Две предавки: При отпечатване на шаблони помага да се показва само една предавка.

Спици: Покажете предавката със спици. Спиците са показани само за зъбни колела с 16 или повече зъба.

Стъпка 4: Математика

Открих уравнението по -долу, за да помогна за изграждането на моята подредба и да определя, че зъбните колела ще работят и ще се поберат заедно.

Обозначете R, S и P като броя на зъбите на зъбните колела.

Първото ограничение, което планетарната предавка трябва да работи, е, че всички зъби имат еднаква стъпка или разстояние между зъбите. Това гарантира, че зъбите са окото. Това, което направих, беше направено от 3 отделни страни, които имаха една и съща стъпка, но не съвпадаха една с друга, така че предавките винаги да са подравнени, но в различен модел. Второто ограничение е: R = 2 × P + S

Това означава, че броят на зъбите в пръстеновата предавка е равен на броя на зъбите в средното слънчево зъбно колело плюс два пъти броя на зъбите в планетарните зъбни колела. Пример за това би било 30 = 2 × 9 + 12. Или можете да отидете на уебсайта за генериране на предавки на адрес https://geargenerator.com или

Стъпка 5: SVG файлове и илюстратор

Ако импортирате файл от зъбен генератор и не сте конструирали в Illustrator, ще трябва да следвате инструкциите по -долу при работа с SVG файлове в Illustrator.

Illustrator предоставя набор от SVG ефекти по подразбиране. Можете да използвате ефектите с техните свойства по подразбиране, да редактирате XML кода, за да създадете персонализирани ефекти, или да напишете нови SVG ефекти.

За да импортирате SVG файл в Illustrator:

Изберете Ефект> SVG филтър> Импортиране на SVG филтър.

Изберете SVG файла, от който искате да импортирате ефекти, и щракнете върху Отваряне.

За да манипулирате SVG файл в Illustrator: Изберете обект или група (или насочете към слой в панела Слоеве).

Направете едно от следните неща: За да приложите ефект с неговите настройки по подразбиране, изберете ефекта от долната част на подменюто Effect> SVG Filters.

За да приложите ефект с персонализирани настройки, изберете Effect> SVG Filters> Apply SVG Filter.

В диалоговия прозорец изберете ефекта и щракнете върху бутона Редактиране на SVG филтър fx.

Редактирайте кода по подразбиране и щракнете върху OK.

За да създадете и приложите нов ефект, изберете Effect> SVG Filters> Apply SVG Filter.

В диалоговия прозорец щракнете върху бутона Нов SVG филтър, въведете новия код и щракнете върху OK.

Когато приложите ефект на SVG филтър, Illustrator показва растрирана версия на ефекта върху монтажната област. Можете да контролирате разделителната способност на това изображение за визуализация, като промените настройката за разделителна способност на документа за растеризация.

Стъпка 6: Запазване на вашия файл

Експортирайте файла си като.eps или.ai.

Отидете в настройките и се уверете, че работите в режим RGB, НЕ CMYK.

Можете да промените това, като отидете на:

Изберете File -> Document Color Mode -> RGB

Всички линии на изрязване трябва да бъдат обозначени с помощта на червено синьо и зелено с тегло на хода 0,01pt

Лазерът ще интерпретира цветовете като подредени линии на изрязване, работещи отвътре навън.

Започвайки с червено (RGB: 255, 0, 0), последвано от синьо (RGB 0, 0, 255) и накрая зелено (RGB 0, 255, 0).

Всички вътрешни разфасовки трябва първо да бъдат изрязани и следователно трябва да бъдат червени, като всички следващи разфасовки са сини, а крайните външни разфасовки са зелени. Уверете се, че всичките ви зъбни колела съвпадат и няма пресичащи се линии, преди да настроите за печат.

Ако вашите предавки изглеждат така, сякаш не са форматирани правилно, можете да се върнете към страницата на генератора на зъбни колела и да преоцените изчисленията си.

Запишете като.ai файлове и прехвърлете в програмата Bosslaser.

Тази програма също ви позволява да манипулирате вашия файл. Можете да използвате тази програма, за да изпратите файла си директно на лазерния нож.

Стъпка 7: Thingiverse & 3D печат

Както бе споменато в основния план на този проект, можете да отпечатате вашите 3D космически кораби по всяко време! Измислете свой собствен дизайн, като използвате ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 или Rhino, или отидете в Thingiverse и намерете творчески общ проект за печат! Може би дори можете да промените някои от файловете, за да отговарят на вашето уникално дизайнерско предизвикателство! Тези космически кораби бяха отпечатани на Taz Lulzbot 6 с PLA Village Plastics с най -висока скорост (отнеха по -малко от 2 часа за 7 космически кораба).

Стъпка 8: Светодиодна верига с тръбен превключвател

Тръстиковият превключвател е електромагнитен превключвател, който се включва чрез магнит, внесен в близост до него.

Тази схема включва тръстиков превключвател, LED и 3 V захранване от 2 батерии AA.

Този проект формира основите на работата на тръстиковите превключватели.

От схемата по -долу можете да различите къде са поставени светодиодът и превключвателят.

Батерията има 2 проводника, черни и червени. Черният проводник е заземен, а червеният проводник е захранващ.

Червеният проводник ще бъде запоен към двата края на тръстиковия превключвател.

Тръстиковият превключвател ще бъде запоен към дългата страна + на светодиода. LED - късата страна ще бъде запоена, за да заземи черния проводник, водещ към батерията.

Стъпка 9: Включване на верига в борда

Важно е да измерите разстоянието, което магнитът трябва да бъде на мястото до превключвателя ви. Без тестване можете да пробиете дупка, която е твърде далеч от вашия магнит и тогава превключвателят няма да работи правилно. Силата на вашия магнит ще означава, че може да има по -голяма или по -къса празнина между Reed Switch и магнита. Измерихме това, след което пробихме дупка за светодиода и отвор за превключвателя в нашата брезова дъска.

Стъпка 10: Забавлявайте се

В този момент сте свършили много упорита работа. Време е да проявите креативност!

Използвайте акрилна (Molotow) спрей боя, за да постигнете ефект на космоса както върху акрила, така и върху дървото. Използвайте цветовете, които отговарят на вашия проект. Не забравяйте да носите предпазни средства (в идеалния случай органичен респиратор за половин лице или маска), да носите ръкавици, за да предпазите ръцете си, и ВИНАГИ да работите в добре проветриво помещение (никога вътре!).

Оставете зъбните колела да изсъхнат за около 24 часа, преди да ги поставите на дъската, за да избегнете надраскване на боята.

Можете също така да пръскате с боя вашите малки космически кораби!

Стъпка 11: Списък на материалите и други ресурси

Ето изчерпателен списък с материали и допълнителни полезни справки:

Reed Switch

Резистор 470Ω

1 LED бял

Магнит Adobe

Приложение Illustrator CC за създаване на векторни файлове за лазерно рязане

Bosslaser програма за настройка на файла за машината за лазерно рязане.

Среднокачествена шкурка.

1/8 шперплат от балтийска бреза 48 инча дължина x 27 инча височина x 2

1/8 прозрачен акрил 48 инча дължина x 27 инча височина x 1

Акрилна боя в различни цветове

Респиратор с органичен патрон

Ръкавици

Акумулаторна бормашина (с различни свредла)

Лепило за дърво

Незабавно лепило (за космически кораби)

Cura-for Lulzbot

Taz Lulzbot 6

Пластмасова нишка PLA Village

Полезни справки:

geargenerator.com/#200, 200, 100, 6, 1, 0, 0, 4, 1, 8, 2, 4, 27, -90, 0, 0, 16, 4, 4, 27, -60, 1, 1, 12, 1, 12, 20, -60, 2, 0, 60, 5, 12, 20, 0, 0, 0, 2, -563https://woodgears.ca/gear_cutting/template.html

demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlan…

helpx.adobe.com/ca/illustrator/using/svg.h…