Впереди полный STEAM! к бесконечности и за гранью: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Сотрудничество Алисии Блейки и Ванессы Краузе

Кто, черт возьми, такой Фибоначчи?

Основываясь на конструкции Алисии (вложенные планетарные шестерни), мы решили совместно попытаться создать рабочую систему шестерен, которая может отображаться в вертикальном положении. В идеале мы хотим, чтобы наша аудитория чувствовала себя комфортно и была вынуждена взаимодействовать с этим дизайном. Используя различные методы, описанные в этом документе, мы поговорим о процессе проектирования и о том, как мы боролись с математическими проблемами, логикой и выбором материалов.

Бин-он

Привлечение к помощи наших близких к математике братьев и сестер: мой брат Джои прислал мне формулу Бине… без объяснения того, как ее использовать. Когда я написал ему и сказал: «Привет, Джоуи, ты можешь мне это объяснить?» на что он ответил: "Какая часть?"

Поскольку у меня нет никаких математических наклонностей, мы попросили Меррика, брата Алисии, объяснить, как можно применить эту формулу для изготовления гнездовых шестеренок. Он потратил около десяти минут на ее решение, ответил: «Да, работает», а затем сказал: «Мне нужно идти» и оставил нас без ответов и без переведенной формулы.

Мы потратили еще 30 минут на поиск ответа на наш запрос…

В Интернете есть ответы

Чтобы преодолеть барьер Бине, мы решили поискать в Интернете ответы и предложения по решению нашей загадки. Мы нашли несколько сайтов, которые умеют создавать совместимые шестеренки.

Некоторые из этих сайтов:

Зубчатый генератор планетарный

Катализатор передач

Как только у нас появились эти генераторы шестеренок, которые помогли с математическими аспектами этого проекта, мы перешли в Adobe Illustrator, чтобы создать линейные версии этих шестеренок. Алисия сосредоточилась на том, чтобы сделать каждую шестерню совместимой с лазерными резаками в центре 100 McCaul RP. Мы решили использовать фанеру Baltic Birch ⅛”для первоначального распила, чтобы обеспечить правильное выравнивание по математике. Алисия сделала более 3 небольших макетов того, как потенциально могут выглядеть эти шестеренки. На каждой итерации возникали проблемы с лазерным резаком, который слишком мало или слишком много снимал с малых зубчатых передач, так что они больше не могли эффективно блокироваться и вращаться (она использовала и акрил, и фанеру (⅛”). Этот процесс был разочарование, но помогло нам осознать ограничения лазерной резки для этого проекта.

Проф знает лучше

Мы с Алисией очень упрямы и полны решимости разгадать загадку вложенных шестеренок. Я был готов остановиться на планетарных механизмах блокировки, однако Алисии нужны были ответы! В последней попытке найти утешение в математике Алисия связалась с бывшим профессором Королевского университета. Он объяснил, что, чтобы легко измерить расстояния между каждой из шестерен, ей нужно разделить и измерить 37 сегментов. Это позволит правильно выровнять все зубы. Потратив время на решение загадки, все еще оставалась небольшая математическая проблема с выравниванием. Мы остановились на планетарных передачах, учитывая наши общие временные рамки.

Взлет

Пока Алисия решала глубокие математические задачи, я сосредоточился на печати трехмерных космических кораблей. Это помогло укрепить общую тему, а также придало нашей работе более приятное интерактивное качество. Используя Thingiverse, я смог найти забавный дизайн космического корабля в стиле ретро (созданный cerberus333). Этот дизайн позволил мне изменить масштаб, сделав его намного меньше. Добавив космический корабль, наша аудитория сможет удержать его, пока шестеренки вращаются вместе. Это было очень простое решение, сделавшее изделие более привлекательным для окружающих. Основываясь на природе Thingiverse с открытым исходным кодом, любой, у кого есть компьютер и доступ к 3D-принтеру, может создать этот объект для себя. Печать также была относительно быстрой (на печать 7 космических кораблей ушло менее 2 часов). В итоге мы использовали только 3 или 7 печатных экземпляров.

Стрелять в луну…

Основываясь на первоначальной дизайнерской идее, мы с Алисией хотели создать планетарные шестерни со множеством встроенных светодиодных фонарей, которые будут активироваться нашими магнитами (прикрепленными к задней части каждой шестерни), чтобы модель могла стоять вертикально и освещать каждую «звезду». система, как она вращается. Алисия пошла в Home Hardware и купила светодиодную схему герконового переключателя и магнитные датчики. Я использовал дрель и ручную пилу, чтобы сделать отверстие для светодиода и магнитного датчика, чтобы они вписались в деревянную фанерную доску. Позже мы поняли, что аккумуляторные блоки, приобретенные у Home Hardware on College и Spadina, на самом деле были неисправными и загорелись только одной светодиодной лампочкой, когда магнит прошел мимо.

Больше, чем просто вандализм

В этом проекте я также хотел применить еще несколько творческих приемов. Хотя деревянные и акриловые шестерни были красивы сами по себе, им не хватало общей темы с космическими кораблями. Я решил использовать краску Molotow Acrylic Spray, чтобы создать галактический мотив для систем передач. Хотя мы планировали покрасить всю доску распылением, нас встретили небольшими размерами окрасочной камеры, расположенной в Maker Lab на нашем предприятии Graduate. Исходя из этого ограничения размера, мы решили просто распылением окрашивать шестерни асимметрично. Таким образом, космический корабль мог бы сидеть на одной из простых или окрашенных аэрозольной краской шестерен, чтобы помочь участникам понять нашу общую тему.

Орбита

После того, как все крупногабаритные шестеренки были собраны, Алисия использовала паяльные инструменты, чтобы сварить магнитный датчик и светодиод. Решились с размещением 1 рабочего светодиода и поставили его возле средней шестеренки. Когда под космический корабль поместили 3 сильных магнита, желаемый результат получился! У нас был свет! Однако наличие других магнитов под шестернями (чтобы удерживать их вертикально) помешало бы датчику магнита. Поэтому мы решили, что дизайн должен остаться настольным.

Темная сторона Луны

Основными проблемами, с которыми мы столкнулись в этой совместной итерации, были ограничения лазерной резки и аккумуляторных технологий. Файл дизайна, 3D-печать космических кораблей и ручная сборка (с использованием традиционных инструментов, таких как сверла, ручная пила, клей и зажимы, было на удивление легко). Если кто-то воссоздает эту деталь, основная проблема будет заключаться в том, чтобы использовать математику, чтобы наметить самый идеальный дизайн, который может вырезать лазер. Мы также боролись с ограничением по времени, и в идеале мы хотели бы вернуться к этому проекту в ближайшем будущем, чтобы продолжать расширять эту концепцию.

Инструменты и технологии

Чтобы добросовестно создать этот проект, им потребуются базовые знания о процессе проектирования, математике, о том, как использовать ИИ и правильно настроить лазерный файл для резки. Затем им потребуются базовые знания об электричестве (светодиоды, магнитный датчик и пайка). Им потребуется доступ к хорошо вентилируемой зоне для окраски распылением и индивидуального проектирования этих шестерен. Для печати космического корабля использовался Taz Lulzbot 6 и нить PLA Village Plastics (подойдет любой цвет, их также можно покрасить распылением). Наконец, им потребуются базовые знания о том, как использовать дрель и ручную пилу, чтобы вырезать отверстия нужного размера для каждого светодиода и магнитного датчика (это необходимо тщательно измерять, так как датчик не очень прочен и его необходимо разместить на близком расстоянии от магнита). Наконец, если вы хотите точно воссоздать этот проект, вам также понадобится место для сборки!

Гигантский скачок для человечества

Мы добрались до МАРСА! Просто шучу! Используя методы цифрового изготовления, мы смогли создать математическую систему шестерен из дерева и акрила (со скоростью, необходимой для того, чтобы надеть шлем космонавта). Это было бы невозможно без технологии файлов Adobe Illustrator в сочетании с лазерной резкой. Лазеры очень точные и быстрые. То, что было бы невозможно достичь с помощью одних лишь традиционных инструментов для изготовления. Хотя традиционные методы не использовались в основном процессе производства, они стали чрезвычайно важными при окончательной сборке и включении технологии.

Впереди полный STEAM

С образовательной точки зрения эта планетарная зубчатая передача включает в себя все основы обучения на практике. Геймификация играет большую роль в конечном продукте, делая его привлекательным для пользователей. Однако одним из основных бенефициаров этого проекта является образование. Этот проект может научить практическим навыкам, начиная с математики, инженерии, пространственного мышления и электронных циклов. Это может дать студентам возможность увидеть, как математика связана с физическим миром и как механические процессы (например, лазерная резка) зависят от точных расчетов. Наконец, у студентов есть возможность применить творческий подход и изобразительное искусство к процессу добавления краски, цвета, коллажа, чтобы указать свой дизайн. Это также позволяет им создавать интерактивную среду обучения, которая поддерживает STEAM в классе. STEAM входит во все критерии создания этого проекта за счет эффективного включения:

Наука

Технология

Инженерное дело

Искусство

Математика

В последние годы наблюдается стремление повысить медиаграмотность и развитие учащихся первого класса. Согласно учебной программе Онтарио, наличие межучебных возможностей для обучения важно для воспитания у учащихся (K-12) любви к обучению. Этот проект представляет собой осознанный подход к решению проблем, сотрудничеству, практическому обучению с открытым исходным кодом, которое необходимо по многим предметам учебной программы Онтарио и не только!

Неограниченное количество созвездий

Наконец, важно признать, что этот дизайн может быть значительно улучшен в руках других людей. Это означает, что, хотя здесь находятся все компоненты, все еще возможно множество модификаций и переделок этой конструкции. Благодаря совместной работе этот дизайн имеет неограниченный потенциал. Это отличный стартовый проект для всех, кто хочет применить STEAM в своей учебной практике. Поскольку дизайн основан на математике, он может быть изменен, изменен и переделан во многих различных сочетаниях. Этот проект продвигает идею о том, что не существует единого способа создания.

Шаг 1: сложите его

Сможете ли вы решить эту загадку?

Шаг 2: Создание шестеренок

Используя раздел ссылок, который можно найти ниже, мы предоставили вам инструменты для создания шестеренок. Есть 2 веб-сайта, на одном из которых представлены математические чертежи, а на другом обсуждаются различные материалы и варианты, если вам пришлось вырезать шестерни самостоятельно.

Они оба важны при планировании и создании файла для лазерной резки, так как они помогут вам рассмотреть материалы и понять, как работать в конструкциях с небольшими непредвиденными вариациями.

Исследования Печально известный своими общими знаниями Матиаса находят отражение во многих проектах по передаче шестерен, потому что он предоставляет упрощенную информацию о том, как вручную нарезать шестерни. Он также предоставляет справочную информацию, чтобы вы могли начать свой проект с хорошей основой. Это важно для создания работающей системы и навыков решения проблем для последующего устранения неполадок. Приведенный ниже глоссарий создан и предоставлен: [email protected]

Шаг 3: расстояние между зубьями

Количество миллиметров от одного зуба до другого по делительному диаметру.

Зубья шестерни 1: количество зубьев шестерни, отображаемых для шестерни. Управляет левой передачей при отображении двух передач. Введите отрицательное значение для зубчатого венца.

Рейка и шестерня: переключите шестерню 1 на линейную шестерню (рейку). Вы также можете сделать другую шестерню зубчатой, указав «0» для количества зубьев.

Измеренное калибровочное расстояние (мм): После печати тестовой страницы измерьте расстояние между линиями с пометкой «это должно быть 150 мм». Если это не 150 мм, введите значение в это поле, чтобы компенсировать масштабирование принтера. Следующая распечатка должна быть правильного размера.

Угол контакта (град.): Угол сжатия шестерен. Для шестерен с меньшим количеством зубьев установите немного больше, чтобы получить более наклонные зубья, которые с меньшей вероятностью заклинивают.

Зубья шестерни 2: количество зубьев шестерни справа, если показано. Флажок управляет отображением одной или двух шестеренок.

Две шестеренки: при печати шаблонов полезно отображать только одну шестеренку.

Спицы: Покажите шестерню со спицами. Спицы показаны только для шестерен с 16 и более зубьями.

Шаг 4: математика

Я нашел приведенное ниже уравнение, чтобы помочь построить мою передачу и определить, что шестерни будут работать и соответствовать друг другу.

Обозначьте R, S и P как количество зубьев на шестернях.

Первое ограничение для работы планетарной шестерни состоит в том, что все зубья имеют одинаковый шаг или расстояние между зубьями. Это гарантирует, что зубы сцепятся. Я сделал 3 отдельные стороны, которые имели одинаковый шаг, но не совпадали друг с другом, так что шестерни всегда выровнены, но по разному шаблону. Второе ограничение: R = 2 × P + S

То есть количество зубьев коронной шестерни равно количеству зубцов средней солнечной шестерни плюс удвоенное количество зубцов планетарной шестерни. Примером этого может быть 30 = 2 × 9 + 12. Или вы можете перейти на сайт генерации снаряжения по адресу https://geargenerator.com или

Шаг 5: файлы SVG и иллюстратор

Если вы импортируете файл из генератора шестерен и не создали его в Illustrator, вам придется следовать приведенным ниже инструкциям при работе с файлами SVG в Illustrator.

Illustrator предоставляет набор эффектов SVG по умолчанию. Вы можете использовать эффекты с их свойствами по умолчанию, редактировать XML-код для создания пользовательских эффектов или писать новые эффекты SVG.

Чтобы импортировать файл SVG в Illustrator:

Выберите «Эффект»> «Фильтр SVG»> «Импортировать фильтр SVG».

Выберите файл SVG, из которого вы хотите импортировать эффекты, и нажмите «Открыть».

Чтобы управлять файлом SVG в Illustrator: Выберите объект или группу (или выберите слой на панели «Слои»).

Выполните одно из следующих действий. Чтобы применить эффект с настройками по умолчанию, выберите эффект в нижней части подменю «Эффект»> «Фильтры SVG».

Чтобы применить эффект с пользовательскими настройками, выберите «Эффект»> «Фильтры SVG»> «Применить фильтр SVG».

В диалоговом окне выберите эффект и нажмите кнопку «Изменить фильтр SVG» fx.

Измените код по умолчанию и нажмите ОК.

Чтобы создать и применить новый эффект, выберите «Эффект»> «Фильтры SVG»> «Применить фильтр SVG».

В диалоговом окне нажмите кнопку «Новый фильтр SVG», введите новый код и нажмите «ОК».

Когда вы применяете эффект фильтра SVG, Illustrator отображает растеризованную версию эффекта на монтажной области. Вы можете контролировать разрешение этого изображения предварительного просмотра, изменив настройку разрешения растеризации документа.

Шаг 6: Сохранение файла

Экспортируйте файл как.eps или.ai.

Зайдите в настройки и убедитесь, что вы работаете в режиме RGB, а НЕ CMYK.

Вы можете изменить это, перейдя по ссылке:

Выберите Файл -> Цветовой режим документа -> RGB.

Все линии разреза должны быть обозначены красными синими и зелеными линиями с толщиной обводки 0,01 пункта.

Лазер интерпретирует цвета как упорядоченные линии разреза, работающие изнутри.

Начиная с красного (RGB: 255, 0, 0), за которым следует синий (RGB 0, 0, 255) и, наконец, зеленый (RGB 0, 255, 0).

Все внутренние разрезы должны быть обрезаны в первую очередь и, следовательно, должны быть красными, все последующие разрезы должны быть синими, а окончательные внешние разрезы - зелеными. Перед тем, как приступить к печати, убедитесь, что все шестеренки подходят друг к другу и нет пересекающихся линий.

Если ваши шестерни выглядят так, как будто они отформатированы неправильно, вы можете вернуться на страницу генератора шестерен и пересмотреть свои расчеты.

Сохраните как файлы.ai и перенесите в программу Bosslaser.

Эта программа также позволяет вам управлять вашим файлом. Вы можете использовать эту программу для отправки файла прямо на станок для лазерной резки.

Шаг 7: Thingiverse и 3D-печать

Как упоминалось в основной схеме этого проекта, вы можете распечатать свои 3D космические корабли в любое время! Придумайте свой собственный дизайн, используя ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 или Rhino, или перейдите на Thingiverse и найдите проект Creative Commons для печати! Возможно, вы даже сможете изменить некоторые файлы в соответствии с вашими уникальными дизайнерскими задачами! Эти космические корабли были напечатаны на Taz Lulzbot 6 с PLA Village Plastics на максимальной скорости (для 7 космических кораблей потребовалось менее 2 часов).

Шаг 8: Цепь светодиода язычкового переключателя

Геркон - это электромагнитный переключатель, который включается поднесенным к нему магнитом.

Эта схема включает в себя геркон, светодиод и источник питания 3 В от 2 батареек АА.

Этот проект формирует основы работы герконов.

На схеме ниже вы можете увидеть, где расположены светодиод и переключатель.

Батарейный блок имеет 2 провода черный и красный. Черный провод - это масса, а красный - питание.

Красный провод будет припаян к любому концу язычкового переключателя.

Геркон будет припаян к длинной стороне + светодиода. Светодиод - короткая сторона будет припаяна к заземлению черного провода, ведущего к аккумуляторной батарее.

Шаг 9: включение схемы в плату

Важно измерить расстояние, на котором магнит должен находиться до переключателя. Без тестирования вы можете просверлить отверстие слишком далеко от магнита, и тогда переключатель не будет работать правильно. Сила вашего магнита будет означать, что между герконом и магнитом может быть больший или меньший зазор. Мы измерили это, затем просверлили отверстие для светодиода и отверстие для переключателя в нашей березовой плате.

Шаг 10: получайте удовольствие

На данный момент вы проделали много тяжелой работы. Пришло время проявить творческий подход!

Используйте акриловую краску-спрей (Molotow), чтобы добиться эффекта космоса как на акриле, так и на дереве. Используйте те цвета, которые подходят вашему проекту. Обязательно используйте защитную одежду (в идеале - респиратор на половину лица или маску), надевайте перчатки для защиты рук и ВСЕГДА работайте в хорошо вентилируемом помещении (никогда внутри!).

Дайте шестеренкам высохнуть в течение примерно 24 часов, прежде чем класть их на доску, чтобы не поцарапать краску.

Вы также можете покрасить свои крошечные космические корабли с помощью распылителя!

Шаг 11: Список материалов и других ресурсов

Вот исчерпывающий список материалов и дальнейшие полезные ссылки:

Геркон

Резистор 470 Ом

1 светодиод белый

Магнит Adobe

Приложение Illustrator CC для создания векторных файлов для лазерной резки

Программа Bosslaser для настройки файла для станка лазерной резки.

Наждачная бумага среднего класса.

Фанера из балтийской березы 1/8 дюйма длиной 48 дюймов, высотой 27 дюймов x 2

1/8 дюйма прозрачный акрил 48 дюймов в длину x 27 дюймов в высоту x 1

Акриловая аэрозольная краска различных цветов

Респиратор с органическим картриджем

Перчатки

Аккумуляторная дрель (с различными сверлами)

Клей для дерева

Мгновенный клей (для космических кораблей)

Cura-for Lulzbot

Таз Лулзбот 6

Пластмассовая нить PLA Village

Полезные ссылки:

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, -563

demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlan…

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