Markforged 在课堂上：在教育中使用 3D 打印

编者注：Alex Larson 是帕拉蒂尼高中的应用技术教师。他已经教授 Project Lead the Way (PLTW) 课程 9 年。 Project Lead the Way 是一项基于 STEM 的课程，现在国际上从幼儿园到 12 年级的学生都体验过这种课程。它让学生接触跨学科的 STEM 教育，以提高学生在 STEM 相关领域接受教育的成功率。他教授的课程侧重于工程。

在我的课堂上，我使用 3D 打印已经大约 10 年了。我所在的学区首先为我们的学校投资了 3D 打印机，因为他们知道对学生学习的影响将有助于他们在大学和未来取得成功。今天，我们看到增材制造行业蓬勃发展，工程师们现在才刚刚开始看到这些技术的所有潜在应用。

教育领域的 3D 打印

从幼儿园到高中，目前有许多基于 STEM 的课程项目。因此，许多目前拥有 3D 打印机的学校都像我们一样使用它们。大多数学校将它们用于原型制作、小型移动组件、复杂概念或模型的可视化等。 然而，由于 PLA（学校最常用的材料）的局限性，增材制造的任何潜在用途都仅限于应用最少的部件装载条件。因此，学生开发的大多数功能性设计中都没有使用 3D 打印。

在课堂上标记二号

这是我的学生第一次使用 Markforged 切片机 Eiger。他正在为两个 6 磅的电池设计一个安装座，在使用时必须承受大量的震动。电池支架将用于学生正在建造的 3 个战斗机器人中的 1 个。使用 Markforged 3D 打印机，与学生的对话从“时间的最佳打印方向是什么？”到，“我如何在需要强度的地方安装纤维？”从那里开始，对话导致“我如何让其余部分足够强大？”然后对部件进行重新设计，以允许将光纤放置在所有方向所需的位置。

最终的结果是这样的，图中的红色部分是在打印到 Mark Two 之前的 PLA 测试打印。

通常，我班上的学生会将其设计为在我们的 CNC 铣床上进行加工，设计看起来会大不相同。 Markforged 打印机的增材制造的灵活性使学生能够快速迭代设计并在一夜之间打印。否则，他们将花费数天的课堂时间（每天 48 分钟）来设置工具和夹具来加工单个零件。此外，如果设计出现问题，在 CNC 上返工的时间会显着延长。我们很幸运拥有多台 CNC 铣床和车床供我们的学生使用。在我们的工程课程中，学生将学习基本的 G&M 编程和 CAM 软件。但是，我们有一套完全独立的课程，可以更深入地教授学生先进制造。如果您要比较培训学生如何安全操作 CNC 铣床和操作 Markforged 打印机所需的时间，根本没有可比性。在学校环境中，设施本身也是一个需要克服的巨大挑战，许多学校根本无法容纳比台式 CNC 机器更大的任何东西。台式铣床在可以加工的材料类型方面存在很大限制，而真正的 CNC 铣床的成本和空间要求使 Markforged 成为一个非常独特的地方和教育机会。

这两个学生正在为他们的机器人设计一个电机支架。该部件必须坚固，因为它将用作底盘的结构部件和电机本身的坚固底座。万一出现任何问题，电机也必须易于接近。他们尝试了一个完全用 ABS 打印的类似概念，结果很快就损坏了零件。在完成三个 CAD 模型和一个玻璃纤维增​​强打印后，由于该电机支架的组装过程中遇到了无法预料的挑战，这里的学生不得不对设计进行更改。当他们将电机支架安装到原型底盘中时，他们无法在支架前部安装紧固件。 Mark Two 的灵活性使他们能够在 2 天的总周转时间内打印、测试和重印第二个版本，并产生足够坚固的部件以承受所施加的力。

吸取的教训和前进

在为我们的教室寻找设备时，我们不得不做出艰难的选择，一方面我们需要更多的 3D 打印机来处理学生想要做的打印量，但另一方面我们想把事情推得更远在过去。作为一名教师，我不把技术作为学习的重点，而是围绕技术的使用进行学习。我没有创建任何仅使用 Markforged 来教学生材料特性的新课程或项目。我本可以轻松做到这一点，但它自然而然地发生了。当我告诉他们它使用的材料时，学生们的兴趣被激起了。听到凯夫拉尔和碳纤维，他们难以置信。

我们打印的第一件事是一个简单的酒吧，只有普通的尼龙和一个默认的玻璃纤维。我向他们展示了切片机以及它如何设置光纤，他们立即将其与前一年参加的 PLTW 课程联系起来，在那里他们了解了惯性矩并认识了夹芯板方法。

然后学生们想要测试不同的材料特性。 Markforged 网站上的材料测试数据是一个很好的工具，但对于正在学习的学生来说，将数据与实际体验联系起来有助于他们理解这些概念。所以我们打印出更多的玻璃纤维和 Kevlar 部件。这导致了一些真正的“科学”测试。

以上部分是其中一个机器人的冲击吸收支架。学生们对其进行了部分打印，以查看该概念在实践中是否如他们希望的那样基于他们所做的 FEA。

他们在物体的边缘和表面上用一百磅的力运行 FEA，并将材料设置为尼龙，他们发现红色区域的应力最高。他们认为它会在发生任何其他事情之前在那里分层。

它的表现比他们预期的要好得多，以至于要使用疯狂的力量才能破坏零件。用 32 盎司进行 8 次沉重的摆动。球头锤开始在边缘失效，分层。在“测试”中施加的力最终大约是他们在 FEA 中施加的力的五倍，即使使用了这样的力，零件也没有像他们希望的那样偏转。这导致他们重新设计。他们不确定纤维对设计的影响有多大，通过这个“测试”，他们对他们正在使用的材料有了更好的理解。虽然许多工程师每天都这样做，但高中生很少考虑材料选择对设计的影响，因此让他们现在考虑这一点对他们未来有很大的好处。

学生们不仅通过经验学习材料特性，还学习如何在设计时考虑到增材制造。他们需要在许多组件中包含紧固件，因此他们开始使用可访问的嵌入式紧固件进行设计——这是他们在 Markforged 博客上找到的。该学生正在研究的部分是为了从外部轻松拆卸机器人，这就是需要固定螺母的原因。这是学生第一次尝试做这个部分，最后成功了。

STEM 教育

教育应该着眼于影响未来。如果我们为学生提供能够制造看似不可能的物体的技术，我们就会赋予他们以更大影响力影响未来的潜力。并不是说 CNC、注塑成型等会消失，但这些技术已经成熟，不再具有增材制造现在的潜力。

Mark Two 一直是我的学生扩展材料特性和零件设计思维的一种方式。作为学生的学习体验，它为他们对增材制造现在和未来的理解带来了全新的复杂性。

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