Планы уроков по 3D-печати для общеобразовательной школы STEAM

3D-печать для образовательного курса STEAM

Как высшие учебные заведения, так и общеобразовательные школы используют 3D-печать в качестве инструмента для повышения уровня обучения. Для многих преподавателей трехмерная печать по-прежнему является новой технологией, и может стать проблемой попытка выяснить, как интегрировать ее в учебную программу. 3D-принтеры — это такие же инструменты обучения, как калькулятор и линейка. Вместо того, чтобы изменять существующий классный материал, чтобы сосредоточиться на 3D-печати,  учителя используют 3D-принтеры в качестве инструмента для поддержки своих занятий.

В Formlabs мы считаем, что совместное использование учебных программ и ресурсов является одним из лучших способов помочь коллегам-педагогам понять, как интегрировать 3D-печать в существующие или новые уроки. Мы обратились к нашим представителям-педагогам и попросили их представить планы уроков, которые включали аспекты 3D-дизайна и 3D-печати. Вы можете найти все планы уроков наших представителей на нашей странице образовательных ресурсов.

Это модель из Плана уроков Dodecahedron, представленного Инициативой научной визуализации

Данное руководство включает в себя два примера планов уроков от ведущих преподавателей, тематическое исследование с преподавателем по профессионально-техническому образованию (CTE), а также обзор различных технологий 3D-печати. Используйте это руководство в качестве ресурса, чтобы получить идеи и представления о том, как создавать новые или использовать существующие планы уроков, которые интегрируют 3D-печать и дизайн в Ваш класс.

3D-печать. Обзор технологий

Каждая технология 3D-печати имеет свои сильные и слабые стороны и требования и подходит для различных приложений и бизнеса. Ниже приведен обзор того, как работает каждая технология:

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ НАПЛАВЛЕНИЯ (FDM)

Моделирование методом наплавления является наиболее широко используемой формой 3D-печати на потребительском уровне, вызванной появлением любительских 3D-принтеров. FDM 3D-принтеры создают детали путем плавления и экструдирования термопластичных нитей, которые печатная головка закладывает слоями в области сборки. FDM работает с рядом стандартных термопластов, таких как ABS, PLA и их различные смеси. Этот метод хорошо подходит для базовых концептуальных моделей, а также для быстрого и недорогого прототипирования простых деталей, таких как детали, которые обычно можно обрабатывать.

Детали FDM имеют видимые линии слоев и могут показывать неточности вокруг сложных функций. Этот пример был напечатан на промышленном 3D-принтере Stratasys uPrint с растворимыми носителями (цена на машину начиналась от 15900 долларов США).

FDM имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению с SLA или SLS и не является лучшим вариантом для печати сложных конструкций или деталей со сложными функциями.

Высококачественная отделка может быть получена путем химического и механического полирования. Промышленные 3D-принтеры FDM используют растворимые опоры для смягчения некоторых из этих проблем и предлагают более широкий спектр технических термопластов, но они также имеют значительно более высокую цену

СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ (SLA)

Стереолитография была первой в мире технологией 3D-печати, изобретенной в 1980-х годах и до сих пор одной из самых популярных технологий для профессионалов. SLA использует лазер для отверждения жидкого полимера в затвердевший пластик в процессе, называемом фотополимеризацией.

Детали SLA имеют наивысшее разрешение и точность, самые четкие детали и гладкую поверхность среди всех технологий пластиковой 3D-печати, но основное преимущество SLA заключается в ее универсальности. Изготовители материалов создали инновационные составы полимеров SLA с широким спектром оптических, механических и тепловых свойств, в соответствии со стандартными, инженерными и промышленными термопластами.

Детали SLA имеют острые края, гладкую поверхность и минимальные видимые линии слоев. В этом примере деталь была напечатана на настольном SLA 3D-принтере Formlabs Form2 (цена начинается с 3 499 долларов США).

SLA — отличный вариант для очень детальных прототипов, требующих жесткие допуски и гладкие поверхности, таких как формы, шаблоны и функциональные детали. SLA широко используется в различных отраслях промышленности от проектирования и дизайна продукции до производства, стоматологии, ювелирных изделий, моделирования и образования.

СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СПЕКАНИЕ (SLS)

Селективное лазерное спекание является наиболее распространенной технологией производства присадок для промышленного применения.

SLS 3D-принтеры используют мощный лазер для сплавления мелких частиц полимерного порошка. Неиспользованный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специализированных опорных конструкциях. Это делает SLS идеальным для сложных геометрий, включая внутренние поверхности, подрезы, тонкие стенки и отрицательные поверхности. Детали, изготовленные с использованием SLS-печати, имеют отличные механические характеристики, прочность которых напоминает детали, изготовленные методом литья под давлением.

Детали SLS имеют слегка шероховатую поверхность, но почти не имеют видимых линий слоев. В этом примере деталь была напечатана на настольном SLS 3D-принтере Formlabs Fuse1 (цена начинается с 9 999 долларов США).

Наиболее распространенным материалом для селективного лазерного спекания является нейлон, популярный инженерный термопластик с превосходными механическими свойствами. Нейлон легкий, прочный и гибкий, а также устойчивый к ударам, химикатам, теплу, ультрафиолетовому излучению, воде и грязи.

Сочетание низких затрат на партию, высокой производительности и установленных материалов делают SLS популярным выбором среди инженеров для функционального прототипирования и экономичной альтернативой литьевому формованию для производства с ограниченным тиражом или параллельного производства.

СРАВНЕНИЕ FDM, SLA И SLS ТЕХНОЛОГИЙ

Каждая технология 3D-печати имеет свои сильные и слабые стороны и требования и подходит для различных приложений и бизнеса. В следующей таблице приведены некоторые ключевые характеристики и особенности.

В следующей таблице приведены некоторые ключевые характеристики и особенности FDM, SLA, и SLS 3D-принтеров.

	Моделирование методом наплавления (FDM)	Стереолитография (SLA)	Селективное лазерное спекание(SLS)
Разрешение
Точность
Поверхность — Отделка
Пропускная способность
Сложные дизайны
Простота использования
Плюсы	Скорость Низкозатратные потребительские машины и материалы	Высокая стоимость Высокая точность Гладкая поверхность Разнообразие функциональных применений	Крепкие функциональные детали Свобода дизайна Нет необходимости в опорных конструкциях
Минусы	Низкая точность Низкие детали Ограниченная совместимость с дизайном	Средний объем построения Чувствительность к длительному воздействию УФ- излучения	Грубая поверхность Ограниченные варианты материала

Знакомство с производственной лабораторией передового производственного обучения

Formlabs доверяют лучшие преподаватели в США; 46 из 50 лучших университетов США работают на принтерах Formlabs. Читайте дальше, чтобы узнать, как преподаватель Джерри Шоу, использует 3D- печать в своей программе CTE (Профессионально-техническое образование) и Fablab.

В новой лаборатории в средней школе Сомервилля ученики учатся использовать современное производственное оборудование, от станков с ЧПУ до 3D-принтеров.

Почему важно внедрять в школы передовые инженерные и производственные курсы?

Одна из вещей, которые отсутствуют во многих средних школах, — это привычка думать о проекте с самого начала и до конца. Я одновременно вел физический и инженерный курсы. Студентам физического курса было бы скучно в лабораториях, тогда как в инженерном классе мы освещаем подобные концепции, и все же они хотели бы работать над ними. Позже я понял, что это разница между лабораториями и проектами: лаборатории имеют предписывающий поэтапный процесс, от которого Вы не можете отклоняться, тогда как в случае проектов у детей есть свой собственный творческий вклад. Такое волнение вокруг проектирования и создания помогает им лучше понять творческий процесс.

Кроме того, 3D-принтеры и лазерные граверы — это то, что многие дети никогда раньше не видели. Ими легко изначально увлечься, но потом я показываю им видео о том, как оборудование фактически используется в промышленности; что Вы можете фактически создавать 3D-прототипы, биомедицинские устройства, органы, даже пищу, и они уже «на крючке».

Сегодня производство выглядит значительно иначе, чем 10 лет назад. Школы и университеты по всему миру обучают студентов использованию современных технологий и процессов. На изображении показана мастерская средней школы Сомервилля.

Кроме того, многие традиционные рабочие места были потеряны из-за появления автоматизированных рабочих мест. Отчасти проблема заключается в том, что у нас нет людей, которые знают, как управлять этими новыми машинами; есть огромный спрос на эти навыки. До того, как мы создали Fabville, многие студенты умели изготавливать детали на старом оборудовании, но не с новыми способами производства, с цифровой технологией — использованием 3D-моделирования и CAD. Вот что сейчас необходимо. Большинство моих нынешних студентов уже получили работу. У меня есть работодатели, которые постоянно спрашивают меня, есть ли у меня кто-нибудь, кто знает, как управлять ЧПУ или системами цифрового 3D-моделирования

Чем отличается модель CTE Сомервилля и как Вы ее видите?

Половина моих учеников идет в колледж, а половина — на работу. Предубеждение, которое существовало в отношении профессиональных программ, исчезло, особенно в Массачусетсе. В начале 90-х годов государство сделало гигантский акцент на профессиональном техническом образовании, с целью довести его до высоких стандартов и реализовать более академический подход.

Я пошел в колледж изучать проектирование для инженерии и никогда не учился на профессионально- техническом уровне. Я не знал, что такое инженер, когда я окончил среднюю школу, потому что таких возможностей там не было. В технике или дизайне очень много людей, которые не знают, как работать с этими машинами или как их проектировать. Они знают теоретически, но не физически. Я думаю, именно поэтому необходимо понять, что сейчас многие дети не воспринимают программы CTE в качестве барьера для колледжа; 70 процентов наших первокурсников зарегистрировано в CTE.

На последнем году обучения, студенты, зачисленные на курс передового производства программы CTE старшей школы Сомервилля, знают, как использовать все машины.

Все первокурсники, которые зачисляются, проходят нашу исследовательскую программу, где каждый студент тратит несколько недель на обзор по всем программам CTE — от косметики до передового производства. В моей мастерской некоторые старшекурсники помогают в обучении первокурсников, помогая им в использовании 3D-принтеров и т.д. Мы показываем им конкретные проекты, что такое мастерская, и какие пути карьеры они могут выбрать. В четвертом семестре первокурсники выбирают три профиля и затем переходят в одну программу на следующие четыре года. Еще одна приятная вещь заключается в том, что за это время растет близость детей и сообщество с учителями и сокурсниками. Это как быть частью клуба в школе. Есть чем гордиться.

Есть много модных слов для школ, которые привносят новые технологии в общие пространства — производственные площадки, производственные лаборатории, инновационные центры и т.д. В чем разница?

Половина моих учеников идет в колледж, а половина — на работу. Предубеждение, которое существовало в отношении профессиональных программ, исчезло, особенно в Массачусетсе. В начале 90-х годов государство сделало гигантский акцент на профессиональном техническом образовании, с целью довести его до высоких стандартов и реализовать более академический

Я пошел в колледж изучать проектирование для инженерии и никогда не учился на профессионально- техническом уровне. Я не знал, что такое инженер, когда я окончил среднюю школу, потому что таких возможностей там не было. В технике или дизайне очень много людей, которые не знают, как работать с этими машинами или как их проектировать. Они знают теоретически, но не физически. Я думаю, именно поэтому необходимо понять, что сейчас многие дети не воспринимают программы CTE в качестве барьера для колледжа; 70 процентов наших первокурсников зарегистрировано в CTE.

Давайте поговорим об этом примере. Как 3D-печать вписывается в Ваш учебный план?

Во многих случаях трехмерная печать выполняется быстрее, но в целом отлично подходит для прототипирования. Мы можем взять 3D-модель, отправить ее на машину и посмотреть, как она будет построена более доступным способом. Если это именно то, что мы хотим, мы затем используем нержавеющую сталь, которая немного дороже, и тратим время на производство модели из нее.

Я также использовал 3D-печать для обучения 3D-моделированию, поскольку 3D-печать — это весело и привлекательно, это стимул для студентов изучать CAD. Студенты учатся 3D-моделированию с использованием SolidWorks или Inventor, но через некоторое время это может стать скучным, потому что Вы просто работаете на компьютере, поэтому мы создаем их фактическую физическую часть, используя 3D-печать. Затем студенты используют измерительные инструменты для двойной проверки и чтобы убедиться, что все напечатано правильно; изучают аспекты контроля качества. В этот момент мы попадаем на производственную площадку.

Помимо этого, 3D-печать является основным инструментом для решения множества проблем. Итак, вы объясняете, как использовать ее структурированным способом с 3D-моделированием, а затем позже это такой же инструмент, который можно использовать для решения любой другой проблемы, как и пила. Это помогает студентам понять, как использовать технологии в контексте, а затем, если у них есть свои собственные идеи, они могут вернуться и работать над ними. Все мои старшекурсники в целом знают, как использовать все оборудование, которое у нас есть.

Шоу использует 3D-печать в качестве инструмента для создания прототипов, а также для обучения ценным навыкам CAD и 3D- моделирования, и обнаружил, что студенты более активно участвуют, когда они могут воплотить свои проекты в жизнь.

Помимо обычной учебной программы, мы используем Fabville, аналогично тому, с чем мы встретимся на рабочих местах. Вот проблема, Вы должны решить ее. Например, ручка парового стерилизатора в косметологическом магазине сломалась и откололась. Один из моих учеников поднялся туда и измерил все, разработал 3D-модель для ручки, и узнал, что ручка должна быть очень точной, чтобы вписаться в пространство в машине, поэтому он решил распечатать ее с помощью нашего Formlabs 3D-принтера.

Студенты курса передового производства выполняют работы для других отделов и курсов CTE, таких как создание плакатов, изображенных выше для программы кулинарного искусства.

Что Вы видите в качестве препятствий для преподавателей, применяющих новые технологии, и как Вы находите ресурсы или вдохновение?

Несмотря на то, что у меня есть инженерный опыт, у меня нет опыта во всей инженерии или всей 3D- печати. Я ничего не знал о 3D-печати, пока несколько лет назад не столкнулся с ней.

Один из ресурсов, которыми я пользуюсь, — это teachengineering.org, , сайт, созданный группой педагогов-инженеров, которые объединились вместе, понимая, что не существует достаточно много ресурсов, чтобы поделиться тем, что мы делаем. Другой способ — это просто сотрудничество с педагогами по проектированию в целом, общение с людьми в отрасли, чтобы увидеть, что там используется. Даже просто можно сходить в Музей науки, увидеть идеи, которые у них есть, и подумать: «Как я могу интегрировать это в свой класс?» Также можно просто создать идеи учебного плана и уроков для начала. Многие люди не имеют опыта проектирования или создания с этим оборудованием, поэтому, планы уроков, которые направляют их или помогают им узнать, что важно искать, может быть огромной помощью. Загрузите план уроков старшей школы Сомервилля

“Принципы 3D-моделирования и 3D-печати” и подпишитесь на нашу новостную рассылку для получения обновлений, поскольку наша библиотека планов уроков растет.

После школы, Fabville и программы переподготовки машинного цеха в партнерстве с местным консорциумом по производству.

Какие другие виды программ поддерживает Fabville? Как площадка вписывается в сообщество?

Это наш первый год, поэтому мы усиливаем работу, чтобы настроить все эти программы. Идея состоит в том, что люди, которые не всегда чувствуют себя комфортно, создавая вещи или работая на машинах, но хотят узнать об этом, моли прийти сюда и получить эти знания и опыт. Безработные могут здесь научиться навыкам, таким как 3D-моделирование, которые помогут им вернуться в рабочую среду. Здесь, в механическом цехе, мы фактически сотрудничаем с местным производственным консорциумом, который приводит людей, которые были уволены, в классы механической обработки, чтобы они могли получить работу на актуальных вакансиях.

Что касается самого Сомервилля, мы надеемся, что цель в этом направлении состоит в том, что все больше людей, желающих создать свой собственный бизнес, даже некоторые из наших студентов с бизнес-идеями, могут начать именно здесь. Наша роль заключается не в том, чтобы усиливать или заменять то, что делают другие центры производственного обучения или производственные площадки района, а создавать стартовую площадку для людей, которым некомфортно заниматься в местах, где работает много людей; это безопасная среда, чтобы не спеша узнать, как использовать машины, а затем перейти к другой площадке или сразу перейти к созданию бизнеса.

Что будет дальше для Fabville?

Одним из величайших аспектов будущего является наша новая средняя школа, которая только что получила одобрение. В новом учреждении механический цех и производственная лаборатория будут рядом друг с другом, у нас будет несколько машин, которые облегчат работу, таких как электронный текстиль, и все отделы CTE также будут перемешаны по всей средней школе.

Мы также будем стремиться внедрить некоторые робототехнические и мехатронные программы, а также научим студентов создавать роботов и внедрять их в производственные процессы.

Планы уроков

Следующие планы были написаны, использованы и проверены в классах аккредитованными преподавателями по всей Северной Америке. Скачайте эти уроки и используйте их так, как они есть, или используйте их как вдохновение для интеграции 3D-печати в один из Ваших собственных учебных планов.

ПЛАН УРОКА FORMLABS

Принципы 3D-моделирования и 3D-печати

Стартовая площадка для создания объектов с использованием автоматизированного проектирования (CAD) и 3D-печати с уроками дизайна для производства.

Formlabs «Innovate & Educate Challenge» приглашает преподавателей по всей стране разрабатывать и делиться планами уроков, которые способствуют творческому мышлению и практическому обучению посредством трехмерной печати. Благодаря тем, кто присоединился, мы можем делиться с более широким учебным сообществом бесплатными ресурсами, посвященными знакомству студентов с богатым, захватывающим опытом.

Узнайте больше о нашей растущей библиотеке планов уроков.

Пропустили вызов, но у Вас есть инновационный план уроков, которым Вы хотели бы поделиться? Дополнительную информацию можно найти по адресу formlabs.com/innovate-and-educate-challenge

План урока проверен и представлен:

ПЕДАГОГ

Джереми Шоу

ОРГАНИЗАЦИЯ

Средняя школа Сомервилля

МЕСТОРАСПОЛОЖЕНИЕ

Сомервилль, Массачусетс, США

КОНТАКТЫ

jshaw@k12.somerville.ma.us

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Принципы 3D-моделирования и 3D-печати создают связи между знакомой декартовой системой координат и объектами моделирования в трех измерениях с компьютерным программным обеспечением. Эти мероприятия будут бросать вызов тому, как ученики думают о повседневных предметах, сначала переводя их в планарные прогнозы. Студенты испытают полный цикл проектирования, от мозгового штурма и проведения измерений, до моделирования, 3D-печати и анализа их продуктов. Этот урок предоставит студентам практические основы CAD, 3D-печати и дизайна для производства.

ЦЕЛИ

• Узнать о математических рамках для моделирования объектов в двух измерениях и трех измерениях
• Узнать, как моделировать объекты с помощью CAD
• Узнать о дизайне для производства

ПРЕДЛАГАЕМАЯ АУДИТОРИЯ

Студенты 8-12 классов или начинающие 3D-дизайнеры

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ И ОТРАСЛИ

Применимые темы

• математика
• инженерия
• дизайн продукта
• производство

Применимые отрасли

• исследования и образование
• проектирование и дизайн продукции
• создание моделей и развлечения
• производство

ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ

ОБЗОР УРОКА

5 мин	Задачи к немедленному выполнению	Сфера Студенты будут создавать прогноз о том, как программное обеспечение 3D- моделирования используется для создания сферы.
40 мин	Основание	Описание 2D и 3D-пространства. Студенты знакомятся с 2D векторами и 3D-векторами, как средством понимания математических корней программного обеспечения для 3D- моделирования
3 ч	Исследование	Основы CAD Студенты будут ознакомлены с базовыми концепциями перевода 2D- эскизов в 3D-модели и изучат основы программного обеспечения CAD.Моделирование с использованием CAD Студенты создадут две  модели  (шестигранный кубик и кегли для игры в боулинг), используя размеры, которые они найдут самостоятельно. Они будут создавать сборки, если позволит время.Lego-задача Студенты будут ознакомлены с производством с использованием 3D-принтеров и будут проектировать, моделировать и печатать пользовательскую деталь, которая соединяется со стандартной деталью Lego.
30 мин	Ретроспектива	Точность Класс проверяет печатные фигуры и анализирует разницу размеров между их дизайнами и их конечными продуктами.
5 мин	Закрытие	Перспективы Класс обсудит производственные, стоимостные и другие последствия прецизионной обработки и важность проектирования с учетом конкретных машин.

УПРАЖНЕНИЕ ОДИН

5 мин	Задачи к немедленному выполнению
	Попросите учащихся записать свой прогноз того, как компьютерное программное обеспечение (CAD) используется для моделирования сферы.

УПРАЖНЕНИЕ ДВА

5 мин

Основание

Представьте ученикам актуальность 3D-моделирования в повседневной жизни (см. ниже). Предоставьте студентам справочную информацию о векторах, плоскостях и декартовой системе координат, как они относятся к 3D-моделированию с помощью программного обеспечения CAD (см. ниже). Двумерная декартова система: На доске нарисуйте координатную плоскость X, Y с отметками масштаба. Нарисуйте вектор (V = 4,5) в квадранте I и разложите вектор на его X (Vx = 4,0) и Y (Vy = 0,5) компоненты, где Vx + Vy = V  Нарисуйте три дополнительных вектора (стрелки) на доске и попросите учащихся разложить их на их компонентные векторы. Совет: Каждый вектор является диагональю прямоугольника. Понимание того, как математически определять вершины прямоугольника, очень поможет построению векторов в трехмерной декартовой системе. ВЕРШИНА X Y ОПИСАНИЕ V = 4, 5 1 0 0 начало 2 4 5 вектор 3 4 0 x-компонент 4 0 5 y-компонент Трехмерная декартова система: На доске нарисуйте координатную плоскость X, Y, Z с отметками. Пройдите через шаги построения вектора (V = 3, 2, 4) с помощью прямоугольной призмы (см. совет выше).  ВЕРШИНА X Y Z ОПИСАНИЕ V = 3, 2, 4 1 0 0 0 начало 2 3 2 4 вектор 3 3 0 0 x-компонент 4 0 2 0 y-компонент 5 0 0 4 z-компонент 6 3 2 0 xy-вершина 7 0 2 4 yz-вершина 8 3 0 4 xz-вершина Предоставьте учащимся несколько векторных координат (x, y, z) и проинструктируйте их по построению векторов (V, Vx, Vy, и Vz) с использованием декартовой системы координат, как показано. например (10, 10, 10), (5, 10, -5), (1, 3, 8).

ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3D моделирование — это инструмент визуализации и аналитики с множеством целей и преимуществ. Моделирование позволяет передавать идеи, структурную осуществимость проектов, которые будут проверяться с помощью симуляций, а детали и сборки должны быть итерационно улучшены до изготовления.

Например, в течение нескольких дней деталь может быть смоделирована с программным обеспечением автоматизированного проектирования (CAD), ее физические свойства могут быть проанализированы с использованием реальных сил, и инженеры могут обновить модель по мере необходимости. Моделирование экономит компании ценное время, деньги и ресурсы и является неотъемлемой частью автомобильной, оборонной, инженерной, модной, архитектурной, энергетической, игровой, развлекательной и медицинской промышленности.

Векторы и плоскости позволяют 2D-компьютерам визуально представлять

3D-среды. Вектор, часто представленный стрелкой, представляет собой  геометрический объект с двумя свойствами: длиной и направлением.  Плоскость — двухмерная поверхность, которая простирается бесконечно далеко.  Рассмотрим декартову систему координат для трехмерного пространства. Система координат состоит из трех пересекающихся, парных перпендикулярных плоскостей. Пересечения этих плоскостей становятся осями для каждого направления: X, Y и Z. CAD часто отображает декартовы плоскости в качестве опорных направляющих. Начальной точкой в CAD является пустое рабочее пространство, которое в случае Onshape отображает трехмерные декартовы плоскости.

Подумайте, как Вы нарисуете первую линии детали в программе CAD, на фронтальной плоскости и начните с начала координат. Недостаточно просто нарисовать линию и двигаться дальше. Вы должны сообщить компьютеру длину этой линии (например, 50 мм). 50-миллиметровая линия, начинающаяся в начале координат, все еще может перемещаться, потому что она не полностью определена. Ей нужно направление (или угол). Только когда эта линия имеет заданную длину и направление, когда она является вектором, она будет полезна в трехмерной модели.

УПРАЖНЕНИЕ ТРИ

3ч мин

Исследование

Объясните студентам принципы геометрического и физического моделирования. Демонстрируя программу CAD, объясните студентам процесс преобразования 2D-эскизов в 3D-объекты (выдавливание, вращение). Дополнительно: Нарисуйте простую форму на доске (например, круг) и спросите учеников, что можно сделать с кругом, чтобы превратить его в разные трехмерные фигуры. Аналогичным образом составите список общих трехмерных фигур (например, сферу, диск, конус, куб, купол) на доске и спросите учащихся, как 2D-формы могут использоваться для моделирования каждой из них. Покажите учащимся несколько изображений CAD деталей, которые были выдавлены, и несколько вращающихся, и попросите учащихся нарисовать основополагающий эскиз для каждого.  Обсудите дополнительные инструменты, обычно доступные в программах CAD (например, развертка, увязка, закругление и фаска и т.д.), а также возможности рендеринга Познакомьте учащихся с командной структурой программы Попросите студентов создать модель шестигранного кубика(используя либо точки, либо цифры).  Попросите студентов создать модель кегли для боулинга (подсвечник или кегля) с красными полосками! Дополнительно: Попросите учащихся также создать шар для боулинга и дорожку для боулинга,  а также собрать кегли и шар на дорожке.

ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3D-моделирование основано на принципах геометрического моделирования и моделирования сплошных тел. Геометрическое моделирование включает в себя представление объектов по уравнениям, тогда как моделирование сплошных тел включает в себя определение значений (длины, углы и другие пространственные отношения) внутри объекта.

Например, компания создала модель для велосипеда. Эта геометрическая модель определяется набором уравнений, так что раму можно масштабировать в зависимости от высоты разных велосипедистов. Как только высота велосипедиста будет известна, геометрическая модель (основанная на уравнениях) может быть преобразована в модель сплошного тела (полностью определенную).

2D до 3D Процесс проектирования 3D-моделирования начинается с 2D эскиза. Рассмотрите цилиндрическую часть, втулку, в модели велосипедной рамы.

CAD-модель в елосипедной рамы. CAD-модель велосипедной рамы с выделением цилиндрической части, называемой «втулкой».

Существует два основных способа моделирования этой втулки. Она может быть выдавлена из круга или прокручена из треугольника. Выдавливание можно рассматривать как «вытягивание» или «растяжение» формы в определенном направлении; вращение — это процесс поворота эскиза вокруг оси.

Исследуйте дополнительные инструменты как развертывание,увязка, скругление и фаска ипрочие.

Типы файлов Существует несколько файлов деталей, которые связаны с файлами CAD: файлы деталей, сборочные файлы, файлы чертежей и файлы, которые могут быть прочитаны 3D-принтерами (файлы .STL). Чертеж основан на детали и изображает 2D вид и размеры детали. Эти чертежи могут быть переданы рабочим, например, которые используют чертеж в качестве руководства для того, что делать. Детали могут быть объединены в группы деталей или сборок.

Пример чертежа, созданного в CAD программе Onshape.

Финишные штрихи

В дополнение к моделированию формы объектов внешний вид объектов также может быть настроен. Модель стеклянной столешницы можно отредактировать, чтобы она выглядела как стеклянная столешница. Можно создать рендеринг стеклянного стола в офисе, с появлением естественного света, проходящего через окна.

УКАЗАНИЯ

1. 3D-печать Объясните учащимся, как работает стереолитографическая печать (SLA), а также предоставьте демонстрационную версию.
2. Задача Предоставьте каждому ученику несколько стандартных деталей Опишите студентам следующее занятие: дизайн, 3D-модель и 3D-печать пользовательской детали Lego. Например, это может быть мебель для фигурок, животное или специализированная часть здания. 
3. Ограничения Опишите критерии дизайна:
   • Пользовательская деталь должна быть сочетаемая с фигурой Lego
   • Деталь должна помещаться в куб стороной 40 мм
   • Файл CAD должен быть в метрических единицах
   • Минимальная толщина детали = 2 мм
   • Добавьте дополнительные критерии, соответствующие вашему классу.
4. Вариант один Позвольте студентам набросать несколько дизайнерских идей.
5. Дизайн для печати Объясните дополнительные нюансы проектирования для 3D-принтера. Некоторые примеры включают в себя: оптимальную ориентацию деталей, соображения в отношении допусков и роль материала опоры.
6. Обратная связь Предоставьте студентам обратную связь по дизайну, особенно если дизайн может быть адаптирован для дополнительной поддержки 3D-печати.
7. Вариант два Попросите учащихся изменить свой выбранный дизайн на основе обратной связи.
8. Рисуем Lego Попросите учащихся набросать изометрический вид детали Lego, с которой будет работать их пользовательская деталь. Попросите учащихся оставить один пробел для каждого измерения.
9. Размеры Обеспечьте студентов измерительными инструментами (линейками, шаблонами, микрометрами) для выполнения их чертежей Lego со всеми размерами.
10. CADПомогайте студентам в процессе изготовления 3D-модели их пользовательских частей
11. PreForm Помогите учащимся подготовить свои файлы .STL в PreForm для оптимальной печати.
12. Печать деталей. Обучайте студентов посредством трехмерной печати и последующей обработки их деталей.

УПРАЖНЕНИЕ ЧЕТЫРЕ

30 мин

Ретроспектива

Измерения Попросите учащихся измерить все размеры их печатных деталей, используя соответствующие измерительные инструменты и создать маркированный чертеж их детали. Анализ Ожидается, что не все проектные размеры совпадут с фактическими измерениями. Попросите учащихся выполнить каждый анализ размеров, сравнив их проектные значения с их фактическими значениями и выдвинув гипотезу о причинах расхождений

УПРАЖНЕНИЕ ПЯТЬ

5 мин

Закрытие

Ретроспектива Попросите учащихся рассмотреть последствия изготовления точных деталей на машине (3D-принтер), скорость печати, стоимость детали и любые другие релевантные факторы? Исходные положения Из-за ряда факторов (принтер, метод печати, стоимость машины, возраст машины) прототипированные детали не будут точно соответствовать их 3D-моделям. Точность принтера может меняться с точки зрения горизонтального разрешения (разрешение XY) и вертикального разрешения (толщина слоя). Чем меньше движения принтер может выполнить на осях X и Y, тем меньше толщина слоя, тем более гладкой и точной напечатанная поверхность. будет. Обратите внимание, что существует компромисс между временем и стоимостью с более высокой точностью. SLA 3D- принтеры могут создавать объекты с высоким разрешением. Их разрешение напрямую связано с оптическим размером пятна лазера, который составляет 140 мкм для Form 2. Преимуществом 3D-печати является возможность быстрой итерации. После определения различий между конструкциями и фактическими деталями конструкция может быть изменена для улучшения точности детали.

ПЛАН УРОКА FORMLABS

Dodecahedron

Художественное исследование связей между нашим 3D-миром и 2D-методами визуализации

Formlabs «Innovate & Educate Challenge» приглашает преподавателей по всей стране разрабатывать и делиться планами уроков, которые способствуют творческому мышлению и практическому обучению посредством трехмерной печати. Благодаря тем, кто присоединился, мы можем делиться с более широким учебным сообществом бесплатными ресурсами, посвященными знакомству студентов с богатым, захватывающим опытом.

Узнайте больше о нашей растущей библиотеке планов уроков.

Пропустили вызов, но у Вас есть инновационный план уроков, которым Вы хотели бы поделиться? Дополнительную информацию можно найти по адресу formlabs.com/innovate-and-educate-challenge

План урока проверен и представлен:

ПЕДАГОГ

Крис Слоан

ОРГАНИЗАЦИЯ

Science Visualization

МЕСТОРАСПОЛОЖЕНИЕ

Камберленд, Мэриленд, США

КОНТАКТЫ

chris.sloan@sciencevisualization.com

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Dodecahedron использует комплект 3D-печати, чтобы познакомить студентов с практическими методами перевода трехмерных объектов в двумерное пространство.

Урок охватывает исторические связи с известными мнениями и методами в отношении ортогональных представлений, линейных перспективных чертежей, геометрии додекаэдра, золотой пропорции и последовательности Фибоначчи. Студенты совершат путешествие из предренессансной школы мышления, рассматривая, как вклад Да Винчи сформировал то, как мы изображаем наш мир, к нововведениям, благодаря возможностям 3D-моделирования.

ЦЕЛИ

• Узнайте о переводе трехмерных объектов в два измерения
• Узнайте о платоновых твердых телах
• Узнайте о геометрических пропорциях в природе и в дизайне
• Узнайте о проективной геометрии

ПРЕДЛАГАЕМАЯ АУДИТОРИЯ

Учащиеся 6-10 классов

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ И ОТРАСЛИ

Применимые темы

• Математика
• Изобразительное искусство
• Проектирование

Применимые отрасли

• проектирование и дизайн продукции
• исследования и образование
• создание моделей и развлечений

ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ

ОБЗОР УРОКА

5 мин	Задачи к немедленному выполнению	Задача создания эскиза Студенты попытаются перевести свое представление о 3D-печатном додекаэдре в бумажный эскиз.
10 мин	Основание	Исходная информация Опишите студентам «рационализацию пространства» и ее связи со многими отраслями, включая 3D-моделирование, анимацию, архитектуру, игровой дизайн, изобразительное искусство и технику.
30 мин	Исследование	Проекции Используя 3D-комплект Dodecahedron Kit, направляйте учеников через построение чертежа более точного додекаэдра. Используйте «проекционный блок», чтобы объяснить принципы ортогональных представлений как способ перевода трехмерного пространства.Золотое сечение Проведите студентов через исследование пропорций (Золотое сечение), присущих додекаэдру и их связи с ортогональными видами. Ознакомьте студентов с построением Золотого сечения и направляйте х, чтобы создать одну грань додекаэдра (пятиугольник).Перспективный чертеж Объясните разницу между ортогональными проекциями и перспективными чертежами. Научите учащихся, как использовать Dodecahedron Kit, чтобы создать перспективный чертеж додекаэдра.
10 мин	Ретроспектива	Соединение точек. Класс будет делиться своими творениями и обсуждать другие подходы к разработке ортогональных представлений других объектов.
6 мин	Закрытие	Перспективы Обсудите релевантность 3D-концепций, изученных на этом уроке, в понимании нашего мира и в стимулировании инноваций во многих отраслях.

УПРАЖНЕНИЕ ОДИН

5 мин

Задачи к немедленному выполнению

Раздайте один 3D печатный додекаэдр каждому учащемуся (или группе студентов). Проведите интерактивную групповую дискуссию касательно геометрии додекаэдра. Объясните, что процесс построения объектов преобразует трехмерное пространство в двумерное пространство. Предложите студентам нарисовать додекаэдр, используя 3D-печатную модель в качестве образца.  Советы: Будьте обнадеживающими, это сложная задача. Подумайте о подсказках, которым Вы их научите или «трюках» для построения трехмерных фигур. Приведите примеры того, почему способность переводить трехмерные геометрии в два измерения — важный навык.

Геометрия и история додекаэдра

Додекаэдры являются одним из пяти платоновых твердых тел, описанных 2400 лет назад греческим философом Платоном. Они характеризуются краями одинаковой длины и лицами одинаковой формы и являются строительными блоками нашего трехмерного мира. Додекаэдры имеют 20 ребер равной длины и 12 пятиугольных граней. Другие платоновые твердые тела: куб, тетраэдр, октаэдр, икосаэдр.

Другие направления исследования: Платон,Платоновы тела,Архимедовы твердые тела.

УПРАЖНЕНИЕ ДВА

10 мин

Основание

Просмотрите эскизы учащихся и отметьте, что многочисленные ребра и грани додекаэдра могут сделать форму запутанной для построения. Опишите, что художники доренессансной эпохи также испытывали трудности в переводе трех измерений в двумерное пространство. Покажите и обсудите картину Лоренцетти. Покажите студентам рисунки додекаэдров двух художников (да Винчи и Дюрера). Обсудите взаимосвязь геометрии, естествознания и искусства, используя в качестве примера сотрудничество между Пачоли и да Винчи Представьте концепцию «рационализации пространства» и «проекционной геометрии» в контексте «перспективной машины» Дюрера.

Влияние Ренессанса

Ренессанс (1300 — 1600) был переходным периодом для понимания того, как представлять 3D-объекты в 2D. Картина Амброджо Лоренцетти изображает нереалистичную перспективу. Художники и математики эпохи Ренессанс, тем не менее, работали вместе, чтобы понять и изобразить трехмерное пространство. Среди этих художников был Леонардо да Винчи, который подготовил рисунки платоновских тел для математика Лука Пачоли. Точно так же Альбрехт Дюрер был очарован связью геометрии, естествознания и искусства. Художники, такие как Дюрер, обнаружили, что трехмерное пространство можно спроектировать на 2D-поверхности предсказуемым образом. Его образ художников, использующих «перспективную машину», иллюстрирует один способ «рационализировать пространство». Это было началом проективной геометрии, которая используется во многих областях STEAM и по сей день.

Другие направления исследования:Лоренцетти,Пачоли,Да Винчи,Дюрер.

УПРАЖНЕНИЕ ТРИ

30 мин

Исследование

Помогите ученикам создать свои наборы с додекаэдром посередине и с ацетатным листом («Плоскость изображения»), прикрепленным к стороне куба («Проекционный блок »), который перпендикулярен столу. Закрепите Проекционный блок на столе лентой. Попросите учащихся удерживать маркер в их основной руке, а Eyepoint Stick — в другой руке. Попросите учащихся взглянуть на додекаэдр на уровне глаз, удерживая Eyepoint Stick вертикально и на полпути между их глазами и плоскостью изображения. Попросите учеников закрыть один глаз, выровняйте верхнюю часть Eyepoint Stick с вершиной додекаэдра и тщательно перенесите додекаэдр на плоскости изображения. Проективная геометрия - это процесс перевода трехмерного объекта на двумерную плоскость. Ортографические проекции - это один из способов использования проективной геометрии. Вид или «проекция» додекаэдра различаются в зависимости от угла обзора. Когда додекаэдр находится внутри Проекционного блока, есть три различных параллельных вида - по одному на измерение. Это объясняет, почему для описания трехмерного объекта требуется три ортогональные проекции Линейная перспектива - это еще один способ использования проективной геометрии. Этот метод использует коническую проекцию, а не параллельную проекцию для преобразования 3D в 2D. Линейная перспектива помогает художникам подражать тому, что видит человеческий глаз.Художники эпохи Возрождения использовали оба метода в качестве инструментов для изображения трехмерного пространства способами, которые раньше никогда не были возможными. Просмотрите чертежи конической проекции учащихся. Объясните учащимся, что полные ортогональные проекции должны позволять создать объект в физической форме. Спросите студентов, как они подходят к созданию точных ортогональных проекций. Используйте измерительные палочки, чтобы привести реальный пример последовательности Фибоначчи и Золотого сечения.. Попросите студентов сгруппировать свои Измерительные палочки по длине. Есть две маленькие (s), три средних(m) и две большие (l) палочки. Изучите со студентами взаимосвязь между последовательностью Фибоначчи и Золотым сечением.s + s = m аналогично 1 + 1 = 2 Спросите студентов, какова будет следующая длина палочки в последовательности.s + m = l Попросите учащихся найти пропорции Золотого сечения o в додекаэдре.s = ребро додекаэдраm = диагональ пятиугольной граниl = расстояние между центрами пятиугольника Укажите некоторые примеры и применения в реальном мире Золотого сечения.Golden Ratio Геометрия пятиугольников и додекаэдров связана с Золотым сечением, феноменом, о котором друг Леонардо, Лука Пачоли, написал целую книгу. На протяжении столетий художники, математики и ученые считают это число очень интересным из-за его повсеместного присутствия в природе.Последовательность Фибоначчи Золотое Сечение связано со специальной последовательностью чисел, в которой Вы начинаете с двух чисел, и каждое последующее число равно сумме двух предыдущих чисел.например 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89,…По мере продвижения последовательности результат деления одного числа в последовательности на предыдущее (например, 89/55) сходится на иррациональном числе, phi = 1,618 …, которое называется Золотым сечением.Самоподобие - ключевое свойство Золотого сечения. Числа в последовательности Фибоначчи имеют эти общие пропорциональные отношения.  Попросите учащихся сделать два разных золотых прямоугольника с помощью измерительных палочек. Изучите соотношение с последним упражнением. Проведите учеников по построению золотого прямоугольника, используя компас и линейку Установите компас в радиус ‘r’ Нарисуйте круг радиусом‘r’ Используйте линейку, чтобы нарисовать квадрат в верхнем правом квадранте круга Используйте линейку, чтобы найти среднюю точку на нижней стороне квадрата.Проведите учеников по построению золотого прямоугольника, используя компас и линейку.  Используйте линейку, чтобы соединить эту середину с верхним правым углом квадрата Установите компас на расстояние последней нарисованной линии. Нарисуйте новый круг, с началом в предыдущей средней точке от шага ‘d.’ Протяните нижнюю сторону квадрата к правой стороне нового круга. Затем нарисуйте две отсутствующие стороны Золотого прямоугольника. Представьте две ортогональные проекции додекаэдра для студентов (Боковая и Верхняя в этом примере). Объясните, как две ортогональные проекции могут быть использованы для создания линейной перспективы додекаэдра. Пояснение ортогональной проекции «Проекция плоскости изображения» показывает пересечение двух видов (сверху и сбоку) того же додекаэдра. «Плоскость изображения» получает коническую проекцию. В этом случае есть две плоскости изображения: одна с бокового вида и одна с фронтального вида. В каждом из двух видов точки додекаэдра переводятся на проекцию плоскости изображения. Именно пересечение этих представлений освещает 2D-изображение, «линейный перспективный чертеж», 3D-додекаэдра.  Редуктор 3D-смоделированный в программном обеспечении CAD.

УПРАЖНЕНИЕ ЧЕТЫРЕ

10 мин

Ретроспектива

Контролируйте работу учеников, их понимание того, что такое додекаэдр и как Проекционный блок позволил им создавать ортогональные проекции, которые затем помогали в создании линейного перспективного чертежа. Обсудите со студентами трудности при создании перспективного представления более сложных объектов и ландшафтов. Обсудите, как сегодня обрабатываются 3D-данные: компьютерное проектирование (CAD), 3D-сканирование, создание модели на основе фотограмметрии. Достижения в области компьютеров и программного обеспечения значительно улучшили двусторонний перевод между двумерными и трехмерными объектами. Выделите следующий шаг, на котором 3D-печать позволяет оживить трехмерные модели! Интересный факт Так же, как программное обеспечение 3D-печати создает 2D-сложенные слайды трехмерных деталей, 500 лет назад Альбрехт Дюрер также исследовал эту концепцию «срезов» как способ создания точных перспективных рисунков людей.

УПРАЖНЕНИЕ ПЯТЬ

5 мин

Закрытие

Проведите мозговой штурм со студентами, обсудите профессии, которые могут потребовать знаний 3D пространства. Опирайтесь на идеи студентов, путем ссылки на дисциплины, которые относятся к этим карьерам. Некоторые примеры курсов: искусство, информатика, инженерия, геометрия, деревообработка, машинный цех, фотография, игровой дизайн и многое другое. Мы надеемся, что этот план уроков был полезным взглядом на применение настольных SLA в классе! Если Вы заинтересованы в том, чтобы перенести план в свой класс,загрузите файл .STL для комплекта Dodecahedron Kit.