Tam STEAM İleride! Sonsuzluğa ve Ötesine: 11 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Alicia Blakey ve Vanessa Krause Arasında Bir İşbirliği

Fibonacci kim?

Alicia'nın tasarımına (iç içe geçmiş planet dişliler) dayanarak, dik konumda görüntülenebilen çalışan bir dişli sistemi oluşturmaya çalışmak için işbirliği yapmaya karar verdik. İdeal olarak, izleyicilerimizin kendilerini rahat hissetmelerini ve bu tasarımla etkileşime girmeye mecbur bırakılmalarını istiyoruz. Bu belgede özetlenen çeşitli yöntemleri kullanarak, tasarım sürecinden ve matematiksel sorunlar, mantık ve malzeme seçimlerinde nasıl mücadele ettiğimizden bahsedeceğiz.

Çöpe at

Matematiğe meyilli kardeşlerimizi yardıma çağırmak: Kardeşim Joey, nasıl kullanılacağına dair hiçbir açıklama yapmadan bana bir Binet Formülü gönderdi. Ona mesaj atıp "Hey Joey, bana açıklayabilir misin?" dediğimde. "Hangi kısım?" diye cevap verdi.

Kesinlikle matematiksel bir eğilimim olmadığı için Alicia'nın kardeşi Merrick'ten yuvalama dişlilerini yapmak için formülün nasıl uygulanabileceğini açıklamasını istedik. Bunu çözmek için yaklaşık on dakika harcadı, “evet, işe yarıyor” diyerek yanıt verdi ve ardından “gitmeliyim” dedi ve bize hiçbir yanıt ve çevrilmiş formül bırakmadı.

Sorgumuzun cevabını aramak için 30 dakika daha harcadık…

İnternetin Cevapları Var

Binet Engelini aşmak için, bilmecemizi çözmeye yönelik cevaplar ve öneriler için interneti araştırmaya karar verdik. Uyumlu dişliler oluşturabilen birkaç site bulduk.

Bu sitelerden bazıları şunlardır:

Dişli Jeneratör Planet

Dişli Katalizörü

Bu projenin matematiksel yönlerine yardımcı olacak bu dişli oluşturuculara sahip olduğumuzda, bu dişlilerin çizgi versiyonlarını oluşturmak için Adobe Illustrator'a geçtik. Alicia, 100 McCaul RP merkezinde her bir teçhizatı Lazer Kesicilerle uyumlu hale getirmeye odaklandı. Matematiğin doğru şekilde hizalanmasını sağlamak için ilk kesim için Baltic Birch ⅛” kontrplak kullanmaya karar verdik. Alicia, bu dişlilerin potansiyel olarak neye benzeyebileceğine dair 3 küçük maket yaptı. Her yinelemede, lazer kesicinin küçük dişli sistemlerinden çok az veya çok fazla çekmesi ile ilgili sorunlar vardı, bu nedenle artık etkili bir şekilde kenetlenip dönmeyeceklerdi (hem akrilik hem de kontrplak (⅛”) kullandı. Bu süreç sinir bozucu, ancak bu proje için lazerle kesmenin sınırlarını anlamamıza yardımcı oldu.

Prof En İyisini Bilir

Alicia ve ben çok inatçıyız ve iç içe dişliler bilmecesini çözmeye kararlıyız. Gezegensel kilitli dişlilere yerleşmeye istekliydim, ancak Alicia'nın yanıtlara ihtiyacı vardı! Alicia, matematikle teselli bulmak için son bir girişimde, Queen's Üniversitesi'nden emekli bir profesörle temasa geçti. Dişlilerin her biri arasındaki mesafeyi kolayca ölçmek için 37 parçayı bölüp ölçmesi gerektiğini açıkladı. Bu, tüm dişlerin düzgün bir şekilde hizalanmasını sağlar. Bilmeceyi çözmek için zaman harcayarak, hizalama ile ilgili küçük bir matematiksel sorun vardı. Genel zaman sınırlamamız göz önüne alındığında, Planet dişlilere karar verdik.

Havalanmak

Alicia derin matematik problemlerini çözerken ben 3D uzay gemileri yazdırmaya odaklandım. Bu, genel temayı sağlamlaştırmaya yardımcı oldu ve aynı zamanda parçamıza daha hoş bir etkileşimli kalite kazandırdı. Thingiverse'i kullanarak eğlenceli bir retro uzay gemisi tasarımı bulabildim (cerberus333 tarafından yaratıldı). Bu tasarım, ölçeği çok daha küçük olacak şekilde değiştirmeme izin verdi. Uzay gemisini ekleyerek, dişliler birlikte dönerken izleyicilerimiz ona tutunabilecekler. Bu, parçayı başkaları için daha hoş hale getirmek için çok basit bir çözümdü. Thingiverse'in açık kaynaklı doğasına dayanarak, bilgisayarı ve 3D yazıcıya erişimi olan herkes bu nesneyi kendileri için oluşturabilir. Baskı da nispeten hızlıydı (7 uzay gemisinin basılması 2 saatten az sürdü). Sadece 3 veya 7 basılı kopya kullandık.

Ay için ateş edin…

İlk tasarım fikrine dayanarak, Alicia ve ben, mıknatıslarımız tarafından etkinleştirilecek (her dişlinin arkasına takılı) birçok gömülü LED ışıklı planet dişliler oluşturmak istedik, böylece model dik durabilir ve her bir "yıldızı" aydınlatabilirdi. sistem dönerken. Alicia, Ev Donanımına gitti ve Reed switch LED devresi ve Manyetik sensörler satın aldı. LED ve manyetik sensörün ahşap kontrplak levhaya sığması için doğru açıklığı yapmak için bir matkap ve el testeresi kullandım. Daha sonra, College ve Spadina'daki Home Hardware'den satın alınan pil paketlerinin aslında arızalı olduğunu ve mıknatıs geçerken yalnızca bir LED ampulün yandığını fark ettik.

Vandalizmden daha fazlası

Bu proje için ayrıca yaratıcı teknikler üzerine biraz daha uygulama yapmak istedim. Ahşap ve akrilik dişliler kendi başlarına güzel olsalar da uzay gemileriyle ortak bir temaları yoktu. Dişli sistemleri için bir galaksi motifi oluşturmak için Molotow Akrilik Sprey boya kullanmaya karar verdim. Tüm panoyu spreyle boyamayı planlıyor olmamıza rağmen, Graduate tesisimizde Maker Lab'de bulunan küçük ölçekli boya kabini ile karşılaştık. Bu boyut sınırlamasına dayanarak, dişlileri asimetrik şekillerde spreyle boyamaya karar verdik. Bu şekilde, uzay gemisi, katılımcının genel temamızı anlamasına yardımcı olmak için düz veya sprey boyalı dişlilerden birine oturabilir.

yörünge

Tüm büyük ölçekli dişliler monte edildikten sonra, Alicia manyetik sensör ve LED'i birbirine kaynaklamak için lehimleme aletlerini kullandı. 1 adet çalışan LED'in yerleştirilmesine karar verdik ve orta vitesin yanına koyduk. Uzay gemisinin altına 3 güçlü mıknatıs yerleştirildiğinde istenen sonuç gerçekleşti! Işığımız vardı! Bununla birlikte, dişlilerin altında başka mıknatısların olması (dikey olarak tutmak için) mıknatıs sensörünü engelleyebilirdi. Bu nedenle, tasarımın bunun yerine masaüstü versiyonu olarak kalması gerektiğine karar verdik.

Ayın karanlık yüzü

Bu işbirlikçi yinelemede karşılaştığımız ana zorluklar, lazer kesim ve pil teknolojisinin sınırlamalarıydı. Tasarım dosyası, 3D baskı uzay gemileri ve manuel montaj (matkaplar, el testeresi, yapıştırıcı ve kelepçeler gibi geleneksel araçları kullanmak şaşırtıcı derecede kolaydı). Birisi bu parçayı yeniden yaratacaksa, asıl zorluk lazerin kesebileceği en ideal tasarımın haritasını çıkarmak için matematiği kullanmak olacaktır. Ayrıca zaman sınırlamasıyla da mücadele ettik ve ideal olarak bu konsepti genişletmeye devam etmek için yakın gelecekte bu projeyi tekrar ziyaret etmek istiyoruz.

Araçlar ve Teknoloji

Bu projeyi sadakatle oluşturmak için tasarım süreci, matematik, yapay zekanın nasıl kullanılacağı ve kesilecek bir lazer dosyasının doğru şekilde ayarlanması hakkında temel bilgilere sahip olmaları gerekir. Daha sonra, bazı temel elektrik anlayışına ihtiyaçları olacak (LED, manyetik sensör ve lehimleme). Sprey boyama ve bu dişlileri özel olarak tasarlamak için iyi havalandırılmış bir alana erişmeleri gerekecek. Uzay gemisini basmak için PLA Village Plastics filamenti ile birlikte bir Taz Lulzbot 6 kullanıldı (bunları spreyle de boyayabileceğiniz için herhangi bir renk yapacaktır). Son olarak, her bir LED ve manyetik sensör için uygun boyuttaki delikleri kesmek için bir matkap ve el testeresinin nasıl kullanılacağına dair temel bilgilere ihtiyaçları olacak (sensör çok güçlü olmadığından ve yerleştirilmesi gerektiğinden, bunun dikkatlice ölçülmesi gerekir). mıknatısa yakın bir mesafede). Son olarak, bu projeyi aslına uygun olarak yeniden yaratmak istiyorsanız, biraz montaj alanına da ihtiyacınız olacak!

İnsanlık İçin Dev Bir Sıçrama

MARS'a ulaştık! Sadece şaka! Dijital üretim yöntemlerini kullanarak, ahşap ve akrilikten (astronot kaskınızı takmak için gereken hızda) matematiksel bir dişli sistemi oluşturabildik. Adobe Illustrator dosyalarının teknolojisi lazer kesim ile birleştirilmeden bu mümkün olmazdı. Lazerler son derece hassas ve hızlıdır. Tek başına geleneksel üretim araçlarıyla elde edilmesi imkansız olan bir şey. Ana üretim sürecinde geleneksel yöntemler kullanılmasa da, son montaj ve teknolojinin dahil edilmesinde son derece önemli hale geldi.

Tam STEAM İleri

Eğitim açısından bakıldığında, bu planet dişli sistemi yaparak öğrenmenin tüm temellerini içeriyordu. Oyunlaştırma, nihai ürünü kullanıcılar için çekici kılmak için büyük bir rol oynar. Ancak, bu projenin ana yararlanıcılarından biri Eğitimdir. Bu proje matematik, mühendislik, mekansal akıl yürütme ve elektronik döngülerle başlayan uygulamalı becerileri öğretebilir. Öğrencilere matematiğin fiziksel dünyayla nasıl bağlantı kurduğunu ve mekanik süreçlerin (lazer kesim gibi) nasıl doğru hesaplamalara bağlı olduğunu görme şansı verebilir. Son olarak, öğrenciler tasarımlarını belirtmek için boya, renk, kolaj ekleme sürecine yaratıcılık ve görsel sanatları uygulama şansına sahip olurlar. Ayrıca sınıfta STEAM'i destekleyen etkileşimli bir öğrenme ortamı oluşturmalarına da olanak tanır. STEAM, aşağıdakileri etkin bir şekilde dahil ederek bu projeyi oluşturmanın tüm kriterlerine dahil edilmiştir:

Bilim

teknoloji

Mühendislik

Sanat

Matematik

Son yıllarda, 1. Sınıf kadar küçük öğrencilerde medya okuryazarlığını ve gelişimini geliştirmek için bir baskı olmuştur. Ontario Müfredatının önerdiği gibi, müfredatlar arası eğitim fırsatlarına sahip olmak, öğrencilerin (K-12) öğrenme sevgisini oluşturmada önemlidir. Bu proje, Ontario Müfredatı genelinde ve ötesinde birçok konuda ihtiyaç duyulan problem çözme, işbirliği, açık kaynak uygulamalı öğrenme için dikkatli bir yaklaşımdır!

Sınırsız Takımyıldız

Son olarak, bu tasarımın diğer insanların elinde büyük ölçüde geliştirilebileceğini kabul etmek önemlidir. Bu, tüm bileşenlerin burada bulunmasına rağmen, bu tasarımın hala mümkün olan birçok modifikasyonu ve yeniden karıştırılması olduğu anlamına gelir. İşbirliği içinde çalışarak, bu tasarım sınırsız bir potansiyele sahiptir. STEAM'i kendi öğrenme uygulamalarına uygulamakla ilgilenen herkes için harika bir başlangıç projesidir. Tasarım matematiğe dayalı olduğu için birçok farklı takımyıldızında değiştirilebilir, değiştirilebilir ve yeniden yapılabilir. Bu proje, yapmanın tek bir yolu olmadığı fikrini destekliyor.

Adım 1: Bin It

Bu bulmacayı çözebilir misin?

Adım 2: Gears'ı Oluşturma

Aşağıda bulabileceğiniz referanslar bölümünden yararlanarak size dişli üretmek için araçlar sağladık. Biri matematiksel planlara özel 2 web sitesi var ve diğer site, dişlileri kendiniz kesmek zorunda kalırsanız, farklı malzemeleri ve varyansları tartışıyor.

Bunların her ikisi de lazer kesim için dosyanızı planlarken ve oluştururken önemlidir, çünkü her ikisi de malzemeleri dikkate almanıza ve öngörülemeyen hafif varyasyon yapılarında nasıl çalışacağınızı anlamanıza yardımcı olacaktır.

Araştırma Rezil bilgisiyle Matthias, kendi dişlilerinizi nasıl elle keseceğinize dair akıcı bilgiler sağladığı için birçok dişli projesinde yankı buluyor. Ayrıca, projenize iyi bir temelle başlayabilmeniz için arka plan bilgileri sağlar. Bu, daha sonra sorun gidermek için çalışan bir sistem ve problem çözme becerileri oluşturmak için gereklidir. Aşağıdaki sözlük, [email protected] tarafından oluşturulmuş ve sağlanmıştır.

Adım 3: Diş Aralığı

Hatve çapı boyunca bir dişten diğerine milimetre sayısı.

Dişli 1 diş: Dişli için işlenecek dişlideki diş sayısı. İki vites gösterilirken sol vitesi kontrol eder. Halka dişliler için negatif değer girin.

Rack&Pinion: Dişli 1'i lineer bir dişliye (krema) değiştirin. Diş sayısı için "0" girerek diğer dişliyi de raf yapabilirsiniz.

Ölçülen mesafe (mm): Bir test sayfası yazdırdıktan sonra, "bu 150 mm olmalıdır" ile işaretlenmiş çizgiler arasındaki mesafeyi ölçün. 150 mm değilse, yazıcı ölçeklemesini telafi etmek için bu alana değeri girin. Bir sonraki çıktı doğru boyutta olmalıdır.

Temas açısı(derece): Dişlilerin basınç açısı. Diş sayısı daha az olan dişliler için, sıkışma olasılığı daha düşük olan daha eğimli dişler elde etmek için bunu biraz daha büyütün.

Dişli 2 diş: İşlenmişse, sağdaki dişli için diş sayısı. Onay kutusu, bir veya iki vitesin oluşturulup oluşturulmayacağını kontrol eder.

İki vites: Şablonları yazdırırken, yalnızca bir dişlinin gösterilmesine yardımcı olur.

Konuşmacılar: Dişliyi konuşmacılarla gösterin. Jantlar yalnızca 16 veya daha fazla dişli dişliler için gösterilmiştir.

Adım 4: Matematik

Dişli düzenimi oluşturmaya ve dişlilerin çalışıp birbirine uyacağını belirlemeye yardımcı olmak için aşağıdaki denklemi buldum.

Dişlilerdeki diş sayısı olarak R, S ve P'yi belirtin.

Bir planet dişli çarkın çalışması için ilk kısıtlama, tüm dişlerin aynı hatveye veya diş aralığına sahip olmasıdır. Bu, dişlerin birbirine geçmesini sağlar. Yaptığım, dişliler her zaman aynı hizada ancak farklı bir desende olacak şekilde aynı adıma sahip ancak birbirine uymayan 3 ayrı kenar yapıldı. İkinci kısıtlama: R = 2 × P + S

Yani, halka dişlideki diş sayısı, orta güneş dişlisindeki diş sayısı ile planet dişlilerdeki diş sayısının iki katına eşittir. Bunun bir örneği 30 = 2 × 9 + 12 olabilir. Veya https://geargenerator.com veya https://demonstrations.wolfram.com/NoncircularPlanetaryDrive/#more adresindeki dişli üreten web sitesine gidebilirsiniz.

Adım 5: SVG Dosyaları ve Illustrator

Gear oluşturucudan bir dosya içe aktarıyorsanız ve Illustrator'da oluşturmadıysanız, Illustrator'da SVG dosyalarıyla çalışırken aşağıdaki talimatları izlemeniz gerekir.

Illustrator, varsayılan bir SVG efekti seti sağlar. Efektleri varsayılan özellikleriyle kullanabilir, özel efektler oluşturmak için XML kodunu düzenleyebilir veya yeni SVG efektleri yazabilirsiniz.

Bir SVG dosyasını Illustrator'a içe aktarmak için:

Efekt > SVG Filtresi > SVG Filtresini İçe Aktar'ı seçin.

Efektleri içe aktarmak istediğiniz SVG dosyasını seçin ve Aç'a tıklayın.

Illustrator'da SVG dosyasını değiştirmek için: Bir nesne veya grup seçin (veya Katmanlar panelinde bir katmanı hedefleyin).

Aşağıdakilerden birini yapın: Bir efekti varsayılan ayarlarıyla uygulamak için Efekt > SVG Filtreleri alt menüsünün alt bölümünden efekti seçin.

Özel ayarlarla efekt uygulamak için, Efekt > SVG Filtreleri > SVG Filtresini Uygula'yı seçin.

İletişim kutusunda efekti seçin ve SVG Filtresini Düzenle düğmesini fx tıklayın.

Varsayılan kodu düzenleyin ve Tamam'a tıklayın.

Yeni bir efekt oluşturmak ve uygulamak için Efekt > SVG Filtreleri > SVG Filtresini Uygula'yı seçin.

İletişim kutusunda Yeni SVG Filtresi düğmesini tıklayın, yeni kodu girin ve Tamam'ı tıklayın.

Bir SVG filtre efekti uyguladığınızda Illustrator, çalışma yüzeyinde efektin rasterleştirilmiş bir sürümünü görüntüler. Belgenin rasterleştirme çözünürlük ayarını değiştirerek bu önizleme görüntüsünün çözünürlüğünü kontrol edebilirsiniz.

6. Adım: Dosyanızı Kaydetme

Dosyanızı.eps veya.ai olarak dışa aktarın.

Ayarlara gidin ve CMYK DEĞİL RGB modunda çalıştığınızdan emin olun.

Bunu şuraya giderek değiştirebilirsiniz:

Dosya ->Belge Renk Modu -> RGB'yi seçin

Tüm kesim çizgileri, kontur ağırlığı.01pt olan Kırmızı Mavi ve Yeşil çizgiler kullanılarak belirtilmelidir.

Lazer, renkleri içten dışa doğru sıralı kesim çizgileri olarak yorumlayacaktır.

Kırmızı (RGB: 255, 0, 0) ile başlayan, ardından Mavi (RGB 0, 0, 255) ve son olarak Yeşil (RGB 0, 255, 0).

Tüm iç kesimler önce kesilmelidir ve bu nedenle Kırmızı, diğer kesimler Mavi ve son dış kesimler Yeşil olmalıdır. Yazdırmaya başlamadan önce tüm dişlilerinizin birbirine uyduğundan ve kesişen çizgiler olmadığından emin olun.

Dişlileriniz doğru biçimlendirilmemiş gibi görünüyorsa, dişli üreticisi sayfasına geri dönebilir ve hesaplamalarınızı yeniden değerlendirebilirsiniz.

.ai dosyaları olarak kaydedin ve Bosslaser programına aktarın.

Bu program aynı zamanda dosyanızı değiştirmenize de olanak tanır. Dosyanızı doğrudan lazer kesiciye göndermek için bu programı kullanabilirsiniz.

7. Adım: Thingiverse ve 3D Baskı

Bu projenin ana taslağında belirtildiği gibi, 3B uzay gemilerinizi istediğiniz zaman yazdırabilirsiniz! ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 veya Rhino kullanarak kendi tasarımınızı yaratın veya Thingiverse'e gidin ve yazdırılacak bir yaratıcı ortak proje bulun! Belki de bazı dosyaları benzersiz tasarım mücadelenize uyacak şekilde değiştirebilirsiniz! Bu uzay gemileri, PLA Village Plastics ile bir Taz Lulzbot 6'ya en yüksek hızda basıldı (7 uzay gemisi için 2 saatten az sürdü).

Adım 8: Manyetik Anahtar LED Devresi

Kamış anahtar, yakınına getirilen bir mıknatıs tarafından açılan elektromanyetik bir anahtardır.

Bu devre bir reed anahtarı, LED ve 2 AA pilden 3 V güç kaynağı içerir.

Bu proje, reed anahtarlarının nasıl çalıştığının temellerini oluşturur.

Aşağıdaki şemadan LED ve anahtarın nereye yerleştirildiğini anlayabilirsiniz.

Pil paketinde siyah ve kırmızı 2 kablo bulunur. Siyah kablo topraktır ve kırmızı kablo güçtür.

Kırmızı tel, kamış anahtarın her iki ucuna da lehimlenecek.

Kamış anahtarı LED'in uzun tarafına + lehimlenecektir. LED - kısa taraf, pil takımına giden siyah kabloyu topraklamak için lehimlenecektir.

Adım 9: Devreyi Panoya Dahil Etme

Mıknatısın anahtarınızın konumunda olması gereken mesafeyi ölçmeniz önemlidir. Test etmeden, mıknatısınızdan çok uzakta bir delik açabilirsiniz ve ardından anahtar düzgün çalışmayacaktır. Mıknatısınızın gücü, Manyetik Anahtar ile mıknatıs arasında daha geniş veya daha kısa bir boşluk olabileceği anlamına gelir. Bunu ölçtük ve huş ağacı panomuza LED için bir delik ve anahtar için bir delik açtık.

Adım 10: Eğlenin

Bu noktada çok fazla sıkı çalışma yaptınız. Yaratıcı olma zamanı!

Akrilik ve ahşap üzerinde bir kozmos etkisi elde etmek için akrilik (Molotow) sprey boya kullanın. Projenize uygun renkleri kullanın. Koruyucu (ideal olarak organik buharlı yarım yüz maskesi veya maske), ellerinizi korumak için eldiven giyin ve DAİMA iyi havalandırılmış bir alanda çalışın (asla içeride değil!).

Boyayı çizmemek için tahtaya yerleştirmeden önce dişlileri yaklaşık 24 saat kurumaya bırakın.

Minik uzay gemilerinizi de sprey boya ile boyayabilirsiniz!

Adım 11: Malzeme Listesi ve Diğer Kaynaklar

Kapsamlı bir malzeme listesi ve diğer faydalı referanslar aşağıdadır:

Manyetik anahtar

470Ω direnç

1 LED beyaz

Mıknatıs Adobe

Lazer kesim için vektör dosyaları oluşturmak için Illustrator CC uygulaması

Lazer kesim makinesi için dosyanın ayarlanması için Bosslaser programı.

Orta dereceli zımpara kağıdı.

1/8 Baltık Huş kontrplak 48 inç uzunluğunda x 27 inç yüksekliğinde x 2

1/8 şeffaf akrilik 48 inç uzunluk x 27 inç yükseklik x 1

Çeşitli renklerde akrilik sprey boya

Organik Kartuşlu Solunum Maskesi

Eldivenler

Akülü matkap (çeşitli matkap uçları ile)

Ahşap tutkalı

Anında Tutkal (uzay gemileri için)

Cura-Lulzbot için

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastik Filament

Faydalı Referanslar:

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…