Full STEAM Ahead! para o infinito e além: 11 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Uma colaboração entre Alicia Blakey e Vanessa Krause

Quem diabos é Fibonacci?

Com base no design de Alicia (as engrenagens planetárias aninhadas), decidimos colaborar para tentar criar um sistema funcional de engrenagens que pode ser exibido na posição vertical. Idealmente, queremos que nosso público se sinta confortável e compelido a interagir com este design. Usando uma variedade de métodos descritos neste documento, falaremos sobre o processo de design e como lutamos por questões matemáticas, lógicas e escolhas de materiais.

Bin-it

Alistando nossos irmãos inclinados à matemática para ajudar: Meu irmão Joey me enviou uma Fórmula de Binet … sem nenhuma explicação sobre como usá-la. Quando eu mandei uma mensagem para ele e disse "Ei Joey, você poderia me explicar?" ao que ele respondeu: “Qual parte?”

Como não tenho absolutamente nenhuma inclinação matemática, pedimos ao irmão de Alicia, Merrick, que explicasse como a fórmula poderia ser aplicada para fazer as engrenagens de aninhamento. Ele passou cerca de dez minutos resolvendo, respondeu com “sim, funciona” e então disse “eu tenho que ir” e nos deixou sem respostas e nenhuma fórmula traduzida.

Passamos mais 30 minutos procurando uma resposta para nossa consulta …

A Internet tem respostas

Para ultrapassar a barreira Binet, decidimos vasculhar a internet em busca de respostas e sugestões para resolver nosso enigma. Encontramos vários sites que são capazes de criar engrenagens compatíveis.

Alguns desses sites são:

Planetário do gerador de engrenagens

Catalisador de engrenagens

Uma vez que tínhamos esses geradores de engrenagens para ajudar com os aspectos matemáticos deste projeto, mudamos para o Adobe Illustrator para criar versões de linhas dessas engrenagens. Alicia se concentrou em tornar cada engrenagem compatível com os cortadores a laser no centro 100 McCaul RP. Decidimos usar compensado Baltic Birch ⅛”para o corte inicial, para garantir que a matemática fosse alinhada corretamente. Alicia fez mais de 3 pequenas maquetes de como essas engrenagens poderiam ser. Com cada iteração, havia problemas com o cortador a laser retirando muito pouco ou muito dos sistemas de engrenagens pequenas, de modo que eles não travassem e girassem de maneira eficaz (ela usava acrílico e compensado (⅛ ). Esse processo foi frustrante, mas nos ajudou a perceber as limitações do corte a laser para este projeto.

O professor sabe o melhor

Alicia e eu somos muito teimosos e determinados a resolver o enigma das engrenagens aninhadas. Eu estava disposto a me contentar com engrenagens planetárias interligadas, no entanto, Alicia precisava de respostas! Em uma tentativa final de encontrar consolo com a matemática, Alicia contatou um professor aposentado da Queen’s University. Ele explicou que para medir facilmente as distâncias entre cada uma das engrenagens, ela teria que dividir e medir 37 segmentos. Isso permitiria que todos os dentes se alinhassem corretamente. Ao gastar tempo resolvendo o enigma, ainda havia um pequeno problema matemático com o alinhamento. Decidimos usar engrenagens planetárias, devido ao nosso limite de tempo geral.

Decolar

Enquanto Alicia resolvia questões matemáticas profundas, concentrei-me na impressão de naves espaciais 3D. Isso ajudou a solidificar o tema geral e também a dar à nossa peça uma qualidade interativa mais acolhedora. Ao usar o Thingiverse, consegui encontrar um design de nave espacial retrô divertido (criado por cerberus333). Este projeto me permitiu modificar a escala para ser muito menor. Ao adicionar a nave espacial, nosso público será capaz de segurá-la, enquanto as engrenagens giram juntas. Esta foi uma solução muito simples para tornar a peça mais acolhedora para outras pessoas. Com base na natureza de código aberto do Thingiverse, qualquer pessoa com um computador e acesso a uma impressora 3D pode criar este objeto para si mesma. A impressão também foi relativamente rápida (levou menos de 2 horas para imprimir 7 naves espaciais). Acabamos usando apenas 3 ou 7 cópias impressas.

Tiro para a lua…

Com base na ideia inicial do projeto, Alicia e eu queríamos criar engrenagens planetárias com muitas luzes LED incorporadas que seriam ativadas por nossos ímãs (presos na parte de trás de cada engrenagem) para que o modelo pudesse ficar em pé e iluminar cada "estrela" sistema enquanto ele gira. Alicia foi à Home Hardware e comprou o circuito LED do interruptor Reed e os sensores magnéticos. Usei uma furadeira e uma serra manual para fazer a abertura correta para o LED e o sensor magnético caber na placa de madeira compensada. Percebemos mais tarde que as baterias compradas na Home Hardware na College e na Spadina estavam realmente com defeito e acendiam apenas uma lâmpada LED quando o ímã passava.

Mais do que apenas vandalismo

Para este projeto, eu também queria aplicar mais algumas técnicas criativas. Embora as engrenagens de madeira e acrílico fossem bonitas por si só, faltava um tema comum com as naves espaciais. Decidi usar tinta spray acrílica Molotow para criar um motivo de galáxia para os sistemas de engrenagens. Embora estivéssemos planejando pintar todo o quadro com spray, nos deparamos com a pequena escala da cabine de pintura localizada no Maker Lab em nossas instalações de pós-graduação. Com base nessa limitação de tamanho, decidimos apenas pintar as engrenagens de maneira assimétrica. Dessa forma, a espaçonave poderia sentar em uma das engrenagens planas ou pintadas com spray para ajudar a compreensão do participante de nosso tema geral.

Órbita

Depois que todas as engrenagens de grande escala foram montadas, Alicia usou as ferramentas de solda para soldar o sensor magnético e o LED. Decidimos colocar o 1 LED de trabalho e colocá-lo próximo à marcha intermediária. Quando 3 ímãs fortes foram colocados embaixo da nave, o resultado desejado aconteceu! Tínhamos luz! No entanto, ter outros ímãs sob as engrenagens (para mantê-los verticalmente) teria interferido com o sensor do ímã. Portanto, decidimos que o design deveria permanecer como uma versão de mesa.

Lado escuro da Lua

Os principais desafios que enfrentamos nesta iteração colaborativa foram as limitações do corte a laser e da tecnologia de bateria. O arquivo de design, as naves espaciais de impressão 3D e a montagem manual (usando ferramentas tradicionais como brocas, serra manual, cola e grampos foi surpreendentemente fácil). Se alguém quisesse recriar esta peça, o principal desafio seria usar a matemática para mapear o desenho mais ideal que o laser pode cortar. Também lutamos com a limitação de tempo e, idealmente, gostaríamos de revisitar este projeto em um futuro próximo para continuar expandindo este conceito.

Ferramentas e Tecnologia

Para criar este projeto fielmente, eles precisariam ter conhecimento básico do processo de design, matemática, como usar IA e configurar corretamente para cortar um arquivo a laser. Em seguida, eles precisariam de algum conhecimento básico de eletricidade (LED, sensor magnético e solda). Eles precisarão de acesso a uma área bem ventilada para pintura com spray e projeto personalizado dessas engrenagens. Um Taz Lulzbot 6 foi usado para imprimir a nave, junto com o filamento PLA Village Plastics (qualquer cor serve, já que você também pode pintar com spray). Finalmente, eles precisarão de conhecimento básico de como usar uma furadeira e serra manual para cortar as dimensões adequadas dos orifícios para cada LED e sensor magnético (isso precisa ser medido com cuidado, pois o sensor não é muito forte e precisa ser colocado a uma curta distância do ímã). Finalmente, se você deseja recriar fielmente este projeto, você também precisará de algum espaço de montagem!

Um salto gigante para a humanidade

Chegamos a MARS! Só estou brincando! Usando métodos de fabricação digital, fomos capazes de criar um sistema matemático de engrenagens e fazer de madeira e acrílico (na velocidade que leva para colocar seu capacete de astronauta). Isso não teria sido possível sem a tecnologia de arquivos do Adobe Illustrator combinada com corte a laser. Os lasers são extremamente precisos e rápidos. Algo que seria impossível de conseguir apenas com as ferramentas de fabricação tradicionais. Embora os métodos tradicionais não tenham sido usados no processo principal de fabricação, eles se tornaram extremamente importantes na montagem final e inclusão de tecnologia.

STEAM Completo à Frente

Do ponto de vista educacional, esse sistema de engrenagens planetárias incorporou todos os fundamentos do aprender fazendo. A gamificação desempenha um grande papel no produto final, tornando-o atraente para os usuários. No entanto, um dos principais beneficiários deste projeto é a Educação. Este projeto pode ensinar habilidades práticas, começando com matemática, engenharia, raciocínio espacial e ciclos eletrônicos. Ele pode dar aos alunos a chance de ver como a matemática se conecta ao mundo físico e como os processos mecânicos (como o corte a laser) dependem de cálculos precisos. Finalmente, os alunos têm a chance de aplicar a criatividade e as artes visuais ao processo de adição de tinta, cor e colagem para especificar seu design. Também permite que eles criem um ambiente de aprendizagem interativo que suporte o STEAM na sala de aula. O STEAM está incluído em todos os critérios de criação deste projeto ao incorporar efetivamente:

Ciência

Tecnologia

Engenharia

Artes

Matemática

Nos últimos anos, tem havido um impulso para melhorar a alfabetização e o desenvolvimento da mídia em alunos a partir do 1º ano. Como sugere o Currículo de Ontário, ter oportunidades interdisciplinares para a educação é importante para desenvolver o amor dos alunos (K-12) pela aprendizagem. Este projeto é uma abordagem cuidadosa para a resolução de problemas, colaboração e aprendizado prático de código aberto que é necessário em muitas disciplinas do Currículo de Ontário e além!

Constelações ilimitadas

Finalmente, é importante reconhecer que este design poderia ser muito melhorado nas mãos de outras pessoas. Isso significa que embora todos os componentes sejam encontrados aqui, ainda há muitas modificações e remixagens desse design que são possíveis. Ao trabalhar de forma colaborativa, esse design tem potencial ilimitado. É um ótimo projeto inicial para qualquer pessoa interessada em aplicar o STEAM em sua própria prática de aprendizagem. Como o design é baseado na matemática, ele pode ser mudado, alterado e refeito em muitas constelações diferentes. Este projeto promove a ideia de que não existe uma maneira única de fazer.

Etapa 1: Bin It

Você pode resolver esse quebra-cabeça?

Etapa 2: Gerando as engrenagens

Utilizando a seção de referências que pode ser encontrada abaixo, fornecemos a você ferramentas para gerar engrenagens. Existem 2 sites um que é exclusivo para projetos matemáticos e o outro site discute os diferentes materiais e variações se você tivesse que cortar as engrenagens sozinho.

Ambos são importantes ao planejar e construir seu arquivo para corte a laser, pois ambos o ajudarão a considerar os materiais e a entender como trabalhar dentro das construções de pequenas variações imprevistas.

Pesquise o Infamous por seu conhecimento compartilhado Matthias é repetido em muitos projetos de engrenagens porque ele fornece informações simplificadas sobre como cortar manualmente suas próprias engrenagens. Ele também fornece informações básicas para que você possa iniciar seu projeto com uma boa base. Isso é essencial para gerar um sistema que funcione e habilidades de resolução de problemas para solucionar problemas posteriormente. O glossário abaixo fornecido foi criado e fornecido por: [email protected]

Etapa 3: espaçamento entre dentes

Número de milímetros de um dente a outro, ao longo do diâmetro do passo.

Dentes da engrenagem 1: Número de dentes na engrenagem a serem processados para a engrenagem. Controla a marcha esquerda ao mostrar duas marchas. Insira um valor negativo para engrenagens de anel.

Cremalheira e pinhão: Mude a marcha 1 para uma marcha linear (cremalheira). Você também pode transformar a outra engrenagem em uma cremalheira inserindo "0" para a contagem de dentes.

Distância de calibração medida (mm): Após imprimir uma página de teste, meça a distância entre as linhas marcadas com "isto deve ser 150 mm". Se não for 150 mm, insira o valor neste campo para compensar o dimensionamento da impressora. A próxima impressão deve ser do tamanho correto.

Ângulo de contato (graus): O ângulo de pressão das engrenagens. Para engrenagens com menor número de dentes, defina um pouco maior, para obter dentes mais inclinados com menos probabilidade de emperrar.

Dentes da engrenagem 2: Número de dentes da engrenagem da direita, se renderizados. A caixa de seleção controla se uma ou duas engrenagens são renderizadas.

Duas engrenagens: ao imprimir modelos, ajuda ter apenas uma marcha mostrada.

Raios: Mostre a engrenagem com raios. Os raios são mostrados apenas para engrenagens com 16 ou mais dentes.

Etapa 4: Matemática

Eu encontrei a equação abaixo para ajudar a construir meu arranjo de engrenagens e determinar se as engrenagens funcionarão e se encaixarão.

Denote R, S e P como o número de dentes nas engrenagens.

A primeira restrição para que uma engrenagem planetária funcione é que todos os dentes têm o mesmo passo ou espaçamento entre os dentes. Isso garante que os dentes se encaixem. O que fiz foram 3 lados separados que tinham o mesmo passo, mas não combinavam entre si, de modo que as engrenagens sempre se alinhavam, mas em um padrão diferente. A segunda restrição é: R = 2 × P + S

Ou seja, o número de dentes na engrenagem anelar é igual ao número de dentes na engrenagem solar intermediária mais o dobro do número de dentes nas engrenagens planetárias. Um exemplo disso seria 30 = 2 × 9 + 12. Ou você pode ir para o site de geração de engrenagem em https://geargenerator.com ou

Etapa 5: Arquivos SVG e Illustrator

Se você estiver importando um arquivo do gerador de engrenagens e não tiver construído no Illustrator, terá que seguir as instruções abaixo ao trabalhar com arquivos SVG no Illustrator.

O Illustrator fornece um conjunto padrão de efeitos SVG. Você pode usar os efeitos com suas propriedades padrão, editar o código XML para produzir efeitos personalizados ou escrever novos efeitos SVG.

Para importar um arquivo SVG para o Illustrator:

Escolha Efeito> Filtro SVG> Importar filtro SVG.

Selecione o arquivo SVG do qual deseja importar efeitos e clique em Abrir.

Para manipular o arquivo SVG no Illustrator: Selecione um objeto ou grupo (ou direcione uma camada no painel Camadas).

Siga um destes procedimentos: Para aplicar um efeito com suas configurações padrão, selecione o efeito na seção inferior do submenu Efeito> Filtros SVG.

Para aplicar um efeito com configurações personalizadas, escolha Efeito> Filtros SVG> Aplicar filtro SVG.

Na caixa de diálogo, selecione o efeito e clique no botão Editar filtro SVG fx.

Edite o código padrão e clique em OK.

Para criar e aplicar um novo efeito, escolha Efeito> Filtros SVG> Aplicar filtro SVG.

Na caixa de diálogo, clique no botão Novo filtro SVG, insira o novo código e clique em OK.

Quando você aplica um efeito de filtro SVG, o Illustrator exibe uma versão rasterizada do efeito na prancheta. Você pode controlar a resolução desta imagem de visualização modificando a configuração de resolução de rasterização do documento.

Etapa 6: salvando seu arquivo

Exporte seu arquivo como.eps ou.ai.

Vá para as configurações e certifique-se de estar trabalhando no modo RGB, NÃO CMYK.

Você pode alterar isso indo para:

Selecione Arquivo -> Modo de Cor do Documento -> RGB

Todas as linhas de corte precisam ser indicadas usando linhas vermelhas, azuis e verdes com uma espessura de curso de 0,01 pt

O laser interpretará as cores como linhas de corte ordenadas trabalhando de dentro para fora.

Começando com Vermelho (RGB: 255, 0, 0) seguido por Azul (RGB 0, 0, 255) e finalmente Verde (RGB 0, 255, 0).

Todos os cortes internos devem ser cortados primeiro e, portanto, devem ser vermelhos, com quaisquer cortes adicionais sendo azuis e os cortes externos finais sendo verdes. Certifique-se de que todas as engrenagens se encaixem e que não haja linhas de interseção antes de configurar para imprimir.

Se suas engrenagens parecem não estar formatadas corretamente, você pode consultar a página do gerador de engrenagens e reavaliar seus cálculos.

Salve como arquivos.ai e transfira para o programa Bosslaser.

Este programa também permite que você manipule seu arquivo. Você pode usar este programa para enviar seu arquivo diretamente para o cortador a laser.

Etapa 7: Thingiverse e impressão 3D

Conforme mencionado no esboço principal deste projeto, você pode imprimir suas naves espaciais 3D a qualquer momento! Crie seu próprio design usando ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 ou Rhino, ou vá para Thingiverse e encontre um projeto criativo comum para imprimir! Talvez você possa até mesmo modificar alguns dos arquivos para se adequar ao seu desafio de design exclusivo! Essas espaçonaves foram impressas em um Taz Lulzbot 6 com PLA Village Plastics na velocidade mais alta (levou menos de 2 horas para 7 espaçonaves).

Etapa 8: Circuito de LED do interruptor Reed

Uma chave de palheta é uma chave eletromagnética que é ligada por um ímã sendo trazido para sua vizinhança.

Este circuito incorpora um interruptor reed, LED e fonte de alimentação de 3 V a partir de 2 baterias AA.

Este projeto forma os fundamentos de como os interruptores reed operam.

No esquema abaixo, você pode discernir onde o LED e a chave estão colocados.

A bateria tem 2 fios pretos e vermelhos. O fio preto é o aterramento e o fio vermelho é a alimentação.

O fio vermelho vai ficar soldado nas extremidades da chave de palheta.

O interruptor reed será soldado ao lado comprido + do LED. LED - o lado curto será soldado para aterrar o fio preto que conduz à bateria.

Etapa 9: Incorporando o circuito na placa

É importante que você meça a distância que o ímã precisa estar no local de sua chave. Sem testar, você pode fazer um orifício muito longe do ímã e a chave não funcionará corretamente. A força do seu ímã significa que pode haver uma lacuna maior ou mais curta entre o Interruptor Reed e o ímã. Nós medimos isso e então perfuramos um orifício para o LED e uma abertura para o interruptor em nossa placa de bétula.

Etapa 10: Divirta-se

Você trabalhou muito neste ponto. É hora de ser criativo!

Use tinta spray acrílica (Molotow) para obter um efeito cosmético tanto no acrílico quanto na madeira. Use as cores adequadas ao seu projeto. Certifique-se de usar uma proteção (de preferência respirador de meia face de vapor orgânico ou máscara), use luvas para proteger suas mãos e SEMPRE trabalhe em uma área bem ventilada (nunca dentro de casa!).

Deixe as engrenagens secarem por cerca de 24 horas antes de colocá-las no quadro para evitar arranhar a pintura.

Você também pode pintar suas pequenas naves com spray!

Etapa 11: Lista de materiais e outros recursos

Aqui está uma lista abrangente de materiais e outras referências úteis:

Reed Switch

Resistor de 470Ω

1 LED branco

Magneto Adobe

Aplicativo Illustrator CC para criar arquivos vetoriais para corte a laser

Programa Bosslaser para configurar o arquivo para a máquina de corte a laser.

Lixa de grau médio.

1/8 Compensado de bétula báltica 48 polegadas de comprimento x 27 polegadas de altura x 2

1/8 acrílico transparente de 48 polegadas de comprimento x 27 polegadas de altura x 1

Tinta acrílica em spray em várias cores

Respirador com cartucho orgânico

Luvas

Furadeira sem fio (com várias brocas)

Cola de madeira

Cola instantânea (para naves espaciais)

Cura-for Lulzbot

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastics Filament

Referências úteis:

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

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