Stampa 3D a mano
In questa lezione, gli studenti esploreranno come funzionano le stampanti 3D, quindi, lavorando in coppia, useranno gli stessi metodi utilizzati dalle stampanti 3D per creare un modello 3D di un oggetto.
Presentare agli studenti:
- Stampanti 3D, produzione additiva e funzionamento della stampa 3D
- File CAD e STL utilizzati nella stampa 3D
Livelli di età: 8-14
Materiali di costruzione (per ogni squadra)
Materiali richiesti
- Cartone espanso o cartone ondulato spesso
- Righelli
- Scovolini o filo facilmente piegabile
- Matite
- Colla
- Una varietà di piccoli oggetti con forme relativamente semplici tra cui gli studenti possono scegliere.
- Balls
- Vasi
- Bocce
- Bottiglie
- Barattoli e vasetti
Materiale per gli insegnanti
Breve video da PBS LearningMedia per un'introduzione visiva alla stampa 3D https://ny.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c-9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/
Design Challenge
Fai parte di un team di ingegneri che lavorano insieme per creare un modello "stampato in 3D" di un oggetto utilizzando materiali di uso quotidiano.
Il software di stampa 3D mappa la forma di un oggetto, quindi lo "divide" in livelli. Stampanti 3D quindi stampare oggetti aggiungendo strati su strati di materiale insieme per creare l'oggetto. Questo processo è chiamato "produzione additiva".
Lo spessore dei tuoi strati sarà uguale allo spessore del tuo materiale da costruzione (pannello di schiuma o cartone). Per misurare i tuoi strati, avvolgerai uno scovolino attorno al tuo oggetto in corrispondenza di ogni indicatore di strato / altezza (se il tuo pannello di schiuma è spesso ¼ ", misurerai il tuo oggetto con uno scovolino a ¼" di altezza, ½ "di altezza," alto e così via). Lo scovolino ti darà le dimensioni e la forma delstrato. Tracciando la forma dello scovolino sul materiale da costruzione, ritaglierai ogni strato del tuo modello. Aggiungendo uno strato sopra l'altro e attaccandoli con la colla, creerai il tuo modello tridimensionale.
Criteri
- L'oggetto per la modellazione deve essere selezionato dal team
- Usa righello e scovolini per misurare l'oggetto a ciascun indicatore di altezza
vincoli
- Utilizzare solo i materiali forniti
- Suddividi la classe in squadre da 2
- Distribuisci il foglio di lavoro Stampa 3D a mano e alcuni fogli di carta per disegnare disegni.
- Discuti gli argomenti nella sezione Concetti di base. Potresti mostrare questo breve video di PBS LearningMedia per un'introduzione visiva alla stampa 3D https://ny.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c-9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/
- Rivedere il processo di progettazione ingegneristica, la sfida di progettazione, i criteri, i vincoli e i materiali.
- Istruire gli studenti a iniziare il brainstorming e ad abbozzare i loro progetti.
- Fornisci a ogni squadra i loro materiali.
- Spiega che gli studenti creeranno un modello tridimensionale di uno degli oggetti che hai messo a disposizione. Discuti su come le stampanti 3D costruiscono oggetti utilizzando i livelli, motivo per cui a volte viene definita "produzione additiva". I file del computer utilizzati con le stampanti 3D contengono le informazioni necessarie per ogni strato dell'oggetto stampato. Il software CAD descrive la struttura tridimensionale di un oggetto. I file .STL descrivono la struttura esterna di un oggetto dividendolo in triangoli. Il software di slicing divide quindi la struttura tridimensionale in strati orizzontali per la stampante 3D. Utilizzando metodi simili a una stampante 3D, gli studenti lavoreranno con il cartone espanso o il cartone ondulato fornito per "stampare in 3D" un modello dell'oggetto che scelgono. Man mano che costruiscono il loro modello con strati di schiuma, useranno una sorta di produzione additiva. Fornire agli studenti lo spessore del pannello di schiuma o del cartone ondulato utilizzato. Questo spessore diventerà l'altezza di ogni strato dei loro modelli. Dividendo l'oggetto in strati utilizzando questo indicatore di altezza, gli studenti avvolgeranno gli scovolini oi fili attorno all'oggetto per determinarne la forma a ciascun indicatore di altezza. Gli studenti tracceranno il filo sul cartone o sul pannello di gommapiuma e poi ritaglieranno ogni strato. Gli studenti impileranno e incolleranno insieme gli strati per creare il loro modello utilizzando una sorta di metodo di produzione additiva.
- Annuncia il tempo a disposizione per progettare e costruire (1 ora consigliata).
- Usa un timer o un cronometro in linea (funzione di conto alla rovescia) per assicurarti di rimanere puntuale. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dare agli studenti regolari "controlli del tempo" in modo che rimangano concentrati. Se hanno difficoltà, fai domande che li porteranno a una soluzione più rapida.
- Gli studenti si incontrano e sviluppano un piano per il loro modello 3D. Concordano i materiali di cui avranno bisogno, scrivono / disegnano il loro piano e presentano il loro piano alla classe. I team possono scambiare materiali illimitati con altri team per sviluppare il loro elenco di parti ideali.
- I team costruiscono i loro progetti.
- In classe, condividi i progetti e discuti le domande di riflessione degli studenti.
- Per ulteriori contenuti sull'argomento, vedere la sezione "Scavare più a fondo".
Riflessione degli studenti (quaderno di ingegneria)
- Come si confronta il modello che hai creato con l'oggetto su cui lo hai basato?
- Quali modifiche al processo o ai materiali pensi che porterebbero a una riproduzione più dettagliata e accurata dell'oggetto originale?
- In che modo il processo che hai utilizzato per creare il tuo modello 3D è simile a quello reale processo utilizzato da una stampante 3D ??
- Come pensi che lo spessore degli strati che hai creato qui sia paragonabile agli strati creato per una stampante 3D?
- Quali sfide hai incontrato nella creazione del tuo modello 3D? Quali altri strumenti o i materiali potrebbero averti aiutato a fare le tue misurazioni e costruire i tuoi strati?
Modifica dell'ora
La lezione può essere svolta in un solo periodo di lezione per gli studenti più grandi. Tuttavia, per aiutare gli studenti a non sentirsi di fretta e per assicurarne il successo (specialmente per gli studenti più giovani), dividi la lezione in due periodi dando agli studenti più tempo per fare brainstorming, testare le idee e finalizzare il loro progetto. Condurre il test e il debriefing nel prossimo periodo di lezione.
Cos'è la stampa 3D?
Le stampanti 3D sono stampanti che stampano oggetti tridimensionali aggiungendo strati su strati del materiale di stampa utilizzato. Questo processo è chiamato produzione additiva. Le stampanti 3D hanno creato oggetti utilizzando un'ampia varietà di materiali di stampa, tra cui plastica, zucchero e persino cellule umane.
Le stampanti 3D hanno il potenziale per rivoluzionare il modo in cui vengono prodotti gli oggetti di uso quotidiano. Nella produzione tradizionale, la produzione di piccoli lotti di un prodotto o la realizzazione di un prodotto personalizzato è molto costosa. Le stampanti 3D possono consentire la creazione di un numero limitato di prodotti personalizzati in modo economico. Ciò significa che la creazione di prototipi può diventare molto meno costosa e i prodotti possono essere fabbricati su ordinazione, piuttosto che dover essere prefabbricati in grandi numeri.
Le stampanti 3D hanno anche il potenziale per rendere disponibili prodotti in aree remote dove altrimenti potrebbe essere difficile o impossibile accedervi. Ciò può significare la stampa 3D di impianti medici su misura in un villaggio remoto o strumenti di stampa 3D nello spazio. Nel 2014, una stampante 3D è stata inviata nello spazio e consegnata alla Stazione Spaziale Internazionale. La NASA è stata quindi in grado di inviare tramite e-mail agli astronauti i disegni CAD (progettazione assistita da computer) per una chiave a tubo e gli astronauti hanno stampato con successo la chiave a tubo a bordo della stazione spaziale.
Le stampanti 3D potrebbero essere utilizzate per creare tutti i tipi di oggetti tridimensionali da una varietà di materiali. Sono già stati utilizzati per stampare prodotti per la casa progettati su misura, alimenti come frittelle e sculture di zucchero, strumenti musicali e protesi mediche su misura. I ricercatori stanno anche lavorando per stampare con cellule vive, che potrebbe consentire loro di creare tessuti e organi vivi attraverso un processo chiamato bioprinting. Le stampanti 3D hanno anche il potenziale per produrre farmaci complessi in modo accurato ed economico.
Per progettare un oggetto da stampare in 3D, è necessario creare un modello 3D generato dal computer. I modelli 3D possono essere creati utilizzando un software CAD, una fotocamera digitale abbinata a un software speciale o uno scanner 3D. Il modello 3D deve quindi essere convertito in un file .STL, che converte la forma dell'oggetto 3D in una serie di triangoli, o in un file .OBJ, che può anche includere informazioni sul colore e sulla trama. Quindi il software della stampante 3D può leggerlo. Questo file viene quindi elaborato da un "filtro dei dati". Questo è un software che converte il modello 3D in una serie di livelli, fornendo alla stampante 3D le sue istruzioni di stampa.
Le stampanti 3D stanno diventando meno costose e più ampiamente disponibili. Molte biblioteche pubbliche, makerspace e scuole ora hanno stampanti 3D disponibili per l'uso pubblico.
- 3D: La qualità dell'essere tridimensionale.
- Produzione additiva: creazione di design più leggeri e complessi.
- Vincoli: limitazioni relative a materiale, tempo, dimensioni del team, ecc.
- Criteri: condizioni che il progetto deve soddisfare come le sue dimensioni complessive, ecc.
- Ingegneri: inventori e risolutori di problemi del mondo. Venticinque grandi specialità sono riconosciute in ingegneria (vedi infografica).
- Processo di progettazione ingegneristica: gli ingegneri di processo utilizzano per risolvere i problemi.
- Engineering Habits of Mind (EHM): sei modi unici in cui pensano gli ingegneri.
- Iterazione: test e riprogettazione sono un'iterazione. Ripeti (più iterazioni).
- Strati: un foglio, una quantità o uno spessore di materiale.
- Modello: Una rappresentazione tridimensionale di una persona o cosa o di una struttura proposta, tipicamente su scala più piccola dell'originale.
- Prototipo: Un modello funzionante della soluzione da testare.
Connessioni Internet
- PBS LearningMedia: la stampa 3D cambierà il mondo?
lettura consigliata
- Stampanti 3D: una guida per principianti di Oliver Bothmann (ISBN: 978-1565238718)
- Make: Introduzione alla stampa 3D: una guida pratica all'hardware, al software e ai servizi dietro la nuova rivoluzione manifatturiera di Liza Wallach Kloski e Nick Kloski (ISBN: 978-1680450200)
Attività di scrittura
Scrivi un saggio o un paragrafo sui modi in cui la stampa 3D può essere utile per la società e sui potenziali pericoli, insidie o problemi morali che potrebbe sollevare.
Allineamento ai Curriculum Frameworks
Nota: I piani delle lezioni di questa serie sono allineati a uno o più dei seguenti gruppi di standard:
- Standard statunitensi per l'educazione scientifica (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Standard scientifici di nuova generazione degli Stati Unitihttp://www.nextgenscience.org/)
- Standards for Technological Literacy della International Technology Education Association (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Principi e standard del Consiglio nazionale degli insegnanti di matematica degli Stati Uniti per la matematica scolastica (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- US Common Core State Standards for Mathematics (http://www.corestandards.org/Math)
- Associazione degli insegnanti di informatica K-12 Standard di informatica (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 5-8 (età 10-14)
CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Comprensioni sull'indagine scientifica
CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia
Come risultato delle attività nei gradi 5-8, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Capacità di progettazione tecnologica
- Comprensioni su scienza e tecnologia
CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Salute personale
- Rischi e benefici
- Scienza e tecnologia nella società
CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Storia della scienza
Standard nazionali per l'educazione scientifica Classi 9-12 (età 14-18)
CONTENUTO STANDARD A: Science as Inquiry
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Comprensioni sull'indagine scientifica
CONTENUTO STANDARD E: Scienza e tecnologia
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero svilupparsi
- Capacità di progettazione tecnologica
- Comprensioni su scienza e tecnologia
CONTENUTO STANDARD F: Scienza nelle prospettive personali e sociali
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Scienza e tecnologia nelle sfide locali, nazionali e globali
CONTENUTO STANDARD G: Storia e natura della scienza
Come risultato delle attività, tutti gli studenti dovrebbero sviluppare la comprensione di
- Prospettive storiche
Next Generation Science Standards Grades 3-5 (Age 8-11)
Progettazione ingegneristica
Gli studenti che dimostrano comprensione possono:
- 3-5-ETS1-1. Definire un semplice problema di progettazione che rifletta un bisogno o un desiderio che includa criteri specifici per il successo e vincoli su materiali, tempo o costi.
- 3-5-ETS1-2. Genera e confronta più possibili soluzioni a un problema in base alla probabilità che ciascuna di esse soddisfi i criteri e i vincoli del problema.
- 3-5-ETS1-3. Pianificare ed eseguire test equi in cui le variabili sono controllate e i punti di guasto sono considerati per identificare gli aspetti di un modello o prototipo che possono essere migliorati.
Next Generation Science Standards Grades 6-8 (Age 11-14)
Progettazione ingegneristica
Gli studenti che dimostrano comprensione possono:
- MS-ETS1-2 Valuta soluzioni di progettazione concorrenti utilizzando un processo sistematico per determinare quanto soddisfano i criteri e i vincoli del problema.
Next Generation Science Standards Grades 9-12 (Age 14-18)
Progettazione ingegneristica
Gli studenti che dimostrano comprensione possono:
- HS-ETS1-2. Progettare una soluzione a un problema complesso del mondo reale suddividendolo in problemi più piccoli e più gestibili che possono essere risolti attraverso l'ingegneria.
Standard per l'alfabetizzazione tecnologica - Tutte le età
La natura della tecnologia
- Standard 3: Gli studenti svilupperanno una comprensione delle relazioni tra le tecnologie e le connessioni tra la tecnologia e altri campi di studio.
Design
- Standard 8: gli studenti svilupperanno una comprensione degli attributi del design.
- Standard 9: gli studenti svilupperanno una comprensione della progettazione ingegneristica.
- Standard 10: Gli studenti svilupperanno una comprensione del ruolo della risoluzione dei problemi, ricerca e sviluppo, invenzione e innovazione e sperimentazione nella risoluzione dei problemi.
Abilità per un mondo tecnologico
- Standard 11: gli studenti svilupperanno le capacità di applicare il processo di progettazione.
- Standard 13: gli studenti svilupperanno le capacità di valutare l'impatto di prodotti e sistemi.
In coppia, lavorerai con il tuo partner per creare un modello "stampato in 3D" di un oggetto. Il software di stampa 3D mappa la forma di un oggetto, quindi lo "divide" in livelli. Le stampanti 3D stampano quindi gli oggetti aggiungendo strati su strati di materiale insieme per creare l'oggetto. Questo processo è chiamato "produzione additiva". Lo spessore dei tuoi strati sarà uguale allo spessore del tuo materiale da costruzione (pannello di schiuma o cartone). Per misurare i tuoi strati, avvolgerai uno scovolino attorno al tuo oggetto in corrispondenza di ogni indicatore di livello / altezza (se il tuo pannello di schiuma è spesso 1⁄4 ", misurerai il tuo oggetto con uno scovolino a 1⁄4" di altezza, 1⁄2 3 "di altezza, 4⁄XNUMX" di altezza e così via). Lo scovolino ti darà le dimensioni e la forma dello strato. Tracciando la forma dello scovolino sul materiale da costruzione, ritaglierai ogni strato del tuo modello. Aggiungendo uno strato sopra l'altro e attaccandoli con la colla, creerai il tuo modello tridimensionale.
Riflessione
1. Come si confronta il modello che hai creato con l'oggetto su cui lo hai basato?
2. Quali modifiche al processo o ai materiali pensi che porterebbero a una riproduzione più dettagliata e accurata dell'oggetto originale?
3. In che modo il processo utilizzato per creare il modello 3D è simile al processo effettivo utilizzato da una stampante 3D?
4. Come pensi che lo spessore degli strati che hai creato qui sia paragonabile agli strati creati per una stampante 3D?
5. Quali sfide hai incontrato nella creazione del tuo modello 3D? Quali altri strumenti o materiali potrebbero averti aiutato a fare le tue misurazioni e costruire i tuoi strati?
Traduzione del piano di lezione