Imprimarea 3D de mână

Materiale de construcție (pentru fiecare echipă)

Materiale necesare

• Placă de spumă sau carton ondulat gros
• Rigle
• Curățătoare de țevi sau sârmă ușor de îndoit
• Creioane
• Lipici
• O varietate de obiecte mici cu forme relativ simple pentru care elevii pot alege.
  • Mingi
  • Vaze
  • Miscuri
  • Sticle
  • Cupe

Materiale pentru profesori

Scurt videoclip de la PBS LearningMedia pentru o introducere vizuală la imprimarea 3D https://ny.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c-9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/

Designul Challenge

Faceți parte dintr-o echipă de ingineri care lucrează împreună pentru a crea un model „tipărit 3D” al unui obiect folosind materiale de zi cu zi. 

Software-ul de imprimare 3D mapează forma unui obiect, apoi îl „tăie” în straturi. Imprimantele 3D atunci imprimați obiecte adăugând strat peste strat de material împreună pentru a crea obiectul. Acest proces se numește „fabricație aditivă”. 

Grosimea straturilor dvs. va fi aceeași cu grosimea materialului de construcție (scândură sau carton). Pentru a vă măsura straturile, veți înfășura dispozitivele de curățare a țevilor în jurul obiectului la fiecare marcator de strat / înălțime (în cazul în care panoul dvs. este de thick ”gros, vă veți măsura obiectul cu un dispozitiv de curățare a țevilor la ¼” înalt, ½ ”înalt, high” mare și așa mai departe). Curățătorul de țevi vă va oferi dimensiunea și formastrat. Urmărind forma de curățare a țevii pe materialul dvs. de construcție, veți tăia fiecare strat al modelului dvs. Adăugând un strat deasupra celuilalt și atașându-le cu adeziv, veți crea modelul dvs. tridimensional.

Criterii 

• Obiectul pentru modelare trebuie selectat de echipă
• Folosiți rigle și curățătoare de țevi pentru a măsura obiectul la fiecare înălțime 

Constrângerile

• Folosiți numai materialele furnizate

1. Divizați clasa în echipe de 2
2. Împărțiți foaia de lucru Imprimare 3D manual, precum și câteva foi de hârtie pentru schițarea proiectelor. 
3. Discutați subiectele în secțiunea Concepte de fundal. Poate doriți să arătați acest scurt videoclip de la PBS LearningMedia pentru o introducere vizuală la imprimarea 3D https://ny.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c-9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/
4. Examinați procesul de proiectare inginerească, provocarea de proiectare, criteriile, constrângerile și materialele. 
5. Indicați elevilor să înceapă brainstorming-ul și să schițeze proiectele lor.
6. Furnizați fiecărei echipe materialele lor.
7. Explicați că elevii vor crea un model tridimensional al unuia dintre obiectele pe care le-ați pus la dispoziție. Discutați despre cum imprimantele 3D construiesc obiecte folosind straturi, motiv pentru care uneori este denumită „fabricație aditivă”. Fișierele computerului utilizate cu imprimantele 3D conțin informațiile necesare pentru fiecare strat al obiectului care este tipărit. Software-ul CAD descrie structura tridimensională a unui obiect. Fișierele .STL descriu structura externă a unui obiect împărțindu-l în triunghiuri. Software-ul de feliere împarte apoi structura tridimensională în straturi orizontale pentru imprimanta 3D. Folosind metode similare cu o imprimantă 3D, studenții vor lucra cu placa de spumă sau carton ondulat furnizate pentru a „imprima 3D” un model al obiectului pe care îl aleg. Pe măsură ce își construiesc modelul din straturi de plăci de spumă, vor folosi un fel de fabricație aditivă. Oferiți elevilor grosimea plăcii de spumă sau a cartonului ondulat utilizat. Această grosime va deveni înălțimea fiecărui strat al modelelor lor. Împărțind obiectul în straturi folosind acest marker de înălțime, elevii vor înfășura dispozitivele de curățare sau firele în jurul obiectului lor pentru a determina forma acestuia la fiecare marker de înălțime. Elevii vor urmări firul pe carton sau pe o placă de spumă și apoi vor tăia fiecare strat. Elevii vor stivui și lipi straturile împreună pentru a-și crea modelul folosind un fel de metodă de fabricație aditivă.
8. Anunțați timpul necesar pentru proiectare și construire (1 oră recomandată).
9. Folosiți un cronometru sau un cronometru online (funcție de numărătoare inversă) pentru a vă asigura că vă mențineți la timp. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Oferiți elevilor „verificări de timp” regulate, astfel încât să rămână în sarcină. Dacă se luptă, puneți întrebări care îi vor duce mai repede la o soluție. 
10. Elevii se întâlnesc și dezvoltă un plan pentru modelul lor 3D. Sunt de acord asupra materialelor de care vor avea nevoie, își scriu / desenează planul și își prezintă planul clasei. Echipele pot tranzacționa materiale nelimitate cu alte echipe pentru a-și dezvolta lista de piese ideale.
11. Echipele își construiesc proiectele. 
12. Ca clasă, împărtășiți proiectele și discutați întrebările de reflecție ale elevilor.
13. Pentru mai mult conținut pe această temă, consultați secțiunea „Săpând mai adânc”.

Reflecția studenților (caiet de inginerie)

1. Cum se compară modelul pe care l-ați creat cu obiectul pe care l-ați bazat?
2. Ce modificări aduse procesului sau materialelor credeți că ar duce la o reproducere mai detaliată și mai precisă a obiectului original?
3. În ce moduri procesul este folosit pentru a crea modelul 3D similar cu cel real proces folosit de o imprimantă 3D ??
4. Cum crezi că grosimea straturilor pe care le-ai creat aici se compară cu straturile creat pentru o imprimantă 3D?
5. Ce provocări ai întâmpinat în crearea modelului tău 3D? Ce alte instrumente sau materialele v-ar fi putut ajuta să vă faceți măsurătorile și să vă construiți straturile?

Lecția poate fi făcută în cel puțin o perioadă de clasă pentru elevii mai mari. Cu toate acestea, pentru a ajuta elevii să se simtă grăbiți și pentru a asigura succesul elevilor (în special pentru elevii mai tineri), împărțiți lecția în două perioade, oferindu-le elevilor mai mult timp pentru a face brainstorming, pentru a testa ideile și pentru a finaliza proiectarea lor. Efectuați testarea și descrierea în următoarea perioadă de curs.

• 3D: Calitatea de a fi tridimensional.
• Fabricare aditivă: crearea de modele mai ușoare, mai complexe.
• Constrângeri: Limitări cu material, timp, dimensiunea echipei etc.
• Criterii: Condiții pe care proiectul trebuie să le îndeplinească, cum ar fi dimensiunea sa totală etc.
• Ingineri: Inventori și soluționatori de probleme ai lumii. Douăzeci și cinci de specialități majore sunt recunoscute în inginerie (vezi infografic).
• Procesul de proiectare inginerească: inginerii de proces îl folosesc pentru a rezolva probleme. 
• Obiceiuri de inginerie ale minții (EHM): șase moduri unice în care gândesc inginerii.
• Iterație: Testarea și reproiectarea este o singură iterație. Repetați (mai multe iterații).
• Straturi: O foaie, cantitate sau grosime de material.
• Model: O reprezentare tridimensională a unei persoane sau a unui lucru sau a unei structuri propuse, de obicei la o scară mai mică decât originalul.
• Prototip: Un model de lucru al soluției de testat.
  

Conexiuni la Internet

• PBS LearningMedia: Imprimarea 3D va schimba lumea?

https://thinktv.pbslearningmedia.org/resource/b9194612-d6e7-4307-b08c9c2857956713/will-3d-printing-change-the-world/

Bibliografie

• Imprimante 3D: Un ghid pentru începători de Oliver Bothmann (ISBN: 978-1565238718)
• Marcă: Noțiuni introductive despre imprimarea 3D: un ghid practic pentru hardware, software și servicii din spatele noii revoluții de fabricație de Liza Wallach Kloski și Nick Kloski (ISBN: 978-1680450200)

Activitate de scriere 

Scrieți un eseu sau un paragraf despre modurile în care imprimarea 3D poate fi utilă societății și potențialele pericole, capcane sau probleme morale pe care le poate ridica.

Alinierea la cadrele curriculare

Notă: Planurile de lecție din această serie sunt aliniate la unul sau mai multe dintre următoarele seturi de standarde:  

• Standarde de educație științifică din SUA (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Standarde științifice de nouă generație din SUA (http://www.nextgenscience.org/) 
• Standardele Asociației Internaționale de Educație Tehnologică pentru alfabetizare tehnologică (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Consiliul Național al SUA al Profesorilor de Matematică Principiile și standardele pentru matematica școlară (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Standardele comune de stat ale SUA pentru matematică (http://www.corestandards.org/Math)
• Asociația profesorilor de informatică K-12 Standarde de informatică (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Standarde naționale de educație științifică Clasele 5-8 (vârstele 10-14)

STANDARDUL DE CONȚINUT A: Știința ca anchetă

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Înțelegeri despre ancheta științifică 

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie
Ca rezultat al activităților din clasele 5-8, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Abilități de proiectare tehnologică 
• Înțelegeri despre știință și tehnologie 

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Sănătate personală 
• Riscuri și beneficii 
• Știință și tehnologie în societate 

STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Istoria științei 

Standarde naționale de educație științifică Clasele 9-12 (vârste 14-18)

STANDARDUL DE CONȚINUT A: Știința ca anchetă

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Înțelegeri despre ancheta științifică 

STANDARDUL DE CONȚINUT E: Știință și tehnologie

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să se dezvolte

• Abilități de proiectare tehnologică 
• Înțelegeri despre știință și tehnologie 

STANDARDUL DE CONȚINUT F: Știința în perspective personale și sociale

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Știință și tehnologie în provocările locale, naționale și globale 

STANDARDUL DE CONȚINUT G: Istoria și natura științei

Ca rezultat al activităților, toți elevii ar trebui să dezvolte înțelegerea

• Perspective istorice 

Următoarele generații de standarde științifice clasele 3-5 (vârste 8-11)

Proiectare inginerie 

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• 3-5-ETS1-1. Definiți o problemă simplă de proiectare care reflectă o nevoie sau o dorință care include criterii specificate pentru succes și constrângeri privind materialele, timpul sau costurile.
• 3-5-ETS1-2. Generați și comparați mai multe soluții posibile la o problemă pe baza cât de bine este posibil ca fiecare să îndeplinească criteriile și constrângerile problemei.
• 3-5-ETS1-3. Planificați și efectuați teste corecte în care variabilele sunt controlate și punctele de eșec sunt considerate pentru a identifica aspecte ale unui model sau prototip care pot fi îmbunătățite.

Următoarele generații de standarde științifice clasele 6-8 (vârste 11-14)

Proiectare inginerie 

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• MS-ETS1-2 Evaluați soluțiile de proiectare concurente utilizând un proces sistematic pentru a determina cât de bine îndeplinesc criteriile și constrângerile problemei.

Următoarele generații de standarde științifice clasele 9-12 (vârste 14-18)

Proiectare inginerie 

Elevii care demonstrează înțelegere pot:

• HS-ETS1-2. Proiectați o soluție la o problemă complexă din lumea reală, descompunând-o în probleme mai mici și mai ușor de gestionat, care pot fi rezolvate prin inginerie.

Standarde pentru alfabetizare tehnologică - Toate vârstele

Natura tehnologiei

• Standardul 3: Elevii vor dezvolta o înțelegere a relațiilor dintre tehnologii și a conexiunilor dintre tehnologie și alte domenii de studiu.

Amenajări

• Standardul 8: Elevii vor dezvolta o înțelegere a atributelor designului.
• Standardul 9: Elevii vor dezvolta o înțelegere a proiectării inginerești.
• Standardul 10: Elevii vor dezvolta o înțelegere a rolului de depanare, cercetare și dezvoltare, invenție și inovație și experimentare în rezolvarea problemelor.

Abilități pentru o lume tehnologică

• Standardul 11: Elevii vor dezvolta abilități de a aplica procesul de proiectare.
• Standardul 13: Elevii vor dezvolta abilități de a evalua impactul produselor și sistemelor.