Avanti a tutto vapore! verso l'infinito e oltre: 11 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Una collaborazione tra Alicia Blakey e Vanessa Krause

Chi ca**o è Fibonacci?

Sulla base del design di Alicia (gli ingranaggi planetari nidificati) abbiamo deciso di collaborare per cercare di creare un sistema funzionante di ingranaggi che possono essere visualizzati in posizione verticale. Idealmente, vogliamo che il nostro pubblico si senta a suo agio e costretto a interagire con questo design. Utilizzando una varietà di metodi descritti in questo documento, parleremo del processo di progettazione e di come abbiamo affrontato problemi matematici, logica e scelte materiali.

Bin-it

Arruolare i nostri fratelli inclini alla matematica per aiutare: mio fratello Joey mi ha inviato una formula di Binet … senza alcuna spiegazione su come usarla. Quando gli ho scritto un messaggio e gli ho detto "Ehi Joey, potresti spiegarmelo?" al quale ha risposto: “Quale parte?”

Dato che non ho assolutamente alcuna inclinazione matematica, abbiamo chiesto al fratello di Alicia, Merrick, di spiegarci come si potrebbe applicare la formula per realizzare gli ingranaggi di nidificazione. Ha impiegato circa dieci minuti per risolverlo, ha risposto con "sì, funziona" e poi ha detto "devo andare" e ci ha lasciato senza risposte e senza formula tradotta.

Abbiamo impiegato altri 30 minuti a cercare una risposta alla nostra domanda…

Internet ha le risposte

Per superare la barriera di Binet, abbiamo deciso di setacciare Internet in cerca di risposte e suggerimenti su come risolvere il nostro indovinello. Abbiamo trovato diversi siti in grado di creare ingranaggi compatibili.

Alcuni di questi siti sono:

Generatore di ingranaggi planetari

Catalizzatore per ingranaggi

Una volta che abbiamo avuto questi generatori di ingranaggi per aiutare con gli aspetti matematici di questo progetto, siamo passati ad Adobe Illustrator per creare versioni di linee di questi ingranaggi. Alicia si è concentrata sul rendere ogni ingranaggio compatibile con i Laser Cutters al centro 100 McCaul RP. Abbiamo deciso di utilizzare compensato di betulla baltica da " per il taglio iniziale, per assicurarci che la matematica fosse allineata correttamente. Alicia ha realizzato più di 3 piccole maquette di come potrebbero essere questi ingranaggi. Ad ogni iterazione, c'erano problemi con il taglio laser che prendeva troppo poco o troppo dai piccoli sistemi di ingranaggi, in modo che non si incastrassero più e ruotassero efficacemente (usava sia acrilico che compensato (⅛"). Questo processo è stato frustrante, ma ci ha aiutato a realizzare i limiti del taglio laser per questo progetto.

Il prof sa meglio

Alicia ed io siamo entrambi molto testardi e determinati a risolvere l'enigma degli ingranaggi incastrati. Ero disposto ad accontentarmi di ingranaggi ad incastro planetario, tuttavia, Alicia aveva bisogno di risposte! In un ultimo tentativo di trovare conforto con la matematica, Alicia contattò un professore in pensione della Queen's University. Ha spiegato che per misurare facilmente le distanze tra ciascuno degli ingranaggi, avrebbe dovuto dividere e misurare 37 segmenti. Ciò consentirebbe a tutti i denti di allinearsi correttamente. Passando il tempo a risolvere l'enigma, c'era ancora un piccolo problema matematico con l'allineamento. Abbiamo optato per gli ingranaggi planetari, dato il nostro limite di tempo complessivo.

Decollo

Mentre Alicia risolveva problemi matematici profondi, io mi concentravo sulla stampa di astronavi 3D. Ciò ha contribuito a consolidare il tema generale e ha anche conferito al nostro pezzo una qualità interattiva più accogliente. Usando Thingiverse, sono stato in grado di trovare un divertente design di astronave retrò (creato da cerberus333). Questo design mi ha permesso di modificare la scala per essere molto più piccola. Aggiungendo l'astronave, il nostro pubblico sarà in grado di trattenerla, mentre gli ingranaggi girano insieme. Questa era una soluzione molto semplice per rendere il pezzo più accogliente per gli altri. Sulla base della natura open source di Thingiverse, chiunque disponga di un computer e abbia accesso a una stampante 3D può creare questo oggetto da solo. La stampa è stata anche relativamente veloce (ci sono volute meno di 2 ore per stampare 7 astronavi). Abbiamo finito per utilizzare solo 3 o 7 copie stampate.

Spara alla luna…

Sulla base dell'idea progettuale iniziale, Alicia ed io volevamo creare ingranaggi planetari con molte luci LED incorporate che sarebbero state attivate dai nostri magneti (attaccati sul retro di ogni ingranaggio) in modo che il modello potesse stare in piedi e illuminare ogni "stella" sistema mentre gira. Alicia è andata a Home Hardware e ha acquistato il circuito LED dell'interruttore Reed e i sensori magnetici. Ho usato un trapano e una sega a mano per fare l'apertura corretta per il LED e il sensore magnetico da inserire nella tavola di compensato di legno. Ci siamo resi conto in seguito che i pacchi batteria acquistati da Home Hardware su College e Spadina erano effettivamente difettosi e accendevano solo una lampadina a LED al passaggio del magnete.

Più di un semplice vandalismo

Per questo progetto, volevo anche applicare più mani sulle tecniche creative. Sebbene gli ingranaggi in legno e acrilico fossero belli da soli, mancavano di un tema comune con le astronavi. Ho deciso di utilizzare la vernice spray acrilico Molotow per creare un motivo galattico per i sistemi di ingranaggi. Sebbene avessimo pianificato di verniciare a spruzzo l'intera scheda, ci siamo imbattuti nella piccola scala della cabina di verniciatura situata nel Maker Lab presso la nostra struttura per laureati. Sulla base di questa limitazione delle dimensioni, abbiamo deciso di verniciare a spruzzo gli ingranaggi in modo asimmetrico. In questo modo, l'astronave potrebbe sedersi su uno degli ingranaggi semplici o dipinti a spruzzo per aiutare il partecipante a comprendere il nostro tema generale.

Orbita

Una volta assemblati tutti gli ingranaggi su larga scala, Alicia ha utilizzato gli strumenti di saldatura per saldare insieme il sensore magnetico e il LED. Abbiamo deciso il posizionamento del 1 LED funzionante e l'abbiamo messo vicino all'ingranaggio centrale. Quando 3 potenti magneti sono stati posizionati sotto l'astronave, è successo il risultato desiderato! Abbiamo avuto luce! Tuttavia, avere altri magneti sotto gli ingranaggi (per tenerli in posizione verticale) avrebbe interferito con il sensore del magnete. Pertanto, abbiamo deciso che il design doveva rimanere invece una versione da tavolo.

Lato oscuro della luna

Le principali sfide che abbiamo dovuto affrontare in questa iterazione collaborativa sono state le limitazioni del taglio laser e della tecnologia delle batterie. Il file di progettazione, la stampa 3D delle astronavi e l'assemblaggio manuale (usare strumenti tradizionali come trapani, una sega a mano, colla e morsetti è stato sorprendentemente facile). Se qualcuno dovesse ricreare questo pezzo, la sfida principale sarebbe per loro usare la matematica per tracciare il design più ideale che il laser può tagliare. Abbiamo anche lottato con la limitazione del tempo e idealmente vorremmo rivisitare questo progetto nel prossimo futuro per continuare ad espandere questo concetto.

Strumenti e tecnologia

Per creare questo progetto fedelmente, dovrebbero avere una conoscenza di base del processo di progettazione, matematica, come utilizzare l'intelligenza artificiale e impostare correttamente un file laser da tagliare. Successivamente, avrebbero bisogno di una conoscenza di base dell'elettricità (LED, sensore magnetico e saldatura). Avranno bisogno di accedere a un'area ben ventilata per la verniciatura a spruzzo e la progettazione personalizzata di questi ingranaggi. Una Taz Lulzbot 6 è stata utilizzata per stampare l'astronave, insieme al filamento PLA Village Plastics (qualsiasi colore andrà bene, dato che puoi anche verniciarli a spruzzo). Infine, avranno bisogno di conoscenze di base su come utilizzare un trapano e una sega a mano per tagliare le dimensioni corrette dei fori per ciascun LED e sensore magnetico (questo deve essere misurato con attenzione, poiché il sensore non è molto forte e deve essere posizionato a distanza ravvicinata dal magnete). Infine, se vuoi ricreare fedelmente questo progetto, ti servirà anche un po' di spazio per il montaggio!

Un passo da gigante per l'umanità

Abbiamo raggiunto MARTE! Solo scherzando! Usando metodi di fabbricazione digitale, siamo stati in grado di creare un sistema di ingranaggi matematico e realizzare in legno e acrilico (nella velocità necessaria per indossare il casco da astronauta). Questo non sarebbe stato possibile senza la tecnologia dei file Adobe Illustrator combinata con il taglio laser. I laser sono estremamente precisi e veloci. Qualcosa che sarebbe stato impossibile ottenere con i soli strumenti di fabbricazione tradizionali. Sebbene i metodi tradizionali non siano stati utilizzati nel processo di fabbricazione principale, sono diventati estremamente importanti nell'assemblaggio finale e nell'inclusione della tecnologia.

Avanti a tutto vapore

Da un punto di vista educativo, questo sistema di ingranaggi planetari incorporava tutte le basi dell'apprendimento facendo. La ludicizzazione svolge un ruolo importante nel prodotto finale per renderlo attraente per gli utenti. Tuttavia, uno dei principali beneficiari di questo progetto è l'istruzione. Questo progetto può insegnare abilità pratiche, a partire da matematica, ingegneria, ragionamento spaziale e cicli elettronici. Può dare agli studenti la possibilità di vedere come la matematica si collega al mondo fisico e come i processi meccanici (come il taglio laser) dipendono da calcoli accurati. Infine, gli studenti hanno la possibilità di applicare la creatività e le arti visive al processo di aggiunta di pittura, colore, collage per specificare il loro design. Consente inoltre loro di creare un ambiente di apprendimento interattivo che supporti STEAM in classe. STEAM è incluso in tutti i criteri di creazione di questo progetto incorporando efficacemente:

Scienza

Tecnologia

Ingegneria

arti

Matematica

Negli anni c'è stata una spinta recente a migliorare l'alfabetizzazione mediatica e lo sviluppo negli studenti di prima elementare. Come suggerisce l'Ontario Curriculum, avere opportunità di istruzione interdisciplinari è importante per costruire l'amore per l'apprendimento degli studenti (K-12). Questo progetto è un approccio consapevole alla risoluzione dei problemi, alla collaborazione, all'apprendimento pratico open source necessario in molte materie del Curriculum dell'Ontario e oltre!

Costellazioni illimitate

Infine, è importante riconoscere che questo design potrebbe essere notevolmente migliorato nelle mani di altre persone. Ciò significa che, sebbene tutti i componenti si trovino qui, sono ancora possibili molte modifiche e remix di questo design. Lavorando in modo collaborativo, questo design ha un potenziale illimitato. È un ottimo progetto di partenza per chiunque sia interessato ad applicare STEAM alla propria pratica di apprendimento. Poiché il design è basato sulla matematica, può essere modificato, alterato e rifatto in molte costellazioni diverse. Questo progetto promuove l'idea che non esiste un modo unico di fare.

Passaggio 1: Cestinalo

Riesci a risolvere questo enigma?

Passaggio 2: generazione degli ingranaggi

Utilizzando la sezione dei riferimenti che puoi trovare di seguito, ti abbiamo fornito gli strumenti per generare ingranaggi. Ci sono 2 siti web uno che è esclusivo per i progetti matematici e l'altro sito discute i diversi materiali e le variazioni se dovessi tagliare gli ingranaggi da solo.

Questi sono entrambi importanti quando si pianifica e si costruisce il file per il taglio laser poiché entrambi ti aiuteranno a prendere in considerazione i materiali e a capire come lavorare all'interno dei costrutti di lievi variazioni impreviste.

Ricerca Famigerato per la sua conoscenza condivisa, Matthias trova eco in molti progetti di attrezzi perché fornisce informazioni semplificate su come tagliare a mano i propri ingranaggi. Fornisce anche informazioni di base in modo che tu possa iniziare il tuo progetto con una buona base. Questo è essenziale per generare un sistema che funzioni e capacità di problem solving da risolvere in seguito. Il seguente glossario fornito è stato creato e fornito da: [email protected]

Passaggio 3: spaziatura dei denti

Numero di millimetri da un dente all'altro, lungo il diametro primitivo.

Denti dell'ingranaggio 1: numero di denti sull'ingranaggio da renderizzare per l'ingranaggio. Controlla la marcia sinistra quando vengono mostrate due marce. Immettere un valore negativo per le corone dentate.

Pignone e cremagliera: cambia la marcia 1 in una marcia lineare (cremagliera). Puoi anche trasformare l'altro ingranaggio in una cremagliera inserendo "0" per il conteggio dei denti.

Distanza cal misurata (mm): Dopo aver stampato una pagina di prova, misurare la distanza tra le linee contrassegnate con "questo dovrebbe essere 150 mm". Se non è 150 mm, immettere il valore in questo campo per compensare il ridimensionamento della stampante. La stampa successiva dovrebbe essere della dimensione corretta.

Angolo di contatto (gradi): l'angolo di pressione degli ingranaggi. Per ingranaggi con un numero inferiore di denti, impostalo un po' più grande, per ottenere denti più inclinati che hanno meno probabilità di incepparsi.

Denti dell'ingranaggio 2: numero di denti per l'ingranaggio a destra, se renderizzato. La casella di controllo controlla se vengono renderizzati uno o due ingranaggi.

Due ingranaggi: quando si stampano modelli, è utile avere solo un ingranaggio mostrato.

Raggi: mostra l'ingranaggio con i raggi. I raggi sono mostrati solo per ingranaggi con 16 o più denti.

Fase 4: Matematica

Ho trovato l'equazione seguente per aiutare a costruire la mia disposizione degli ingranaggi e per determinare che gli ingranaggi funzioneranno e si adatteranno insieme.

Indica R, S e P come il numero di denti sugli ingranaggi.

Il primo vincolo per l'elaborazione di un ingranaggio planetario è che tutti i denti hanno lo stesso passo o spaziatura tra i denti. Questo assicura che i denti ingranano. Quello che ho fatto è stato creare 3 lati separati che avevano lo stesso passo ma non combaciavano tra loro in modo che gli ingranaggi fossero sempre allineati ma in uno schema diverso. Il secondo vincolo è: R = 2 × P + S

Vale a dire, il numero di denti della corona dentata è uguale al numero di denti dell'ingranaggio centrale più il doppio del numero di denti degli ingranaggi planetari. Un esempio di questo sarebbe 30 = 2 × 9 + 12. Oppure puoi andare al sito Web di generazione di ingranaggi all'indirizzo https://geargenerator.com o

Passaggio 5: file SVG e Illustrator

Se stai importando un file da Gear Generator e non hai costruito in Illustrator, dovrai seguire le istruzioni seguenti per lavorare con i file SVG in Illustrator.

Illustrator fornisce un set predefinito di effetti SVG. È possibile utilizzare gli effetti con le loro proprietà predefinite, modificare il codice XML per produrre effetti personalizzati o scrivere nuovi effetti SVG.

Per importare un file SVG in Illustrator:

Scegli Effetto > Filtro SVG > Importa filtro SVG.

Seleziona il file SVG da cui desideri importare gli effetti e fai clic su Apri.

Per manipolare un file SVG in Illustrator: seleziona un oggetto o un gruppo (o scegli un livello nel pannello Livelli).

Effettuate una delle seguenti operazioni: Per applicare un effetto con le sue impostazioni predefinite, selezionate l'effetto dalla sezione inferiore del sottomenu Effetto > Filtri SVG.

Per applicare un effetto con impostazioni personalizzate, scegli Effetto > Filtri SVG > Applica filtro SVG.

Nella finestra di dialogo, seleziona l'effetto e fai clic sul pulsante Modifica filtro SVG fx.

Modifica il codice predefinito e fai clic su OK.

Per creare e applicare un nuovo effetto, scegli Effetto > Filtri SVG > Applica filtro SVG.

Nella finestra di dialogo, fai clic sul pulsante Nuovo filtro SVG, inserisci il nuovo codice e fai clic su OK.

Quando applicate un effetto filtro SVG, Illustrator visualizza una versione rasterizzata dell'effetto sulla tavola da disegno. È possibile controllare la risoluzione di questa immagine di anteprima modificando l'impostazione della risoluzione di rasterizzazione del documento.

Passaggio 6: salvataggio del file

Esporta il tuo file come.eps o.ai.

Vai alle impostazioni e assicurati di lavorare in modalità RGB, NON CMYK.

Puoi cambiarlo andando su:

Seleziona File -> Modalità colore documento -> RGB

Tutte le linee di taglio devono essere indicate utilizzando le linee rosse, blu e verdi con uno spessore del tratto di.01pt

Il laser interpreterà i colori come linee di taglio ordinate che lavorano dall'interno verso l'esterno.

Iniziando con Rosso (RGB: 255, 0, 0) seguito da Blu (RGB 0, 0, 255) e infine Verde (RGB 0, 255, 0).

Tutti i tagli interni devono essere tagliati per primi e quindi dovrebbero essere rossi, con eventuali ulteriori tagli blu e i tagli esterni finali verdi. Assicurati che tutti i tuoi ingranaggi combacino e che non ci siano linee intersecanti prima di impostare la stampa.

Se i tuoi ingranaggi sembrano non essere formattati correttamente, puoi fare riferimento alla pagina del generatore di ingranaggi e rivalutare i tuoi calcoli.

Salva come file.ai e trasferisci nel programma Bosslaser.

Questo programma ti permette anche di manipolare il tuo file. Puoi usare questo programma per inviare il tuo file direttamente al laser cutter.

Passaggio 7: Thingiverse e stampa 3D

Come menzionato nello schema principale di questo progetto, puoi stampare le tue astronavi 3D in qualsiasi momento! Crea il tuo design utilizzando ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 o Rhino, oppure vai su Thingiverse e trova un progetto Creative Commons da stampare! Forse puoi persino modificare alcuni file per adattarli alla tua sfida di design unica! Queste astronavi sono state stampate su una Taz Lulzbot 6 con PLA Village Plastics alla massima velocità (per 7 astronavi ci sono volute meno di 2 ore).

Passaggio 8: circuito LED interruttore reed

Un interruttore reed è un interruttore elettromagnetico che viene attivato da un magnete portato nelle sue vicinanze.

Questo circuito incorpora un interruttore reed, LED e alimentazione a 3 V da 2 batterie AA.

Questo progetto costituisce i fondamenti del funzionamento degli interruttori reed.

Dallo schema qui sotto puoi distinguere dove sono posizionati il LED e l'interruttore.

Il pacco batteria ha 2 fili nero e rosso. Il filo nero è la massa e il filo rosso è l'alimentazione.

Il filo rosso verrà saldato a entrambe le estremità dell'interruttore reed.

L'interruttore reed verrà saldato al lato lungo + del LED. LED: il lato corto verrà saldato per mettere a terra il filo nero che porta al pacco batteria.

Passaggio 9: incorporare il circuito nella scheda

È importante misurare la distanza che il magnete deve essere in posizione rispetto al tuo interruttore. Senza test potresti praticare un foro troppo lontano dal tuo magnete e quindi l'interruttore non funzionerà correttamente. La forza del tuo magnete significherà che può esserci uno spazio più ampio o più corto tra l'interruttore Reed e il magnete. Abbiamo misurato questo, quindi abbiamo praticato un foro per il LED e un'apertura per l'interruttore nella nostra tavola di betulla.

Passaggio 10: divertiti

Hai fatto un sacco di duro lavoro a questo punto. È tempo di essere creativi!

Usa vernice spray acrilica (Molotow) per ottenere un effetto cosmo sia sull'acrilico che sul legno. Usa i colori che si adattano al tuo progetto. Assicurati di indossare una protezione (idealmente un respiratore a mezza faccia per vapori organici o una maschera), indossa guanti per proteggere le mani e lavora SEMPRE in un'area ben ventilata (mai all'interno!).

Lascia asciugare gli ingranaggi per circa 24 ore prima di posizionarli sulla tavola per evitare di graffiare la vernice.

Puoi anche dipingere a spruzzo le tue piccole astronavi!

Passaggio 11: elenco di materiali e altre risorse

Ecco un elenco completo dei materiali e ulteriori riferimenti utili:

Interruttore Reed

Resistenza da 470Ω

1 LED bianco

Magnete Adobe

App Illustrator CC per la creazione di file vettoriali per il taglio laser

Programma Bosslaser per l'impostazione del file per la macchina da taglio laser.

Carta vetrata di media qualità.

Compensato di betulla baltica da 1/8 48 pollici di lunghezza x 27 pollici di altezza x 2

1/8 acrilico trasparente 48 pollici di lunghezza x 27 pollici di altezza x 1

Vernice spray acrilica in vari colori

Respiratore con cartuccia organica

Guanti

Trapano a batteria (con varie punte)

Colla per legno

Colla istantanea (per astronavi)

Cura-per Lulzbot

Taz Lulzbot 6

Filamento di plastica PLA Village

Riferimenti utili:

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, -563

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