Full fart framåt! till Infinity & Beyond: 11 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Ett samarbete mellan Alicia Blakey och Vanessa Krause

Vem fan är Fibonacci?

Baserat på Alicias design (de kapslade planetväxlarna) bestämde vi oss för att samarbeta för att försöka skapa ett fungerande redskapssystem som kan visas i upprätt läge. Helst vill vi att vår publik ska känna sig bekväm och tvingad att interagera med denna design. Genom att använda en mängd olika metoder som beskrivs i detta dokument kommer vi att prata med designprocessen och hur vi kämpade genom matematiska frågor, logik och materialval.

Bin-it

Anlitar våra matteböjda syskon för att hjälpa: Min bror Joey skickade mig en Binet's Formula … utan förklaring om hur jag skulle använda den. När jag smsade honom och sa "Hej Joey, kan du förklara det för mig?" som han svarade: "Vilken del?"

Eftersom jag absolut inte har någon matematisk lutning, bad vi Alicias bror Merrick att förklara hur formeln kan tillämpas för att göra häckredskapen. Han spenderade ungefär tio minuter på att lösa det, svarade med "ja, det fungerar" och sa sedan "I gotto go" och lämnade oss utan svar och ingen översatt formel.

Vi spenderade ytterligare 30 minuter på att leta efter ett svar på vår fråga …

Internet har svar

För att komma bortom Binet Barrier bestämde vi oss för att söka igenom internet efter svar och förslag på hur vi löser vår gåta. Vi hittade flera sajter som kan skapa kompatibla växlar.

Några av dessa webbplatser är:

Gear Generator Planetary

Gear Catalyst

När vi väl hade dessa växelgeneratorer för att hjälpa till med de matematiska aspekterna av detta projekt, flyttade vi in i Adobe Illustrator för att skapa linjeversioner av dessa växlar. Alicia fokuserade på att göra varje växel kompatibel med laserskärarna vid 100 McCaul RP -center. Vi bestämde oss för att använda Baltic Birch p”plywood för det första snittet, för att säkerställa att matematiken stämde rätt. Alicia gjorde över 3 små maquettes av hur dessa redskap potentiellt kan se ut. Med varje iteration uppstod det problem med laserskäraren som tog för lite eller för mycket av de små växelsystemen, så att de inte längre effektivt skulle låsa sig och vända (hon använde både akryl och plywood (⅛”). Denna process var frustrerande, men hjälpte oss att inse begränsningarna för laserskärning för detta projekt.

Prof vet bäst

Alicia och jag är båda mycket envisa och fast beslutna att lösa gåtan om kapslade redskap. Jag var villig att nöja mig med planetväxlar, men Alicia behövde svar! I ett sista försök att finna tröst med matematik kontaktade Alicia en pensionerad professor från Queen's University. Han förklarade att för att enkelt kunna mäta avstånden mellan var och en av växlarna måste hon dela upp och mäta 37 segment. Detta skulle göra det möjligt för alla tänder att justeras ordentligt. Genom att lägga tid på att lösa gåtan fanns det fortfarande en liten matematisk fråga med anpassning. Vi bestämde oss för planetväxlar, med tanke på vår övergripande tidskontroll.

Lyfta av

Medan Alicia löste djupa matematiska problem fokuserade jag på att skriva ut 3D -rymdskepp. Detta bidrog till att stärka det övergripande temat och också ge vårt stycke en mer välkomnande interaktiv kvalitet. Genom att använda Thingiverse kunde jag hitta en rolig retro rymdskeppsdesign (skapad av cerberus333). Denna design tillät mig att ändra skalan till mycket mindre. Genom att lägga till rymdskeppet kommer vår publik att kunna hålla fast vid det när växlarna snurrar ihop. Detta var en mycket enkel lösning för att göra verket mer välkomnande för andra. Baserat på Thingiverses öppen källkod kan alla som har en dator och tillgång till en 3D-skrivare skapa detta objekt för sig själva. Utskriften var också relativt snabb (det tog mindre än 2 timmar att skriva ut 7 rymdskepp). Vi slutade bara med 3 eller 7 tryckta kopior.

Sikta mot månen…

Baserat på den ursprungliga designidén ville Alicia och jag skapa planetväxlar med många inbyggda LED -lampor som skulle aktiveras av våra magneter (fästa på baksidan av varje växel) så att modellen kunde stå upprätt och lysa upp varje”stjärna” systemet när det snurrar. Alicia gick till Home Hardware och köpte Reed switch LED -krets och magnetiska sensorer. Jag använde en borr och en handsåg för att göra rätt öppning för LED och magnetisk sensor för att passa in i träplattan. Vi insåg senare att batterierna som köptes från Home Hardware på College och Spadina faktiskt var felaktiga och bara tända en LED -lampa när magneten passerade.

Mer än bara vandalism

För detta projekt ville jag också tillämpa lite mer händer på kreativa tekniker. Trä- och akrylredskapen var vackra i sig själva, men de saknade ett gemensamt tema med rymdskeppen. Jag bestämde mig för att använda Molotow Acryl Sprayfärg för att skapa ett galaxmotiv för växelsystemen. Även om vi planerade att spraya hela tavlan möttes vi av den lilla skalan av spraybåset som ligger i Maker Lab på vår Graduate -anläggning. Baserat på denna storleksbegränsning bestämde vi oss för att bara spruta målarna på asymmetriska sätt. På så sätt kan rymdskeppet sitta på en av de vanliga eller spraymålade kugghjulen för att hjälpa deltagarens förståelse av vårt övergripande tema.

Bana

När alla de stora växlarna hade monterats använde Alicia lödningsverktygen för att svetsa ihop den magnetiska sensorn och lysdioden. Vi bestämde oss för placeringen av den 1 fungerande lysdioden och placerade den nära mellanväxeln. När 3 starka magneter placerades under rymdskeppet hände det önskade resultatet! Vi hade ljus! Att ha andra magneter under kugghjulen (för att hålla dem vertikalt) skulle dock ha stört magnetsensorn. Därför bestämde vi att designen behövde förbli som en bordsversion istället.

Mörka sidan av månen

De främsta utmaningarna vi mötte i denna samarbetsinitiering var begränsningarna för laserskärning och batteriteknik. Designfilen, 3D-utskrift rymdskepp och manuell montering (med traditionella verktyg som borrar, en handsåg, lim och klämmor var förvånansvärt enkelt). Om någon skulle återskapa den här biten skulle den största utmaningen vara att använda matematik för att kartlägga den mest idealiska designen lasern kan klippa. Vi kämpade också med tidsbegränsningen och skulle helst vilja återvända till detta projekt inom en snar framtid för att fortsätta expandera på detta koncept.

Verktyg och teknik

För att skapa detta projekt troget skulle de behöva ha grundläggande kunskaper om designprocessen, matematik, hur man använder AI och konfigurera korrekt för att en laserfil ska klippas. Därefter skulle de behöva en grundläggande förståelse för elektricitet (LED, magnetisk sensor och lödning). De kommer att behöva tillgång till ett välventilerat område för spraymålning och specialdesign av dessa redskap. En Taz Lulzbot 6 användes för att skriva ut rymdskeppet, tillsammans med PLA Village Plastics filament (vilken färg som helst gör, som du också kan spruta måla dessa). Slutligen kommer de att behöva grundläggande kunskap om hur man använder en borr och en handsåg för att skära rätt dimensioner av hål för varje LED och magnetisk sensor (detta måste mätas noggrant, eftersom sensorn inte är särskilt stark och måste placeras inom nära avstånd till magneten). Slutligen, om du vill återskapa detta projekt troget behöver du också lite monteringsutrymme!

Ett jättehopp för mänskligheten

Vi har nått MARS! Skämtar bara! Genom att använda digitala tillverkningsmetoder kunde vi skapa ett matematiskt växelsystem och tillverkat av trä och akryl (i den hastighet det tar att sätta på din astronauthjälm). Detta hade inte varit möjligt utan tekniken för Adobe Illustrator -filer i kombination med laserskärning. Lasrar är extremt exakta och snabba. Något som hade varit omöjligt att uppnå med traditionella tillverkningsverktyg ensam. Även om traditionella metoder inte användes i den huvudsakliga tillverkningsprocessen, blev de oerhört viktiga vid den slutliga monteringen och införandet av teknik.

Full fart framåt

Från en pedagogisk synvinkel införlivade detta planetväxelsystem alla grunden för att lära genom att göra. Gamification spelar en stor roll i slutprodukten för att göra den tilltalande för användarna. En av de främsta mottagarna av detta projekt är dock utbildning. Detta projekt kan lära praktiska färdigheter, som börjar med matematik, teknik, rumsligt resonemang och elektroniska cykler. Det kan ge eleverna en chans att se hur matematik ansluter till den fysiska världen och hur mekaniska processer (t.ex. laserskärning) beror på exakta beräkningar. Slutligen har eleverna en chans att tillämpa kreativitet och bildkonst på processen att lägga till färg, färg, collage för att specificera deras design. Det låter dem också skapa en interaktiv inlärningsmiljö som stöder STEAM i klassrummet. STEAM ingår i alla kriterier för att skapa detta projekt genom att effektivt införliva:

Vetenskap

Teknologi

Teknik

Konst

Matematik

Det har skett en ny drivkraft på flera år för att förbättra mediekunskap och utveckling hos elever så unga som årskurs 1. Som Ontario-läroplanen antyder är det viktigt att ha tvärvetenskapliga möjligheter till utbildning för att bygga elevernas (K-12) kärlek till lärande. Detta projekt är ett uppmärksamt tillvägagångssätt för problemlösning, samarbete, öppen källkodslärande som behövs i många ämnen i Ontario-läroplanen och därefter!

Obegränsade konstellationer

Slutligen är det viktigt att erkänna att denna design skulle kunna förbättras kraftigt i händerna på andra människor. Detta innebär att även om alla komponenter finns här, finns det fortfarande mycket modifiering och omblandning av denna design som är möjlig. Genom att arbeta tillsammans har denna design obegränsad potential. Det är ett bra startprojekt för alla som är intresserade av att tillämpa STEAM på sin egen inlärningspraxis. Eftersom designen är baserad på matematik kan den ändras, ändras och göras om i många olika konstellationer. Detta projekt främjar tanken på att det inte finns någon enkel väg att göra.

Steg 1: Bin It

Kan du lösa detta pussel?

Steg 2: Generera växlarna

Med hjälp av referensavsnittet som du hittar nedan har vi försett dig med verktyg för att generera växlar. Det finns två webbplatser, en som är exklusiv för matematiska ritningar och den andra sajten diskuterar de olika materialen och variationerna om du var tvungen att klippa av växlarna själv.

Dessa är båda viktiga när du planerar och konstruerar din fil för laserskärning eftersom de båda hjälper dig att överväga material och förståelse för hur du arbetar inom konstruktionerna av små oförutsedda variationer.

Forskning Beryktad för sin delade kunskap Matthias är ekad i många redskapsprojekt eftersom han ger strömlinjeformad information om hur du handskär dina egna redskap. Han ger också bakgrundsinformation så att du kan starta ditt projekt med en bra grund. Detta är viktigt för att skapa ett system som fungerar och problemlösningskunskaper för att felsöka senare. Nedanstående ordlista skapas och tillhandahålls av: [email protected]

Steg 3: Tandavstånd

Antal millimeter från en tand till nästa, längs stigdiametern.

Kugghjul 1 -tänder: Antal tänder på växeln som ska återges för växeln. Kontrollerar vänster växel när två växlar visas. Ange negativt värde för ringväxlar.

Rack & Pinion: Byt växel 1 till en linjär växel (rack). Du kan också göra den andra växeln till ett rack genom att ange "0" för tandräkningen.

Mätt kalavstånd (mm): Efter att du har skrivit ut en testsida mäter du avståndet mellan raderna märkta "detta ska vara 150 mm". Om det inte är 150 mm anger du värdet i detta fält för att kompensera för skrivarens skalning. Nästa utskrift ska ha rätt storlek.

Kontaktvinkel (grader): växelns tryckvinkel. För kugghjul med mindre antal tänder, ställ in detta lite större för att få fler lutande tänder som är mindre benägna att fastna.

Växel 2 tänder: Antal tänder för växeln till höger, om den återges. Kryssrutan styr om en eller två växlar återges.

Två växlar: När du skriver ut mallar hjälper det att bara visa en växel.

Ekrar: Visa redskap med ekrar. Ekrar visas endast för växlar med 16 eller fler tänder.

Steg 4: Matematik

Jag hittade nedanstående ekvation för att hjälpa till att konstruera mitt växelarrangemang och för att bestämma att växlarna fungerar och passar ihop.

Beteckna R, S och P som antalet tänder på växlarna.

Den första begränsningen för ett planetväxel att träna är att alla tänder har samma tonhöjd eller tandavstånd. Detta säkerställer att tänderna sitter ihop. Det jag gjorde var tre separata sidor som hade samma tonhöjd men inte matchade varandra så att växlarna alltid var i linje men i ett annat mönster. Den andra begränsningen är: R = 2 × P + S

Det vill säga att antalet tänder i ringväxeln är lika med antalet tänder i den mellersta solväxeln plus två gånger antalet tänder i planetväxlarna. Ett exempel på detta skulle vara 30 = 2 × 9 + 12. Eller så kan du gå till växelgenererande webbplats på https://geargenerator.com eller

Steg 5: SVG -filer och Illustrator

Om du importerar en fil från växelgeneratorn och inte har konstruerat i Illustrator måste du följa instruktionerna nedan för att arbeta med SVG -filer i illustrator.

Illustrator tillhandahåller en standarduppsättning SVG -effekter. Du kan använda effekterna med sina standardegenskaper, redigera XML -koden för att skapa anpassade effekter eller skriva nya SVG -effekter.

Så här importerar du en SVG -fil till Illustrator:

Välj Effekt> SVG -filter> Importera SVG -filter.

Välj SVG -filen du vill importera effekter från och klicka på Öppna.

Så här manipulerar du SVG -filen i Illustrator: Markera ett objekt eller en grupp (eller rikta in ett lager i panelen Lager).

Gör något av följande: Om du vill tillämpa en effekt med standardinställningarna väljer du effekten från den nedre delen av undermenyn Effekt> SVG -filter.

För att tillämpa en effekt med anpassade inställningar, välj Effekt> SVG -filter> Använd SVG -filter.

Markera effekten i dialogrutan och klicka på knappen Redigera SVG -filter fx.

Redigera standardkoden och klicka på OK.

Om du vill skapa och tillämpa en ny effekt väljer du Effekt> SVG -filter> Använd SVG -filter.

Klicka på knappen Nytt SVG -filter i dialogrutan, ange den nya koden och klicka på OK.

När du använder en SVG -filtereffekt visar Illustrator en rasteriserad version av effekten på tavlan. Du kan styra upplösningen för den här förhandsgranskningsbilden genom att ändra dokumentets inställning för rasteriseringsupplösning.

Steg 6: Spara din fil

Exportera filen som.eps eller.ai.

Gå till inställningarna och se till att du arbetar i RGB -läge, INTE CMYK.

Du kan ändra detta genom att gå till:

Välj Arkiv -> Dokumentfärgläge -> RGB

Alla snittlinjer måste anges med rödblå och gröna linjer med en slagvikt på.01pt

Lasern kommer att tolka färgerna som beställda snittlinjer som arbetar inifrån och ut.

Börjar med rött (RGB: 255, 0, 0) följt av blått (RGB 0, 0, 255) och slutligen grönt (RGB 0, 255, 0).

Alla inre snitt ska skäras först och därför bör de vara röda, med ytterligare snitt som blå och de sista yttre snitten gröna. Se till att alla dina växlar passar ihop och att det inte finns några skärande linjer innan du börjar skriva ut.

Om dina växlar ser ut som om de inte är korrekt formaterade kan du gå tillbaka till växelgeneratorsidan och omvärdera dina beräkningar.

Spara som.ai -filer och överför till Bosslaser -programmet.

Detta program låter dig också manipulera din fil. Du kan använda detta program för att skicka din fil direkt till laserskäraren.

Steg 7: Thingiverse & 3D -utskrift

Som nämnts i huvudramen för detta projekt kan du skriva ut dina 3D -rymdskepp när som helst! Kom på din egen design genom att använda ThinkerCAD, OpenSCADFusion360 eller Rhino, eller gå till Thingiverse och hitta ett kreativt gemensamt projekt att skriva ut! Kanske kan du till och med ändra några av filerna för att passa din unika designutmaning! Dessa rymdskepp trycktes på en Taz Lulzbot 6 med PLA Village Plastics med högsta hastighet (tog mindre än 2 timmar för 7 rymdskepp).

Steg 8: LED -krets för Reed Switch

En vassomkopplare är en elektromagnetisk omkopplare som slås på av en magnet som förs in i dess närhet.

Denna krets innehåller en reed -switch, LED och 3 V strömförsörjning från 2 AA -batterier.

Detta projekt utgör grunden för hur reed switchar fungerar.

Från schemat nedan kan du se var lysdioden och omkopplaren är placerade.

Batteripaketet har 2 trådar svart och rött. Svart tråd är jordad och röd tråd är ström.

Den röda tråden kommer att lödas i vardera änden av vassströmbrytaren.

Reed -omkopplaren kommer att lödas på lysdiodens långsida +. LED - kortsidan löds för att jorda den svarta ledningen som leder till batteriet.

Steg 9: Införande av krets i styrelsen

Det är viktigt att du mäter avståndet som magneten behöver för att vara på plats till din omkopplare. Utan testning kan du borra ett hål som är för långt från din magnet och då fungerar inte omkopplaren korrekt. Styrkan på din magnet innebär att det kan finnas ett bredare eller kortare gap mellan Reed Switch och magneten. Vi mätte detta och borrade sedan ett hål för lysdioden och en öppning för omkopplaren i vår björkbräda.

Steg 10: Ha kul

Du har gjort mycket hårt arbete just nu. Det är dags att bli kreativ!

Använd akryl (Molotow) sprayfärg för att uppnå en kosmoseffekt på både akryl och trä. Använd de färger som passar ditt projekt. Var noga med att bära en skyddande (helst organisk ånga halvmasker, eller mask), använd handskar för att skydda dina händer och arbeta ALLTID i ett välventilerat område (aldrig inuti!).

Låt kugghjulen torka i cirka 24 timmar innan du lägger dem på tavlan för att undvika repor i färgen.

Du kan också spruta måla dina små rymdskepp!

Steg 11: Lista över material och andra resurser

Här är en omfattande materiallista och ytterligare användbara referenser:

Reed Switch

470Ω motstånd

1 LED vit

Magnet Adobe

Illustrator CC -app för att skapa vektorfiler för laserskärning

Bosslaser -program för att ställa in filen för laserskärmaskinen.

Sandpapper av medellång kvalitet.

1/8 Baltic Birch plywood 48 tum lång x 27 tum hög x 2

1/8 klar akryl 48 tum lång x 27 tum hög x 1

Akryl sprayfärg i olika färger

Andningsskydd med ekologisk patron

Handskar

Sladdlös borr (med olika borr)

Trälim

Instant Lim (för rymdskepp)

Cura-för Lulzbot

Taz Lulzbot 6

PLA Village Plastics Filament

Användbara referenser:

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…