Mehanika uz pomoć 3D tehnologija

Objavljeno autor

matej_prapotnik

Matej Praprotnik

Sažetak

Članak opisuje primjer iskustvenog učenja u mehanici. Prikazan je primjer upotrebe 3D modeliranja i 3D ispisa u pronalaženju najboljeg oblika grede za tipičan primjer opterećenja grede sa dva oslonca.

Učenici su koristeći 3D modeliranje dizajnirali različite virtualne modele grede. Modeli su potom ispisani 3D pisačem te su provedena ispitivanja. Iz dobivenih rezultata utvrdili su koji oblik grede ima najbolju nosivost i predložili poboljšanja.

Ključne riječi: 3D modeliranje, 3D ispis, iskustveno učenje, mehanika, greda, sila, moment savijanja.

1. Uvod

Već je drevni filozof Aristotel tvrdio da ono što moramo naučiti da bismo to mogli činiti, učimo tako što upravo to radimo (Aristotel, 4. st. pr. Kr.).

Za većinu obrazovnih institucija širom svijeta pristup skupoj i zahtjevnoj laboratorijskoj opremi velika je prepreka koja ograničava iskustveno učenje (Bates, 2015.). Takav je slučaj i s mehanikom. Za bolje razumijevanje koristimo fotografije i videozapise.

Tehnologije 3D modeliranja i 3D ispisa omogućuju nam praktičniji pristup. U školi modeliramo pomoću programa PTC CreoParametric (PTC, b.d.). Na internetu mogu se naći i razne besplatne verzije softverskih alata. Neke od njih dopuštaju online modeliranje bez preuzimanja softvera na osobna računala (Tinkercad, b.d.). Neki proizvođači opreme za 3D ispis daju veliku pažnju školama pružajući pristup priručnicima o upotrebi 3D tehnologija u učionici (DeMarco, Dippold, Lentz i Snider, 2017.) i projektima koje su izradili članovi udruženi u zajednici (Thingiverse education, b.d.).

Spomenute inovacije koristili smo za drugačiji oblik nastave od kakvog smo bili navikli do sada. Grupe učenika dizajnirale su različite oblike grede, skicirale ih i izrađivale virtualne modele. Koristeći 3D ispis izrađene su grede te je ispitivanjima provjerena njihova nosivost. Pomagali su si promatranjem okoliša i koristeći predznanje o statici i osnovama čvrstoće.

1.1. Mehanika

Dvije važne grane mehanike su statika i čvrstoća. Statika utvrđuje i opisuje uvjete mirovanja tijela (Juhart, Stropnik i Šterk, 2002.). U tom dijelu učimo, između ostalog, o reakcijama u osloncima grede i o raspodjeli opterećenja po gredi.

Čvrstoća nas uči o ravnoteži između vanjskih i unutarnjih sila. Omogućuje nam dimenzioniranje grede koja će moći uspješno podnijeti vanjska opterećenja. Pritom uzimamo u obzir svojstva materijala i geometriju grede. Svojstva čvrstoće materijala ispituju se u laboratorijima sa statičkim (Tensile test, 2013.) i dinamičkim ispitivanjima (Fatigue test, 2014.).

2. Svrha i ciljevi istraživanja

2.1. Svrha

  • Potaknuti učenike na razmišljanje o idealnim oblicima konstrukcije koji mogu sa što manje materijala podnijeti što veće opterećenje.
  • Kombinirati znanje iz mehanike, 3D modeliranja i 3D ispisa.
  • Analizom rezultata ispitivanja utvrditi koji je oblik izdržao najveća opterećenja.
  • Potražiti smjernice za daljnji razvoj oblika grede.

2.2. Ciljevi

  1. Potaknuti učenike na grupni rad.
  2. Konstruirati gredu koja će biti što lakša ali će istodobno podnijeti što veće opterećenje.
  3. 3D ispis grede.
  4. Ispitivanjem loma utvrditi čvrstoću grede. Kao mjerilo uspjeha odredili smo omjer između lomnim momentom savijanja i mase grede:
  5. Pronaći prijedlog za poboljšanje dizajna.

3. Priprema uzoraka

3.1. Idejno rješenje

Učenici su u obzir morali uzeti najveće dopuštene dimenzije grede od 120 mm x 30 mm x 15 mm, način opterećenja i vrstu oslonaca. Svaki član grupe prvo je nacrtao skicu svoje ideje nakon čega su izabrali najbolje rješenje.

3.2. 3D modeliranje

USlika 1z pomoć programa CreoParametric, svaka je grupa stvorila svoj vlastiti virtualni model grede. Modele su pretvorili u stereolitografski zapis koji se koristio za pripremu uzoraka za ispis.

Slika 1. Virtualni model grede.

3.3. 3D ispis

Modeli su za ispis pripremljeni pomoću programa MakerBoot (MakerBot, b.d.). Postavke ispisa bile su jednake za sve modele. Time smo pokušali osigurati iste uvjete ispisa za sve nosače. Ispisani su bili u okomitom smjeru, s dvostrukom ljuskom, s 10% punjenjem i srednjom kvalitetom ispisa.

Slika 2Slika 3Slika 2. Simulacija ispisa                             Slika 3. 3D ispis

4. Provođenje ispitivanja

4.1. Pribor za provođenje ispitivanja

Slika 4Masa grede je izmjerena preciznom vagom Kern PLS SIO-3, s preciznošću do 1/1000 g.

Slika 4. Vaganje

Slika 5Opterećenje je mjereno pomoću Vernierove ploče za mjerenje tlačnih sila. Računalo je bilježilo trenutnu silu koja je djelovala na mjernu ploču. Na ploču je postavljen uređaj s dva valjka na koja je postavljen ispitni uzorak.

Slika 6Slika 5. Pribor za mjerenje

Opterećenje je proizvela Rodcraft hidraulična preša koja se u školskoj radionici koristi za promjenu ležajeva.

Slika 6. Ispitni uzorak u preši

4.2. Postupak ispitivanja

Greda je opterećena točkovnim opterećenjem F. U gredi su stvorene tangencijalne sile Ft i momenti savijanja Mf. Raspored je prikazan dijagramima na slici 7.

Slika 7Slika 8
Slika 7. Unutarnje sile i momenti         Slika 8. Greda tijekom opterećenja

Računalo je primilo podatke iz Vernierove ploče i ucrtalo trenutnu krivulju opterećenja u ovisnosti o vremenu. Izmjerena maksimalna sila bila je osnova za izračun momenta savijanja prema jednadžbi (Kraut, 2003.):

5. Rezultati sa tumačenjem

Prvi se je uzorak pokazao kao najlošiji. Dizajn se temeljio na I-profilu što je bilo dobro. S Slika 9rupama su željeli smanjiti vlastitu težinu grede i poboljšati omjer između nosivosti i težine. Pritom su podcijenili utjecaj tangencijalnih sila koje smiču gredu što je rezultiralo prijevremenim urušavanjem grede.

Slika 9 Slomljene grede

Tablica 1: RezultatiTablica 1

Druga grupa osvojila je 3. mjesto. Dizajn se temeljio na I-profilu. Bili su oprezniji s veličinom rupa na neSlika 10utralnoj osi. Previdjeli su najveću dopuštenu visinu grede. Profil grede mogao bi biti veći, što bi poboljšalo njezinu nosivost.

Slika 10. Grafički prikaz rezultata ispitivanja

Treća grupa odlučila se za drugačiji oblik. Očekivali su da će se ispitni uzorak slabije odupirati vlačnim naprezanjima na donjoj strani nego na gornjoj strani, gdje su djelovala tlačna opterećenja. Njihova su se očekivanja temeljila na promatranju načina ispisa grede. Pretpostavili su da su veze između slojeva slabije nego u samim slojevima i zaključili da će greda biti manje otporna na vlačna naprezanja. Ojačana donja strana grede (u ovom slučaju u obliku trokutastog profila) mogla bi biti jedna od mogućih dobrih odluka.

Kao najbolji se je pokazala se greda četvrte grupe. Učenici četvrte grupe uzeli su u obzir raspodjelu naprezanja pri savijanju i kao osnovu odabrali I-profil kao i prva i druga grupa. Istodobno, nisu zanemarili dijagram momenta savijanja. Visinom profila slijedili su obliku dijagrama momenta savijanja.

6. Zaključak

Sve su grupe koristile znanje stečeno tijekom teorijskog dijela lekcije. Svatko je na svoj način pokušao postići najbolji omjer km.

Članovi grupe dali su svoj doprinos na područjima u kojima su se osjećali najbolje, dok su poboljšali svoje znanje na područjima u kojima su bolji bili drugi. S nestrpljenjem su iščekivali ispis i ispitivanje svojih radova. Tek je izračun omjera km dao konačni poredak.

U konačnoj evaluaciji predložena su poboljšanja sa kojima bi se poboljšali oblici grede. Konačni prijedlog za daljnja ispitivanja imao je oblik pobjedničke grede, koja bi se poboljšala smanjenjem njene mase odgovarajuće razmaknutim rupama u uzdužnoj osi grede.

Kroz evaluaciju napravili smo evoluciju početnih ideja. Novi oblik grede koji bi se mogao u daljnjim ispitivanjima testirati prema različitim karakteristikama ispisa kao što su vrsta materijala, orijentacija tijekom ispisa, gustoća punjenja, broj ljuski, brzina ispisa, visina sloja, … To nam omogućuje širok spektar razvoja opisanog eksperimenta.

7. Literatura

  1. Aristotel. (4. stol. pr. Kr). Nikomahova etika. Prev. Gantar, K. (2002). Ljubljana: Slovenska matica
  2. Bates, A. W. (2015). Teaching in a Digital Age: Guidelines for Designing Teaching and Learning Vancouver BC. Tony Bates Associates Ltd. Dobiven sa: https://opentextbc.ca/teachinginadigitalage/chapter/4-4-models-for-teaching-by-doing/
  3. DeMarco, M., Dippold, S., Lentz, D. i Snider, J. (2017). Makerbot Educators Guidebook. Dobiven sa: http://pages.makerbot.com/rs/444-ZTM-866/images/NEW_MakerBotEducatorsGuideBook_Lite.pdf
  4. Fatigue test. (2014). Dobiven sa: https://www.youtube.com/watch?v=LhUclxBUV_E
  5. Juhart, K., Stropnik, J., Šterk, P. (2002). Statika. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije.
  6. Kraut, B. (2003). Strojniški priročnik. Ljubljana: Litera picta.
  7. MakerBot. (b.d.). Dobiven sa: https://www.makerbot.com/3d-printers/makerbot-print/
  8. PTC. (b.d.). Dobiven sa: https://www.ptc.com/en/products/cad/creo#
  9. Tensile test. (2013). Dobiven sa: https://www.youtube.com/watch?v=D8U4G5kcpcM
  10. Thingiverse education. (b.d.). Dobiven sa: https://www.thingiverse.com/education
  11. Tinkercad. (b.d.). Dobiven sa: https://www.tinkercad.com/#/