STEMFIE je konštrukčná stavebnica pre deti, ktorej autorom je Paulo Kiefe. Idea jeho projektu je založená na návrhu a 3D tlači univerzálnych komponentov a spojovacích prvkov a následnej konštrukcii vlastných modelov.
Webová stránka projektu STEMFIE
Pre parametrický návrh komponentov stavebnice (nosníky, spojky …) rôznych tvarov a veľkostí vytvoril Brendon Collecutt parametrickú knižnicu pre návrh STEMFIE komponentov v programe openSCAD. Podobné knižnice pre návrh a konštrukciu komponentov a modelov vznikli aj pre ďaľšie grafické programy a CAD návrhové systémy, ako sú napríklad FreeCAD, Blender, Tinkercad a ďaľšie.
STEMFIE-X
Koncept stavebnice STEMFIE-X ako knižnice pre openSCAD vznikol využitím a rozšírením základných princípov projektu STEMFIE s doplnkovými úpravami pre použitie ako platformy pre tvorbu komplexnejších konštrukcií a modelov využívajúcich mechanické a elektronické prvky – motory, serva, elektronické obvody a riadenie mikrokontrolérmi. Stavebnica bola primárne určená pre polytechnickú výuku na stredných školách a prípadne prvých semestroch vysokých škôl, pri výuke parametrického modelovania, CAD systémov, konštrukcií strojov a mechanizmov.
Všeobecným cieľom je podpora kreatívneho myslenia, ziskanie základných zručností pri návrhu a konštrukcii vlastných zariadení od náčrtu, návrh až po fyzickú realizáciu pomocou 3D tlače. Pomenovanie stavebnice bolo konzultované a schválené autorom pôvodného projektu, doplnkové označenie X (=10) označuje základnú modifikáciu a odlišnosť voči východziemu projektu.
STEMFIE template vo FreeCad
Z pedagogického hľadiska pokrýva koncept stavebnice oblasť znalostí z predmetov od geometrie, matematiky, fyziky, elektroniky, konštrukcie strojov a zariadení, programovania, chémie, vlastností materiálov až po aditívne technológie a montáž strojov a zariadení. Zdrojové kódy knižníc pre STEMFIE-X a dokumentácia vo formáte jupyter-notebook sú dostupné na GitHube.
Možnými oblasťami použitia konceptu stavebnice sú:
- medzistupeň v tvorbe konštrukcií z prefabrikovaných stavebníc (Merkur, Lego …) a samostatným konštruovaním v profesionálnych CAD systémoch, s priamym fyzickým vystupom 3D tlače vlastných konštruovaných zariadení a systémov
- funkčné modely strojov a zariadení, robotické konštrukcie, robotické diely a komponenty, ramená, manipulátory, robotické podvozky
- modely a učebné pomôcky pre predmety so zameraním na konštrukcie častí strojov
- učebné a demonštračné pomôcky pre fyziku, elektroniku, mechatroniku, napríklad zostavy pre demonštrácie elektrických a mechatronických zariadení, stavebnica pre elektrické obvody …
- funkčné mechatronické a elektromechanické celky – napríklad ploter, kvetinový zavlažovací systém, malá CNC fréza …
Vlastnosti stavebnice STEMFIE-X
Koncept stavebnice STEMFIE-X vychádza zo základných konštrukčných pravidiel stavebnice STEMFIE. Parametre všetkých komponentov sú v knižnici odvodené od hodnôt dvoch premenných (/lib/constants.scad) – BU (Base Unit), ktorá definuje vzdialenosť medzi montážnymi otvormi a HoleRadius, ktorá definuje polomer otvoru.
Použitie STEMFIE-X v openSCAD
Pre vyššie uvedené oblasti použitia boli prevedené v pôvodnom projekte následné modifikácia a úpravy:
- základná dĺžková jednotka BU (Base Unit) bola upravená na veľkosť 10mm (pôvodne 12.5mm v STEMFIE). Tento rozmer umožňuje súčasné použitie kovových prvkov zo stavebníc Merkur, Meccano (a príbuzných) a zjednodušuje konštrukčné náčrty, pre ktoré je možné využiť bežný štvorčekový papier s rastrom 5mm,
- polomer montážnych otvorov HoleRadius bol upravený na veľkosť 2mm (priemer 4mm, pôvodne 7mm). Táto úprava umožňuje použitie štandardných kovových a plastových skrutiek M4, M3.5 a M3 ako aj iných prvkov (napr. dištančné stĺpiky) na spájanie dielov, ako aj hriadelov a tyčí s týmto priemerom 4mm pre konštrukciu pohyblivých čiastí. Originálny STEMFIE využíva ako spojovacie prvky vlastný systém 3D tlačených skrutiek a matíc.
- povodná knižnica pre OpenSCAD obsiahnutá v jednom súbore bola rozdelená na samostatné časti podľa typu komponentu (beams, braces, holes, transformations, common …). Niektoré časti pôvodnej knižnice boli preprogramované, doplnené a upravené a na rozdiel od originálu sú povrchy všetkých komponentov ploché a bez zahĺbení, čo umožňuje v niektorých konštrukciách využívať ich ako klzné plochy.
- nočnou morou každého mladého konštruktéra sú mechanické prevody, pre návrh a tvorbu ozubených prevodov bola do projektu bez úprav zahrnutá knižnica OpenSCAD Library for Gear Racks, Involute and Worm Gears od autora Joerg Janssen.
Použitie STEMFIE-X
Centrálnym prvkom konceptu stavebnice je parametrický návrh konštrukčných dielov ako aj celých funkčných celkov v prostredí OpenSCAD. Syntax programovacieho jazyka je podobná jazyku C, je ale založený na princípoch funkcionálneho programovania, ktoré je ale v kontexte prostredia s bezprostredným náhľadom navrhovaných konštrukcií jednoducho a intuitívne zvládnuteľné.
V prostredí je možné parametricky definovať jednotlivé diely stavebnice jednoduchým použitím funkcií z knižnice s minimálnymi znalosťami programovania až po komplexné vytváranie zostáv s využitím rozsiahlych možností programovacieho jazyka. Je samozrejme možné vytvárať si aj vlastné špecializované komponenty ako aj využívať komponenty z iných knižníc, fantázii sa medze nekladú.
Príklad jednoduchej konštrukcie
Každý budúci konštruktér má v zásobe rôzne malé motory, ktoré získal zakúpením, rozoberaním alebo recykláciou rôznych zariadení, pokiaľ ich ale chce využiť v svojej konštrukcii, treba ich zvyčajne nejako uchytiť a sprevodovať. Jednoduchú prevodovku poskladáme priamo v OpenSCAD zo štandardných komponentov z knižníc STEMFIE-X:
Prevodovka v openSCAD
Jediný neštandardný komponent je držiak motora, ktorý je ale tiež odvodený zo štandardnej kocky z knižnice (BU_cube) a navrhnutý v OpenSCAD:
Držiak motora
Z návrhu v OpenSCAD vygenerujeme stl súbory pre jednotlivé diely a pripravíme podklady pre tlač:
Priparav pre tlač
Vytlačené diely:
Vytlačené diely prevodovky
Poskladaná prevodovka s motorom:
Hotová konštrukcia
Praktické skúsenosti
Spojovacie prvky
Pre spájanie dielov môžeme využiť štandardné skrutky M4 rôznych dĺžok s maticami, rôzne stĺpiky používané pri konštrukcii elektronických zariadení a podobne. Pri 3D tlači sú otvory zvyčajne o trochu menšie ako navrhované, toto môžeme využiť pre spájanie dielov bez použitia matíc, kedy si skrutka vyrežie závit priamo v spájaných dieloch. Pokiaľ chceme toto cielene využiť, môžeme upraviť-zmenšiť veľkosť premennej HoleRadius v knižnici.
Lepené spoje a kolíky
Pre fixné spoje dielov môžeme použiť namiesto skrutiek aj kolíky, vhodnými typmi sú napríklad bambusové špajdle, plastové a papierové tyčinky na lízatká dostupné v obchodoch s cukrárenskými potrebami. Spoje môžeme fixovať vhodným lepidlom na plast alebo drevo, pre rozoberateľné spoje môžeme použiť disperzné lepidlo.
Spoj s kolíkmi
Tlač a materiál tlače
Prevažnú väčšinu dielov môžeme tlačiť bez potreby podpier. Pri tlači bol nastavený perimeter okrajov na hodnotu 4 až 5, toto umožňuje úpravy priemeru otvorov (napr. pre klzné ložisko pre hriadele výstružníkom alebo vrtákom) bez rizika poškodenia dielu. Hodnotu výplne (infill) nastavíme podľa požadovanej pevnosti dielu, hodnota 20–25 % sa ukázala ako dostatočná aj pre namáhané diely.
Použitým materiálom bolo bežné PLA, aj napriek v literatúre deklarovanej malej pevnosti a krehkosti sa ukázali diely dostatočne odolné a pevné (infill=25), ozubené prevody aj po dlhšom používaní a zaťažení nevykazovali výraznejšie známky opotrebenia (mazané silikónovým olejom).
Učebné pomôcky a demonštračné panely
Pre tvorbu učebných pomôcok a demonštračných panelov je vhodné použiť montážne platne, tieto je vhodnejšie namiesto tlače vyrobiť na CNC fréze z vhodného materiálu (polykarbonát, polypropylén), vhodná hrúbka je minimálne 5mm. Na platnej umiestňujeme moduly pomocou rozhraní navrhnutých v OpenSCAD s využitím štandardných komponentov.
Držiak modulu
Jednoduchý panel – Periféria pre SPI rozhranie na STM32:
Panel s modulmi
Ozubené prevody
Pri návrhu mechanizmov s ozubenými kolesami sa musíme „trafiť“ v osovej vzdialenosti prevodov do rastra BU. S použitím uvedenej knižnice je tento problém jednoducho riešiteľný.
Ozubený prevod
Pri použití čelných ozubených kolies s modulom=1 a pri spočítaní počtov zubov (oboch kolies) a predelení 20 dostaneme osovú vzdialenosť kolies v BU, počty zubov vyberáme tak, aby hodnota osovej vzdialenosti bola potom celé číslo, napr. (25+15)/20 = 2 BU.
Nielen do školy
Prezentovaný koncept jednoduchej parametrickej stavebnice si nekladie za cieľ byť dokonalým a univerzálnym návodom, je založený na integrácii komponentov z open-source sveta a ktorý si môže každý upraviť podľa svojich predstáv a požiadaviek. Autor tohoto príspevku bude veľmi potešený, ak sa rozhodnete tento koncept využiť v pedagogickej praxi alebo vo vašej samostatnej tvorbe a budete ho informovať o vašich skúsenostiach.
(Autorem obrázků je Peter Fabo.)
ČLÁNKY DO MAILU