Projet de découpe laser à roue à palettes à télécommande avec LaserMaker

Dans ce projet de robotique et de mécanisme STEAM, les élèves conçoivent et construisent un bateau à aubes télécommandé à l'aide de LaserMaker. La leçon relie la propulsion à roue à aubes, la transmission verticale à engrenages, la conception de la structure flottante, l'assemblage à mortaise et à tenon, les roues à aubes découpées au laser, les composants de la télécommande, le câblage et les tests pratiques.

1. Aperçu de la leçon

1.1 Objectif du projet

Les élèves conçoivent un bateau à roue à aubes avec une cabine, une coque, un système de roue à aubes, une transmission par engrenages, des manchons d'arbre et un support flottant. Ils créeront les pièces dans LaserMaker, découperont la structure au laser, assembleront les composants mécaniques et électroniques et testeront si les roues à aubes peuvent déplacer le modèle sur l'eau.

1.2 Utilisation recommandée en classe

2. Objectifs d'apprentissage

2.1 Ce que les élèves apprendront

2.2 Compétences VAPEUR Développées

2.3 Faire responsable

Les élèves doivent tester le bateau uniquement sous la supervision d'un enseignant ou d'un superviseur de laboratoire. Gardez les composants électroniques aussi secs que possible, vérifiez le câblage avant le lancement et retirez le modèle de l'eau immédiatement si la structure devient instable ou si les composants électroniques sont exposés.

3. Contexte réel: comment se déplace un bateau à roue à palettes

Un bateau à roue à aubes se déplace différemment d'un bateau à hélice classique. Au lieu d'utiliser une hélice, il a des dispositifs de roue à aubes avec des pales de pagaie sur les côtés de la coque. Lorsque le moteur entraîne les roues à aubes, les lames remuent l'eau et poussent le bateau vers l'avant.

Dans cette leçon, les élèves étudient un véritable bateau à roue à aubes, puis créent un modèle de croisière sur l'eau télécommandé. Parce que le modèle fonctionne près de l'eau, la conception utilise une transmission à engrenages verticaux pour maintenir le moteur plus loin de la surface de l'eau tout en transférant le mouvement à l'arbre de roue à aubes.

4. Planification des matériaux et des pièces

4.1 Liste des matériaux

Avant de modéliser le bateau à roue à aubes, les élèves doivent identifier les composants de la télécommande, les matériaux structuraux, le matériau de support flottant, le matériau de l'arbre et le matériel utilisé dans le projet.

4.2 Liste des pièces structurelles

La structure découpée au laser est divisée en quatre groupes principaux: la cabine, la coque, la roue à aubes et les manchons d'arbre.

5. Lesson Procedure

5.1 Concevoir l'assemblage de l'engrenage

La cabine contient l'ensemble d'engrenages, le moteur et la carte de réception. Pour éviter un décalage entre le système d'engrenage et les dimensions de la cabine, les élèves doivent d'abord concevoir l'ensemble d'engrenage, puis ajuster la cabine autour de celui-ci.

Dans ce modèle, un engrenage est monté sur l'arbre du moteur TT en tant qu'engrenage du conducteur. Un autre engrenage est monté sur l'arbre de transmission de roue à aubes en tant qu'engrenage entraîné. Les deux engrenages s'engrènent verticalement de sorte que le moteur peut transférer le mouvement à l'arbre de la roue à aubes.

Utilisez l'outil Équipement modulaire dans LaserMaker. Dans le flux de travail source, le module est défini sur 4, le diamètre de l'arbre est défini sur 4mm et le nombre de dents est défini sur 16. Après avoir confirmé les réglages, deux engrenages de même taille sont générés.

Un engrenage se connecte au moteur TT, de sorte que le trou central par défaut doit être remplacé. Supprimez le trou d'arbre N20 dans l'engrenage gauche, puis choisissez le graphique TT Hole dans Pièces mécaniques et placez-le au centre de l'engrenage.

5.2 Générer et modifier la cabine

La cabine est une structure de boîte qui tient le mécanisme de transmission et la carte de circuit imprimé. Utilisez l'outil Boîte rectangulaire dans LaserMaker. Dans le flux de travail source, la longueur, la largeur et la hauteur de la boîte sont définies sur 100mm, 80mm et 80mm, et la taille de la rainure est définie sur 20mm.

Après avoir généré la boîte, déplacez les étiquettes d'invite sur les six faces correctes. Ajoutez ensuite le graphique 2.0 Control Board au centre du panneau gauche et ajoutez le graphique TT Motor au panneau supérieur.

L'ensemble d'engrenage nécessite un alignement précis. Le trou d'arbre du moteur, le trou d'arbre du panneau avant et le trou d'arbre du panneau arrière doivent s'aligner afin que les engrenages puissent engrener correctement et que l'arbre de roue à aubes puisse traverser la cabine.

Déplacez les graphiques d'engrenage terminés sur les panneaux avant et arrière comme références d'alignement. Ajustez leurs positions afin que les trous de l'arbre soient alignés. Les contours d'engrenage peuvent être utilisés comme guides temporaires, puis retirés plus tard.

Déplacez et retournez le graphique du moteur TT au besoin afin que son trou d'arbre s'aligne avec les centres d'engrenage. Utilisez des lignes de guidage verticales pour vérifier que le trou d'arbre du moteur TT et les trous d'arbre du panneau avant et arrière sont sur le même axe.

Une fois l'alignement terminé, supprimez les contours temporaires de l'engrenage et ne conservez que les trous de l'arbre. Dégroupez le graphique du moteur TT et supprimez les contours du moteur inutiles tout en préservant les informations de montage et de trou d'arbre requises.

5.3 Créer des caractéristiques de mortaise et de tenon de cabine à pont

La cabine est installée sur le pont avec des joints à mortaise et à tenon. Le panneau inférieur est modifié afin que seule l'interface mortaise reste. Dans le flux de travail source, le panneau inférieur mesure 106,4mm sur 86,4mm.

Parce que le panneau a des tenons de 3mm sur les côtés horizontaux et verticaux, la soustraction de 6mm de la largeur et de la hauteur donne la taille du rectangle interne. Dessinez un rectangle d'une largeur de 99,61mm et d'une hauteur de 79,52mm, alignez-le sur le centre du panneau inférieur et utilisez Différence pour créer la structure à mortaise.

Pour un ajustement plus serré, les tenons correspondants peuvent être ajustés manuellement. Le flux de travail source note que pour une mortaise de 20mm par 3mm, un tenon de 20,6mm par 3mm peut aider à améliorer l'ajustement lorsque la compensation laser est envisagée.

Copiez deux mortaises horizontales, redimensionnez-les à 20,6mm de large et 6mm de haut, alignez-les avec le bord du panneau et utilisez Union pour transformer la zone de mortaise d'origine en tenons. Répétez le processus pour les joints des panneaux arrière, gauche, droit et inférieur.

5.4 Dessinez le Gunwale et le pont flottant

Le gunwale prend en charge la cabine ci-dessus et se connecte à la carte KT ci-dessous afin que le bateau puisse flotter. Parce que les roues à aubes sont placées des deux côtés, le gunwale est conçu comme une forme de «I» avec des extrémités plus larges et un milieu plus étroit.

Utilisez l'outil Rectangle pour dessiner un grand rectangle de 100mm de large et 280mm de haut, puis tracez deux rectangles plus petits de 160mm de large et 50mm de haut. Alignez les petits rectangles en haut et en bas du plus grand rectangle.

Pour fixer la carte KT sans la percer avec des vis, la conception utilise un système de clip. Des mortaises assorties sont placées dans le gunwale et le conseil de KT, puis les agrafes en forme de U les relient ensemble.

Dessinez quatre rectangles de mortaise de 10mm par 3mm sur le gunwale en forme de I. Utilisez un placement symétrique et des lignes de guidage pour maintenir les trous alignés, puis utilisez Différence pour créer les mortaises.

Ensuite, dessinez les clips en forme de U. Commencez avec un rectangle de 20mm par 20mm et placez un rectangle de 10mm par 9mm sur le côté gauche. Alignez les rectangles, puis utilisez Différence pour créer la forme du clip. Utilisez Rectangular Array pour générer quatre clips identiques.

Utilisez les lignes de guidage pour trouver le centre du bateau. Faites pivoter le graphique de la cabine de 90 degrés et placez-le près du pont afin que les tenons de cabine, les mortaises de pont et les trous d'arbre de roue à aubes puissent être alignés autour de la ligne centrale.

5.5 Dessiner les Disques Rotatifs de la Roue à Palettes

La roue à aubes est le dispositif de propulsion du modèle. Chaque côté du bateau a une roue à aubes. Pour renforcer la structure, chaque roue à aubes utilise deux disques rotatifs et quatre pales de pagaie reliées par des joints à mortaise et à tenon.

Placez les deux engrenages près d'un côté du pont pour vérifier l'alignement de l'arbre. Dessinez ensuite un cercle de 100mm avec un trou central de 4mm pour le disque rotatif et alignez-le avec l'axe de la cabine et de l'arbre de pont.

Dessinez un rectangle de 3mm sur 8mm au-dessus du cercle pour créer une mortaise de lame de pagaie. Ajustez-le pour qu'il croise le contour du disque, puis utilisez Circular Array pour créer quatre mortaises autour du disque avec un angle de pas de 90 degrés. Utilisez la différence pour couper les mortaises.

5.6 Dessiner les pales de pagaie

Les pales sont fixées orthogonalement aux disques rotatifs. Lorsque le moteur TT entraîne les disques, les lames remuent l'eau et aident à faire avancer ou reculer le bateau.

Dessinez une lame de pagaie comme un rectangle de 40mm sur 50mm. Ajoutez deux rectangles de mortaise de 3mm par 8mm, utilisez Différence pour créer les fentes et arrondissez les deux coins inférieurs avec un rayon de 10mm. Ensuite, utilisez Rectangular Array pour créer huit pales de pagaie.

5.7 Dessiner les manchons de l'arbre

Les manchons d'arbre aident à maintenir les disques et les engrenages en rotation en position. Pour l'arbre de roue à aubes, le flux de travail de la source utilise un diamètre extérieur de 15mm et un diamètre intérieur de 3,7mm pour un ajustement plus serré autour du bâton de bambou de 4mm.

Dessinez des manchons d'arbre en forme d'anneau pour la roue à aubes et dessinez des manchons d'arbre supplémentaires pour les deux engrenages. Les manchons liés aux engrenages conservent le même diamètre extérieur de 15mm, tandis que les trous centraux correspondent au trou d'arbre du moteur TT ou au trou d'arbre rond de 3,7mm.

6. traitement de laser

Après avoir terminé les dessins, vérifiez les réglages de vitesse et de puissance pour le traçage et la coupe. Utilisez Simuler la fabrication pour examiner la séquence de processus avant d'envoyer le fichier à la découpeuse laser.

7. Câblage et assemblage

7.1 Câblage du circuit

Une fois le modèle de croisière sur l'eau assemblé, connectez le circuit conformément au schéma de câblage. La télécommande, le récepteur, le support de batterie, les batteries et le moteur TT fonctionnent ensemble pour alimenter le système de roue à aubes.

7.2 Assemblage structurel

Commencez par monter la carte réceptrice et le moteur TT sur la coque avec des vis et des écrous M3. Installez l'engrenage compatible TT et le manchon d'arbre correspondant sur l'arbre du moteur TT.

Ensuite, installez l'engrenage à trous ronds, le manchon d'engrenage, le bâton de bambou de 4mm et les deux panneaux latéraux de cabine perforés. Passez le bâton à travers le panneau, l'engrenage, le manchon d'engrenage et le panneau opposé en séquence.

Connectez le panneau avec la carte réceptrice et le moteur TT à la structure de l'arbre. Ajoutez les manchons d'arbre de roue à aubes et le panneau de coque restant. Passez la batterie par le trou de panneau de préréglage de l'intérieur de la coque, puis reliez le moteur de TT et les fils d'alimentation aux interfaces de conseil de récepteur.

Assemblez les roues à aubes en insérant quatre lames de pagaie dans les encoches de deux disques rotatifs. Répétez le processus pour la deuxième roue à aubes. Placez les clips de roue à aubes et les roues à aubes sur le bâton de bambou exposé des deux côtés de la coque. Ajustez les manchons d'arbre pour optimiser l'alignement des roues à aubes.

Enfin, préparez les pièces de pont et la planche KT. Placez le pont sur la planche KT et marquez les positions d'encoche et les ouvertures latérales. Coupez le matériau en excès de la planche KT, puis utilisez les clips de pont pour connecter la planche et la planche KT. Fixez l'assemblage du pont à la section de coque terminée avec les joints mortaise et tenon.

8. Tester, déboguer et améliorer

9. Projet terminé et réflexion

Après la conception, la découpe au laser, le câblage, l'assemblage et l'analyse de l'eau, les étudiants complètent un modèle de bateau à roue à aubes télécommandé. Le projet donne aux étudiants une expérience pratique de la transmission verticale par engrenages, de la propulsion à roue à aubes, du soutien à la flottabilité, de l'alignement de l'arbre, de la construction à mortaise et à tenon et de la fabrication numérique.

10. Le défi de l'extension

Dans ce projet, le bateau à roue à aubes utilise des roues à aubes des deux côtés et un système de transmission à moteur. En guise de défi d'extension, les élèves peuvent tester une configuration de propulsion différente, comme l'utilisation d'une seule roue à aubes à l'arrière du bateau.

Les élèves peuvent également comparer comment la taille de la pagaie, le nombre de pagaies, l'alignement de l'arbre, l'ajustement de l'engrenage et le matériau flottant affectent le mouvement et la stabilité du modèle.

11. Note d'équipement pour les enseignants

Ce projet convient aux coupeurs de laser de salle de classe qui soutiennent la coupe des matériaux de feuille pour de petits projets de robotique et de mécanisme. Pour les écoles, les makerspaces et les laboratoires STEAM débutants, des projets tels que des bateaux à roues à aubes, des modèles de transmission par engrenages, des structures de contrôle à distance et des activités d'ingénierie sur le thème de l'eau peuvent être complétés avec un cutter laser en classe tel que leSérie de boulons laser Thunder.

Les enseignants peuvent choisir la machine et la configuration du matériel en fonction de l'espace en classe, de la taille du projet, de l'épaisseur du matériau, des composants électroniques et de l'environnement de test. Le même flux de travail LaserMaker peut également être adapté à d'autres machines laser CO2 lorsque les élèves passent à des bateaux plus grands ou à des projets de mécanismes plus avancés.