運用

(1)

資訊科技教育與學科有關系列：

運用3D打印機和資訊科技工具促進物理科的學與教

IT in Education Subject-related Series:

Using 3D Printers and IT Tools to Enhance Learning and Teaching of Physics

(SESSION 1)

Instructors:

Mr CHUNG Fu Yuen (Peter), Mr NG Sze Ho (Stephen), Mr HUNG Yam Hei (Barton) and Mr CHOI Wai Kit (Gavin)

香港大學電子學習發展實驗室 e-Learning Development Laboratory

The University of Hong Kong

Professional Development Training 1

(2)

課程目標

新興立體 (3D) 打印技術日漸普及，此技術能讓學生和教師設計和製作用於物理演示和實驗的物件或零件。借助3D打印技術，教師和學生可以特製不同形狀、尺寸和質量的物件或零件，進行更多學校實驗室標準設備或儀器無法實現的演示和實驗。透過掌握3D打印技術，

學生不但可學習物理科的知識和技能，還可在學習過程中展示其創新、創意及解難能力。透過本課程讓學員：

(一) 透過應用於物理科探究活動的3D打印技術，掌握設計及製作物件或零件的基本技巧；

(二) 利用3D打印技術設計教學活動，以提升學生對物理現象與應用的興趣和理解；及

(三) 利用資訊科技工具，以提升學生整合及應用STEM相關學科知識和技能的能力。

Professional Development Trainin 2

(3)

第一節課程流程 (3 小時)

A.

介紹使用基本的3D打印技術 (10 mins)

B.

介紹能應用於物理科學與教活動中的3D打印物件或零件的製作方法（例如：飛輪，3D平衡的酒瓶架）

(20 mins)

C.

介紹有關3D打印物件或零件等綜合活動的例子(20 mins)

a.

^{介紹3D物件線上資源}

b.

介紹捕捉3D物件的方法

D.

實踐工作坊：利用TinkerCAD軟件設計和製作與物理科相關的3D 物件

a.

介紹TinkerCAD (10 mins)

b.

Project 1: 簡單的直流電機線圈Simple DC motor coil (40 mins)

c.

Project 2: FBI教學包 FBI teaching kits (30 mins)

E.

如何使用3D打印機打印3D物件（包括使用Repetier-Host） (25 mins)

a.

小組討論和個人作業 (10+10 mins)

F.

總結 (10 mins)

(4)

第二節的物理科實驗例子介紹時序 Schedule of Physics experiments

1. 打開瓶蓋 -一個力量的轉動效果Turning effect of a force

2. “反圍攻”機器 ‘anti-siege’ machine - 一個力量的轉動效果Turning effect of a force

3. 平衡瓶架Balance bottle holder – 自由體圖Free body diagram 4. 船舶 - 重心和浮力中心

5. 右手握法則– EM

6. Fleming左手法則和右手法則 (FBI) – EM 7. 直流電機 DC motor – EM

8. 鏡架 - 光學Mirror stand – Optics

9. 風力發電機組 - 能源Wind turbine – Energy

10. 衛星（地球靜止衛星） - 引力 Stationary satellite (Geostationary satellite) – Gravitation

(5)

A. 介紹基本的3D打印技術

Introduction of using basic 3D-Printing technology (15 mins)

1. 兩種主要3D打印機的操作原理：

a.

笛卡爾坐標系XYZ-axis type 3D打印機

b.

三角型Delta type 3D打印機

c.

兩種3D打印機的優缺點

(6)

兩種主要3D打印機的操作原理

Operating principal of the two major types of 3D printer

1. Cartesian (xyz-axis type) 3D- printer

直角坐標系（笛卡爾坐標系）

3D打印機

2. Delta type 3D- printer

(三角型3D打印機)

(7)

1.直角坐標系（笛卡爾坐標系） 3D打印機 XYZ-axis (Cartesian) type 3D-printer

•

笛卡爾3D打印機以三維坐標系命名 - X，Y和Z軸 - 用於確定三維移動的位置和方式。

•

笛卡爾3D打印機通常具有僅在Z軸上移動的打印床。擠出機坐落在X軸和Y軸上，可以在龍門架上沿四個方向移動

。

(8)

2. 三角型3D打印機 Delta type 3D-printer

• 如何設計3D Delta打印

(

http://www.robotmaker.eu/ROBOTmaker/3d-printing/3d-delta-printing-designs)

(9)

直角坐標系笛卡爾打印機的優點和缺點

Introduction of Pros & Cons of Cartesian Printer

• ^優點:

–

簡單的校準和錯誤分析/校正

–

大多數切片軟件(slicing software)的設計都考慮到了笛卡爾，特別是關於它們固有的弱點。

–

通常使用龍門式擠出機 (gantry-mounted extruders)。

–

比較常見雙重擠壓 (Dual extrusion )

–

能夠承受高加速度並且速度非常快。

–

更常見和更多的社區資源可用。

(10)

•

缺點:

– Z軸運動非常緩慢。

– 底板在大多數設計中都會移動，並且施工錯誤通常會導致無意的X-Y移位產生“Z-banding”。

– 所有設計在每個運動軸上都有不同的慣量(inertias)。

– 這可能會影響加速度 (acceleration)

– 必須仔細監控皮帶張力以防止X-Y間隙（這將導致橢圓形(elliptical circles)和其他偽影(fun artifacts)）。

直角坐標系笛卡爾打印機的優點和缺點

Introduction of Pros & Cons of Cartesian Printer (Cont’)

(11)

三角型3D打印機的優點和缺點 Introduction of Pros & Cons of

Delta type 3D-printer

•

^優點:

–

非常高的加速度和速度。

–

結構簡單，組裝、維修等都較為方便

–

沒有固有的首選移動方向。

–

微小的校准或機械錯誤通常是看不可見的。

–

對與絲杆、光軸的切割精度要求不高

–

一旦組裝好，維護成本低。

–

^{需要的部件较少}

資料來源:

https://www.reddit.com/r/3Dprinting/comments/2rpx98/advice_delta_vs_cartesian/?st=j9z us4c8&sh=32632b70

http://www.dayinpai.com/topic/post/f8504

(12)

三角型3D打印機的優點和缺點 Introduction of Pros & Cons of

Delta type 3D-printer

•

缺點:

–

機體的製作精度較低，通常只能達到mm級，需要更高的精度需要很大的力氣去調試

–

列印時，列印物體隨熱床在Y軸前後移動電源、控制板放的位置比較隨意，不好看。

–

更長的校準(calibration)時間

–

必須使用Bowden style擠出機來獲得高速度的好處（直接是可能的，但不常見和沈重）。

–

雙重擠出需要修改（沒有套件或打印機支持它）。

–

圓形建築區域有時會令人討厭

(13)

B. 介紹如何將3D物件用於物理實驗

例子1：飛輪 Example 1: Flywheel

• 實驗目標: 為了演示不同設計對飛輪慣性矩movement of inertia的影響。

I = Σ m _i r _i ²

• 設計: 設計一個旋轉持續很長的飛輪

• 設計2-3個具有不同直徑寬度和質量分佈的飛輪。

• 基本要素：旋轉對稱，圓陣

參考設計可以從iClass下載:

https://www.thingiverse.com/thing:44031

增潤內容 Enrichment

content

(14)

例子2：平衡的酒瓶架

Example 2: self-balanced wine bottle holder

• 設計目標：引入重心概念

x = Σm

_i

x

_{i /}

Σm

_i

y = Σm

_i

y

_i

/Σm

_i

(15)

• 運用 3D打印一些樣品 (samples)以供展示及說明

• 參加者需要使用TinkerCAD來設計一個簡單的自動平衡葡萄酒瓶架

(16)

慣性矩的例子

Additional Examples of Moment of Inertia

增潤內容 Enrichment

content

(17)

C. 如何提供/創建物理科教學活動的物件或零件 How to source/capture objects/parts for learning and

teaching activities in Physics

1. 下載3D library

• e.g. 3D Warehouse, 3D object library

2. 掃描真實物件

• 如何使用3D掃描儀或智能手機來捕捉3D模型

3. 使用免費軟件設計和構建3D物件

• e.g. TinkerCAD (a freeware)

(18)

網上平台資源 Available web-resource platforms:

1. 3D Warehouse

https://3dwarehouse.sketchup.com/

2. 3D Printing object libraries

https://all3dp.com/1/free-stl-files-3d-printer-models-3d-print-files-stl- download/

18

1. Download from 3D library

如何從網上資源下載3D object

用於創建AR應用程式

Professional Development Training

(19)

3D模型的在線資源

Thingiverse

https://www.thingiverse.com/

有三維模型的相關教材提供

(20)

3D Warehouse

https://3dwarehouse.sketchup.com/?hl=en

(21)

Google Poly

https://poly.google.com/

載有3D Model, AR 和VR等資源

(22)

• 更多資訊:

–

https://all3dp.com/1/free-3d-models-download-best-sites-3d-archive-3d/

22

其他3D 物件的網上資源

Site 3D

Printing

Engineering Architecture/

Visualization

Animation Gaming Graphic Design

Archive/

Documentation

3D Digital Doubles ✘ ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘

3D Scanstore ✘ ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✘

3D Warehouse ✔ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘ ✘

3DContentCentral ✘ ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

3Delicious ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✔ ✘

3DExport ✔ ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘

3DModelFree ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✔ ✘

3DShook ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

3dsky ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✔ ✘

Archive 3D ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✔ ✘

Autodesk Online Gallery ✔ ✔ ✔ ✘ ✘ ✘ ✘

Bitgem ✘ ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✘

blankRepository ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

Blendswap ✔ ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘

CADNav ✘ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✘

CGTrader ✘ ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘

Clara.io ✔ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

Cults ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

(23)

Site 3D Printing Engineering Architecture/

Visualization

Animation Gaming Graphic Design Archive/

Documentation

Design Connected ✘ ✘ ✔ ✘ ✘ ✔ ✘

Dimensiva ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

Evermotion ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✔ ✘

FlyingArchitecture ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

Free3D ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✔ ✘

GB3D Type Fossils ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✔

gCreate ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

GrabCAD ✔ ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

Human Alloy ✘ ✘ ✔ ✘ ✘ ✔ ✘

Instructables ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

Kenney ✘ ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✘

MorphoSource ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✔

MyMiniFactory ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

NASA 3D Resources

✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✔

OpenGameArt ✘ ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✘

Orchard ✔ ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

23 Professional Development Training

(24)

Site 3D Printing Engineering Architecture/

Visualization

Animation Gaming Graphic Design Archive/

Documentation

Pinshape ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

PixelLab ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

Renderpeople ✘ ✘ ✔ ✘ ✘ ✔ ✘

ShareCG ✘ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

Sketchfab ✔ ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✘

Smithsonian X3D

✔ ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✘

STLFinder ✔ ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘

Syncronia ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✔ ✘

Thingiverse ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

TinkerCAD Things

✔ ✘ ✘ ✔ ✔ ✘ ✘

Trace Parts ✔ ✔ ✔ ✘ ✘ ✘ ✘

TurboSquid ✘ ✘ ✔ ✘ ✔ ✔ ✘

Unity Asset Store

✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘ ✘

Viz-People ✘ ✘ ✔ ✘ ✘ ✔ ✘

Yobi3D ✔ ✘ ✘ ✔ ✔ ✔ ✘

YouMagine ✔ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘

(25)

建議的3D物件的文件類型

Suggested File Types of 3D objects

•

STL file (suggested)

•

SKP file (normally us “.gcode” file type

• Download / Scan

• Design

• Print

(26)

26

3D影像/圖像掃描的主要方法

Input Output

3D打印 3D Printing

攝影測量（通過圖像處理）

Photogrammetry (by Image processing)

3D掃描儀 (通過物件深度測量)

3D Scanner (by object depth measurement)

人面辨識效果

(27)

攝影測量（通過圖像處理）

Photogrammetry (by image processing)

• 攝影測量軟件Photogrammetry Software e.g.

Qlone, SCANN3D, Trnio

(Qlone，SCANN3D的操作將在第二節介紹)

(28)

3D掃描儀 (通過對象深度測量)

3D Scanner (by object depth measurement)

•

檢測物件的深度（從掃描儀到物體的距離）Detect the depth of the object (distance from the scanner to the object)

(29)

圖像辨識的3D掃描儀 Image-based 3D Scanner

• 360度旋轉轉台 Turn table rotate 360 degree

• 通過照片相機拍攝 Capture by photo camera

(30)

攝影測量和 3D掃描儀之分別 Difference between

Photogrammetry and 3D scanner

•

https://youtu.be/20jvnEtgRIU

(31)

• TinkerCAD

– 官方網站: https://www.tinkercad.com/

– 教學影片: https://www.youtube.com/user/Tinkercad

31

D.介紹如何運用TinkerCAD創建3D對象？

Introduction of how to design 3D objects using TinkerCAD

(32)

Step 1: Open TinkerCAD Website

第一步：開啟TinkerCAD網站 URL:

https://www.tinkercad.com

建議瀏覽器Suggested Browser:

Google Chrome

(33)

Step 2: Create an account 第二步：創建TinkerCAD用戶

2.1 於右上角按「註冊」(Sign Up) 2.2 按指示輸入所需的資料，直至

顯示「帳戶已建立」的信息。

(34)

Step 3: Dashboard 第三步：進入主頁

(35)

如何匯入已下載的3D物件作簡單改動

Import the downloaded 3D Object for simple adjustment

Step 1: Download file from https://www.thingiverse.com/

(or any other); Step 2:匯入 Import;

Step 3: Choose a file; Step 4: 匯入Import

(36)

Step 4: Create a design 第四步：建立新設計

(37)

Step 5: Rename the design 第五步：重新命名設計名稱

(38)

滑鼠控制 Mouse Control

放大/縮小, 移動

旋轉不同角度 選取/移動

技能提示 Skills Tips

(39)

鍵盤快捷鍵 Keyboard shortcuts

(40)

項目1：創建一個簡單的直流電機線圈 Project 1: Create a simple DC motor coil

(41)

工作空間

Working Space

物件 Objects (Basic Design)

Step 6: Drag suitable objects from the right bar to the working space

第六步：從右方物件庫拉動適合的物件至工作空間。

(42)

Step 7.1: Resize / Scale (by dragging dots) 第七(1)步：利用可拉動的點調整大小/比例

Shift +

drag dots to keep ratio

(43)

Note: Units Setting 注意: 單位設定

Step 7.2: Resize / Scale (by Precise)

第七(2)步：透過輸入精確的數值調整指定大小/比例

(44)

Step 8: Setting of the grid 第八步：單位設定

8.1 按右下角的「編輯網絡」

8.2 改變單位值至 (毫米 mm) (按需求而定)

(毫米 mm)

(45)

Step 9: Shape (Properties) 第九步：造型設定

9.1

點擊矩形Click on the rectangle 9.2 Set Radius (半徑) on

the 設置面板setting panel (as right)

參考尺寸：

Reference dimensions:

半徑Radius of rounded corners= 3 ;

步驟Steps = 6 ;

長度Length = 31.12 ; 寬度Width= 20 ; and 高度Height= 20 ;

(46)

Camera controls (View) 利用視圖功能檢視物件方位

(47)

Top view 上方

(48)

Step 10: Set a colour 第十步：顏色設定

10.1 創建一個矩形作為第二個物件Create a rectangular as the second object

10.2 設置尺寸Set Dimension: 25mm x 5mm x 3mm 10.3 將顏色設置為黃色Set colour to yellow (or any)

(49)

Step 11: Move (Position) vertically 第十一步：移動物件上下位置

11.1 Select the Arrow 選擇箭嘴

11.2 Upward/ Downward 向上/下拖動

11.3 Select to move (left click) 選擇移動（左鍵單擊）

(50)

Step 12: Alignment 第十二步：對齊功能

12.1 選擇現成需要對齊的物件 12.3 按 “對齊”

(51)

Step 13: Diameter Setting 第十三步：設定圓柱直徑

13.1 Create a Cylinder創建一個圓柱體

13.2 Set Diameter as 3.5 mm設置直徑為3.5毫米

(52)

Step 14: Rotation 第十四步：旋轉

旋轉Rotation on x-plane / y-plane / z-plane

(53)

練習Practice

移動Move / 旋轉Rotation / 調整大小 Resize / 對齊Alignment

(54)

Step 15: Solid / Hole 第十五步：實體和孔

(55)

Step 16: Grouping (Merge) 第十六步：群組

16.1 選擇需要組成群組的物件

Select the objects

needed to be grouped 16.2選擇「組成群組」

Click Group

(56)

Step 17: Copy & Paste 第十七步：複製和貼上

17.1 Select → 17.2 Copy (Ctrl+C) → 17.3 Paste (Ctrl+V)

*利用複製功能以減低設計的差異和實驗誤差。

(57)

網格設定的概念

• 選擇2個物件Select 2 objects 相對距離 relative distance

(58)

加入文字 Input Text

(59)

加入文字 Input Text (Cont’d)

(60)

Step 18: Export 第十八步：匯出

18.1 匯出 Export

18.2 Choose stl ^{file type}

18.3 儲存於合適位置

(61)

Step 19: Share 第十九步：分享

(62)

提交Tinkercad 設計作品STL file

1. 利用「匯出」功能下載 STL 格式的file 2. 儲存於桌面

3. 傳送至壓縮檔案 Zip File/ 7-zip

4. 傳送你的Zip file 至

eltraining@eee.hku.hk

注意命名名稱: (iClass username_EngFullName) (e.g. 3dprint0101_Chan Tai Man)

a. 電郵標題: (iClass username_EngFullName) (e.g. 3dprint0101_Chan Tai Man)

b. 附加壓縮檔案

(63)

壓縮檔案方法

(64)

15分鐘休息環節 Break (15 mins)

You can still try to do the practice 1!

(65)

重溫 Revision

1. Move 移動

2. Rotation 迴轉 3. Resize 調整大小 4. Alignment 對準 5. Group 群組

6. Hole 孔

7. Export 匯出

(66)

項目2：設計一個教學工具包 Project 2:

Design a teaching kit (FBI)

(67)

小組討論作業環節 –

有效運用3D打印機和資訊科技工具促進物理科的學與教

1. 按你任教科目分2-3人一組

2. 請就作業題目討論適合「運用3D打印機和資訊科技工具促進物理科的學與教」的課題

3. 利用iClass 開放式題目(Open-end) 活動提交你們的討論所得的想法

67

其他科目:

如你是任教其他科目，你可就你的科目設計3D 打印的教學活動，以促進該科的學與教

(68)

例子介紹

• 相關網站

• 水火箭

• Electric motor

• Brushless motor

(69)

小組討論- 課題分享環節

個人作業提交(透過iClass LMS)

(70)

Repetier-Host

軟件用法：將3D物件剪切成片Software usage: To cut the 3D object into slides

打印程序 Procedure for printing

Step 1: 在網上下載Download Repetier-Host on web

(available in the PC of the training venue)

– https://www.repetier.com/download-now/

(71)

Step 2: 打印機設置Printer Settings

(72)

Step 3: 比例Scaling

檢查比例 Check Scaling

(73)

Step 4: 切片機Slicer

Click “Slice with CuraEngine” under tab “Slicer”

(74)

Step 5: 匯出 Export G-code file Click “Save to File”

(75)

Step 6: 檢查打印統計數據 Check the print statistics

• 檢查打印所需的時間和材料

• 確保有足夠的材料

• 保存文件和SD卡

Step 7: 儲存 store in SD Card

(76)

填充圖層 Infill Layer

(77)

認識填充百分比、層高和填充圖案的影響

Influence of infill %, layer height and infill pattern

Infill increases  cost/quality/printing time/strength increases

(78)

E. 如何設置3D打印機How to set the 3D Printer

• 打印機設置Printer Setting

– 隨打印機包提供的規格specifications provided with the package of printer

• 預熱打印機Pre-heat the printer

(79)

打印示範

Demonstration of printing

• Step 1:

^{在打印台上粘上膠帶}

Stick a sticky tape on the

print table

• Step 2: 插入Insert the SD Card

• Step 3:

^選擇

Select “Print from SD Card” from the menu

SD Card

(80)

打印3D物件的一些提示和常見錯誤

Some tips and common pitfalls for printing 3D objects

• 系數調較:

– 橫向擴展Horizontal expansion

– 填充密度Infill Density (參考reference: 20%, 不能太低cannot be too low) – 壁厚度Wall thickness

– 速度Speed

• 溫度要求: 實驗遇到的溫度Temperature encountered in the experiment;

環境the environment (不能高;取決於材料的類型cannot be high;

depending on the types of materials)

• 膨脹問題

• 支撐: 調整在地板上放置的軸 (X、Y 或 Z)Adjust which axis (X,Y or Z) lay on the floor

 支撐材料supporting materials

• 如何在使用 ABS 材料時創造合適的環境How to create a suitable environment when using ABS materials

(81)

排除故障

Troubleshooting for successful printing 1. 不夠絲Out of Filament

2. 噴嘴太靠近印刷床Nozzle Too Close to Print

3. Bed噴嘴阻塞Blocked Nozzle

4. 打印頭錯過了床Print Head Misses the Bed

5. 擠出中期停止打印Extrusion Stopped Mid- Print

6. 打印不粘到打印床Print Doesn't Stick to Print

7. Bed支撐倒下Supports Fell Apart

(82)

支持材料 Supporting Materials ^(如需要)

The 45 degree rule (45 度法則)

圖像的中間部分顯示了我們如何將懸垂角度改變到45度，使該部分易於列印。這並不總是可能的。在上面的部分，應該有一個皮帶沒有硬邊在中間運行，以保持它的位置防止滑出。

(83)

進階:

創建一個跨度，而不是一個陡峭的懸垂 ^(如適用)

Create a span instead of a steep overhang if possible

三維打印機的噴嘴在兩邊距離越大，

乾度越快，

三維打印機效能越佳。

(84)

進階:可溶長絲 Dissolvable Filament

如你想製作複雜的形狀，你可參考:

Ultimaker PVA Explained - Water-soluble support material:

https://www.youtube.com/watch?v=0ENgGkPP94w

進階實驗: 黑洞製作

Black Hole / Worm Hole

(85)

F. 第一節總結 Summary

• 不同類型的3D打印機Different types of 3D printer – Delta type 3D-printer

– 笛卡爾Cartesian (xyz-axis type) 3D-printer

• 不同類型的打印材料Different types of printing materials

– ABS, PLA…

• 學到的工具：Tools we’ve learnt:

•

設計3D對象Design 3D object: TinkerCAD

(86)

iClass 互動學習系統的登入方法

• Step 1: 開啟 Chrome

• Step 2: 使用電腦登入帳戶

(帳戶資料已於開課前派發；如有問題，請向實驗室同工索取)

– URL: http://portal.iclass.hk/index.php

(87)

運用

IT in Education Subject-related Series:

Using 3D Printers and IT Tools to Enhance Learning and Teaching of Physics

(SESSION 1)

課程目標

第一節 課程流程 (3 小時)

A.

B.

C.

a.

b.

D.

a.

b.

c.

E.

a.

F.

笛卡爾坐標系XYZ-axis type 3D打印機

三角型Delta type 3D打印機

兩種3D打印機的優缺點

1. Cartesian (xyz-axis type) 3D- printer

直角坐標系（笛卡爾坐標系）

3D打印機

2. Delta type 3D- printer

(三角型3D打印機)

笛卡爾3D打印機以三維 坐標系命名 - X，Y和Z軸 - 用於確定三維移動的位 置和方式。

笛卡爾3D打印機通常具 有僅在Z軸上移動的打印 床。 擠出機坐落在X軸 和Y軸上，可以在龍門架 上沿四個方向移動

http://www.robotmaker.eu/ROBOTmaker/3d-printing/3d-delta-printing-designs)

• 優點:

簡單的校準和錯誤分析/校正

大多數切片軟件(slicing software)的設計都考慮到了笛卡 爾，特別是關於它們固有的弱點。

通常使用龍門式擠出機 (gantry-mounted extruders)。

比較常見雙重擠壓 (Dual extrusion )

能夠承受高加速度並且速度非常快。

更常見和更多的社區資源可用。

缺點:

– Z軸運動非常緩慢。

– 底板在大多數設計中都會移動，並且施工錯誤通常會 導致無意的X-Y移位產生“Z-banding”。

– 所有設計在每個運動軸上都有不同的慣量(inertias)。

– 這可能會影響加速度 (acceleration)

– 必須仔細監控皮帶張力以防止X-Y間隙（這將導致橢圓 形(elliptical circles)和其他偽影(fun artifacts)）。

優點:

非常高的加速度和速度。

結構簡單，組裝、維修等都較為方便

沒有固有的首選移動方向。

微小的校准或機械錯誤通常是看不可見的。

對與絲杆、光軸的切割精度要求不高

一旦組裝好，維護成本低。

需要的部件较少

https://www.reddit.com/r/3Dprinting/comments/2rpx98/advice_delta_vs_cartesian/?st=j9z us4c8&sh=32632b70

http://www.dayinpai.com/topic/post/f8504

缺點:

機體的製作精度較低，通常只能達到mm級，需要更高 的精度需要很大的力氣去調試

列印時，列印物體隨熱床在Y軸前後移動電源、控制板 放的位置比較隨意，不好看。

更長的校準(calibration)時間

必須使用Bowden style擠出機來獲得高速度的好處（直 接是可能的，但不常見和沈重）。

雙重擠出需要修改（沒有套件或打印機支持它）。

圓形建築區域有時會令人討厭

I = Σ m i r i 2

https://www.thingiverse.com/thing:44031

x = Σm

x

Σm

y = Σm

y

/Σm

慣性矩的例子

Additional Examples of Moment of Inertia

1. 下載3D library

• e.g. 3D Warehouse, 3D object library

2. 掃描真實物件

• 如何使用3D掃描儀或智能手機來捕捉3D模 型

3. 使用免費軟件設計和構建3D物件

• e.g. TinkerCAD (a freeware)

網上平台資源 Available web-resource platforms:

1. 3D Warehouse

https://3dwarehouse.sketchup.com/

2. 3D Printing object libraries

https://all3dp.com/1/free-stl-files-3d-printer-models-3d-print-files-stl- download/

第一節課程流程 (3 小時)

笛卡爾3D打印機以三維坐標系命名 - X，Y和Z軸 - 用於確定三維移動的位置和方式。

笛卡爾3D打印機通常具有僅在Z軸上移動的打印床。擠出機坐落在X軸和Y軸上，可以在龍門架上沿四個方向移動

• ^優點:

大多數切片軟件(slicing software)的設計都考慮到了笛卡爾，特別是關於它們固有的弱點。

– 底板在大多數設計中都會移動，並且施工錯誤通常會導致無意的X-Y移位產生“Z-banding”。

– 必須仔細監控皮帶張力以防止X-Y間隙（這將導致橢圓形(elliptical circles)和其他偽影(fun artifacts)）。

^優點:

^{需要的部件较少}

機體的製作精度較低，通常只能達到mm級，需要更高的精度需要很大的力氣去調試

列印時，列印物體隨熱床在Y軸前後移動電源、控制板放的位置比較隨意，不好看。

必須使用Bowden style擠出機來獲得高速度的好處（直接是可能的，但不常見和沈重）。

I = Σ m _i r _i ²

• 如何使用3D掃描儀或智能手機來捕捉3D模型

18.2 Choose stl ^{file type}

小組討論- 課題分享環節

^{在打印台上粘上膠帶}

^選擇

支持材料 Supporting Materials ^(如需要)