Een ontwerp als functie: verander één maat en de rest volgt
Je begint met parameters herkennen, vrijheidsgraden tellen en passingen kiezen, rekent daarna echte kasten, klikvingers en draaideelen door en programmeert het model verder, en eindigt met een eigen parametrisch onderdeel in OpenSCAD, een maakopdracht en de sensorkast van de klimaatmodule. Voor 37.9 en 37.13 heb je behuizing.py uit het handboek nodig (downloaden bij het codeblad). Opdracht 37.15 is een bouwsteen voor Habitat.
De regelkast van de klimaatmodule: één model, en elke maat volgt uit een paar invoermaten.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Oefenen
Oefenen
één stap, direct toepassen
37.1
Invoermaat of afgeleide maat?
Oefenen3Begrijpen10 min
Hieronder staan maten van de regelkast RK-1. Het model heeft als invoer: plaat_l, plaat_b, plaat_d, comp_h, bus_h, speling, boven, wand en deksel_d.
a
Zet elke maat in de juiste kolom: plaat_l, buiten_l, wand, binnen_h, bus_h, bak_h, totaal_h, binnen_b.
invoermaat
afgeleide maat
b
Schrijf voor elke afgeleide maat de formule met de invoermaten.
c
Een klasgenoot typt in zijn CAD-model de buitenlengte 146 in. Wat gaat er mis als de montageplaat 150 mm wordt?
37.2
Vrijheidsgraden tellen
Oefenen3Rekenen15 min
Een punt heeft 2 vrijheidsgraden. Gebruik de tabel met beperkingen uit het handboek.
Een L-vormige plaat: zes hoekpunten, alle randen horizontaal of verticaal.
a
Hoeveel vrijheidsgraden heeft een driehoek van drie losse punten?
b
Hoeveel vrijheidsgraden heeft de L-vorm zonder beperkingen? Hoeveel na drie horizontale en drie verticale beperkingen?
c
Welke maten en welke andere beperkingen heb je nog nodig voor een volledig bepaalde schets? Tel na.
d
Je zet er nog een maat bij: de afstand tussen de twee uiterste hoeken (de diagonaal). Wat meldt het programma?
37.3
Welke bewerking?
Oefenen3Begrijpen10 min
Welke bewerking(en) gebruik je om deze onderdelen te maken? Kies uit extruderen, uitsparen, draaien, afronden, afschuinen, uithollen, patroon, spiegelen.
a
(a) een netpotje voor het NFT-rek (rond, taps, met sleuven rondom); (b) de bak van RK-1; (c) een kabeltule; (d) de rand van een kast die op het printbed ligt; (e) de twee klikvingers van het deksel.
37.4
Gaten voor jouw printer
Oefenen4Rekenen12 min
Gebruik de passingstabel van de schoolprinter uit het handboek (pers: d + 0,2; glij: d + 0,4; ruim: d + 0,6) en de regel dat de printer gaten 0,2 mm kleiner maakt.
a
Welke diameter teken je voor (a) een stalen pen Ø 3,0 die vast moet zitten; (b) een as Ø 5,0 die moet draaien; (c) een schroef M3 die vrij door het deksel moet?
b
De fabrikant van een inzetmoer M3 schrijft een gat van Ø 4,0 mm voor. Welke diameter teken je, en waarom?
c
Waarom geldt de tabel niet zomaar voor een geprinte pen in een geprint gat?
37.5
De kast van de meetkas
Oefenen4Rekenen15 min
De Uno van de meetkas (68,6 × 53,4 mm) krijgt dezelfde soort kast: hoogste onderdeel 15 mm, twee wartels, en verder de standaardwaarden van behuizing.py (wand 2,0, speling 1,0, bus_h 6, plaat_d 3, boven 12, deksel 2).
a
Bereken de binnenmaten, de buitenmaten, bak_h en totaal_h.
b
Controleer de twee wartelregels: past het gat in de wandhoogte, en passen twee wartels naast elkaar in de korte zijde?
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
37.6
Hoeveel speling heeft het deksel nodig?
Toepassen5Rekenen20 min
Een andere printer maakt holtes gemiddeld 0,15 mm kleiner, en elke maat wijkt toevallig tot 0,15 mm af. Buitenmaten komen gemiddeld juist uit. De binnenmaat van de bak is getekend op 92,0 mm.
a
Bereken de kleinste en grootste speling (samen, beide kanten) voor een lip met 0,2 en met 0,3 mm speling per kant.
b
Welke speling per kant is de kleinste die in het slechtste geval nog 0,1 mm (samen) overhoudt?
c
Waarom is 'het slechtste geval' hier een goede keuze, en wanneer zou je minder streng rekenen?
37.7
Een klikvinger voor een sensorkapje
Toepassen5Rekenen20 min
Een kapje over de lichtsensor krijgt klikvingers van 1,2 mm dik met een haak van 0,6 mm. Toegelaten rek 2 %. Gebruik ε=1,5ty/L2.
a
Bereken de kleinste lengte van de vinger.
b
Je kiest 8 mm. Hoe groot is de rek?
c
Een klasgenoot maakt de vinger 2,0 mm dik 'omdat hij dan sterker is', met dezelfde lengte en haak. Reken de rek uit en beoordeel.
37.8
Het volume van een kabeltule
Toepassen5Rekenen20 min
Een kabeltule is een draaideel. Het profiel staat in de figuur (maten in mm, stralen gemeten vanaf de as).
Buisje van r = 3,0 tot 4,5 mm, 12 mm hoog, met een kraag tot r = 8,0 mm, 2 mm dik.
a
Verdeel het profiel in twee rechthoeken. Bereken voor elk de oppervlakte en de afstand van het zwaartepunt tot de as.
b
Bereken het volume met de regel van Pappus.
c
Controleer met twee holle cilinders, en bereken de massa in PETG.
37.9
Python: een sensorkast met sleuven
Toepassen6Programmeren35 min
De SHT31 hangt in een sensorkast: een klein doosje dat lucht moet doorlaten. Schrijf met behuizing.py een functie sensorkast() met sleuven in de twee lange wanden. Het plaatje met de sensor is 30 × 25 mm, het hoogste onderdeel 5 mm; één wartel; wand 1,6 mm, bus_h 4, plaat_d 2.
a
Schrijf de functie: parameters voor het aantal sleuven, hun lengte en breedte; ze haalt het open oppervlak af van het volume van de bak en berekent de massa opnieuw.
b
Voeg twee regels toe: de sleuven moeten naast elkaar passen in de lange wand (2 mm tussen twee sleuven, 5 mm aan de rand), en een sleuf moet minstens 3 mm onder de rand blijven en 3 mm boven de bodem.
c
Reken de kast door met boven = 8 mm en met boven = 10 mm. Wat merk je?
Hint
controleer() geeft een lijst; voeg je eigen fouten toe met append(). De wartelregel zit al in controleer().
37.10
De ontwerpruimte lezen
Toepassen5Analyseren15 min
Gebruik de figuur met de hoogtelijnen van de massa (comp_h = 28 mm, drie wartels, wand 2 mm).
Ontwerpruimte van de regelkast: hoogtelijnen van de massa en de verboden stroken.
a
Schat de massa van een kast voor een montageplaat van 200 × 150 mm. Is die kast toegelaten?
b
Een montageplaat van 120 mm lang: hoe breed mag ze hoogstens zijn om onder 150 g te blijven?
c
Waarom loopt de onderste verboden strook tot 61,5 mm? Wat verandert er met twee wartels?
37.11
Werktekening van het deksel
Toepassen5Tekenen35 min
Het deksel van RK-1: plaat 146 × 96 × 2 mm met afgeronde hoeken R4; eronder een lip van 1,6 mm breed en 5 mm hoog, 0,3 mm speling per kant in de bak (binnenmaat 142 × 92 mm); in het midden van de korte zijden een klikvinger van 12 mm lang, 8 mm breed en 1,6 mm dik met een haak van 0,8 mm naar buiten.
a
Bereken de buitenmaten van de lip.
b
Teken het deksel in vooraanzicht en in onderaanzicht op schaal 1:1 (of 1:2), met de functionele maten.
c
Welke maten laat je bewust weg, en waarom?
37.12
Waar breekt het model?
Toepassen6Analyseren20 min
Een groep maakte de regelkast in FreeCAD. Hun bewerkingsboom: (1) schets rechthoek 146 × 96 met de linkerhoek op de oorsprong; (2) extrusie 51; (3) afronding R4 op de vier verticale ribben; (4) uithollen 2 mm; (5) schets met vier cirkels Ø 7 op (8, 8), (138, 8), (8, 88), (138, 88) en extrusie 6; (6) drie wartelgaten op 24, 48 en 72 mm van de hoek; (7) afronding R2 van 'Edge12' en 'Edge14' binnenin. De maten staan als getallen in de schetsen. Nu wordt de montageplaat 120 × 70 mm.
a
Welke maten moet de groep met de hand veranderen? Welke vergeten ze gemakkelijk?
b
Welke bewerking kan na de wijziging foutlopen zonder dat iemand iets verkeerd typt? Waarom?
c
Beschrijf hoe je het model herbouwt zodat de wijziging één cel in de spreadsheet is.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
37.13
OpenSCAD: een parametrische kabelclip
Uitdagen6Programmeren45 min
Langs het NFT-rek moeten kabels en een slang netjes vastgemaakt worden: sensorkabels van Ø 4 mm, de voedingskabel van Ø 7 mm, de slang van 16 mm. Eén parametrische clip moet ze allemaal aankunnen: een open ring waarin de kabel klikt, op een voetje met twee schroefgaten.
a
Kies de parameters (kabeldiameter, wand, breedte, opening, lipjes, schroefgat) en schrijf de afgeleide maten als formules.
b
Schrijf het OpenSCAD-programma. Tip: teken het profiel in 2D en trek het op met linear_extrude.
c
In welke richting print je de clip, en waarom?
d
Welke regel moet het model controleren opdat de kabel erin klikt en er niet uit valt?
37.14
Maak: twee varianten uit één model
Uitdagen6Maken120 min
Kies een klein onderdeel voor de klimaatmodule of de meetkas (een clip, een kapje, een houder, een kleine kast). Ontwerp het parametrisch in OpenSCAD of FreeCAD, print twee varianten met een andere hoofdmaat, en test de passing.
a
Maak een parametertabel: naam, waarde, eenheid, invoer of afgeleid, en de regel die erbij hoort.
parameter
waarde
invoer / afgeleid
regel
b
Print eerst een testje met drie spelingen (0,2 / 0,3 / 0,4 mm per kant) en kies er één.
c
Print twee varianten en meet de belangrijkste maten na. Vergelijk met het model.
maat
model
variant 1
variant 2
d
Wat moest je aan het model veranderen na de eerste print? Was dat een parameter of een fout in de ontwerpintentie?
Zo wordt dit beoordeeld
Parametrisch
Hoofdmaten zijn invoer; afgeleide maten zijn formules; de tweede variant vraagt alleen andere invoer.
Ontwerpregels
Wanddikte, speling, overhang en printrichting verantwoord; minstens één regel wordt in het model gecontroleerd.
Test
Testprint voor de speling, metingen van beide varianten, verschil met het model verklaard.
Documentatie
Parametertabel, foto's of schetsen, besluit over wat er in het model veranderde.
37.15
Habitat: de sensorkast SK-1 vastleggen
Uitdagen7Habitat90 min
De SHT31 van de klimaatmodule hangt in een sensorkast op 3 m van de Mega (hoofdstuk 30). De kast moet de sensor beschermen tegen druppels van het rek en direct licht, maar de lucht vrij doorlaten: de sensor moet binnen ongeveer een minuut de luchttemperatuur volgen (tijdconstante 60 s, hoofdstuk 31). Het plaatje met de sensor is 30 × 25 mm, het hoogste onderdeel 5 mm; één vieraderige kabel komt binnen.
a
Stel het programma van eisen op (minstens zes eisen, met moet/wens en een toets).
b
Kies de parameters (met behuizing.py en je sensorkast() uit 37.9) en noteer ze in een tabel. Waar hangen de sleuven, en waar de wartel?
parameter
waarde
waarom
c
Reken minstens twee varianten door en kies er één. Welke regel besliste?
d
Maak een werktekening van de gekozen variant (aanzichten, functionele maten, titelblok HAB-I37-02).
e
Noteer in je portfolio de parameters en de gekozen variant, zodat het integratieproject (hoofdstuk 40) ze kan gebruiken.
Zo wordt dit beoordeeld
Eisen
Meetbare eisen over bescherming, luchtdoorlaat, montage, kabel, materiaal en printbaarheid.
Parametrisch model
Parameters en afgeleide maten gescheiden; regels in het model; varianten doorgerekend.
Keuze
Variant gekozen met argumenten (regel, massa, luchtdoorlaat); de beslissende regel benoemd.
Tekening
Correcte aanzichten, functionele maten uit het model, titelblok en stuklijst.
Habitat
Parameters en variant in het portfolio, klaar voor hoofdstuk 40.
37.16
Debat: loont parametrisch ontwerpen altijd?
Uitdagen5Argumenteren20 min
Een klasgenoot: 'Parametrisch ontwerpen kost dubbel zoveel tijd. Voor een onderdeel dat ik één keer print, teken ik het gewoon, en klaar.'
a
Geef twee argumenten voor en twee tegen, telkens met een voorbeeld uit de klimaatmodule.
b
Formuleer een vuistregel: wanneer ontwerp je parametrisch, wanneer niet?
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan invoermaten en afgeleide maten onderscheiden en hun afhankelijkheden als formules schrijven.
Ik kan een schets volledig bepalen met geometrische beperkingen en maten, en de vrijheidsgraden tellen.
Ik kan extruderen, uitsparen, draaien, afronden, afschuinen, uithollen en patronen gebruiken, en met de regel van Pappus het volume van een draaideel berekenen.
Ik kan speling-, overgangs- en perspassing uitleggen, gaten maatvoeren voor je eigen printer en een tolerantiestapeling in het slechtste geval doorrekenen.
Ik kan een schroef-, klik- of persverbinding kiezen en een klikvinger dimensioneren met de toegelaten rek.
Ik kan een parametrisch model in Python of OpenSCAD schrijven dat maten, massa, printtijd en prijs berekent en ontwerpregels controleert.
Ik kan een ontwerpruimte verkennen, varianten vergelijken en een werktekening afleiden uit dezelfde parameters.
