Lentävä Säästöpossu (9lk, 3D-tulostus, Ohjelmointi, Lasertyöstö)

9lk:n elektroniikka, ohjelmointi ja käsityötuotteeksi soveltuva harjoitus, jossa päästään harjoittelemaan monipuolisesta peruskoulun aikana opeteltuja asioita. Lentävä säästöpossu harjoittaa kattavasti omia suunnittelu ja ongelmanratkaisutaitoja. Lisäksi se soveltuu loistavasti myös pari tai ryhmätyöksi.

OPETTAJAN OHJEET:

Materiaalivalmistelut:

Jokainen pari, ryhmä tai oman tuotteen tekijä tarvitsee seuraavat materiaalit:

1kpl Micro:bit v2 -mikrokontrolleri

Johdinteippiä noin 30 cm/opiskelija

270 asteen servomoottori

2 x AAA paristokotelo

3 mm laservaneria vartaloon (mitta/opiskelija)

3D-tulostimella tehdyt siivet ja pienet yksityiskohdat (mahdollisesti eri värisiä 3D-tulostimen PCA-muovia)

Vahvaa pahvia

Askartelu muovia

Kuuma- ja puuliimaa

Mahdollisesti maalia ja pensseleitä

Laitteet: 

3D-tulostin (Ultimaker S3)

Lasertyöstöasema (merkki/malli)

Juotosasema

Ohjelmistot:

Microbit makecode

Inscape

Makecase

Tinkercad

Ultimaker Cura

Tuntirakenne ja ajankäyttö

Työn valmistamiseen tulisi varata vähintään 15 x 45min, mielellään 20 x 45min.

1. oppitunti: oman persoonallisen tuotteen suunnittelu ja pahvisen protyypin valmistus (koko, omat muutokset)

2. oppitunti: Inscape piirrokset ja siirtäminen laserohjelmaan. 1/3-1/2 oppilaista saa vartalon osat tulostettu.

3. oppitunti: Viimeksi osat tulostaneet auttaa muita oppilaita saamaan osat laserohjelmaan ja tulostettua. Aloitetaan 3D-tulostuksen suunnittelu.

4. oppitunti: jatketaan/aloitetaan 3D-tuloksen suunnittelua eli tuotteen siivet. Tavoite, että ensimmäiset pääsisivät tulostamaan siipiä. Jos mahdollista siipiä kannattaa tulostaa myös käsityötuntien ulkopuolella, koska niissä voi mennä noin 45min-1,5h/työ.Jos siipiä ei ole mahdollista tulostaa käsityötuntien ulkopuolella, voidaan tulostusta tehdä järjestelmällisesti ja suunnitellusti jokaisella oppitunnilla ja jatkaa projektin muita vaiheita.

5. oppitunti: jatketaan/aloitetaan 3D-tuloksen suunnittelua eli tuotteen siivet. Tavoite, että ensimmäiset pääsisivät tulostamaan siipiä. Jos mahdollista siipiä kannattaa tulostaa myös käsityötuntien ulkopuolella, koska niissä voi mennä noin 45min-1,5h/työ.Jos siipiä ei ole mahdollista tulostaa käsityötuntien ulkopuolella, voidaan tulostusta tehdä järjestelmällisesti ja suunnitellusti jokaisella oppitunnilla ja jatkaa projektin muita vaiheita.

6. oppitunti: Possun vartalon kasaaminen pareittain/ryhmittäin. Vielä ei tarvitse huolehtia sisäosan jaosta/kokoamisesta.

7. oppitunti: Possun sisäosan eli ns. lipasosan väliseinän ja pleksin rakentaminen.

8. oppitunti: Elektroniikan koodauksen suunnittelu Microbitin omassa ohjelmassa.

9. oppitunti: Elektroniikan koodauksen suunnittelu ja valmistus sekä testaus.

10. oppitunti: Halutessaan mahdollinen vanerin pintakäsittely.

11. oppitunti: Elektroniikkapuolen liitännät ja kiinnitykset.

12. oppitunti: Elektroniikkapuolen liitännät ja kiinnitykset.

13. oppitunti: Siipien kiinnitys.

14. oppitunti: testaus ja itsearviointi

15. oppitunti: vertaisarviointi ja näyttely

Jos on mahdollista käyttää 20 oppituntia, lisätunnit voitaisiin sijoittaa esimerkiksi seuraavasti:

+1 oppitunti: prototyypin valmistamiseen.

+1 oppitunti: kertausta lasertyöstöön.

+1 oppitunti: Inscape ja lasertyöstö.

+1 oppitunti: kertausta koodaukseen ja liitäntöihin.

+1 oppitunti: rästijutut ja ongelmatilateet

Opetuksen eriyttäminen

Tuote on yllättävän haastava valmistaa ja siinä on useita kohtia, joissa oppilas saattaa kokea ongelmatilanteita. Projektia voidaan eriyttää helpommaksi monella tavalla:

1. tapa: tuote valmistetaan ryhmissä, jolloin myös opettajalla on enemmän aikaa auttaa, eikä oppilaiden työskentelystä mene niin kauaa aikaa odottamiseen.

2. tapa: Tuote voidaan yksinkertaistaa kaikissa osa-alueissa: lasertyöstössä, 3D-tulostuksessa ja koodauksessa. Myös esimerkiksi siivet eli 3D-tulostus voidaan jättää kokonaan pois.

3. tapa: tuotetaan projekti luokan/ryhmän yhteisprojektina, jolloin oppilaat voidaan jakaa keskittymään vain yhteen osa-alueeseen esimerkiksi seuraavanlaisesti: lasertyöstö, 3D-tulostus, koodaus, kokoaminen, jolloin saadaan neljä työskentelyryhmää. Tällöin oppilaat voivat ensin keskittyä hakemaan tietoa ja opiskelemaan omaa aihealuettaan ennen kuin oma osuus tulee tehdä.

Oppilaan oma suunnittelu

Oppilaan oma suunnittelu on tärkeä prosessi sekä kokonaisen käsityöprojektin kuin myös luovuuden ja minäpystyvyyden kehittymisessä. Sen takia siitä kannattaa pitää kiinni, edes pienenä kokonaisuutena. Jos aika ja resurssit ovat erittäin rajalliset, voidaan oppilaan oma suunnittelu toteuttaa myös erilaisia vaihtoehtoja valitsemalla ja esimerkiksi pintakäsittelyn suunnitteluun panostamalla.

Tarvikkeet:

1kpl Micro:bit v2 -mikrokontrolleri

Johdinteippiä (kupariteippi) noin 30 cm/opiskelija

270 asteen servomoottori

2 x AAA paristokotelo

3 mm laservaneria vartaloon (mitta/opiskelija)

3D-tulostimella tehdyt siivet ja pienet yksityiskohdat (mahdollisesti eri värisiä 3D-tulostimen PCA-muovia)

Vahvaa pahvia

Askartelu muovia

Kuuma- ja puuliimaa

Mahdollisesti maalia ja pensseleitä

Laitteet: 

3D-tulostin (Ultimaker S3)

Lasertyöstöasema (merkki/malli)

Juotosasema

Ohjelmistot:

Microbit makecode

Inscape

Makecase

Tinkercad

Ultimaker Cura

1. Ensimmäisessä vaiheessa tehdään säästöpossun vartalosta ja eloktroniikkalaatikosta prototyyppi pahvista piirtämällä ja leikkaamalla. Tämä havainnollistaa valmiin tuotteen koon, materiaalin menekin ja antaa osviittaa vartalon piirtämiselle Inscape- ohjelmassa. 
2. Seuraavaksi siirrytään Inkscape-ohjelmaan ja piirretään possu sopivan kokoiseksi ja malliseksi. Possulle tarvitaan etu ja taka seinämä sekä itse säästölippaan laatikko. Vaikka piirtäessä katsotaan mitat kuntoon, tulee ne muistaa tarkistaa vielä ennen lasertulostusta. Säästölippaan laatikko on tehty Makecase-ohjelmasta löydetyn valmiin mallin avulla itse muokaten oikean kokoiseksi ja tarvittavilla yksityiskohdilla. Tässä vaiheessa on viisainti lisätä Inkscapen puolella laserleikattavaan runkoon kolikon reikä sekä siiville pieni kolmioreikä.
3. Kun possun vartalon kaikki osat on saatu Inkscapella piirrettyä, siirrytään tulostamaan vartalo 3mm paksuiselle vanerille. Siirrä siis tiedosto muistitikun avulla tulostuskoneelle ja muista varmistaa mitat ennen tulostusta. Materiaalin taloudellisen käytön varmistamiseksi pohdi etukäteen miten osat kannattaa sijoittaa, jotta hukka materiaalia tulee mahdollisimman vähän.

Säästöpossulle on suunniteltu tehtävät selkään siivet, jotka heiluvat kolikon tippuessa säästöpossun sisälle. Siivet tehdään 3D-tulostamalla. Siipien rakenne löydettiin valmiina netistä, mutta tiedosto liitettiin Tinkercad-ohjelmaan, jossa se saatiin muokattua tähän työhön sopivaksi.

1. Lataa valmis haluamasi tiedosto siivistä Tinkercad-ohjelmaan tai rakenna juuri sellaiset siivet kuin haluat ohjelman työkalujen avulla. Nimeä tiedosto haluamallasi nimellä. Mittaa minkä kokoiset siivet säästöpossullesi haluat. Koko voi muuten olla vapaa, mutta siivet eivät saisi olla hirmu painavat, joten pieniä tai keskikokoisia siipiä kannattaa suosia. Muokkaa koko oikeaksi.
2. Kun rakentaminen on tehty, tallenna tiedosto ja avaa se Ultimaker Cura-ohjelmassa. Ultimaker Cura-ohjelmassa saat muokattua mahdollisen tukimateriaalin käytön, koon sekä tiedostomuodon helposti. Tässä työssä siivet ovat 2 mm paksuiset ja materiaalina on PCA-muovi. Tulostimena on käytetty Ultimaker S3-tulostinta. Lataa tiedosto muistitikulle.
3. Kiinnitä muistitikku 3D-tulostimeen ja valitse oikea materiaali. Kun aloitat tulostuksen, näet kauanko tulostaminen vie aikaa. Muista käsitellä tulostimen lasilevy puikkoliimalla ennen aloitusta, jotta tuote pysyy tulostuksen ajan paikallaan.
4. Valmista haluamasi kiinnitysmekanismi takaosan luukulle. Netistä löytyy esimerkiksi valmiita 3D-ohjeita haka-kiinnitykselle. Muista tarkistaa, että osat tulevat järkevän kokoisiksi.

1. Kun osat on laserleikattu ja 3D-tulostettu, on aika koota possun vartalo kasaan. Pyydä kaveria avuksi ja kokoa ensin säästöpossun lipas. Naputtele varovasti osat kasaan hampaista kiinni. Jätä vielä possun takaosasta ns. luukku auki. Sen tulee säilyä avattavana, jotta elektroniikkaa pystyy vaihtamaan ja rahalippaan tyhjentämään. Possun vartalon etu- ja takaosa liimataan puuliimalla kiinni säästölippaaseen.
2. Säästölippaan sisälle tulee rakentaa ns. elektroniikkapuoli ja rahalipaspuoli. Jaon kahteen puoleen voi tehdä helposti pahvin palasella. Osan kannattaa ottaa irrotettava, jotta tarpeen mukaan elektroniikkapuolta saadaan huollettua helpommin.
3. Leikkaa esimerkiksi vanhasta piirtoheitinkalvosta ns. ikkuna possun vartalon takaosaan. Kalvon kannataa olla hieman taipuvaa, jotta se on helppo asentaa paikalleen ja ottaa tarpeen mukaan myös pois.
4. Siipien kiinnityksessä siipien kiinnityksen etuosa menee kolmion päällä ja loppuosa rungon päälle. Siivet kiinnitetään esimerkiksi rautalangalla moottoriin, joka liikuttaa niitä sähkön avulla.

1. Säästöpossun kaikki toiminnot tulee koodata omaksi ohjelmakseen. Koodaus tehdään Micro:bitin omassa koodausohjelmassa. Koodausohjelmaa on helppo käyttää suomenkielisenä ja englanninkielisenä. Koodauksen alussa tulee ottaa huomioon micro:bitin käskypohja. Tässä tuotteessa käytämme Micro:bit v2 mikrokontrolleria.
2. Possu on koodattu sanomaan "Hello" ja sen näytölle on koodattu rakentumaan hymynaama asteittain sen käynnistyessään. Kun kolikko tiputetaan säästöpossuun, on possu koodattu hihittämään, siivet heilumaan ja microbitin näytölle rakentuvan sydän.
3. Koodi on rakennettu valmiin esimerkkityön koodin pohjalta, seuraavasta linkistä: https://makecode.microbit.org/_8z3V1eJav6jb. Koodia voi helposti lyhentää tai pidentää ja muokata oman mielen mukaan.
4. Kun koodi on rakennettu, se on helppo ladata microbitille usb-portin avulla. Muista testata koodi, ennen elektroniikan rakentamista, jotta se varmasti toimii haluamallasi tavalla ja haluamallasi kytkennöillä ja toiminnoilla.

1. Kun ohjelma on rakennettu microbitin avulla lähdetään liitäntöjä rakentamaan ja kiinnittämään possuun, jotta toiminnot saadaan toteutettua. Itse microbit sijoitetaan säästölippaan elektroniikkapuolelle niin, että microbitin näyttö näkyy pleksin läpi. Microbitistä tulee vetää liitännät siipiä heiluttavaan moottoriin sekä kolikon tipahtamista valvoviin sensoreihin eli kupariteippiin. Lisäksi paristopidike on kytketty microbitiin.
2. Kolikkosensorit muodostetaan liimattavasta kupariteipistä, joka kiinnitetään kulkemaan possun säästölippaan sisäosaa pitkin kolikkoreiästä (sekä sisä, että ulkopuolelta) seiniä pitkin. Kupariteippiin liitetään microbit juotetuilla hyppyjohdoilla. Hyppyjohdot kiinnitetään microbitiin.
3. Moottorin toiminta kannattaa testata ennen sen kiinnittämistä, jotta se toimii ja jotta se kykenee liikuttamaan siipiä. Moottori kiinnitetään Microbitiin.

Halutessasi voit vapaasti pintakäsitellä säästöpossun monin eri tavoin. Vanerin voi maalata, siihen voi liittää erilaisia kuvataiteen osa-alueita ja tehdä lisäkoristeita tai lisäosia.

Vaihtoehtoja pintakäsittelyyn ovat esimerkiksi:

1. maalaaminen
2. lakkaaminen
3. koristelu esim. kankailla tai langoilla

Tuote on valmis, kun siinä on toteutettu haluamalla tavalla lasertyöstöllä possun vartalo esimerkiksi vanerista; 3D-tulostus haluamalla tavalla esimerkiksi siivillä ja kiinnitysmekanismeilla tai esimerkiksi porsaan saparona; koodaus ja liitännät omaan taitotasoon sopivalla tavalla ja toimivana kokonaisuutena esimerkisi siipiä heiluttaen, ääniä ja musiikkia päästäen tai microbitin näytöllä tekstiä ja/tai kuvioita tuottaen. Porsaan tulisi reagoida siihen, että sen sisään pudotetaan kolikko.

Itsearviointiin sopivia apukysymyksiä:

1. Miten omasta mielestäsi onnistuit eri osa-alueissa (lasertyöstö, 3D-tulostus, koodaus,liitännät, rakentaminen)?
2. Mikä oli haastavaa?
3. Missä kaipaat vielä harjoitusta?
4. Minkä aihealueen opit erinomaisesti?
5. Mikä prosessissa oli mukavinta?
6. Mitä tekisit toisin?

Vertaisarviointiin sopivia apukysymyksiä:

1. Toimiiko tuote?
2. Miten siinä on onnistuttu eri osa-alueissa (lasertyöstö, 3D-tulostus, koodaus,liitännät, rakentaminen)?
3. Mikä on erityisen hienoa?
4. Kaipaako joku kohta vielä muokkausta?