L'impression 3D dans l'éducation

L'impression 3D, ou fabrication additive, est une technique de production qui crée un objet tridimensionnel à partir d'un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO). Le terme recouvre plusieurs processus différents dans lesquels un ou plusieurs matériaux - généralement du plastique, du métal, de la cire ou un composite - sont déposés couche par couche pour construire une forme.

L'ensemble du processus est contrôlé par un ordinateur, ce qui fait de l'impression 3D une méthode rentable, efficace et précise pour créer des objets de n'importe quelle géométrie ou complexité. Aujourd'hui, l'impression 3D est utilisée dans toutes les industries pour produire des prototypes, des outils et des gabarits, des composants et des pièces d'utilisation finale.

Les imprimantes 3D existent en différentes tailles, de la plus petite pour tenir sur une paillasse aux machines industrielles de grand format.

Les grandes imprimantes peuvent produire des objets plus grands, mais elles prennent plus de place et coûtent beaucoup plus cher que les imprimantes de table. Réussir une impression est également plus complexe sur une imprimante grand format en raison du volume de matériau et du temps d'impression nécessaires.

L'impression 3D présente de nombreux avantages dans le domaine de l'éducation :  

Aider à maintenir l'intérêt des élèves
Simplifier les sujets et les concepts complexes
Donner vie aux idées théoriques
Encourager la collaboration
Initier les élèves aux processus de fabrication modernes
Préparer les élèves à leur futur lieu de travail et à leur carrière.
Produire des supports pédagogiques abordables et entièrement personnalisables
En quelques décennies seulement, les ordinateurs ont radicalement transformé l'expérience de l'enseignement et de l'apprentissage. L'impression 3D dans l'éducation aura un impact tout aussi profond et positif, mais dans un délai beaucoup plus court.

L'impression 3D est devenue un outil essentiel pour améliorer le processus d'apprentissage des écoliers, des apprentis, des étudiants, des chercheurs et des enseignants. La technologie affine les compétences créatives et pratiques, donne vie aux concepts et aux théories et offre un environnement d'apprentissage actif.

Grâce à l'impression 3D, les apprenants ont la liberté de concevoir, de penser, de créer et de s'engager dans le monde d'une manière nouvelle et significative. En outre, l'excitation et l'intérêt qui entourent l'impression 3D stimulent l'engagement des apprenants, en particulier ceux qui préfèrent les expériences pratiques.

L'impression 3D permet aux élèves de tous niveaux de produire des objets uniques et très complexes qu'il serait difficile, voire impossible, de fabriquer autrement. Qui plus est, ces conceptions peuvent être réalisées rapidement, facilement et personnalisées. Un autre avantage est la possibilité de se familiariser avec une technologie utilisée dans un large éventail de secteurs et de professions.

Plusieurs facteurs expliquent la croissance rapide de l'impression 3D dans l'enseignement, comme une meilleure appréciation de la technologie et de ses avantages, ainsi qu'une base de données en constante expansion de ressources et de guides pédagogiques en libre accès. Les imprimantes 3D sont également devenues plus accessibles et plus abordables, ainsi que plus intuitives et plus faciles à utiliser, ce qui est important pour les utilisateurs novices et les jeunes.  

Si l'impression 3D dans l'enseignement s'est d'abord concentrée sur les cours de sciences, de technologie et d'art, la technologie est de plus en plus utilisée dans presque toutes les matières, de l'histoire et des mathématiques à la géographie et au théâtre. Les imprimantes sont également devenues monnaie courante dans les laboratoires de recherche universitaires, les centres de formation professionnelle, les clubs parascolaires et les bibliothèques.

Pourtant, l'utilisation de l'impression 3D dans l'enseignement est loin d'être omniprésente. Toutes les écoles ou tous les prestataires de services éducatifs n'en possèdent pas, et ceux qui en possèdent une ont tendance à l'utiliser pour un nombre limité d'applications. Cette situation pourrait changer à mesure que la technologie devient plus abordable et que davantage de personnes prennent conscience de ses avantages et les comprennent.

L'essor des plateformes de fabrication à la demande et des espaces communautaires de fabrication, dont beaucoup proposent des services d'impression 3D, pourrait être une option pour les écoles qui ne sont pas en mesure d'acheter et de gérer leur propre parc d'imprimantes. Les fabricants et distributeurs d'imprimantes 3D proposent également des réductions sur les équipements à des fins éducatives, ainsi que des guides pédagogiques, du matériel et des plans de cours gratuits.

L'impression 3D dans l'enseignement permet de développer un large éventail de compétences, à la fois directement et indirectement, à tous les niveaux d'apprentissage. Les plus courantes sont

• La conception et la créativité
• Connaissance de l'informatique, en particulier des outils de conception numérique
• Résolution de problèmes
• la modélisation 3D
• Pensée critique et recherche
• Travail d'équipe et communication
• STEM (science, technologie, ingénierie, mathématiques)
• Persistance et amélioration itérative
• Visualisation et conscience spatiale 
• Esprit d'entreprise  

Presque tous les enseignants utilisent une forme d'aide physique à l'apprentissage en classe. Il peut s'agir de simples diagrammes et modèles, d'expériences à grande échelle ou d'accessoires permettant de donner vie à un livre de contes.

Selon une étude de l'université technologique du Michigan, l'impression 3D d'aides pédagogiques à code source ouvert, plutôt que leur achat auprès de détaillants tels qu'Amazon, pourrait permettre aux enseignants de réaliser des économies allant jusqu'à 86 %. 

L'étude a évalué plusieurs exemples d'aides pédagogiques, allant d'une horloge et d'un puzzle du tableau périodique à des modèles du Colisée et de la Grande Muraille de Chine. Les chercheurs ont analysé la fonctionnalité, les rapports de masse, la sécurité et la consommation d'énergie, ainsi que les coûts d'impression et d'assemblage, afin de déterminer un coût d'impression en dollars par kilogramme.

Cette étude a également démontré que les enseignants du monde entier adoptent l'impression 3D dans l'enseignement. Les résultats montrent que l'aide pédagogique moyenne évaluée dans l'étude a été téléchargée plus de 1 500 fois et vraisemblablement imprimée autant de fois.

Les chercheurs ont conclu que l'impression 3D dans l'éducation permet non seulement aux écoles d'économiser de l'argent, mais aussi d'obtenir un retour sur investissement de plus de 100 %. Selon l'un des membres de l'équipe de recherche, "il est clair que l'impression 3D de diverses aides pédagogiques permet de réaliser des économies élevées dans la salle de classe et dans l'école, dans presque tous les contextes."

Les applications de l'impression 3D dans l'éducation sont illimitées ; la seule limite est l'imagination des enseignants et des étudiants. Voici quelques-unes des utilisations les plus courantes :

L'ENSEIGNEMENT DU SIDA
Les imprimantes 3D peuvent créer des modèles ultra-réalistes et précis de presque tout, qu'il s'agisse d'objets passés ou présents ou de modèles illustrant des principes scientifiques ou mathématiques. Parmi les exemples, citons les planètes, les squelettes, les véhicules, les bâtiments, les artefacts historiques et une vis d'Archimède.

Ces modèles aident les enseignants à mieux expliquer ce qu'est une chose, comment elle fonctionne et comment elle interagit dans le monde réel. Le fait de pouvoir tenir, inspecter et manipuler un objet offre aux élèves une expérience pédagogique plus riche et plus interactive qu'un diagramme ou une photographie.

JEUX
La recherche montre que l'utilisation de jeux dans l'enseignement permet d'accroître la participation des élèves, de renforcer l'apprentissage et de développer des compétences sociales telles que la collaboration et la communication. Il existe de nombreux exemples de puzzles éducatifs imprimés en 3D. Ils vont d'outils simples, tels que des puzzles et des jeux pour enseigner les fractions et les décimales, à des ensembles complexes de construction de ponts.  

CONCEPTION DE PRODUITS
Pendant longtemps, les étudiants n'ont été capables de répondre aux tâches que de manière théorique. Dans les études commerciales, par exemple, on demande souvent aux élèves d'identifier un besoin et de concevoir un produit qui y réponde. Le produit est rarement fabriqué - du moins pas dans sa forme finale et commercialisable. L'impression 3D change tout cela.

Les étudiants peuvent désormais concevoir, tester, affiner et créer un produit fini et fonctionnel qui peut être lancé et vendu. Les lots de produits peuvent être fabriqués rapidement, à moindre coût, localement et en petit nombre. Ils peuvent également être personnalisés et modifiés individuellement en fonction des réactions du marché. De plus en plus d'entreprises ont leurs racines dans des projets de classe, l'impression 3D étant un élément clé pour nombre d'entre elles.    

OTH Regensburg (OTH) est l'une des plus grandes universités techniques du sud de l'Allemagne et propose plus de 45 programmes diplômants à 11 000 étudiants. OTH abrite également le Sensorik-Applikationszentrum (SappZ), un centre où les étudiants utilisent la recherche appliquée et l'ingénierie, en combinaison avec l'impression 3D, pour développer des applications de capteurs pour les industries automobile, médicale, industrielle, électronique et mécanique.

Le SappZ est une interface cruciale entre les activités de recherche de l'université et le monde des affaires et de l'industrie. Il s'agit d'un centre d'innovation où les concepts deviennent des réalités. L'impression 3D a eu un impact profond sur le centre en raison de sa vitesse, de sa précision et de ses capacités multi-matériaux.

L'impression 3D a transformé la façon dont les étudiants conçoivent et produisent des objets d'une précision et d'une fonctionnalité supérieures. Les étudiants et les chercheurs du SappZ utilisent la technologie PolyJet du fournisseur de solutions d'impression 3D Stratasys. PolyJet offre une grande variété de matériaux, ce qui a ouvert un large éventail d'applications pour les étudiants.

Le centre imprime généralement en 3D des pièces fonctionnelles, petites et grandes, aux géométries très complexes et précises. Il s'agit notamment de boîtiers de capteurs et de prototypes mécaniques, ainsi que de pièces pour leurs propres équipements de laboratoire et montages expérimentaux, et de projets menés avec d'autres départements.

L'accès à l'impression 3D a permis d'améliorer la qualité des projets des étudiants et, plus important encore, de changer leur mentalité. En supprimant les limites inhérentes aux techniques de fabrication traditionnelles, l'impression 3D permet aux étudiants de concevoir et de créer sans barrières. Qui sait quelles innovations cela permettra de réaliser à l'avenir ?

L'impression 3D dans l'éducation a un impact positif considérable sur l'expérience d'apprentissage. Cette technologie offre des possibilités de croissance presque illimitées pour tous les âges, tous les niveaux de compétence et toutes les matières.

Les améliorations de la qualité et des détails des objets imprimés (appelées résolution), la flexibilité et la facilité d'utilisation sont à l'origine d'innovations passionnantes. Pourtant, il existe des limites à l'utilisation de l'impression 3D dans l'éducation.

COÛT
Les personnes qui ne sont pas familiarisées avec cette technologie peuvent penser qu'il est trop coûteux d'introduire l'impression 3D dans une salle de classe. Pourtant, il existe des options d'impression abordables et certains fabricants de machines proposent des remises pour l'enseignement.

Les gouvernements reconnaissent également l'importance de l'impression 3D dans l'éducation et ont mis en place des programmes de financement pour aider les écoles à acheter des imprimantes et former les enseignants à les utiliser efficacement.

Cependant, l'impression 3D a un coût, à la fois initial pour les imprimantes elles-mêmes et récurrent pour le remplacement des consommables comme les matériaux d'impression et la maintenance de routine.

MANQUE DE FAMILIARITÉ
Bien qu'elle soit de plus en plus répandue, l'impression 3D dans l'enseignement n'est pas encore une pratique courante, surtout en dehors des collèges techniques et des universités. Les enseignants ne sont pas toujours conscients de la manière dont l'impression 3D peut améliorer et enrichir le programme scolaire ou de la facilité avec laquelle elle peut être intégrée aux cours.

Pour les écoles qui ont acheté une imprimante 3D, cette méconnaissance peut entraîner l'inutilisation de la machine. Pour celles qui ne l'ont pas fait, cela peut signifier que l'investissement n'a jamais été fait en premier lieu.   

En réponse à ce défi, de nombreux fabricants et distributeurs d'imprimantes proposent désormais des formations, des ressources et un soutien aux éducateurs pour intégrer avec succès l'impression 3D dans le programme scolaire.

CHOIX LIMITÉ DE MATÉRIAUX
L'impression 3D dans des matériaux de qualité supérieure ou plus lourds, tels que les métaux, les composites et les plastiques techniques, nécessite une grande imprimante sophistiquée. Ces machines spécialisées sont beaucoup plus coûteuses et compliquées à utiliser que les modèles de bureau. C'est pourquoi on ne les trouve actuellement que dans les établissements d'enseignement supérieur tels que les collèges, les universités et les centres de formation spécifiques à l'industrie.    

Les écoles primaires (élémentaires) et secondaires (lycées) et, de plus en plus, les bibliothèques et les espaces communautaires de fabrication sont généralement limités à des imprimantes 3D d'entrée de gamme. Ces machines n'impriment que dans certains plastiques, le plus souvent l'acide polylactique (PLA) et l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS).

On a découvert qu'un pingouin d'Afrique, espèce menacée d'extinction, de l'aquarium Mystic, dans le Connecticut, avait un tendon fléchisseur non fonctionnel à la cheville. Tout comme une blessure au talon d'Achille chez l'homme, une blessure au tendon fléchisseur d'un manchot entraîne des douleurs et des difficultés de mouvement.

Une fois la blessure identifiée, le personnel vétérinaire est intervenu en fabriquant une botte artisanale pour immobiliser, protéger et soutenir le pied endommagé. Pourtant, l'équipe de soins aux animaux savait que l'impression 3D serait plus durable, moins encombrante et nécessiterait moins de temps que la fabrication manuelle de la botte.

Le Mystic Aquarium a transmis cette idée à la Mystic Middle School, qui avait récemment acquis une imprimante 3D par l'intermédiaire d'ACT Group, un partenaire local du pionnier mondial de l'impression 3D, 3D Systems.

Travaillant en équipe, Mystic Aquarium, ACT Group et les élèves se sont réunis pour concevoir et imprimer en 3D une nouvelle botte pour le petit oiseau. Avec les conseils anatomiques du personnel vétérinaire du Mystic Aquarium et la formation technique d'ACT Group, les étudiants ont dirigé le processus de conception et de fabrication.

Ils ont commencé par scanner un moulage du pied du pingouin, puis ont utilisé un logiciel pour personnaliser le fichier avec des détails tels que des marches, des charnières et des fermetures. Une fois satisfait du design, il a été imprimé en 3D sur l'imprimante 3D ProJet multi-matériaux de 3D Systems.

Cette imprimante permet d'imprimer et de mélanger simultanément des matériaux souples et rigides pour obtenir une résistance et une élasticité personnalisées. La botte obtenue a atteint l'effet escompté en termes de durabilité, de poids et d'ajustement, permettant au pingouin de marcher et de nager comme le reste de ses congénères.