Guía de impresión 3D en la educación

La impresión 3D es un medio para que los docentes estimulen una participación más activa en el proceso de aprendizaje, desde los centros de educación primaria y secundaria hasta los programas universitarios de posgrado. Aunque abundan los estudios de investigación sobre distintos estilos de aprendizaje y la eficacia de diversos métodos de enseñanza, una gran parte de la educación tradicional sigue basándose en la memorización de material de lectura. La impresión 3D ofrece a los estudiantes una conexión real a la materia de estudio permitiéndoles manipular físicamente material educativo impreso o diseñar herramientas ellos mismos. 

Este aspecto práctico de la impresión 3D en el aula ayuda a mejorar el interés y la participación, especialmente entre los estudiantes de primaria y secundario. Para poner en práctica esta teoría, Formlabs se asoció con TechBoston Academy, un instituto público de Dorchester, Massachusetts, que se centra principalmente en la educación tecnológica. A lo largo de un programa de 13 semanas, los empleados de Formlabs impartieron clases y guiaron a los estudiantes en un curso basado en proyectos que culminó en una hackathon en la que diseñaron, modelaron e imprimieron en 3D una herramienta. Los estudiantes pudieron resolver problemas y usar sus capacidades de CAD para desarrollar una solución, para después hacer realidad sus ideas con las impresoras 3D de Formlabs. Un estudiante dijo que el aspecto que más disfrutó "fue la capacidad de convertir objetos que existen dentro de mi mente en objetos físicos que puedo sostener o tocar".

Estos tipos de interacciones en persona son esenciales para el desarrollo de los jóvenes. Sin embargo, en el entorno educativo actual, la educación cara a cara no siempre es posible. La impresión 3D garantiza que cada estudiante tenga acceso a las herramientas prácticas que necesita y da a los profesores el poder de cambiar esas herramientas o imprimir más si es necesario.  "Nuestro programa es muy físico. Necesitamos máquinas, herramientas de construcción y cortadoras láser. Por eso, una de las desgracias de la pandemia fue que no podíamos realizar mucho modelado físico ni crear objectos físicos", afirma Michael Silver, catedrático de arquitectura en la Universidad de Kentucky.  Gracias a su experiencia anterior con las impresoras 3D de Formlabs en los laboratorios de la universidad, Silver se llevó a casa una Form 2, pidió a los estudiantes que le enviaran sus archivos STL e imprimió sus modelos para examinarlos en la evaluación final de la clase. "Pudimos seguir haciendo objetos físicos durante la cuarentena. La impresión 3D nos dio la capacidad de seguir creando prototipos físicos durante la cuarentena y solo teníamos que vernos mediante Zoom y hacer el aprendizaje a distancia", dijo Silver. 

Estudiar odontología es caro en cualquier país. Parte de ese coste se debe a las herramientas especializadas que los estudiantes deben aprender a usar. La Dra. Gülşah Uslu, instructora en la facultad de odontología de la Universidad Çanakkale Onsekiz Mart en Turquía, empezó a utilizar impresoras 3D como un modo de reducir costes y obtener un juego de herramientas para todos los estudiantes, en vez de pedirles que las compartan.

Normalmente, los estudiantes de odontología pasan por un programa de formación práctica antes de tratar a su primer paciente bajo supervisión en la clínica. Esta formación se realiza con modelos anatómicos artificiales o con dientes extraídos, que son ambos caros y difíciles de conseguir. La Dra. Uslu recurrió a la impresión 3D para producir más de 13 000 modelos de dientes artificiales realistas para que cada estudiante pudiera continuar su formación práctica sin interrupciones y sin tener que depender de módulos de aprendizaje digitales o compartir con compañeros. La Dr. Uslu pudo mantener su alto nivel de enseñanza y los estudiantes pudieron centrarse en herramientas de enseñanza personalizadas, aumentando su retención del conocimiento y su participación.

El aprendizaje práctico es un principio importante del programa de Morrison Tech, que colabora con líderes de la industria local para ofrecer un programa práctico basado en la experiencia. El presidente de Morrison Tech, Chris Scott, ve la impresión 3D como una forma de acelerar el proceso de fabricación típico que beneficia tanto a los estudiantes que están aprendiendo ahora en sus clases cómo imprimir en 3D como a las empresas de las que formarán parte algún día. "[Con la impresión 3D] podemos ver las cosas con mucha más claridad e indicar dónde puede haber problemas o qué puede no funcionar o no ser del agrado de los consumidores", dijo Scott. "Una meta secundaria es lanzar los productos al mercado de forma más rápida y más agresiva, y creo que ese es el aspecto en el que la fabricación aditiva realmente empieza a brillar. Podemos acortar ese ciclo de diseño".

Tal y como lo percibe Scott, el aprendizaje práctico mediante la impresión 3D ayuda a los estudiantes a identificar problemas con las cosas en las que trabajan con mucha más rapidez que trabajar únicamente en un medio digital. La impresión 3D lleva años integrada en el programa académico de Morrison Tech y ha beneficiado a los estudiantes no solo acelerando su aprendizaje, sino también preparándolos para trabajos en el sector de la fabricación a través de las muchas colaboraciones de Morrison Tech con gigantes de la zona como Wahl Clippers, John Deere y Caterpillar.

Programas con el de Morrison Tech se asocian con los líderes locales de la industria para crear oportunidades de mentorías y prácticas. Este tipo de relaciones entre las universidades y sus ciudades son excelentes para los estudiantes que desean obtener referencias, experiencia práctica y habilidades de resolución de problemas en el mundo real. La impresión 3D se está convirtiendo en una parte cada vez más importante de esa experiencia práctica, a medida que los fabricantes expanden sus operaciones de tecnología 3D y buscan empleados cualificados.

La impresión 3D ofrece a los estudiantes un modo accesible de realizar una contribución importante a su lugar trabajo durante sus prácticas y en puestos de trabajo para principiantes. Los métodos de fabricación tradicional dependen de equipamiento caro y procesos de trabajo estructurados, por lo que los estudiantes quedaban relegados a observar la estructura o recibían tareas de poca importancia. Con la impresión 3D, los estudiantes pueden afrontar tareas con responsabilidad y aprovechar sus capacidades de CAD para diseñar una idea de producto o una pieza de reparación, algo para lo que los trabajadores habituales podrían no tener el tiempo o los conocimientos previos necesarios. Los estudiantes ganan experiencia y habilidades útiles, mientras que las empresas obtienen nuevas perspectivas y soluciones prácticas sin ningún coste.

Y las grandes empresas no son las únicas que pueden beneficiarse. Los estudiantes del Centro de Innovación de la Universidad Estatal de Pensilvania colaboran con startups locales y pequeños fabricantes para imprimir en 3D bajos volúmenes de piezas de uso final. Un proyecto hizo que los estudiantes imprimieran pequeños aparatos para un propietario de una empresa local que no podía permitirse hacer una herramienta para un volumen tan pequeño. Los estudiantes pudieron enfrentarse a un problema de presupuesto real y pensar en una solución de impresión 3D: reemplazar un proceso de moldeo por inyección por piezas impresas directamente en 3D. El director del Centro de Innovación, Ryan Mandell, nos dijo: "El propietario de un negocio local quería imprimir 20 piezas de plástico, así que miramos el catálogo de materiales de Formlabs, encontramos uno que cuadraba y determinamos que era posible hacer 20 aparatos de plástico en una única impresión con la Form 3L. Las empresas de moldeo por inyección los habían rechazado porque 20 piezas era un número demasiado pequeño, así que era el caso de uso perfecto de impresión 3D". Los estudiantes del centro pudieron proporcionar asesoría útil y servicios de fabricación a este negocio local, ayudando a la comunidad y potenciando su currículum.

En el Yavapai College, Matthew Mintzmyer, director de ciencia aeroespacial, impresión 3D y fabricación, prepara a los estudiantes para trabajar en cualquier sector. Sus graduados recientes encontraron empleo en la medicina dental, en la fabricación de atrezo para la serie de televisión The Mandalorian y en la arquitectura, entre muchos otros sectores. "Hay muchas aplicaciones para la tecnología. Quien no aplica la impresión 3D en la educación se está quedando atrás. Enseña pensamiento crítico, matemáticas, creatividad... de todo. No hacen falta 100 000 $ para empezar, estas impresoras son asequibles", dice Mintzmyer. 

Mintzmyer aprovecha sus impresoras 3D para mejorar la experiencia de los estudiantes de Yavapai, pero también crea oportunidades en la industria. COBOD, una empresa de impresión 3D en la construcción con hormigón, envía a todos los técnicos nuevos a Yavapai para que aprendan a cuidar, utilizar y realizar el mantenimiento de grandes impresoras 3D industriales de hormigón. Esta oportunidad de negocio para Yavapai se debe exclusivamente a la inversión y adopción temprana que realizó de la impresión 3D. Usa impresoras 3D SLA y SLS de Formlabs para imprimir prototipos, sujeciones con guía, piezas de uso final y reparaciones para diversas piezas de otras impresoras 3D. Los estudiantes de Yavapai ven de primera mano lo que hace falta tener una carrera lucrativa en un sector en crecimiento, y también participan en los programas de formación junto con los ingenieros de COBOD.

Unas disciplinas diferentes nunca han estado tan interconectadas. Con el auge de la digitalización, los elementos tradicionalmente separados del ciclo de vida de un producto, como la ideación y la fabricación, tienen más puntos en común. La impresión 3D es un factor importante en esto: acelera las etapas del ciclo de vida del producto hasta tal punto que toda la evolución se puede optimizar. Las disciplinas se mezclan la una con la otra y se mejoran entre sí. Este tipo de colaboración dentro de una empresa, también es evidente en el makerspace de las instituciones educativos y los laboratorios de fabricación. 

El Westphal College de Arte y Diseño Multimedia de la Universidad Drexel ofrece programas a los estudiantes que deseen dedicarse a sectores como la animación, la moda y la realidad virtual, y su céntrico Laboratorio de Fabricación Híbrida ofrece oportunidades para todos los tipos de proyecto. El director del Laboratorio de Fabricación Erik Sundquist nos dijo: "Los estudiantes la usan para todo: modelos arquitectónicos, diseño de moda, accesorios, herramientas para prendas de vestir... tenemos algunos estudiantes interesados en fabricar tejidos articulados completamente impresos en 3D.

Un trabajo de fin de grado sobre diseño de productos (izquierda) y los huesos de pez escaneados e impresos en 3D de una clase de escultura (derecha) en el Laboratorio de Fabricación Híbrida de Drexel (fotos cedidas por el Laboratorio de Fabricación Híbrida de Drexel).

Sundquist prepara el espacio para que sus alumnos reciban formación y después dirijan el espacio ellos mismos y sean responsables de enseñar a otros alumnos, independientemente de si el proyecto pertenece a una disciplina distinta a la suya. "De esa forma es más democrático y mejor para el aprendizaje interdisciplinario", afirma Sundquist. Ve a los estudiantes de moda pidiendo ayuda a los estudiantes de ingeniería y diseño de productos para articular piezas, y viceversa. El céntrico laboratorio es perfecto para que los estudiantes colaboren, compartan ideas e intercambien conocimientos, y la impresión 3D es el ímpetu que hay detrás de este tipo de sesiones improvisadas de brainstorming. Un estudiante de moda puede tener una perspectiva general, como un vestido de cota de malla, pero también necesitar la ayuda de un estudiante de ingeniería para diseñar las tolerancias entre cada anillo de la malla o para elegir la tecnología adecuada para una estructura de impresión sin soportes.

La impresión 3D puede impulsar a los estudiantes a probar nuevos clubes o asociaciones y llevar sus capacidades del aula a una aplicación nueva. Los estudiantes de la Universidad Técnica de Berlín utilizan la impresión 3D para desarrollar coches de carreras de alto rendimiento para la competición de Formula Student. Estos coches tienen que ser duraderos, resistentes a temperaturas elevadas y a los impactos, y extremadamente ligeros. El equipo de la Universidad Técnica de Berlín, que con frecuencia está formado por hasta 90 estudiantes, utiliza impresoras SLA de Formlabs para procesos de moldeo de fibra de carbono y piezas de uso final. 

Un molde (imagen de la izquierda, mano izquierda) utilizado para moldear una carcasa de volante de fibra de carbono (imagen de la izquierda, mano derecha) y un prototipo de un soporte complejo optimizado topológicamente (imagen de la derecha), ambos impresos en una impresora 3D SLA Form 3.

El acceso a impresas 3D precisas, fiables y fáciles de usar ha permitido al equipo de la Universidad Técnica de Berlín expandir su producción: produce anualmente tres coches, desde el diseño a la pista, en un año académico. Esta tecnología ha permitido a un equipo de jóvenes estudiantes trabajar en algo que les apasiona y crear no solo uno, sino tres productos de alto rendimiento en un contexto internacional cada año. Las habilidades que desarrollan y la sensación que tienen de propiedad y empoderamiento no les parece posible si hubieran tenido que externalizar gran parte de su trabajo o depender de supervisores para utilizar máquinas más caras. La asequibilidad y la accesibilidad de las impresoras 3D de Formlabs potencian su creatividad y productividad.

Es posible que las impresoras 3D FDM sean todavía el tipo de impresora 3D más extendido en la educación. Construyen piezas al derretir y extrudir un filamento termoplástico que un extrusor deposita capa por capa en el área de impresión. Sus ventajas están en su escalabilidad y asequibilidad, así como en la naturaleza sencilla de la tecnología, que la convierte en un concepto fácil de entender para los niños que están aprendiendo a diseñar en CAD.

Aunque los fabricantes crean impresoras FDM caras que pueden costar más de 50 000 $, la mayoría de las unidades que utilizan los docentes cuestan entre 1000 $ y 4000 $. Las impresoras FDM pueden producir piezas con rapidez y mediante un proceso visual intuitivo, lo que las convierte en un buen primer paso en la impresión 3D para los estudiantes más jóvenes. Sin embargo, cuando los estudiantes empiezan a diseñar piezas funcionales y conjuntos de varias piezas, que la calidad del acabado de la superficie y la precisión sean inferiores comienza a ser un problema. La menor calidad de la superficie y la gama más restringida de materiales también supone que las aplicaciones para las que se puede usar el FDM son limitadas, especialmente en el ámbito de la investigación o la educación superior. Las impresoras 3D son una pieza del rompecabezas que es la impresión 3D y un excelente punto de partida, pero se debería enseñar junto con otros tipos más avanzados de impresión 3D.

Al principio, los docentes tardaron en adoptar las impresoras 3D SLA tradicionales, cuando sus precios las mantenían fuera del alcance del presupuesto típico de una escuela. Después, a medida que las impresoras 3D SLA de escritorio como la Form 2 y la Form 3 hicieron accesible la tecnología y demostraron su fiabilidad y calidad profesional, se han convertido en herramientas de confianza en el arsenal de cualquier docente. 

Para los laboratorios de investigación, la variedad de materiales de alto rendimiento hace que se pueda añadir una impresora a un proyecto específico y usarla una y otra vez a medida que aparezcan proyectos nuevos, simplemente cambiando al material que sea más apropiado para la aplicación en cuestión: componentes hidráulicos de alta temperatura, andamios celulares biocompatibles y transparentes, fijaciones y carcasas resistentes a los impactos, etc. En áreas abiertas como los laboratorios de fabricación o los makerspaces, la variedad de materiales sigue destacando, junto con el gran volumen de impresión posible en la Form 3L. Los proyectos de varios estudiantes pueden caber en un volumen de impresión del mismo material, para después cambiarlos por un nuevo grupo de proyectos de estudiantes con un nuevo material. La manipulación de la resina y el sistema de cartuchos optimiza el mantenimiento y el uso.

La impresión 3D SLS ha sido tradicionalmente la más cara de las tres tecnologías de impresión 3D de plásticos. Las impresoras 3D SLS, como la serie Fuse de Formlabs, crean prototipos funcionales y piezas de uso final duraderas con propiedades mecánicas de alto rendimiento. La tecnología utiliza un láser de alta potencia para sinterizar selectivamente pequeñas partículas de polvo siguiendo la forma de una sección transversal del archivo deseado y a continuación repite el proceso capa a capa, construyendo la pieza mientras que cada capa recibe el soporte del lecho de polvo circundante.

Antes de la serie Fuse, las impresoras 3D SLS cuestan como mínimo 200 000 $ y a menudo mucho más, dejándolas fuera del alcance de los presupuestos de la mayoría de las universidades. Algunos programas de ingeniería y fabricación pudieron obtener subvenciones para adquirir estas unidades, pero la gran superficie que ocupan, su proceso de trabajo complejo y la infraestructura cara que requieren supone que muy pocos estudiantes tuvieron la oportunidad de usarlas.

Con el lanzamiento de la Fuse 1 en 2020, los docentes de todos los niveles por fin pudieron incorporar el SLS de calidad industrial en sus instalaciones, dando a sus estudiantes la oportunidad de crear piezas de uso final para usos en el mundo real y aportándoles experiencia con la impresión 3D de lecho de polvo. El capitán Baker del Makerspace de la USNA hace que los estudiantes utilicen la impresora 3D SLS Fuse 1 antes de pasar a la tecnología de impresión 3D del metal, en la que los errores son mucho más costosos y más comunes. En el Laboratorio Oceanográfico y Meteorológico del Atlántico (AOML) de la NOAA, que trabaja en colaboración con el Instituto Cooperativo de Estudios Marinos y Atmosféricos (CIMAS) de la Universidad de Miami, la impresora SLS Fuse 1 se utiliza para imprimir carcasas subacuáticas resistentes para equipamiento de toma de muestras de coral.         

Los laboratorios de investigación varían mucho en cuanto a su alcance, tamaño y materia de estudio, pero al estar todos dedicados a impulsar el progreso científico, tecnologías de vanguardia como la impresión 3D han estado en ellos desde hace años. En el Laboratorio de Nanotecnología de la Universidad de Hawái, un estudiante se encarga del uso y el mantenimiento de las impresoras SLA Form 3 y Form 3L que ayudan a los estudiantes de grado, posgrado y doctorado a crear materiales de investigación. El mayor uso que se le da a las impresoras en el laboratorio es fabricar moldes de compactación desechables para nanomateriales cerámicos de alto rendimiento.

"Necesitábamos una solución que nos permitiera prototipar y fabricar moldes muy rápidamente, con una buena integridad estructural y un acabado de la superficie liso. Teníamos la Form 3 y estábamos muy contentos con ella, porque tiene el mayor catálogo de materiales con los que imprimir. En lo que respecta a la Form 3L, queríamos su gran formato para moldes cerámicos grandes", nos dijo el estudiante. 

En la Facultad de Farmacia del University College de Londres, las impresoras se utilizan para generar herramientas de visualización de elementos anatómicos. Por ejemplo, se utiliza un modelo de un tracto gastrointestinal para ayudar a los estudiantes a entender cómo los alimentos (y los medicamentos) se procesan y pasan por el cuerpo, lo que les ayuda a entender cómo medicar a los pacientes de forma segura. La precisión de las impresoras de Formlabs permiten a los investigadores crear modelos realistas de sistemas extremadamente complejos del organismo. "Utiliza la impresora 3D de Formlabs para imprimir moldes para productos sanitarios destinados a un proyecto de terapia ventilatoria", dijo Zaid Muwaffak Hassan, un estudiante de ciencias en el Laboratorio Hilton del University College de Londres. "Es muy fácil de usar, muy precisa y tiene un gran nivel de detalle".

En las Ciencias de la Vida, la precisión y la fidelidad al original pueden marcar la diferencia para estos estudiantes. Sus proyectos son aparatos y prácticas que realmente están destinados a salvar vidas. Contar con herramientas precisas que representen adecuadamente el cuerpo o tener la biocompatibilidad necesaria para un contacto con la piel o membranas mucosas es esencial para su éxito, y por lo tanto, para la salud de sus pacientes.

Los makerspaces y los laboratorios de fabricación suelen estar abiertos para grandes y diversos grupos de estudiantes, y algunos también abren sus puertas a la comunidad que los rodea, a catedráticos o a programas locales de educación primaria y secundaria. Es por el carácter impredecible de su uso y sus usuarios que planificar con antelación y elaborar un presupuesto es difícil para los directores de los makerspaces. Incluso cuando solo están disponibles para estudiantes universitarios, su época más ajetreada puede limitarse al final del semestre, cuando hay que entregar los proyectos finales. Por eso, las impresoras 3D para los makerspaces han sido tradicionalmente una cuestión de cantidad más que de calidad; los directores deben asegurarse de que cuando llegue la avalancha de usuarios, puedan utilizar una impresora 3D con el mínimo de supervisión, planificación o formación. 

Durante muchos años, esto ha hecho que las grandes instalaciones de impresoras FDM sean la principal (o a veces la única) tecnología disponible en los makerspaces. Sin embargo, en los últimos cinco años, impresoras 3D como la Form 3+, la Form 3B+, la Form 3L y la serie Fuse hayan ganado popularidad por varios motivos.

El catálogo de impresoras de Formlabs combina la potencia industrial y la precisión de las impresoras 3D caras con la facilidad de uso y la asequibilidad de las máquinas básicas. Además, el diverso abanico de materiales disponibles hace que un makerspace pueda ofrecer una impresora con múltiples materiales adecuados para la ingeniería, el diseño de productos, la joyería, la moda, la ciencia de los materiales o los estudiantes de fabricación. El proceso de trabajo intuitivo permite a los estudiantes aprender rápidamente el conocimiento necesario para usar las impresoras y la fiabilidad de los motores de impresión SLA y SLS garantiza que sea necesario muy poco mantenimiento o supervisión.

En el MakerSpaceUSNA de la Academia Naval de los Estados Unidos, todos los estudiantes, independientemente de sus estudios, están expuestos a las tecnologías FDM, SLA y SLS. El director de este makerspace, el capitán Brad Baker, ha hecho crecer su parque de máquinas de Formlabs con los años, señalando la fiabilidad y la uniformidad de los resultados de las máquinas como motivos importantes detrás de su inversión. "El índice de fracaso de nuestras impresoras SLA es extraordinariamente bajo. Yo les digo [a los estudiantes] que si eso les impresiona, que esperen a llegar al SLS. En las impresoras SLS (la serie Fuse), el índice es casi cero. Prácticamente ningún fracaso, las propiedades de los materiales son buenas y la precisión es muy buena", dice Baker.

Aunque muchas universidades incluyen clases empresariales en finanzas o gestión como parte del programa típico de una escuela de negocios, menos de ellas ofrecen a los estudiantes apoyo para el diseño y desarrollo de productos de hardware fuera el trabajo previsto en el programa educativo. Recientemente, algunas escuelas han destacado por proporcionar un amplio apoyo y recursos a pequeñas empresas, especialmente a los emprendedores en el campo de diseño de productos y hardware. 

En la Universidad de Columbia Británica de Vancouver, en Canadá, HATCH Venture Builder es un instituto colaborativo que da apoyo a equipos de estudiantes mediante equipos de asesoría, espacio para oficinas, laboratorios de prácticas y un makerspace de vanguardia. El HATCH ofrece impresoras 3D como la Form 3 y un abanico de materiales, así como consejos y mentorías en diseño de productos y estrategias de lanzamiento al mercado. Utilizan las impresoras 3D profesionales de Formlabs para ayudar a los miembros de la incubadora a presentar un prototipo funcional o una pieza de uso final de alta calidad a potenciales inversores y fabricantes. En la Universidad Estatal de Pensilvania, Mandell y el Centro de Innovación se esfuerzan en proporcionar "acceso a las mejores herramientas posibles para que personas y grupos desarrollen una prueba de concepto potente con la que generar inversiones en su idea".