Guide de l'impression 3D dans l'enseignement

Des écoles primaires et secondaires aux programmes universitaires de troisième cycle, l'impression 3D est un moyen pour les enseignants d'encourager une participation plus active dans le processus d'apprentissage. Bien que les études abondent sur les différents styles d'apprentissage et l'efficacité des diverses méthodes d'enseignement, l'enseignement traditionnel repose encore en grande partie sur la mémorisation de textes. L'impression 3D offre aux étudiants un moyen de se connecter réellement à la matière étudiée en manipulant physiquement des aides pédagogiques prêtes à l'emploi ou en concevant eux-mêmes des outils. 

Pour les élèves de la maternelle jusqu'à la 12e année en particulier, cet aspect pratique de l'impression 3D en classe contribue à améliorer l'engagement et la participation. Pour mettre cette théorie en pratique, Formlabs s'est associé à la Tech Boston Academy, un lycée public de Dorchester dans le Massachusetts, qui se concentre principalement sur l'enseignement des technologies. Au cours d'un programme de 13 semaines, les employés de Formlabs ont donné des conférences et guidé les étudiants dans le cadre d'un cours dont le point culminant était un « hackathon », au cours duquel les étudiants ont conçu, modélisé et imprimé en 3D un outil. Les élèves ont pu résoudre des problèmes et utiliser leurs compétences en CAO pour élaborer une solution, puis concrétiser leurs idées grâce aux imprimantes 3D de Formlabs. Un étudiant nous a confié que l'aspect qu'il avait le plus apprécié « était la possibilité de passer d'un objet imaginé dans mon esprit à une chose réelle que je pouvais tenir ou toucher ».

Ces interactions en personne sont essentielless pour le développement des jeunes adultes. Mais dans l'environnement éducatif actuel, l'enseignement en face à face n'est pas toujours possible. L'impression 3D permet à chaque élève d'avoir accès aux outils pratiques dont il a besoin et donne aux enseignants la possibilité de changer ces outils ou d'en imprimer d'autres si nécessaire.« Notre programme est très axé sur la pratique. Nous avons besoin de machines, d'outils de construction et de découpeuses laser. L'une des conséquences de la pandémie a donc été que nous n'avons pas pu faire beaucoup de modélisations d'objets physiques », explique Michael Silver, professeur d'architecture à l'université du Kentucky. S'appuyant sur son expérience des imprimantes 3D Formlabs dans les laboratoires de l'université, M. Silver a ramené une Form 2 chez lui, a demandé aux étudiants de lui envoyer leurs fichiers STL et a imprimé leurs modèles pour en discuter lors de l'évaluation finale. « L'impression 3D nous a donné la possibilité de fabriquer des prototypes physiques pendant la quarantaine, alors que tout le monde ne se réunissait que sur Zoom », a déclaré M. Silver. 

Les études dentaires coûtent cher, quel que soit le pays où vous vous trouvez. Cela est notamment dû aux outils hautement spécialisés que les étudiants en médecine dentaire doivent assimiler. La Dre Gülşah Uslu, enseignante à l'école dentaire de l'université Canakkale Onsekiz Mart en Turquie, a commencé à utiliser des imprimantes 3D pour réduire les coûts et fournir des outils à chaque étudiant, plutôt que de leur demander de les partager.

En général, les étudiants en médecine dentaire suivent un programme de formation pratique avant de traiter leur premier patient dans la clinique sous supervision. Cette formation est réalisée soit sur des modèles anatomiques artificiels, soit sur des dents extraites, qui sont tous deux coûteux et difficiles à obtenir. La Dre Uslu s'est tournée vers l'impression 3D et a produit plus de 13 000 modèles de dents artificielles précises afin que chaque étudiant puisse poursuivre son apprentissage pratique de façon ininterrompue, sans avoir à recourir à l'enseignement à distance ou à partager avec ses camarades de classe. La Dre Uslu a pu maintenir son haut niveau d'enseignement, et les étudiants ont pu se concentrer sur des outils d'enseignement personnalisés, améliorant ainsi leur apprentissage et leur participation.

L'apprentissage pratique est un principe majeur du programme de Morrison Tech, qui s'associe à des leaders locaux du secteur pour offrir un programme d'études basé sur la pratique. Chris Scott, président de Morrison Tech, voit l'impression 3D comme un moyen d'accélérer les méthodes de fabrication classiques, ce qui profite à la fois aux étudiants qui apprennent à imprimer en 3D et aux entreprises dont ils feront un jour partie. « [Avec l'impression 3D], nous pouvons voir beaucoup plus clairement où des problèmes peuvent survenir, ou ce qui peut ne pas fonctionner pour le consommateur », a déclaré M. Scott. « Elle permet également de commercialiser des produits plus rapidement et de manière plus agressive, et je pense que c'est là son gros point fort. Grâce à la fabrication additive, nous pouvons raccourcir tout le processus de développement. »

Selon M. Scott, l'apprentissage pratique avec l'impression 3D permet aux étudiants d'identifier les problèmes beaucoup plus rapidement que quand ils ne disposent que d'un support numérique. Morrison Tech a intégré l'impression 3D dans son programme depuis des années, et cela a non seulement profité aux étudiants en accélérant leur apprentissage, mais aussi en les préparant à des emplois dans l'industrie manufacturière grâce aux nombreux partenariats de Morrison Tech avec des géants locaux comme Wahl Clippers, John Deere et Caterpillar.

Des programmes comme Morrison Tech s'associent à des leaders de l'industrie locale pour offrir des possibilités de mentorat et de stage. Ces types de collaborations sont inestimables pour les étudiants qui cherchent à obtenir des références, une expérience pratique et des compétences en matière de résolution de problèmes dans le monde professionnel. L'impression 3D devient un élément de plus en plus important de cette expérience pratique, car les fabricants utilisent de plus en plus l'impression 3D et recherchent des employés qualifiés.

L'impression 3D offre aux étudiants un moyen accessible d'acquérir de l'expérience grâce aux stages et aux postes de premier échelon. Les méthodes traditionnelles de fabrication reposent sur des équipements coûteux et des flux de travail très rigides : les étudiants doivent se contenter d'observer et se voient confier des tâches subalternes. Grâce à l'impression 3D, les étudiants peuvent exploiter leurs compétences en CAO pour concevoir une idée de produit ou une pièce de rechange, tandis que les autres employés n'ont peut-être pas le temps ni les connaissances nécessaires pour ce genre de tâche. Les étudiants acquièrent une expérience et des compétences précieuses, tandis que l'entreprise bénéficie gratuitement de nouvelles perspectives et de solutions pratiques.

Les grandes entreprises ne sont pas les seules à pouvoir en profiter : les étudiants du Penn State’s Innovation Hub s'associent à des start-ups et à des petits fabricants locaux pour imprimer en 3D de petites séries de pièces finales. Dans le cadre d'un projet, les étudiants ont imprimé de petites pièces pour un propriétaire d'entreprise locale qui ne pouvait pas se permettre de fabriquer une si petite quantité d'outils. Les étudiants ont été en mesure de résoudre un problème budgétaire réel grâce à l'impression 3D, en remplaçant un processus de moulage par injection par une pièce directement imprimée en 3D. Le directeur de l'Innovation Hub Ryan Mandell nous a confié : « Un propriétaire d'entreprise locale voulait imprimer 20 pièces en plastique ; nous avons donc examiné la gamme de matériaux Formlabs, trouvé une résine adaptée et déterminé qu'il était possible d'imprimer 20 pièces en plastique en une seule fois sur la Form 3L. Sa demande avait été rejetée par des entreprises de moulage par injection, parce que 20 pièces ne constituaient pas un volume suffisant. C'était l'occasion parfaite d'utiliser l'impression 3D. » En donnant des conseils de fabrication à ce propriétaire d'entreprise local, les étudiants du Hub ont ainsi pu aider la communauté locale et étoffer leur CV.

Au Yavapai College, le directeur du département des sciences aérospatiales, de l'impression 3D et de la fabrication Matthew Mintzmyer prépare les étudiants à des carrières dans tous les secteurs. De jeunes diplômés ont fait carrière dans la médecine dentaire, l'architecture, ou encore dans la fabrication d'accessoires pour la série Mandalorian, entre autres. « Il y a des tonnes d'applications possibles. Les étudiants qui ne reçoivent aucune formation à l'impression 3D pendant leur cursus sont à la traîne. Elle vous apprend l'esprit critique, les maths, la créativité : tout. Il n'est pas nécessaire de disposer de 100 000 dollars pour se lancer : ces imprimantes sont tout à fait abordables », explique M. Mintzmyer. 

M. Mintzmyer tire parti de ses imprimantes 3D pour améliorer l'expérience des étudiants de Yavapai, mais aussi pour développer des opportunités industrielles. COBOD, une entreprise de construction d'imprimantes 3D de béton, envoie chaque nouveau technicien à Yavapai pour apprendre comment entretenir, utiliser et maintenir les grandes imprimantes 3D industrielles de béton. Cette opportunité commerciale pour Yavapai est entièrement due à l'investissement de Mintzmyer dans l'impression 3D. Il utilise les imprimantes 3D SLA et SLS de Formlabs pour imprimer des prototypes, des gabarits, des pièces d'utilisation finale, ainsi que des pièces de rechange pour d'autres imprimantes 3D. Les étudiants de Yavapai peuvent ainsi se bâtir une belle carrière dans un secteur en plein essor, et ils ont la possibilité de participer aux programmes de formation aux côtés des ingénieurs de COBOD.

Jamais auparavant des disciplines différentes n'ont été autant interconnectées. Avec la croissance de la numérisation, des étapes du développement de produits qui étaient autrefois complètement séparées (comme par exemple l'idéation et la fabrication) sont aujourd'hui davantage liées. L'impression 3D y est pour beaucoup : elle accélère les étapes du développement de produits à un point tel que l'ensemble du processus peut être optimisé, les disciplines se fondant les unes dans les autres et s'améliorant mutuellement. Ce type de collaboration au sein d'une entreprise est également évident dans les makerspaces et les laboratoires de fabrication des établissements d'enseignement. 

Le Westphal College of Media Arts and Design de l'université Drexel propose des programmes pour les étudiants qui souhaitent s'orienter vers des domaines aussi variés que l'animation, la mode ou la réalité virtuelle, et son Hybrid Making Lab, situé au centre de l'université, offre des possibilités pour tous les types de projets. Erik Sundquist, le directeur du Making Lab, nous a confié que « les étudiants l'utiliseront pour tout, des modèles architecturaux au design de mode, en passant par des accessoires et du matériel pour confectionner des vêtements... Nous avons quelques étudiants intéressés par la fabrication de tissus articulés entièrement imprimés en 3D. »

Le projet de thèse d'un étudiant en conception de produits (à gauche) et les arêtes de poisson scannées et imprimées en 3D par une classe de sculpture (à droite) au Hybrid Making Lab de Drexel. (photos courtoisies du Drexel Hybrid Making Lab).

M. Sundquist configure cet espace de manière à ce que les étudiants puissent interagir et enseigner à d'autres étudiants, même si un projet relève d'une autre discipline que la leur. « C'est plus démocratique, et plus propice à l'apprentissage interdisciplinaire », explique M. Sundquist. Il voit des étudiants en mode demander l'aide d'étudiants en ingénierie et en conception de produits pour articuler des pièces, et vice versa. Le laboratoire est situé au centre de l'université, ce qui est idéal pour que les étudiants collaborent, partagent leurs idées et échangent leur expertise. L'impression 3D est à l'origine de ce type de séances de brainstorming improvisées. Un étudiant en mode peut avoir une image globale en tête, comme par exemple une robe en cotte de mailles, mais il aura besoin de l'aide d'un étudiant en ingénierie pour concevoir les tolérances entre chaque maillon de la chaîne, ou pour choisir la technologie à utiliser pour obtenir une structure imprimée sans support.

L'impression 3D peut permettre aux étudiants d'essayer de nouveaux clubs ou associations et d'utiliser leurs compétences dans une nouvelle application. Les étudiants de la TU Berlin s'appuient sur l'impression 3D pour développer des voitures de course performantes et puissantes pour la compétition mondiale Formula Student. Ces voitures doivent être durables, résistantes aux hautes températures et aux chocs, et extrêmement légères. L'équipe de la TU Berlin, qui compte souvent jusqu'à 90 étudiants, s'appuie sur les imprimantes SLA de Formlabs pour les processus de moulage de pièces en fibre de carbone et de pièces finales. 

Un moule (photo de gauche, à gauche) utilisé pour le moulage d'un boîtier de volant en fibre de carbone (photo de gauche, à droite) et d'un prototype de support à topologie complexe optimisée (photo de droite), tous deux imprimés sur une imprimante 3D SLA Form 3.

L'accès à des imprimantes 3D précises, fiables et faciles à utiliser a permis à l'équipe de la TU Berlin d'accroître sa production : chaque année, elle produit trois voitures complètes pendant l'année scolaire. Cette technologie a permis à une équipe de jeunes étudiants de travailler sur un projet qui les passionne et de livrer non pas un, mais trois produits performants chaque année. Les compétences qu'ils développent et le sentiment d'appartenance et d'autonomie qu'ils ressentent ne seraient pas possibles s'ils devaient externaliser une grande partie de leur travail, ou s'ils devaient compter sur des superviseurs pour faire fonctionner des machines plus coûteuses. Le prix abordable et l'accessibilité des imprimantes 3D Formlabs renforcent leur créativité et leur productivité.

Très populaires dans l'enseignement, les imprimantes 3D FDM fabriquent les pièces en faisant fondre et en extrudant un filament thermoplastique fondu, qu'une buse dépose couche par couche sur la zone de fabrication. Ces imprimantes sont bon marché et simples à utiliser, ce qui les rend faciles à appréhender pour les écoliers qui apprennent à concevoir en CAO.

Même s'il existe des imprimantes FDM plus chères pouvant coûter plus de 50 000 €, la plupart des machines utilisées par les enseignants coûtent entre 1000 et 4000 €. Les imprimantes FDM peuvent produire des pièces rapidement par le biais d'un processus visuel intuitif, ce qui en fait un excellent point de départ pour les jeunes étudiants. Mais lorsque les étudiants commencent à concevoir des pièces fonctionnelles et des assemblages multi-pièces, la qualité inférieure de la finition de surface et de la précision peut poser problème. La qualité inférieure des pièces et la gamme plus restreinte de matériaux limitent également les applications prises en charge par les imprimantes FDM, notamment dans la recherche ou l'enseignement supérieur. Les imprimantes 3D FDM sont un excellent point de départ, mais elles doivent être enseignées en même temps que d'autres types d'impression 3D plus avancés.

Généralement plus chères que les autres imprimantes 3D plastiques, les imprimantes 3D SLS, comme la série Fuse de Formlabs, créent des prototypes fonctionnels et des pièces d'utilisation finale durables présentant des propriétés mécaniques haute performance. Cette technologie utilise un laser haute puissance pour fritter de petites particules de poudre, puis répète le processus couche par couche jusqu'à former la pièce finale, tandis que chaque couche est soutenue par le lit de poudre environnant.

Avant la série Fuse, les imprimantes 3D SLS coûtaient au minimum 200 000 € et souvent beaucoup plus, ce qui les rendait inabordables pour la plupart des budgets universitaires. Certains programmes d'ingénierie et de fabrication ont pu obtenir des subventions pour ces machines, mais en raison de leur grande taille, de la complexité du flux de travail et du coût élevé de l'infrastructure requise, très peu d'étudiants ont eu l'occasion de les utiliser.

Avec l'introduction de la Fuse 1 en 2020, les enseignants de tous niveaux ont enfin été en mesure d'adopter des imprimantes SLS de qualité industrielle en interne, donnant à leurs étudiants la possibilité de créer des pièces finales pour des applications réelles. Le capitaine Baker du MakerSpace USNA demande aux étudiants de commencer avec l'imprimante 3D SLS Fuse 1 avant de passer à la technologie d'impression 3D en métal, où les erreurs sont beaucoup plus coûteuses et plus fréquentes. Au laboratoire NOAA AOML, qui travaille en collaboration avec le Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS) de l'université de Miami, l'imprimante SLS Fuse 1 est utilisée pour imprimer des boîtiers sous-marins robustes destinés à l'équipement d'échantillonnage du corail.         

Les laboratoires de recherche varient considérablement en termes de taille et de sujet de recherche, mais étant donné qu'ils oeuvrent tous pour le progrès de la science, des technologies de pointe comme l'impression 3D y sont intégrées depuis des années. Au laboratoire de nanotechnologie de l'université d'Hawaï, un étudiant de premier cycle est chargé de faire fonctionner et d'entretenir les imprimantes SLA Form 3 et Form 3L qui aident tous les étudiants à créer des matériaux de recherche. Dans ce laboratoire , les imprimantes sont principalement utilisées pour réaliser des moules de compactage sacrificiels destinés à des nanomatériaux céramiques haute performance.

« Nous voulions une machine capable de prototyper et de fabriquer très rapidement des moules avec une intégrité structurelle et une finition de surface lisse. Heureusement, nous avions la Form 3, qui offre la plus grande gamme de matériaux 3D. En ce qui concerne la Form 3L, nous voulions un grand volume d'impression pour réaliser de grands moules en céramique », nous a confié l'étudiant. 

À l'école de pharmacie de l'University College of London, les imprimantes sont utilisées comme outils de visualisation de pièces anatomiques. Un modèle de tractus gastro-intestinal, par exemple, est utilisé pour aider les élèves à comprendre comment les aliments (et les médicaments) sont traités et passent dans le corps, ce qui les aide à comprendre comment soigner les patients en toute sécurité. La précision des imprimantes Formlabs permet aux chercheurs de créer des modèles réalistes de systèmes anatomiques extrêmement complexes. « J'utilise l'imprimante 3D Formlabs pour imprimer des moules destinés à fabriquer des dispositifs médicaux dans le cadre d'un projet thérapeutique de ventilation », raconte Zaid Muwaffak Hassan, un doctorant du labo d'Hilton. « Elle est très facile à utiliser, très précise, et permet un niveau de détail vraiment élevé. »

Dans le domaine des sciences de la vie, l'exactitude et la précision peuvent faire toute la différence pour ces étudiants. Ils travaillent sur des dispositifs qui peuvent réellement sauver des vies. Disposer d'outils précis qui représentent correctement le corps ou qui présentent la biocompatibilité nécessaire au contact avec la peau ou les muqueuses fait partie intégrante de leur réussite, et donc de la santé de leurs patients.

Les makerspaces et les laboratoires de fabrication sont généralement ouverts à des groupes d'étudiants nombreux et variés, et certains ouvrent même leurs portes à la communauté environnante, aux professeurs ou aux étudiants de primaire et de secondaire. C'est en raison de cette imprévisibilité que la planification et la budgétisation sont difficiles pour les directeurs de makerspaces. Même s'ils ne sont ouverts qu'aux étudiants universitaires ou collégiaux, les périodes les plus chargées peuvent se limiter à la fin du semestre, lorsque les projets finaux sont dus. La quantité d'imprimantes y est donc souvent plus importante que la qualité : les directeurs doivent s'assurer que lorsque tout le monde veut imprimer en même temps, il soit possible d'utiliser une imprimante 3D avec un minimum de supervision, de programmation ou de formation. 

Pendant de nombreuses années, cela a conduit à ce que de grandes installations d'imprimantes FDM soient la principale (ou parfois la seule) technologie disponible dans les makerspaces. Cependant, au cours des cinq dernières années, des imprimantes 3D comme la Form 3+, la Form 3B+, la Form 3L et la série Fuse ont gagné en popularité pour un certain nombre de raisons.

La suite d'imprimantes Formlabs combine la puissance et la précision industrielles des imprimantes 3D haut de gamme avec la facilité d'utilisation et le prix abordable des machines d'entrée de gamme. En outre, la diversité des matériaux disponibles signifie qu'un seul makerspace peut proposer une imprimante avec plusieurs matériaux appropriés pour des étudiants en ingénierie, en conception de produits, en bijouterie, en mode, en science des matériaux ou encore en fabrication. Le flux de travail intuitif permet aux étudiants d'acquérir rapidement les connaissances nécessaires, et les moteurs d'impression SLA et SLS ne nécessitent que peu de surveillance et de maintenance.

Au MakerSpaceUSNA de l'Académie navale des États-Unis, chaque étudiant, quelle que soit sa spécialité, est exposé aux technologies FDM, SLA et SLS. Le capitaine Brad Baker, directeur du MakerSpace, a régulièrement ajouté des machines à son parc d'imprimantes Formlabs au fil des ans, principalement en raison de leur fiabilité et de l'uniformité des pièces. « Le taux d'échec de nos imprimantes SLA est extraordinairement faible. Je dis toujours [aux étudiants] : "Attendez : ce n'est rien comparé au SLS." Avec les imprimantes SLS [de la série Fuse], il est presque nul. Il n'y a pratiquement pas de défaillances, les propriétés des matériaux sont bonnes et la précision est excellente », explique M. Baker.

Bien que de nombreuses universités incluent des cours sur l'esprit d'entreprise dans le domaine de la finance ou de la gestion dans le cadre d'un programme d'études typique d'une école de commerce, elles sont moins nombreuses à proposer une aide à la conception et au développement de produits matériels en dehors du programme d'études. Récemment, certaines écoles ont cherché à se démarquer en offrant un soutien et des ressources aux petites entreprises, en particulier aux fabricants de matériel informatique et aux concepteurs de produits. 

À l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, le HATCH Venture Builder est un institut collaboratif qui soutient ses étudiants et anciens élèves en mettant à leur disposition des équipes consultatives, des espaces de bureaux, des laboratoires et un makerspace ultramoderne. Le Hatch leur fournit des imprimantes 3D comme la Form 3 et toute une série de matériaux, ainsi que des conseils et un encadrement sur la conception de produits et la stratégie de mise sur le marché. Ils s'appuient sur les imprimantes 3D professionnelles Formlabs pour aider les membres de l'incubateur à présenter un prototype fonctionnel de haute qualité ou une pièce d'utilisation finale à des investisseurs et des fabricants potentiels. À Penn State, M. Mandell et l'Innovation Hub s'efforcent de donner « accès aux meilleurs outils possibles afin que les individus comme les groupes puissent développer une preuve de concept solide et investir dans leurs idées ».