Guida alla stampa 3D nell'istruzione

Dalle scuole primarie e secondarie ai programmi universitari post-laurea, gli insegnanti utilizzano la stampa 3D per incoraggiare una partecipazione più attiva al processo di apprendimento. Sebbene siano numerosissime le ricerche sui diversi stili di apprendimento e sull'efficacia dei vari metodi di insegnamento, gran parte dell'istruzione tradizionale si basa ancora sulla memorizzazione dei testi. La stampa 3D offre agli studenti un modo per entrare veramente in contatto con la materia, manipolando fisicamente i materiali didattici già stampati o progettando in prima persona gli strumenti. 

L'aspetto pratico della stampa 3D aiuta a migliorare il coinvolgimento e la partecipazione soprattutto degli studenti delle scuole primarie e secondarie. Per passare dalla teoria alla pratica, Formlabs ha collaborato con la Tech Boston Academy, una scuola superiore pubblica di Dorchester, in Massachusetts, che si occupa principalmente di educazione tecnologica. I dipendenti di Formlabs, nell'ambito di un programma di 13 settimane, hanno tenuto lezioni e guidato gli studenti in un corso basato su progetti, terminato con un "hackathon" nel quale gli studenti hanno progettato, modellato e stampato in 3D uno strumento. Gli studenti sono riusciti a risolvere i problemi e a utilizzare le competenze CAD per sviluppare una soluzione, per poi trasformare le idee in realtà con le stampanti 3D di Formlabs. Uno studente ha affermato che ciò che gli è piaciuto di più è stata la capacità di trasformare gli oggetti fisici che aveva in mente in qualcosa di reale che poteva tenere in mano o toccare.

Questo tipo di interazioni dirette sono preziosissime nel processo di crescita dei ragazzi. Tuttavia, nel contesto educativo odierno, non è sempre possibile impartire lezioni frontali. La stampa 3D garantisce agli studenti l'accesso agli strumenti pratici di cui hanno bisogno e dà agli insegnanti la possibilità di cambiare gli strumenti o di stamparne altri, se necessario.  "Il nostro percorso di studi è molto pratico. Abbiamo bisogno di macchine, di strumenti di costruzione e di frese laser. Una delle conseguenze della pandemia è stata l'impossibilità di realizzare modelli e oggetti fisici", dice Michael Silver, professore di architettura presso l'Università del Kentucky.  Basandosi sull'esperienza precedente con le stampanti 3D di Formlabs nei laboratori dell'università, Silver ha portato a casa una Form 2, ha chiesto agli studenti di inviargli i loro file STL e ha stampato i loro modelli, per poi discuterne durante la valutazione finale del corso. "Siamo riusciti a continuare a realizzare oggetti fisici durante il periodo di quarantena. La stampa 3D ci ha permesso di implementare fisicamente un prototipo anche durante la quarantena, nonostante la didattica a distanza e le lezioni su Zoom", ha detto Silver. 

La facoltà di odontoiatria è costosa, indipendentemente dal Paese in cui ci si trova. Il costo è in parte giustificato dagli strumenti altamente specializzati che gli studenti devono apprendere a usare. La dott.ssa Gülşah Uslu, docente nella facoltà di odontoiatria della Çanakkale Onsekiz Mart University in Turchia, ha iniziato a utilizzare le stampanti 3D per ridurre i costi e realizzare un set di strumenti per ogni studente, anziché chiedere loro di condividerli.

Solitamente gli studenti di odontoiatria affrontano un programma pratico di formazione prima di trattare il primo paziente sotto supervisione in clinica. La formazione viene condotta su modelli anatomici artificiali o su denti estratti. Entrambi sono costosi e difficili da reperire. La dott.ssa Uslu ha adottato la stampa 3D e ha prodotto più di 13 000 modelli di denti fedeli a quelli reali dal punto di vista anatomico, affinché ogni studente potesse continuare la formazione pratica senza interruzioni, senza dover ricorrere a moduli didattici digitali o alla condivisione con i compagni di corso. La dott.ssa Uslu ha potuto mantenere alto lo standard di insegnamento e gli studenti hanno potuto concentrarsi su strumenti didattici personalizzati, incrementando la conservazione delle conoscenze e il coinvolgimento.

L'apprendimento pratico è uno dei principi fondamentali del programma della Morrison Tech, che collabora con i leader del settore locali per offrire un percorso di studi pratico e basato sull'esperienza. Il presidente della Morrison Tech, Chris Scott, pensa che la stampa 3D sia un modo per accelerare un processo di fabbricazione tradizionale, a vantaggio sia degli studenti che oggi imparano a stampare in 3D nei corsi che delle aziende in cui lavoreranno in futuro. "[Con la stampa 3D] riusciamo a vedere le cose in modo più chiaro, a indicare dove potrebbero verificarsi dei problemi o cosa potrebbe non funzionare o non andar bene al consumatore", dice Scott. "Un obiettivo secondario è capire come portare i prodotti sul mercato in modo più rapido e aggressivo. Credo che sia questo il punto di forza della produzione additiva. Possiamo accorciare il ciclo di design."

Secondo Scott, l'apprendimento pratico con la stampa 3D consente agli studenti di individuare i problemi di ciò a cui stanno lavorando molto più velocemente di quanto sarebbe possibile con un mezzo digitale. La Morrison Tech ha integrato la stampa 3D nel suo percorso di studi per anni e questo non solo ha offerto agli studenti la possibilità di accelerare la formazione, ma li ha anche preparati a lavorare nel settore produttivo grazie alle numerose collaborazioni con aziende leader locali come Wahl Clippers, John Deere e Caterpillar.

I programmi come quello della Morrison Tech collaborano con i leader del settore locali per offrire agli studenti opportunità di affiancamento e stage. Questo tipo di relazioni tra università e mondo esterno sono preziose per gli studenti che vogliono acquisire referenze, esperienze pratiche e imparare a risolvere problemi reali. La stampa 3D è una parte sempre più importante di questa esperienza pratica, dal momento che i produttori stanno incrementando l'utilizzo della stampa 3D nei loro processi e sono alla ricerca di personale specializzato.

La stampa 3D offre agli studenti un modo accessibile per dare un contributo significativo al mondo del lavoro durante gli stage e nelle posizioni lavorative che non richiedono esperienza pregressa. I metodi tradizionali di produzione per grandi volumi prevedono attrezzature costose e flussi di lavoro strutturati. Gli studenti si limitavano a osservare la struttura o a svolgere mansioni umili. Con la stampa 3D, gli studenti possono assumersi delle responsabilità e sfruttare le competenze CAD per progettare un'idea di prodotto o una parte da riparare, attività che la forza lavoro attuale potrebbe non avere la base di conoscenze o il tempo di fare. Gli studenti acquisiscono esperienze e competenze preziose, mentre l'azienda acquisisce nuove prospettive e soluzioni pratiche a costo zero.

Non ne beneficiano solo le grandi aziende: gli studenti dell'Innovation Hub della Penn State collaborano con startup e piccoli produttori locali per stampare in 3D parti per utilizzo finale per volumi ridotti. Un progetto prevedeva che gli studenti stampassero piccoli oggetti per un imprenditore locale che non poteva permettersi uno strumento realizzato per un volume così ridotto. Gli studenti sono riusciti ad affrontare un problema di budget reale e a trovare una soluzione attraverso la stampa 3D, sostituendo un processo di stampaggio a iniezione con una parte stampata direttamente in 3D. Ryan Mandell, direttore dell'Innovation Hub, ci ha detto: "Un imprenditore locale voleva stampare 20 parti in plastica, per cui abbiamo esaminato la gamma di materiali di Formlabs, ne abbiamo individuato uno adatto e abbiamo stabilito che era possibile realizzare 20 oggetti in plastica in un unico ciclo di stampa con la Form 3L. Le aziende di stampaggio a iniezione avevano rifiutato il lavoro, perché 20 parti erano troppo poche, per cui era il caso d'uso perfetto per la stampa 3D". Gli studenti dell'Hub hanno fornito all'imprenditore locale servizi concreti di consulenza e produzione e, così facendo, hanno aiutato la comunità locale e arricchito il proprio curriculum.

Matthew Mintzmyer, direttore del dipartimento di scienza aerospaziale, stampa 3D e produzione prezzo lo Yavapai College, prepara gli studenti a intraprendere carriere in ogni settore. I neolaureati hanno iniziato a lavorare nel campo dell'odontoiatria, della produzione di oggetti di scena per la serie televisiva Mandalorian e dell'architettura, per citare alcuni esempi. "Esistono tantissime applicazioni. Gli studenti che non si occupano di stampa 3D in ambito accademico rimangono indietro, perché insegna il pensiero critico, la matematica, la creatività, tutto. Per iniziare non servono 100 000 $: queste stampanti sono economiche", dice Mintzmyer. 

Mintzmyer utilizza le sue stampanti 3D per migliorare l'esperienza degli studenti dello Yavapai College, ma anche per far crescere le opportunità del settore. COBOD, impresa edile specializzata nella stampa 3D del calcestruzzo, invia tutti i nuovi tecnici allo Yavapai per apprendere le tecniche di ispezione, funzionamento e manutenzione delle stampanti 3D industriali di grandi dimensioni per il calcestruzzo. Questa opportunità lavorativa per lo Yavapai è interamente dovuta all'investimento e all'adozione precoce da parte di Mintzmyer della tecnologia di stampa 3D. Usa le stampanti 3D SLA e SLS di Formlabs per stampare prototipi, dime, parti per utilizzo finale e riparazioni per vari pezzi di altre stampanti 3D. Gli studenti della Yavapai hanno la possibilità di capire in prima persona cosa è necessario per intraprendere una carriera redditizia in un settore in piena espansione e di partecipare ai programmi di formazione insieme agli ingegneri di COBOD.

Mai prima d'ora discipline diverse sono state così interconnesse. Con la crescente digitalizzazione, fasi solitamente distinte del ciclo di vita di un prodotto, come l'ideazione e la produzione, sono sempre più in contatto tra loro. La stampa 3D ha un ruolo importante in questo senso: accelera le fasi del ciclo di vita del prodotto a tal punto che è possibile snellire l'intero processo, poiché le discipline si fondono e si perfezionano reciprocamente. Questo tipo di collaborazione all'interno della stessa azienda è evidente anche negli spazi creatori delle istituzioni educative e nei laboratori di fabbricazione. 

Il Westphal College of Media Arts and Design della Drexel University offre programmi per gli studenti che desiderano perseguire qualsiasi obiettivo, dall'animazione alla moda, fino alla realtà virtuale. Il centralissimo Hybrid Making Lab offre opportunità per ogni tipo di progetto. Erik Sundquist, direttore del Making Lab, ci ha detto: "Gli studenti lo usano per tutto, dai modelli architettonici, al design di moda, agli accessori, all'hardware per vestiti. Ci sono degli studenti interessati a realizzare tessuti articolati completamente stampati in 3D".

Un progetto di tesi di design del prodotto (a sinistra) e una lisca di pesce scansionata e stampata in 3D da una classe di scultura (a destra) presso l'Hybrid Making Lab di Drexel (foto concessa dall'Hybrid Making Lab di Drexel).

Sundquist allestisce lo spazio per formare gli studenti, che poi lo gestiscono in prima persona, con la responsabilità di insegnare ad altri studenti, indipendentemente dal fatto che si tratti di un progetto di una disciplina diversa dalla propria. "È un metodo più democratico e favorisce l'apprendimento interdisciplinare", afferma Sundquist. Vede gli studenti di moda che chiedono una mano agli studenti di ingegneria e di design del prodotto per articolare i pezzi e viceversa. Il laboratorio, situato in posizione centrale, è perfetto per consentire agli studenti di collaborare, condividere idee e scambiare competenze. La stampa 3D è il motore di questo tipo di sessioni di brainstorming spontanee. Uno studente di moda può avere idea del risultato complessivo, come un abito con maglia metallica, ma ha bisogno dell'aiuto di uno studente di ingegneria per progettare le tolleranze tra le singole maglie della catena o per scegliere la tecnologia da utilizzare per una struttura di stampa senza supporto.

La stampa 3D può stimolare gli studenti a provare nuovi club o associazioni e a portare le competenze dalla classe a una nuova applicazione. Gli studenti della TU Berlin utilizzano la stampa 3D per sviluppare auto da corsa ad alte prestazioni per la competizione globale Formula Student. Le auto devono essere durature, resistenti alle alte temperature e agli urti ed estremamente leggere. Il team della TU Berlin, spesso composto da ben 90 studenti, usa le stampanti SLA di Formlabs per i processi di stampaggio in fibra di carbonio e per le parti per utilizzo finale. 

Uno stampo (immagine a sinistra, lato sinistro) utilizzato per lo stampaggio dell'involucro di un volante in fibra di carbonio (immagine a sinistra, lato destro) e un prototipo di un attacco complesso con ottimizzazione topologica (immagine a destra), entrambi stampanti con una stampante 3D SLA Form 3.

L'accesso a stampanti 3D precise, affidabili e facili da usare ha consentito al team della TU Berlin di espandere la produzione: nell'arco di ogni anno accademico producono tre auto, dalla progettazione alla gara. Questa tecnologia ha permesso a un team di giovani studenti di lavorare a qualcosa di cui sono appassionati e di realizzare ogni anno non uno ma tre prodotti performanti per un evento internazionale. Le competenze che sviluppano e il senso di appartenenza e responsabilità che provano non sarebbero possibili se esternalizzassero gran parte del lavoro o si affidassero a supervisori per utilizzare macchine più costose. La convenienza e l'accessibilità delle stampanti 3D di Formlabs rafforzano la loro creatività e produttività.

Le stampanti 3D FDM sono forse le più diffuse in ambito didattico. Creano le parti fondendo ed estrudendo un filamento termoplastico, che un ugello di stampa deposita strato per strato nell'area di stampa. I suoi vantaggi sono la scalabilità e il costo contenuto, nonché la semplicità della tecnologia, che la rendono un concetto facile da comprendere per gli studenti che iniziano ad apprendere la progettazione in CAD.

Sebbene i produttori realizzino stampanti FDM che possono costare più di 50 000 $, la maggior parte delle unità utilizzate dagli insegnanti costa all'incirca 1000-4000 $. Le stampanti FDM consentono di produrre parti velocemente e con un processo visivo intuitivo, il che le rende un ottimo punto di partenza per gli studenti più giovani. Tuttavia, quando gli studenti iniziano a progettare parti funzionali e assemblaggi con più parti, la finitura superficiale e la precisione di qualità inferiore iniziano a rappresentare un problema. Vista la qualità inferiore delle parti e la gamma più ristretta di materiali, le stampanti FDM supportano applicazioni limitate, soprattutto nell'ambito della ricerca o della formazione universitaria. Le stampanti 3D FDM sono una parte dell'universo della stampa 3D e un ottimo punto di partenza, ma dovrebbero essere insegnate di concerto con altri tipi di stampa 3D più avanzati.

Gli insegnanti hanno tardato ad adottare le stampanti 3D SLA, poiché il loro costo normalmente non rientra nel budget tipico di una scuola. Quando le stampanti 3D SLA desktop come la Form 2 e la Form 3 hanno reso la tecnologia accessibile e hanno dimostrato la loro affidabilità e professionalità, sono diventate strumenti affidabili a disposizione di ogni insegnante. 

Per i laboratori di ricerca, grazie alla varietà di materiali ad alte prestazioni, è possibile aggiungere una stampante per un progetto specifico e poi utilizzarla di nuovo con l'emergere di nuovi progetti, semplicemente passando al materiale più appropriato: dalla fluidodinamica ad alta temperatura, all'impalcatura trasparente e biocompatibile per le cellule, ai fissaggi e agli involucri resistenti agli urti. In aree aperte come i laboratori di fabbricazione o gli spazi creatori, continua a essere apprezzata la varietà di materiali e l'ampia piattaforma di stampa della Form 3L. È possibile inserire i progetti di più studenti in una piattaforma di stampa con lo stesso materiale, per poi passare a un nuovo materiale e a un nuovo gruppo di progetti. Il sistema di gestione della resina e delle cartucce semplifica la manutenzione e le operazioni.

Le stampanti 3D SLS, come quelle della serie Fuse di Formlabs, sono in genere le più costose tra i tre tipi principali di tecnologie di stampa 3D per le materie plastiche e consentono di creare prototipi funzionali e parti resistenti per utilizzo finale con proprietà meccaniche ad alte prestazioni. Questa tecnologia utilizza un laser ad alta potenza per sinterizzare selettivamente piccole particelle di polvere con la forma di una sezione trasversale del file desiderato, quindi ripete il processo strato per strato, costruendo la parte mentre ogni strato è sostenuto dal letto di polvere circostante.

Prima della serie Fuse, le stampanti 3D SLS costavano almeno 200 000 $, e spesso molto di più: un costo inaccessibile per la maggior parte delle università. Alcuni programmi di ingegneria e produzione sono riusciti a ottenere finanziamenti per queste unità, anche se a causa delle grandi dimensioni, del complesso flusso di lavoro e della costosa infrastruttura richiesta, pochissimi studenti hanno potuto utilizzarle.

Dal 2020, anno del lancio della Fuse 1, gli insegnanti di ogni livello sono finalmente riusciti a portare in-house un sistema SLS di qualità industriale, dando agli studenti l'opportunità di creare parti per utilizzo finale per applicazioni pratiche e fornendo loro un'esperienza di stampa 3D su letto di polvere. Il capitano Baker del MakerSpace USNA fa usare agli studenti la stampante 3D SLS Fuse 1 prima di passare alla tecnologia di stampa 3D in metallo, in cui gli errori hanno un costo molto più elevato e sono più comuni. Nel laboratorio NOAA AOML, in collaborazione con il Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS) dell'Università di Miami, la stampante SLS Fuse 1 viene utilizzata per stampare custodie subacquee robuste per le attrezzature per il campionamento dei coralli.         

I laboratori di ricerca si differenziano per portata, dimensioni e oggetti di studio, ma poiché sono tutti dedicati al potenziamento delle conoscenze scientifiche, da anni sono state incorporate tecnologie all'avanguardia come la stampa 3D. Nel laboratorio di nanotecnologia dell'Università delle Hawaii, uno studente universitario è responsabile del funzionamento e della manutenzione delle stampanti SLA Form 3 e Form 3L, che aiutano laureandi, laureati e dottorandi a creare materiali di ricerca. Il caso d'uso più importante delle stampanti nel laboratorio è quello degli stampi sacrificali per la compattazione di nanomateriali in ceramica ad alte prestazioni.

"Avevamo bisogno di una soluzione che ci permettesse di realizzare prototipi e stampi molto rapidamente, che garantisse un'integrità strutturale e che consentisse di ottenere una finitura superficiale liscia. Abbiamo utilizzato la Form 3 e siamo rimasti molto soddisfatti: ha il catalogo più ampio e valido di materiali da stampare. Per quanto riguarda la Form 3L, volevamo un formato grande per stampi in ceramica di grandi dimensioni", ci ha detto lo studente. 

Allo University College of London School of Pharmacy, le stampanti sono utilizzate come strumenti di visualizzazione di parti anatomiche. Il modello del tratto gastrointestinale, ad esempio, viene utilizzato per aiutare gli studenti a comprendere come il cibo (e le medicine) vengono trasformati e passano nel corpo, aiutandoli a capire come somministrare i farmaci ai pazienti in modo sicuro. La precisione delle stampanti Formlabs consente ai ricercatori di creare modelli realistici di apparati estremamente complessi del corpo. "Uso la stampante 3D di Formlabs per realizzare stampi di dispositivi medici per un progetto di terapia di ventilazione", ha detto Zaid Muwaffak Hassan, dottorando presso l'UCL Hilton Lab. "È molto facile da usare, molto precisa e produce dettagli davvero accurati."

Per gli studenti di scienze biologiche, l'accuratezza e la precisione possono fare la differenza. I loro progetti sono veri e propri dispositivi e pratiche salvavita. Avere a disposizione degli strumenti accurati che rappresentino correttamente il corpo o che siano biocompatibili per poter entrare in contatto con la pelle o con le mucose è fondamentale per il loro successo e, di conseguenza, per la salute dei pazienti.

Gli spazi creatori e i laboratori di fabbricazione sono generalmente aperti a gruppi numerosi e variegati di studenti. Alcuni aprono le porte anche alla comunità locale, ai professori o alle scuole di primo e secondo grado. È a causa di questa imprevedibilità nell'utilizzo che la pianificazione anticipata e il budget sono difficili da gestire per i direttori degli spazi creatori. Anche quando sono aperti solo agli studenti universitari, i periodi di maggiore affluenza possono concentrarsi alla fine del semestre, quando si devono consegnare i progetti finali. Per questo motivo, nella scelta delle stampanti 3D per gli spazi creatori si tiene conto più della quantità che della qualità: i direttori devono assicurarsi che tutti, nei periodi più intensi, siano in grado di utilizzare una stampante 3D con un livello minimo di supervisione, programmazione o formazione. 

Per molti anni, questo ha fatto sì che negli spazi creatori la tecnologia prevalente (e spesso l'unica) fosse quella delle stampanti FDM. Negli ultimi cinque anni, però, le stampanti 3D come la Form 3+, la Form 3B+, la Form 3L e la serie Fuse hanno raggiunto una certa popolarità per diversi motivi.

La gamma di stampanti Formlabs combina la potenza industriale e la precisione delle stampanti 3D più costose con la facilità d'uso e l'accessibilità delle macchine base. Inoltre, la vasta gamma di materiali disponibili fa sì che uno spazio creatori possa offrire una stampante con diversi materiali adatti per gli studenti di ingegneria, design del prodotto, gioielleria, moda, scienza dei materiali o produzione. Il workflow intuitivo consente agli studenti di acquisire rapidamente le conoscenze operative necessarie e l'affidabilità dei motori di stampa SLA e SLS non richiede particolari interventi di manutenzione o supervisione.

Nel MakerSpaceUSNA della United States Naval Academy, ogni singolo studente, indipendentemente dalla specializzazione, ha accesso alle tecnologie FDM, SLA e SLS. Nel corso degli anni, il direttore del MakerSpace, il capitano Brad Baker, ha ampliato costantemente la flotta di macchine Formlabs, motivando l'investimento con l'affidabilità e la costanza delle macchine. "Il tasso di insuccesso delle nostre stampanti SLA è straordinariamente basso. Dico [agli studenti] di aspettare di arrivare alla SLS. Con le stampanti SLS [della serie Fuse], è pressoché nullo. Quasi nessun guasto, le proprietà dei materiali sono buone e la precisione è davvero ottima", afferma Baker.

Sebbene molte università prevedano corsi di imprenditoria in ambito finanziario o manageriale come parte del normale programma di studi di una facoltà di economia, sono poche quelle che offrono un supporto alla progettazione e allo sviluppo di prodotti hardware al di fuori del percorso di studi. Recentemente, alcune università hanno provato a distinguersi fornendo un ampio supporto e risorse per le piccole imprese, in particolare per gli imprenditori che si occupano di hardware e di progettazione di prodotti. 

Lo HATCH Venture Builder dell'Università della Columbia Britannica di Vancouver, in Canada, è un istituto collaborativo che supporta team di studenti ed ex studenti mediante gruppi di consulenza, uffici, laboratori e uno spazio creatori all'avanguardia. L'Hatch mette a disposizione stampanti 3D come la Form 3 e diversi materiali, ma anche servizi di consulenza e tutoraggio per il design di prodotto e la strategia di ingresso sul mercato. Le stampanti 3D professionali di Formlabs aiutano i membri dell'incubatore a presentare un prototipo funzionale di alta qualità o una parte per utilizzo finale a potenziali investitori e produttori. Alla Penn State, Mandell e l'Innovation Hub si sforzano di fornire "l'accesso ai migliori strumenti possibili per consentire alle singole persone e ai gruppi di sviluppare un solido Proof-of-Concept, per ottenere investimenti per le loro idee".