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Le prototypage rapide enseigné à des étudiants

Le prototypage rapide enseigné à des étudiants


« Les élèves ont découvert les imprimantes 3D dans l’industrie et à travers leurs études. Je souhaiterais les exposer au prototypage rapide pendant qu’ils sont à Berea. »
Brad Christensen, Professeur, Technologie et Arts Industriels, Berea College

« Bacwards instructional design », voilà comment Brad Christensen appelle sa méthode d’enseignement pour son cours de Technologie I. Enseignant au Département de Technologie et d’Arts Industriels du Berea College à Berea, dans le Kentucky, Christensen donne à ses étudiants le projet final dès le premier jour de classe. Il présente ensuite son enseignement basé sur ce qui est attendu. Un projet récent consistait à faire des bateaux radiocommandés en utilisant la technologie FDM de Stratasys.

« La plupart des élèves de cette classe n’ont jamais conçu quelque chose auparavant », a-t-il dit. « Beaucoup n’ont jamais mesuré ou coupé une ligne avant. Ceci est leur première exposition au processus d’ingénierie, leur premier essai à faire fonctionner quelque chose. » Berea College est un collège privé d’arts libéraux dispensant un enseignement technique notamment aux étudiants des Appalaches qui ont un grand potentiel, mais ont des ressources financières limitées. »

Christensen plaisante peut-être en appelant sa conception pédagogique « backwards », mais sa compréhension de la technologie est définitivement avant-gardiste. Il a utilisé une imprimante 3D Dimension pendant 4 ans dans cette classe et dans d’autres. Une classe de dessin technique a imprimé et assemblé une machine à vapeur de table avec des volants tournant et des pistons mobiles. Dans une autre classe, les élèves ont réalisé des modèles de fusées avec des ogives imprimés. Les deux projets ont été un grand succès, selon Christensen. « Les élèves ont découvert les imprimantes 3D dans l’industrie et à travers leur éducation », a-t-il dit. « Je souhaiterais les exposer au prototypage rapide pendant qu’ils sont à Berea. »

Son but est d’enseigner à ses étudiants l’ensemble du processus de conception d’ingénierie qui comprend l’identification d’un problème, le processus de remue-méninges, le composant quantitatif et l’optimisation. Pour le projet de création d’une hélice marine, chaque équipe a calculé le diamètre de l’hélice, a dessiné la pièce grâce à la conception assistée par ordinateur et a envoyé le concept à l’imprimante 3D.

« La technologie a permis aux étudiants de dessiner l’hélice sur l’écran en 20 minutes », a-t-il dit. « Ce n’est pas aussi difficile qu’elle en a l’air. Les élèves pourraient façonner l’hélice de différentes manières et voir de quoi elle a l’air sur l’écran. Ils pourraient s’assurer qu’elle se tourne vers la bonne direction et que toutes les dimensions soient correctes avant de l’imprimer. »

L’imprimante 3D Dimension utilise la technologie FDM dans laquelle un filament de matière plastique est introduit dans une tête d’extrusion, puis chauffé à l’état semi-liquide. En suivant un parcours d’outil défini par un fichier CAO, la tête dépose le matériau avec précision sous forme de couches fines de 0,005 pouce. Le modèle est construit de bas en haut, une couche à la fois.

Etant donné que le budget pour l’achat de l’imprimante 3D professionnelle provenait d’une subvention unique, trouver une imprimante à bas prix a été essentiel, selon Christensen. L’imprimante Dimension concocte ces pièces pour environ 7$ par pouce cube. « Une fois que les étudiants ont une hélice dans leurs mains, ils peuvent tester et apporter des modifications s’ils le souhaitent », a dit Christensen. « Il arrive souvent que quelqu’un dessine un accessoire dans le sens contraire des aiguilles d’une montre au lieu du contraire. C’est une erreur qu’on fait facilement. En raison du faible coût des matériaux, nous pouvons rectifier l’erreur et réimprimer la pièce immédiatement. Un modèle d’hélice marine chez un magasin de modélisme pourrait coûter 35$ ou plus. L’imprimante Dimension le crée pour environ 10 $ ou moins. Cette imprimante 3D était vraiment la seule option que nous avions. »

A l’origine, l’idée était d’utiliser les hélices imprimées pour réaliser un moule en plâtre avec le processus de coulage traditionnel. Christensen ne pensait pas que les hélices qui viennent d’une imprimante seraient assez robustes. Les lames avaient seulement une épaisseur de 1/8 pouce, une largeur de 1 pouce et un diamètre total de 2,5 à 3 pouces. « Nous avons pensé qu’une lame provenant d’une imprimante romprait immédiatement », dit-il, « mais ce n’était pas le cas. » En fait, les étudiants ont pris leurs bateaux radiocommandés pour les tester à la course dans un étang glacé à proximité du collège. « Nous n’avons pas prévu la glace sur l’étang », a déclaré Christensen. « Cela a été un véritable test pour les hélices. Ils ont été un peu endommagés, mais aucun d’entre eux n’a échoué. »

« Une équipe a créé une hélice semi-immergée qui a un diamètre de 5 pouces et qui est équipée de six pales incurvées », a dit Christensen. « L’hélice a eu un look affreux, presque effrayant. Mais elle a bien fonctionné, a fourni une poussée raisonnable et a diverti la foule avec sa grande « queue de coq». Il n’y avait aucun autre moyen plus raisonnable de réaliser l’hélice qu’avec l’imprimante 3D Dimension. »

Sans l’imprimante, les élèves auraient fabriqué une plaque tournante en métal et soudé les lames sur elle. « Nous n’aurions jamais obtenu les angles ou les courbes avec précision », a dit Christensen. « Nous aurions pu sculpter les hélices dans de la styromousse, puis les jeter. Mais, nous n’aurions pas pu obtenir cette forme exacte. Cela se serait fait par supposition et par chance. Former quelque chose avec de la cire et la couler après ne nous permettrait pas d’avoir les mêmes précision, exactitude et fun. La sculpture aurait pris beaucoup de temps s’il faut bien faire les choses. D’ailleurs, cela ne fait pas partie du contenu du cours. « Un autre avantage de l’imprimante 3D est que les hélices pourraient être faites dans la nuit. Ainsi, le processus ne piétine pas les heures de cours. « Si nous avions dû les couler ou les former d’une autre manière, cela aurait pris au moins 5 heures sur les heures de cours », dit Christensen. Le moulage aurait été une option moins coûteuse pour la fabrication des hélices, mais il n’a pas intéressé Christensen. « L’imprimante nous a permis de faire beaucoup de choses qui auraient été impossibles avec une quelconque autre manière », a-t-il dit. « Cela a du sens. »

Etant donné que ce cours est un cours d’introduction, beaucoup d’étudiants commencent juste à explorer l’ingénierie comme des grands. Néanmoins, la technologie FDM a peut-être fait la différence pour certains. « Sur les 44 élèves de ma classe, plus de 20 d’entre eux ont dit que ce projet a influencé leur décision à poursuivre une importante technologie dans le domaine de l’ingénierie », a dit Christense.

« Lorsque les élèves impriment une pièce, ils font immédiatement face à leur manque d’attention aux détails au début du processus », a déclaré Christensen. « Ils apprennent que 1/6 de pouce compte vraiment. L’imprimante 3D rajoute de la valeur à ce que nous enseignons. C’est une nouvelle voie d’apprentissage. Il n’y a pas que le professeur qui dit quelque chose. Les étudiants peuvent effectivement voir si quelque chose fonctionne ou pas. La qualité devient plus intrinsèque. L’imprimante a apporté beaucoup à ma classe. »