Uso de Impresoras 3D en la Escuela:

La Experiencia de 3drucken.ch

Gregor Ltolf

University of Teacher Education Bern (PHBERN), Switzerland gluetolf@gmail.com

Impresoras 3D en la escuela

Las impresoras 3D de bajo costo comienzan a introducirse en el ambiente escolar, generando nuevas posibilidades educativas. Los modelos diseados en computadoras pueden ser impresos y prototipados en tres dimensiones (3D). La teora se convierte rpidamente en objetos fsicos que pueden ser manipulados. Los estudiantes pueden trabajar con herramientas modernas que marcan pauta a nivel mundial.

Ejemplos de aplicaciones para diversos temas escolares:

Matematicas: disear, imprimir y calcular objetos 3D. Geografa: relieves (1) Arte: disear e imprimir diversos objetos. Ciencia: imprimir modelo de moleculas. Msica: Imprimir instrumentos simples.

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Existen muchas otras opciones disponibles limitadas principalmente por nuestra imaginacin, ms que por limitaciones tcnicas. Muchos modelos pueden encontrarse en Internet, en Thingiverse (2) o 3D Warehouse (3).

Descripcin del proyecto: Gggeltown: Los estudiantes imprimen su propia ciudad (4)

Preparacin del proyecto

El proyecto se llev a cabo desde agosto del 2012 hasta enero del 2013 a travs de 16 clases (de 90 minutos cada una) de dibujo tcnico (5) con alumnos de 14 a 15 aos de 8 y 9 grado en Steffisburg. Fueron dirigidos por Kurt Meister, de la escuela de Steffisburg y Gregor Ltolf, de la Universidad para la Educacin de Profesores de Bern.

Antes de comenzar el proyecto se evaluaron las distintas impresoras 3D disponibles. La primera eleccin, la BfB 3DTouch, result tener diversas limitaciones: es grande, pesada, imprime lentamente y sin mucha precisin, y su funcionamiento se basa en software y hardware cerrado.

Relieve de Matterhorn generado a partir de datos

DEM, impreso en 3D

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Luego de consultar las comunidades en redes sociales y las

respuestas a nuestras investigaciones publicadas en el blog http://3drucken.ch decidimos comprar dos kits de ensamblaje de Ultimaker (6). Esta impresora fue premiada como el mejor producto en las categoras de velocidad, precisin y mejor hardware abierto en la edicin de noviembre de 2012 de la revista Make (7).

Para el modelado 3D fue necesario un software CAD. Tras evaluar distintos productos, se decidi usar Tinkercad (8), un programa de diseo basado en la nube. Se utiliz este en combinacin con la herramienta gratuita Sketchup (9) con un plugin (10) adicional para exportar los datos a la impresora 3D.

BIB 3Dtouch a la izquierda; Ultimaker a la derecha

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Realizacin del proyecto Introduccin a Tinkercad

Para introducir a los estudiantes en el proceso de modelado en computadora se les dio la tarea de disear un barco. La nica ayuda que recibieron fue un documento tutorial sobre Tinkercad. El profesor no dio ninguna indicacin adicional.

Esbozos de barcos realizados en Tinkercad por los estudiantes

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Introduccin a Sketchup

Durante las siguientes lecciones, los estudiantes se familiarizaron con Sketchup de igual forma, a travs de tutoriales (11).

Primer contacto con la impresora

Se explic a los estudiantes los pasos involucrados en trabajar con una impresora 3D, como el modelado, el rebanado (slicing) y la impresin por equipos.

Los primeros objetos impresos se esperan con inters

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GggelTown est creciendo

Inspirado en un proyecto KIDETM (12) cada estudiante hizo el boceto de un edificio para su pequea ciudad llamada GggelTown. Los espacios designados en el mapa de la ciudad tenan diferentes tamaos y formas.

Restricciones:

El tamao de los objetos estaba limitado. Los espacios no deban solaparse. Cada dimensin tena una medida mxima de 20 cm El volumen no poda superar los 600 cm3

Ideas

Los estudiantes hacen sus bocetos en papel.

Primer borrador de la idea de un estudiante

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Dimensiones

Cada estudiante escoge un boceto y lo dibuja en una hoja de proyecto prediseada. Ademas de esto definen las dimensiones del dibujo CAD. Modelado en CAD (13)

Usando una de las herramientas anteriormente presentadas, Tinkercad o Sketchup, los estudiantes crearon los modelos de sus edificios paso a paso.

Impresin

Una vez listos los modelos los diseos fueron impresos uno a uno en la Ultimaker. A pesar de haber optimizado las configuraciones (llenado de slo 5%) an les tom 120 horas imprimir todas las piezas. Debido a esto la mayor parte de las impresiones se dejaron ejecutando a lo largo de la noche.

Uno de los edificios imprimindose

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Presentacin final

La presentacin final de GggelTown para los padres y dems interesados se organiz durante la ltima clase. Los estudiantes presentaron el esquema de trabajo de la impresora 3D en vivo usando la Ultimaker. Los resultados del proyecto y los pasos necesarios para alcanzarlos se presentaron a travs de distintos puntos de informacin. El evento fue bien recibido por los padres, adems de ganar la atencin de la prensa local (14).

Presentacin final que muestra GggelTown

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Conclusin: Qu aprendimos de este proyecto?

Nos sorprendi el alto nivel de motivacin de los alumnos durante todo el proyecto. Apenas faltaron a alguna de las clases, aunque tuvieran otros eventos a los que asistir. Con base en nuestras observaciones y en la respuesta que obtuvimos de los estudiantes, parte de la motivacin se debi a la presencia de la impresora 3D, lo que les dio la oportunidad de convertir sus ideas y modelos en objetos fsicos.

Otras fuentes de motivacin fueron las herramientas de software gratuitas y fciles de usar, la posibilidad de usar las computadoras disponibles en el horario de la clase y la libertad de disear y construir los objetos con los que soaban. Algunos alumnos tenan ms experiencia que otros usando software CAD, mientras que otros debieron trabajar incluso en casa en el diseo de sus edificios. Al final, todos los estudiantes crearon un diseo imprimible propio. Tambien incentivamos a los alumnos ms experimentados para que ayudaran a sus compaeros.

Gastos materiales y temporales

La impresin 3D en la escuela implica una inversin de tiempo bastante alta. La adquisicin y ensamblaje de la impresora tambin requiere bastante tiempo. Adicionalmente, es necesario familiarizarse con los controles de la impresora. Podra ser til fomentar la colaboracin entre las escuelas y centros de educacin mas avanzados. En este caso, el centro puede concentrarse en la

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preparacin tcnica de los equipos mientras la escuela se concentra en el programa educativo.

El tiempo y esfuerzo requeridos para construir la Ultimaker fue de unos dos das, durante las horas de trabajo de la Universidad de Educacin para Profesores de Bern. A pesar de la gran inversin en tiempo y esfuerzo que representa para un profesor, resulta ser una buena inversin al darle la comprensin de la mecnica subyacente de la impresora 3D, conocimiento valioso a la hora de resolver problemas que puedan surgir con la mquina.

El costo total calculado fue de 3500. El costo de cada kit de ensamblaje de la ultimaker fue de 1500. Ademas de esto fue necesario comprar herramientas y filamento plstico para impresin (PLA) lo que cost unos 200. La escuela de Steffisburg pag aproximadamente 150 por la impresin de las piezas en el mapa de la ciudad y financi el evento final. En este clculo no se incluyen las incontables horas de trabajo dedicadas a ensamblar la Ultimaker, familiarizarse con los controles y el proceso de impresin desde la idea hasta el producto terminado.

Algunas piezas del ensamblado de Ultimaker

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Concepto didctico

El aprendizaje independiente es posible a travs de todo el proceso. Comenzando por la idea y terminando con el objeto impreso. La impresora 3D es una herramienta segura y sin riesgo para ser utilizada por los alumnos. El proceso iterativo es conveniente para las clases ya que los diseos pueden ser adaptados y reimpresos en cualquier momento. En consecuencia, se puede desarrollar un producto paso a paso. Adicionalmente, es una buena alternativa al aprendizaje a travs de lectura y escritura ya que es aprendizaje a travs de actividad.

Modelos 3D imprimibles

Los modelos 3D digitales pueden hacerse de tres formas distintas: Con un programa de CAD A partir del escaneado de un objeto existente Generados a partir de cdigo

Para ser imprimibles, esos modelos digitales deben cumplir otros

criterios. Se debe evitar a toda costa los huecos en los modelos y se debe asegurar que las superficies estn bien ajustadas. Los elementos con detalles muy intrincados pueden perderse en el proceso de rebanado. Debemos evitar los objetos sin base. Pero, en caso necesario, el soporte podra ser automticamente generado.

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Objetivo a largo plazo: Fab-Lab en la escuela

Un Fab-Lab es un taller de alta tecnologa donde se pueden encontrar mquinas tales como impresoras 3D, cortadoras lser y mquinas CNC. El primer Fab Lab lo inci en 2002 Neil Gershenfeld en el MIT. Hoy en da muchos Fab Labs de este estilo existen en todo el mundo (15). Un Fab Lab en la escuela dara acceso a este proceso de produccin moderno a todos los alumnos interesados.

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Referencias 1 http://www.3drucken.ch/p/reliefs.html

2 http://www.thingiverse.com/

3 http://sketchup.google.com/3dwarehouse/?hl=en&ct=lc

4 http://www.3drucken.ch/p/gueggeltown.html

5 http://www.3dgeometrie.com/

6 http://ultimaker.com/

7http://www.makershed.com/Make_Ultimate_Guide_to_3D_Printing_p/1449357377.html

8 https://tinkercad.com/ (cerrado en March 26th, 2013)

9 http://www.sketchup.com/

10 http://www.guitar-list.com/download-software/convert-sketchup-skp-files-dxf-or-stl

11 http://www.3dgeometrie.com/2011/03/sketchup-grundlagen-der-bedienung.html

12 http://www.playkide.com/

13 http://www.3dgeometrie.com/2012/11/gueggeltown-von-der-2d-skizze-zum-3d.html

14 http://tt.bernerzeitung.ch/region/thun/Schueler-drucken-ihre-eigene-Stadt/story/24268666

15 http://fab.cba.mit.edu/about/labs/