La stampa 3D nell'istruzione

La stampa 3D, o produzione additiva, è una tecnica di produzione che crea un oggetto tridimensionale a partire da un file di progettazione assistita da computer (CAD). Il termine comprende diversi processi che vedono uno o più materiali - tipicamente plastica, metallo, cera o materiali compositi - essere depositati strato per strato per costruire una forma.

L'intero processo è controllato da un computer, il che rende la stampa 3D un metodo economico, efficiente e preciso per creare oggetti di qualsiasi geometria o complessità. Oggi la stampa 3D è utilizzata in tutti i settori industriali per produrre prototipi, strumenti e maschere, componenti e parti per uso finale.

Le stampanti 3D sono disponibili in varie dimensioni, da quelle sufficientemente piccole da stare su un banco di lavoro alle macchine industriali di grande formato.

Le stampanti di grandi dimensioni possono produrre oggetti più grandi, ma le macchine occupano più spazio e costano molto di più delle stampanti da banco. Anche su una stampante di grande formato è più complesso ottenere una stampa di successo, a causa del volume di materiale e dei tempi di stampa necessari.

I vantaggi della stampa 3D in ambito educativo sono molteplici, tra cui:  

Contribuire a mantenere gli studenti impegnati
Semplificare argomenti e concetti complicati
Dare vita a idee teoriche
Incoraggiare la collaborazione
Introdurre gli studenti ai moderni processi di produzione
Preparare gli studenti al futuro lavoro e alla carriera
Produrre sussidi didattici accessibili e completamente personalizzabili

In pochi decenni, i computer hanno trasformato radicalmente l'esperienza di insegnamento e apprendimento. La stampa 3D nell'istruzione avrà un impatto altrettanto profondo e positivo, ma in tempi molto più brevi.

La stampa 3D è diventata uno strumento fondamentale per migliorare il processo di apprendimento di scolari, apprendisti, studenti universitari, ricercatori e insegnanti. La tecnologia affina le capacità creative e pratiche, dà vita a concetti e teorie e offre un ambiente di apprendimento attivo.

Grazie alla stampa 3D, gli studenti hanno la libertà di progettare, pensare, creare e confrontarsi con il mondo in modi nuovi e significativi. Inoltre, l'entusiasmo e l'interesse che circondano la stampa 3D aumentano il coinvolgimento degli studenti, soprattutto di quelli che preferiscono le esperienze pratiche.

La stampa 3D consente agli studenti di ogni livello di produrre oggetti unici e molto complessi che sarebbe difficile, se non impossibile, realizzare in altro modo. Inoltre, tali progetti possono essere realizzati in modo rapido, semplice e personalizzato. Un altro vantaggio è l'opportunità di familiarizzare con una tecnologia utilizzata in un'ampia gamma di settori e professioni.

Diversi fattori sono alla base della rapida crescita della stampa 3D nel settore dell'istruzione, come un maggiore apprezzamento della tecnologia e dei suoi vantaggi e il database in continua espansione di risorse e guide didattiche open-source. Le stampanti 3D sono inoltre diventate più accessibili e convenienti, oltre che più intuitive e facili da usare, cosa importante per gli utenti più giovani e alle prime armi.  

Se inizialmente la stampa 3D nell'istruzione si concentrava sulle lezioni di scienze, tecnologia e arte, la tecnologia è sempre più utilizzata in quasi tutte le materie, dalla storia alla matematica, dalla geografia al teatro. Le stampanti sono diventate comuni anche nei laboratori di ricerca universitari, nei centri di formazione professionale, nei doposcuola e nelle biblioteche.

Tuttavia, l'uso della stampa 3D nell'istruzione è tutt'altro che onnipresente. Non tutte le scuole o i centri di formazione ne hanno una e quelle che ce l'hanno tendono a usarle per un numero limitato di applicazioni. La situazione potrebbe cambiare quando la tecnologia diventerà più economica e un numero maggiore di persone ne conoscerà e comprenderà i vantaggi.

L'aumento delle piattaforme di produzione on-demand e dei makerspace comunitari, molti dei quali offrono servizi di stampa 3D, potrebbe essere un'opzione per le scuole che non sono in grado di acquistare e gestire un proprio parco stampanti. I produttori e i distributori di stampanti 3D offrono anche sconti sulle apparecchiature per scopi didattici con guide didattiche, materiali e piani di lezione gratuiti.

La stampa 3D nel campo dell'istruzione aiuta a sviluppare un'ampia gamma di competenze, sia direttamente che indirettamente, a tutti i livelli di apprendimento. Le più comuni sono:

• Progettazione e creatività
• Alfabetizzazione informatica, in particolare per quanto riguarda gli strumenti di progettazione digitale
• Risoluzione di problemi
• Modellazione 3D
• Pensiero critico e ricerca
• Lavoro di squadra e comunicazione
• STEM (scienza, tecnologia, ingegneria, matematica)
• Persistenza e miglioramento iterativo
• Visualizzazione e consapevolezza spaziale 
• Imprenditorialità  

Quasi tutti gli insegnanti utilizzano una qualche forma di ausilio fisico all'apprendimento in classe. Si va da semplici diagrammi e modelli a esperimenti in scala reale o a oggetti di scena che aiutano a dare vita a un libro di fiabe.

Secondo uno studio della Michigan Technological University, la stampa 3D di ausili didattici open-source invece di acquistarli da rivenditori come Amazon potrebbe far risparmiare agli insegnanti fino all'86%. 

Lo studio ha valutato diversi esempi di ausili didattici, che vanno da un orologio e un puzzle della tavola periodica a modelli del Colosseo e della Grande Muraglia cinese. I ricercatori hanno analizzato la funzionalità, i rapporti di massa, la sicurezza e il consumo energetico, oltre ai costi di stampa e di assemblaggio, per determinare un costo di stampa in dollari al chilogrammo.

Questo studio ha anche dimostrato che gli insegnanti di tutto il mondo stanno adottando la stampa 3D nell'istruzione. I risultati mostrano che l'ausilio didattico medio valutato nello studio è stato scaricato più di 1.500 volte e presumibilmente stampato altrettante volte.

I ricercatori hanno concluso che la stampa 3D nell'istruzione non solo fa risparmiare denaro alle scuole, ma fornisce anche un ritorno sull'investimento superiore al 100%. Secondo uno dei ricercatori, "è chiaro che la stampa 3D di vari ausili didattici consente un elevato risparmio in classe e a scuola in quasi tutti i contesti".

Le applicazioni della stampa 3D nel campo dell'istruzione sono illimitate; l'unica limitazione è l'immaginazione di insegnanti e studenti. Alcuni degli usi più comuni sono:

INSEGNAMENTO DELL'AIDS
Le stampanti 3D possono creare modelli ultra-realistici e accurati di quasi tutto, da oggetti del passato e del presente a modelli che illustrano principi scientifici o matematici. Tra gli esempi vi sono pianeti, scheletri, veicoli, edifici, manufatti storici e una vite di Archimede.

Questi modelli aiutano gli insegnanti a spiegare meglio cos'è un oggetto, come funziona e come interagisce nel mondo reale. La possibilità di tenere in mano, ispezionare e manipolare un oggetto offre agli studenti un'esperienza didattica più ricca e interattiva rispetto a un diagramma o a una fotografia.

I GIOCHI
Le ricerche dimostrano che l'uso dei giochi nell'insegnamento contribuisce ad aumentare la partecipazione degli studenti, a rafforzare l'apprendimento e a costruire abilità sociali come la collaborazione e la comunicazione. Esistono numerosi esempi di puzzle didattici stampati in 3D. Si va da semplici strumenti, come puzzle e giochi per insegnare frazioni e decimali, a complessi set per la costruzione di ponti.  

DESIGN DEL PRODOTTO
Per molto tempo, gli studenti sono stati in grado di rispondere ai compiti solo in modo teorico. Negli studi di economia, ad esempio, agli studenti viene spesso chiesto di identificare un bisogno e di progettare un prodotto che lo soddisfi. Raramente il prodotto viene realizzato, almeno non nella sua forma finale e commercializzabile. La stampa 3D cambia le cose.

Gli studenti possono ora progettare, testare, perfezionare e creare un prodotto finito che può essere lanciato e venduto. I lotti di prodotti possono essere realizzati in modo rapido, economico, locale e in piccole quantità. Possono anche essere personalizzati e modificati in base al feedback del mercato. Sempre più aziende hanno origine da progetti in classe e la stampa 3D è un fattore chiave per molte di esse.    

L'OTH di Ratisbona (OTH) è una delle più grandi università tecniche della Germania meridionale e offre più di 45 corsi di laurea a 11.000 studenti. L'OTH è anche sede del Sensorik-Applikationszentrum (SappZ), un centro in cui gli studenti utilizzano la ricerca applicata e l'ingegneria, in combinazione con la stampa 3D, per sviluppare applicazioni di sensori per l'industria automobilistica, medica, industriale, elettronica e meccanica.

SappZ è un'interfaccia cruciale tra le attività di ricerca dell'università e il mondo delle imprese e dell'industria. È un polo di innovazione dove i concetti diventano realtà. La stampa 3D ha avuto un impatto profondo sul centro grazie alla sua velocità, precisione e capacità multi-materiale.

La stampa 3D ha trasformato il modo in cui gli studenti progettano e producono oggetti con precisione e funzionalità superiori. Gli studenti e i ricercatori del SappZ utilizzano la tecnologia PolyJet dell'innovativo fornitore di soluzioni di stampa 3D Stratasys. PolyJet offre un'ampia varietà di materiali che ha aperto una vasta gamma di applicazioni per gli studenti.

Il centro stampa tipicamente in 3D parti funzionali grandi e piccole con geometrie molto complesse e precise. Si tratta di alloggiamenti per sensori e prototipi meccanici, oltre che di parti per le attrezzature di laboratorio e gli allestimenti sperimentali, nonché di progetti con altri dipartimenti.

L'accesso alla stampa 3D ha aumentato la qualità dei progetti degli studenti e, cosa ancora più importante, sta cambiando la loro mentalità. Eliminando le limitazioni inerenti alle tecniche di produzione tradizionali, la stampa 3D consente agli studenti di progettare e creare senza barriere. Chi può sapere quali innovazioni si apriranno in futuro?

La stampa 3D nell'istruzione ha un impatto positivo di vasta portata sull'esperienza di apprendimento. La tecnologia offre opportunità di crescita quasi illimitate per tutte le età, i livelli di competenza e le materie.

Le entusiasmanti innovazioni sono guidate da miglioramenti nella qualità e nei dettagli degli oggetti stampati (noti come risoluzione), dalla flessibilità e dalla maggiore facilità d'uso. Tuttavia, ci sono dei limiti all'uso della stampa 3D nell'istruzione.

COSTO
Chi non ha familiarità con questa tecnologia potrebbe pensare che portare la stampa 3D in classe sia troppo costoso. Tuttavia, esistono opzioni di stampa a prezzi accessibili e alcuni produttori di macchine offrono sconti per l'istruzione.

Anche i governi riconoscono la spinta che la stampa 3D può dare all'istruzione e hanno dedicato programmi di finanziamento per aiutare le scuole ad acquistare le stampanti e a formare gli insegnanti a utilizzarle in modo efficace.

Tuttavia, la stampa 3D ha un costo, sia iniziale per quanto riguarda le stampanti stesse, sia ricorrente per la sostituzione di materiali di consumo come i materiali di stampa e la manutenzione ordinaria.

MANCANZA DI FAMILIARITÀ
Sebbene la sua diffusione sia in aumento, la stampa 3D nel settore dell'istruzione non è ancora una realtà diffusa, sicuramente al di fuori degli istituti tecnici e delle università. Gli insegnanti potrebbero non essere consapevoli di come la stampa 3D possa migliorare e arricchire il curriculum o di come possa essere facilmente integrata nelle lezioni.

Per le scuole che hanno acquistato una stampante 3D, questa mancanza di familiarità può far sì che la macchina rimanga inutilizzata. Per quelle che non l'hanno fatto, potrebbe significare che l'investimento non è mai stato fatto.   

In risposta a questa sfida, molti produttori e distributori di stampanti offrono oggi formazione, risorse e supporto agli educatori per integrare con successo la stampa 3D nel curriculum.

SCELTA LIMITATA DI MATERIALI
La stampa 3D di materiali pregiati o pesanti come metalli, compositi e plastiche ingegnerizzate richiede una stampante grande e sofisticata. Queste macchine specializzate sono molto più costose e complicate da utilizzare rispetto ai modelli desktop. Per questo motivo, attualmente si trovano solo in istituti di istruzione superiore come college, università e centri di formazione specifici per l'industria.    

Le scuole primarie (elementari) e secondarie (superiori) e, sempre più spesso, le biblioteche e i makerspaces delle comunità sono in genere limitati alle stampanti 3D entry-level. Queste macchine stampano solo in determinate materie plastiche, spesso acido polilattico (PLA) e acrilonitrile butadiene stirene (ABS).

Un pinguino africano in via di estinzione al Mystic Aquarium, nel Connecticut, è stato trovato con un tendine flessore non funzionante nella caviglia. Proprio come una lesione al tallone d'Achille di una persona, un danno al tendine dei flessori di un pinguino provoca dolore e difficoltà di movimento.

Una volta identificata la lesione, il personale veterinario è intervenuto con uno stivale fatto a mano per immobilizzare, proteggere e sostenere il piede danneggiato. Tuttavia, il team di cura degli animali sapeva che la stampa 3D sarebbe stata più resistente, meno ingombrante e avrebbe richiesto meno tempo rispetto alla realizzazione a mano dello stivale.

Il Mystic Aquarium ha portato questa idea alla scuola media di Mystic, che aveva recentemente acquistato una stampante 3D tramite ACT Group, un partner locale del pioniere mondiale della stampa 3D 3D Systems.

Lavorando in squadra, Mystic Aquarium, ACT Group e gli studenti si sono uniti per progettare e stampare in 3D un nuovo stivale per il piccolo uccello. Con la guida anatomica del personale veterinario del Mystic Aquarium e la formazione tecnica di ACT Group, gli studenti hanno guidato il processo di progettazione e produzione.

Hanno iniziato con la scansione di un calco della zampa del pinguino e poi hanno usato un software per personalizzare il file con dettagli quali battistrada, cerniere e chiusure. Una volta soddisfatti del progetto, lo hanno stampato in 3D con la stampante 3D ProJet multimateriale di 3D Systems.

Questa stampante consente di stampare e miscelare contemporaneamente materiali flessibili e rigidi per ottenere resistenza ed elasticità personalizzate. Lo stivale risultante ha ottenuto l'effetto desiderato in termini di durata, peso e vestibilità, consentendo alla pinguina di camminare e nuotare come gli altri suoi simili.