Uso de Impresoras 3D en la Escuela:

La Experiencia de 3drucken.ch

Gregor Lütolf

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 diseñados en computadoras pueden ser impresos y prototipados en tres dimensiones (3D). La teoría se convierte rápidamente en objetos físicos 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: diseñar, imprimir y calcular objetos 3D. • Geografía: relieves (1) • Arte: diseñar e imprimir diversos objetos. • Ciencia: imprimir modelo de moleculas. • Música: Imprimir instrumentos simples.

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

Descripción del proyecto: “Güggeltown: Los estudiantes imprimen su propia ciudad” (4)

Preparación del proyecto

El proyecto se llevó a cabo desde agosto del 2012 hasta enero del 2013 a través de 16 clases (de 90 minutos cada una) de dibujo técnico (5) con alumnos de 14 a 15 años de 8º y 9º grado en Steffisburg. Fueron dirigidos por Kurt Meister, de la escuela de Steffisburg y Gregor Lütolf, de la Universidad para la Educación de Profesores de Bern.

Antes de comenzar el proyecto se evaluaron las distintas impresoras 3D disponibles. La primera elección, la BfB 3DTouch, resultó tener diversas limitaciones: es grande, pesada, imprime lentamente y sin mucha precisión, 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 categorías de velocidad, precisión y mejor hardware abierto en la edición de noviembre de 2012 de la revista Make (7).

Para el modelado 3D fue necesario un software CAD. Tras evaluar distintos productos, se decidió usar Tinkercad (8), un programa de diseño basado en la nube. Se utilizó este en combinación 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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Realización del proyecto Introducción a Tinkercad

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

Esbozos de barcos realizados en Tinkercad por los estudiantes

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Introducción a Sketchup

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

Primer contacto con la impresora

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

Los primeros objetos impresos se esperan con interés

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GüggelTown está creciendo

Inspirado en un proyecto KIDETM (12) cada estudiante hizo el boceto de un edificio para su pequeña ciudad llamada GüggelTown. Los espacios designados en el mapa de la ciudad tenían diferentes tamaños y formas.

Restricciones:

• El tamaño de los objetos estaba limitado. • Los espacios no debían solaparse. • Cada dimensión tenía una medida máxima de 20 cm • El volumen no podía 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 prediseñada. 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.

Impresión

Una vez listos los modelos los diseños fueron impresos uno a uno en la Ultimaker. A pesar de haber optimizado las configuraciones (llenado de sólo 5%) aún les tomó 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 imprimiéndose

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Presentación final

La presentación final de GüggelTown para los padres y demás interesados se organizó durante la última 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 través de distintos puntos de información. El evento fue bien recibido por los padres, además de ganar la atención de la prensa local (14).

Presentación final que muestra GüggelTown

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Conclusión: ¿Qué aprendimos de este proyecto?

Nos sorprendió el alto nivel de motivación 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 motivación se debió a la presencia de la impresora 3D, lo que les dio la oportunidad de convertir sus ideas y modelos en objetos físicos.

Otras fuentes de motivación fueron las herramientas de software gratuitas y fáciles de usar, la posibilidad de usar las computadoras disponibles en el horario de la clase y la libertad de diseñar y construir los objetos con los que soñaban. Algunos alumnos tenían más experiencia que otros usando software CAD, mientras que otros debieron trabajar incluso en casa en el diseño de sus edificios. Al final, todos los estudiantes crearon un diseño imprimible propio. Tambien incentivamos a los alumnos más experimentados para que ayudaran a sus compañeros.

Gastos materiales y temporales

La impresión 3D en la escuela implica una inversión de tiempo bastante alta. La adquisición y ensamblaje de la impresora también requiere bastante tiempo. Adicionalmente, es necesario familiarizarse con los controles de la impresora. Podría ser útil fomentar la colaboración entre las escuelas y centros de educación mas avanzados. En este caso, el centro puede concentrarse en la

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preparación técnica 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 días, durante las horas de trabajo de la Universidad de Educación para Profesores de Bern. A pesar de la gran inversión en tiempo y esfuerzo que representa para un profesor, resulta ser una buena inversión al darle la comprensión de la mecánica subyacente de la impresora 3D, conocimiento valioso a la hora de resolver problemas que puedan surgir con la máquina.

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 plástico para impresión (PLA) lo que costó unos 200€. La escuela de Steffisburg pagó aproximadamente 150€ por la impresión de las piezas en el mapa de la ciudad y financió el evento final. En este cálculo no se incluyen las incontables horas de trabajo dedicadas a ensamblar la Ultimaker, familiarizarse con los controles y el proceso de impresión desde la idea hasta el producto terminado.

Algunas piezas del ensamblado de Ultimaker

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Concepto didáctico

El aprendizaje independiente es posible a través 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 diseños 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 través de lectura y escritura ya que es aprendizaje a través 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 código

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 estén 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 podría ser automáticamente generado.

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Objetivo a largo plazo: Fab-Lab en la escuela

Un Fab-Lab es un taller de alta tecnología donde se pueden encontrar máquinas tales como impresoras 3D, cortadoras láser y máquinas CNC. El primer Fab Lab lo inció en 2002 Neil Gershenfeld en el MIT. Hoy en día muchos Fab Labs de este estilo existen en todo el mundo (15). Un Fab Lab en la escuela daría acceso a este proceso de producción 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/