Apprentissages - module 2

2.1. L’impression 3D, de l’âge de pierre à l’ère du numérique

Dès la préhistoire, nos ancêtres ont façonné différentes matières à de multiples fins. De la pointe de flèche en silex ayant servi à la chasse en passant par les piliers des temples, nos techniques autant que nos matériaux et nos connaissances à leur sujet ont évolué. L’impression 3D s’inscrit en continuité avec ces transformations des matériaux. Son développement marque le commencement de ce que certains considèrent aujourd’hui comme la quatrième révolution industrielle. Créée dans les années 1980 afin d’avoir un système de prototypage rapide (le prototypage se définit comme “la création d'un modèle de travail de produit matériel ou logiciel, qui permet au concepteur, lors des tests, d'identifier les problèmes et de les corriger au fur et à mesure, avant que le produit ne soit mis en production” (OQFL, 2000)), la première imprimante 3D créée fonctionnait par une technique alors appelée « stéréolithographie » ; la première de différentes techniques qui la suivront.

SLA-250, première imprimante 3D

2.2. Principes et méthodes de l’impression 3D

Contrairement à l’usinage qui façonne un objet par le retrait de matière (une méthode soustractive), l’impression 3D fonctionne par fabrication additive, c’est-à-dire par l’ajout de matière par empilement de couches successives (“fabrication additive”, 2018).

Comparaison de la méthode additive et de la méthode soustractive

Pour bien comprendre la distinction entre l’usinage et la fabrication additive, nous pouvons comparer la sculpture sur pierre à l’impression 3D. Avant de créer un objet tridimensionnel physique, un sculpteur sur pierre peut en faire un plan sur un médium traditionnel (p. ex., du papier) ou un logiciel de modélisation. Quant à l’impression 3D, le plan doit être fait dans un environnement digital (un logiciel) afin de transmettre à l’imprimante les informations relatives à sa création dans un langage informatique. Un sculpteur sur pierre souhaite créer un objet trois dimensionnel en façonnant une pierre à l’aide d’outils faits de différents matériaux solides (p. ex., un ciseau à pierre fait de métal et de bois.). Bien que le souhait de celui qui réalise une impression 3D soit le même que le sculpteur, ses outils sont différents puisqu’il utilisera une machine (une imprimante 3D) pour façonner sa matière première. Finalement, alors que le sculpteur de pierre enlève de la pierre à l’aide de ses outils, l’impression 3D en ajoute de manière à ce qu’elle prenne forme (Karon, 2016).

2.2.1. Le dépôt de matière fondue (FDM)

Bien que l’impression 3D par dépôt de matière fondue ne soit pas la première à avoir été inventée (il s’agit plutôt de la stéréolithographie), cette méthode de fabrication additive est celle utilisée par la grande majorité des imprimantes 3D que l’on retrouve dans les classes. Ce procédé mécanique consiste à déposer un fil de matière par l'intermédiaire d’une buse. C’est d’ailleurs ce type d’imprimante qui, dans les prochains modules, sera utilisée à titre d’exemple.

Impression par dépôt de matière fondue

2.2.2. La stéréolithographie

Utilisée pour la fabrication d’objets avec beaucoup de détails (p. ex., en joaillerie), la stéréolithographie transforme un liquide (p. ex., de la résine polymère) en un solide. Sur une plateforme mobile au-dessus d’un réservoir de liquide, un faisceau de lumière ultraviolet est tiré sur le liquide pour créer la première couche durcie de l'objet. En abaissant la plateforme pour permettre à plus de liquide de recouvrir la première couche, l'opérateur de la machine peut construire la deuxième couche au-dessus de la première. Chaque couche doit se connecter à celle de dessous ou à une structure de support qui peut être enlevée plus tard pour empêcher l'objet de flotter hors de position lorsque les nouvelles couches sont ajoutées et que plus de polymère fluide y est versé (Horne, et Hausman, 2017). Bien que cette méthode soit la première à avoir été inventée, il ne s’agit pas de celle de la grande majorité des imprimantes 3D que l’on retrouve dans les classes.

Impression par stéréolithographie

2.2.3. La fusion sélective par laser

La fusion sélective par laser est une méthode d’impression 3D par laquelle un laser balaye une fine poudre et la fait fondre par couches successives. La solidification a lieu directement après l'arrêt du laser. Cette méthode permet de produire de pièces métalliques et a été développée notamment pour l’expérimentation et la construction de certaines pièces de moteurs utilisées par la NASA (“Fusion sélective par laser”, 2018).

Impression par la fusion sélective par laser

2.3. Les catégories d’imprimantes par dépôt de matière fondue (FDM)

Puisque l’impression 3D par dépôt de matière fondue est la méthode de fabrication additive utilisée par la grande majorité des imprimantes 3D que l’on retrouve dans les classes, intéressons-nous aux différentes catégories d’imprimantes qui fonctionnent selon ce principe. En effet, différents types d’imprimantes existent pour cette même technologie et pour comprendre ce qui les distingue nous en explorerons quatre : cartésienne, delta, polaire et avec un bras robotisé.

2.3.1. Imprimante cartésienne

Technologie la plus simple et la plus courante, l’imprimante cartésienne fonctionne par addition de couches successives sur une surface définie par les axes cartésiens X, Y et Z. Alors que le plateau sur lequel repose le modèle imprimé se déplace sur l’axe des Z, la buse dépose la matière en se déplaçant sur les axes X et Y.  On peut comparer ce système à une grue déplaçant sa tête au-dessus d’une plaque de construction et s’abaissant une couche à la fois à mesure que l’objet est construit (Horne et Hausman, 2017 ; Renard, 2017).

Imprimante cartésienne

2.3.2. Imprimante delta

D’abord conçue afin d’accélérer le processus d’impression (mais pas nécessairement aussi précise), l’imprimante delta repose sur un cadre plus simple que l’imprimante cartésienne puisque le plateau d’impression est fixe et que c’est la buse d’impression qui effectue des mouvements dans les axes X, Y et Z, ce qui nécessite un seul moteur. Fixée à trois points dans une structure triangulaire, la buse d’impression se déplace de haut en bas (Horne et Hausman, 2017 ; Renard, 2017).

Imprimante delta

2.3.3. Imprimante polaire

Inspiré de l’étoile Polaire, le fonctionnement de l’imprimante polaire est basé sur la rotation d’un plateau autour d’un point fixe, que l’on peut comparer à un tour à poterie. Le plateau se déplace également sur un axe (X ou Y) alors que la buse d’impression bouge de haut en bas. En employant deux moteurs (alors qu’il en faut au moins trois pour les imprimantes cartésiennes), l’imprimante polaire possède une efficacité énergétique relativement grande en plus de pouvoir imprimer de grands objets tout en utilisant moins d’espace (Horne et Hausman, 2017 ; Renard, 2017).

Imprimante polaire

2.3.4. Imprimante avec un bras robotisé

L’imprimante 3D munie d’un bras robotisé est en développement et certains prévoient qu’elle sera de plus en plus utilisée à des fins industrielles. Similaire à l’imprimante polaire, mais sans le plateau mobile, le bras robotisé tourne autour d’un point fixe et peut avancer ou reculer. Articulée, la buse d’impression bénéficie ainsi d’un positionnement flexible, ce qui permet de créer des structures complexes. Par exemple, certaines entreprises utilisent cette technologie pour la construction de maisons par exemple (Horne et Hausman, 2017 ; Renard, 2017).

Imprimante avec un bras robotisé

2.4. Potentiel pédagogique de l’impression 3D

L’impression 3D possède un grand potentiel pédagogique. Il est possible de faire des liens entre son utilisation et les visées des programmes de formation, et ce, autant pour l’acquisition de savoirs, que le développement des compétences ou l’intégration des matières.

2.4.1. Le développement des compétences

Selon Scallon (2007), “toute situation de compétence doit déboucher sur une production. Sinon, il n’y aurait pas de réalité observable porteuse d’indices-clés pour inférer la compétence visée. Cette production doit répondre à des exigences ou respecter des contraintes inhérentes à la situation-problème présentée” (p. 159). Scallon (2007) poursuit en mentionnant que “dans la foulée des approches pédagogiques les plus récentes et du renouveau en évaluation, le réalisme ou l’authenticité des situations prend son importance : alors qu’il faut motiver l’élève avant de commencer une activité d’enseignement et d’apprentissage, il faut lui présenter des défis qui ont pour lui une signification même en situation d’évaluation” (p. 159).

Lorsqu’un apprenant s’engage dans une situation d’apprentissage dans laquelle il modélise puis imprime en 3D, cela mène à une production tangible, soit l’objet imprimé, en plus des différents artefacts virtuels créés en cours de route.

L'impression 3D a été inventée afin de permettre au concepteur de créer des prototypes et, lors des tests, d'identifier les problèmes et de les corriger au fur et à mesure, avant que le produit ne soit mis en production. Pour cette raison, cette technologie s’avère des plus pertinentes pour favoriser l’apprentissage de l’itération : “Les élèves apprennent que lorsqu'il y a un problème, vous pouvez revenir en arrière et le résoudre ensemble, au lieu d'abandonner des idées imparfaites. Dès leurs débuts, les étudiants sont exposés à la réflexion conceptuelle et la capacité d'itérer sur le travail encourage la créativité, l'innovation et de meilleurs produits finaux“ (Formlabs, 2018).

En plus de devoir avoir une bonne planification en raison des nombreuses étapes précédant l’impression 3D, l’élève pourra faire une itération à chacune de ces étapes et adopter un fonctionnement souple afin de poursuivre le développement de sa compétence à se donner des méthodes de travail efficaces.

2.4.2. L’intégration des matières

En somme, il est important de mentionner que l’impression 3D, en contexte pédagogique, n’est pas une fin en soi, mais un moyen. Alors qu’on la sait capable d’être utilisée dans différents domaines, force est de constater qu’il existe souvent une “pollinisation croisée”, une intégration des matières entre ces derniers : par exemple, les connaissances d’un informaticien ou d’un mathématicien sont nécessaires afin d’imprimer une prothèse conçue grâce à l’expertise d’un médecin spécialiste. Dans nos salles de classe, il n’existe donc pas une seule et unique manière de l’utiliser. Par exemple, bien que la modélisation 3D d’un prototype fasse appel à des compétences davantage liées à l’informatique (p. ex., être capable d’interagir dans un environnement informatique), l’impression de la pièce pourrait favoriser les apprentissages dans d’autres disciplines. Comment ? En concrétisant certaines théories par l’entremise de l’impression 3D, il est possible de créer davantage de liens entre la théorie et la pratique. Par exemple, les objets imprimés pourraient être utilisés pour créer des systèmes et ainsi appuyer l’exploration de certaines lois de la physique (p. ex., le principe du levier). Certains élèves ayant de la difficulté à développer leur intérêt envers les sciences et les technologies, favoriser une meilleure représentation des notions théoriques est susceptible de susciter leur intérêt et de favoriser leur compréhension (Lacasse, 2018).

2.4.3. Des liens avec les programmes

En mathématiques, il suffit de survoler les Programmes de formation pour faire des liens entre les cours et ce qu’il est possible de faire à l’aide d’une imprimante 3D ou d’un logiciel de modélisation 3D. Voici quelques exemples en lien avec les programmes de la formation générale des adultes. :

Représentations géométriques (P104)

• Les proportions : Village de mini-maisons : les élèves doivent modéliser des maisons selon des instructions données.

• Production de représentation : Pièces mécaniques pour un robot (EV3, NXT, p. ex., le bras). Sinon, une boite avec des instructions et à l’intérieur il y a une forme espérée (mystère). L’élève doit recréer la forme qui soit la plus fidèle.

Arithmétique appliquée aux finances (1101)

• Calculs avec les quatre opérations sur les nombres rationnels (l’aide de la calculatrice, de techniques de calcul mental et d’algorithmes de calcul écrit) : l’élève doit créer un codex ou en résoudre un qui lui est proposé.

Modélisation algébrique (2101)

• Périmètre-aire-volume : Forme à remplir et aire totale (p. ex., deux feuilles qui sont pliées différemment, mais qui ont la même capacité). Créer deux formes qui ont le même volume ou la même aire.

• Exprimer le nombre de tuiles nécessaire pour recouvrir une surface en fonction de l’aire d’une tuile et de l’aire de la surface : Avoir une surface, demander à l’élève de couvrir l’espace avec une tuile. Lui demander si, avec une autre dimension de tuile, cela en prend autant.

Représentations et transformations (2102)

• Décomposition d’un solide complexe en solides simples : Montrer un objet à l’élève (ou le laisser choisir une forme), lui demander de le refaire avec le logiciel en utilisant les formes prescrites. L’imprimer (facultatif).

Modélisation algébrique et graphique (3051)

• Représentation par un modèle algébrique ou graphique : L’élève doit déterminer quelle longueur de fil sera nécessaire afin de réaliser une impression 3D. Pour y arriver, il doit modifier les paramètres d’impression. Il doit modéliser graphiquement et algébriquement.

Collecte de données (3052)

• Organisation et interprétation de données statistiques : L’élève doit prendre des mesures et compter combien de temps est nécessaire pour imprimer un objet.