L’impression 3D : une alternative pour améliorer le matériel pédagogique en laboratoire

À l’hiver 2019, le Cégep Édouard-Montpetit s’est muni d’imprimantes 3D. J’en ai utilisé une pour améliorer le matériel de différentes activités de laboratoire au Département de géologie et de physique.

Pour l’enseignement de la physique, on trouve souvent des montages qui semblent très beaux dans un catalogue, mais qui, dans la pratique, ne fonctionnent pas comme on voudrait et ne permettent pas aux étudiants de voir tout ce qu’on voulait leur montrer. Parfois, on veut apporter un petit changement à un appareil ou à un montage pour qu’il puisse mieux répondre à nos besoins. Dans une telle situation, une imprimante 3D peut nous aider!

Mon premier projet : une réglette pour étudier le mouvement rectiligne

Le premier laboratoire pour lequel j’ai utilisé une imprimante 3D est lié au cours Mise à niveau pour Physique de 5^e secondaire. Les enseignants désiraient créer un nouveau laboratoire au sujet du mouvement rectiligne uniformément accéléré.

Dans notre entrepôt, j’ai trouvé un ancien montage sur lequel il y avait une réglette de 10 cm avec des marques noires espacées d’un centimètre. Cette réglette peut être montée sur un chariot qu’on fait passer à travers une porte optique. La porte optique est connectée à un chronomètre qui mesure le temps entre le passage de 2 marques consécutives. Cela permet aux étudiants de tracer une courbe de position du chariot en fonction du temps et d’en calculer la vitesse moyenne. Néanmoins, ce montage avait été archivé depuis longtemps parce qu’il créait des incertitudes très élevées, à cause de la distance de séparation inadéquate entre les lignes de la réglette.

La réglette inadéquate dont nous disposions, montée sur le chariot

Pour résoudre ce problème, j’ai imaginé une nouvelle réglette que je pourrais imprimer en 3D en plastique (acide polylactique PLA) et qui arriverait à réduire les incertitudes dans le calcul de la vitesse de façon assez significative pour rendre notre montage utilisable.

La réglette que j’ai créée et imprimée en 3D

Créer la réglette n’a pas été une mince tâche! Je n’avais jamais fait imprimer un modèle 3D : il fallait créer le modèle dans un logiciel compatible avec l’imprimante. J’ai rencontré Cédric Corriveau-Mercier, le technicien en travaux pratiques de l’Espace Moebius. Il m’a suggéré le logiciel Tinkercad et m’a donné une petite formation sur son utilisation. En ce qui concerne le travail de design, je me suis rendu compte rapidement qu’il y avait beaucoup de détails à considérer. J’ai conçu plusieurs modèles, je les ai testés au fur et à mesure et je les ai améliorés chaque fois. Finalement, après quelques jours de travail, j’ai réussi à construire le modèle final. Je l’ai imprimé en 11 exemplaires pour l’utiliser au laboratoire. Le résultat est une réglette imprimée en 3D de 34 cm (la longueur maximale que permet notre imprimante Anycubic) avec des espacements de 3 cm et avec une base compatible avec nos chariots.

Après cette première réussite, j’ai réalisé toutes les possibilités que me permet l’impression 3D. Plusieurs enseignants de physique et techniciens en travaux pratiques sont souvent à la recherche de la démonstration parfaite, du modèle idéal, du laboratoire qui permet de montrer le phénomène tel qu’on le visualise dans notre tête. Les fournisseurs du matériel pédagogique de laboratoire ont du personnel qui y travaille chaque jour, mais quand les montages sont essayés par les enseignants, il y a, dans la plupart de cas, une certaine déception, car le modèle ne fonctionne pas exactement comme on le voudrait. Maintenant, avec l’impression 3D on a le pouvoir :

• de créer de nouvelles expériences
• de modifier celles qui existent déjà
• de prendre des morceaux de différents montages et de les combiner en ajoutant des pièces imprimées en 3D pour arriver au montage tel qu’on le souhaite.

Un autre exemple : fabrication d’une éolienne

Un autre laboratoire que j’ai amélioré à l’aide de notre imprimante 3D est celui des éoliennes, pour nos cours d’électromagnétisme. Les étudiants doivent fabriquer une petite éolienne. L’objectif est de mesurer la performance de l’éolienne pour ensuite l’améliorer. Cette activité d’apprentissage est répartie sur 2 périodes de laboratoire, soit 4 heures de classe.

Auparavant, on utilisait des feuilles de carton mousse comme support. Les étudiantes devaient mesurer et découper le carton, puis faire un trou pour y placer un roulement à billes qu’ils fixaient avec de la colle chaude. Ils devaient construire les bobines de cuivre et y ajouter les aimants et les pales. Afin d’améliorer la durabilité des supports et la qualité du matériel pédagogique, j’ai développé des disques imprimés en 3D avec une ouverture sur mesure pour les roulements à billes. L’avantage de l’utilisation de ces nouveaux disques est de réduire non seulement le volume d’achat et de déchets, mais aussi le temps que nos étudiants passent à bricoler pour faire leur éolienne. Le temps de fabrication des éoliennes a été réduit de 50%. Maintenant nos étudiants prennent moins de temps à construire leur premier modèle et ont plus de temps pour penser aux améliorations techniques à lui apporter pour augmenter sa performance.

Prototype d’éolienne fait avec des supports en carton mousse. Le roulement à billes est fixé avec de la colle chaude.

Sur les prototypes faits avec les supports imprimés en PLA, le roulement à billes est coincé dans le trou fait sur mesure.

D’autres projets

Plusieurs autres améliorations ont été réalisées dans les laboratoires et les démonstrations. De plus en plus d’enseignants sont intéressés par l’impression 3D et ont commencé à réfléchir à de nouveaux modèles qu’on pourrait utiliser dans l’enseignement. La possibilité d’imprimer des modèles en 3D nous permet d’imaginer des solutions pour toutes sortes de problèmes.

L’imprimante 3D est une de merveilles que nous offre la technologie. Elle nous permet de créer presque tout ce dont nous rêvons. Pour l’utiliser, vous aurez besoin d’un logiciel de conception 3D et d’un peu de temps pour l’apprivoiser. Heureusement, le plus difficile est de trouver le temps, parce les logiciels de modélisation 3D sont de plus en plus accessibles au grand public et certains sont même disponibles gratuitement. Alors, qu’allez-vous fabriquer bientôt?