CONSTRUÇÃO DE INSTRUMENTOS DIDÁTICOS COM IMPRESSORAS 3D Leonardo De Conti Dias Aguiar – [email protected]Unesp, Faculdade de Ciências, Pós Graduação em Educação para a Ciência Bauru - SP Wilson Massashiro Yonezawa – [email protected]Unesp, Faculdade de Ciências, Departamento de Computação Av. Eng. Luiz Edmundo C. Coube 14-01. Geisel Bauru - SP Resumo: Este trabalho mostra como instrumentos didáticos para o ensino de ciências podem ser desenvolvidos com a utilização da tecnologia de impressão 3D. A utilização deste tipo de tecnologia requer cuidados e planejamento. Um modelo de processo descreve passo a passo como um professor pode trabalhar com ela. A construção dos objetos físicos necessários para uma demonstração investigativa no ensino de física é utilizado como exemplo para ilustrar e discutir cada etapa do modelo de processo. Ao final o texto mostra como o conhecimento gerado pode ser divulgado, compartilhado e reutilizado pelos educadores. Palavras-chave: Ensino de ciências, Instrumentação para o ensino de ciências, Impressão 3D, Ciência e tecnologia. 1 INTRODUÇÃO A técnica chamada hoje de impressão 3D teve sua primeira patente publicada em março de 1986 e registrada por Charles W. Hull em 1984 (Figura 1). Formado em engenharia física, registrou um método de construir objetos tridimensionais denominado estereolitografia (stereolitography). A técnica consiste em solidificar camadas de um fotopolímero (similar a uma resina), utilizando a luz. As impressoras mais atuais desse tipo utilizam um aparato simples: um projetor de alta resolução, igual aos utilizados em apresentações de slides, projetando imagens sobre um recipiente repleto de resina e com uma plataforma que se movimenta verticalmente. O processo inicia-se com essa plataforma quase no topo do balde; uma imagem é projetada por alguns segundos sobre a fina camada de resina causando uma solidificação com o formato da imagem projetada. Em seguida essa plataforma desce alguns micrômetros e novamente uma imagem levemente diferente da anterior é projetada para solidificar mais uma camada; assim, de camada em camada, uma solidificada sobre a outra, forma-se o objeto tridimensional. Em uma entrevista para uma rede de televisão americana,
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Unesp, Faculdade de Ciências, Departamento de Computação
Av. Eng. Luiz Edmundo C. Coube 14-01. Geisel
Bauru - SP
Resumo: Este trabalho mostra como instrumentos didáticos para o ensino de ciências podem
ser desenvolvidos com a utilização da tecnologia de impressão 3D. A utilização deste tipo de
tecnologia requer cuidados e planejamento. Um modelo de processo descreve passo a passo
como um professor pode trabalhar com ela. A construção dos objetos físicos necessários para
uma demonstração investigativa no ensino de física é utilizado como exemplo para ilustrar e
discutir cada etapa do modelo de processo. Ao final o texto mostra como o conhecimento
gerado pode ser divulgado, compartilhado e reutilizado pelos educadores.
Palavras-chave: Ensino de ciências, Instrumentação para o ensino de ciências, Impressão
3D, Ciência e tecnologia.
1 INTRODUÇÃO
A técnica chamada hoje de impressão 3D teve sua primeira patente publicada em março
de 1986 e registrada por Charles W. Hull em 1984 (Figura 1). Formado em engenharia física,
registrou um método de construir objetos tridimensionais denominado estereolitografia
(stereolitography). A técnica consiste em solidificar camadas de um fotopolímero (similar a
uma resina), utilizando a luz. As impressoras mais atuais desse tipo utilizam um aparato
simples: um projetor de alta resolução, igual aos utilizados em apresentações de slides,
projetando imagens sobre um recipiente repleto de resina e com uma plataforma que se
movimenta verticalmente. O processo inicia-se com essa plataforma quase no topo do balde;
uma imagem é projetada por alguns segundos sobre a fina camada de resina causando uma
solidificação com o formato da imagem projetada. Em seguida essa plataforma desce alguns
micrômetros e novamente uma imagem levemente diferente da anterior é projetada para
solidificar mais uma camada; assim, de camada em camada, uma solidificada sobre a outra,
forma-se o objeto tridimensional. Em uma entrevista para uma rede de televisão americana,
Charles Hull disse que teve essa ideia pela primeira vez em 1983, quando trabalhava em uma
pequena empresa fazendo o endurecimento de revestimentos de mesas utilizando ultravioleta.
Alguns anos depois, Scott Crump contribuiu com o desenvolvimento das impressoras
3D. Sua patente foi registrada em 1989 e descrevia um aparato para criar objetos
tridimensionais (Figura 2). O equipamento utilizava o método de modelagem por fusão e
deposição (Fused Deposition Modelin - FDM). O principal objetivo da sua invenção era
facilitar a prototipagem na engenharia. O método de uma impressora 3D FDM é similar a uma
impressora jato de tinta, mas com um tipo de pistola de cola quente no lugar do cartucho de
tinta. Além do movimento em duas direções que há nas impressoras normais, adiciona-se
terceiro eixo para permitir que essa pistola de cola quente vá para cima e para baixo. Com o
movimento nas três direções, o bico da impressora 3D deposita fios de material derretido,
normalmente plástico, uns sobre os outros, até formar o objeto tridimensional. Por ter um
funcionamento mais simples que a esterolitografia, o FDM é hoje o método dominante nas
impressoras 3D de uso pessoal; a estereolitografia ficou mais restrita a aplicações
profissionais, como o design de produtos, engenharia e manufatura.
Figura 1 – Imagem-esquema registrada na
patente de Charles Hull.
Fonte: USPTO (1986) 1
Figura 2 – Imagem-esquema registrada na
patente de Scott Crump.
Fonte: USPTO (1992) 2
Em 2003, Sparks et al. (2004) realizaram um workshop sobre prototipagem rápida através
do uso de impressoras 3D para alunos e professores de ensino médio do St. Louis Community
College no Florissant Valley, Missouri, EUA. O objetivo foi expor essa técnica e analisar o
seu impacto dela na escolha das profissões dos alunos. Os participantes relataram que
conseguiam ver conexões entre os tópicos do workshop com o que estavam ensinando, no
caso dos professores, ou aprendendo, no caso dos estudantes. Dentre os relatos obtidos, um
aluno disse: “Há uma conexão entre este curso e a disciplina Álgebra II”; um professor
também deu sinais positivos: “Definitivamente, como professor de matemática, eu vejo
conexões matemáticas e geométricas no desenho, elaboração e na produção do protótipo”.
1 Hull, Charles W., "Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography." U.S. Patent 4.575.330,
publicada em 11 de março de 1986. 2 Crump, S. Scott, "Apparatus and method for creating three-dimensional objects." U.S. Patent 5.121.329, publicada em 9 de
Junho de 1992.
Em Outubro de 2013, o Departamento para a Educação do Governo do Reino Unido
divulgou um relatório sobre um projeto de utilização de impressoras 3D em 21 escolas com a
finalidade de enriquecer o currículo do ensino de ciências, tecnologia engenharia e
matemática. As escolas receberam recursos pra adquirir a impressora 3D, suprimentos e
suporte. O principal objetivo era investigar o potencial da impressão 3D como forma de
estímulo e inovação na maneira de ensinar. O relatório afirma que várias escolas reportaram
que houve altos níveis de motivação nos alunos quando eles se engajavam nesse projeto. O
diretor da escola de ensino médio Settlebeck na cidade de Sedberg do Condado de Cúmbria,
norte da Inglaterra, afirmou: Todos os alunos que estiveram envolvidos com as impressoras 3D até agora
ficaram inspirados com as possibilidades. A oportunidade para compreender
rapidamente um conceito ou ideia num objeto 3D é uma poderosa e incrível
ferramenta de ensino (DEPARTMENT FOR EDUCATION, 2013).
O objetivo deste artigo é apresentar um processo de uso da tecnologia de impressão 3D
na construção de instrumentos didáticos. O processo é divido em fases, começando com
seleção de conteúdo ou conceito científico, passando pela elaboração do plano de trabalho e
caminhando até a impressão física em 3D dos objetos.
2 ESCOLHENDO UMA IMPRESSORA 3D
A escolha de uma impressora 3D deve atender as necessidades da escola e dos usuários.
Pela experiência obtida com o uso delas e por sugestões encontradas no relatório do
Departamento para a Educação do governo inglês sobre o projeto piloto de impressoras 3D
em escolas, há alguns pontos devem ser considerados:
Quem irá usá-la (apenas professores? alunos também? a comunidade?);
Velocidade de impressão necessária;
Interface de comunicação entre a impressora 3D e o arquivo a ser impresso (porta
USB? cartão SD? os arquivos serão enviados pela rede?);
Custo dos suprimentos;
Facilidade de uso;
Compatibilidade da impressora com os sistemas operacionais em uso na escola;
Garantia e assistência técnica após a compra.
Este trabalho analisou três impressoras disponíveis no Brasil (figuras 3a, 3b e 3c) que
utilizam impressão FDM. A Tabela 1 apresenta as principais características das impressoras
estudadas.
(a)
(b)
(c)
Figura 3 – Impressoras 3D: (a) RepRap versão Prusa Mendel. Fonte: RepRap. (b) Cliever.
Fonte: Cliever Tecnologia; (c) Cube de 2ª Geração. Fonte: 3D Systems.
Tabela 1 - Características de três modelos de impressoras 3D segundo critérios que devem ser
levados em conta na hora da escolha de uma delas
RepRap3 Cliever4 Cube 25
Facilidade de uso Média Alta Alta
Custo da impressora Baixo
(R$ 2360, 00)
Baixo/médio
(R$ 4659,00)
Baixo/médio
(R$ 3998,00)
Custo dos suprimentos Baixo
(R$ 180/kg)
Baixo
(R$ 180/kg)
Médio/Alto
(R$ 590,63/kg)
Assistência técnica no
Brasil
Não, mas há uma grande e ativa
comunidade virtual para ajudar.
Sim Sim
Compatibilidade com
sistemas operacionais
Windows e Linux Apenas
Windows
Apenas
Windows
Interface de comunicação Normalmente USB, mas pode
ser customizada
USB USB, wifi e
Pendrive
3 PROCESSO DE UTILIZAÇÂO
Dentre inúmeras aplicações no contexto escolar, a impressão 3D pode ser utilizada na
recriação de atividades experimentais e modelos, como moléculas para o ensino de química e
cadeias de DNA para ilustrar aulas de biologia. A Figura 4 apresenta um processo de uso da
impressão 3D definido por etapas/atividades. Os retângulos representam etapas ou atividades
e as elipses informações necessárias.
A primeira etapa envolve a seleção de conteúdos e conceitos. A construção de um
instrumento didático inicia-se pela identificação do que se deseja alcançar com a utilização
dele: demonstrar e facilitar a compreensão de algum conceito; causar um conflito nas
concepções dos estudantes devido a um comportamento inesperado; gerar curiosidade nos
estudantes; etc. Uma vez definido o objetivo, é preciso elaborar um plano de construção.
Nesta etapa analisam-se as características materiais do objeto, sua geometria, medidas e como
elas influem no funcionamento, afinal, se o objetivo é construir uma hélice para auxiliar no
ensino de empuxo, não se pode desenhar cada pá com qualquer tamanho e ângulos, pois o
resultado não deverá ser exatamente o desejado. O plano de construção também deve
observar as restrições e facilidades da tecnologia de impressão 3D disponível para o
professor. Algumas vezes o objeto pode parecer isento de requisitos nas relações entre as
suas medidas, por exemplo, um professor deseja apenas um modelo atômico de uma molécula
de água (H2O) para usar como ilustração durante as aulas, mas se as esferas que representam
os átomos forem desenhadas com qualquer diâmetro, um aluno poderá questionar o professor:
“Por que as bolinhas são todas de tamanhos diferentes sendo que há apenas dois tipos de
átomos nas moléculas de água?”. Apesar de que desenhar uma imagem 3D no computador é
uma tarefa relativamente simples, ela não deve ser realizada sem critério.
Após a elaboração do plano de construção faz-se necessário à elaboração de esboços.
Esboços são rascunhos a respeito dos objetos que serão construídos, eles também auxiliam na
identificação de requisitos que devem ser atendidos quando os objetos forem construídos.
A etapa seguinte é a modelagem 3D, isto é, a representação virtual dos objetos. Esta etapa
requer a escolha e uso de ferramentas de software 3D. Está é uma etapa crítica visto que é
necessário conhecimento técnico específico. Nem sempre professores conhecem ou dominam
técnicas de modelagem 3D.
Figura 4 – Processo de utilização da tecnologia de impressão 3D no ensino
Para facilitar a modelagem 3D, é possível reutilizar modelos virtuais prontos ou similares
disponíveis em banco de dados de conteúdo aberto. Outra opção é digitalizar objetos reais,
que com a redução dos custos dos scanners 3D, esta opção passa a ser viável para as escolas.
Após a elaboração do modelo 3D ocorre a impressão 3D; etapa que depende de informações
do plano de construção onde foram observadas e consideradas as características e restrições
da impressora 3D alvo. Existem formatos comuns aceitos por diferentes fabricantes de
impressoras 3D. É importante considerar o tempo da impressão 3D, pois pode demandar
várias horas. O professor precisa considerar tal restrição dentro do seu plano pedagógico.
Como exemplo, o professor poderia trabalhar cada etapa em uma ou mais aulas.
A etapa final envolve a avaliação do objeto impresso bem como de todo o processo de
construção. A avaliação é um processo iterativo, isto é, deve ser refinado continuamente pelo
professor. Os próprios objetos produzidos, bem como os modelos virtuais desenvolvidos
podem ser compartilhados e reutilizados.
4 EXEMPLO DE USO
4.1 Entendendo o instrumento
No planejamento é necessário estudar o instrumento, os conceitos científicos, quais
características deve haver para que ele funcione de maneira adequada e o registro dessas
informações. Munido dos requisitos de funcionamento do instrumento, é possível definir as
medidas que o modelo 3D deverá ter para poder funcionar depois de impresso em 3D.
Um exemplo é a construção do experimento do Duplo Cone no Plano Inclinado. Neste
experimento o duplo cone produz uma aparente subida na rampa, contrariando a expectativa
de que ele deveria na verdade descê-la ao invés de subi-la. Inicialmente procurou-se algum
texto (Figura 5) que explicasse essa aparente subida e as condições a serem atendidas: ângulo
de inclinação e de abertura da rampa, ângulo de geração dos cones, etc. A informações
encontradas foram registradas em papel com todos os pontos que deveriam ser atendidos e a
partir daí foi possível projetá-lo considerando as características da impressora 3D alvo.
(a)
(b)
Figura 5 – (a) Duplo cone original fabricado por George Adams em 1759; (b) Vista lateral do
instrumento. Fonte: Medeiros & Medeiros (2003)
4.2 Observando as restrições da impressão 3D
As impressoras 3D são limitadas quanto ao volume de impressão. As medidas limites
podem ser diferentes em cada uma das três dimensões (X, Y e Z). Portanto é preciso atenção
no projeto do desenho dos instrumentos.
No exemplo do Duplo Cone no Plano Inclinado a impressora 3D escolhida limitava em
14 cm em todas as direções. Foi definido então que a maior medida do instrumento, o
comprimento da rampa, seria de 12 cm. A partir dela, utilizando as relações matemáticas entre
as medidas que obtidas no estudo do objeto, foram calculadas as demais medidas. Desta
forma o objeto foi desenhado dentro dos limites de impressão e ao mesmo tempo obedecendo
aos requisitos necessários para seu funcionamento. Se as dimensões do objeto excederem as
medidas permitidas pela impressora 3D, a impressão pode ocorrer em partes, isto é,
desenhando e imprimindo cada parte do separadamente e colando-as após impressas em 3D.
Outros pontos que devem ser levados em conta são a resolução de impressão e o material
utilizado na impressão, como o filamento plástico ABS6 ou PLA7, principalmente para
projetar objetos ocos, pois dependendo da espessura da casca desses objetos e sua finalidade,
por exemplo, o estudo da conservação do momento linear em colisões, a vida útil dele pode
acabar sendo inferior a desejada. Neste caso a sugestão seria de pelo menos 1 mm de
espessura nas paredes dos objetos ocos.
4.3 Elaborando esboços
Uma das etapas mais importantes é a elaboração de esboços. Esses esboços ou rascunhos
podem ser construídos usando o lápis e papel. É recomendável a elaboração de alguns
rascunhos do que se pretende desenhar e escolher um deles, visto que isso auxilia a próxima
etapa do processo que envolve a modelagem 3D dos objetos, isto é, a transformação de um
desenho em papel para um desenho virtual.
6 PLA: Poliácido lático. Termoplástico biodegradável derivado de recursos naturais como a mandioca e o milho 7 ABS: Acrilonitrila butadieno estireno. Termoplástico rígido e leve que apresenta alguma flexibilidade e resistência a
absorção de impactos
A Figura 6 mostra dois rascunhos feitos no planejamento da rampa do duplo cone e a
modelagem 3D da rampa concluída. Foi escolhido o segundo rascunho por parecer mais
simples de desenhar. Arcos e hastes foram desenhados na rampa simplesmente com a
finalidade de economizar material.
(a)
(b)
(c)
Figura 6 – (a) e (b) rascunhos da rampa; (c) Modelagem 3D da rampa concluída.
4.4 Modelando o objeto em 3D
Modelagem 3D é a criação de uma representação virtual tridimensional de um objeto
através de softwares especializados para essa tarefa. Análogo a um documento de texto que
uma impressora jato de tinta imprime, o modelo 3D de um objeto é o arquivo em que a
impressora 3D se baseará pra construir o objeto. É importante não confundir modelo 3D de
um objeto com uma simples imagem 3D. O modelo 3D é um objeto virtual. Ele pode ser feito
do zero, ou a partir de um modelo 3D de algum outro objeto que se queira editá-lo para
transformá-lo em outro, ou com a utilização de técnicas de digitalização 3D de objetos reais,
que podem ser feitas desde a utilização de uma câmera fotográfica digital comum, sensores de
movimento de videogames e scanners 3D dedicados a esta operação.
Utilizando objetos reais
Objetos reais podem ser digitalizados utilizando uma simples máquina fotográfica digital
ao tirar várias fotos contornando ele em 360º. Uma alternativa é a digitalização 3D feita com
scanners 3D8, (Figura 7). Esses equipamentos realizam um trabalho similar a de uma câmera
fotográfica, contudo neles há softwares controlando pra onde deve mover o scanner e
mostrando o resultado da união das fotografias em tempo real, isso permite posicioná-los nos
locais adequados durante a digitalização, gerando um modelo 3D razoavelmente fiel ao objeto
real. O modelo 3D gerado pelo scanner 3D necessita de poucas correções manuais.
Os scanners 3D podem ser aparelhos exclusivos para a digitalização 3D ou os sensores
de movimento como o Kinect para Windows da Microsoft9. Para utilizá-lo com essa
finalidade é necessário que ele esteja conectado a um computador que tenha instalado um
software, como o SCENET10, que faça o tratamento das imagens capturadas pelo sensor e em
tempo real mostre o resultado para que se faça a movimentação correta do sensor em torno do
objeto. A digitalização 3D de objetos reais reduz a complexidade e acelera o tempo de criação
de um modelo 3D. Contudo é preciso ficar atento a esta prática, apesar de ainda não haver
8 Scanner 3D de mão “Sense” da 3D Systems: <http://cubify.com/en/Products/Sense> 9 Kinect for Windows: < http://www.microsoft.com/en-us/kinectforwindows/> 10 SCENECT, software gratuito para digitalizar objetos com os sensores de movimento como o Kinect:
<http://www.faro.com/scenect/scenect>
uma regulamentação específica em leis, copiar objetos dessa maneira pode constituir violação
de direitos autorais.
Figura 7 – Digitalização 3D de objetos reais: (a) usando o scanner 3D de mão Sense. Fonte:
3D Systems. Fonte: SCENET.
Começando do zero
Tanto para começar um modelo 3D desde o início como para apenas a adaptação de um
existente, é necessário utilizar algum software de modelagem 3D. A escolha dele deve levar
em conta critérios técnicos, pessoais e econômicos.
Do ponto de vista técnico é preciso escolher um software compatível com os sistemas
operacionais dos computadores da escola e com a impressora 3D alvo.
Considerando que a modelagem 3D é uma atividade que requer certo conhecimento
técnico, e nem sempre os professores estão familiarizados com isso, deve-se, sempre que
possível, optar por um software de fácil aprendizagem e utilização. Aspectos econômicos
também precisarem ser considerados. Vários softwares desta natureza requerem licença de
uso. Entretanto é possível optar pelos gratuitos.
Embora existam inúmeros softwares disponíveis no mercado, três nomes são
reconhecidamente comuns nesta área: o Sketchup11, Blender12 e o Autodesk 3DS Max13. A
Tabela 2 comprara alguns dos critérios discutidos para a escolha do software de modelagem.
Tabela 2 - comparação entre três softwares de modelagem 3D
Sktechup Blender Autodesk 3DS Max
Compatibilidade com
sistemas operacionais
Windows e Mac OS Windows, Linux e Mac
OS
Apenas Windows
Facilidade de uso Fácil Médio Médio
Custo Versões gratuita e paga Gratuito Apenas pago
O software escolhido para a modelagem 3D do Duplo Cone foi a versão gratuita do
Sketchup. O software é adequado para usuários com pouca experiência com a modelagem 3D.
No projeto piloto de impressoras 3D nas escolas do governo inglês, a maioria das escolas
também utilizou o Sketchup.
Um importante auxílio para a modelagem 3D é a utilização de modelos 3D prontos. É
possível encontrar inúmeros deles à disposição em sites dedicados ao compartilhamento de
modelos 3D como o Grabcad14. Outra ferramenta são os vídeos instrutivos disponíveis em