TIC Educa 2016: Impressão 3D em TIC

Notas da apresentação no TIC Educa, dia 9 de setembro de 2016.

Slide 1 - Sou aquilo que está entre vós e o almoço. Tentarei ser breve. O que realmente tenho para transmitir não se expressa por palavras; é o sentimento de entusiasmo por, há cerca de ano e meio, ter o gosto de brincar na sala de aula com esta tecnologia fabulosa, que torna o virtual táctil. Brincar, entenda-se, naquele sentido que Seymour Papert deu ao conceito nas suas ideias sobre o potencial criativo e educativo das tecnologias digitais. Experimentar, aprender, criar: um delicioso ciclo vicioso!

Slide 2: Introdução - Aquele olhar. O olhar de “eu fiz isto”.  É isto, no fundo, este despertar da curiosidade e das capacidades das crianças. Ao mergulhar no mundo da impressão 3D, a sensação que temos é a de algo de fundamentalmente novo, cheio de possibilidades que começam agora a ser afloradas. Qualquer que seja o primeiro passo, a sensação de “olá mundo” é fortíssima. Poderá a curto prazo trazer mais valias pedagógicas? Intuímos que sim, sublinhando que ainda resta um longo caminho experimental e de investigação que permita aferir valência e metodologias que permitam introduzir e potenciar esta tecnologia em contextos educativos.

Slide 3: Conceitos - O que é a impressão 3D? Sem querer entrar em muitos detalhes, é a manufactura de um objecto criado digitalmente em camadas de materiais sucessivamente depositadas por um robot controlado por computador. Há muitas variantes desta tecnologia, desde a solidificação de polímeros com lasers, denominada estereolitografia, patenteada por Chuck Hull em 1986, ao depósito de filamento termoplástico derretido. Destas, a que tem encontrado maior aceitação junto da comunidade (por uma combinação de simplicidade com o caducar de patentes) é a impressão por depósito de filamento, comummente referida por FDM (fused deposition modeling, termo sob copyright pela Stratasys) ou FFF (Fused Filament Fabrication)/PJP (Plastic Jet Printing).

A entrada de algumas patentes em domínio público, o custo progressivamente inferior de hardware, o crescimento do movimento maker e projectos como o RepRap (replicating rapid prototyper) tornaram a impressão 3D cada vez mais acessível e possível de utilizar por todos os interessados.

Slide 4: Impressoras - No campo das impressoras 3D, a oferta é crescente. O mercado oferece uma cada vez maior variedade de marcas e fabricantes, quer em kit quer montadas, mas essencialmente dividem-se em quatro tipos: as Prusa, geralmente em kit para montar; as Delta, em kit; as semi-abertas, caso da beethefirst, ou as fechadas, caso da makerbot e similares. Variam na orientação dos eixos, tipo de extrusor, calibração da mesa e modo de deslocação da cabeça de impressão. Requerem software específico: um slicer-controlador, que fatia os modelos nas camadas e gera o código G (controle das posições de deslocação do extrusor e temperatura do nozzle). A maior parte deste software (Cura, Replicator G, Beesoft) são open source, apesar de poderem estar associados a impressoras específicas.

Slide 5: Modelos 3D - Dispor de modelos 3D é essencial para imprimir em 3D. Neste slide mostramos dois muito especiais: o Carocha de Ivan Sutherland, o primeiro objecto real a ser digitalizado através de um meticuloso processo manual de traçagem e medição das coordenadas de pontos, executado pelos alunos de Sutherland sobre o carro da sua mulher em 1967;  e a Chaleira de Utah, criada em 1975 por Martin Newell para testar métodos matemáticos de representação de superfícies. Newell seguiu a sugestão da esposa e replicou a chaleira do seu serviço de chá para aplicar manualmente a metodologia.

Sutherland é uma daquelas personalidades da história das TIC da qual pouco falamos. Devemos-lhe boa parte do uso do computador como ferramenta artística. O seu trabalho de investigação iniciou-se com um dos primeiros sistemas de desenho no computador, o sistema Sketchpad. Para além de investigar métodos de modelação 3D, também desenvolveu o Damocles, um dos primeiros sistemas de realidade virtual imersiva.

O bule de Utah e o carocha de Sutherland têm significado para além dos primórdios da computação gráfica. São ícones culturais, referenciados de forma subtil em filmes de animação 3D por animadores que homenageiam estes marcos percursores das correntes técnicas avançadas de modelação 3D.

Slide 6: Modelos 3D - Há duas formas de ter modelos 3D para imprimir. A mais simples é pesquisar em repositórios online como o Thingiverse, Shapeways, Sketchfab, ou Sculpteo, entre outros, parte deles associados a serviços de impressão. Para quem conhece os formatos de ficheiros 3D, os repositórios de modelos 3D para rendering, animação, arquitectura e game design também são uma boa fonte de objectos imprimíveis, embora possam requerer bastante trabalho de correcção e conversão para o formato STL.

É na modelação 3D que o potencial da impressão mais se liberta. As ferramentas de modelação 3D colocam nas nossas mãos o poder de conceber objectos. Introduzem aos alunos metodologias de trabalho, levam a um esforço mental de representação abstracta. O colocar nas mãos de cada um os meios para criar os seus próprios objectos, algo que requer confluência de criatividade, cultura e conhecimentos técnicos que estruturam competências de concepção, desenho, visualização e modelação 3D é para nós a mais importante valência para os nossos alunos.

Slide 7: Software - O campo das aplicações de modelação 3D é muito vasto. Em todas é possível criar modelos para impressão 3D, embora pelas suas características intrísecas algumas se ajustem mais facilmente que outras. Normalmente, software de CAD permitem maior rigor na modelação para impressão 3D, enquanto as aplicações de modelação de superfícies, modelação por subdivisão ou mudbox, por estarem pensadas para rendering ou objectos de jogo, tornam mais difícil o respeito por algumas condicionantes que a fisicalidade da impressão traz ao processo de modelação. Outra forma de modelar é capturar o real através da digitalização 3D, quer com equipamentos dedicados quer com aplicações de fotogrametria. Onde modelar? Tanto na workstation poderosa como no tablet.

Slide 8: Processos - Nas primeiras experiências em sala de aula analisámos e implementámos três opções de utilização rápida pelos alunos: 3D scanning, modelação por primitivos, e modelação rigorosa em Sketchup Make. O 3D scanning permite digitalizar objectos físicos a partir de fotografias e aplicações de fotogrametria. Modelação por primitivos é um dos mais antigos processos de modelação em 3D, através da justaposição de formas geométricas para modelar objetos complexos. Utilizar o Sketchup Make para modelação 3D é uma das mais populares opções entre os nossos alunos, requerendo rigor e atenção à integridade do modelo durante a modelação.

Slide 9: Processos - Preparar modelos para imprimir não é um processo automático e requer alguns procedimentos que variam de acordo com o tipo de modelo. Antes de imprimir é necessário converter para STL (formato de ficheiro para impressão 3D), fazer redução da mesh (diminuir a contagem de polígonos), solidificar (eliminar geometria interior e intersecções), e validar o ficheiro. Usamos uma combinação de ferramentas que inclui o Meshlab (converter e redução da mesh), Meshmixer (solidificar) e netfabb (operações de correcção automatizadas, validação, corte nos eixos). Só depois se importa para o software de slicing e impressão (beesoft, no nosso caso). São operações efectuadas por tentativa e erro, que ainda não conseguimos implementar na sala de aula.


Slide 10: Impressão 3D e Educação - Estaria a mentir se viesse para aqui apresentar soluções “pronto a fazer” neste domínio. É um facto que a impressão 3D despertou o interesse dos professores, e promete um enorme potencial educacional. Mas como tirar partido desta tecnologia? O ser uma área recente implica que não hajam ainda muitos estudos formais ou experiências documentadas. Mas as impressoras nas escolas multiplicam-se e com elas as experiências e ideias de projecto partilhadas. Aproximar e desmistificar a tecnologia aos alunos é um primeiro passo, mas o potencial é mais vasto. Parece assentar em dimensões artísticas, utilizando a modelação e impressão como forma de expressão; demonstração, com os modelos impressos a tornar tangíveis e acessíveis conceitos abstactos; e, onde o potencial parece ser mais interessante, em projectos do tipo PBL, que integrem diferentes áreas do conhecimento em projectos práticos. Conceber para imprimir despoleta novas competências nos alunos, e é uma excelente oportunidade de colocar o A de Artes nas CTEM.


Slide 11: Impressão 3D e Educação - Este é o nível mais elementar, o mostrar, introduzir, desmistificar e aproximar esta tecnologia. Começa por aqui, colocando uma ferramenta avançada nas mãos dos alunos, despertando-lhes a criatividade. No nosso contexto específico, interessava-nos um produto simples de usar, acelerando a utilização com alunos em sala de aula. A utilização decorre em duas vertentes: como recurso de apoio a projectos interdisciplinares, e na disciplina de TIC na sequência da aprendizagem de modelação 3D elementar na abordagem das metas curriculares (Coelho, 2014).

A forma que consideramos mais rica de explorar o potencial da impressão 3D é através de projectos interdisciplinares, em que os alunos mobilizam conhecimento e aprendizagem de diversas áreas na concepção e produção de objectos específicos. É, em nossa opinião, uma das mais ricas formas de exploração das TIC em geral e impressão 3D em particular nos contextos pedagógicos.

É o caso deste, que denominámos de Matéria Digital, em parceria entre as áreas curriculares de TIC e Educação Visual. Tínhamos como objectivos construir bonecos articulados e recriar de utensílios de cozinha, com alunos dos 2.º e 3.º ciclos. Podem ver nas imagens quer os resultados quer momentos do processo de trabalho. Em Educação Visual foram exploradas metodologias de trabalho projectual e conteúdos relativos, enquanto TIc abriu espaço à modelação 3D com Sketchup. A impressão efectiva dos objectos teve de ser efectuada fora dos momentos desta actividade, uma vez que o tempo de impressão de um objeto é demorado e não se adequa à duração média de uma sessão de trabalho de 90 minutos.

No cruzamento de saberes de áreas científicas, artísticas e tecnológicas no desenvolvimento de projetos, este tipo de projectos incentiva a utilização criativa de meios digitais avançados. Seguimos aqui o caminho da experiência de introdução da impressão 3D, mas este tipo de metodologia apresenta resultados muito ricos com outras vertentes tecnológicas.

Slide 12: Impressão 3D e Educação - Four projects, from my classroom:
Learning 3D modeling concepts, in ICT class, using Sketchup Make and Tinkercad.
3D printed molecules: a STEM interdisciplinary project, where ICT contributes with the design side.
3D printed bookmarks: how can we introduce this technology to all our students? With this project students create a bookmark from one of their drawings.
Object redesing: an interdisciplinary project between Arts and ICT class. In arts students study re-design choices for common objects, apply methods of graphical/geometric representation, create prototypes in clay. In ICT, 3D modeling is used for digital design of the arts project.

Slide 13: Impressão 3D e Educação - O interesse pela integração de impressão 3D na educação básica é crescente, especialmente no domínio das CTEM. Não resisto a destacar, a título de exemplo, o trabalho possibilitado por esta app para iOS. Infelizmente, para aqueles que trabalham com tablets do ecossistema android, as escolhas são mais limitadas. Pessoalmente não encontro uma app android capaz destas valências do morphia. Mostra como o 3D printing liberta a imaginação e dá às crianças uma nova forma de explorar aprendizagem e criatividade. Destaco estes porque para além de programarem a app também se dedicam a experimentar, colocando a impressão de 3d nas mãos de crianças, focalizada com conceitos das CTEM. E são um de entre dos muitos que cada vez exploram mais activamente estes campos.

Ideias rápidas? Existem, e começa a haver literatura sobre o tema. Focalizando entre TIC e CTEM, as actividades de concepção e impressão em 3D de objectos para jogos de lógica, módulos para pavimentações, elementos para construção de sólidos ou engrenagens funcionais. Já nos domínios artísticos pode passar pela modelação e captura 3D, reinventando objectos artísticos como forma de apropriação de linguagens artísticas e desenvolvimento de percepção espacial.

Slide 14: Impressão 3D e Educação - O que é que eu preciso de ter para inciar projectos de impressão em 3D? Principalmente, ideias e objectivos definidos. O interesse e fascínio nesta tecnologia é muito elevado, e corre-se o risco de investir num equipamento que se esgota após algum tempo. Convém pesquisar, investigar, analisar, e perceber qual a forma que nos é mais adequada para tirar partido desta tecnologia. Cada um de nós terá a sua resposta a esta questão, dependendo dos seus contextos e objectivos. Não reflectir sobre este aspecto traz o risco de investir num equipamento cujo interesse se esgota assim que a curiosidade fica satisfeita. Ter à partida objectivos de abordagem bem definidos ajuda a tirar melhor partido desta tecnologia e a justificar um investimento financeiro que é ainda bastante elevado.

Slide 15: Obrigado! Bom apetite para o almoço.