Impressão 3D e Sustentabilidade: Notas (Sci-Fi Lx 2017)

Notas da apresentação de apoio ao workshop sobre Impressão 3D e sustentabilidade, a 15 de julho no festival Sci-Fi Lx 2017. A partilhar porque o tema do festival levou à exploração de outras vertentes desta tecnologia, que normalmente ficam de fora nas sessões dedicadas à modelação e impressão 3D.

Slide 1: Apresentação. Sessão inicia com exploração da impressora 3D, explicando os seus componentes, forma de funcionamento, conceitos. Participantes executam operações de carregamento de filamento, preparação de impressão e impressão 3D de um objecto, para ficar a conhecer o como imprimir e conceitos de resolução, densidade, raft, suporte, necessidade de estimativa e gcode.

Slide 2: Sou um professor que desde há algum tempo deixou de acreditar na importância da transmissão do conhecimento. Não me entendam mal. Claro que transmitir conhecimentos é essencial, é esse o fundamento da educação, conhecimentos são os tijolos que permitem a cada um de nós construir o seu saber. Mas creio que hoje temos de ir mais além, a mera aquisição de conhecimento não é suficiente, se é que alguma vez o foi. Soa a frase batida observar que os nossos alunos enfrentarão desafios hoje desconhecidos e terão empregos que ainda não existem. Algo que provavelmente se aplicou também à nossa geração e às que a antecederam, mas uma problemática para a qual só recentemente a educação despertou. Sem querer explorar muito esta ideia, que sai do âmbito desta sessão, digamos que é essencial permitir aos alunos desenvolver as suas capacidades individuais e, de forma equalitária, dar-lhes acesso a ferramentas avançadas contemporâneas. E dar-lhes condições para fazer algo. O descobrir que se é capaz de fazer, mais do que ver, mexer com uma tecnologia que só se pensava ver na televisão ou em eventos especiais, é o que explica o olhar na foto. O olhar "eu fiz isto", a conjugação de conhecimento com criatividade e ação, possibilitada pela tecnologia. O só conhecer não é suficiente.

Slide 3: Se modelar em 3D é fundamental para tirar verdadeiramente partido destas tecnologias, nem todos temos que o saber fazer para poder usar impressão 3D. Existem repositórios online, repletos de modelos que vão do útil ao bizarro, disponibilizados pela comunidade. São mais valias que podemos aproveitar, nos diferentes domínios. O problema, creio, está em ver este processo como um fim em si mesmo, em que imprimimos apenas o que descarregamos. Fascina, enquanto dura o factor novidade, mas depressa se esgota. O meu foco principal não é a impressão mas a modelação, é aí que o potencial desta tecnologia é despertado. No entanto, porque não aproveitar a abundância de recursos 3D disponíveis? Por exemplo, há uma diferença enorme entre mostrar, numa aula dedicada à escultura, imagens de obras de arte escultórica, e levar os alunos a tocar uma reprodução escultórica. Ressalvando que não é o original, é uma reprodução à escala num material termoplástico. Somos humanos, necessitamos do toque para sentir melhor o mundo que nos rodeia.

Slide 4: É recorrente ver nos media reportagens sobre este lado mais vistoso da impressão 3D. Casas impressas em 3D, comida… são aplicações que vemos nos media, que fascinam e despertam a atenção. Mas não são aquelas que traduzem o verdadeiro impacto desta tecnologia. São gimmicks, gadgets, e fundamentalmente não trazem nada de novo à discussão sobre o potencial da impressão 3D.

Slide 5: Recordem isto da próxima vez que voarem: é muito provável que o avião em que viajam já faça uso extensivo desta tecnologia. A indústria aeroespacial tem investido nesta tecnologia como forma de melhorar a eficiência energética das aeronaves. As técnicas de impressão 3D permitem manufaturar peças optimizadas para resistência e leveza, algo que não é possível com técnicas de maquinação industrial.

Slide 6: Já imaginaram construir o vosso próprio carro? Já é possível, hoje, com a Local Motors. Este é um exemplo da forma como a coligação entre impressão 3D (manufatura aditiva) e o poder das redes de comunicação permite ir além do paradigma tradicional da indústria de manufactura. Em vez de linhas de montagem distantes a fabricar indefinidamente produtos em série, oficinas e fablabs locais que fabricam produtos únicos, adaptados às necessidades e vontades dos seus utilizadores. Podemos adquirir ou manufacturar o que necessitamos, adaptado aos nossos gostos pessoais, à nossa medida.

Slide 7: Um exemplo, made in portugal: não sei se conhecem esta pequena empresa, creio ser responsável por um ou dois por cento do PIB de um país... a fábrica Autoeuropa reduziu os seus custos de produção através da impressão 3D de peças, componentes de apoio à fabricação e suportes de ferramentas. Elementos de desgaste rápido com custos elevados nos fornecedores tradicionais mas de baixo custo quando impressos em 3D, bem como sem riscos de paragem de produção por esgotamento de elementos que teriam de ser trazidos para a fábrica. Quando uma destas peças se desgasta, basta imprimir outra.

Slide 8: A impressão 3D já encontra hoje aplicações na medicina e ciências biomédicas. Recorrendo a dados de scanning 3D, raios X ou tacs, cirurgiões fazem modelos detalhados dos orgãos dos seus pacientes para preparar intervenções cirúrgicas. Existe investigação na impressão de tecidos vivos, permitindo, como no exemplo mostrado, criar válvulas cardíacas ou outros tecidos a partir das próprias células do paciente, através de processos de bioprinting, reduzindo as necessidades de doação e rejeição de orgãos. Pode-se fazer próteses sob medida, a custos inferiores aos das próteses tradicionais.

Slide 9: 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 abstratos; 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 10: A NASA já testou com sucesso impressão 3D em órbita, permitindo aos astronautas imprimir ferramentas e utensílios que necessitem, diminuindo custos das missões. Não é necessário tanto material lançado ao espaço, optimizando os lançamentos. A ESA está também a desenvolver trabalho neste sentido, num projeto que conta entre os seus parceiros com a empresa portuguesa que criou a impressora 3D que já tiveram a oportunidade de descobrir nesta sessão.

Slide 11: A acessibilidade da impressão 3D, hoje, deve-se em muito ao projeto RepRap, que pegou nas patentes expiradas desta tecnologia e desenvolveu-as, tornando-as acessíveis. O seu princípio elementar era o de criar impressoras que imprimissem outras impressoras, num processo de auto-replicação. Poderemos extrapolar este conceito para o espaço? Imaginem um futuro de exploração espacial onde robots com inteligência artificial sejam enviados a outros planetas, fabricando a partir dos recursos locais infraestruturas para posterior colonização humana.

Slide 12: Na verdade, “Impressão 3D” não é o termo mais correto. O termo manufatura aditiva designa as tecnologias de fabricação em que o material utilizado na peça corresponde ao material gasto. Com técnicas de fabricação tradicional, um bloco de matéria é maquinado e desbastado até se obter a forma do produto. Os restos e sobras poderão ser reciclados, ou são desperdício. Isso não acontece na manufatura aditiva, em que os processos de impressão (FFF/FDM), solidificação (laser sintering) ou cura (sls, polímeros e resinas) gastam apenas o material necessário à peça. Não sendo maquinadas a partir de blocos maciços, as peças podem ser ocas, poupando material e mantendo a sua resistência optimizada. Estes fatures traduzem-se em ganhos ambientais: menor desperdício na manufatura, menos material gasto nos processos de fabricação, menor consumo de energia, produção local (não é necessario produzir numa fábrica distante), personalização, adequação das quantidades produzidas às reais necessidades.

Slide 13: Tecnologias de impressão 3D.

Slide 14: 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 15: 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, modo de deslocação da cabeça de impressão e estabilidade no controlo de temperatura. 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 16: 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 17: 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 18: 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.

Slide 19: Irei agora mostrar como modelar em 3D utilizando aplicções simples. Primeiro, Tinkercad, aplicação que faz uso de uma das mais antigas técnicas de modelação 3D, a modelação por primitivos. A partir de formas simples, combinadas com operações booleanas de corte e agrupamento, podemos criar objectos complexos. Em seguida, aquela que é para mim a próxima grande fronteira do 3D, as aplicações móveis. Se não têm o poder de um desktop ou computador portátil, têm portabilidade e acessibilidade. No mundo da educação, ao falar de formas de potenciar a sala de aula com tecnologias digitais, estas esbarram muitas vezes com a realidade. Apenas a sala TIC dispõe de equipamentos suficientes para grupos de alunos. Na maioria das sala de aula, apenas dispomos de um computador. Porque não, então, aproveitar o dispositivo que todos, professores e alunos, temos mais à mão? Telemóveis ou tablets, dispositivos muito pensados para o consumo de conteúdos, mas com aplicações disponíveis que nos permitem criar. Na demonstração, mostrar como modelar em 3D usando o 3DC.io, outra forma de modelar por primitivos, e modelação por subdivisão de superfícies com o FormIt, mostrando também a sua integração com versões web e desktop, que permitem complementar o que se faz no tablet.

Pausa na apresentação, para mostrar processos de modelação nestas aplicações e em Sketchup Make; seguidamente, processamento e validação de STL no netfabb; conceito de "malha poligonal" e pavimentação de superfícies; remeshing no Meshlab. Vincar bem o fluxo de trabalho na impressão 3D: aquisição do modelo, por modelação ou descarga de repositório -> preparação do modelo com validação e correção de erros -> impressão.

Slide 20: Para além das abordadas, que outras aplicações usar para modelar para impressão 3D? 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 21: Por outro lado, podemos recorrer aos modelos 3D disponíveis em repositórios online. Destaco a variedade de elementos mecânicos em CAD do Grabcad, a facilidade de visualização 3D do Sketchfab, a diversidade do Sketchup Warehouse (embora boa parte dos modelos 3D não sejam possíveis de imprimir), a diversidade do Thingiverse e projectos como o Scan The World, albergados no My Mini Factory.

Slide 22: A passagem de um modelo 3D para objecto impresso tem algumas condicionantes. As mais importantes são as de geometria: um modelo 3D tem de ser estanque, oco no espaço interior, com todas as normais orientadas na mesma direcção, sem intersecções de formas ou arestas. São aspectos a ter em atenção no processo de modelação. Há aplicações e serviços web que validam a mesh para impressão e corrigem problemas, caso do Meshmixer, Netfabb (que está por detrás do 3D Builder integrado no Windows 10) ou o serviço web MakePrintable. São aplicações poderosas, que corrigem erros de faces ou arestas ou replicam a casca exterior dos modelos, mas não resolvem todos os problemas. Outros utilitários, caso do Meshlab, permite converter entre diferentes formatos de ficheiro gerado por aplicações de modelação 3D para STL (ou outro tipo de formato comum) ou executar operações de simplificação, entre muitas outras.

Slide 23: A importância de gerir o fluxo de trabalho. Adquirir o modelo 3D, por modelação ou descarga online. Preparação do modelo, corrigindo se necessário (validação, deteção de arestas interiores, buracos na malha poligonal, orientação de normais, contagem de polígonos elevada). E, finalmente, importar para o slicer para gerar o gcode para impressão.

Slide 24: Outras condicionantes da impressão 3D prendem-se com as características dos métodos mais correntes de impressão. Ângulos de paredes exteriores inferiores a 45º geram problemas de impressão quando o nozzle não tem onde apoiar as camadas de filamento. Vãos muito grandes entre superfícies verticais podem levar ao colapso ou má solidificação das camadas. São condicionantes que se resolvem com a geração de suportes e bases, automatizada nalgumas aplicações de slicing e controle de impressora.

Slide 25: Nisto da impressão 3D, as leis de Murphy aplicam-se bem. Não é o que pode correr mal; é o que vai correr mal. Podemos minorar estas questões com processamento e cuidados de manutenção da impressora, mas nunca estaremos isentos de problemas. Coisas que correm mal: entupimentos do nozzle/carreto; em dias de calor, a temperatura ambiente amolece o filamento antes do carreto e provoca problemas de impressão; ao usar uma bobine, o filamento pode-se enrolar e travar a impressão; se o filamento estiver muito seco (ficar ao ar, apanhar sol) não derrete o suficiente para fluir; warping acontece quando a aderência da peça à mesa da impressão se degrada por: correntes de ar, perda de aderência do adesivo protector da placa de impressão; peças com elevada contagem de polígonos podem provocar problemas de memória no computador. Acabamentos: Há formas de alterar o aspecto dos objectos impressos. Para suavizar as estrias, podemos utilizar polimento com dremel ou banhos de acetona. Para acabamentos rápidos, guache acrílico adere bem à superfície. Tintas de spray são indicadas para patines.

Slide 26: agradecimentos, questões, conversa com os participantes.