Notas da sessão de Introdução à Impressão 3D - Encontro Nacional da APEVT

  

Notas de apoio ao workshop de introdução à impressão 3D.

Vamos inverter o processo? Normalmente, nestes eventos, fala-se do que se pode fazer com a tecnologia e só depois é que se faz qualquer coisa com ela. Mas a impressão 3D tem as suas idiossincrasias, e obriga a uma gestão implacável de tempo. Por isso, vamos tentar trabalhar ao contrário. Primeiro, aprender na prática a modelar em 3D pensando em impressão. Depois, enquanto a impressora imprime os vossos projectos, vamos falar sobre a tecnologia. Um pouco de death by powerpoint  para mitigar o tempo de espera da impressão. O meu objectivo é que no final desta sessão alguns de vós, de preferência todos, tenham um olhar similar ao daquele meu aluno. Aquele olhar. O olhar de “eu fiz isto”.

 

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 fator novidade, mas depressa se esgota.

 

Aplicações desta tecnologia na ciência, medicina, indústria e educação. Imagens do slide: fotos recolhidas por mim no dia aberto do ESTEC ESA, Noordvijk, com várias aplicações de impressão 3D na indústria aeroespacial.

 

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.

 

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.

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 a fabricar indefinidamente produtos em série, oficinas e fablabs que fabricam produtos únicos, adaptados às necessidades e vontades dos seus utilizadores. Por exemplo, colaborar na conceção de veículos automóveis pessoais.

 

Um exemplo, “made in portugal”: 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.

  

A impressão 3D já encontra hoje aplicações na medicina e ciências biomédicas. Recorrendo a dados de scanning, raios X ou tacs, cirurgiões fazem modelos detalhados dos orgãos dos seus pacientes para preparar intervenções cirúrgicas; existe investigação no sentido de impressão de tecidos vivos; pode-se fazer próteses sob medida, a custos inferiores aos das próteses tradicionais.

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.

 

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. Pergunta: poderemos imaginar um futuro de exploração espacial onde robots com inteligência artificial sejam enviados a outros planetas, fabricando infraestuturas para posterior colonização humana? 

 

“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.

 

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.

 

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.

 

 

Para que nos serve esta tecnologia? Potencial educativo, lado técnico, software de modelação 3d e condicionantes.

 

 

Porquê apostar no 3D? A modelação é uma tecnologia que se encontra num ponto de cruzamento entre saberes de diferentes disciplinas: Artes, pela abordagem à perspetiva, métodos de representação, luz e cor, forma; Matemática, pelo uso do espaço cartesiano (inerente à representação digital tridimensional), geometria, e lógica em processos de modelação. As TIC trazem domínio de ferramentas digitais, pesquisa e tratamento de informação, lógica, e processos de pensamento computacional (repetições, sequências, decomposição).

Manipular o espaço tridimensional no interface das aplicações de modelação 3D mobiliza conhecimentos de perspetiva e métodos de representação. Durante o processo de modelação, podemos alternar entre vistas e alternar entre visualizações perspéticas, que nos parecem mais realistas, ou ortogonais, que nos mostram as reais dimensões do objeto, sem as distorções induzidas pelas regras da perspetiva paralela. Esta experiência pode complementar aprendizagens de Educação Visual.

Forma, textura, luz e cor são conceitos inerentes ao trabalho em 3D. A Forma está explícita na manipulação de geometrias para criar objetos. O seu aspeto pode ser determinado com diferentes níveis de realismo, interligando-se as técnicas de texturização em 3D com conceitos ligados à luz e cor abordados em Educação Visual. Na representação 3D nas aplicações mais avançadas, a cor dos modelos é o resultado da simulação dos efeitos da luz sobre texturas dos materiais, enquanto que nas mais simples podemos abordar elementos da cor, como cromatismo, cores quentes/frias e complementaridade da cor. As construções geométricas podem ser exploradas de forma direta, utilizando as ferramentas de modelação (especificamente traçagem de linhas, arcos e figuras geométricas), ou como elemento gerador na modelação de superfícies. Conceitos elementares de geometria, como formas geométricas, ponto, linha, são inerentes às técnicas de modelação por primitivos.

A Matemática sustenta o 3D, como vertente de desenho vetorial. No seu mais elementar, podemos explorar o conceito de espaço cartesiano, que os alunos abordam em duas dimensões, X e Y, e que nos projetos de modelação 3D recorre à terceira (Z). Embora o interface das aplicações suavize este aspeto da modelação, podemos mostrar aos nossos alunos que necessitamos de coordenadas para uma representação rigorosa, quer no plano quer no espaço. Na modelação por traçagem e manipulação de superfícies, os alunos podem mobilizar conhecimentos de geometria (pontos, medianas, diagonais, tipos de figura geométrica, medições). O mecanismo das operações booleanas de corte e união pode ser interligado com operações de soma com números positivos e negativos.

As aprendizagens mais específicas de TIC podem ser potenciadas pela modelação 3D em diferentes níveis. No mais elementar, temos o domínio de ferramentas digitais, passando pela aprendizagem do interface das aplicações de modelação 3D, mas não só. Ao trabalhar no desenvolvimento de projetos, o aluno tem de saber organizar o seu trabalho num ambiente digital, gerir ficheiros e operações no sistema operativo, adotando posturas de segurança e ergonomia no seu trabalho. Algumas operações específicas de modelação (cortes e uniões booleanas) são implementações de lógica computacional. Pesquisa e tratamento de informação são elementos essenciais ao bom desenvolvimento de um projeto de modelação, quer como enquadramento do trabalho quer como elemento gráfico de apoio à modelação. Se o aluno estiver a recriar um elemento do real, necessita de pesquisar referências fotográficas que o ajudem a perceber como ele se constitui em diferentes pontos de vista.

Alguns elementos de pensamento computacional estão também presentes neste tipo de trabalho. Criar um projeto de modelação 3D é, em essência, conseguir estruturar processos de trabalho num algoritmo a seguir, adaptável conforme as necessidades do projeto. Adotar processos de repetição e decomposição, decompondo um modelo complexo nos elementos que o constituem e identificando quais se repetem, e com isso selecionar o que realmente tem de ser criado de raiz e o que pode ser copiado ou duplicado, agiliza o trabalho de modelação 3D.

Para além das aprendizagens e conteúdos específicos, levar os alunos a experimentar esta tecnologia pode dotá-los de competências com potencial nos seus percursos futuros. Como tecnologia, o 3D tem um importante impacto nas áreas CTEM, cultura maker, design, concepção de produtos, desenho técnico, artes visuais e arquitetura. Levar os alunos a descobrir esta tecnologia, é, como em tantas outras, ajudar a potenciar as suas capacidades.

O grande objetivo desta abordagem não é formar futuros modeladores 3D, mas sim mostrar-lhes como usar o computador enquanto ferramenta de criação, integrada em projetos significativos dentro da disciplina ou em abordagens de partilha interdisciplinar, mobilizando conhecimentos de diferentes áreas. Fundamentalmente, abrindo os seus horizontes, mostrando-lhes o potencial de uma tecnologia que já utilizam como consumidores passivos, nos campos dos jogos e cultura popular audiovisual, e que com esta experiência poderão descobrir como utilizar em processos criativos.

 

 

Abordagens: Iniciação

Como trazer a modelação 3D para a sala de aula? É muito óbvio observar isto, mas é essencial haver uma primeira fase, de aprendizagem elementar das ferramentas. O objetivo é o dar aos alunos conhecimentos elementares de tipos de modelação, processos de trabalho e interface de aplicações. É importante partir de projetos simples, evitando uma abordagem demasiado abrangente e exaustiva.

Da minha experiência de integração de 3D em contextos pedagógicos, aprendi a selecionar técnicas de trabalho, agilizando aprendizagens, focando no essencial e possibilitando tempo para exploração e criação de projetos. Coloco foco em duas técnicas de modelação 3D, levando os alunos a experimentar modelação por primitivos e subdivisão de superfícies. A primeira introduz os conceitos elementares de modelação 3D, permitindo a todos criar modelos de forma simples. A segunda faz a ponte entre a modelação livre e um tipo de trabalho mais próximo do profissional, com ferramentas avançadas que permitem um maior potencial na modelação.

Nesta fase, não precisamos de explorar exaustivamente menus e possibilidades das aplicações. Mais importante que os alunos conheçam todas as ferramentas e opções, é compreenderem o essencial dos processos de trabalho e sentirem desperta a sua criatividade. É mais do que suficiente abordar as operações elementares de modelação e  aprender a navegar em múltiplos pontos de vista.

Para contextualizar a aprendizagem de técnicas e ferramentas em projetos, podem-se sugerir temas simples para os alunos: criar uma placa com o nome, modelar uma casa, ou um veículo. São pequenos projetos que mobilizam técnicas elementares, com resultados rápidos. Depois desta fase, é importante tentar dar algum tempo e espaço para exploração mais livre, com temas muito gerais para ajudar os alunos. Algo que nem sempre é fácil, com os constrangimentos de tempo a que estamos sujeitos no corrente modelo da disciplina de TIC.

É de sublinhar que, neste nível de ensino, não devemos fomentar estas atividades como se estivéssemos a  formar modeladores 3D profissionais. Antes, o objetivo é dar a todos alunos algumas bases que lhes permitam explorar esta vertente da tecnologia digital, tal como o fazemos com outras, abrindo-lhes horizontes. Para alguns, essa descoberta é uma revelação de capacidades, para outros não, mas isso é natural, cada um de nós tem as suas aptidões e gostos, o que interessa no trabalho de professor, a este nível, é alargar horizontes e proporcionar experiências.

 

 

Abordagens: Centrada em TIC/Área disciplinar artística

Após a aprendizagem elementar, como tirar partido do 3D? Irei falar de três grandes abordagens possíveis, saídas da experiência de trabalho prático em projetos TIC.

A mais elementar é centrar na própria disciplina. Algo que está longe do âmbito deste encontro, mas reflete a minha experiência como docente, de uma escola que não está envolvida na fase piloto do Projeto de Autonomia e Flexibilidade Curricular. Reflete também o meu percurso como docente, em Educação Visual e Tecnológica e em TIC, sendo o resultado de experiência acumulada de utilização de tecnologias 3D na sala de aula.

Nesta vertente, todo o trabalho se passa dentro da disciplina de TIC. É estabelecido tempo e espaço para que os alunos desenvolvam projetos individuais ou em grupos, em três ou quatro aulas. Estes podem escolher que tecnologia de modelação 3D utilizar, entre modelação por primitivos e subdivisão de superfícies. A primeira simplifica o trabalho de modelação, a segunda permite aos alunos com maior aptidão explorar mais as suas capacidades.

São dados temas de trabalho para facilitar o trabalho dos alunos: história das TIC recriando um artefato da evolução do mundo digital; património local ou global, modelando em 3D elementos do património artístico, arquitetónico e cultural; temática livre, dando espaço para aqueles alunos que revelam mais aptidões e criatividade artística.

É importante que os alunos sigam um esquema de procedimentos de trabalho por projeto, com pesquisa prévia de seleção de um tema, pesquisa de referências visuais (se o projeto for recriar algo já existente), rascunho do modelo para identificar as suas formas principais, aplicar operações de decomposição do complexo nos seus elementos e repetições para agilizar o processo de modelação. Um esquema de trabalho que tem de ser flexível, acomodando capacidades dos alunos, complexidade do desafio a que se propõem e limitações das técnicas e ferramentas de modelação. Elaborar um relatório final é uma forma de promover no aluno reflexão sobre o trabalho desenvolvido, interligando com conhecimentos no domínio do processamento de texto.

Retirando-lhe os aspetos específicos da modelação 3D, este é o esquema típico de trabalho de projeto com ferramentas TIC.

Na prática, este desenvolvimento de projeto segue a seguinte sequência:
Seleção de tema, com pesquisa visual sobre o modelo escolhido. É muito importante que os alunos procurem imagens que mostrem vários pontos de vista, para compreenderem a volumetria do que irão modelar em 3D. Esta pesquisa pode ser alargada a outros contextos, dentro de trabalhos interdisciplinares.

Decomposição do modelo, analisando-o para perceber em que partes se constitui, e com isso os elementos a modelar. Se um elemento se repete, só necessita de ser modelado uma vez, podendo ser copiado ou duplicado.

Processo de modelação, aplicando os recursos e ferramentas das aplicações.

Elaboração de um relatório, com reflexão sobre o processo de trabalho utilizado.

 

Abordagens: Projeto Interdisciplinar

Espero deixar claro ao longo desta apresentação que o que torna o 3D uma tecnologia enriquecedora em contexto da disciplina de TIC não é a sua abordagem de forma isolada, em mera exploração de aplicações, mas como ferramenta em trabalho de projeto. O mesmo se aplica a outras vertentes das tecnologias digitais que utilizamos na disciplina, o grande salto que TIC está a fazer é passar do domínio de ferramentas para a mobilização de competências. Apesar do meu foco pessoal em 3D, esta tecnologia não é superior a outras, o que conta, creio, é o objetivo de potenciar e expandir as capacidades dos nossos alunos, apostando num fazer alicerçado no saber.

O trabalho em projeto está presente na primeira abordagem, mas este torna-se muito mais rico quando se abre a outras áreas. O contexto de projeto interdisciplinar é onde, em minha opinião, tiramos maior partido do potencial desta tecnologia, pelos cruzamentos que possibilita  de valências visuais, tecnologia, conhecimento técnico, cultura, e tangibilização se se dispor de impressão 3D.

Pode ser desenvolvido em dois grandes contextos:

Partilha entre disciplinas, a partir de um tema de projeto abrangente discutido em conselho de turma. Da minha experiência, no contexto da escola onde lecciono, História é uma das áreas disciplinares que mais se presta a este tipo de colaborações, uma vez que o 3D permite dar vida aos artefatos e explorar  pesquisa e apresentação utilizando meios menos convencionais do que processamento de texto e edição de apresentações. Mas não é caso único. Ciências, Geografia, Línguas, também podem fornecer temas de trabalho. Podemos modelar moléculas em 3D, recriar modelos geológicos, criar personagens para narrativas, entre outros projetos.

Projetos específicos, dentro de parcerias eTwinning, Ciência na Escola ou outros. Parte daqui a temática, as dinâmicas, parcerias e recursos dependem do tipo de projeto. Alguns exemplos: trocar temas de modelação 3D com parceiros internacionais, utilizar modelação 3D como recurso para projetos nas ciências.

O 3D tem um enorme potencial  para dar vida aos conteúdos de outras áreas disciplinares, interligando trabalho criativo com ferramentas TIC, técnicas de pesquisa e tratamento de informação. No desenvolvimento deste tipo de projetos, as Bibliotecas Escolares são um importante parceiro, pela forma como integram competências de literacia da informação na sua missão. Na escola onde lecciono, esta valência está substanciada numa parceria ativa com o Centro de Recursos.

Os projetos 3D desenvolvidos no domínio de TIC, quer sejam na disciplina ou interdisciplinares, têm fases que envolvem atividades de pesquisa de informação em repositórios, com repercussões no domínio dos direitos autor e pegada digital. Podem estar diretamente relacionados com os modelos 3D criados pelos alunos, em atividades de partilha em repositórios de informação online com exploração das suas regras de funcionamento, ou em pesquisa acessória que explora o tema do projeto noutras áreas disciplinares, recorrendo ao conteúdo disponível em repositórios de modelos 3D.

 

Abordagens: Contextos Híbridos

Fora do esquema de trabalho de projeto em TIC ou interdisciplinar, existem outras formas de explorar o potencial das tecnologias 3D em contextos híbridos, com parcerias no domínio das Bibliotecas Escolares, atividades das escolas ou iniciativas informais entre professores.

O contexto que na escola onde leciono exploramos com mais intensidade é a utilização do 3D como componente de espaços Maker, criando zonas de criatividade e experimental que incluem modelação e impressão 3D junto de robótica, programação e kits de eletrónica elementar. No caso do Agrupamento de Escolas Venda do Pinheiro, integrámos um espaço deste género dentro da Biblioteca Escolar, potenciando novas valências de Centro de Recursos. Serve primariamente como zona de trabalho do clube de robótica da escola, com os alunos participantes a desenvolver atividades posteriores como monitores do espaço junto dos restantes utentes do Centro de Recursos. Estes alunos monitores estão disponíveis para partilhar conhecimentos sobre modelação 3D, animando o espaço maker fora dos momentos dedicados ao clube de robótica. Dispor de um espaço destes dentro da biblioteca permite aproximar todos os alunos, de forma informal, destas tecnologias,

Retirando o foco no trabalho de modelação por parte dos alunos, o 3D pode ser utilizado como recurso pedagógico, em duas vertentes. Os repositórios online de conteúdo 3D podem ser utilizados em pesquisa orientada, contextualizada em temas, com tangibilização em impressão 3D se possível. A acessibilidade a impressoras, ou condicionantes específicas da tecnologia de impressão 3D são limitações nesta vertente.

Numa vertente mais dependente das competências técnicas dos professores, podem ser criados recursos pedagógicos utilizáveis em diversos contextos. Um exemplo é a reprodução com técnicas de fotogrametria de artefatos arqueológicos, com impressão 3D para que os alunos possam tocar livremente, sentindo a volumetria de artefatos que de outra forma só poderiam ver em reprodução de imagem. Por condicionantes tecnológicas, não havendo aplicações de uso simples e gratuitas para este trabalho, não é um tipo de projeto que se preste a ser desenvolvido com grandes grupos de alunos, mas que permite criar objetos com utilidade em diferentes contextos pedagógicos.

 

Metodologias: Introdução ao 3D

Correndo o risco de me repetir, o primeiro passo no uso de modelação 3D em TIC é aprender a dominar as ferramentas e técnicas de modelação. Ressalve-se que o objetivo não é criar experts neste domínio (mas alguns poderão lá chegar, por iniciativa própria), é  apostar no essencial e no despertar da criatividade.

Nas técnicas de trabalho específicas, sugerimos introduzir a modelação por primitivos (modelos complexos criados a partir do corte ou união de formas geométricas simples), e posteriormente modelação por subdivisão de superfícies (criar formas tridimensionais com operações de traçagem, extrusão e modificação de superfícies). Estas duas técnicas permitem aos alunos descobrir o 3D e os seus processos de trabalho, partindo do simples para o mais complexo.

Esta diversidade permite a alunos que demonstrem maior aptidão explorar projetos que envolvam formas de modelação mais complexa, mantendo o potencial para todos experimentarem esta tecnologia com ferramentas simples. No entanto, a introdução ao 3D com modelação por primitivos é mais que suficiente para potenciar projetos que recorram a estas tecnologias.

 

Metodologias: Que ferramentas selecionar?

O espectro das aplicações de modelação 3D é muito amplo, com enorme diversidade de técnicas de modelação e aplicações. Grande parte delas são muito completas e complexas. Creio que mais do que optar por aplicações avançadas, importa manter o foco no objetivo pedagógico: estimular aprendizagem e aptidões, abrir horizontes. Dar aos alunos uma ferramenta demasiado complexa e difícil de aprender desmotivará a maioria, e com isto nunca ficará a chama da compreensão do potencial destas tecnologias que, mais tarde e de acordo com os seus percursos individuais de vida, lhes facilitará aprendizagens em áreas CTEM e artísticas que utilizem 3D.

É muito importante escolher aplicações que sejam simples, concebidas com interfaces amigáveis. O serem gratuitas e acessíveis é um pormenor a ter em conta. Pacotes de 3D avançados têm preços muito elevados. Se faz todo o sentido, em contextos de ensino profissional ou secundário, que os alunos desenvolvam competências em pacotes de software de nível profissional, que lhes dêem preparação avançada para o mercado de trabalho, esta questão não se coloca no nível do sétimo ano, onde este tipo de ferramentas estão ao serviço das competências dos alunos.
Sugestões:

Tinkercad: aplicação web de modelação por primitivos, pensado para crianças. Requer criação de contas.

DoGA Project: obsoleto mas funcional, permite criar modelos complexos assemblando peças disponíveis na sua biblioteca, muito bom para compreender interfaces e trabalho em  perspetiva e pontos de vista.

3DC.io: alternativa ao Tinkercad, com versão web e aplicação para Android e iOS. Não requer conta para ser utilizado.

Sketchup Make: modelador de superfícies de nível profissional mas de interface simples, muito poderoso. Existe como versão descontinuada para PC, e aplicação web (Sketchup Free).

Havendo outros programas possíveis de colocar nesta listagem, e que já utilizámos com os alunos (Bryce, DAZ 3D, FormIt, Art of Ilusion, XYZ Maker, entre outros), estes têm sido aqueles que ao longo dos anos têm permitido a evolução na estruturação de projetos com modelação 3D em EVT, TIC e contextos interdisciplinares.

 

Talvez a mais popular das aplicações de modelação 3D, o Tinkercad é simples e intuitivo, foi pensado para iniciar crianças e jovens na modelação 3D. Apesar da sua simplicidade, é um poderoso modelador que permite criar formas complexas conjugando formas simples com operações de união e corte.

 

Dos mais conhecidos softwares de modelação 3D disponíveis no mercado, notável pela sua facilidade de uso. Apesar de simples de utilizar, é de nível profissional.  Baseia-se num misto de CAD com subdivisão de superfícies nos seus princípios de modelação. Neste programa, podemos desenhar em 3D utilizando linhas para criar superfícies, formas em extrusão, combinadas com operações de deformação através de extrusão, escala, revolução/varrimento, movimento e rotação. Os seus recursos de modelação permitem aos utilizadores criar modelos avançados, com uma curva de aprendizagem rápida. Tem duas versões: Sketchup Pro, paga, com preços especiais em licenciamento para escolas; Free, gratuita na web. Nas nossas atividades utilizamos versões antigas, descontinuadas, da aplicação. São similares em termos de funções e modelação às mais recentes, e correm em computadores antigos, como os do PTE que se encontram na maioria das escolas.

 

App de modelação 3D concebida de raiz para dispositivos móveis, tem um interface simples e está pensada para uso por crianças. Pode ser utilizada sem necessidade de criar contas de utilizador nem acesso à internet. Utiliza modelação por primitivos para criar objetos complexos a partir de formas elementares. A sua principal vantagem está no poder ser utilizada unicamente em tablets e telemóveis, permitindo que os alunos utilizem os seus dispositivos móveis como ferramenta de criação.

 

Uma das mais recentes adições ao panorama da modelação 3D. Onshape é uma aplicação web para desenho técnico em CAD. Complexa mas potente, está disponível através de um browser ou em aplicação para dispositivos móveis (requer ligação à internet). É possível criar desenhos complexos utilizando um tablet, e posteriormente processar, corrigir ou melhorar no computador. A sua principal vantagem está no poder ser utilizada unicamente em tablets e telemóveis, permitindo que os alunos utilizem os seus dispositivos móveis como ferramenta de criação.

 

Implementação: Condicionantes de Equipamento

Os computadores de que dispomos nas escolas são capazes de correr aplicações de modelação 3D? O 3D tem fortes exigências computacionais e gráficas. O material envelhecido que caracteriza o parque informático das escolas consegue correr estas aplicações? O acesso à internet é um fator condicionante? Há computadores suficientes nas salas TIC para cobrir as necessidades das turmas

Da minha experiência prática, retiro algumas ideias:

O software que requer mais poder de computação não é o mais adequado à idade e capacidades dos alunos desta faixa etária. Pacotes profissionais como o Maya, Blender, 3DS, fazem todo o sentido em contextos do secundário ou profissionais, não aqui, onde se pretende mostrar o potencial do 3D aos alunos e dar-lhes oportunidade de criar com projetos.

Não é preciso ter instalada a versão mais recente e atual das aplicações. No meu caso, fui atualizando algum do software até perceber que tinham problemas a correr nos PCs da geração PTE que equipam a minha esocla. Reverti para versões mais antigas, totalmente funcionais. Os princípios e técnicas de trabalho são comuns, a atualização das aplicações apenas traz novas funcionalidades que não interferem nos processos elementares de modelação. O verdadeiramente essencial é que os alunos aprendam a modelar.

Problemas de acesso à internet são um fator prejudicial se estivermos a utilizar aplicações web. Aqui, sugiro trabalhar com dois tipos de software, web based e offline, tendo alternativas caso a rede falhe.

Os computadores não são em número suficiente? Podemos optar por tecnologias móveis, embora estas sejam mais limitadas no que podem fazer em termos de 3D, e requerem alguma adaptação em processos de trabalho. Nesta vertente, a aplicação 3DC.io é um excelente exemplo de alternativa gratuita para modelação 3D em android, gratuito. Alunos podem usar o seu tablet ou telemóvel, ou os da escola, caso disponha. Esta modalidade ajuda a integrar as tecnologias móveis nos contextos de aprendizagem como ferramenta de expressão criativa.

 

Implementação: Preparação do Professor

Se tentarem introduzir modelação 3D sem preparação prévia, terão problemas. O professor não tem que ser um expert em 3D, mas necessita de conhecer o essencial das ferramentas com que pode trabalhar, percebendo o seu potencial e ajudando mais eficazmente os alunos. Frequentar formações, explorar tutoriais, ajuda a dotar aqueles que não têm bases em 3D das competências necessárias para levar esta tecnologia aos seus alunos.

 Conhecer as ferramentas ajuda a resolver problemas que surgem no decorrer do trabalho os alunos, quando eles nos dizem isto não dá. Ajuda também na nossa capacidade de conceção de projetos, saber o que se pode fazer com 3D  abre novas possibilidades de trabalho. Para utilizadores com mais proficiência, o conhecer e dar algumas dicas e técnicas avançadas é um excelente motivador para alunos com maiores aptidões.

Finalmente, umas palavras sobre impressão 3D. Sou muito suspeito, com todos os projetos que tenho desenvolvido nesta área, mas o meu primeiro conselho a quem está interessado nesta área é não se metam nisso. Ou melhor, metam-se, claro, mas apenas depois de reflectir e investigar, percebendo como é que uma tecnologia que requer um forte investimento financeiro pode potenciar a aprendizagem dos vossos alunos. Sem este passo, ceder ao fascínio da impressão 3D é investir no gadget que depressa se esgotará.

Apesar da cada vez maior adesão das escolas à aquisição de impressoras 3D, não é previsível que esta tecnologia se dissemine de forma equalitária na educação, a curto ou médio prazo. Tem um enorme potencial pedagógico, entre tangibilização e projetos, como técnica de manufatura, mas o seu maior potencial está no lado da conceção, não da impressão.

Poder passar do digital para o real com impressão 3D é uma enorme e motivante mais valia, mas o 3D não se esgota aqui. Podemos exportar e visualizar os projetos dos alunos em repositórios online (recomendo o Sketchfab e o Google Poly); criar animações 3D; exportar imagens com rendering nativo nas aplicações de modelação ou em aplicações dedicadas; criar elementos para realidade virtual (CoSpaces, Unity); criar elementos para jogos (Unity).

O importante é explorar a modelação 3D, esta sim é a tecnologia que potencia capacidades e aptidões nos alunos, como ferramentas de expressão criativa e conceção, de preferência em projetos interdisciplinares que permitam trabalho colaborativo e cruzamento de conhecimentos de várias áreas. É aqui que o 3D contribui ativamente para a promoção de competências para o século XXI, no âmbito da disciplina de TIC.

 

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.

 

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.

 
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.

 

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.

 

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.

 

 

Para iniciar, Tinkercad. É uma aplicação web que permite modelação por primitivos (formas geométricas elementares) com muito rigor. Recomenda-se o Chrome para melhor trabalhar, embora funcione em qualquer browser capaz de suportar WebGL.

A modelação por primitivos recorre à justaposição de formas geométricas elementares (conhecidas como “primitivas”) para representar objectos. Utilizando operações booleanas consegue-se aumentar a complexidade e nível de realismo dos modelos. É uma das mais antigas técnicas de modelação 3D.

Há um curioso paralelo entre esta técnica de modelação e a história de arte. Recorda a pintura renascentista, e o esforço destes artistas em representar o real utilizando a geometria e a perspectiva para o descrever graficamente.

Outras apps abordadas: os dispositivos móveis são hoje o campo de desenvolvimento mais forte no domínio da computação pessoal. São portáteis, leves, estão sempre próximos, com grande autonomia e mobilidade. Não substituem o computador nas tarefas mais complexas (por enquanto) mas já começam a tornar-se alternativas viáveis para a maior parte dos usos pessoais (exemplo: pesquisa e consulta de informação, navegação, consumo de media (vídeo, literário, sonoro), processamento de texto, comunicações). Apresentamos duas apps para Android que permitem aventuras interessantes na modelação 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.

 
Alguns dos mais importantes repositórios de conteúdo 3D para impressão.

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.

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.

 

 

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.

 

 

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. 

 

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