Impressão 3D na Educação em Física

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO
MARANHÃO
Campus Monte Castelo
Departamento de Física
Coordenação do Curso de Licenciatura em Física
IGO HENRIQUE ARAUJO ALMEIDA
O USO DA IMPRESSORA E DAS IMPRESSÕES 3D COMO FERRAMENTAS
DE APRENDIZAGEM NAS AULAS DE FÍSICA
SÃO LUIS
2019

Monografia apresentado ao Curso de
Licenciatura em Física do Instituto
Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia do Maranhão – IFMA,
para a obtenção do título de
Licenciado em Física
Orientador (a): Prof. Dr. Samir
Silva Coutinho
SÃO LUIS
2019

Monografia apresentado ao Curso de
Licenciatura em Física do Instituto
Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia do Maranhão – IFMA,
para a obtenção do título de
Licenciado em Física
Orientador (a): Prof. Dr. Samir
Silva Coutinho
Aprovado em: ___/___/___
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________
Prof. Dr. Samir Silva Coutinho (Orientador)
______________________________________________
Prof. MSc. Ronivaldo Castro Pacheco
______________________________________________
Prof. Dr. Antônio Soares dos Anjos Filho

AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter possibilitado minha chegada até
aqui, mesmo diante de todas as dificuldades, mas com saúde e força para
superar os problemas.
À minha esposa, Laís, pelo amor, compreensão, companheirismo e por
não me deixar desistir em nenhum momento, me dando forças durante todo o
tempo de realização deste trabalho.
À minha mãe guerreira, Maria Célia pelo incentivo e apoio nas horas de
cansaço e desânimo desta etapa.
Aos meus irmãos, Hugo Eduardo e Carlos Diego, por fazerem parte desta
maravilhosa caminhada da vida.
Aos companheiros de trabalho, Sebastião Rocha e José Emetério, pelas
palavras de incentivo e exemplos de profissionalismo durante todo tempo.
Aos meus supervisores, Clezenilde Sales, José João e Marcos Coutinho,
por contribuírem mesmo que indiretamente nesta etapa final da minha formação.
Quero agradecer de forma especial ao meu colega de trabalho e de
impressão 3D, Ronald Silva, pelas ideias que foram fatores motivadores para
esta pesquisa.
Aos alunos participantes da aplicação dos experimentos e do
questionário, pois estes possibilitaram uma coleta de dados de extrema
importância para este trabalho.
Ao meu orientador, Samir Coutinho, por aceitar e orientar este trabalho
com paciência e maestria, sempre indicando os melhores caminhos a serem
seguidos.
Aos professores, Antônio Filho e Ronivaldo Castro, por terem dedicado
tempo para avaliar este trabalho e apontar importantes melhorias.
Aos professores das disciplinas cursadas nesta licenciatura, pois suas
aulas foram de grande contribuição para a formação deste trabalho.

O mais competente não discute, domina a sua
ciência e cala-se.
François-Marie Arouet (Voltaire)

RESUMO
O presente trabalho visa analisar a aplicação do uso das impressoras e das
impressões 3D como ferramentas de aprendizagem no ensino prático da
disciplina de Física. Toma-se como base para a elaboração desta pesquisa,
literaturas que relatam sobre a história das impressoras 3D e suas técnicas, bem
como a sua evolução. Aborda-se também, as áreas de aplicação no ensino de
ciências, os tipos de impressoras 3D, os componentes que fazem parte da sua
estrutura mecânica e eletrônica junto com o programa responsável por seu
funcionamento, além dos materiais mais utilizados pelas mesmas. Foram
apresentados ainda, os procedimentos necessários para a obtenção dos
arquivos utilizados nas impressões 3D, por meio de desenho auxiliado por
computador, ou através de sites de busca específicos, além das principais
configurações do software responsável pela preparação dos modelos
selecionados. Para a concretização do trabalho, foi realizada a aplicação dos
experimentos de Física impressos em 3D, juntamente com um questionário
qualitativo como instrumento de análise da aceitação dessa tecnologia atrativa
pelos alunos.
Palavras-chaves: Impressora 3D. Física. Ensino.

ABSTRACT
The present work aims to analyze the application of the use of printers and 3D
prints as tools of learning in the practical of the discipline of Physics. Is taken as
the basis for the elaboration of this research, literature that reports on the history
of 3D printers and their techniques, as well as their Evolution. Is aproaches also
areas of application in science education, the types of 3D printers, the
components that form part of its mechanical and electronic structure along with
the program responsible for its operation, in addition to the materials most used
by them. Presented were also the procedures for obtaining the files used in 3D
printing, through computer assisted design, or by specific search sites, as well as
the main software configurations responsible for the elaboration of the selected
models. For the concretization of the work, the application of 3D physics
experiments was carried out, together with a qualitative questionnaire as an
instrument to analyze the students' acceptance of this attractive technology.
Keywords: 3D printer. Physics. Teaching

LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 3.1.1 – Conjunto de engrenagens sendo impressas em 3D .................. 18
Figura 3.1.2 – Estereolitografia permite impressão com grande riqueza de
detalhes ............................................................................................................ 18
Figura 3.1.3 – Adrian Bowyer (à esquerda) e Vik Olliver (à direita) com uma
máquina Parent RepRap, e a primeira máquina RepRap completa para crianças
à direita ............................................................................................................. 19
Figura 3.2.1 – Kit de dissecação de Rã ............................................................. 20
Figura 3.2.2 – Modelo Celular Multicolor ........................................................... 20
Figura 3.2.3 – Modelo de Química Polímero ..................................................... 21
Figura 3.2.4 – Tabela Periódica em 3D ............................................................. 21
Figura 3.2.5 – Demonstração ótica geométrica ................................................. 21
Figura 3.2.6 – Levitador .................................................................................... 21
Figura 3.2.7 – Gráficos gerado pelo software de modelagem matemática ....... 22
Figura 3.2.8 – Impressão da anatomia do ouvido interno humano ................... 23
Figura 3.2.9 – Protótipo de uma mão ................................................................ 23
Figura 3.2.10 – Maquete de uma casa em 3D .................................................. 23
Figura 4.1.1 – Processo de derretimento do filamento na impressora FDM .......24
Figura 4.1.2 – Impressora Aberta ...................................................................... 25
Figura 4.1.3 – Impressora fechada .................................................................... 25
Figura 4.1.4 – Impressora Cartesiana ............................................................... 26
Figura 4.1.5 – Impressora Delta ........................................................................ 26
Figura 4.1.6 – Impressora CoreXY .................................................................... 27
Figura 4.1.7 – Impressora SCARA .................................................................... 27
Figura 4.1.8 – Impressora de Coordenadas Polares ......................................... 28

Figura 4.2.1 – Processo de Impressão 3D – FDM, com a movimentação dos
eixos ................................................................................................................. 29
Figura 4.2.2 – 1-Bucha de bronze; 2 – rolamentos lineares; 3 – barra lisa M8
(8mm); 4 – barra roscada M8; 5 – rolamentos radiais ....................................... 30
Figura 4.2.3 – Correia dentada .......................................................................... 30
Figura 4.2.4 – Extrusor de filamento .................................................................. 30
Figura 4.2.5 – Sistema de extrusão Direct ........................................................ 31
Figura 4.2.6 – Sistema de extrusão Bowden ..................................................... 31
Figura 4.2.7 – Cooler ........................................................................................ 31
Figura 4.2.8 – O uso do cooler na impressão 3D .............................................. 31
Figura 4.2.9 – Impressora 3D de câmara aquecida .......................................... 32
Figura 4.2.10 – Mesa aquecida ......................................................................... 32
Figura 4.2.11 – Mesa aquecida de alumínio ...................................................... 32
Figura 4.2.12 – Motores de passo ..................................................................... 33
Figura 4.2.13 – Esquema de ligação da placa controladora ............................. 34
Figura 4.2.14 – Drivers ...................................................................................... 34
Figura 4.2.15 – Placa controladora ................................................................... 34
Figura 4.2.16 – Fonte de alimentação ............................................................... 35
Figura 4.2.17 – Tela de configuração e compilação do Marlin no IDE do Arduino
.......................................................................................................................... 36
Figura 4.3.1 – Filamentos para impressão 3D FDM .......................................... 36
Figura 4.4.1 – Print screen da tela principal do software de modelagem 3D
Autodesk fusion 360 ......................................................................................... 38
Figura 4.4.2 – Print screen da tela principal do site Thingiverse ...................... 39
Figura 4.4.3 – Print screen da tela principal do software Repetier – Host com
Slic3r ................................................................................................................. 39

Figura 4.4.4 – Print screen da tela configuração do software Repetier – Host com
Slic3r ................................................................................................................. 40
Figura 4.4.5 – Print screen da tela do software Repetier – Host com Slic3r
mostrando objeto fatiado e informações da impressão 3D ............................... 41
Figura 4.4.6 – Print screen da tela do software Ultimaker Cura mostrando objeto
fatiado com uso de suporte em azul .................................................................. 41
Figura 4.4.7 – Print screen da tela do software Repetier – Host com Slic3r
mostrando o arquivo G-code à direita ............................................................... 42
Figura 5.1.1 – Experimento do pássaro ............................................................. 43
Figura 5.1.2 – Print screen da tela de impressão da etapa 1 no software Ultimaker
Cura .................................................................................................................. 44
Figura 5.1.3 – Print screen da tela de impressão da etapa 2 no software Ultimaker
Cura .................................................................................................................. 45
Figura 5.1.4 – Pássaro impresso em 3D ao final da montagem ........................ 46
Figura 5.2.1 – Esquema de funcionamento da taça de Pitágoras ..................... 47
Figura 5.2.2 – Esquema do esvaziamento de um recipiente contendo líquido por
meio de um sifão ............................................................................................... 47
Figura 5.2.3 – Print screen da tela de impressão do copo de Pitágoras no
software Ultimaker Cura ................................................................................... 49
Figura 5.2.4 – Copo de Pitágoras impresso em 3D e etapas
de funcionamento ............................................................................................. 50
Figura 5.3.1 – Diagrama de estados da água ................................................... 51
Figura 5.3.2 – Diagrama de estados de uma substancia genérica ................... 51
Figura 5.3.3 – Print screen da tela de impressão do diagrama PVT no software
Ultimaker Cura .................................................................................................. 51
Figura 5.3.2 – Diagrama de PVT após o processo de impressão 3D ............... 53
Figura 5.4.1 – Esquema do pêndulo físico ........................................................ 54

Figura 5.4.2 – Print screen da tela de impressão do pêndulo simples no software
Ultimaker Cura .................................................................................................. 55
Figura 5.4.3 – Pêndulo simples montado após o processo de impressão 3D
.......................................................................................................................... 57
Figura 5.5.1 – Esquema de um motor simples .................................................. 58
Figura 5.5.2 – Print screen da tela de impressão do motor elétrico no software
Ultimaker Cura .................................................................................................. 58
Figura 5.5.3 – Motor elétrico impresso em 3D ................................................... 59
Figura 5.6.1 – Fluxo elétrico em uma área ........................................................ 59
Figura 5.6.2 – Área perpendicular ao campo elétrico ........................................ 60
Figura 5.6.3 – Área paralela ao campo elétrico ................................................. 60
Figura 5.6.4 – Print screen da tela de impressão do fluxo elétrico no software
Ultimaker Cura .................................................................................................. 60
Figura 5.6.5 – Fluxo elétrico impresso em 3D ................................................... 62
Figura 5.7.1 – Ilustração da terceira Lei de Newton .......................................... 62
Figura 5.7.2 – Print screen da tela de impressão do carro movido a ar comprimido
no software Ultimaker Cura ............................................................................... 63
Figura 5.7.3 – Carro movido a ar comprimido impresso em 3D ........................ 63
Figura 5.7.4 – Carro movido a ar comprimido impresso em 3D com Balão
.......................................................................................................................... 64
Figura 5.8.1 – Mola sofrendo deformação ......................................................... 65
Figura 5.8.2 – Engrenagens .............................................................................. 66
Figura 5.8.3 – Print screen da tela de impressão do motor mola no software
Ultimaker Cura .................................................................................................. 66
Figura 5.8.4 – Peças do motor mola impressas em 3D ..................................... 68
Figura 5.8.5 – Motor mola montado ................................................................... 68

Figura 6.1.1 – Experimentos impressos em 3D ................................................. 69
Figura 6.1.2 – Experimento do pássaro em análise pelos alunos do IFMA e
SENAI ............................................................................................................... 70
Figura 6.1.3 – Experimento do copo de Pitágoras em análise por um aluno do
SENAI ............................................................................................................... 71
Figura 6.1.4 – Experimento do diagrama PVT da água .................................... 71
Figura 6.1.5 – Experimento do pêndulo simples ............................................... 71
Figura 6.1.6 – Experimento do motor elétrico .................................................... 71
Figura 6.1.7 – Experimento do fluxo elétrico ..................................................... 71

LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Configurações da impressora 3D para a etapa 1 ............................ 44
Tabela 2 – Configurações da impressão 3D para a etapa 1 ............................. 44
Tabela 3 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo da etapa
1.........................................................................................................................45
Tabela 4 – Configurações da impressora 3D para a etapa 2 ............................ 45
Tabela 5 – Configurações da impressão 3D para a etapa 2 ............................ 46
Tabela 6 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo da etapa
2........................................................................................................................ 47
Tabela 7 – Configurações da impressora 3D .................................................. 48
Tabela 8 – Configurações da impressão 3D ................................................... 49
Tabela 9 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo ............ 49
Tabela 10 – Configurações da impressora 3D ................................................ 52
Tabela 11 – Configurações da impressão 3D ................................................. 52
Tabela 12 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo .......... 52
Tabela 13 – Configurações da impressora 3D ................................................ 55
Tabela 14 – Configurações da impressão 3D ................................................. 55
Tabela 15 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo .......... 55
Tabela 16 – Configurações da impressora 3D ............................................... 58
Tabela 17 – Configurações da impressão 3D ................................................ 58
Tabela 18 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo ......... 58
Tabela 19 – Configurações da impressora 3D ............................................... 61
Tabela 20 – Configurações da impressão 3D ................................................ 61
Tabela 21 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo ......... 61

Tabela 22 – Configurações da impressora 3D .............................................. 63
Tabela 23 – Configurações da impressão 3D ............................................... 64
Tabela 24 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo ........ 64
Tabela 25 – Configurações da impressora 3D .............................................. 67
Tabela 26 – Configurações da impressão 3D ............................................... 67
Tabela 27 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo ........ 67

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
2D – Bidimensional.
3D - Tridimensional.
ABS - Acrylonitrile Butadiene Styrene (Acrilonitrila butadieno estireno).
IDE - Integrated Development Environment (Ambiente de Desenvolvimento
Integrado).
FDM - Fused Deposition Modeling (Modelagem por filamento fundido).
FFF - Filament Fused Fabrication (Fabricação por filamento fundido).
PETG – Polythylene terephthalate glycol ( Politereftalato de etileno com glicol).
PLA - Polylactic acid (Ácido polilático).
RepRap - The Replicating Rapid Prototyper (Prototipador replicante rápido).
SD – Secure Digital (Cartão de memória).
SLA - Stereolithography (estereolitografia).
STL - Standard Triangle Language (Linguagem Padrão de Triângulo).
TPE – Thermoplastic elastomer (Termoplástico elastômero).
TPU – Thermoplastic polyurethane (Termoplástico poliuretano).
USB – Universal Serial Bus (Porta universal).

SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO............................................................................................ 17
2. METODOLOGIA......................................................................................... 19
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.................................................................. 20
3.1 Fundamentos da impressão 3D para o uso na Física ........................ 20
3.2 Uso dos trabalhos de impressão 3D em ciências............................... 23
4. AS IMPRESSORAS 3D E SUAS TÉCNICAS ............................................. 27
4.1 Tipos de impressoras 3D ................................................................... 27
4.2 Componentes de uma impressora 3D................................................ 31
4.3 Tipos de materiais.............................................................................. 39
4.4 Técnicas de impressão 3D................................................................. 41
5. CONSTRUÇÃO DOS EXPERIMENTOS DE FÍSICA IMPRESSOS EM 3D. 46
5.1 O pássaro e o centro de massa ......................................................... 46
5.2 O copo de Pitágoras .......................................................................... 50
5.3 O diagrama de PVT (pressão, volume e temperatura) da água ......... 53
5.4 O pêndulo simples (pêndulo físico) .................................................... 56
5.5 Motor de corrente continua ................................................................ 59
5.6 Fluxo elétrico impresso em 3D........................................................... 62
5.7 Carro movido a ar comprimido (Experimento extra) ........................... 65
5.8 Motor mola (Experimento extra) ......................................................... 68
6. APLICAÇÕES E RESULTADOS................................................................ 72
6.1 Aplicação dos experimentos impressos em 3D .................................. 72
6.2 Resultados......................................................................................... 74
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................................ 78
REFERÊNCIAS .............................................................................................. 79
APÊNDICE A - QUESTIONÁRIO APLICADO Á TURMA DE FÍSICA ............ 82

17
1. INTRODUÇÃO
Para Dantas et al. (2018, p.12), o processo de impressão 3D se apresenta
como uma técnica promissora que faz parte de uma nova revolução industrial, a
chamada indústria 4.0 que vivemos nos tempos atuais, ela é capaz de construir
em tempo hábil modelos físicos em três dimensões que podem ser usados desde
a indústria automotiva até a área da medicina.
De acordo com Sampaio (2017), essa tecnologia é bastante antiga, sendo
que nos anos 70 surgiram os primeiros testes para produzir uma peça de
maneira aditiva, e nos anos 80 começaram a surgir as primeiras patentes dos
processos mais usados nos dias de hoje.
No campo da educação, a impressão 3D possibilita de maneira prática e
eficiente a integração entre o conteúdo teórico e prático usados desde o ensino
fundamental até o superior. Atualmente podemos contar com o auxílio de
diversos sites de impressão de modelos 3D voltados para a educação em geral,
entre eles o Thingiverse1
, que através de um cadastro rápido, nos possibilita
baixar de forma gratuita os modelos, e ainda utilizar como modelo os planos de
aulas e experiências postadas de outros professores.
Segundo Aguiar (2016), o processo de impressão em três dimensões
deve ser dividido em seis etapas diferentes, constatando primeiro a necessidade
através da seleção de conteúdo, o plano de construção do instrumento a ser
utilizado, a elaboração do rascunho com as medidas do objeto, a modelagem 3D
por meio de softwares livres ou a busca por modelos prontos, preparação e
impressão do modelo 3D e a utilização e avaliação do objeto real construído.
Serão construídos recursos didáticos voltados para o ensino de Física,
utilizando a tecnologia de impressão 3D na fabricação de experimentos de baixo
custo orientado pelo professor, enriquecendo e diferenciando os conteúdos,
fazendo com que os alunos explorem ao máximo os conhecimentos através de
uma tecnologia atrativa.
1
www.thingiverse.com

18
Tal objetivo pode ser alcançado com a aproximação de professores e
alunos por meio dessa tecnologia, fazendo com que os mesmos conheçam os
tipos de impressora 3D e os materiais utilizados, bem como controlar os
parâmetros do processo e realizar as simulações das experiências impressas.
O presente trabalho auxiliará o professor de Física em suas aulas teóricas
e práticas através do uso das impressoras e das impressões 3D, utilizando
polímeros de baixo custo e possibilitando a modelagem e alteração das
configurações do processo antes da impressão final, facilitando o ensino e a
aprendizagem, e introduzindo uma nova tecnologia para aprimorar o currículo
dos alunos.
Este trabalho foi organizado da seguinte maneira:
Uma breve fundamentação teórica sobre a evolução das impressoras 3D,
as suas aplicações no ensino de ciências, os tipos de impressoras, suas técnicas
e componentes, os matérias mais utilizadas nesse processo, as técnicas de
impressão 3D, e a construção dos experimentos de Física.
Por fim todos os resultados das simulações e impressões 3D realizadas
são apresentados, bem como a análise da aplicação dos modelos com os alunos
do ensino médio através de um questionário.

19
2. METODOLOGIA
Este trabalho foi elaborado através da realização de um levantamento
bibliográfico utilizando a internet, livros e artigos para a pesquisa de diferentes
tipos de impressoras 3D e processos de impressão voltados para a educação,
especialmente para as práticas de laboratório, analisando e selecionando as
áreas da física e as práticas adequadas para o processo de impressão 3D.
Foram utilizados oito protótipos impressos em 3D para a realização de
experimentos feitos durante o processo de pesquisa com o auxílio de uma
impressora 3D de baixo custo, sendo dois para cada ano de ensino, e outros dois
protótipos extras, com todas as informações necessárias para a construção dos
mesmos.
Optamos pela realização de uma aula prática utilizando os modelos
impressos em 3D com duas turmas do ensino médio de instituições diferentes
com o objetivo de avaliar o processo e a eficiência da aplicação dos
experimentos.
Para o registro dos dados relacionados ao uso dos experimentos
impressos em 3D, foi aplicado um questionário de treze perguntas com os alunos
das duas instituições de ensino escolhidas, com a possibilidade de verificar o
nível de receptividade pelos estudantes do uso dessa tecnologia para o ensino
de Física, bem como visualizar possíveis dificuldades encontradas por eles.

20
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Fundamentos da impressão 3D para o uso na Física
A Física é umas das ciências responsáveis pelo estudo do universo e dos
fenômenos decorrentes nele, a partir da utilização de princípios e de leis que
regem a natureza, bem como algumas teorias fundamentais para a explicação
do surgimento do mesmo. A sua contribuição para o progresso da humanidade
é de grande importância, pois através dela vivemos em um mundo tecnológico
que se desenvolve a cada dia com estudos e pesquisas científicas nas mais
renomadas faculdades e laboratórios do mundo.
O uso de tecnologias para o ensino de Física em sala de aula, como
simuladores e jogos vem ganhando cada vez mais espaço nos dias atuais, pois
chama mais a atenção e faz com que o entendimento da teoria ensinada ocorra
de maneira mais rápida, substituído assim os antigos métodos que exigem dos
alunos a prática de decorar fórmulas para utilização nas provas, sem o
entendimento direto do fenômeno. Um conceito novo que está revolucionando o
ensino em geral é o uso de impressoras 3D para realização de experiências
físicas, demonstrados através do livro, guia de educação Makerbot, onde os
próprios alunos modelam, constroem executam e analisam os dados dos
experimentos impressos de maneira prática. (DEMARCO et al., 2017)
O processo de impressão 3D hoje em dia chamado de Manufatura aditiva
é o procedimento pelo qual construímos objetos com formas tridimensionais
(altura, largura e comprimento), por meio da deposição de material por camadas
sobrepostas, da base até o topo do objeto (Figura 3.1.1). De acordo com
Sampaio (2017, p. 7), as" impressoras 2D " que desenham em folhas de papel
utilizam-se de duas dimensões comparadas com as impressoras 3D.

21
Para Sampaio (2017), o início da tecnologia de impressão 3D foi dado por
Swainson em 1968 que sugeriu um método de fabricar peças com três
dimensões usando feixes de laser cruzados em um polímero fotossensível, para
possibilitar a cura seletiva do plástico. Em 1971, Ciraud propôs, a produção de
um objeto utilizando a deposição de um pó em uma matriz por gravidade
eletrostática. Mas foi em 1981, no Japão que Hideo Kodama apresentou o
primeiro modelo prático de uma máquina de impressão 3D no Instituto de
Pesquisas Industriais Municipal de Nagoya.
Ainda de acordo com Sampaio (2017), esse método utilizava a
prototipagem rápida com o procedimento baseado na técnica de
fotopolimerização (Figura 3.1.2), construindo camadas correspondentes a
seções transversais já fatiadas do objeto, por meio de três processos diferentes,
sendo dois deles conhecidos atualmente como SLA - Estereolitografia (do
inglês: Stereolithography).
Figura 3.1.1– Conjunto de
engrenagens sendo impressas em 3D
Fonte: próprio autor, 2017
Fonte:
https://www.techtudo.com.br/listas/noticia/2016/02/entenda-
como-funcionam-os-diferentes-tipos-de-impressoras-3d.html
Figura 3.1.2 - Estereolitografia permite impressão com
grande riqueza de detalhes

22
Segundo Aguiar (2016), em 1984 surgiu a primeira patente de uma
máquina que construía objetos em três dimensões sendo registrada pelo
engenheiro físico Charlie (Chuck) Hull, que utilizava um esquema similar ao de
Hideo Kodama no qual deu o nome de estereolitografia.
Em 1989, o cientista Scott Crump, fundador da empresa Stratasys,
registra a patente do equipamento e metodologia para criar objetos em três
dimensões por deposição de material fundido (do inglês: Fused Deposition
Modeling - FDM), termo utilizado e protegido para fins comerciais podendo ser
chamado também de fabricação por filamento fundido (do inglês: Filament Fused
Fabrication - FFF), considerado como termo de uso sem restrições.
(AGUIAR,2016)
Em 2005, através de um projeto chamado RepRap, fundando pelo Dr.
Adrian Bowyer (Figura 3.1.3), foi possível ter impressoras 3D para um uso
pessoal, possibilitando a criação de objetos complexos sem a necessidade de
intermédio empresarial. Através da associação de três membros do projeto
RepRap foi criada a empresa MakerBot em 2009, com um simples sistema de
interface, passando assim a comercializar impressoras 3D de código aberto
baseadas na filosofia RepRap, com montagens fáceis. A partir de então nasceu
o site Thingiverse2
que funciona como uma biblioteca de compartilhamento de
modelos para impressão 3D. (CASTANHEIRA,2016)
2
www.thingiverse.com
Figura 3.1.3 - Adrian Bowyer (à esquerda) e Vik
Olliver (à direita) com uma máquina Parent RepRap,
e a primeira máquina RepRap completa para crianças
à direita
Figura 2.1.4 - Adrian Bowyer (à esquerda) e Vik
Olliver (à direita) com uma máquina Parent RepRap,
e a primeira máquina RepRap completa para crianças
à direita
Fonte: https://reprap.org/wiki/About
Fonte: https://reprap.org/wiki/About

23
3.2 Uso dos trabalhos de impressão 3D em ciências
No início, a tecnologia de impressão 3D era usada para criação de
ferramentas de plásticos, peças de amostras ou protótipos industriais. Mas
desde então, essa tecnologia tem sofrido inúmeras transformações até chegar
nas modernas máquinas que são atualmente, a qual tem ganhado espaço nas
salas de aulas, escritórios, casas e hospitais. (SAMPAIO, 2017)
Foi realizado um estudo pelo grupo norte-americano New Media
Consortium, sobre as transformações que a impressão 3D irá gerar na prática
de ensino tradicional. Tal pesquisa revelou que em pouco tempo as salas de
aulas não serão mais somente espaços de ensino apenas das teorias, mas sim
de algo mais prático, onde os alunos poderão desenvolver suas habilidades e
obterem melhor compreensão do assunto que está sendo abordado pelo
professor. (BIBANO, 2014)
Ainda de acordo com Bibano (2014), em algumas escolas britânicas e
norte-americanas o uso dessa tecnologia tem se mostrado de uma excelente
ferramenta e de grande utilidade para tornar a aula mais dinâmica. Alguns
exemplos de disciplinas de ciências que a impressão 3D já estar sendo aplicada
para o aprendizado, são a Biologia, Química, Física e Matemática.
Na biologia, com impressão de amostras de órgãos de corpos humanos
e de animais (Figura 3.2.1), células diversas (Figura 3.2.2), com detalhes que
são melhores entendidos se estudados em meios físicos (impressos), ao invés
de livros e apostilas.
Figura 3.2.1 – Kit de dissecação de
Rã
Figura 3.2.2 – Modelo Celular
Multicolor
Fonte:
https://www.thingiverse.com/thing:258112
Fonte:

24
Já no ensino de química, impressão de moléculas (Figura 3.2.3), átomos,
tabela periódica (Figura 3.2.4) e cadeias moleculares 3D facilitando a melhor a
compreensão do assunto dado em teoria pelo professor na sala de aula.
A impressão 3D no ensino de Física, que é o objetivo deste presente
trabalho, facilita a compreensão de teorias e conceitos, realizando na prática
experimentos físicos, como demonstração ótica (Figura 3.2.5), gravidade (Figura
3.2.6) e outros.
Figura 3.2.3 – Modelos de Química
Polímero
Figura 3.2.4 – Tabela Periódica em 3D
Fonte:
Fonte:
Figura 3.2.5 – Demonstração ótica
geométrica
Figura 3.2.6 - Levitador
Fonte:
2
Fonte:
69

25
O uso da tecnologia da impressão 3D no ensino de matemática já foi
mencionado pelos matemáticos Knill e Slavkovsky (2013) em um trabalho que
escreveram. De acordo com eles, com essa nova abordagem foi possível o
desenvolvimento de provas físicas de resultados obtidos por Arquimedes, não
sendo somente ilustrativa. Eles mencionam que triângulos Pitagóricos
construídos com cordas colaborou para realização de medidas de terrenos na
Babilônia. Diante dos benefícios da tecnologia, os autores continuam abordando
em seu trabalho formas de utilizar a impressão 3D para visualizar conceitos e
provas matemáticas. Uma das formas é a utilização de softwares de modelagens
matemáticas, onde os mesmos produzem gráficos a partir de expressões
algébricas (Figura 3.2.7). (AGUIAR, 2016)
No Brasil, o uso dessa tecnologia ainda não é tão popular, mas já há
universidades usando para o melhor ensino da medicina, como nas aulas de
anatomia (Figura 3.2.8), ensino da engenharia, como na área de robótica (Figura
3.2.9) e protótipos, no ensino da arquitetura como maquetes (Figura 3.2.10) ricas
em detalhes. (BIBANO, 2014)
Figura 3.2.7 – Gráficos gerado pelo software de modelagem matemática
Fonte: Knill e Slavkovsky (2013b)

26
Figura 3.2.8 – Impressão da anatomia
do ouvido interno humano
Figura 3.2.9 – Protótipo de uma mão
Fonte:
Fonte:
Figura 3.2.10 – Maquete de uma casa em 3D
Fonte: https://www.thingiverse.com/thing:111276

27
4. AS IMPRESSORAS 3D E SUAS TÉCNICAS
4.1 Tipos de impressoras 3D
Apesar de existirem vários tipos de tecnologia de impressão 3D, como a
que utiliza o processo de esteriolitografia (SLA) com o uso de resina curável
através da luz, este presente trabalho abordará especificamente as impressoras
3D de modelagem por deposição de material fundido – FDM (Figura 4.1.1), pois
são consideradas comercialmente mais baratas, populares, de fácil
entendimento e operação, além de encontrarmos vários modelos diferentes
seguindo ao projeto RepRap. (AGUIAR, 2016)
Figura 4.1.1- Processo de derretimento do filamento na impressora
FDM
Figura 3.1.1- Processo de derretimento do filamento na impressora
FDM
Fonte: Guia Maker da Impressão 3D, p. 68

28
Quanto a estrutura, as impressoras podem ser classificadas em abertas
(Figura 4.1.2) e fechadas (Figura 4.1.3), onde as abertas são mais fáceis de
manutenção e de alcançar rapidamente as peças impressas, tendo a
desvantagem de estarem expostas as condições do ambiente, o que pode
influenciar diretamente na qualidade da impressão. Já as impressoras 3D com
estrutura fechada possuem maior controle interno de temperatura facilitando o
uso de certos materiais mais susceptíveis ao “Warp” (empenamento).
(SAMPAIO, 2017)
Para Sampaio (2017), podemos classificar ainda as impressoras de
acordo com a cinemática dos eixos X, Y e Z em cinco categorias principais:
Cartesiana, Delta, CoreXY, SCARA e Polar.
As impressoras Cartesianas (Figura 4.1.4) têm o seu plano de movimento
correspondendo ao plano cartesiano, com o objeto impresso sobre a mesa se
movimentando no eixo Y, e a parte de extrusão do filamento no eixo X e Z.
Figura 4.1.3 – Impressora fechada
Figura 3.1.3 – Impressora fechada
Fonte: Próprio autor, 2019
Figura 4.1.2 – Impressora aberta

29
Nos modelos do tipo Delta (Figura 4.1.5) há uma transformação
trigonométrica nos eixos X, Y e Z, possibilitando uma construção vertical na
impressão sendo estas consideradas de difícil calibração.
Figura 4.1.4 – Impressora Cartesiana
Figura 3.1.4 – Impressora Cartesiana
Fonte:
http://3drecycler.blogspot.com/2018/04/como-
funciona-uma-impressora-3d.html
Fonte:
http://3drecycler.blogspot.com/2018/04/como-
funciona-uma-impressora-3d.html
Figura 4.1.5 – Impressora Delta
Figura 3.1.5 – Impressora Delta
(a) Foto. Fonte:
https://br.pinterest.com/pin/4440268
44484787339/
(b) Foto. Fonte:
44484787339/
(b) Esquema. Fonte:
https://www.intechopen.com/book
s/3d-printing/the-evolution-of-3d-
printing-in-aec-from-experimental-
to-consolidated-techniques
(b) Esquema. Fonte:
https://www.intechopen.com/book
s/3d-printing/the-evolution-of-3d-

30
Na categoria CoreXY (Figura 4.1.6) os eixos X e Y se se movimentam em
uma altura fixa sendo o objeto impresso sobre a mesa se deslocando
verticalmente, no eixo Z, o que garante mais estabilidade no processo.
Existem ainda impressoras com a movimentação de seus eixos X, Y e Z
baseadas nos movimentos de braços robóticos articulados, chamadas de
SCARA (Figura 4.1.7) tendo a vantagem de serem utilizadas em escalas
industriais.
Figura 4.1.6 – Impressora CoreXY
Figura 3.1.6 – Impressora CoreXY
(a) MakerBot. Fonte:
https://www.makerbotstore.com.
br/impressora-3d-makerbot-
replicator-2x
(a) MakerBot. Fonte:
https://www.makerbotstore.com.
br/impressora-3d-makerbot-
replicator-2x
(c) Vista superior. Fonte:
http://www.imprimindo3d.com.b
r/novo-projeto/
(d) Vista superior. Fonte:
http://www.imprimindo3d.com.b
r/novo-projeto/
Figura 4.1.7 – Impressora SCARA
Figura 3.1.7 – Impressora SCARA
(a) Perfil. Fonte:
http://www.morgan3dp.com/t
ag/centurion/
(a) Perfil. Fonte:
http://www.morgan3dp.com/t
ag/centurion/
(b)Vista frontal. Fonte:
203710730607704/
(b)Vista frontal. Fonte:
203710730607704/

31
Já as Polares (Figura 4.1.8) têm a movimentação dos eixos baseadas em
ângulos, formando um sistema de coordenadas polares, mas não são muito
utilizadas servindo de base para modelos conceituais.
4.2 Componentes de uma impressora 3D
Segundo Volpato (2017), para realizar o processo de impressão 3D -
FDM, o material é depositado sobre uma mesa em forma de um filamento
reduzido a um diâmetro calibrado, na qual chamamos de extrusão. A geometria
de cada camada é obtida através do posicionamento do cabeçote responsável
pela extrusão do material, que dependendo da máquina pode se movimentar no
plano X-Y, sendo que a base onde está depositado o material movimenta-se no
eixo Z (Figura 4.2.1), normalmente para baixo (sistema de uma impressora 3D
CoreXY).
Figura 4.1.8 – Impressora de
Coordenadas Polares
Figura 3.1.8 – Impressora de
Coordenadas Polares
Fonte: https://3dprint.com/13310/theta-3d-
printer/
Fonte: https://3dprint.com/13310/theta-3d-
printer/

32
Os componentes fundamentais para a construção e funcionamento de
uma impressora 3D – FDM são: Estrutura mecânica, extrusor, ventoinhas (fans),
mesa (plataforma de impressão), motor de passo, microcontrolador com RAMPS
e drivers, fonte de alimentação e firmware. (SAMPAIO, 2017)
A estrutura que suporta toda a parte mecânica, poder ser fabricada de
aço, alumínio, madeira, acrílico, ou até mesmo utilizando peças feitas de plástico
em outras impressoras 3D (como foram feitas as primeiras impressoras
RepRap). Os principais componentes mecânicos responsáveis pela
movimentação dos eixos são: buchas de bronze ou rolamentos lineares para
guiar o movimento através das barras lisas e trabalham em conjunto com as
barras roscadas ou fusos trapezoidais para a transmissão, sendo apoiadas por
rolamentos radiais (Figura 4.2.2). Geralmente os eixos X e Y dispensam o uso
das barras roscadas tendo como alternativa a movimentação por correias
dentadas (Figura 4.2.3), o que possibilita um ganho de velocidade nestes eixos.
(SAMPAIO, 2017)
Fonte: Manufatura Aditiva, p. 146
Figura 4.2.1 – Processo de impressão 3D – FDM, com a movimentação
dos eixos

33
O extrusor (Figura 4.2.4) é o componente responsável por puxar o
filamento (material usado no processo) passando por duas zonas, a primeira
considerada fria onde fica localizado o motor com a engrenagem o qual é
responsável pelo tracionamento do mesmo, ganhando força e velocidade até
chegar na segunda zona chamada de hotend, considerada quente que derreterá
o material depositado sobre camadas. Nas impressoras 3D, existe uma distinção
no posicionamento do tracionador (engrenagem) e do hotend (zona quente), se
os dois componentes estiverem juntos formando uma só peça, este será
chamado de sistema de extrusão Direct (Figura 4.2.5), que tem a vantagem de
manter o filamento sempre tensionado, mesmo sendo flexível, caso contrário
poderá ser denominado extrusão Bowden (Figura 4.2.6) com a vantagem de não
ter o peso do motor no eixo da extrusora dando a possibilidade de aumentar a
velocidade de impressão sem prejudicar a qualidade. (SAMPAIO, 2017)
Figura 4.2.2 - 1 - Bucha de bronze; 2 -
rolamentos lineares; 3 - barra lisa M8
(8mm); 4 - barra roscada M8; 5 -
rolamentos radiais
Figura 4.2.3 –
Correia dentada
Figura 3.2.3 –
Correia dentada
Figura 4.2.4 – Extrusor
de filamento

34
Para Portela (2018), o uso de coolers (fans) (Figura 4.2.7), além de ser
fundamental no processo de refrigeração da placa mãe (responsável pelo
controle eletrônico da impressora), também é de grande utilização para o
controle de temperatura do extrusor e também do filamento (direcionado na
saída da zona quente), evitando erros de impressão por deformação quando a
camada inferior não resfria em tempo hábil para receber uma nova (Figura 4.2.8).
Figura 4.2.5 – Sistema de
extrusão Direct
Fonte:
https://filamentos3dbrasildotcom.
wordpress.com/2016/03/10/qual-
a-diferenca-entre-bowden-e-
direct-extruder/
Figura 4.2.6 – Sistema de extrusão
Bowden
Fonte:
https://filamentos3dbrasildotcom.wordpre
ss.com/2016/03/10/qual-a-diferenca-
entre-bowden-e-direct-extruder/
Figura 4.2.8– O uso do cooler na
impressão 3D
Fonte: https://3dlab.com.br/20-principais-erros-
de-impressao/
Figura 4.2.7 - Cooler

35
Outro componente de fundamental importância, sem o qual seria inviável
imprimir em 3D, são as mesas (plataformas de impressão), pois são elas que
dão sustentação ao material que está sendo produzido. As primeiras
impressoras 3D patenteadas utilizavam uma superfície que segurava o filamento
derretido sobre a base, necessitando de uma câmara aquecida para evitar a
deformação das peças durante a impressão (Figura 4.2.9), mas o projeto
RepRap trouxe uma estratégia de barateamento do processo que são as mesas
aquecidas (Figura 4.2.10), fabricadas em alumínio (Figura 4.2.11), ou outro
material capaz de conduzir o calor gerado por resistências depositadas na parte
inferior da mesma, sendo que alguns materiais como o polímero PLA (ácido
poliláctico) não necessita obrigatoriamente que a plataforma esteja quente,
utilizando assim placas de acrílico, vidro ou fitas especiais coladas sobre a
superfícies destas. (SAMPAIO, 2017)
Figura 4.2.9 – Impressora 3D de
câmara aquecida
Fonte: https://www.stratasys.com/br/3d-
printers/fortus-380mc-450mc
Figura 4.2.10 – Mesa
aquecida
Figura 4.2.11 – mesa aquecida
em alumínio

36
A movimentação dos eixos de uma impressora 3D e do extrusor
responsável por puxar o filamento é feita através da transmissão de movimento
mecânico fornecida por motores de passo (Figura 4.2.12) controlados pela placa
mãe. Esses componentes ao serem alimentados por corrente elétrica contínua
realizam um giro em ângulos bem definidos o que concede precisão aos
deslocamentos lineares da máquina, por esse motivo são denominados de motor
de passo. (SAMPAIO, 2017)
O microcontrolador com RAMPS e drivers formam o cérebro de todo o
processo, juntos eles enviam dados para os motores de passo, extrusora e mesa
aquecida, além de receber os sinais dos termistores (sensores de temperatura
da mesa e do extrusor) e dos sensores fim de curso (limitadores de distância
inicial e final) também chamados de end-stop (Figura 4.2.13). O microcontrolador
é o chip no qual vai estar gravado o programa que gerencia a impressora, sendo
mais comum o uso do Arduino por ser uma plataforma eletrônica livre e de código
aberto (ou seja, qualquer pessoa pode usar, editar e compartilhar). A RAMPS
juntamente com os drivers (Figura 4.2.14) servem para administrar a corrente
elétrica vinda direto da fonte de alimentação para os motores de passo, como
também para o aquecimento do sistema de extrusão e da mesa, pois o Arduino
trabalhando sozinho não teria potência suficiente para a alimentação dos
mesmos. Atualmente encontramos todos esses componentes comercializados
em somente uma placa (Figura 4.2.15), facilitando o processo de instalação e
manutenção. (SAMPAIO, 2017)
Figura 4.2.12 – Motores de passo
Figura 3.2.12 – Motores de passo
(a) Motor de passo. Fonte:
Próprio autor, 2019
(a) Motor de passo. Fonte:
(b) Motor de passo na extrusora. Fonte:
(b) Motor de passo na extrusora. Fonte:

37
Figura 4.2.14 - Drivers
Figura 4.2.15 – Placa controladora
com drivers
Figura 4.2.13 – Esquema de ligação da placa controladora
Fonte: http://www.geeetech.com/wiki/index.php/Sanguinololu (2019)

38
Todos os componentes eletrônicos precisam ser alimentados para que a
impressora 3D funcione corretamente, a corrente elétrica deve estar em
quantidade suficiente para suprir esta demanda com segurança. As fontes de
alimentação (Figura 4.2.16) são projetadas para receber tensão alternada (127
V ou 220 V) e fornecer para todos os componentes tensão e corrente contínua
(geralmente 12V e 30A) de acordo com a potência exigida pelo circuito.
(SAMPAIO, 2017)
Os primeiros Arduinos das impressoras de código aberto utilizavam um
software chamado de RepRap firmware com um compilador online que enviava
e recebia dados pela porta USB, dessa forma poderíamos movimentar a
impressora através de um computador, o processo de alteração e gravação
deste firmware no controlador era muito complexo e com muitas linhas de
programação, com o passar do tempo o mesmo foi se tornando mais prático,
menos complexo e com mais recursos. Temos hoje nos repositórios de softwares
os dois programas de impressora 3D mais utilizados do mundo, que são o
Repetier Firmware e o Marlin Firmware (Figura 4.2.17), utilizando linguagem de
programação em C (linguagem de programação genérica utilizada para a criação
de diversos programas), podendo ser alterados, compilados no ambiente de
desenvolvimento integrado - IDE (do inglês - Integrated Development
Environment) do Arduino e transferidos vias porta USB para os
microcontroladores. (SAMPAIO, 2017)
Figura 4.2.16 – Fonte de alimentação
Fonte: Próprio autor, 2019 Fonte: Guia Maker da Impressão 3D, p. 173

39
4.3 Tipos de materiais
Segundo Sampaio (2017), os materiais utilizados pelas impressoras 3D
de processo FDM são polímeros termoplásticos (plásticos podem ser facilmente
moldável após o derretimento) comercializados em carreteis de filamentos com
diâmetros de 3 mm ou 1,75 mm (Figura 4.3.1). Os materiais mais utilizados de
acordo com a sua composição são: ABS, PLA, PETG, NYLON e os flexíveis.
Figura 4.2.17 – Tela de configuração e compilação do Marlin no IDE do
Arduino
Figura 3.2.17 – Tela de configuração e compilação do Marlin no IDE do
Arduino
Figura 4.3.1 – Filamentos para
impressão 3D FDM

40
Para Portela (2019), o ABS - Acrilonitrila, Butadieno e Estireno ("Styrene")
foi o primeiro material a ser utilizado nesse processo, derivado do petróleo pode
ser impresso com uma temperatura no extrusor entre 230°C e 240°C possuindo
temperatura de transição vítrea (temperatura na qual começa a ocorrer a fusão
do material) em acima de 100°C, o que exige mesa aquecida acima desse valor
para impressoras sem câmara de aquecimento para evitar o empenamento
(“warp”).
O PLA – Ácido Poliláctico é um polímero derivado de restos de materiais
orgânicos como bagaço da cana de açúcar, farelo de milho e casca de mandioca,
tem se mostrado como uma opção ecologicamente correta por ser biodegradável
e muito menos susceptível ao warp do que o ABS porém, é um material de menor
resistência mecânica, podendo ser impresso com uma temperatura no extrusor
entre 185°C e 220°C e temperatura de transição acima de 50°C, o que permite
a impressão sem mesa aquecida em impressoras abertas com algumas
tecnologias de fixação como cola bastão, spray de cabelo e fitas de pintura para
construção civil. (PORTELA, 2019)
O PETG – politereftalato de etileno usado nas garrafas de refrigerante
porém, com a adição do radical “glicol” para torná-lo mais claro e de impressão
mais fácil que sua base, pode ser impresso com temperatura entre 220°C e
240°C no extrusor e transição vítrea acima de 80°C, dispensa o uso de mesa
aquecida desde que seja utilizado cola de bastão a base de PVA (acetato de
polivinila). (PORTELA, 2019)
O Nylon - poliamidas alifáticas ou semi-aromáticas são materiais de
propriedades mecânicas mais desejáveis do que o ABS, sendo considerado de
difícil impressão por conta do alto nível de “warp” durante o processo, pode ser
utilizado com temperatura entre 240°C e 260°C no extrusor e transição vítrea
acima de 70°C. (PORTELA, 2019)
Os filamentos flexíveis são considerados de difícil impressão por causa
da dificuldade de manter sua rigidez próximo do sistema de extrusão,
impossibilitando a sua utilização em algumas impressoras com sistemas
“bowden”, são encontrados no comércio em duas variações, o TPE –
termoplástico elastômero e o TPU – termoplástico poliuretano, podem ser
impressos com temperatura entre 210°C e 230°C no extrusor e transição vítrea
acima de 40°C. (PORTELA, 2019)

41
4.4 Técnicas de impressão 3D
De acordo com Sampaio (2017), todo o processo de impressão 3D deve
seguir um fluxo de trabalho (workflow) que vai desde a obtenção do arquivo
digital, passando pela preparação da máquina, a materialização do objeto 3D até
o último passo que é chamado de pós processamento (acabamento).
Tudo começa com a escolha do arquivo de impressão 3D, entre eles o
mais popular, possui a extensão STL, linguagem padrão de triângulos (do inglês:
Standard Triangle Language) e pode ser obtido em softwares de modelagem
3D como os da Autodesk (Figura 4.4.1), o Blender, SolidWorks, Zbrush, e até
mesmo os softwares nativos do sistema operacional Windows 10 como o 3D
builder e o Paint 3D.
Na falta de habilidade técnica de qualquer software de modelagem em
três dimensões para a obtenção do arquivo STL, o usuário poderá recorrer a
epositórios de modelos 3D prontos, e em alguns casos gratuitos, entre eles o
Thingiverse3
(Figura 4.4.2), MyMiniFactory4
, Yeggi5
e o GrabCAD6
.
3
www.thingiverse.com
4
www.myminifactory.com
5
www.yeggi.com
6
www.grabcad.com
Figura 4.4.1 – Print screen da tela principal do software de modelagem 3D
Autodesk fusion 360

42
Com a obtenção do arquivo STL, o usuário deverá então escolher o
software de fatiamento (divisão do objeto em camadas pré-definidas) do modelo
3D, tendo como opções gratuitas mais usadas o Repetier-Host com Slic3r
(Figura 4.4.3), Ultimaker Cura, ou Pronterface e se quiser optar por um software
não gratuito poderá escolher uma licença do Simplify 3D ou até mesmo o
Voxelizer da empresa Zmorph.
Figura 4.4.2 - Print screen da tela principal do site Thingiverse
Figura 4.4.3 - Print screen da tela principal do software Repetier – Host
com Slic3r

43
Após definido o software que fatiará o modelo 3D, o usuário deverá
escolher as principais configurações de impressão e da impressora (Figura
4.4.4), entre elas: O diâmetro do filamento e do bico extrusor, as dimensões da
impressora, o material que será utilizado (PLA, ABS, etc.), a temperatura do
extrusor e da mesa aquecida de acordo com o filamento definido, a velocidade
de impressão, a altura de cada camada em que o modelo será impresso
(resolução), a espessura da parede ou perímetro do objeto 3D, a quantidade de
camadas na base e no topo e a densidade (infill) que definirá a massa em gramas
ao final da impressão.
A depender do modelo escolhido e do material do filamento, poderá ser
necessário a utilização de alguma tecnologia de fixação sobre a mesa que pode
ser configurada no software de fatiamento com a opção de saia (Brim) onde o
usuário definirá a quantidade de voltas que a mesma deverá ter (Figura 4.4.5).
Outra situação é a possibilidade da utilização de suportes (Figura 4.4.6) na
própria impressão evitando assim a queda do filamento por ação da gravidade
quando este for impresso sem nenhuma camada abaixo, para tanto deverá ser
definido o ângulo em que o software deve posicionar os mesmos (geralmente a
45° em relação a mesa). Tanto a saia como os suportes são descartados após
a impressão, elevando o custo de fabricação do objeto 3D.
Figura 4.4.4 - Print screen da tela de configuração do
software Repetier – Host com Slic3r

44
Após a realização de todas as configurações no software de fatiamento,
será necessário gerar o último arquivo do processo, este deverá ter a extensão
G-code, e as informações necessárias que serão reconhecidas pelo firmware da
impressora 3D como as dimensões do objeto que limitarão os movimentos dos
motores de passo, as temperaturas de impressão, a quantidade de filamento
depositado camada sobre camada e tempo total do processo. O arquivo gerado
(Figura 4.4.7) deverá ser armazenado em um cartão de memória SD e depois
inserido na placa controladora da impressora para que o usuário possa iniciar de
fato a impressão, uma outra opção é conectar a impressora 3D ao computador
via cabos USB para que os arquivos sejam transferidos.
Figura 4.4.5 - Print screen da tela do software Repetier – Host com
Slic3r mostrando objeto fatiado e informações da impressão 3D
Figura 4.4.6 - Print screen da tela do
software Ultimaker Cura mostrando
objeto fatiado com uso de suporte em
azul

45
Ao término da impressão faz-se necessária a retirada de algumas
rebarbas oriundas da saia, dos suportes (se utilizados) removidos com alicate de
bico, ou de filamentos depositados fora da camada. Nesse caso podemos utilizar
limas e até mesmo lixa para o acabamento. Após este processo fica a critério do
usuário realizar a pintura ou não.
Figura 4.4.7 - Print screen da tela do software Repetier – Host com
Slic3r mostrando o arquivo G-code à direita

46
5. CONSTRUÇÃO DOS EXPERIMENTOS DE FÍSICA IMPRESSOS EM 3D
Os experimentos de física apresentados a seguir foram escolhidos
utilizando o critério da divisão de áreas da física para o ensino médio, num total
de oito experimentos, sendo dois para cada ano de ensino, e outros dois
protótipos extras, com as fundamentações teóricas, equipamentos e materiais
utilizados e configurações de impressão.
5.1 O pássaro e o centro de massa
Se considerarmos um corpo maciço (como exemplo, uma pessoa) como
um sistema de partículas, podemos definir o seu centro de massa em um ponto
que se movimenta de tal forma em que toda a massa esteja concentrada neste,
sendo assim, todas as forças externas também estariam aplicadas nele.
(HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2009)
No experimento do pássaro (Figura 5.1.1) em equilíbrio que foi obtido no
site Thingiverse7
(modelo thing:1617958) podemos concluir que o mesmo utiliza
o contrapeso existente nas pontas das suas asas com a finalidade de deslocar
o centro de massa para a parte inferir ao ponto de apoio, que fica localizada no
bico, com isso o pássaro se mantém em equilíbrio estável, o que não o deixa
cair. (SABRINNA, 2019)
7
Figura 5.1.1 – Experimento do
pássaro

47
Para garantir que o pássaro tenha o centro de massa localizado no bico,
foi utilizado na impressão 3D uma densidade maior nas extremidades das asas
do que nas outras partes do corpo, sendo o mesmo impresso em duas etapas,
com as configurações da impressora 3D feitas no software Ultimaker Cura, para
a primeira etapa (Figura 5.1.2), mostradas na tabela 1 abaixo:
Tabela 1 – Configurações da impressora 3D para a etapa 1
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
fechada
Prusa i3
0.4 mm 200 mm x 200 mm
x190 mm
100 mm/s Direct
As configurações de impressão 3D feitas no software Ultimaker Cura para
a primeira etapa estão listadas na tabela 2 abaixo:
Tabela 2 – Configurações da impressão 3D para a etapa 1
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
ABS 0.2 mm 25% sim 50 mm/s 225 °C / 110 °C
Figura 5.1.2 - Print screen da
tela de impressão da etapa 1
no software Ultimaker Cura

48
Na tabela 3 abaixo, estão as configurações do material relacionadas ao
custo e tempo de impressão da etapa 1:
Tabela 3 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo da etapa 1
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
6.15 m 1.75 mm 2h 11min R$ 85,00 R$ 1,31
Para a etapa 2 (Figura 5.1.3) foram utilizadas as configurações da
impressora 3D conforme tabela 4, bem como as configurações de impressão 3D
mostradas na tabela 5 e as configurações do material relacionadas ao custo e
tempo na tabela 6 feitas no software Ultimaker Cura:
Tabela 4 – Configurações da impressora 3D para a etapa 2
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
fechada
Prusa i3
0.4 mm
200 mm x 200 mm
x190 mm
100 mm/s Direct
Figura 5.1.3 - Print screen
da tela de impressão da
etapa 2 no software
Ultimaker Cura

49
Tabela 5 – Configurações da impressão 3D para a etapa 2
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
ABS 0.2 mm 98% sim 50 mm/s 225 °C / 110 °C
Tabela 6 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo da etapa 2
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
8.79 m 1.75 mm 1h 59min R$ 85,00 R$ 1,87
Ao final de todo o processo de impressão, remoção dos suportes e das
saias da base, foi realizada a montagem das partes do pássaro utilizando cola
de cano PVC para fixação em ABS, obtendo assim uma só peça (Figura 5.1.4).
Figura 5.1.4 – Pássaro impresso em 3D ao final da montagem
Figura 4.1.4 – Pássaro impresso em 3D ao final da montagem
(a) Pássaro em equilíbrio na mão.
(a) Pássaro em equilíbrio na mão.
(b) Pássaro em equilíbrio em cone.
(b) Pássaro em equilíbrio em cone.

50
5.2 O copo de Pitágoras
O copo de Pitágoras ou taça de Pitágoras foi criado pelo mesmo com o
objetivo de ensinar aos seus discípulos o consumo moderado de vinho. O
princípio baseia-se no experimento do sifão que existe dentro do copo, mantendo
o líquido a uma determinada altura pela ação da gravidade, no momento em que
a quantidade de vinho ultrapassa a altura da coluna do sifão, existirá uma
diferença de pressão capaz de empurrar todo o líquido do copo até o pé da taça
causando o seu esvaziamento (Figura 5.2.1). (BREFIMAS, 2017)
Podemos usar o sifão para retirada de líquidos sem a necessidade de virar
o recipiente ao qual se encontra. Assim que o tubo estiver totalmente cheio o
líquido será drenado até que o seu nível esteja abaixo do ponto B, representado
na Figura 5.2.2.
Figura 5.2.1 – Esquema de funcionamento da taça de Pitágoras
Figura 4.2.1 – Esquema de funcionamento da taça de Pitágoras
Fonte: http://www.gluon.com.br/blog/wp-content/uploads/2015/02/copo-pitagoras-
esquema.jpg
Fonte: http://www.gluon.com.br/blog/wp-content/uploads/2015/02/copo-pitagoras-
esquema.jpg
Figura 5.2.2 – esquema do esvaziamento de um
recipiente contendo líquido por meio de um sifão
Fonte:
http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S180
6-11172009000300001

51
Segundo Vertchenko, Dickman e Ferreira (2009), para encontrarmos a
velocidade com que fluído escoa através do ponto C, utilizaremos o teorema do
trabalho – energia cinética, aplicando a equação de Torricelli da hidrostática para
a diferença entre as pressões estáticas do líquido, teremos:
𝑃𝐵 = 𝑃𝐴 + 𝜌𝑔𝐻 (1)
Sendo 𝜌 a densidade do líquido, 𝑔 a aceleração da gravidade e H a altura
do líquido, para obtermos a diferença de pressão entre os pontos B e C,
consideramos a mesma pressão atmosférica nos pontos A e C, desprezando o
peso da coluna de ar de altura H ficando:
𝛥𝑃 = 𝑃𝐵 − 𝑃𝐶 = 𝜌𝑔𝐻 (2)
O movimento do fluído no sifão é ocasionado por essa diferença de
pressão, onde segundo o teorema do trabalho – energia temos:
𝛥𝑃 =
1
2
𝜌𝑣2
(3)
Para obtermos a velocidade do fluído no ponto C, devemos igualar as
equações (2) e (3), resultando em:
𝑣 = √2𝑔𝐻 (4)
No experimento do copo de Pitágoras (Figura 5.2.3) foi utilizado o arquivo
do site Thingiverse8
(modelo thing:123252), com as configurações da impressora
3D mostradas na tabela 7, de impressão 3D na tabela 8 e as configurações do
material relacionadas ao custo e tempo na tabela 9, feitas no software Ultimaker
Cura:
Tabela 7 – Configurações da impressora 3D
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
fechada
Prusa i3
0.4 mm
200 mm x 200 mm
x190 mm
100 mm/s Direct
8

52
Tabela 8 – Configurações da impressão 3D
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PET-G 0.2 mm 20% não 50 mm/s 230 °C / 80 °C
Tabela 9 – Configurações do material relacionada ao custo e tempo
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
7.47 m 1.75 mm 2h 02min R$ 125,00 R$ 2,97
Figura 5.2.3 - Print screen da tela de impressão do copo de
Pitágoras no software Ultimaker Cura
Figura 4.2.3 - Print screen da tela de impressão do copo de
Pitágoras no software Ultimaker Cura
(a) Visualização raio X.
(a) Visualização raio X.
(b) Visualização do fatiamento.
(b) Visualização do fatiamento.

53
Finalizado o processo de impressão e remoção das saias da base, foi
realizado os testes de funcionamento do sifão do copo de Pitágoras com a
utilização de água, mostrados na figura 5.2.4.
5.3 O diagrama de PVT (pressão, volume e temperatura) da água
Para Torres, Ferraro e Soares (2010), com exceção ao caso de outras
substâncias, a água tem seu volume diminuído quando submetida a fusão. Por
outro lado, o aumento da pressão ocasiona uma aproximação entre as
partículas, o que contribui para uma mudança de estado, dessa forma uma
diminuição da temperatura de fusão do gelo é ocasionada por um aumento de
pressão, o que pode ser observado na figura 5.3.1, em comparação ao que
acontece com substâncias genéricas mostrada na figura 5.3.2, podemos
observar que a curva de fusão está inclinada para a esquerda de forma contrária
ao gráfico de outras substâncias.
O ponto T mostrado no gráfico, comum às três curvas pode ser chamado
de ponto triplo da água, e representa a situação em que existe a coexistência de
três estados, nesse caso para um valor de pressão de 4,58 mmHg a temperatura
correspondente será de 0,01°C.
Figura 5.2.4 – Copo de Pitágoras impresso em 3D e etapas de
funcionamento

54
Ainda segundo Torres, Ferraro e Soares (2010), o líquido formado e
deixado na superfície de gelo na trilha de um patinador é explicado pelo fato de
que o peso do mesmo aumenta a pressão na superfície de gelo, o que favorece
a sua fusão estando a pista na sua temperatura.
Para o diagrama PVT da água (Figura 5.3.3) utilizamos o arquivo no site
Thingiverse9
(modelo thing:1166478), com as configurações da impressora 3D
mostradas na tabela 10, de impressão 3D na tabela 11 e as configurações do
Cura:
9
Figura 5.3.1 – Diagrama
de estados da água
Fonte:
https://mundoeducacao.bol.uol.c
om.br/fisica/diagrama-fases.htm
Figura 5.3.2 – Diagrama de
estados de uma substância
genérica
Fonte:
https://mundoeducacao.bol.uol.c
om.br/fisica/diagrama-fases.htm
Figura 5.3.3 - Print screen da
tela de impressão do diagrama
PVT no software Ultimaker
Cura

55
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
fechada
Prusa i3
0.4 mm
200 mm x 200 mm
x190 mm
100 mm/s Direct
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PLA 0.2 mm 10% não 50 mm/s 205 °C / 65 °C
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
19.27 m 1.75 mm 4h 47min R$ 120,00 R$ 6,90
Concluída a impressão e remoção das saias da base, podemos conferir e
analisar o gráfico gerado em três dimensões referente ao diagrama de pressão,
volume e temperatura da água, mostrados na figura 5.3.4.

56
5.4 O pêndulo simples (pêndulo físico)
O pêndulo físico em relação ao simples, é assim chamado por ter uma
distribuição de massa mais complicada em virtude de não estar ligado ao apoio
por uma corda de massa desprezível, podendo ser chamado de pêndulo real
demonstrado na figura 5.4.1 com um ângulo de abertura θ, em relação a seu
ponto de apoio, a força gravitacional Fg, é aplicada ao centro de massa C
localizado a uma distância h do ponto de apoio. A análise física deve ser a
mesma do pêndulo simples sendo alterado somente o comprimento do fio L pelo
braço de alavanca h, dessa forma o movimento executa um MHS (movimento
harmônico simples) para pequenos valores de θ. (HALLIDAY; RESNICK;
WALKER, 2009)
Figura 5.3.4 – Diagrama PVT da água após o processo de impressão 3D
Figura 4.3.4 – Diagrama PVT da água após o processo de impressão 3D
Figura 5.4.1 – Esquema do
pêndulo físico
Fonte: Fundamentos de Física - vol
2, 8. ed, p.97

57
O período pode ser encontrado substituindo L por h, com I (igual a mL2
)
sendo o momento de inercia do pêndulo em relação ao ponto de apoio O. Nesse
caso a oscilação tende a zero se o seu centro de massa se aproximar do ponto
O, de acordo com a equação abaixo:
𝑇 = 2𝜋√
𝐼
𝑚𝑔ℎ
No experimento do pêndulo simples (Figura 5.4.2) utilizamos o arquivo no
site Thingiverse10
(modelo thing: 2999965), com as configurações da impressora
3D mostradas na tabela 13, de impressão 3D na tabela 14 e as configurações
do material relacionadas ao custo e tempo na tabela 15, feitas no software
Ultimaker Cura:
10
Figura 5.4.2 - Print screen da tela de impressão do
pêndulo simples no software Ultimaker Cura
Figura 4.4.2 - Print screen da tela de impressão do
pêndulo simples no software Ultimaker Cura

58
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
aberta
Tronxy XY-2
0.4 mm
220 mm x 220 mm
x260 mm
100 mm/s Bowden
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PLA 0.2 mm 10% não 50 mm/s 205 °C / 50 °C
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
11.51 m 1.75 mm 3h 22min R$ 120,00 R$ 4,12
Finalizado o processo de impressão e remoção das saias da base, foi
realizada a montagem do pêndulo, com a utilização de dois rolamentos radiais
608, dois parafusos de 5/16” x ¾”, uma porca de 5/16” e quatro arruelas lisas de
5/16” conforme figura 5.4.3.

59
5.5 Motor de corrente continua
Foi descoberto pelo professor e pesquisador Hans Christian Öersted, que
a corrente elétrica em um fio condutor está relacionada ao campo magnético
existente ao redor desse mesmo fio. Posteriormente, Faraday e Henry
perceberam que a variação de um campo magnético é o que induz uma corrente
elétrica em um condutor. Com essas descobertas, foi possível estabelecer uma
ligação entre eletricidade e magnetismo, e então, a partir daí surgiu inúmeras
aplicações práticas e desenvolvimentos tecnológicos, como o motor elétrico.
(SILVA, 2013)
Para Silva (2013), um motor elétrico é um dispositivo que faz a conversão
da energia elétrica em energia mecânica. Seu funcionamento é baseado nos
princípios do eletromagnetismo, ou seja, é preciso que uma corrente elétrica
passe por um fio condutor na qual está relacionada a um campo magnético.
Um exemplo de um motor simples pode ser visto na figura 5.5.1 abaixo,
onde se tem uma base, uma fonte de energia(pilha), um imã, uma espira feitas
de um fio condutor e duas hastes de fio condutor que são colocadas em cada
extremidade da pilha, o qual irá conduzir energia elétrica e produzir um campo
magnético fazendo a espira girar. (SILVA, 2013)
Figura 5.4.3 – Pêndulo simples montado após o processo de
impressão 3D

60
Para o experimento do motor (Figura 5.5.2) utilizamos o arquivo no site
Thingiverse11
(modelo thing: 1392169), com as configurações da impressora 3D
mostradas na tabela 16, de impressão 3D na tabela 17 e as configurações do
Cura:
11
Figura 5.5.1- Esquema de um motor
simples
Figura 4.5.1- Esquema de um motor
simples
Fonte:
https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/el
etromagnetismo-4-oersted-faraday-e-o-motor-
eletrico---3.htm
Fonte:
https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/el
etromagnetismo-4-oersted-faraday-e-o-motor-
eletrico---3.htm
Figura 5.5.2 – Print screen da tela de impressão do motor
elétrico no software Ultimaker Cura

61
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
aberta
Tronxy XY-2
0.4 mm
220 mm x 220 mm
x260 mm
100 mm/s Bowden
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PLA 0.2 mm 20% sim 40 mm/s 205 °C / 50 °C
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
3.25 m 1.75 mm 1h 18min R$ 120,00 R$ 1,16
Concluído o processo de impressão, foi realizada a montagem do motor
elétrico, com a utilização de dois clipes de papel, dois imãs de neodima, fio
condutor AWG22 e uma pilha AA conforme figura 5.5.3.

62
5.6 Fluxo elétrico impresso em 3D
O fluxo elétrico (Figura 5.6.1), é representado através das linhas de campo
uniforme que atravessam uma superfície plana, podendo ser definido como
o produto do módulo do campo elétrico pela área da superfície, e o cosseno
do ângulo formado entre a direção deste campo e vetor normal a superfície
conforme a equação a seguir. (CASARO; MENEGUELLI; KLEIN, 2007)
𝛷 = |𝑬|. 𝑆. 𝑐𝑜𝑠 𝛼
Figura 5.5.3 – Motor elétrico impresso em 3D
Figura 5.6.1- Fluxo elétrico em uma área
Fonte:
http://efisica.if.usp.br/eletricidade/basico/campo/f
luxo_eletrico/

63
Como mostrado na figura anterior, quando uma área está inclinada em
relação ao campo, o número de linhas que à atravessam será menor do que
se ela estivesse perpendicular (Figura 5.6.2), resultando assim num valor
menor do fluxo. Já quando for paralela ao campo (Figura 5.6.3), nenhuma
linha irá atravessa-la, e assim, o fluxo será nulo. (HALLIDAY; RESNICK;
WALKER, 2009)
Para o experimento do fluxo elétrico (Figura 5.6.4) utilizamos o arquivo no
site Thingiverse12
Ultimaker Cura:
12
Figura 5.6.4 - Print screen da tela de impressão do fluxo
elétrico no software Ultimaker Cura
Figura 5.6.2- Área perpendicular
ao campo elétrico
Fonte:
http://efisica.if.usp.br/eletricidade/ba
sico/campo/fluxo_eletrico/
Figura 5.6.3- Área paralela ao
campo elétrico
Fonte:
http://efisica.if.usp.br/eletricidade/bas
ico/campo/fluxo_eletrico/

64
Tabela 19 - Configurações da impressora 3D
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
aberta
Tronxy XY-2
0.4 mm
220 mm x 220 mm
x260 mm
100 mm/s Bowden
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PLA 0.2 mm 20% não 40 mm/s 205 °C / 50 °C
Tabela 21 - Configurações do material relacionada ao custo e tempo
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
92.44 m 1.75 mm 33h 08min R$ 120,00 R$ 33,09
Ao término do processo de impressão e retirada das peças impressas da
mesa, foi realizada a montagem do fluxo elétrico, conforme figura 5.6.5

65
5.7 Carro movido a ar comprimido (Experimento extra)
O ar atmosférico condensado, é chamado de ar comprimido e suas
grandezas fundamentais são sua pressão, temperatura e umidade. A sua
energia é devido à pressão que possui acima da à atmosférica. Podendo ser
utilizado para impulsionar motores a ar, em martelos pneumáticos, entre outros.
O princípio da ação e reação é a terceira lei de Newton, o qual diz que ao
ser aplicada uma determinada força sobre um corpo (ação), é recebido desse
corpo a mesma força (reação), com mesmo módulo e na mesma direção, porém
com sentido oposto (Figura 5.7.1). (HELERBROCK,2013)
Figura 5.6.5 – Fluxo elétrico impresso em 3D
Figura 5.7.1 - Ilustração da terceira Lei de
Newton
Fonte:https://brasilescola.uol.com.br/fisica/leis-
newton.htm

66
Assim, o carro movido a ar comprimido se movimenta quando o fluxo de
ar que se encontra no balão é liberado, o ar é empurrado para trás o qual
empurra o balão para frente. E como o balão estar preso ao carrinho, o mesmo
entra em movimento.
Para o experimento do carro movido a ar comprimido (Figura 5.7.2)
utilizamos o arquivo no site Thingiverse13
(modelo thing: 1325779), com as
configurações da impressora 3D mostradas na tabela 22, de impressão 3D na
tabela 23 e as configurações do material relacionadas ao custo e tempo na tabela
24, feitas no software Ultimaker Cura:
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
aberta
Tronxy XY-2
0.4 mm
220 mm x 220 mm
x260 mm
100 mm/s Bowden
13
Figura 5.7.2 - Print screen da tela de
impressão do carro movido a ar comprimido
no software Ultimaker Cura

67
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PLA 0.2 mm 20% não 40 mm/s 205 °C / 50 °C
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
13.99 m 1.75 mm 4h 33min R$ 120,00 R$ 5,01
Finalizado o processo de impressão, foi realizada a montagem do carro
movido a ar comprimido (Figura 5.7.3), encaixando todas as peças que foram
impressas e colocado um balão cheio de ar comprimido para realizar o
movimento, conforme figura 5.7.4
Figura 5.7.3 - Carro movido a ar
comprimido impresso em 3D
Figura 5.7.4 - Carro movido a ar
comprimido impresso em 3D
com balão

68
5.8 Motor mola (Experimento extra)
Mola (Figura 5.8.1) é um objeto elástico que é facilmente alongado ou
comprimido. E o físico Robert Hooke, demostrou matematicamente, que essa
deformação estava diretamente proporcional a uma força elástica, o qual é uma
força que a mola reage quando é comprimida ou estendida por uma força
externa. (ANJOS,2015)
𝐹 = 𝐾. 𝑥
Onde:
F = Força elástica
K= Constante elástica
x= deformação do corpo elástico
Figura 5.8.1 – Mola sofrendo deformação
Fonte:https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/lei-
hooke.htm

69
As engrenagens (Figura 5.8.2) são rodas dentadas muito utilizadas na
indústria mecânica para a transmissão de movimento, podendo ser fabricadas
de materiais como, metais, ligas resistentes e plástico. Desta forma é possível
aumentar ou reduzir forças e velocidades através do contato direto entre seus
dentes e variações no diâmetro das mesmas. (PUCCI, 2008)
Para o experimento do motor mola (Figura 5.8.3) utilizamos o arquivo no
site Thingiverse14
Ultimaker Cura:
14
Figura 5.8.3 - Print screen da tela de impressão
do motor mola no software Ultimaker Cura
Figura 5.8.2 - Engrenagens

70
Tipo de
impressora
Diâmetro
do bico
Volume máximo
de impressão
Velocidade
máxima de
impressão
Sistema de
extrusão
Cartesiana
aberta
Tronxy XY-2
0.4 mm
220 mm x 220 mm
x260 mm
100 mm/s Bowden
Material
utilizado
Altura de
camada
Densidade
Uso de
suportes
Velocidade
de impressão
Temperatura do
bico / mesa
PLA 0.2 mm 20% não 40 mm/s 205 °C / 50 °C
Quantidade de
material
utilizado
Diâmetro
do
filamento
Tempo de
impressão
Custo do
material / Kg
Custo do material
Impresso
24.24 m 1.75 mm 9h 15min R$ 120,00 R$ 8,67
Ao término do processo de impressão (Figura 5.8.4) e remoção das peças
da mesa, foi realizada a montagem do motor mola, encaixando todas as
engrenagens que foram impressas juntamente com a base do mesmo conforme
figura 5.8.5.

71
Figura 5.8.4 – Peças do motor mola
impressas em 3D
Figura 5.8.5 – Motor mola montado

72
6. APLICAÇÕES E RESULTADOS
6.1 Aplicação dos experimentos impressos em 3D
Os experimentos escolhidos (Figura 6.1.1) neste trabalho foram aplicados
em duas turmas de instituições diferentes, uma no IFMA campus Monte Castelo
e a outra no SENAI localizado no quilômetro 5 da BR 135, com alunos de cursos
técnicos que estão iniciando o ensino médio e outros que já concluíram ou estão
cursando o último ano, tendo como objetivo, avaliar o grau de aplicação,
dificuldade e entendimento dos modelos impressos em 3D.
No primeiro momento houve a demonstração da impressora 3D, bem
como o processo de impressão dos experimentos relacionados aos conteúdos
de física do ensino médio para os alunos das duas instituições de ensino.
A aplicação dos experimentos no IFMA campus Monte Castelo ocorreu no
dia 21/02/2019 com 30 alunos do curso técnico em automação que estão
cursando concomitantemente o 1º ano do ensino médio sob a responsabilidade
do professor Aranai Rabelo da costa do departamento de Física. No SENAI, esta
aplicação foi realizada no dia 22/02/2019 com 24 alunos do curso técnico em
eletromecânica, onde a maioria já havia concluído o ensino médio e os demais
participantes ainda estavam cursando o 3º ano, sob a responsabilidade do
Instrutor Igo Henrique Araujo Almeida da área de metal mecânica.
O experimento do pássaro (Figura 6.1.2) foi analisado pelos alunos do
IFMA e do SENAI, onde os mesmos manipularam o modelo, analisando o
fundamento físico aplicado a este.
Figura 6.1.1 – Experimentos impressos em 3D

73
Para o copo de Pitágoras (Figura 6.1.3) foi preparado um recipiente, e um
copo com água de modo que os alunos das duas instituições pudessem observar
o funcionamento do sifão, neste experimento foi explicado aos estudantes o
fundamento físico que estava relacionado ao mesmo.
O Diagrama PVT da água (Figura 6.1.4), o pêndulo simples (Figura 6.1.5),
o motor elétrico (Figura 6.1.6) e o fluxo elétrico impressos em 3D (Figura 6.1.7)
chamaram bastante a atenção do alunos do IFMA, pois os mesmos ainda não
tinham estudado o fundamento físico relacionado aos experimentos, já a maioria
dos alunos do SENAI conseguiram observar as fases da água em três
dimensões, calcular a frequência do pêndulo para um determinado ângulo,
identificar o princípio de funcionamento do motor elétrico e entender o
comportamento do fluxo elétrico por meios das impressões 3D apresentadas.
Figura 6.1.2 – Experimento do pássaro em análise pelos alunos do
IFMA e SENAI
Figura 6.1.3 – Experimento do copo de
Pitágoras em análise por um aluno do SENAI

74
Nos experimentos extras apresentados, foi demonstrado os princípios
físicos aplicados ao carro movido a ar comprimido e ao motor mola, de maneira
que os alunos do IFMA conseguiram entender o funcionamento de cada um, e
os alunos do SENAI relembraram na prática esses fundamentos relacionados.
6.2 Resultados
O segundo momento com os alunos das duas instituições escolhidas, foi a
aplicação de um questionário com treze perguntas, uma para cada experimento
e cinco relacionadas aos métodos de impressão 3D, onde foi verificado a reação
dos mesmos de acordo com os resultados das perguntas abaixo:
diagrama PVT da água
pêndulo simples
Figura 6.1.6 – Experimento
do motor elétrico
fluxo elétrico

75
1) Você consegue relacionar o experimento do pássaro impresso em 3D
com algum conteúdo de Física já ministrado pelo professor? Qual?
70% dos alunos do IFMA e 80% dos estudantes do SENAI responderam
que sim, e relacionaram o experimento do pássaro ao centro de massa, como já
era esperado, os outros alunos não souberam responder esta questão.
2) No experimento do copo de Pitágoras, qual dispositivo do dia a dia você
consegue associar?
Para 50% dos alunos do IFMA e 100% dos alunos do SENAI, o
experimento do copo de Pitágoras foi associado ao princípio de funcionamento
do vaso sanitário, 33,3% relacionaram o experimento ao funcionamento de um
sifão de pia, os outros alunos da instituição não conseguiram responder.
3) Você conseguiu entender mais facilmente os estados do diagrama de
PVT (pressão, volume e temperatura) da água impresso em 3D ou o gráfico em
2D explica melhor o conteúdo?
33,3% dos alunos do IFMA e 60% dos alunos do SENAI, conseguiram
entender facilmente o experimento, sendo que os demais estudantes não
conseguiram entender.
4) O que aconteceu com o pêndulo simples quando você deslocou a
massa localizada no braço do mesmo? O objeto impresso é tão eficaz quanto o
próprio pêndulo dos laboratórios da sua escola?
50% dos alunos do IFMA e 100% dos estudantes do SENAI responderam
que houve alteração na frequência de movimento do pêndulo com o
deslocamento da massa localizada no braço, os demais não souberam
responder, com relação a comparação do pêndulo impresso ao pêndulo da sua
escola, 70% do alunos do IFMA e 20% do SENAI disseram que o objeto impresso
é tão eficaz quanto, sendo que 80% dos estudantes da segunda instituição citada
informaram que não ter usado o experimento no ensino médio.
5) Quais as leis da Física, você consegue associar ao experimento do
motor elétrico? Ele é de fácil construção e entendimento?
100% dos alunos do IFMA não souberam responder as perguntas
relacionadas ao motor elétrico, 80% dos alunos do SENAI associaram o
experimento a aplicação da lei de Faraday e disseram ser de fácil construção, já
os demais não souberam responder.

76
6) Qual a colaboração que a impressão em 3D do fluxo elétrico traz para
o conteúdo teórico ministrado pelo professor?
16,6% dos alunos do IFMA 100% do SENAI disseram que a impressão
3D do fluxo elétrico facilita o entendimento do conteúdo teórico abordado pelo
professor, os demais não souberam, responder.
7) Você pode citar duas grandezas Físicas relacionadas ao experimento
impresso em 3D do motor mola?
50% dos alunos do IFMA citaram a energia potencial e a aceleração como
grandezas físicas relacionadas ao experimento, para os estudantes do SENAI
80% o relacionaram com a energia cinética e a energia potencial, os demais
alunos não souberam responder.
8) No experimento do carro movido a ar comprimido, quais os fatores da
impressão 3D que podem influenciar na velocidade do mesmo?
Para 33,2% dos alunos do IFMA e 80% do SENAI, há uma grande
influência da densidade e do diâmetro do orifício na velocidade do carrinho, os
demais não souberam responder.
9) Os experimentos impressos em 3D facilitaram o entendimento da teoria
ensinada pelo professor? qual chamou mais a sua atenção?
100% dos alunos de ambas instituições disseram que os experimentos
impressos em 3D facilitam o entendimento do conteúdo ministrado pelo
professor, o experimento do pássaro foi o mais interessante para todos os
estudantes.
10) Antes da demonstração dos experimentos impressos em 3D, vocês
já sabiam ou tinham imaginado como utilizar a impressão 3D no ensino de
Física?
Todos os estudantes do IFMA e do SENAI nunca tinha imaginado como
utilizar a impressora 3D no ensino de Física
11) Após a demonstração dos experimentos impressos em 3D, você
acha viável o uso destes para o ensino de Física, comparado aos outros métodos
de fabricação de experimentos? Por que?
Todos os estudantes do IFMA e do SENAI disseram ser viável o uso de
experimentos impressos em 3D para o ensino de Física, pois segundo os
estudantes, a aula se torna de fácil entendimento e mais interessante.

77
12) Você tem conhecimento da existência de alguma impressora 3D na
sua escola? Se sim, onde elas são utilizadas?
Todos os alunos do IFMA disseram não ter conhecimento da existência
de alguma impressora 3D na sua instituição, para os alunos do SENAI, 100%
disseram saber da existência de uma impressora 3D no laboratório da escola.
13) Quais fatores motivantes e desmotivantes, você visualizou no uso
da impressão 3D para a fabricação de experimentos?
Para 50% dos alunos do IFMA não existem fatores desmotivantes no uso das
impressoras 3D para a fabricação de experimentos, os outros 50% não
souberam responder, já os estudantes do SENAI citaram como fatores
motivantes a criação de vários objetos para o dia a dia, possibilidade de
fabricação de peças com ângulos complexos, e maior rendimento, os fatores
desmotivantes foram o tempo e o custo de impressão.

78
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A elaboração deste trabalho possibilitou a pesquisa de uma tecnologia
que pode ser utilizada pelos professores e alunos de Física no ensino médio,
como ferramenta para construção de experimentos da área. Desta forma foi
possível observar, a evolução do processo de impressão 3D, onde conhecemos
a máquina, seus componentes, os tipos de materiais mais utilizados e as
técnicas que envolvem todo o processo.
Para o cumprimento dos objetivos apresentados, foi realizada a busca dos
arquivos de impressão 3D, voltados para o ensino de Ciências no site
Thingiverse, selecionando os experimentos por áreas de ensino da Física e
aplicando os parâmetros de construção de acordo com a geometria do modelo
e tipo de material selecionado de forma que pudéssemos conhecer os custos
relacionados a fabricação de cada um.
Conforme planejado no presente trabalho, foi realizada a aplicação dos
experimentos com os alunos do 1º ano ao 3º ano do ensino médio de duas
instituições de ensino, com o objetivo de avaliar e validar os conhecimentos do
uso das impressoras 3D para a aplicação no ensino de Física, bem como os
próprios modelos impressos para este processo.
A aplicação do questionário com perguntas sobre os experimentos
impressos e o processo de impressão 3D, possibilitou visualizar a aceitação do
uso dessa tecnologia para o ensino de Física, assim como as dificuldades
encontradas pelos alunos em compreender determinados fundamentos da
disciplina sem a execução de uma prática atrativa para os mesmos.
O processo de elaboração deste trabalho contribui para o ensino de
Física, e serve de base para que outros professores possam utilizar essa
ferramenta tecnológica de grande potencial na construção de seus próprios
experimentos, atraindo ainda mais a atenção dos alunos, e contribuindo de forma
objetiva para o desenvolvimento da educação em nosso país.

79
REFERÊNCIAS
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impressão 3D na construção de instrumentos didáticos para o ensino de
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