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Carregado porArtur Coelho
Workshop Impressão 3D e Sustentabilidade - Sci-Fi Lx 2017
O workshop sobre impressão 3D em Lisboa explora a relação entre essa tecnologia e a sustentabilidade em diversas indústrias, incluindo aeroespacial, biomédica e de manufatura tradicional. O documento destaca as aplicações, benefícios e desafios da impressão 3D, além de discutir as condições necessárias para uma impressão bem-sucedida. Ferramentas e recursos para modelagem em 3D também são mencionados, sugerindo um potencial criativo significativo para os participantes.
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Notas do Editor
- #2 Notas de apoio ao workshop de introdução à impressão 3D. Referências bibliográficas (2014). Beethefirst Quick Start Guide. Aveiro: Beeverycreative. Obtido a 03 de março de 2015 de https://www.beeverycreative.com/wp-content/uploads/2014/08/BEEmanual-EN-PT-DE-2014-05-19.pdf. Cano, L. (2015). 3D Printing: A Powerful New Curriculum Tool for Your School Library. Santa Barbara: Libraries Unlimited. Coelho, A. (2014). Tecnologias 3D nas TIC: Projeto 3D Alpha. in Miranda, G., et al, Aprendizagem Online Atas Digitais do III Congresso Internacional das TIC na Educação (pp. 255-259). Lisboa: Instituto da Educação da Universidade de Lisboa. Eisenberg, M. (2013). 3D printing for children: What to build next? in Read, J., Markopoulos, P., International Journal of Child-Computer Interaction, vol. 1, n.º 1 (pp 7-13). Obtido a 03 de março de 2015 de http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212868912000050. Frauenfelder, M. (2013). Make: Ultimate Guide to 3D Printing 2014. São Fran-cisco: Maker Media. Lipson, H., Kurman, M. (2012). Fabricated: The New World of 3D Printing. Indianapolis: John Wiley & Sons. Thornburg, D., Thornburg, N., Armstrong, S. (2014). The Invent To Learn Guide to 3D Printing in the Classroom: Recipes for Success. CMK Press. Winnan, c. (2013). 3D Printing: The Next Technology Gold Rush. Amazon Digital.
- #3 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 idiosincrasias, 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”.
- #4 Se modelar em 3D é fundamental para tirar verdadeiramente partido destas tecnologias, nem todos temos que o saber fazer para poder usar impressão 3D. Existem repositórios online, repletos de modelos que vão do útil ao bizarro, disponibilizados pela comunidade. São mais valias que podemos aproveitar, nos diferentes domínios. O problema, creio, está em ver este processo como um fim em si mesmo, em que imprimimos apenas o que descarregamos. Fascina, enquanto dura o factor novidade, mas depressa se esgota.
- #5 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.
- #6 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.
- #7 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.
- #8 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.
- #9 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.
- #10 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.
- #11 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.
- #12 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?
- #13 “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.
- #15 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.
- #16 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.
- #17 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.
- #18 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.
- #19 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.
- #20 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.
- #21 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.
- #22 Alguns dos mais importantes repositórios de conteúdo 3D para impressão.
- #23 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.
- #24 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.
- #25 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.
- #26 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.