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Afinal, pra que serve essa tal de impressão 3D?

“Impressão 3D” parece uma coisa extremamente futurística, como que saída de um filme de ficção científica. A ideia de ter uma máquina na sua casa ou no seu escritório que seja capaz de criar objetos ao invés de apenas letras e desenhos em um papel parece de outro mundo. Porém, essa tecnologia existe há mais tempo do que você imagina e ela tem inúmeras aplicações, em diversas áreas. No texto de hoje, vamos contar um pouco sobre a história da impressão 3D e como ela vem revolucionando diversas áreas, desde saúde até herança cultural.

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Exemplo de objeto impresso em 3D em impressora da marca MakerBot. Créditos: Affinity VR

O conceito de impressão 3D foi desenvolvido no início da década de 80 por Hideo Kodama, no Nagoya Municipal Industrial Research Institute, em Nagoya, Japão [1]. Ele inventou métodos para fabricar modelos 3D utilizando polímeros capazes de endurecer com luzes ultravioleta. A tecnologia de impressão 3D como é realizada hoje foi desenvolvida por S. Scott Crump em 1988. Este processo é denominado FDM (fusion deposition modeling), um tipo de extrusão de plástico, e consiste em depositar o material fundido camada por camada para formar o objeto. Diversos outros métodos foram desenvolvidos durante a década de 90, e com o aumento do interesse de indústrias nos processos de impressão 3D, mais materiais começaram a ser utilizados.

Para impressão de um objeto em 3D, é primeiro necessário criar um modelo em três dimensões do objeto em um software de modelagem 3D ou digitalizar um objeto já existente. O software utilizado para a impressão então importa o modelo e divide a impressão em camadas sucessivas do material a ser utilizado. A maioria das impressoras comerciais hoje possui um bico injetor que aquece o material a ser depositado e é direcionado por uma série de motores para criar as camadas do objeto. Essas camadas podem ser unidas automaticamente, ou através de uma etapa adicional no processo, dependendo do tipo e do material da impressão. Os materiais mais utilizados hoje em dia são plásticos, seguidos de resinas e metais [2]. A versatilidade e facilidade desse método faz com que diversas indústrias estejam se interessando cada vez mais nessa tecnologia. Pesquisas indicam que as empresas utilizam impressão 3D para desenvolver protótipos de produtos, acelerar processos de produção e promover inovação em design. [1]

 

Nesse vídeo é possível observar algumas das aplicações de impressão 3D usadas atualmente. Créditos: YouTube

Além dos exemplos mostrados no vídeo, grandes avanços na medicina têm sido promovidos pelo desenvolvimento desta tecnologia. Pesquisadores vêm estudando há anos como desenvolver técnicas para imprimir tecidos e órgãos humanos, como a pele, por exemplo, que pode beneficiar vítimas de queimaduras. Também é possível imprimir próteses, que podem ser moldadas de acordo com as necessidades e características de cada paciente. [3] Este é um exemplo de como a combinação da engenharia e da medicina podem funcionar a favor do desenvolvimento da humanidade, e avançar o tratamento de inúmeras doenças.

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Aplicações de impressão 3D na área da medicina. Créditos: The Future of Things

A impressão 3D pode ainda ser utilizada para imprimir tipos simples de comida [4], e em pesquisas sobre história da humanidade e herança cultural [5]. Conforme essa tecnologia se desenvolve mais e mais, o seu custo para o consumidor diminui. Hoje em dia já é possível ter a sua própria impressora 3D em casa. E se você não sabe por onde começar, sugerimos esse vídeo que ensina os conceitos fundamentais dessa tecnologia: 

 

Referências:

[1] The History of 3D Printing: 3D Printing Technologies from the 80s to Today por Hannah Bensoussan. 

[2]

[3] Top 5 Ways the 3D Printing is Changing the Medical Field por Nancy S. Giges.

[4] From pixels to plate: food has become 3D printing’s delicious new frontier por Kyle Wiggers.

[5] Balletti C, Ballarin M, Guerra F (2017) 3D printing: State of the art and future perspectives. Journal of Cultural Heritage, 26:172-182. doi:10.1016/j.culher.2017.02.010

 

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Projeto em universidade visa trazer mais meninas para as áreas de exatas e tecnologias

É notável que as áreas de exatas e tecnologias sejam praticamente dominadas por homens. Dado a este cenário, um projeto desenvolvido na Universidade de Caxias do Sul (UCS-RS) tem por intuito mudar esse panorama. Intitulado “Engenheiros do Futuro”, o projeto atua no ensino médio de escolas da região, buscando trazer mais jovens para as áreas de exatas, em especial as engenharias. Atuando desde 2007, o projeto possui apoio da Universidade de Caxias do Sul e das agências de fomento MCTIC/FINEP/FNDCT. Dentro desse projeto, uma das vertentes é o subprojeto intitulado Encorajando meninas na ciência e tecnologia. Ele incentiva meninas no ensino médio a escolherem carreiras nas áreas de engenharia, mostrando de forma divertida que a área das exatas não é um bicho de sete cabeças.

Segundo a Professora Valquíria Villa Boas, coordenadora do projeto, “A Engenharia é uma profissão dominada pelos homens. Apesar das diferenças dos números relativos à presença das mulheres em Engenharia nos diferentes países, de modo geral, a caracterização e concepção da Engenharia como uma profissão masculina ainda é senso comum. Nas últimas décadas, o pequeno número de estudantes de Engenharia do sexo feminino, bem como de engenheiras atuantes no mercado de trabalho no mundo, tem sido motivo de debate para os estudiosos que se preocupam com as questões de gênero e com a importância da participação feminina em Ciência e Tecnologia (C&T)”.

No Brasil, o processo de inserção das mulheres nas carreiras científicas e tecnológicas ocorreu nas mesmas proporções que em outros países do mundo, entretanto, durante boa parte do século XX ainda havia um grande preconceito questionando aptas ou até mesmo capacidade intelectual das mulheres para atuarem nas carreiras científicas. Apesar do enorme avanço ocorrido na C&T nas últimas décadas do século XX, neste início de século XXI, e das profundas transformações do status jurídico da mulher e de sua condição social, as carreiras científicas e tecnológicas não passaram a constituir uma prioridade para as estudantes que concluem o ensino médio.

De acordo com o relatório anual da UNESCO, A porcentagem de  mulheres trabalhando em pesquisa e desenvolvimento para o ano de 2014  :

  • 28,8% para o mundo;
  • 39,9% para os Estados Árabes;
  • 39,6% para a Europa Central e Oriental;
  • 47,2% para a Ásia Central;
  • 22,9% para a Ásia Oriental e o Pacífico;
  • 44,7% para a América Latina e o Caribe;
  • 32,2% para a América do Norte e Europa Ocidental;
  • 19,0% para Ásia do Sul e Oeste;
  • 30,4% para África subsaariana.

Apesar de estarmos em 2017, os dados ainda são impactantes, o que mostra a necessidade de incentivar a participação das mulheres nas áreas de exatas e tecnologias.

Segundo a Professora Valquíria Villas Boas há expectativas para a ampliação do projeto a nível nacional para os próximos anos: “Estamos na 8ª edição do Encorajando Meninas em Ciência e Tecnologia, e com certeza temos interesse em continuar a oferecer esta atividade do Programa ENGFUT. E quanto a ampliar o projeto a nível nacional, é uma ambição que pode se concretizar, pois desde dezembro de 2016, eu faço parte da diretoria da Associação Brasileira de Educação em Engenharia (ABENGE) e umas das minhas tarefas junto à ABENGE é promover ações junto a escolas de Educação Básica. Assim sendo, o Encorajando Meninas em Ciência e Tecnologia pode vir a ser uma das atividades a ser disseminada entre as universidades brasileiras. Vale mencionar que em 2013, o CNPq lançou uma chamada pública (MCTI/CNPq/SPM-PR/Petrobras nº 18/2013) intitulada Meninas e Jovens Fazendo Ciências Exatas, Engenharias e Computação. Esta chamada pública permitiu que várias universidades brasileiras propusessem atividades para incentivar meninas a ingressarem em carreiras científicas e tecnológicas.” Contudo, foi observado que ao término do projeto a maioria das universidades brasileiras não deram continuidade atividades. Enquanto isso, o projeto desenvolvido em Caxias do Sul está na sua 8ª. edição anual, e se depender da Professora Valquíria irá perdurar por muitos anos.

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Projeto” Encorajando Meninas na Ciência e Tecnologia”, liderado pela professora Valquíria Villas Boas na Universidade de Caxias do Sul-RS. Fonte: Universidade de Caxias do Sul-Acervo

Dados do projeto

  • 4 Docentes atuantes: Valquíria Villas Boas-coordenadora, Odilon Giovannini, José Arthur Martins e Rejane Rech;
  • Número de escolas atendidas = 29;
  • Números de alunos que passaram pelo projeto (durante os 7 anos) = 320.

Referências:

http://www.ucsminhaescolha.com.br/noticias/122/programa-encorajando-meninas-inicia-oficinas-em-agosto

http://uis.unesco.org/sites/default/files/documents/fs43-women-in-science-2017-en.pdf

http://www.abenge.org.br

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Aplicação de impressão 3D e lasers no desenvolvimento de aviões

Se você gosta de tecnologia, você com certeza já ouviu falar sobre impressão 3D. Existem inúmeros grupos de pesquisa pelo mundo trabalhando com técnicas de impressão 3D e com o desenvolvimento de equipamentos capazes de imprimir as mais variadas coisas, desde nanopartículas1 (materiais muito muito mas muito pequenos), até comida2. Mas mais interessante do que o desenvolvimento da impressão 3D é o leque de possibilidades que essa tecnologia abre.

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Túnel de vento da Mercedes Benz, em Stuttgart, Alemanha. Fonte.

Testes de protótipos de carros, aviões e asas em túneis de vento são parte fundamental do processo de desenvolvimento e melhoramento da aerodinâmica desses veículos. Os túneis de vento variam em tamanho e, dependendo da etapa do desenvolvimento da pesquisa, modelos em escala são testados nestes túneis antes da construção de protótipos em tamanho real. Antigamente, os modelos eram praticamente todos feitos de metal ou madeira, mas avanços na tecnologia de impressão 3D tornaram possíveis maior precisão e flexibilidade na construção de modelos, gerando resultados mais próximos aos reais durante testes iniciais. Isso é de extrema importância para as empresas desenvolvedoras dessas tecnologias, já que problemas com determinados designs podem ser percebidos em etapas iniciais, gerando grande economia em dinheiro e tempo.

A Delft University of Technology (TU Delft), localizada na Holanda, tem sido uma das grandes contribuintes para o desenvolvimento da pesquisa em túneis de vento. Grupos de pesquisa desta universidade foram pioneiros na invenção de técnicas não-intrusivas de medição de fluxos de ar. Para esse tipo de estudo, é muito comum o uso de instrumentação baseada em medição de pressão, o que exige o posicionamento de sensores de pressão no fluxo de ar que podem influenciar a coleta de dados. Técnicas baseadas no uso de lasers e câmeras minimizam esses problemas, já que não há a necessidade de introduzir sensores diretamente na seção de teste.

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Imagem de partículas iluminadas por laser durante um teste feito com velocimetria por imagem de partículas. Fonte.

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Sequência de partículas capturadas com velocimetria por imagem de partículas. As setas indicam a direção do fluxo onde as partículas se encontram. Fonte.

As técnicas a laser mais utilizadas hoje em dia são chamadas particle image/tracking velocimetry (Velocimetria por imagem de partículas, em tradução da Wikipedia3). Essa técnica consiste em inserir partículas muito pequenas (da ordem de micrômetros – 10-6, ou 0,000001 metros) que acompanhem o desenvolvimento do fluxo de ar praticamente sem afetá-lo, e tirar duas fotos consecutivas dessas partículas iluminadas pela luz do laser. O software de captura de imagens tem a capacidade de medir o deslocamento das partículas entre a primeira e a segunda imagem, que são espaçadas com um determinado tempo. E, sabendo tempo e deslocamento, é possível calcular a velocidade do fluxo de ar.

Um exemplo de aplicação da combinação de impressão 3D e dessa técnica de medição é um estudo realizado na própria TU Delft em que foi impresso um modelo em tamanho real do ciclista Tom Dumoulin para análise da sua performance aerodinâmica em um túnel de vento.4 Cento e cinquenta câmeras digitais foram utilizadas para fotografar o corpo do ciclista em detalhe, para garantir que o modelo impresso fosse o mais fiel possível. O manequim foi impresso em 8 partes separadas em diferentes impressoras e levou 50 horas para ficar pronto. O modelo foi então colocado em uma bicicleta e vestido com as roupas e capacete de corrida similares aos que o próprio ciclista veste durante suas corridas. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi utilizada para analisar o fluxo de ar sobre o modelo do ciclista em pontos cruciais, onde existem possibilidades de melhoria aerodinâmica, como no capacete e sobre o traje do ciclista. Foram utilizadas partículas chamadas helium filled soap bubbles (bolhas de sabão preenchidas com gás hélio, em tradução livre) e imagens do teste podem ser vistas no vídeo a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=TBEagWWFkuA.

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Modelo em 3D do ciclista Tom Dumoulin no túnel de vento da TU Delft. Fonte.

Técnicas similares são aplicadas no estudo e desenvolvimento de novos modelos de asas e aviões. A NASA tem investido bastante em um novo conceito de avião comercial chamado hybrid wing body, que possui asas que se fundem ao corpo do avião, dando a ele um formato bem diferente dos aviões comerciais disponíveis atualmente. Os principais objetivos desse conceito são aumentar a eficiência energética dos aviões, diminuindo seu consumo de combustível e diminuir a emissão de ruídos durante vôos.

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Novo conceito de avião da NASA, chamado hybrid wing body. Fonte.

Construir um modelo de avião em tamanho real sem antes analisar se existe a possibilidade de atingir os objetivos desejados seria extremamente caro e arriscado. A NASA então construiu um modelo em escala 6% (ou seja, com 6% do tamanho real) com ajuda de impressão 3D para ser testado em um de seus túneis de vento nos Estados Unidos.5 Resultados desses testes indicam que existe a redução de consumo de combustível e de barulho durante o vôo. Com isso, a NASA segue realizando testes para verificar outros aspectos envolvidos no vôo de uma aeronave tão diferente. Também existem outros grupos de pesquisa trabalhando com materiais impressos em 3D para verificar a operabilidade e eficiência das turbinas de aviões deste modelo.6

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Modelo em escala do avião conceito da NASA durante teste com velocimetria por imagem de partículas no túnel de vento da NASA. Fonte.

Não existem dúvidas de que o avanço da pesquisa, tanto na indústria como em universidades, está diretamente ligado ao desenvolvimento de novos produtos e conceitos inovadores que tem como objetivo melhorar a vida das pessoas e ao mesmo tempo minimizar o impacto causado na natureza e no mundo. Hoje pode parecer estranho ver um avião tão diferente quanto esse em uma arte de divulgação, mas pode ser que daqui a dez anos nós estejamos voando em aviões similares a estes. E tudo isso graça à combinação de diversos conceitos e conhecimentos das mais diversas áreas da engenharia.

Referências:

1 http://advances.sciencemag.org/content/2/4/e1501381

2 http://www.cnn.com/2014/11/06/tech/innovation/foodini-machine-print-food/

3 https://pt.wikipedia.org/wiki/Velocimetria_por_imagem_de_part%C3%ADculas

4 http://www.tudelft.nl/en/current/latest-news/article/detail/3d-geprinte-mannequin-van-tom-dumoulin-in-windtunnel-moet-seconden-winst-opleveren/

5 Gatlin, G. M., Vicroy, D. D., Carter, M.B. 2012 “Experimental Investigation of the Low-Speed Aerodynamic Characteristics of a 5.8-Percent Scale Hybrid Wing Body Configuration.” 30th AIAA Applied Aerodynamics Conference, 25- 28 June, New Orleans, Louisiana.

6 Guimarães Bucalo, T., Lowe, K. T., and O’Brien, W. F., “An overview of recent results using the StreamVane method for generating tailored swirl distortion in jet engine research,” AIAA Paper 2016-0534, January 2016.