REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10599938
Erick Rodrigues Machado1
Syllas Ferreira de Sousa²
Augusto Capibaribe³
RESUMO: Este estudo busca explorar a integração da impressão 3D como ferramenta inovadora no ensino de Engenharia Civil, visando enriquecer a formação dos alunos ao conectar teoria e prática em disciplinas como Concreto Armado 1 e 2. Baseado em revisões bibliográficas e estudos prévios, esta pesquisa empregou métodos diversos, incluindo análise de literatura e avaliação de experiências práticas relatadas pelos alunos. Os resultados revelam que a adoção da impressão 3D no ensino estabelece uma ligação direta entre conceitos teóricos e aplicações práticas, estimulando uma compreensão mais profunda e fomentando a criatividade dos estudantes. Essa abordagem permite uma aprendizagem visual mais eficaz sobre o comportamento dos diferentes elementos de engenharia. Nada se mostra mais eficiente do que apresentar cargas e fórmulas em modelos reduzidos, evidenciando como cada elemento estrutural se comporta. Destaca-se a impressão 3D como uma ferramenta pedagógica inovadora, capaz de preencher lacunas na compreensão de conceitos estruturais complexos. O objetivo final é demonstrar que podemos aprimorar o aprendizado visual das estruturas, facilitando a compreensão dos estudantes sobre o comportamento de cada elemento de engenharia. Conclui-se que a integração da impressão 3D no ensino de Engenharia Civil oferece uma perspectiva promissora para aprimorar a formação acadêmica, capacitando os alunos para enfrentar desafios práticos no campo da engenharia. Essa abordagem inovadora prepara os estudantes de maneira mais eficaz para o ambiente profissional, redefinindo o modelo convencional de ensino.
Palavras-chave: Impressão 3D, Metodologias Educacionais, Maquete Parametrizada
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, a indústria da construção civil, historicamente tradicional na utilização de mão de obra artesanal para erguer seus empreendimentos, tem testemunhado uma aproximação entre a engenharia civil e a tecnologia, alcançando novos patamares com a introdução da impressão 3D (Sousa, 2021).
O concrete printing, desenvolvido pela Loughborough University, representa um avanço significativo nesse campo, empregando um processo de construção baseado na extrusão de argamassa e cimento. Esse método revolucionário permite que o projeto arquitetônico seja impresso em 3D diretamente no local da construção, eliminando a necessidade de construtoras criarem moldes para atualizar as estruturas, resultando em economia de tempo, dinheiro e energia (Sousa, 2021).
Essas mudanças tecnológicas têm impactado diretamente não apenas a indústria da construção, mas também a sociedade como um todo. Vivemos em uma era de constante reinvenção, onde diferentes setores buscam desenvolver competências em diversas áreas, refletindo-se inclusive no ambiente educacional (Veraszto, 2013).
Nesse contexto, a integração das inovações tecnológicas tem desempenhado um papel fundamental na metodologia de sala de aula, transformando-a e enriquecendo-a com novas ferramentas e recursos para aprimorar o processo de aprendizagem (Terra, 2013).
A questão levantada por (Veraszto, 2013) sobre o verdadeiro significado de inovação na educação é crucial. Enquanto o mundo ao nosso redor constantemente gera produtos tecnológicos inovadores, a indagação sobre quais desses recursos podem efetivamente contribuir para o processo educativo é pertinente. Nesse contexto, o aprimoramento do processo de ensino-aprendizagem através do desenvolvimento de novas metodologias, como ressaltado por (Alves, Schimiguel e Araújo, 2013), ganha relevância, pois proporciona aos alunos oportunidades expandidas para construírem seus conhecimentos de forma mais eficaz e significativa.
No cenário do ensino tradicional, particularmente no ensino superior no Brasil, a abordagem relacionada às estruturas é predominantemente teórica, com pouca aplicação prática. As metodologias de ensino frequentemente refletem as típicas aulas expositivas, como destacado por (Zanetti Neto, 2019), que seguem um padrão de comunicação do conteúdo, estudo individual, seguido pela repetição e avaliação.
Neste contexto de evolução educacional, emergem ferramentas inovadoras como a impressora 3D, representando um avanço tecnológico significativo. Essa tecnologia viabiliza a criação de modelos de objetos sólidos em camadas aditivas, a partir de desenhos digitais concebidos em softwares como o CAD (Santos, Loures e Piechnicki, 2017).
Na área da engenharia, a impressora 3D desempenha um papel crucial ao ser empregada na fabricação de protótipos durante as fases de testes de projetos ou mesmo como produto final (Leonel, 2011). Essas novas tecnologias oferecem uma forma mais interessante e envolvente de ensinar, diferente das aulas antigas, elas incentivam os alunos a participarem mais ativamente, o que faz com que se interessem mais pelo que estão aprendendo. Quando usadas, essas tecnologias tornam as aulas mais práticas e interativas, motivando professores e alunos a descobrirem novas maneiras de ensinar e praticar engenharia (Basniak ,2017).
Conforme destacado por (Nader e Martins, 2018), ao longo dos avanços na engenharia, a utilização de maquetes tem se revelado como uma ferramenta fundamental no estudo e na compreensão das estruturas em diferentes campos. Por exemplo, as maquetes de estruturas verticais têm desempenhado um papel essencial como objetos de ensaio em túneis de vento, permitindo uma análise detalhada do comportamento dessas estruturas sob diversas condições de vento, pressão e movimento. Essa abordagem prática oferece uma compreensão mais profunda e tangível do desempenho estrutural, contribuindo significativamente para o avanço no entendimento das forças que atuam sobre as edificações.
Algumas disciplinas, como Concreto Armado 1 e 2 no curso de Engenharia Civil, contêm conteúdos que podem ser desafiadores de compreender logo de início, apesar das explicações excelentes. A complexidade dessas disciplinas surge da sua ligação com situações do mundo real, lidando especificamente com noções tridimensionais, o que pode ser difícil de captar apenas através de descrições verbais ou esboços em duas dimensões. Por isso, é necessário buscar recursos e técnicas que consigam representar esses fenômenos e situações de maneira mais realista, simplificando os conceitos e facilitando a compreensão dos alunos; e é aí que a impressão 3D entra em cena (Florez, 2016).
Integrada à ideia de aprendizagem ativa, a impressão 3D desempenha um papel fundamental ao materializar recursos educacionais que representam formas, mecanismos e exemplos físicos, os quais são objeto de estudo e demandam explicações. Essa ferramenta não só possibilita a demonstração de resultados, deformações, carregamentos, vetores e mecanismos como polias, mas também oferece um leque vasto de possibilidades. Essa abordagem tangível permite que os alunos tenham em mãos os elementos teóricos discutidos em sala de aula, proporcionando uma conexão direta entre a teoria e a prática (Florez, 2016).
Este estudo visa contribuir significativamente para o avanço do uso da impressora 3D como forma metodológica em aulas do curso de engenharia civil, explorando abordagens inovadoras que aprimoram a comunicação, compreensão e tomada de decisões em projetos estruturais para as disciplinas de Concreto Armado 1 e 2.
Ao longo deste artigo, foram exploradas as bases teóricas e práticas da impressão 3D no ensino da Engenharia Civil. Analisaremos exemplos de uma maquete estrutural e a sua implementação em sala de aula, destacando como essa metodologia estimula a criatividade e a resolução de problemas entre os estudantes. Finalizaremos enfatizando as implicações futuras dessas metodologias para o ensino de Engenharia Civil, discutindo como a tecnologia da impressão 3D está moldando a próxima geração de engenheiros civis.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 PANORAMA HISTÓRICO E PROCEDIMENTOS DA IMPRESSÃO 3D: TECNOLOGIAS, DESENVOLVIMENTO E PROCESSOS DE PRODUÇÃO
De acordo com (Online Editora,2016), é fundamental reconhecer que a história da impressão 3D conta com figuras importantes, como Chuck Hull e Alain Le Mehaute, ambos contribuindo para o desenvolvimento dessa tecnologia. Embora Hull seja frequentemente mencionado como o ‘pai’ da impressão 3D devido à sua invenção da estereolitografia, Le Mehaute também desempenhou um papel relevante. De fato, Le Mehaute patenteou a técnica de estereolitografia antes de Hull. No entanto, a empresa para a qual trabalhava na época não reconheceu o potencial econômico da ideia, levando ao abandono do projeto. Enquanto Hull avançou fundando uma empresa para materializar sua invenção, o francês não prosseguiu no mesmo caminho.
A manufatura aditiva, também denominada como impressão 3D, é descrita por (Volpato, 2017) como um processo de fabricação que envolve a adição progressiva de material em forma de camadas, utilizando informações derivadas diretamente de uma representação computacional 3D do componente. Esse método aditivo permite a produção de componentes físicos com uma ampla variedade de materiais e formas, por meio de técnicas de construção totalmente automatizadas (Ruiz, 2022).
Para (Ruiz, 2022) anteriormente, muitos autores referiam-se à impressão 3D pelo termo prototipagem rápida, uma vez que, inicialmente, sua aplicação era direcionada principalmente à produção ágil de protótipos físicos. No entanto, a manufatura aditiva passou por evoluções notáveis, resultando no surgimento de novas tecnologias com potencial para serem empregadas na fabricação de produtos finais. Isso viabiliza a produção de itens customizados em pequenos lotes, ampliando as possibilidades de fabricação.
De acordo com (TechCD, 2019), as diferenças entre projetos em 3D e 2D são significativas e evidentes nas capacidades proporcionadas pela impressão. As impressoras 3D, embora associadas a seus equivalentes convencionais, possuem características distintas que as diferenciam consideravelmente. No Quadro 1, abaixo, estão destacadas as principais diferenças entre impressão 2D e 3D.
Quadro 1: Diferenças entre Impressora comum e 3D
Fonte: Adaptado (Online Editora, 2016)
Para (Gibson, Rosen Stucker, 2014), inicialmente é essencial compreender detalhadamente o processo passo a passo de utilização de uma impressora 3D, transformando conceitos imaginários em produtos tangíveis no plano físico. Eles enumeram oito etapas essenciais, sendo elas:
CAD – Para (Fante, 2021) as peças projetadas no CAD (Computer-Aided Design) necessitam ser convertidas em um modelo de superfície (MS), o qual exibe a estrutura geométrica da superfície do objeto virtual por meio de algoritmos que descrevem pontos, linhas e curvas. Desde os anos 1950, esses softwares ajudam engenheiros, designers e outros profissionais a criar modelos virtuais de seus projetos. Com o tempo, esses programas evoluíram, permitindo que o projetista tenha uma ideia exata de como o objeto vai parecer e funcionar no mundo real. (Pupo, 2009) destaca também que o modelo 3D pode ser obtido por meio da digitalização tridimensional do objeto a ser produzido.
Conversão para STL – O formato mais amplamente utilizado e compatível com a maioria das impressoras atuais é o STL (Standard Tessellation Language). O formato STL cria uma malha triangular para representar a superfície do objeto virtual. A precisão e o consumo de armazenamento do arquivo são diretamente afetados pela densidade dos triângulos utilizados para descrever o objeto virtual durante o processo de geração do modelo em malha STL (Fante, 2021).
Transferência do arquivo para o Computador – (Lopes, 2018) afirma que em termos computacionais, um arquivo STL precisa necessariamente gerar um arquivo digital conhecido como G-code, produto final do fatiamento e definição de estruturas de suporte. O próximo passo é transferir o arquivo para o computador conectado à impressora 3D, a menos que o projeto já tenha sido desenvolvido diretamente nessa máquina.
Configuração da Impressora – Cada impressora possui suas especificações individuais, detalhadas nos manuais de instrução do equipamento. No entanto, de forma geral, nessa etapa, deve-se garantir que a impressora esteja carregada com o material apropriado para a impressão, geralmente polímeros (Online Editora, 2016).
Produção – É importante ressaltar que esse processo demanda significativamente mais tempo do que a simples impressão de um documento em papel. Especificamente na impressão por deposição de material fundido (FDM), o bico extrusor é posicionado com precisão para depositar pequenas quantidades de material em cada camada (Aguiar, 2016).
Remoção – Ao finalizar o processo de impressão, o próximo passo consiste em remover cuidadosamente o objeto da bandeja de impressão
Pós-produção – Em alguns casos, os produtos podem requerer uma etapa adicional de pós-produção devido à possibilidade de as máquinas produzirem objetos com rebarbas e outras imperfeições. Por isso, é necessário realizar um polimento final. Essa etapa pode envolver o lixamento do objeto ou a imersão em soluções específicas para eliminar quaisquer resíduos remanescentes da impressão, dependendo do material utilizado (Online Editora, 2016).
Uso – O usuário tem em mãos o objeto recém-produzido pela impressora 3D.
Para (Fante, 2021), essas fases são cruciais para o processo de impressão 3D, pois delineiam a transformação do conceito inicial em um objeto tangível. Elas demonstram como a tecnologia CAD e a conversão para o formato STL são passos essenciais para preparar o modelo virtual para a impressão, facilitando a criação de objetos complexos com precisão e detalhamento desejados.
Figura 1 – Fase virtual
Fonte: (Fante, 2021)
A- Esquema técnico bidimensional
B- Objeto virtual gerado por CAD
C- Modelo de superfície do objeto virtual em STL
D- Representação virtual da impressão
2.2 INTEGRAÇÃO DA METODOLOGIA ATIVA COM O USO DA IMPRESSORA 3D NO CONTEXTO EDUCACIONAL
Considerando o impacto da impressão 3D, juntamente com outros recursos tecnológicos, na condução de uma nova revolução industrial que redefine fundamentalmente nossa maneira de viver, trabalhar e nos relacionar, é inegável que essa transformação também influenciará os processos de ensino e aprendizagem (Lopes, 2018).
A demanda por Tecnologias Educacionais inovadoras para aprimorar o processo de ensino e aprendizagem no Brasil é cada vez mais evidente. A impressora 3D surge como uma dessas possibilidades, caracterizando-se como uma tecnologia capaz de produzir uma variedade de modelos com distintas formas e dimensões, mesmo para usuários com conhecimento limitado sobre a ferramenta (Samagaia e Delizoicov, 2015).
De acordo com (Santos, 2020), afirma que criando um ambiente propício, essa tecnologia viabiliza aos estudantes a adoção de uma mentalidade ‘maker’, onde a construção e a exploração de materiais são fundamentais. Este movimento, que se fundamenta nas filosofias ‘hands-on’ (aprender fazendo) e ‘do it yourself’ (faça você mesmo), não apenas estimula a criatividade dos alunos durante o processo de aprendizagem, mas também abre espaço para o desenvolvimento das habilidades de resolução de problemas.
Compreender a tecnologia dentro do contexto educacional vai muito além de simplesmente aplicar procedimentos mecânicos. Além disso, é fundamental integrar os conteúdos tecnológicos ao panorama geral da educação, conectando-os com a sociedade e cultivando habilidades de pensamento crítico. Por conseguinte, isso significa não apenas utilizar ferramentas tecnológicas, mas também entender seu impacto, seu papel na sociedade e como podem ser utilizadas de maneira eficaz para promover a aprendizagem significativa (Aguiar, 2016)
Segundo Blikstein (2013), é crucial buscar inovações que aprimorem a capacidade intelectual dos estudantes, incentivando-os a desenvolver habilidades para solucionar problemas e facilitar o processo de aprendizado em sala de aula. Nesse contexto, a incorporação da impressora 3D pode contribuir significativamente para a criação de estratégias educacionais mais eficazes, permitindo a aplicação prática e contextualizada dos conceitos estudados
Para esclarecer o funcionamento do processo de impressão 3D no âmbito educacional, Aguiar (2016) desenvolveu um fluxograma detalhando as etapas indispensáveis na produção de instrumentos didáticos (Pires, 2020). Tal representação esquemática pode ser visualizada na figura abaixo:
Figura 2: Etapas do Processo de uso da impressão 3D
Fonte: (Aguiar, 2016).
A aprendizagem ativa direciona o estudante a um pensamento personalizado, estimulando a busca, processamento e elaboração de conceitos com base no que está sendo aprendido (Ferrarini, Saheb e Torres, 2019). A implementação de novas metodologias de ensino tornou-se uma realidade em várias universidades em nível nacional, afastando-se dos modelos tradicionais em que o professor era o centro do processo de ensino-aprendizagem, e o aluno, um mero espectador (Barbosa, 2020).
A educação, de maneira abrangente, está progressivamente integrando a tecnologia (Carvalho, 2021), o que tem provocado transformações nas abordagens de ensino para potencializar um impacto positivo na aprendizagem. Educar implica em uma transformação contínua na vida tanto de quem ensina quanto de quem aprende. É um processo que auxilia na formação do caráter, nas decisões profissionais e pessoais, e no desenvolvimento de um indivíduo como cidadão (Florez, 2016). É viável avançar ainda mais na educação quando os métodos de ensino são adaptados às necessidades dos alunos, tornando a sala de aula um ambiente que se assemelha à vida real, convertendo-a em uma comunidade de pesquisa (MORAN, 2000).
Testar um projeto e implementá-lo proporciona a oportunidade de identificar problemas, falhas, lacunas e funcionalidades incompletas de forma tangível. Apesar da cultura educacional atual muitas vezes excluir o erro do processo de aprendizagem, Cardoso et al. (2010) argumentam que no ambiente de aprendizagem, desenvolvimento escolar e pesquisa, cometer erros é fundamental. O erro é um mecanismo que impulsiona o progresso nos projetos, elimina perspectivas imperfeitas e estimula o pensamento crítico, levando a escolhas mais refinadas a cada decisão equivocada tomada pelo aluno (Florez, 2016).
De acordo com (Florez, 2016), o autor ainda ressalta que essa dinâmica se aplica ao ensino quando se utilizam modelos tridimensionais. Ao relacionar o conteúdo transmitido pelos professores com o material tangível disponível, os alunos se tornam mais engajados e interessados em analisar o que lhes está sendo apresentado. Isso torna a aula mais dinâmica e instigante, afastando o tédio e aproximando os alunos de uma compreensão, absorção e aprendizado mais eficazes, como evidenciado no experimento realizado.
O desenvolvimento de novas metodologias para aprimorar o processo de ensino-aprendizagem desempenha um papel crucial, pois amplia as oportunidades de os alunos construírem seu conhecimento (Alves, Schimiguel e Araújo, 2013). O uso de novas tecnologias nesse contexto promove o surgimento de estratégias educacionais destinadas a auxiliar e complementar os conteúdos ministrados em sala de aula, contribuindo para melhorar o desempenho acadêmico da turma (Velasco, 2010).
3 METODOLOGIA
3.1 DELINEAMENTO DA PESQUISA
A metodologia adotada neste trabalho segue algumas etapas da pesquisa-ação, cujo principal propósito é transformar a realidade objeto de estudo ao propor mudanças capazes de aprimorar as práticas investigadas (Severino, 2007).
A pesquisa-ação educacional representa primariamente uma estratégia voltada para o aprimoramento de professores e pesquisadores, capacitando-os a empregar suas pesquisas no aperfeiçoamento do ensino e, por conseguinte, no processo de aprendizado dos alunos (Tripp, 2005).
Tripp (2005) afirma que é crucial reconhecer a pesquisa-ação como apenas um dos diversos tipos de investigação-ação, um termo amplo que engloba qualquer processo seguindo um ciclo no qual a prática é aprimorada por meio de uma alternância sistemática entre a ação no campo prático e a investigação sobre essa prática. Esse processo envolve o planejamento, implementação, descrição e avaliação de mudanças para aprimorar a prática, permitindo a aprendizagem contínua sobre tanto a prática em si quanto sobre o processo de investigação ao longo do caminho.
Figura 3: Ciclo da Pesquisa-Ação. Adaptado de (Tripp, 2005).
Seguindo o ciclo proposto por (Davison, Martinsons e Kock, 2004), as atividades propostas aconteceram seguindo a seguinte sequência:
- Diagnosticar: Necessidade de reavaliação das abordagens educacionais existentes nas metodologias de ensino.
- Planejar ação: Explorar abordagens inovadoras para aprimorar a comunicação, compreensão e tomada de decisões em projetos estruturais por meio de maquetes estruturais.
- Intervir: O uso da impressora 3D para criar maquetes estruturais e sua implementação em sala de aula
- Avaliar: Aplicação de questionário para identificar se o objetivo inicial da pesquisa foi atendido, constatando se os alunos compreenderam a importância da impressora 3D como parte do processo de ensino e reconhecem a necessidade de uso da mesma em suas práticas pedagógicas.
- Refletir: Análise da pesquisa, compreendendo se há metodologia empregada se mostrou resultante na formação dos alunos.
Para Oliveira (2021), essas fases compreendem o diagnóstico, o planejamento da ação, a intervenção, a avaliação e a reflexão. Esses estágios formam um ciclo iterativo que pode ser repetido diversas vezes ao longo de uma única pesquisa, sempre que necessário.
3.2 Lócus da Pesquisa
Esta pesquisa será conduzida na Faculdade Luciano Feijão, especificamente no ambiente acadêmico onde são ministradas as disciplinas de Concreto Armado 1 e 2. A escolha desta instituição se deve à sua relevância no cenário educacional, bem como à disponibilidade de recursos tecnológicos, incluindo o acesso à impressora 3D própria da instituição.
O público-alvo desta pesquisa serão os alunos matriculados nos 8º e 10º semestres do curso de Engenharia Civil, frequentando as disciplinas de Concreto Armado 1 e 2. Esses alunos foram selecionados por estarem em estágios avançados do curso, o que pressupõe uma familiaridade com os conceitos abordados nessas disciplinas e uma compreensão mais aprofundada dos desafios tridimensionais apresentados.
A pesquisa será realizada fazendo uso da impressora 3D disponível na própria instituição, a qual será empregada na fabricação das maquetes estruturais. A utilização dos recursos tecnológicos da Faculdade Luciano Feijão proporcionará uma base sólida para demonstrações práticas e implementação das estratégias de ensino propostas neste estudo.
Além disso, a pesquisa também envolverá a interação com o professor responsável pelas disciplinas, buscando o suporte e a orientação necessários para a realização das atividades práticas com a impressora 3D. Assim, construir o ambiente essencial para a condução desta pesquisa, oferecendo as condições ideais para a análise e implementação das estratégias inovadoras propostas.
3.3 Coleta de Dados
A coleta de dados será realizada para capturar uma visão abrangente e aprofundada do impacto da implementação da impressão 3D no processo de ensino-aprendizagem das disciplinas de Concreto Armado 1 e 2 na Faculdade Luciano Feijão.
Foi aplicado um questionário on-line sobre a visão que os alunos tinham sobre a importância de utilizar a impressora 3D. O questionário foi estruturado com 10 perguntas, sendo elas 9 fechadas e 1 aberta, que seguiram as orientações de (Gil, 2002). O questionário completo encontra-se disponível no anexo.
O instrumento de avaliação foi aplicado no dia 28 de novembro de 2023 e analisado entre os dias 29 e 01 de dezembro de 2023. O questionário foi respondido por 15 alunos dos 20 matriculados nas 2 disciplinas (4 alunos em Concreto Armado 1 e 16 em Concreto Armado 2), representando assim em 75% dos alunos matriculados.
3.4 Processo de análise de dados
O questionário aplicado aos alunos das disciplinas de Concreto Armado 1 e 2 do curso de Engenharia Civil, foi elaborado de forma a abranger diversos aspectos relacionados à introdução da maquete estrutural impressa em 3D no processo de aprendizagem. Cada pergunta foi cuidadosamente desenvolvida para capturar perspectivas e percepções essenciais dos alunos, fornecendo dados valiosos para a análise e compreensão do impacto dessa tecnologia no ensino de Engenharia Civil.
As questões iniciais sobre a identificação da disciplina em curso e a experiência prévia dos alunos com a impressora 3D estabelecem uma base fundamental, permitindo a segmentação dos dados com base na familiaridade dos alunos com essa tecnologia. Isso é crucial para distinguir entre aqueles que já possuem conhecimento prévio sobre o assunto e os que estão sendo introduzidos pela primeira vez ao uso da impressão 3D como ferramenta educacional.
As perguntas que exploram os benefícios percebidos ao utilizar uma maquete física no processo de aprendizagem e os desafios enfrentados na compreensão dos conceitos de estruturas visam identificar as vantagens percebidas e as dificuldades encontradas pelos alunos ao trabalhar com modelos físicos tridimensionais. Essas respostas fornecerão insights valiosos para adaptar e otimizar as estratégias de ensino, abordando desafios específicos enfrentados pelos alunos.
A aplicação de escalas de avaliação nas perguntas relacionadas à relevância, importância e aplicabilidade prática das maquetes 3D para a compreensão dos conceitos, visualização de projetos complexos e aquisição de conhecimentos práticos visa a obtenção de dados quantitativos. Essas respostas quantitativas oferecerão uma medida objetiva do impacto percebido pelos alunos, permitindo comparações e análises estatísticas mais diretas.
Além disso, as perguntas que exploram a diferença na motivação, engajamento, influência na visão sobre projetos reais e a descrição da experiência ao interagir com a maquete 3D visam capturar aspectos subjetivos e emocionais. Essas respostas oferecerão uma compreensão mais profunda do impacto emocional e comportamental dos alunos diante da utilização dessa ferramenta inovadora.
A integração e análise dessas respostas, organizadas e codificadas de acordo com as categorias estabelecidas por meio das perguntas do questionário, fornecerão uma visão abrangente e detalhada do impacto, percepções e desafios enfrentados pelos alunos no contexto da introdução da impressão 3D no ensino de Engenharia Civil na Faculdade Luciano Feijão. Através desse processo analítico, será possível extrair conclusões significativas para aprimorar ainda mais a utilização dessa tecnologia como uma ferramenta educacional eficaz e inovadora.
4. ANÁLISE E DISCUSSÕES DOS RESULTADOS
A introdução da impressão 3D na criação de maquetes estruturais revelou resultados de grande relevância, os quais serão minuciosamente analisados nesta seção. Este estudo permitiu a observação de diversos aspectos referentes à eficácia, viabilidade e potencial educacional dessa tecnologia inovadora.
Para (Costa, 2009) o uso de um protótipo estrutural em escala reduzida é fundamental para estimular um maior interesse, atratividade e motivação dos alunos. Essa ferramenta permite que os alunos projetem e verifiquem o comportamento da estrutura frente aos diferentes tipos de montagens. No entanto, para iniciar a montagem do protótipo, é crucial possuir um conhecimento teórico prévio sobre o tipo de estrutura a ser construída. Esse conhecimento prévio possibilita o desenvolvimento do projeto executivo construtivo, exigindo do aluno habilidades técnicas em relação a escalas, materiais, conexões e uso de ferramentas. Tal abordagem contribui significativamente para o desenvolvimento da criatividade e da capacidade inventiva dos estudantes.
A pesquisa foi delimitada em 3 partes, sendo elas: Revisão Bibliográfica, análise de estudos de Caso e aplicação prática com Estudantes.
4.1 Revisão Bibliográfica
Este estudo iniciou-se com uma revisão bibliográfica minuciosa que investigou estudos prévios sobre a aplicação da impressão 3D em projetos estruturais. Posteriormente, concentrou-se na análise e comparação dos resultados obtidos nos estudos de caso subsequentes.
4.2 Análise de Estudos de Caso
A análise desse estudo considerou vários aspectos, incluindo o processo de escolha da impressora, o melhor filamento, a precisão, a usabilidade, a eficiência na criação de maquetes virtuais, a qualidade das maquetes físicas produzidas e a avaliação dos custos e benefícios. A baixo será listado todo o passo a passo para a confecção da maquete estrutural.
4.2.1 Fabricação Digital
A fabricação digital refere-se ao processo automatizado em que máquinas CNC (Computer Numeric Control), como cortadoras a laser e impressoras 3D, transformam em objetos físicos os modelos concebidos em programas digitais. Essas tecnologias convertem designs virtuais em objetos tangíveis por meio de um processo automatizado e preciso (Nave a Vela, 2022).
4.2.2 Escolha da Impressora
A escolha da Impressora para a realização da construção das maquetes foi a Impressora 3D GTMax Core A3-v2, onde ela é uma das máquinas produzidas pela GTMax3D, uma empresa especializada em impressão 3D. A GTMax Core A3-v2 é conhecida por oferecer uma área de impressão relativamente ampla e recursos que permitem imprimir objetos de tamanho considerável em comparação com alguns modelos mais básicos de impressoras 3D. Geralmente, os modelos da GTMax3D são direcionados para uso pessoal, profissional e educacional, com características voltadas para a precisão na impressão, estabilidade e qualidade. Ela funciona por meio da técnica de FDM (Fused Deposition Modeling).
Figura 4: Impressora 3D GTMax Core A3-v2
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
4.2.3. FDM (Fused Deposition Modeling)
Esta técnica é uma das mais amplamente difundidas na impressão 3D, especialmente para uso doméstico, devido ao seu custo relativamente mais acessível. Foi desenvolvida pelo empreendedor americano Scott Crump, fundador da empresa Stratasys Ltds., e patenteada em 1989. Uma tecnologia semelhante, conhecida como Fabricação de Filamento Fundido (FFF), foi posteriormente desenvolvida pelos membros do projeto RepRap, permitindo que outras empresas adotassem essa abordagem, contornando as restrições legais impostas pela patente da Stratasys. Uma das empresas mais emblemáticas na popularização das impressoras 3D para uso doméstico, a MakerBot, utiliza a técnica FFF em seus modelos. Em essência, ambas as tecnologias funcionam de maneira semelhante (Online Editora,2016).
Segundo (Barros, 2018) as impressoras 3D FDM (Modelagem por Deposição Fundida) executam o processo de impressão ao depositar material fundido de forma seletiva. Nesse método, um material plástico específico é aquecido e depositado em camadas sobre uma plataforma por um bico extrusor. Esse extrusor move-se nas direções espaciais “x-y” para depositar o material ao longo do contorno da seção desejada. Após concluir essa etapa, passa a preencher o interior do contorno, geralmente em movimentos de ida e volta, permitindo a construção gradual do objeto em camadas sucessivas.
Quadro 2: Características da Técnica FDM
4.2.4 Filamento para a impressão
Segundo (Besko, 2017), quando se discute sobre os filamentos utilizados em impressoras 3D, os materiais mais comuns incluem PLA, ABS, PETG (PET, PTT), Nylon, os flexíveis TPE, TPN e TPC, além do PC. Geralmente, as informações técnicas divulgadas sobre esses materiais concentram-se principalmente em aspectos como resistência, durabilidade e custos. No entanto, aspectos ambientais importantes, como toxicidade, consumo de energia durante o processo de fabricação das peças ou sua reciclabilidade, tendem a receber menos atenção e consideração por parte da maioria dos usuários. Abaixo segue uma tabela, que inclui os 2 filamentos mais usados por impressoras FDM, com as suas principais propriedades, foi estabelecido um sistema de classificação em três níveis: baixo, médio e alto, para cada item listado (Besko, 2017).
Quadro 3 – Principais propriedades dos filamentos para impressão 3D
| Propriedades | PLA | ABS |
| Ecológico | Alto | Baixo |
| Brilho | Médio | Baixo |
| Transparência | Médio | Baixo |
| Rigidez/Dureza | Médio | Alto |
| Resistência a impactos | Baixo | Médio |
| Flexibilidade | Baixo | Médio |
| Contração/WARP | Baixo | Alto |
| Precisão/Detalhes | Alto | Baixo |
| Qualidade de Superfície | Alto | Baixo |
| Resistência/Atritos | Baixo | Médio |
| Resistência/Química | Médio | Baixo |
| Resistência Temp. | Baixo | Alto |
| Usinabilidade | Baixo | Alto |
| Densidade | Baixo | Médio |
| Temp. de Impressão | Médio | Alto |
| Temp. Mesa Aquecida | Baixo | Alto |
Fonte: Adaptada de (Besko, 2017).
Para a impressão da maquete estrutural foi utilizado o filamento ABS. Segundo (Besko, 2017), o ABS tem uma superioridade ao PLA em relação às suas propriedades mecânicas, é durável, forte e é considerado leve. Suporta temperaturas mais elevadas, é ligeiramente flexível e sua maior vantagem em relação ao PLA, deve-se ao fato de ser o termoplástico mais barato no mercado de filamentos para impressão 3D.
4.2.5 Modelagem 3D
Barros (2018) afirma que o modelo 3D é o procedimento de criar uma representação matemática de uma superfície tridimensional de um objeto, seja ele inanimado ou vivo, através de um software especializado. Esse resultado é denominado de modelo tridimensional e abrange a criação de formas, objetos, personagens, cenários, entre outros elementos. A modelagem tridimensional é realizada utilizando ferramentas computacionais avançadas e direcionadas especificamente para essa tarefa, permitindo a criação detalhada e precisa de representações digitais de objetos em três dimensões.
O projeto de estrutura escolhido para a modelagem da maquete foi um reservatório enterrado, composto por alvenaria amarrada por vigas, cintas e pilares, apoiado em sapata, com o fundo em laje. A seleção desse projeto foi baseada na capacidade de abordar temas relevantes das disciplinas de Concreto Armado, permitindo o desenvolvimento de conceitos relacionados ao dimensionamento de vigas, lajes e pilares, aplicados de forma direta em reservatórios. A base estrutural para a maquete foi provida pelo professor José de Carlos Batista, da Faculdade Luciano Feijão, utilizando o projeto estrutural de uma piscina de grande porte, com 12,6 metros de comprimento máximo.
Figura 5: Projeto estrutural desenvolvido no Software SketchUp
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
Nas figuras 6 e 7, fornecem-se detalhes comparativos entre a visão em planta do projeto estrutural e a representação da maquete. Adicionalmente, essas figuras ilustram a execução da estrutura original, proporcionando uma comparação visual entre o que foi efetivamente construído e a representação na maquete. Essas imagens contribuem para uma compreensão mais abrangente da estrutura em sua concepção real e na representação física elaborada para o estudo, evidenciando aspectos cruciais do projeto.
Para desenvolver a maquete baseada no modelo do projeto estrutural, empregou-se uma técnica de encaixe entre as sapatas, vigas e pilares. Essa abordagem foi adotada visando facilitar a montagem posterior da maquete após o processo de impressão.
Figura 8: Método de encaixes desenvolvido no Software SketchUp
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
Ao todo o projeto da modelagem contou com 80 peças sendo (19 sapatas, 42 vigas e 19 pilares). Para a modelagem foi empregado uma escala de 1:20. Esta escala foi escolhida devido a sua capacidade de representar detalhes significativos do projeto estrutural enquanto mantém um tamanho adequado para a construção da maquete. Essa escala oferece um equilíbrio entre a precisão dos elementos estruturais e a viabilidade de fabricação das peças, permitindo uma representação detalhada sem comprometer a praticidade na manipulação e montagem da maquete.
Figura 9: Comparação com o tamanho real da estrutura e a maquete em escala 1:20
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
A imagem abaixo exibe o modelo digital desenvolvido por meio do software SketchUp, versão 2021. Este modelo está integralmente completo, representando todas as peças de encaixe, semelhantes a peças de LEGO, essenciais para a montagem da estrutura final. Cada componente – sapatas, vigas e pilares – foi detalhadamente encaixado para assegurar a precisão e a fidelidade ao projeto estrutural.
Com vistas à etapa de impressão, todas as peças foram categorizadas e organizadas de acordo com sua função (sapata, viga ou pilar). Essa organização meticulosa foi planejada para otimizar o processo de impressão, permitindo uma produção mais eficiente e organizada. Separar os elementos por categorias facilita a impressão individual de cada parte, contribuindo para uma montagem mais precisa e rápida da maquete final.
Figura 10: Maquete virtual completa
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
4.2.6 Fatiamento da Modelagem
Segundo Hodgson, (2023) Slic3r é uma ferramenta que traduz modelos digitais 3D em instruções que são compreendidos por uma impressora 3D. Ele corta o modelo em camadas horizontais e gera caminhos adequados para preenchê-los. O Slic3r já vem com muitos dos softwares host mais conhecidos: Pronterface, Repetier-Host, Replicator G, e pode ser usado como um programa autônomo.
Existem várias considerações ao escolher um padrão de preenchimento: resistência do objeto, tempo e material, preferência pessoal. Pode-se inferir que um padrão mais complexo exigirá mais movimentos e, portanto, levará mais tempo e material. O Slic3r oferece vários padrões de preenchimento, quatro regulares e três mais exóticos (Hodgson, 2023).
O padrão de preenchimento de colmeia pode ser uma escolha ideal para modelos mecânicos, pois cria uma estrutura de suporte sólida e repetitiva que é adequada para peças que exigem resistência vertical. Todas as peças foram adotadas um mesmo padrão de fatiamento: Preenchimento hexagonal (Honeycomb): Usa um padrão de colmeia hexagonal. (Material: Médio, Tempo: Moderado) (Hodgson, 2023).
4.2.7 Processo de Impressão
Conseguinte, seguindo as recomendações de manuseio da impressora já apresentadas, é configurado o pré-aquecimento da mesma e inserido o cartão Sd, com o arquivo, para dar início à produção através do setup de prototipagem (Simões, 2023).
4.2.8 Acabamento Final
O protótipo em questão oferece oportunidades para melhorias adicionais por meio de processos de acabamento mais refinados, o que poderia resultar em uma apresentação mais polida e aprimorada. Essas otimizações podem envolver a aplicação de técnicas de acabamento, como lixamento, polimento ou outros métodos que contribuam para aprimorar a estética e a qualidade final do protótipo desenvolvido (Simões, 2023).
4.2.9 Resultado Final
O desfecho final deste processo foi alcançado após cerca de 89 horas de impressão e a utilização de aproximadamente 0,64 kg de filamento. Esses recursos foram dedicados à conclusão da maquete estrutural, um resultado que reflete não apenas o investimento de tempo e material, mas também a meticulosidade e o empenho empregados na criação desta representação física do projeto
Quadro 4: Parâmetros de tempo e consumo total
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
Quadro 5: Tamanhos comparados com o modelo real e maquete
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
A maquete foi elaborada com meticulosidade, preservando fielmente a escala de 1:20. Esse cuidado resultou em um tamanho ideal que permite uma análise minuciosa e detalhada junto aos estudantes durante o processo de pesquisa. A precisão da escala oferece uma representação fidedigna do projeto, possibilitando um estudo aprofundado dos elementos estruturais e facilitando a compreensão dos detalhes do projeto para os envolvidos.
Abaixo nas imagens 18 e 19, apresentarei com detalhes a maquete já construída, que possui aproximadamente 70cm de dimensão. Esta maquete, meticulosamente elaborada em escala de 1:20, oferece uma representação precisa do projeto estrutural em uma redução fiel. Para facilitar o transporte e estabilidade, foi fixada em uma placa de pinus.
Adicionalmente, na placa de pinus, foram realizadas marcações das cotas por meio de cortadora a laser, visando facilitar não só a montagem da maquete, mas também a compreensão dos alunos. Essas marcações proporcionam uma clara referência para as dimensões e proporções corretas, contribuindo para a compreensão dos elementos estruturais representados na maquete. Esta representação tridimensional não apenas exemplifica o projeto em sua escala reduzida, mas também se torna uma ferramenta educacional valiosa, possibilitando uma abordagem prática e interativa no ensino de engenharia civil. Além disso, a fixação da maquete na placa de pinus facilita sua mobilidade e manuseio durante atividades educativas.
Além disso, será exibida uma representação visual da aplicação da pesquisa realizada. A imagem abaixo ilustrará como a maquete foi utilizada no contexto da investigação, destacando seu papel como ferramenta pedagógica, permitindo análises detalhadas e discussões aprofundadas com os estudantes. A maquete não apenas exemplifica o projeto estrutural, mas também serve como um recurso tangível para ilustrar conceitos complexos e facilitar o entendimento dos alunos sobre os princípios e aplicações práticas da engenharia civil.
Figura 20: Aplicação da Pesquisa com alunos da disciplina de Concreto Armado 2
Fonte: Elaborado pelo autor com base na pesquisa (2023).
4.3 Aplicação prática da com estudantes
A pesquisa conduzida entre alunos das disciplinas de Concreto Armado 1 e 2 revelou percepções significativas sobre o impacto do uso de maquetes estruturais impressas em 3D no processo de aprendizagem em Engenharia Civil.
Primeiramente, a maioria dos participantes (3 alunos de Concreto Armado 1 e 11 de Concreto Armado 2) estava diretamente envolvida nessas disciplinas durante o período da pesquisa. Entretanto, notou-se que nenhum deles havia participado anteriormente de aulas sobre o uso da impressora 3D, indicando a novidade e a importância de explorar essa tecnologia inovadora.
As respostas evidenciaram claramente os benefícios proporcionados pelas maquetes estruturais impressas em 3D. Os alunos apontaram vantagens como visualização mais clara da montagem da estrutura, facilitação na identificação de problemas estruturais e estímulo à criatividade na elaboração de projetos. No entanto, também identificaram desafios, como dificuldades na interpretação do modelo tridimensional, restrições de tempo para interação e obstáculos técnicos na manipulação da maquete.
A alta classificação atribuída à relevância das maquetes na compreensão dos conceitos e sua aplicabilidade prática para estudos futuros e carreira na Engenharia Civil reflete a percepção unânime dos alunos sobre o valor dessas ferramentas no aprendizado.
A análise comparativa revelou que a utilização das maquetes impressas em 3D supera significativamente os modelos 2D na compreensão das propriedades estruturais e funcionais dos projetos complexos. Os estudantes também apontaram uma diferença significativa em sua motivação e engajamento ao estudar e compreender os conceitos de Concreto Armado por meio da interação com as maquetes físicas.
Além disso, a influência positiva dessa maquete foi destacada pelos alunos, relatando melhorias na compreensão visual dos projetos, facilitação na compreensão de detalhes específicos e na compreensão das relações entre elementos estruturais. A experiência foi descrita como uma contribuição significativa na formação acadêmica dos estudantes.
5 CONCLUSÃO
Após uma análise detalhada sobre a integração da impressão 3D como forma metodológica de ensino, foi concluído que os resultados obtidos fornecem evidências robustas de que a introdução dessa tecnologia como uma ferramenta educacional inovadora promove uma conexão efetiva entre os conceitos teóricos e as aplicações práticas.
A pesquisa revelou que a utilização da impressão 3D estimula um entendimento mais profundo dos elementos estruturais, permitindo uma aprendizagem visual mais eficaz e uma compreensão mais prática do comportamento desses elementos. A conexão direta entre os conceitos teóricos e a visualização proporcionada pelas maquetes impressas em 3D destaca-se como um diferencial no processo de ensino-aprendizagem.
A significância deste estudo reside na capacidade da impressão 3D em preencher lacunas na compreensão de conceitos estruturais complexos. Os resultados avançam o conhecimento existente ao demonstrar como essa tecnologia pode enriquecer e facilitar a compreensão prática dos alunos. Essa abordagem inovadora não apenas promove a formação acadêmica, mas também prepara os estudantes de Engenharia Civil para os desafios do ambiente profissional de maneira mais eficaz.
Durante a montagem da maquete apareceram algumas limitações, como a utilização exclusiva de peças de LEGO para a montagem das maquetes. Como sugestão de melhoria futura, recomenda-se explorar métodos alternativos de montagem, como a adoção de encaixes com imãs ou parafusos. Essa abordagem pode facilitar ainda mais a montagem das maquetes, proporcionando uma experiência prática mais rica e ampla para os alunos.
Para avançar em estudos futuros, é recomendável aprofundar a criação de diferentes montagens estruturais, abrangendo tanto elementos de concreto armado quanto de aço, utilizando a impressão 3D como recurso fundamental. Isso proporcionará uma ampliação significativa das oportunidades de estudo e análise viabilizadas por essa tecnologia inovadora.
Além disso, refletir sobre o processo de pesquisa é essencial para evidenciar os desafios enfrentados e os insights obtidos ao longo do estudo. Avaliar os pontos fortes e limitações da metodologia adotada é crucial para direcionar melhorias e refinamentos em futuras investigações nesse campo de estudo.
Vale ressaltar que a análise comparativa entre modelos 2D e as maquetes impressas em 3D destacou a superioridade destas últimas. Essa abordagem permitiu uma compreensão mais aprofundada das propriedades e interações estruturais, resultando em maior motivação, engajamento e um entendimento mais sólido nas disciplinas de Concreto Armado 1 e 2.
Dessa forma, a pesquisa conclui que as maquetes estruturais impressas em 3D representam uma ferramenta educacional poderosa, capaz de transformar o processo de aprendizagem, tornando-o mais envolvente, prático e eficaz para os alunos do curso de Engenharia Civil. Essa abordagem inovadora proporciona uma compreensão mais aprofundada dos conceitos, preparando os estudantes de maneira mais eficaz para os desafios práticos da área.
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1 Acadêmico do curso de Engenharia Civil da Faculdade Luciano Feijão – FLF. E-mail: engerickmachado@gmail.com
² Professor Orientador: Syllas Ferreira de Sousa. E-mail: syllas.f.sousa@gmail.com
³ Professor Coorientador: Augusto Capibaribe E-mail: augustocapibaribeorientador@gmail.com