Ensino e aprendizagem do design para fabrico aditivo

A ausência de familiaridade com as tecnologias de FA é vista como um entrave à sua adoção (Williams et al., 2009). Num workshop da National Science Foundation sobre a “AM Education” participaram membros da indústria, da academia e do governo com o objetivo de necessidades educacionais e opor‑ tunidades de trabalho relacionadas com o FA. Da discussão, resultou num conjunto de pressupostos que a educação para o FA terá de abranger: (1) processos de AM e relações de processo/material, (2) conhecimentos em engenharia com ênfase na área dos materiais e no processo de fabrico, (3) competências profissionais para resolução de problemas e pensamento crí‑ tico, 4) práticas e ferramentas de design que aproveitem a liberdade de design possibilitada pelo FA e (5) equipas multifuncionais e técnicas para estimular a criatividade (Gao et al, 2015).

A crescente procura por engenheiros, designers e investigadores na área do fabrico aditivo (Myant et al., 2016) contribuiu para a integração da tecno‑ logia de fabrico aditivo nos programas educativos a vários níveis de ensino (Ford & Minshall, 2017). A mudança de paradigma construtivo do sistema de prototipagem rápida para um processo de fabrico aditivo fez ressaltar uma vazio no ensino de competências relacionadas com o FA, como evidenciam Ford & Minshall (2017) e Gao et al. (2015):

The emergence of additive manufacturing and 3D printing technologies is introducing industrial skills deficits and opportunities for new teaching practices in a range of subjects and educational settings. (Ford & Minshall, 2017) (p. 1)

Due to the rapid acceleration of industrial interest and recen adoption of AM technologies, there exists a significant need for educating a workforce knowledgeable about how to employ AM. (Gao et al, 2015) (p. 81)

Por isso, torna ‑se pertinente a implementação da TFA no plano educacio‑ nal das universidades e politécnicos, procurando incluí ‑las em unidades curriculares onde estas possam ter especial enfoque e a sua inclusão ser um contributo para a aprendizagem dos estudantes de design de produto. Ford & Minshall (2017) apresentam um estado da arte sobre a utilização da TFA no ensino, no sentido de sistematizar e elucidar sobre todas as potencialidades, multidisciplinariedade nos diferentes graus de ensino, deste o 1.º ciclo até ao ensino superior, incluindo também a importância de dotar os docentes de know‑how sobre o assunto. O estudo pretende dar respostas às perguntas “Onde” e “Como” estão a ser usadas as tecnologias de fabrico aditivo no ensino. As universidades surgem como locais onde as

tecnologias de FA estão a ter um forte impacto quer no desenvolvimento de sistemas de impressão, modelos científicos e testes a protótipos, quer através do uso do fabrico aditivo para a aprendizagem baseada em projetos, e na integração dos currículos para o desenvolvimento de competências relacionadas com o FA, ou através do desenvolvimento de novos cursos de introdução ao tópico.

Nos últimos anos, institutos como o MIT (Massachusetts Institute of Technology) e universidades como a Universidade do Texas nos Estados Unidos ou a Universidade Loughborough em Londres no Reino Unido apos‑ taram no fabrico aditivo, quer ao nível do ensino das competências com cursos, licenciaturas e pós ‑graduação com temáticas alargadas relacionadas com o FA, quer como área estratégica para a investigação com a criação de centros de investigação e desenvolvimento.

Entraves à introdução da TFA no contexto académico, que inviabiliza‑ vam a aprendizagem, como a ausência de laboratórios equipados com as tecnologias para experimentação, a ausência de conhecimentos técnicos ao nível dos docentes, a indisponibilidade financeira para a aquisição de con‑ sumíveis, vão desaparecendo (Ford & Minshall, 2017). Com uma progressiva diminuição dos custos dos equipamentos e consumíveis, as instituições de ensino superior têm a oportunidade de adquirir equipamentos e de incluir novas metodologias de ensino em UC ou cursos extracurriculares relacio‑ nados com o fabrico aditivo, permitindo também aos docentes adquirir competências na área, quer ao nível técnico quer criativo. As universidades têm investido também em ambientes informais de aprendizagem, inspi‑ rados pelos movimentos Makers onde os estudantes exploram de forma livre várias ferramentas de fabrico aditivo, principalmente do processo FFF. Para além de proporcionarem uma aprendizagem livre sobre a tecnologia, contribuem também para uma cultura de empreendedorismo e inovação (Gao et al, 2015). Outros estudos apontam também para um entusiasmo e uma forte motivação dos estudantes para a TFA (Junk & Matt, 2015) devido à quantidade de informação e discussão sobre fabrico aditivo nos vários contextos da sociedade atual.

Relativamente à forma como está a ser utilizado o FA no contexto educa‑ cional, os autores Ford & Minshall (2017) apresentam dois modos de atuação do fabrico aditivo distintos, uma integração ativa e uma integração passiva. Na integração ativa, pretende ‑se o desenvolvimento e implementação de cursos e projetos que tenham um foco explícito no ensino das competências da TFA. Por contraste, uma integração passiva envolve o uso da TFA durante o curso ou incluídas em projetos com o objetivo de apoiar o ensino de outras matérias, como por exemplo recorrer ao fabrico aditivo para a materialização de artefactos que ajudem os estudantes a visualizarem estruturas moleculares (Cooper & Oliver ‑Hoyo, 2017).

Tendo em conta o enquadramento e os objetivos de investigação foram ana‑ lisados artigos que tivessem uma integração ativa do FA e fossem (1) estudos empíricos realizados em contexto académico ao nível do ensino superior (2) na área de desenvolvimento de produto e design industrial (3) em UC, cursos ou workshops com estratégias de aprendizagem por projeto (4) de design para fabrico aditivo e (4) cujo resultado final do projeto fosse materializável num produto (quase final) produzido por fabrico aditivo. A maioria dos estudos realizados em contexto académico ao nível do ensino superior aponta para o desconhecimento das tecnologias como uma das principais barreiras à sua utilização, por isso procuram encontrar estratégias pedagógicas através de cursos numa aprendizagem por projeto (Seepersad, 2014).

Go & Hart (2016) apresentam um estudo empírico com dados recolhidos a partir de um curso sobre fabrico aditivo do MIT (Massachusetts Institute of Technology) com a duração de 14 semanas com 30 estudantes do ensino superior, sendo 20 da área da engenharia mecânica. Durante a primeira fase, cerca de cinco semanas são apresentados conceitos básicos sobre as tecno‑ logias de FA (FFF, SLA e SLS/SLM) e outros conceitos ‑chave como “design for additive manufacturing (DfAM)” ou “digital assembly” ou “economics of AM”. Em paralelo foram organizadas palestras com a indústria, académicos e especialistas em FA. No final das aulas introdutórias, os alunos desenvol‑ veram o projeto de uma ponte, seguido de outro com um brief aberto, “an open ‑ended challenge that would embrace the design freedom of AM”. No segundo projeto, os estudantes puderam ser mais criativos e explorar algu‑ mas das potencialidades do FA. No final, a maioria dos projetos resultou em inovações tecnológicas relacionadas com o processo de fabrico. O feedback dos estudantes foi positivo, apontaram apenas questões relacionadas com os prazos e referiram considerar o brief “aberto” mais apropriado para um contexto de investigação. No final, o artigo conclui a necessidade da multidis‑ ciplinariedade num curso relacionado como o FA, “AM education, (…), is truly multidisciplinary, and that education programs must embrace this context” (Go & Hart, 2016, p. 87).

William et al. (2009) concebem uma proposta de curso com incidência no design para fabrico aditivo para aumentar o grau de conhecimento sobre FA ao nível do ensino superior e perante a necessidade de uma educação para a tecnologia. A relevância do estudo para a investigação passa pela importância que os autores atribuem ao DpFA e pela forma como associam as tarefas a desempenhar durante os projetos à metodologia comum de design:

1. Identificar oportunidades: nesta fase, os estudantes conhecem as áreas de maior aplicabilidade e adequação do FA. Conhecem técnicas para identificar oportunidades de desenvolvimento de produtos por FA e as necessidades do cliente;

2. Planeamento e orçamentação do projeto para FA: para esta fase propõe que os estudantes aprendam técnicas de planeamento e orçamentação de projetos para estimativa de custos específicos para FA;

3. Geração de conceitos para FA: nesta fase os estudantes devem focar‑se nas vantagens do FA (por exemplo, costumização, baixos volumes de produção, redução de peças a assemblar e geometria complexa);

4. Design integrador do FA: nesta fase propõe a aprendizagem de como otimizar a estrutura do produto para FA. As considerações de tolerância para as várias características de peças (por exemplo, furos, encaixes, dobradiças vivas, etc.) devem ser exploradas e estudadas;

5. Detalhar o produto para FA: esta fase foca ‑se em estratégias comuns de construção de peças de FA tendo em conta erros prováveis causados pela orientação de peças, dificuldades na sobreposição entre camadas e limitações relacionadas com a resolução das tecnologias de FA.

A correspondência entre uma metodologia de design típica com as tarefas a desempenhar num projeto de DpFA poderá ajudar na familiarização com o processo de DpFA, para os autores mais exigentes ao nível das competências técnicas. Na perspetiva dos estudantes, o projeto foi desafiador e motivante e reforça a necessidade de os estudantes de assumirem uma atitude mais pró ‑ativa, perante um problema que está “em aberto”:

Unlike other design projects in the curriculum, students must adopt a very entrepreneurial perspective to identify and justify an appropriate AM ‑related design opportunity. The design problem is not provided or strictly bounded. (p. 89)

Ainda assim, Zhu et al. (2017) referem a dificuldade em encontrar designers com experiência no design para fabrico aditivo. Uma observação que reforça a necessidade de implementar nos planos curriculares dos cursos em design conteúdos e estratégias de ensino relacionadas com o DpFA:

Finding designers with experience of DfAM was a significant challenge, as very few designers had actually designed products specifically for AM due to the fact that AM technologies, as emerging series production methods, are still relatively immature. (p. 329)