9 Prototyping - Process to Progress

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1 Oct. >> Dec. Jan. >> Apr. 9 Prototyping - Process to Progress Prototyping 1 Assembly Specifications Prototyping 2 Structural Requirements Prototyping 3 Components Interface Prototyping 4 Physical Validation Apr. >> Sep.

2 1 DESENHO EM SOFTWARE CAD ESTRUTURA GLOBAL ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL PAINEL LATERAL ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL ESQUEMA DE SUPORTE E APOIO DOS BANCOS DETALHES - LIGAÇÕES E COMPONENTES PROTOTIPAGEM RÁPIDA DEFICIÊNCIAS ENCONTRADAS PROTOTIPAGEM RÁPIDA COMPONENTES OBTIDOS PROTOTIPAGEM RÁPIDA OPERAÇÕES PARA RETIRAR RIBS PROTOTIPAGEM RÁPIDA PRINCIPAIS DEFICIÊNCIAS PROTOTIPAGEM RÁPIDA REPARAÇÃO DE DEFICIÊNCIAS NO MODELO PROTOTIPAGEM RÁPIDA ASSEMBLAGEM ENGENHARIA INVERSA DEFICIÊNCIAS ENCONTRADAS VISTAS DOS PONTOS NO SOFTWARE RHINOCEROS ESTUDO DOS VOLUMES PROTOTIPAGEM MODELO DE ESTUDO DIMENSÕES GERAIS MATERIAIS E PROCESSOS UTILIZADOS MODELO DE ESTUDO INTERFACE DE COMPONENTES MATERIAIS E PROCESSOS UTILIZADOS PROTÓTIPO FUNCIONAL MATERIAIS E PROCESSOS UTILIZADOS... ERRO! MARCADOR NÃO DEFINIDO.

3 PROTOTIPAGEM PROCESSO E PROGRESSO O trabalho realizado na cadeira de Modulação Geométrica, permitiu desenvolver a parte de desenho e modulação do painel através de várias ferramentas tais como software CAD (Computer Aided Design), reengenharia inversa (obtenção de pontos através de um modelo físico) e prototipagem rápida. Este relatório pretende apresentar o trabalho desenvolvido nesta disciplina e evidenciar algumas dificuldades e falhas com as quais nos deparamos durante a utilização de ferramentas de modelação geométrica. 1 DESENHO EM SOFTWARE CAD 108 O desenho em softwares CAD, teve o objectivo de definir com rigor geométrico a estrutura global de uma carruagem (ou salão ) de um veículo ferroviário e o respectivo painel lateral, no sentido de analisar todos os interfaces de ligação e componentes deste sistema. Este processo decorreu em duas fases distintas: Fase 1 em que foi desenvolvida uma versão simplificada (caixas pretas), cujo objectivo principal era conhecer um dos softwares CAD Catia V5 e ter a percepção geral de assemblagem do produto. Fase 2 numa fase mais adiantada de projecto, em que o painel sofrera melhorias ao nível da definição das interfaces, materiais, número de componentes resultando em pequenos ajustes dimensionais. Nesta fase foi utilizado um segundo software CAD Solidworks. Destas duas experiências, retivemos a sensação de que ambos os softwares CAD são bastante intuitivos e muito semelhantes. No entanto, o primeiro está a ser cada vez mais utilizado por um maior número de sectores industriais pelos ser módulos de gestão industrial de componentes, sistemas, com ligação a outras áreas como a comercial, gestão de stocks etc como tivemos ocasião de constatar e ver em prática na Bombardier Transportation (Amadora - Portugal).

4 1.1 ESTRUTURA GLOBAL ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL Fig 70 Estrutura do salão versão preliminar Fig 71 - Salão versão preliminar [Catia V5] [Catia V5] ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL Fig 72 Estrutura do Salão Cotada [Soliworks] Fig 73 Estrutura do Salão [Soliworks]

5 1.2 PAINEL LATERAL ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL Fig 74 Interior versão preliminar [Catia V5] Fig 75 - Exterior versão preliminar [Catia V5] Fig 16 Vista frontal versão preliminar [Catia V ª FASE DE PROTOTIPAGEM VIRTUAL Fig 77 Interior versão [Solidworks] Fig 78 Exterior versão [Solidworks] Fig 79 - Vista frontal [Solidworks] Como referido anteriormente, esta 2ª fase, decorreu já numa fase mais adiantada de projecto, em que o painel sofrera melhorias ao nível da definição da forma e interface

6 dos seus componentes. O que ilustramos a seguir é uma sequência do processo de montagem do painel: Fig 80 Sandwich com Fig 81 Seis Fig 82 Duas barras Fig 83 Cablagens Honeycomb suportes eléctricas 111 Fig 84 Condutas de A/C Fig 85 Difusor de A/C Fig 86 Vidro interior Fig 87 Juntas de aço

7 Fig 88 Rotação do painel Fig 89 Vidro interior Fig 90 Sandwich com revestimento exterior 112 Fig 91 - Sandwich com revestimento interior superior Fig 92 - Sandwich com revestimento interior inferior Fig 93 Barra de suporte dos bancos Fig 94 - Sandwich com revestimento interior médio

8 1.3 ESQUEMA DE SUPORTE E APOIO DOS BANCOS Fig 95 Apoio dos bancos Fig 96 vista lateral do painel com o apoio dos bancos Fig 97 dimensões gerais do suporte dos bancos 113 Fig 98 Elemento de ligação Fig 99 Aproximação à calha Fig 100 Encosto da parte superior Fig 101 Encosto da parte inferior Fig 102 Possibilidade de deslize e fixação para a direita Fig 103 Possibilidade de deslize e fixação para a esquerda

9 1.4 DETALHES - LIGAÇÕES E COMPONENTES 114 Fig 105 Dimensões do núcleo do painel Fig 106 Ligação ao núcleo do painel Fig 107 Fixação do elemento de ligação (cola e encaixe) Fig Elemento de ligação superior e inferior Fig 109 Dimensões das Fig Área Fig 111 Conduta de Fig 112 Saída do condutas disponível para A/C difusor de A/C iluminação

10 Fig 113 Assemblagem de um painel completo Fig 114 Módulo ou salão completo 2 PROTOTIPAGEM RÁPIDA 115 Os modelos obtidos em 3D (Painel e Estrutura Global da Carruagem) através do software Catia foram transformados num modelo físico por um processo de prototipagem rápida. Este processo foi extremamente valioso para facilitar a visualização do modelo fisicamente e poder avaliar e validar algumas questões dimensionais e pormenores de assemblagem numa fase preliminar do projecto. A impressora 3D utilizada para o efeito foi a ThermoJet, que construiu o modelo em cera através da sobreposição de camadas. Estas camadas vão sendo suportadas por apoios (ribs) também em cera, construídos para o efeito e que permitem a sustentação de superfícies pouco estáveis. Estes protótipos (com dimensões gerais situavam-se aproximadamente nos 10 cm de altura, 10 cm de largura e 25cm de comprimento) demoraram cerca de 10 horas até estarem concluídos pela Thermojet. Uma vez terminada a sua construção torna-se necessário retirar todos os ribs, tarefa que não deve ser realizada logo após a construção do modelo pois convém que esta operação seja realizada quando o modelo de cera se encontre um pouco rígido e para tal convém deixar que o mesmo arrefeça numa fonte de ar frio (a solução de recurso para o efeito foi a aproximação da saída de ar condicionado).

11 2.1 DEFICIÊNCIAS ENCONTRADAS Todo o processo é precedido por uma transformação do ficheiro oriundo do software CAD (foi usado o Catia) para um formato standard e reconhecido pela maioria dos programas, optou-se pelo formato *.IGES, para finalmente transformar este último num tipo de ficheiro reconhecido pela máquina de prototipagem rápida, o formato *.STL. Durante esta conversão de ficheiros houve perda de informação, nomeadamente o ficheiro final em formato *.STL (objectos formados por superfícies) continha alguns erros que resultaram num modelo físico imperfeito. Por inexperiência algumas das superfícies do modelo continham informação errada e as suas normais às faces externas estavam invertidas, isto é, direccionadas para dentro do sólido o que provocou nalguns casos a ausência dessa mesma superfície e consequentemente do sólido respectivo (exemplo: a estrutura global da carruagem ficou com falta de algumas vigas intermédias e as duas longarinas superiores, como se pode verificar nas figuras seguintes). 116 Outro tipo de má formação que nos sucedeu, derivou da posição das superfícies no tabuleiro de construção. Como se pode verificar nas figuras o tecto da carruagem, colocado na vertical, sofreu um grande empeno em todas as direcções. Segundo a informação recolhida e consulta dos procedimentos de boas práticas para o efeito, deve sempre colocar-se os objectos de forma a reduzir a área de varrimento (deposito de cera), em cada camada. Na referida consulta, ficamos também a saber que o software das máquinas de prototipagem rápida, nem sempre verificam correctamente a inversão das normais, como referido anteriormente, a solução encontrada é a utilização de software como o Magic. Parte do modelo que apresentou anomalias ou que a máquina não produziu, teve de ser acabado através de peças feitas anualmente e de enchimento com restos de cera e resina (ver figuras seguintes). Nota: Todas estas anomalias estão identificadas nas figuras seguintes com um sinal de cor vermelha.

12 2.2 PROTOTIPAGEM RÁPIDA COMPONENTES OBTIDOS 117 Fig 115 Componentes obtidos na ThermoJet

13 2.2.1 PROTOTIPAGEM RÁPIDA OPERAÇÕES PARA RETIRAR RIBS 118 Fig 116 Operação para retirar Ribs PROTOTIPAGEM RÁPIDA PRINCIPAIS DEFICIÊNCIAS Fig 117 Remate da superfície deficiente

14 Fig 118 Empeno na superfície PROTOTIPAGEM RÁPIDA REPARAÇÃO DE DEFICIÊNCIAS NO MODELO 119 Fig 119 Preparação da reconstrução do modelo

15 Fig Reparação de deficiências no modelo PROTOTIPAGEM RÁPIDA ASSEMBLAGEM

16 Fig Assemblagem de componentes com resina 3 ENGENHARIA INVERSA 121 A engenharia inversa, como o próprio nome indica, conduz inversamente todo o processo que descrevemos anteriormente, isto é, com base num modelo físico cria-se um modelo virtual em software CAD para posteriormente ser alvo de reformulações e melhorias. Como forma de testar este processo aproveitou-se o modelo construído pela prototipagem rápida e aplicou-se a engenharia inversa a um painel para posterior análise no Catia. A tecnologia utilizada neste processo é um braço mecânico com vários eixos que permitem um óptimo varrimento e maneabilidade no espaço, características importantes para este tipo de processo. O braço é composto por uma ponta metálica que se encosta ao objecto e a posição dos vários eixos permite obter uma leitura da posição desse ponto no espaço, com base numa referência definida no início da operação. Antes de executar qualquer medição, através do braço mecânico no painel lateral, determinaram-se quais os pontos a obter ou medir atendendo à geometria do painel e à sua simetria. Uma vez determinados os pontos procedeu-se à fixação do painel num torno e só depois se iniciou a localização dos pontos com a respectiva medida de referência no espaço. O software utilizado para efectuar a leitura dos pontos através do braço mecânico foi o Rhinoceros, cujo ficheiro foi convertido para o formato *.IGS. Uma vez concluído este processo converteu-se este para o software Catia. O painel final foi obtido através de algumas operações no Catia que permitem usar os pontos como referência de superfície e criar assim o objecto modelado.

17 3.1 DEFICIÊNCIAS ENCONTRADAS Uma dificuldade que se verificou foi a falta de precisão quando o objecto tem dimensões reduzidas (neste caso o painel tinha 8 cm de altura, 3,5 cm de largura e cerca de 3 mm de espessura) quer pela dimensão da ponta do braço quer pela dificuldade do operador em manter o braço estático durante a medição. O peso e a força necessária ao manuseamento do braço não permitem efectuar muitas medições consecutivas sem alternância de operadores. 122 Fig Engenharia inversa VISTAS DOS PONTOS NO SOFTWARE RHINOCEROS

18 Fig 123 Recriação do protótipo virtual a partir da leitura de pontos 4 ESTUDO DOS VOLUMES PROTOTIPAGEM Ao longo de todas as fases de projecto, sentimos necessidade de trabalhar os volumes e toda a fase de definição da forma foi acompanhada de modelos e maquetas. 123 A primeira, referida anteriormente (ponto 2), prototipagem rápida utilizando a Termojec, ajudou-nos a visualizar o problema da assemblagem de um painel que integrasse todos os componentes e principalmente a estruturar ideias, reflectir sobre as várias direcções que o projecto poderia seguir e principalmente optar pelo tipo de painel que iríamos desenvolver, dado ser um conceito que por não existir no processo actual de produção de veículos ferroviários, não tínhamos qualquer tipo de modelo a seguir. 4.1 MODELO DE ESTUDO DIMENSÕES GERAIS Seguidamente, através de um modelo de estudo à escala de 1:10cm testámos as dimensões gerais analisámos as interfaces entre o painel no geral considerando já o vidro, os pilares e as longarinas. Fig 124 Materiais usados Fig 125 Materiais usados Fig 126 Materiais usados

19 4.1.1 MATERIAIS E PROCESSOS UTILIZADOS Nesta fase os materiais utilizados foram principalmente ripas de madeira e balsa, poliestireno e colas (de poliestireno, de balsa e cola branca para madeira). A escolha destes materiais, deveu-se ao facto de termos este material disponível, dado ser excedentários de projectos anteriores. Não existiu nenhum motivo técnico ou formal para esta escolha. 4.2 MODELO DE ESTUDO INTERFACE DE COMPONENTES Numa terceira fase de prototipagem, excluindo a prototipagem virtual ou modelação geométrica que acompanhou todo o processo, com consecutivas actualizações, passámos a um modelo de estudo à escala 1:5cm, que acompanhou os desenhos com a mesma escala, enquanto definíamos já espaços de ocupação, ligações, suportes entre outros, dos diversos componentes como as cablagens eléctricas, tubagem de ar condicionado, isolamento térmico-sonóro, revestimentos interior e exterior, etc 124 Fig 127 Materiais usados Fig 128 Processo Fig 129 Modelo de estudo MATERIAIS E PROCESSOS UTILIZADOS Neste modelo, partimos de matrizes em cartão que garantiram a fidelidade do modelo relativamente à forma definida nos esboços e na modelação geométrica CAD, construímos as formas gerais e simplificadas de todos os componentes, utilizamos vidro e tubagens existentes no mercado à escala e simulámos os processos de quinagem e estampagem das chapas em cartão. A forma simplificada dos revestimentos interior e exterior, for concebida em poliestireno, coberto com diversas camadas finas de betume de poliéster aquoso, que

20 fazia o acabamento superficial e simultaneamente isolava o poliéster das tintas e colas que posteriormente seriam aplicadas. 5 PROTÓTIPO FUNCIONAL Esta foi uma fase de projecto, que gerou tanta polémica como realização e aprendizagem. Após vários processos de prototipagem com diferentes objectivos e processo, foi-mos proposto um desafio da construção de um protótipo funcional. Desde as primeiras discussões, chegamos à conclusão que o que faria sentido construir nesta fase era um protótipo à escala real, no qual seria analisado a interacção com o utilizador. Facto este, bastante valorizado ao longo de todo o projecto, que, em todas as fases de prototipagem descritas anteriormente, não teria sido incluído. 125 No entanto, haviam diversas condicionantes a analisar, por um lado os custos, tempo e recursos humanos não favoreciam esta aposta, contudo, a possibilidade de obter apoios financeiros e a disponibilidades entusiástica do Designer Yoshiharu Miyakawa no sentido de nos proporcionar o contacto directo com as técnicas, ferramentas e materiais utilizadas nos processos industriais actuais, fizeram tender a nossa decisão para a concepção de um modelo à escala real. Após a orçamentação dos materiais envolvidos e solicitação de patrocínios diversos, aguardámos a confirmação de patrocínio relativa aos materiais e componentes mais dispendiosos, já que por limitações de tempo não poderíamos prolongar mais o esforço de persuasão junto das instituições e empresas abordadas. Apostámos na realização de um protótipo funcional à escala real conscientes do investimento que fazíamos, tanto ao nível financeiro como ao nível da aprendizagem. A dificuldade que se seguiu, foi a transformação e adaptação do projecto, às condicionantes de dimensão e forma dos componentes que nos seriam dispensados. Adaptações essas, que condicionaram de alguma forma a validação funcional do protótipo, no entanto não inviabilizaram a análise dos resultados.

21 Fig 130 Aproximação da forma em mdf Fig 131 Construção da estrutura do modelo Fig 132 Enchimento das juntas com cola e serradura Fig 133 Colagem Fig 134 Preparação da mistura do catalizador e betume Fig 135 Aplicação do betume de polyester 126 Fig 136 Período de secagem Fig 137 Correcções das incorrecções Fig 138 Alisar a suprefície Fig 139 Aplicação de réguas com ângulo de saída Fig 140 Aplicação de Gelcoat Fig 141 Estrutura de madeira (gabari) para contrariar tensões da reacção

22 Fig 142 aplicação de cera desmoldante Fig 143 aplicação de camadas de resina e mantas de fibra de vidro Fig 144 Corte de rebarbas e acabamento final 127 Fig 145 Aplicação de formas aproximadas em poliuretano, entre guias de cartão Fig 146 Rebaixamento do poliuretano até às guias de cartão Fig 147 Forma definitiva Fig 148 Aplicação de betume de poliester Fig 149 Tratamento de superfície Fig 150 Aplicação final

23 Fig 151 Montagem da Fig 152 Alisamento do Fig 153 Acabamento da estrutura suporte para o piso soldadura 128 Fig 154 montagem do piso Fig 155 Aplicação da cola Fig 156 Colagem da superfície estrutural de ligação do painel à estrutura Fig 157 Rigor dimensional na Fig Soldadura Fig 159 Aplicação do sistema montagem de suporte dos bancos no painel

24 Fig 160 Sistema de suporte dos bancos Fig 161 Aplicação dos bancos Fig Modelo final 129 Fig 163 Exemplos de utilização

25 5.1.1 MATERIAIS E PROCESSOS UTILIZADOS Este ambicioso desafio, teve várias fases de construção pelo que vamos passar a descreve-las separadamente CONSTRUÇÃO DA MATRIZ E PROTÓTIPO INTERIOR EM FIBRA DE VIDRO A construção da matriz envolveu os seguintes passos: Criação da Forma aproximada em madeira Aplicação de Betume polyester Acabamento superficial com lixa fina Aplicação de gelcoat Aplicação de cera desmoldante Aplicação das mantas de fibra de vidro e resina a rolo Desmoldagem e corte para obtenção da Matriz 130 A construção do protótipo envolveu os seguintes passos: Aplicação de gelcoat Aplicação de cera desmoldante Aplicação das mantas de fibra de vidro e resina a rolo Desmoldagem e corte para obtenção da Matriz A construção da matriz começou com a criação de uma forma aproximada do protótipo através de uma estrutura em aglomerado de madeira com 16mm de espessura. O primeiro passo de aperfeiçoamento da forma base foi aplicar no aglomerado de madeira uma pasta composta por serradura resultante dos cortes efectuados, cola de madeira e um pouco de água para diluir (é preciso ter cuidado com a quantidade de água a ser misturada pois pode impedir a secagem da cola de madeira e obrigar a futuras correcções, casos estes que nos aconteceram). Uma vez obtida a estrutura base com a forma aproximada do protótipo pretendido, começa o processo de aplicação de betume de polyester em várias camadas (é preferível efectuar o processo várias vezes com camadas finas, pois camadas muito espessas podem estalar devido às tensões que se criam durante o processo de secagem onde ocorrem contracções). Em cada camada aplicada é conveniente lixar as superfície para receber as camadas posteriores. Depois de várias camadas e a obtenção da forma desejada com um acabamento superficial apurado (deve-se acabar

26 o processo com uma lixa seca de gramagem 600 ou 800, caso se use uma lixa de água a última gramagem deve ser 1200) As extremidades da matriz devem possuir abas que prolonguem o desenvolvimento da superfície e um ligeira curvatura para dar alguma rigidez à fibra de vidro quando esta for aplicada. Isto permite criar uma superfície direita e alinhada com a forma desejada. Isto deve ser considerado na construção inicial da forma, o que não sucedeu neste caso mas foi solucionado com uma aplicação de réguas com perfil em L. O processo seguinte é aplicar gelcoat (pode ser à pistola ou ao pincel) e seguidamente várias camadas de cera desmoldante (entre 6 a 8 camadas) para facilitar a desmoldagem. Por último aplicam-se as mantas de fibra de vidro (no nosso protótipo foram aplicadas mantas com gramagem de 220 e 350 em 3 camadas ficando a fibra de vidro final com 5 mm) e adiciona-se a resina passando com rolos para melhor infiltração e mistura da resina nas mantas. Após um período de 24 horas retira-se a matriz em fibra de vidro. 131 A construção do protótipo segue o mesmo processo anterior mas desta vez sobre a matriz em fibra de vidro, como mostram os pontos anteriores. Neste ponto foi criada uma peça em fibra de vidro o que justificou uma exposição mais detalhada de todo o processo. Nos pontos seguintes iremos apenas sintetizar o processo de construção por tópicos para descrever todo o processo que envolve muita operação de detalhe e assemblagem sem criação de peças de raíz CONSTRUÇÃO DA SUPERFÍCIE EXTERIOR DO PAINEL A construção da superfície exterior envolveu os seguintes passos: Construção da forma das calotes elipsoidais através de guias em cartolina Preenchimento da forma com paralelepípedos em poliuretano e respectivo desbaste Aplicação de betume de poliéster para isolar e ganhar rigidez Acabamento com lixa fina Pintura final

27 MONTAGEM DO PROTÓTIPO FINAL 132 A montagem do protótipo envolveu os seguintes passos: Criação de uma estrutura global de um veículo automóvel (restringida ao painel) em aço e soldada Criação do piso em aglomerado de madeira com 16 mm Criação do painel principal através de corte no HoneyComb Aplicação do vidro no painel com cola específica Criação da estrutura de apoio dos bancos em aço inox Aplicação da estrutura de apoio dos bancos o reforço exterior no painel Aplicação dos sistemas internos do painel (condutas de A/C, cabos eléctricos, etc) Colocação da parte interior da janela com duallock Colocação dos apoios do painel com cola estrutural Fixação do vidro exterior com silicone Fixação da superfície exterior ao painel Fixação do Painel à estrutura global com cola estrutural nas zonas de ligação (working time da cola estrutural são 8 minutos pelo que este processo requereu metodologia e coordenação) Criação do apoio dos bancos em aço Restyling dos bancos e fixação dos mesmos Aplicação dos bancos no painel A montagem e assemblagem final do painel à estrutura global demourou cerca de 28 horas.

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