MODELAGEM E SIMULAÇÃO 3D EM PROJETOS INTERDISCIPLINARES DE DESIGN

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1 MODELAGEM E SIMULAÇÃO 3D EM PROJETOS INTERDISCIPLINARES DE DESIGN Introdução Aluno: Gerson Ribeiro Orientador: Claudio Freitas de Magalhaes O projeto trata de Modelagem e Simulação 3D em projetos interdisciplinares de design realizados no Laboratório de Modelagem e Simulação 3D do Departamento de Artes e Design da PUC-Rio. Visa introduzir e difundir a modelagem e simulação tridimensional digital - virtual e física em projetos de natureza multidisciplinar no âmbito do curso de pós graduação e graduação em Design da PUC-Rio. Inclui pesquisas em desenvolvimento de produtos, moda, ergonomia, design gráfico e digital. No escopo do projeto inclui-se o aprendizado de equipamentos a serem utilizados na captura de superfícies tridimensionais (scanner a laser e luz branca para obtenção digital de geometrias tridimensionais), equipamento para simulação e modelagem interativa sensorial (haptic device), equipamentos para impressão tridimensional física (sistema de Prototipagem Rápida, frezadora CNC e cortadora a laser), material computacional e acessórios eletrônicos para construção de protótipos com funções interativas. O projeto justifica-se para que estudantes de graduação e Pós-Graduação e pesquisadores do curso de Design possam auxiliar nas atividades de pesquisa. Torna-se importante ressaltar, também, a inovação e originalidade da presente proposta de um laboratório de simulação e modelagem 3D em uma instituição de ensino superior em Design no Brasil, integrando diversas áreas de conhecimento e disciplinas do design. Objetivos O presente projeto tem por objetivo viabilizar a utilização integrada do saber tecnológico em modelagem e simulação tridimensional virtual e física na formação de profissionais e pesquisadores aptos a atuarem em projetos nas diversas áreas do Design, tais como, Design de Produtos, Mídia Interativa, Moda, Animação e Arquitetura, a serem desenvolvidas por alunos, professores e pesquisadores do Departamento de Artes & Design da PUC-Rio e do Instituto Nacional de Tecnologia. Metodologia Os métodos propostos no presente projeto estão relacionados à obtenção de superfícies, para a representação 3D digital e para a representação física tridimensional de modelos e protótipos. Com os avanços computacionais, novas possibilidades na transposição das idéias geradas no desenvolvimento de projetos para o meio virtual podem ser feitas com tecnologias digitais como a captura de imagens de superfícies através de scanners 3D (a laser ou luz branca). Com esta tecnologia, o modelo físico construído manualmente tem sua geometria transferida para o computador através da captura digital da superfície, o que garante a fidelidade geométrica e dimensional desenvolvida pelo aluno / projetista / pesquisador e sua posterior manipulação. Esta manipulação pode passar por ajustes de superfície, alterações de escala, mudança de cores, inserção de aplicações gráficas, animações e outros. Essas manipulações permitem o desenvolvimento de variantes utilizadas no processo de simulação e testes adequados à multidisciplinaridade dos processos de design. Também a interface entre usuário e o hardware passa por novas tecnologias de interação de uso além dos habituais mouses, tais como as tecnologias haptic que simulam sensações táteis durante o procedimento de modelagem virtual entre o usuário e a tela dos computadores e os monitores

2 de intervenção direta na tela (Wacom Cintiq). Estes equipamentos por possuírem interação tátil sensorial entre o hardware e a modelagem virtual, possibilitarão a realização de simulações de testes diversos. No desenvolvimento de projetos, após as alternativas serem modeladas em softwares de modelagem 3D e (ou) capturadas através de scanners 3D, a etapa da materialização física foi feita através de sistemas convencionais ou sistemas automatizados que seguem genericamente dois processos básicos: 1 - por remoção de matéria prima através de frezadoras operadas por controle numérico computacional - CNC e corte a laser para superfícies bidimensionais (planas) em matérias primas diversas. 2 - por deposição de matérias primas diversas tecnologias conhecidas como Prototipagem Rápida. Importante salientar que ambos os sistemas se destacam pela precisão dimensional e velocidade de construção de modelos e protótipos com alta complexidade geométrica, e são escolhidos conforme as características do produto a ser representado/simulado. Após a implantação dos equipamentos e treinamento para construção de modelos físicos para simulação de projetos desenvolvidos no primeiro ano desse projeto, mais alguns equipamentos foram comprados nesse segundo ano para ampliar as possibilidades. Kinnect: Para estudos com captura de movimentos, animação, escaneamento entre várias outras possibilidades. Scanner Artec S : Que é um modelo de scanner que usa a tecnologia de luz branca, ele é do modelo S de Small, o que quer dizer que tem boa precisão e resolução para peças pequenas e ele vem acompanhado por um poderoso software. Fab@Home: Esta é mais uma impressora 3D, assim como a Rap Man, ela é Open Source, e permite que façamos mudanças nela. O diferencial dessa impressora, é que ela permite imprimir com qualquer material que se enquadre dentro de alguns parâmetros. Até o momento, projetos de diversas áreas do design e também da Engenharia utilizaram os recursos implementados no laboratório:

3 Projeto de produto / graduação / aluno Angelo Tenan: em seu projeto final de uma moto para viajem com bagageiro integrado e refil de baterias, foi editado e prototipado o chassi em escala reduzida para a apresentação do modelo final. A esquerda, roda após a impressão e a direita o chassi já limpo. A esquerda a roda sendo impa, e a direira, a montagem do protótipo. Nesse trabalho, tivemos que partir o chassi em peças menores para que coubesse na área de impressão, e a roda ao ser imersa na solução para ser limpa do material de suporte, devido os raios serem muito finos a roda empenou. A solução foi coloca-la para limpar apoiada no seu eixo, como na imagem. Projeto de produto / pesquisa / vários professores do DAD: Para o projeto "Portable Lights" foi impresso uma carenagem de um equipamento eletrônico, para o Workshop desenvolvido aqui na Puc com pesquisadores do M.I.T.

4 Imagens da carenagem do módulo de eletrônica e bateria. Workshop Produto final à direita, exposição na Semana de Design de Milão O Workshop que durou três dias, contou com a participação de mais 7 alunos da graduação, 2 pesquisadoras do MIT e mais 3 pesquisadores da PUC. Foram algumas rodadas de brainstorm no primeiro dia, no segundo mais uma rodada e começamos a construir protótipos, e no ultimo dia, fizemos o protótipo final com os materiais que iriam compor o produto final. A versão final foi exposta na Semana de Design de Milão no stand da PUC-Rio Projeto de produto / pesquisa / Professor Ripper: Foram atendidos alguns projetos: Impressão de um protótipo de Troféu em forma artística de concha, protótipos de modelos tubulares e junções para uma estrutura de bambu, impressão de um protótipo de piso em forma de alvéolos.

5 Troféu em forma de concha e a impressão do mesmo Modelos tubulares e junções para uma estrutura de bambu A direita, o piso alveolar Projeto de produto / pós-graduação / aluno de mestrado João Vitor: Escaneamento para o estudo via arquivo 3D de uma estrutura de bambu baseada em uma bolha de sabão.

6 Modelo da estrutura escaneado Processo de escaneamento O escaneamento dessa superfície foi feita com scanner Artec, e serviu de grande aprendizado, pois por ter a superfície vazada, e formas repetidas, o escaneamento ficava errado. Percebeuse então que era necessário colocar pontos de referência para guiar na junção das várias partes escaneadas, como o papel dentro da estrutura mostrada nas fotos anteriores. Design de Mídia Digital / projeto de extensão / Professora Claudia Bolshaw: Foram escaneados os bonecos de massa de modelar criados para uma animação. Foi escaneado também um outro boneco de testes, para treinamento de uso do escâner 3D e de prototipagem.

7 Boneco "Nadinha", onde foram feitos os treinamentos de escaneamento 3D com o David Scan e o boneco menor, é resultado a prototipagem do modelo escaneado. O Escaneamento do boneco Nadinha foi o feito com o David Laser Scan. Como treinamento, ele foi escaneado, depois modelado e preparado para ser impresso. Como parte do aprendizado, ele foi impresso na uprint e na Rap Man, para que se aprendesse as diferenças entre as tecnologias de prototipagem. Os outros bonecos foram escaneados com o Artec, individualmente, e tratados também. Após esse processo, eles foram reunidos numa composição. Bonecos da animação Engenharia Metalúrgica / Pesquisa / prof. Raul: Foram impressos três protótipos de carenagens, um para sensor de radio freqüência para colocar na camisa e outro para robôs da Petrobras e uma tampa para bujão de gás para a Liquigás.

8 Protótipo das caixas Carenagem do broche com radio frequência e a direita, lacre do bujão de gás Projeto de produto / pós-graduação / Professor Guilherme Lorenzoni: Impressão dos modelos criados pelos alunos da aula de modelagem virtual da Pós Graduação em Design de Jóias. Modelos de joias impressas Projeto de produto / pesquisa / Professor Jorge Lopes: Foram feitos escaneamentos da cabeça de um graveto para teste com o scanner, uma casa de João de Barro, assim como o escaneamento e impressão de um dinossauro de gesso criado por uma criança para matéria na revista Ciência Hoje para crianças.

9 Escaneamento de face Escaneamento do graveto O escaneamento desse graveto resultou de um estudo de possibilidades dentro das tecnologias disponíveis no laboratório. O galho, por ser muito pequeno, não era detectado pelo scaner Artc. Então testamos com o David, que conseguiu escanear, mas também precisou que fossem criados vários pontos de referência (o cubo e demais itens). Porém o software do David não conseguia tratar das partes escaneadas, a solução encontrada foi tratar no software do Artec que era mais avançado e conseguiu importar essas partes feitas pelo David Scan.

10 Casa do João de Barro Dinossauro escaneado O escaneamento do dinossauro de gesso feito por uma criança, o tratamento e a impressão do mesmo foi feita para uma matéria da revista Ciência Hoje para crianças e foi publicada na edição Ano 25 / nº234 / maio 2012 / p.28 Projeto de produto / pesquisa / Professor Claudio Magalhães: Foram feitos testes de escaneamento em formas feitas de papel, e impressão de uma arcada dentária a partir de ressonância magnética, para estudo de um cirurgião dentista.

11 Forma 1 Forma 2 Essas formas feitas apenas com dobradura de papel e foram um desafio para serem escaneadas, devida as limitações do scanner. Como é possível ver na imagem, usei até a quina da mesa como ponto de referência. Arcada demtária de uma criança. Engenharia Civil / pesquisa / Professora da Djenane: Em seu projeto biomédico sobre próteses para ganho de pele, foi feito escaneamentos 3D de experimentos de variação de volume para medição através de software da área superficial.

12 Variação de tamanho de um dos protótipos Nesse trabalho a pesquisadora precisava obter a área da superfície que se deformava a medida que era colocado água. A solução que encontramos foi o escaneamento da superfície. Utilizamos então o scanner Artec para tal. Numa segunda fase, cedemos um espaço para que seu bolsista realizasse a preparação dos modelos para dar prosseguimento as pesquisas. Essa colaboração interdepartamental será mencionada na publicação de sua pesquisa. Projeto de produto / graduação / aluno Gustavo Falcão: em seu projeto final VEUC - Veiculo Elétrico Urbano Compacto, foi feito escaneamento do modelo feito em clay, para fazer estudos da superfície. Carenagem escaneada Engenharia / pesquisa / Equipe de AeroDesign: Preparando para um novo equipamento que chegava ao país, foi escaneado duas hélices para que fossem feitos estudos da curvatura e preparando para o novo equipamento.

13 Hélices escaneadas Projeto de produto / pós-graduação / aluno de mestrado Ronise: Pesquisando um modelo de forma para sapatos, foi feito um escaneamento do pé afim de ser fresado e comparado com um modelo feito em gesso. Pé escaneado e tratado Impressora de Chocolate

14 Os trabalhos com a "impressora de múltiplos materiais" se deram após a compra de uma impressora do tipo FDM Fab@Home. Ela é uma impressora por deposição de materiais, que assim como a outra que temos no laboratório, a Rap Man, é open-source e veio desmontada. O Primeiro trabalho então foi montá-la, ao final da montagem, o processo de instalação. Esta foi muito complicada pois por ser open souce, não tinham informações num só local, uma vez que, foram criadas alguns softwares diferentes ou modificações dos originais. Pedimos ajuda ao laboratório de engenharia eletrônica Giga sob os cuidados do Professor Raul e mais algumas pesquisas. Descobrimos que para funcionar a maquina precisa de 3 softwares. Depois de baixados, conseguimos fazer alguns testes, mas tivemos mais problemas: a impressora não era encontrada pelos programas. Mais algumas pesquisas e aprendi como configurava a porta de comunicação. Após estes fatos ocorridos para a instalação da impressora começamos os testes. Nos primeiros testes feitos com chocolate testei seis densidades de brigadeiro caseiro. Primeiros testes com a impressora, e os diferentes tipos de chocolate Observamos que a impressora ainda tinha algum erro pois estava imprimindo para o lado direito. Fizemos vários testes, e depois fomos estudando as configurações da impressora achando que era problema de programação. Erros da impressora

15 Adaptamos um lápis a impressora e continuamos os testes, e dessa forma podíamos medir o erro. Vimos que era irregular a diferença, ora fazia um pouco torto, hora fazia muito. Começamos a desconfiar de que fosse problema físico, então ajustamos as correias lubrificamos as barras, mas o erro persistia. Desconfiamos então do motor de um dos eixos, uma vez que ela errava Testes realizados para encontrar os erros apenas no eixo X, Consultamos novamente os pesquisadores do Giga, que nos confirmaram a suspeita. Fizemos uma troca do motor com um que não estava em uso na própria impressora, e deu certo, ela passou a imprimir corretamente. Voltamos então a trabalhar com as variações de chocolate. Foram compradas várias amostras de chocolate e de doces. O que melhor se enquadrou foi um Mousse de Chocolate da Dri. Todavia ele ainda não tinha a consistência necessária para construção em 3D. Impressora com o problema resolvido e imprimindo dom mousse A procura pelo chocolate ideal continuou, e por recomendação do pesquisador Marcio, comprei o Brigadeiro Moça, da marca Nestlé. Ele por ser industrializado tinha uma consistência ideal, e então começamos os testes com objetos 3D (foto). Impressão do primeiro modelo 3D Participação na Semana de

16 Design da PUC-Rio 2011 Levamos para o pilotis da PUC-Rio uma impressora, a Rap Men e o Scanner David, numa tela, exibiam vídeos relacionados à prototipagem e escaneamento 3D e a vinda de um representante do Scanner Artec que fez escaneamentos com o publico. Demostração do processo de escaneamento Demonstração do processo de escaneamento Detalhe: Menina e objetos de demonstração Objetos de demonstração

17 Conclusão: A conclusão diante de todos esses trabalhos feitos e conhecimentos adquiridos é a confirmação de que os objetivos desse projeto estão sendo atingidos. O numero de pessoas que nos procuram no laboratório buscando suporte para suas pesquisas vem aumentando à medida que vamos produzindo e ajudando em outras pesquisas. Calouros vêm nos procurar para entender melhor das tecnologias de prototipagem, a fim de fazerem o tradicional trabalho de uma matéria do primeiro período, onde eles precisam falar de alguma tecnologia nova e mas que precisa ser realmente nova e não uma reinvenção. Fiquei surpreso com a quantidade de alunos que foram nos procurar. Outro movimento interessante é a difusão dos conhecimentos que conseguimos no laboratório, já começo a ensinar para os pesquisadores que estão no inicio de suas pesquisas, como se faz uso das máquinas de prototipagem, de escaneamento e tratamento dos arquivos, entre outros. Essa experiência está sendo muito proveitosa, e já começo a pensar em possibilidades para minha pós-graduação, como em breve escreverei meu primeiro artigo, baseado no uso do scanner 3D. Estou começando a ter através do laboratório, contato com outros centros de pesquisa como o INT e o Museu Nacional, e pesquisadores, incluindo os que fazem uso do laboratório. Começo a me interessar pela carreira acadêmica, pois é uma carreira onde se está sempre em contato com as novidades, desenvolvendo novas e colaborando com outros.