Novas tecnologias digitais de manufatura, modelagem e captura de superfícies.

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1 Novas tecnologias digitais de manufatura, modelagem e captura de superfícies. Aluno: Tiago Henrique Gomes de Lima Orientador: Jorge Lopes Introdução O projeto trata de pesquisa, desenvolvimento e difusão através de tecnologias de modelagem tridimensional virtual, tecnologias de obtenção de superfícies 3D (sistemas de escaneamento 3D através de tecnologias a laser ou luz branca estruturada) e tecnologias de manufatura digital (impressoras 3D, sistemas de corte a laser e equipamentos CNC de remoção de materiais) existentes Núcleo de Experimentação Tridimensional do Departamento de Artes e Design - NEXT. O projeto consiste na construção de protótipos físicos desenvolvidos a partir de tecnologias de manufatura aditiva em diferentes materiais, e também no desenvolvimento das mesmas, inovação na área em solo nacional. Objetivos O projeto tem por objetivo viabilizar a utilização integrada do saber tecnológico em modelagem, captura e simulação tridimensional virtual e física. Com alguns dos focos sendo a utilização do braço Robô Kuka para funções de usinagem, desenvolvimento e o aprimoramento da primeira impressora 3D de material cerâmico no Brasil. Além do aprendizado e transferência tecnológica sobre diversos equipamentos utilizados nos processos de impressão 3D e escaneamento 3D, e como usá-los para auxiliar na produção de novas tecnologias. 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 por sistemas convencionais 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 (malha poligonal), alterações de escala, mudança de cores, inserção de aplicações gráficas, animações e outros. 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 será feita através de sistemas digitais 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 de manufatura aditiva 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.

2 Pesquisas desenvolvidas Um dos primeiros trabalhos realizados foi o desenvolvimento de apoios giratórios para teste com os recém-chegados, filamentos flexíveis paras as impressoras 3D. A flexibilidade veio a ser um problema nas impressoras pelo motivo das mesmas não conseguirem puxar o filamento para dentro da extrusora por falta de força já que na posição normal o filamento esticava antes de rodar sua base. A solução, foi modelar e imprimir no plástico PLA, suportes que pudessem ser acoplados na parte superior das máquinas, tornando possível a impressão, de maneira prática e que não dificultaria o transporte da máquina. Conforme nossa experiência com este filamento flexível foi crescendo, passamos a imprimir modelos cada vez maiores, e, um dos problemas recorrentes é que como havia diversos fatores externos interferindo na hora da impressão, em vários momentos acontecia algum problema que arruinava o modelo no meio de sua confecção. Além do tempo gasto nesses modelos, o material era totalmente desperdiçado, por ser difícil de ser reciclado ele tinha que ser simplesmente descartado, gerando um grande problema para o laboratório uma vez que, o preço do material não era nada barato. Depois de algumas falhas, a solução foi achar a temperatura ideal para que, com o auxilio da própria impressora 3D fosse possível cortar as partes defeituosas e recomeçar a impressão do ponto exato em que o erro havia ocorrido. Isso foi possível através de estudos de temperatura, e muitas simulações dentro do software até descobrir a configuração perfeita para salvar o modelo com esse tipo de material.

3 Foram feitos também diversos modelos no braço robô Kuka, que está sendo usado como ferramenta de produção subtrativa, retirando mateiras através de fresas, usando como matéria prima em maioria P.U. e isopor de alta densidade. Cada um dos trabalhos teve uma importância na hora do aprendizado com a máquina e em descobrir limites no software para diferente formas e ângulos. Alguns usos foram, a confecção de 12 cabeças humanas em tamanho real feitas em isopor, para a simular protótipos de capacetes em uso. Para esse trabalho foi necessário achar a configuração que tornasse possível a otimização e o uso consciente de cada ângulo e broca a ser usado pelo equipamento, visando que fossem terminadas no prazo.- Também foi utilizado para fazer o modelo do crânio, o scanner 3d Artec Eva, que serviu para adquirirmos o modelo exato de uma cabeça, no caso de um dos alunos da PUC, Yuri Murtas. O braço também foi utilizado em confecções para a equipe de aeromodelismo da PUC e para prototipar os modelos iniciais do trabalho da professorar Veronica Natividade, que acabou se tornando parte da entrada do consulado Geral de Portugal. O uso do braço foi essencial pois para esses materiais a tecnologia de prototipação tem que ser a subtrativa, e dos mecanismo atuais o braço robô se destaca por possuir um número maior de eixos, podendo fazer peças com maior nível de complexidade.

4 Departamento de Artes e Design Meu projeto acabou seguindo para o caminho de impressão 3D em materiais não convencionais. Comecei a trabalhar com impressão 3D em materiais cerâmicos, como o barro. O primeiro trabalho foi aprender rapidamente a utilizar a máquina, visando a confecção de um maior número de vasos do mesmo tipo para a exposição de abertura do espaço Marré de si no Catete. O trabalho consistia em mostrar vantagem da impressora 3D em conseguir replicar a mesma forma diversas vezes sem diferenças gritantes entre elas, não importando o quão complexa seja a peça. Por fim, a exposição foi um sucesso, com mais de 55 vasos feitos, dando margem para que fossem realizados diversos testes com a escolha dos esmaltes e tipos de barro, e a partir desses testes selecionamos somente os melhores para ficar no estande de exposição.

5 Logo no inicio, vi que a máquina open-source feita anteriormente a minha chegada pelo laboratório, tinha muito potencial, mas, estava limitada por alguns fatores que são críticos na impressão 3D. O primeiro deles era que a definição da impressora não permitia que a máquina fizesse formas muito complexas ou com detalhes pequenos, então, o primeiro passo foi trocar o bico recomendado, por outros de diferentes diâmetros, alguns bicos testados eram de mercado e outros usinados sobre medida. Com bicos de mercado modificados consegui extrudar com uma qualidade visivelmente melhor, graças a nova habilidade de agora, possibilitando extrudar material com 1/5 do diâmetro do bico antigo, e com melhoras também refazendo a configuração da máquinas, consegui agora fazer formas 3D mais complexas, impossíveis de se fazer com a original, já que a altura de cada camada agora era também extremamente menor.

6 Departamento de Artes e Design Utilizei mais regularmente o bico da impressora de 1/5 de diâmetro, por que o barro utilizado aqui, por ser um barro muito mais natural, tende a entupir o bico em partes mais arenosas, mas com esse tamanho conseguimos uma boa impressão sem que o barro entupa frequentemente. Mas, esse não foi o mais longe que consegui, através de bicos usinados no torno mecânico da PUC-Rio sob medida fiz peças com qualidade de impressão igual ao das impressoras de plástico FDM, utilizando bicos com os mesmos diâmetros dos utilizados pelas máquinas de plástico e com alturas de camadas alcançando as de máquinas profissionais utilizadas pelas grandes empresas, criando assim formas bem mais detalhadas e paredes muito mais finas, mas infelizmente tornou-se comum que o bico entupisse com o barro que utilizamos, tornando assim eles inviáveis no para esse material.

7 Outro fator crítico, era o fato da impressora não conseguir gerar suportes funcionais para segurar parte das peças que tenham mais de 45º graus de inclinação, para esse problema cheguei à duas soluções, a primeira, foi usando uma configuração adulterada em que nas partes normais da peça, a altura permanecia a mesma, e em áreas de risco onde há um ângulo impossível de se sustentar, eu modificava as linhas de código para que fica-se com menor distância entre as camadas, e com um auxílio de fontes de calor extremo, o barro endurecia o suficiente para se sustentar, com essa técnica, ergui peças com curvas de até 90º graus e sem marcas de suporte ao longo da mesma (diferentemente das impressoras comuns, que tendem sempre a deixar uma pequena marca aonde foi feito a retirada). A segunda solução, foi utilizada em casos um pouco mais complexos, como quando havia partes do protótipo com uma área inclinada acima de 45º graus maior do que a área com inclinação aceitável, áreas em 90º com tamanho relativamente grande e em locais de maior evidencia e em casos que parte do modelo começasse separada do corpo principal e acima da primeira camada. Nesses casos, foram utilizados suportes feitos com o próprio material impresso, que seguem a mesma lógica dos feitos na impressão 3D FDM em plásticos. No software de fatiamento são criados padrões que servem somente para segurar áreas mais inclinadas, impedindo erros na peça. Mas, no caso do barro, essa tarefa torna-se complicada, pois o mesmo é usado no suporte e na peça, que se misturam ao entrar em contato. A solução encontrada foi utilizar formas de impossibilitar a mistura nas últimas camadas do suporte (conhecidas como roof), assim, mudei as linhas de código dessas camadas objetivando que eu soubes-

8 Departamento de Artes e Design se exatamente quando começar a utilizar as técnicas. Na maioria dos casos, era feita nessa camada uma desidratação ou rasgos em sua parte posterior proporcionando quando a peça toda secava, que o suporte não grudasse na peça final, soltando-se dela sem dificuldade. Em outros casos, onde a área do suporte era mais simples, e não se estendia ao longo da peça, eram usados pedaços de materiais diversos pré confeccionados criando uma camada que impedia o contato dos dois materiais. Essa maneira não deixava nenhum tipo de marca e não necessitava aquecimento (o que, feito em excesso na peça final, pode ocasionar rachaduras quando é levada ao forno), o único motivo de não ser sempre utilizada era, a sua não aplicação à suportes que acompanham algum tipo de curvatura, vindo a ser bem comum nesses casos.

9 Outro fator era a quantidade de barro que poderia ser usada durante a impressão, como esse modelo depende de um tubo de barro preso a máquina, os objetos impressos tem seu tamanho limitado ao volume interno do tubo. Para conseguir fazer peças maiores realizei diversas medidas nos tubos nos bicos e em cada tubo marquei a posição correta de onde ele deveria estar para que todos sempre ficassem da mesma altura, sendo possível que durante a impressão fosse feita a troca de tubos, gerando peças com o tamanho do volume total de impressão da máquina. Após as modificações, comecei a trabalhar em modelos tridimensionais que desafiassem o limite do equipamento, criando formas orgânicas, a partir de imagens geradas por algoritmos fractais, utilizando o programa ImageJ, que é regularmente usado na área de medicina. O resultado foi muito bem recebido no laboratório, e através de varias conversas com a ceramista Alice Felzenszwalb, foi desenvolvida uma linha de vasos, que seguia a linha de formas orgânicas e formas facetadas. Essa coleção foi um dos grandes destaques na feira internacional de Design desse ano em Milão, apresentada no estande da Rio+Design 2017, e foi vista e apreciada por pessoas de todo o mundo.

10 Após o sucesso em Milão, o laboratório Next resolveu investir em um nova Impressora 3D de cerâmica que seria feita a partir de um impressora FDM, com o volume de impressão três vezes maior do que a que eu estava trabalhando no último ano. Essa impressora, apresenta sistemas que resolvem alguns problemas que a antiga possuía, pois agora, o material é posto em um tubo externo de 6 litros, eliminando a necessidade de troca de material, e sua extrusora, tem a capacidade de travar a saída de barro evitando que ocorra stringing ( pontes de mate-

11 Departamento de Artes e Design rial criadas na mudança de camadas) durante a impressão. Desta forma, esse novo equipamento é capaz de criar peças maiores e de melhor qualidade. O mesmo agora está montado e entrando na fase de testes. Por fim, durante a montagem da nova máquina na qual, muito tempo tinha que ser esperado durante a impressão de peças de plástico para a mesma, aproveitei o tempo para realizar diversos tipos de experiência, que serão mais explorados a frente na minha pesquisa, como: Utilizar estruturas insustentáveis em um modelo 3D fazendo com que partes suas fiquem caídas durante a impressão, criando formas únicas desse tipo de produção; usufruir de diversos tipo de barro no mesmo tubo, criando misturas que realçam após a queima; criando misturas de diferentes materiais recicláveis de forma que elas possam ser impressas, e ao secar fiquem rígidas.

12 Conclusões O projeto está sendo um enorme sucesso até agora, conseguimos utilizar o braço Kuka de uma maneira rápida, conseguindo fazer um trabalho de usinar 12 modelos de cabeças humanas em isopor de alta densidade em três dias. Implementamos técnicas na impressão de plástico que permitem, no caso da impressão de algum tipo erro, seja viável recuperar de onde o erro aconteceu, salvando diversos protótipos de alunos. Mas, o maior avanço foi no desenvolvimento e aprimoramento da impressora 3D de deposição em materiais cerâmicos, depois de muito tempo estudando a máquina, foi possível realizar as seguintes inovações: 1-fazer mudanças significativas que a permitiram imprimir peças com a precisão similar a de uma impressora de plástico. 2-Conseguir implementar de maneira funcional nesse tipo de material o uso de suportes, que são cruciais para que a peça se sustente com angulações mais complexas. 3- Técnicas de adição de material durante a impressão (que antes era limitada ao tamanho do tubo em que se bota o material), proporcionando o surgimento de peças maiores. 4- A otimização da configuração da máquina, permitindo maior qualidade e complexidade de formas a serem impressas. A partir disso, foi possível fazer com o auxílio do escaner 3D Artec Eva e de programas de geração de modelos 3D a partir de imagens 2D geradas por algoritmos fractais, foi possível fazer uma coleção inteira de vasos com formas geradas inteiramente no meio virtual e impressas em cerâmica. É importante observar que, essa coleção foi um dos destaques na feira internacional de Design desse ano em Milão, apresentada no estande da Rio+Design Referências CELANI, Gabriela. Prototipagem rápida e fabricação digital para arquitetura e construção. Cadernos de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo. Universidade Estadual de Campinas, 2008.

13 LIPSON, Hod ; KURMAN, Melba. Frabricated: the new Word of 3D printing. Indianápolis, Estados Unidos da América: Jonh Wiley & Sons, SANTOS, J. ; SILVA, J. V. L. ; FERREIRA, C. V. Exemplos de Aplicações da Prototipagem Rápida. São Paulo: Edgard Blucher, VOLPATO, Neri. Prototipagem rápida: tecnologias e aplicação. São Paulo: Edgard Blücher, 2007.