Pesquisa, desenvolvimento e difusão de novas tecnologias digitais de manufatura, modelagem e captura de superfícies Aluno: Marcus Filipe Ribeiro dos Santos Orientador: Jorge Roberto Lopes dos Santos 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 e a serem adquiridos pelo NEXT - Núcleo de Experimentação Tridimensional do Departamento de Artes e Design da PUC-Rio, criado a partir do projeto selecionado do Edital FAPERJ No. 16/2009 Programa PensaRio Apoio ao Estudo de Temas Relevantes e Estratégicos para o Estado do Rio de Janeiro, O projeto visa apoiar e desenvolver pesquisas nas áreas acima descritas com alunos de graduação, Mestrado e Doutorado no uso, difusão e desenvolvimento de novas tecnologias de 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. O referido pedido justifica-se para que estudantes do curso de Design possam auxiliar nas atividades de pesquisa e desenvolvimento a serem realizados neste laboratório. A gama de projetos inclui pesquisas em desenvolvimento de novos produtos, moda, ergonomia, design gráfico e digital. Este projeto contará com a parceria do Instituto Nacional de Tecnologia (Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação) através do convênio de cooperação técnico científico assinado entre as partes em janeiro de 2010, incluindo o projeto de construção de protótipos físicos desenvolvidos a partir de tecnologias de manufatura aditiva propostos para o fortalecimento das cadeias produtivas de petróleo e gás assinado entre as duas instituições e que será estabelecido no âmbito de projetos apoiados pela Petrobras. Posicionamento do modelo digital advindo de escaneamento no ambiente virtual que simula a bandeja de impressão. Objetivo O presente projeto tem por objetivo viabilizar a utilização integrada do saber tecnológico em modelagem, captura 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 ideias 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. Essas manipulações permitem o desenvolvimento de variantes utilizadas no processo de simulação e testes adequados a multidisciplinaridade dos processos de design. Também a interface entre usuário e o hardware passa por novas tecnologias de interação de uso alem 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 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 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. Trabalhos No inicio do período de bolsa de iniciação cientifica no laboratório NEXT fui apresentado os equipamentos de capturara de superfície (scanners 3D) e de manufatura digital (Fresadora, maquinas de corte a laser e Impressoras 3D). Equipamentos de capturas de imagens de superfícies. Kinect O kinect é um equipamento destinado a vídeo games, sua função é equivaler movimentos gestos e posturas de um jogador a um personagem ou objeto inserido em uma realidade digital. Existem softwares que transformam este aparelho em um scanner 3D. As principais vantagens na utilização do Kinect para capturar superfícies estão em seu preço e facilidade de usa-lo comparado com aparelhos profissionais. Para usar o Kinect como um scanner só é necessário instalar um software e alguns plugns, não existe a necessidade de modificar o aparelho. Software utilizado ReconstructME Usamos a versão open source (arquitetura aberta) que permite a implementação de novas ferramentas por usuários.
O software serve exclusivamente para a captura de superfícies e não permite nenhum tipo de edição do modelo digital capturado. A área de escaneamento em sua configuração básica de um cubo 1m². O centro dessa área de escaneamento deve está a 0,9m do kinect, nessa configuração. A área de escaneamento pode ser alterada no software, mas a distância ideal entre o aparelho e a área de escaneamento e sempre será de 0,4m. As extensões(formato do arquivo) geradas pelos ReconstrucMe são.ply e.obj. Hardware O kinect possui uma câmera de vídeo RGB, combinando vermelho, verde e azul e formar as imagens em uma resolução de 640x480 a 30 quadros. Durante o processo de escaneamento a imagem formada por essa câmera nos auxilia manter o centro da área de captura. Para capturar superfícies o aparelho projeta infravermelho e através de um sensor CMOS monocromático recaptura os pequenos pontos dissipados de infravermelho, e assim possibilita mapear uma superfície. Para que o aparelho funcione, deve estar conectado a uma fonte de energia e ao computar através de um porta USB. Artec-S Figura 1. Escaneamentos feito com Kinect na exposição RIO+Design 2012 O Artec-S é um scanner profissional de luz branca que permite a captura de superfícies com muitos detalhes. A área máxima de captura por frame é de 134 x 93 mm, mas graça a sobreposição desses frames atráves do seu software a área se torna ilimitada. Artec-S
Figura 2. Área de trabalho do Artec studio Um dos grandes diferenciais desse escaner para o kinect apresentado acima, é o seu software o Artec Studio que permite a edição do modelo capturado de modo relativamente simples e a sobreposição de diversas superfícies (escaneamentos 3D), dessa formar possibilitando a capturar de superfícies complexas. O programa exporta os arquivos nas extensões.obj,.stl,.wrml,.ascii,.aop,.csv e.ply. O aparelho se conecta ao computador através da entrada USB2.0 e alimentado por energia diretamente da rede elétrica. Os equipamentos de prototipagem rápida Além de tecnologias de input - escaners 3D - exitem aparelhos de output - impressoras 3D no laboratório NEXT. Das cinco impressoras 3D do laboratório quatro são do tipo do tipo FDM (Fused Deposition Modeling) derretem um filamento plástico e o depositam em camadas sobrepostas para construir um objetos. Para que um objeto seja produzido por esse tipo e de equipamento é necessário um modelo digital do mesmo. O formato aceito pelo software da maquina é o.stl. Uprint é uma impressora profissional que possui dois cabeçotes, ou seja, pode trabalhar com dois materiais. O material usado para construir os modelo é o ABS que é depositado
por um cabeçote e o segundo cabeçote deposita material de suporte que preenche os espaços vazios. Outro diferencial desse equipamento é o ambiente de impressão aquecido que evita uma contração indesejada do plástico quando sai do cabeçote. -Espessura da camada - 0.245mm -Área de impressão - 203 x 152 x 152 mm -Material utilizado ABSplus e Material de suporte SR-30 solúvel. Usamos esse equipamento para viabilizar a produção de diversos modelos, que se beneficiaram da precisão e liberdade de geométrica que a maquina permite. Um exemplo foi o a prototipagem de peças para o braço robô do projeto Moreia da Petrobras Figura 3. Braço robô Moreia BFB 3D Touch Também uma impressora de deposição que pode ter até 3 cabeçotes, porém o equipamento a disposição no laboratório possui 2. O que permite construir objetos com duas cores diferentes. Uma dificuldade de trabalhar com essa impressora é inexistência de uma material de suporte, o que demanda um planejamento na forma de impressão.
-Espessura da camada 0.125mm, 0.25mm e 0.5mm -Área de impressão - 275 x 275 x 210mm -Material utilizado Plástico ABS e PLA em diversas cores Figura 4. Peças para um modelo de bicicleta em escala projeto de graduação Esse é um exemplo de como preparar o arquivo para impressão, na tentativa de aumentar a qualidade e minimizar o trabalho posterior ao processo de impressão (retirada de estruturas de suporte). Rapman 3.1 Essa impressora é muito similar a BFB Touch, mas é uma versão mais antiga e seu projeto é open sourse, ou seja permitiu modificações e reposição de peças que se quebrem, os arquivo estão a disposição na internet e sempre passiveis a melhorias por usuários de todo o mundo. Com exceção dos motores e placas eletrônica esse equipamento é autoaplicável, isso quer dizer que podemos construir uma nova impressora a partir dela. Rapman 3
-Espessura da camada 0.125mm, 0.25mm e 0.5mm -Área de impressão - 275 x 275 x 210mm -Material utilizado Plástico ABS e PLA em diversas cores. Impressão de corpos de prova em polipropileno de alta densidade (HDPE) para o aluno de pósgraduação de Engenharia de materiais Danny Chávez Novoa para viabilizar testes posteriores com esse material que não é usual. Figura 5. Polietileno de alta densidade (HPDE) Figura 6.Material Plástico misturado com pó de madeira As BFB 3D touch e a Rapmam 3.1 utilizam o software AXON para processar e posicionar o modelos antes da impressão, este processo é similar em todos os softwares das impressoras. Figura 7. Posicionamento do modelo digital advindo de escaneamento no ambiente virtual que simula a bandeja de impressão Figura 8. Objeto processado e pronto para impressão
Cubify Impressora 3D do tipo FDM com apenas um cabeçote. Um diferencial dessa impressora para as demais expostas acima, é a sua bandeja que se aquece para evitar a contração do material plástico, mas é diferente da Uprint onde todo o ambiente tem sua temperatura controlada. Outra característica dessa maquina é movimento da bandeja no eixo Y (além do Z), o que pode dificultar a fabricação de objetos altos e estreitos. -Espessura da camada - 0.2 mm -Área de impressão - 41 x 38 x 48 cm -Material utilizado Plástico ABS em diversas cores. Fab@home - Uma impressora que se destaca por possibilitar experimentos com diversos materiais. Essa impressora funciona da mesma forma que as FDM, só que ao invés de um bico extrusor que se aquece para a saída do material, possui uma seringa onde é possível colocar diversos materiais que respeitem uma determinada viscosidade. Segue abaixo alguns exemplos de materiais testados no laboratório. Figura 9. massinha de modelar
Figura 10. Impressão com chocolate. Conclusão Passado o período de treinamento nos equipamentos de escaneamento 3d e prototipagem rápida do laboratório, auxiliei na execução de diversos projetos de graduação e pós-graduação que contribuíram para um aprendizado mais dinâmico e repleto de desafios. O laboratório participou de exposições que ajudaram a divulgar as tecnologias de prototipagem rápida e escaneamento. E mostrar estas tecnologias que hoje estão presente diretamente na vida de designer e engenheiros, e com o passar do tempo certamente vão fazer parte do cotidiano de todos. O NEXT esteve presente na Semana de Design PUC-Rio e na exposição RIO+Design 2012 onde apresentamos as tecnologias de impressão3d e escaneamento de superfície com os alguns dos aparelhos apresentados nesse relatório. Sem duvida a utilização dessas tecnologias é capaz de catalisar o processo de criação e desenvolvimentos na área de design e acredito que no período de bolsa pude auxiliar e aprender a respeito das tecnologias aqui apresentadas. Referências N. Hopkinson R.J.M. Hague P.M. Dickens. Rapid Manufacturing. England: Wiley, 2006.Print. Carlos Henrique Ahrens Cristiano Vasconcellos Ferreira Gunther Petrush Jonas de carvalho Jorge Roberto Lopes dos Santos Jorge Vicente Lopes da Silva Neri Volpato.Prototipagem Rápida - Tecnologias e aplicações. São Paulo: Editora Blucher, 2007. Print.