Departamento de Artes e Design
MODELAGEM E SIMULAÇÃO 3D EM PROJETOS
INTERDISCIPLINARES DE DESIGN
Aluno: Gerson Ribeiro
Orientador: Claudio Freitas de Magalhaes
Introdução
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
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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:
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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.
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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.
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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.
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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. Percebeu-
se 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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.
Primeiros testes com a impressora, e os diferentes tipos de chocolate
Erros da impressora
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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
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.
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).
Participação na Semana de
Testes realizados para encontrar os erros
Impressora com o problema resolvido e imprimindo dom mousse
Impressão do primeiro modelo 3D
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Demonstração do processo de escaneamento
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.
Detalhe: Menina e objetos de demonstração
Demostração do processo de escaneamento
Objetos de demonstração
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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.