modelagem e simulação 3d em projetos interdisciplinares de design

Departamento de Artes e Design

MODELAGEM E SIMULAO 3D EM PROJETOS

INTERDISCIPLINARES DE DESIGN

Aluno: Gerson Ribeiro

Orientador: Claudio Freitas de Magalhaes

Introduo

O projeto trata de Modelagem e Simulao 3D em projetos interdisciplinares de design

realizados no Laboratrio de Modelagem e Simulao 3D do Departamento de Artes e Design

da PUC-Rio. Visa introduzir e difundir a modelagem e simulao tridimensional digital -

virtual e fsica em projetos de natureza multidisciplinar no mbito do curso de ps graduao

e graduao em Design da PUC-Rio. Inclui pesquisas em desenvolvimento de produtos,

moda, ergonomia, design grfico e digital. No escopo do projeto inclui-se o aprendizado de

equipamentos a serem utilizados na captura de superfcies tridimensionais (scanner a laser e

luz branca para obteno digital de geometrias tridimensionais), equipamento para simulao

e modelagem interativa sensorial (haptic device), equipamentos para impresso tridimensional

fsica (sistema de Prototipagem Rpida, frezadora CNC e cortadora a laser), material

computacional e acessrios eletrnicos para construo de prottipos com funes interativas.

O projeto justifica-se para que estudantes de graduao e Ps-Graduao e pesquisadores do

curso de Design possam auxiliar nas atividades de pesquisa. Torna-se importante ressaltar,

tambm, a inovao e originalidade da presente proposta de um laboratrio de simulao e

modelagem 3D em uma instituio de ensino superior em Design no Brasil, integrando

diversas reas de conhecimento e disciplinas do design.

Objetivos

O presente projeto tem por objetivo viabilizar a utilizao integrada do saber

tecnolgico em modelagem e simulao tridimensional virtual e fsica na formao de

profissionais e pesquisadores aptos a atuarem em projetos nas diversas reas do Design, tais

como, Design de Produtos, Mdia Interativa, Moda, Animao 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 mtodos propostos no presente projeto esto relacionados obteno de

superfcies, para a representao 3D digital e para a representao fsica tridimensional de

modelos e prottipos. Com os avanos computacionais, novas possibilidades na transposio

das idias geradas no desenvolvimento de projetos para o meio virtual podem ser feitas com

tecnologias digitais como a captura de imagens de superfcies atravs de scanners 3D (a laser

ou luz branca). Com esta tecnologia, o modelo fsico construdo manualmente tem sua

geometria transferida para o computador atravs da captura digital da superfcie, o que

garante a fidelidade geomtrica e dimensional desenvolvida pelo aluno / projetista /

pesquisador e sua posterior manipulao. Esta manipulao pode passar por ajustes de

superfcie, alteraes de escala, mudana de cores, insero de aplicaes grficas, animaes

e outros. Essas manipulaes permitem o desenvolvimento de variantes utilizadas no processo

de simulao e testes adequados multidisciplinaridade dos processos de design. Tambm a

interface entre usurio e o hardware passa por novas tecnologias de interao de uso alm dos

habituais mouses, tais como as tecnologias haptic que simulam sensaes tteis durante o procedimento de modelagem virtual entre o usurio e a tela dos computadores e os monitores


de interveno direta na tela (Wacom Cintiq). Estes equipamentos por possurem interao

ttil sensorial entre o hardware e a modelagem virtual, possibilitaro a realizao de

simulaes de testes diversos. No desenvolvimento de projetos, aps as alternativas serem

modeladas em softwares de modelagem 3D e (ou) capturadas atravs de scanners 3D, a etapa

da materializao fsica foi feita atravs de sistemas convencionais ou sistemas automatizados

que seguem genericamente dois processos bsicos: 1 - por remoo de matria prima atravs

de frezadoras operadas por controle numrico computacional - CNC e corte a laser para

superfcies bidimensionais (planas) em matrias primas diversas. 2 - por deposio de

matrias primas diversas tecnologias conhecidas como Prototipagem Rpida. Importante salientar que ambos os sistemas se destacam pela preciso dimensional e velocidade de

construo de modelos e prottipos com alta complexidade geomtrica, e so escolhidos

conforme as caractersticas do produto a ser representado/simulado.

Aps a implantao dos equipamentos e treinamento para construo de modelos fsicos para

simulao 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,

animao, escaneamento entre vrias outras

possibilidades.

Scanner Artec S:

Que um modelo de scanner que usa a

tecnologia de luz branca, ele do modelo S de Small, o que quer dizer que tem boa preciso e

resoluo para peas pequenas e ele vem

acompanhado por um poderoso software.

Fab@Home:

Esta mais uma impressora 3D, assim como a

Rap Man, ela Open Source, e permite que

faamos mudanas nela. O diferencial dessa

impressora, que ela permite imprimir com

qualquer material que se enquadre dentro de

alguns parmetros.

At o momento, projetos de diversas reas do design e tambm da Engenharia utilizaram os

recursos implementados no laboratrio:


Projeto de produto / graduao / 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 apresentao do modelo final.

A esquerda, roda aps a impresso e a direita o chassi j limpo.

A esquerda a roda sendo impa, e a direira, a montagem do prottipo.

Nesse trabalho, tivemos que partir o chassi em peas menores para que coubesse na rea de

impresso, e a roda ao ser imersa na soluo para ser limpa do material de suporte, devido os

raios serem muito finos a roda empenou. A soluo foi coloca-la para limpar apoiada no seu

eixo, como na imagem.

Projeto de produto / pesquisa / vrios professores do DAD: Para o projeto "Portable

Lights" foi impresso uma carenagem de um equipamento eletrnico, para o Workshop

desenvolvido aqui na Puc com pesquisadores do M.I.T.


Imagens da carenagem do mdulo de eletrnica e bateria.

Workshop

Produto final direita, exposio na Semana de Design de Milo

O Workshop que durou trs dias, contou com a participao de mais 7 alunos da graduao, 2

pesquisadoras do MIT e mais 3 pesquisadores da PUC. Foram algumas rodadas de

brainstorm no primeiro dia, no segundo mais uma rodada e comeamos a construir prottipos,

e no ultimo dia, fizemos o prottipo final com os materiais que iriam compor o produto final.

A verso final foi exposta na Semana de Design de Milo no stand da PUC-Rio

Projeto de produto / pesquisa / Professor Ripper: Foram atendidos alguns projetos:

Impresso de um prottipo de Trofu em forma artstica de concha, prottipos de modelos

tubulares e junes para uma estrutura de bambu, impresso de um prottipo de piso em

forma de alvolos.


Trofu em forma de concha e a impresso do mesmo

Modelos tubulares e junes para uma estrutura de bambu

A direita, o piso alveolar

Projeto de produto / ps-graduao / aluno de mestrado Joo Vitor: Escaneamento para o

estudo via arquivo 3D de uma estrutura de bambu baseada em uma bolha de sabo.


Modelo da estrutura escaneado

Processo de escaneamento

O escaneamento dessa superfcie foi feita com scanner Artec, e serviu de grande aprendizado,

pois por ter a superfcie vazada, e formas repetidas, o escaneamento ficava errado. Percebeu-

se ento que era necessrio colocar pontos de referncia para guiar na juno das vrias partes

escaneadas, como o papel dentro da estrutura mostrada nas fotos anteriores.

Design de Mdia Digital / projeto de extenso / Professora Claudia Bolshaw: Foram

escaneados os bonecos de massa de modelar criados para uma animao. Foi escaneado

tambm um outro boneco de testes, para treinamento de uso do escner 3D e de prototipagem.


Boneco "Nadinha", onde foram feitos os treinamentos de escaneamento 3D com o David Scan e o boneco menor, 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

diferenas entre as tecnologias de prototipagem.

Os outros bonecos foram escaneados com o Artec, individualmente, e tratados tambm. Aps

esse processo, eles foram reunidos numa composio.

Bonecos da animao

Engenharia Metalrgica / Pesquisa / prof. Raul: Foram impressos trs prottipos de

carenagens, um para sensor de radio freqncia para colocar na camisa e outro para robs da

Petrobras e uma tampa para bujo de gs para a Liquigs.


Prottipo das caixas

Carenagem do broche com radio frequncia e a direita, lacre do bujo de gs

Projeto de produto / ps-graduao / Professor Guilherme Lorenzoni: Impresso dos

modelos criados pelos alunos da aula de modelagem virtual da Ps Graduao em Design de

Jias.

Modelos de joias impressas

Projeto de produto / pesquisa / Professor Jorge Lopes: Foram feitos escaneamentos da

cabea de um graveto para teste com o scanner, uma casa de Joo de Barro, assim como o

escaneamento e impresso de um dinossauro de gesso criado por uma criana para matria na

revista Cincia Hoje para crianas.


Escaneamento de face

Escaneamento do graveto

O escaneamento desse graveto resultou de um estudo de possibilidades dentro das tecnologias

disponveis no laboratrio. O galho, por ser muito pequeno, no era detectado pelo scaner

Artc. Ento testamos com o David, que conseguiu escanear, mas tambm precisou que fossem

criados vrios pontos de referncia (o cubo e demais itens). Porm o software do David no

conseguia tratar das partes escaneadas, a soluo encontrada foi tratar no software do Artec

que era mais avanado e conseguiu importar essas partes feitas pelo David Scan.


Casa do Joo de Barro

Dinossauro escaneado

O escaneamento do dinossauro de gesso feito por uma criana, o tratamento e a impresso do

mesmo foi feita para uma matria da revista Cincia Hoje para crianas e foi publicada na

edio Ano 25 / n234 / maio 2012 / p.28

Projeto de produto / pesquisa / Professor Claudio Magalhes: Foram feitos testes de

escaneamento em formas feitas de papel, e impresso de uma arcada dentria a partir de

ressonncia magntica, para estudo de um cirurgio dentista.


Forma 1

Forma 2

Essas formas feitas apenas com dobradura de papel e foram um desafio para serem

escaneadas, devida as limitaes do scanner. Como possvel ver na imagem, usei at a quina

da mesa como ponto de referncia.

Arcada demtria de uma criana.

Engenharia Civil / pesquisa / Professora da Djenane: Em seu projeto biomdico sobre

prteses para ganho de pele, foi feito escaneamentos 3D de experimentos de variao de

volume para medio atravs de software da rea superficial.


Variao de tamanho de um dos prottipos

Nesse trabalho a pesquisadora precisava obter a rea da superfcie que se deformava a medida

que era colocado gua. A soluo que encontramos foi o escaneamento da superfcie.

Utilizamos ento o scanner Artec para tal. Numa segunda fase, cedemos um espao para que

seu bolsista realizasse a preparao dos modelos para dar prosseguimento as pesquisas.

Essa colaborao interdepartamental ser mencionada na publicao de sua pesquisa.

Projeto de produto / graduao / aluno Gustavo Falco: em seu projeto final VEUC - Veiculo Eltrico Urbano Compacto, foi feito escaneamento do modelo feito em clay, para

fazer estudos da superfcie.

Carenagem escaneada

Engenharia / pesquisa / Equipe de AeroDesign: Preparando para um novo equipamento que

chegava ao pas, foi escaneado duas hlices para que fossem feitos estudos da curvatura e

preparando para o novo equipamento.


Hlices escaneadas

Projeto de produto / ps-graduao / aluno de mestrado Ronise: Pesquisando um modelo

de forma para sapatos, foi feito um escaneamento do p afim de ser fresado e comparado com

um modelo feito em gesso.

P escaneado e tratado

Impressora de Chocolate


Os trabalhos com a "impressora de mltiplos materiais" se deram aps a compra de uma

impressora do tipo FDM Fab@Home. Ela uma impressora por deposio de materiais, que

assim como a outra que temos no laboratrio, a Rap Man, open-source e veio desmontada.

O Primeiro trabalho ento foi mont-la, ao final da montagem, o processo de instalao. Esta

foi muito complicada pois por ser open souce, no tinham informaes num s local, uma vez

que, foram criadas alguns softwares diferentes ou modificaes dos originais. Pedimos ajuda

ao laboratrio de engenharia eletrnica 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 no

era encontrada pelos programas. Mais algumas pesquisas e aprendi como configurava a porta

de comunicao. Aps estes fatos ocorridos para a instalao da impressora comeamos 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 vrios testes, e

depois fomos estudando as

configuraes da impressora

achando que era problema de

programao.

Primeiros testes com a impressora, e os diferentes tipos de chocolate

Erros da impressora


Adaptamos um lpis a

impressora e continuamos os

testes, e dessa forma podamos

medir o erro. Vimos que era

irregular a diferena, ora fazia

um pouco torto, hora fazia

muito. Comeamos a

desconfiar de que fosse

problema fsico, ento

ajustamos as correias

lubrificamos as barras, mas o

erro persistia. Desconfiamos

ento 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 no estava em uso na prpria impressora, e deu certo, ela passou a imprimir corretamente.

Voltamos ento a trabalhar

com as variaes de chocolate.

Foram compradas vrias

amostras de chocolate e de

doces.

O que melhor se enquadrou foi

um Mousse de Chocolate da

Dri. Todavia ele ainda no

tinha a consistncia necessria

para construo em 3D.

A procura pelo chocolate ideal

continuou, e por recomendao

do pesquisador Marcio, comprei

o Brigadeiro Moa, da marca

Nestl. Ele por ser

industrializado tinha uma

consistncia ideal, e ento

comeamos os testes com

objetos 3D (foto).

Participao na Semana de

Testes realizados para encontrar os erros

Impressora com o problema resolvido e imprimindo dom mousse

Impresso do primeiro modelo 3D


Demonstrao 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 vdeos relacionados prototipagem e escaneamento 3D e a vinda de um

representante do Scanner Artec que fez escaneamentos com o publico.

Detalhe: Menina e objetos de demonstrao

Demostrao do processo de escaneamento

Objetos de demonstrao


Concluso:

A concluso diante de todos esses trabalhos feitos e conhecimentos adquiridos a

confirmao de que os objetivos desse projeto esto sendo atingidos. O numero de pessoas

que nos procuram no laboratrio buscando suporte para suas pesquisas vem aumentando

medida que vamos produzindo e ajudando em outras pesquisas.

Calouros vm nos procurar para entender melhor das tecnologias de prototipagem, a fim de

fazerem o tradicional trabalho de uma matria do primeiro perodo, onde eles precisam falar

de alguma tecnologia nova e mas que precisa ser realmente nova e no uma reinveno.

Fiquei surpreso com a quantidade de alunos que foram nos procurar.

Outro movimento interessante a difuso dos conhecimentos que conseguimos no

laboratrio, j comeo a ensinar para os pesquisadores que esto no inicio de suas pesquisas,

como se faz uso das mquinas de prototipagem, de escaneamento e tratamento dos arquivos,

entre outros.

Essa experincia est sendo muito proveitosa, e j comeo a pensar em possibilidades para

minha ps-graduao, como em breve escreverei meu primeiro artigo, baseado no uso do

scanner 3D. Estou comeando a ter atravs do laboratrio, contato com outros centros de

pesquisa como o INT e o Museu Nacional, e pesquisadores, incluindo os que fazem uso do

laboratrio. Comeo a me interessar pela carreira acadmica, pois uma carreira onde se est

sempre em contato com as novidades, desenvolvendo novas e colaborando com outros.

modelagem e simulação 3d em projetos interdisciplinares de design

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