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.