Abstract — Este paper descreve um projecto,
iniciado em 2008, que define a viabilização de uma unidade de prototipagem rápida a instalar no Porto, Portugal. A unidade UPR68, orientada para o Design e Arquitectura, visa garantir a profissionais e estudantes a tradução física das suas propostas, assim como, desenvolver uma agenda própria de investigação relacionada com problemas do processo criativo e a da representação física de modelos. Os processos tecnológicos disponíveis foram levantados, incluindo as necessidades de software e hardware, de formação, de espaço e financeiras. Cruzando a criação, a academia e o mundo empresarial, foram produzidos modelos com recurso às técnicas seleccionadas para a unidade, investigando o seu potencial no campo da arquitectura e do design.
Index Terms — Software prototyping, CADCAM,
modeling, design methodology, architecture.
I. Introdução
A prototipagem rápida (PR) consiste em várias técnicas em desenvolvimento que permitem a construção de modelos físicos a partir de desenho assistido por computador (CAD). No contexto em que simulámos a Unidade PR 68 (Porto - Portugal) existem anteriores mapeamentos [1] dos recursos necessários à concretização deste tipo de objectos. Apesar, de as técnicas estudadas encontrarem-se comercialmente disponíveis verificam-se poucos avanços, no sentido de um uso generalizado, do potencial desenvolvimento destas tecnologias, no que concerne à produção criativa, do design e da arquitectura Portuguesa. O crescimento de comunidades “Do It Yourself” de PR e a difusão de equipamentos domésticos (ex. RepRap, Makerbot) permitem desenvolver e compartilhar as competências associadas a estes processos de concepção. A influência no processo criativo da manipulação e conhecimento destas ferramentas faz parte duma discussão vigente da teoria do design contemporâneo.
O projecto partilhado neste paper objectiva-se no estudo e planeamento necessário à implantação de uma hipotética unidade destinada ao fabrico rápido de protótipos, conseguidos de forma automatizada, visando possibilitar, a estudantes e profissionais portugueses de Design e Arquitectura, aceder de forma directa aos processos de concepção e manufactura CADCAM para o fabrico de modelos físicos de componentes.
A simulação da unidade seria uma aproximação à realidade, implicando a selecção concreta de modelos de máquinas, a eleição de software necessário e disposição num espaço de um esquema funcional considerando as exigências levantadas. A pesquisa tinha como objectivo, ainda, estender-se à prática, ou seja, à concretização e
manufactura de modelos, de modo, experimentar uma variedade de técnicas consideradas.
O estudo iniciado em 2008 inseriu-se no programa LIDERA da Universidade do Porto que visa desenvolver competências na interacção do campos académicos e empresariais [2].
II. Metodologia - Faseamento
O processo de trabalho teve dois momentos distintos, numa primeira fase centramo-nos no levantamento das tecnologias, do seu estado de desenvolvimento e implementação, das condições de mercado e de financiamento, tendo em conta a situação geográfica específica: Porto, Portugal.
Num segundo período foram problemas de índole mais prática que nos levaram a construir um modelo que manuseasse os conhecimentos adquiridos, conjugando as técnicas seleccionadas para a virtual unidade, em objectos de exploração e divulgação das suas capacidades. Esta pesquisa procurou, de um modo prático, lidar com as dificuldades e erros mais prováveis nos processos de tradução (realidade-representação- objecto) incertos em processos de criação (design e arquitectura).
A. Primeira fase
Numa primeira fase abordamos generalidades relacionadas com a instalação e funcionamento de UPR.
Para estabelecer um enquadramento das matérias essenciais ao tema começamos pelo levantamento de casos similares, procurando unidades existentes, tanto numa perspectiva académica como empresarial. A inventariação destes tipos de unidade, focando-se numa situação geográfica mais próxima, sobretudo nacional e regional, estendeu-se contudo até ao entendimento de casos laboratórios de índole internacional.
Posteriormente, averiguou-se sobre as diferentes necessidades da UPR, dividindo-as em quatro grupos:
1) levantamento dos processos de prototipagem rápida candidatos à operação na hipotética UPR de design e arquitectura;
2) levantamento de softwares existentes, considerados indispensáveis para o manuseamento das técnicas;
3) averiguação de exigências técnico espaciais no que concerne à operação dos diversos tipos de maquinaria;
4) levantamento dos centros de formação nas áreas de operação de maquinaria de controle numérico computorizado (CNC) e manipulação de software CADCAM, com potencial interesse para capacitação dos elementos envolvidos.
Os pontos atrás descritos permitiriam tomar opções justificadas acerca do material e outros aspectos a adoptar na UPR.
As opções consideradas para o funcionamento da UPR foram pressupostos de uma aproximação financeira que elaborou um plano de investimento para a hipotética concretização do projecto.
B. Segunda fase
Numa segunda fase, a investigação ocupou-se de problemas de índole mais prática. Foi privilegiado o contacto directo com as técnicas previamente seleccionadas, dando origem à construção de um modelo promocional, de divulgação das suas capacidades previstas para a hipotética unidade.
Assim, as técnicas de PR eleitas (adição, subtracção e corte) foram empregues na construção de uma maqueta do edifício da Faculdade de Arquitectura da Universidade do Porto, projectado pelo Arq. Álvaro Siza, e sua área envolvente. Na contraposição do modelo tridimensional à realidade não se buscou a fidelidade mimética ou figurativa, mas antes se procurou distinguir potencialidades e erros envolvidos na manipulação dos respectivos processos. Este interesse experimental convocou o uso e ensaio de materiais de aspecto e resistências diversas detectando as limitações de cada uma das técnicas de produção.
A realização de distintas operações de PR permitiu uma reflexão crítica baseada nas especificidades e dificuldades encontradas, desde o momento de concepção de modelos digitais e sua adaptação para os processos de PR até à efectiva manufactura dos protótipos de arquitectura, sobre cujas qualidades e características interessou reflectir.
Paralelamente, foram levantados potenciais apoios disponíveis, nomeadamente bolsas, incentivos e outros financiamentos, que não serão detalhados no âmbito desta comunicação.
III. Resultados
A. Do enquadramento [de casos existentes e mercado]
Na pesquisa ao nível de centros académicos, tanto nacionais com internacionais, com laboratórios de PR torna-se evidente o esforço das instituições de ensino para de se equiparem com as tecnologias em estudo. Áreas como a Engenharia Mecânica, Design Industrial e Design do Produto encontram-se em Portugal frequentemente mais familiarizadas com estas técnicas que outras disciplinas, nomeadamente, a Arquitectura.
No domínio profissional e empresarial os números de entidades inventariadas apontam para um oferta limitada e com divulgação reduzida. Nos serviços disponibilizados configuram-se semelhanças: a disponibilidade para recepção online dos documentos e posterior entrega dos protótipos; a disponibilidade para
prestação de serviços em regime de extrema brevidade; bem como, uma oferta de técnicas distintas.
Da análise das condições de mercado destacam-se o elevado número de estudantes nas áreas de Arquitectura e Design que não permitindo quantificar resultados efectivos da requisição e procura deste tipo de processos, permitirão, pelo menos, perspectivar a possibilidade de condições de exploração bastante distintas das actuais.
B. Do levantamento [de processo, software e recursos]
Após a divisão dos equipamentos CNC em três grupos: prototipagem rápida por adição, prototipagem rápida por subtracção e prototipagem rápida por deformação ou corte, estabeleceu-se quais os processos a eleger para a hipotética unidade.
Dentro da prototipagem por adição, o processo de estereolitografia (SLA), foi o eleito para a UPR68. Este processo comparado com os outros, nomeadamente Impressão Tridimensional (3DP) e Fused Deposition Modeling (FDM), garante maior precisão e resistência mecânica do modelo. Mesmo tendo em consideração um maior custos, a tecnologia SLA garante a qualidade final na peça construída e a precisão e resistência obtidas coadunam-se com apresentações finais de modelos arquitectónicos, moldes, peças de tamanho reduzido, podendo ser utilizada em diferentes áreas de investigação. A sua aplicação é relativamente simples sendo apenas necessária a ventilação do espaço onde está inserida, com extracção dos gases libertados.
Na prototipagem rápida por subtracção observaram-se as vantagens para a UPR68 de uma fresadora horizontal, em relação a uma fresadora vertical. A fresadora horizontal é útil na construção de modelos tridimensionais topográficos e de maquetas urbanísticas, permitindo o emprego de diversos materiais.
No domínio das máquinas de corte foi considerado preferível um sistema de laser apesar, dos menores custos de manutenção de uma máquina de jacto de água, sobretudo pelo leque de materiais que o equipamento eleito permite abarcar e pela prontidão com que pode responder à execução de modelos de estudo.
Os resultados da investigação quanto ao software para a UPR68 mostrou que na grande maioria dos casos o software CAD 3D permite a criação de ficheiros orientados para a manufactura de modelos por prototipagem rápida, particularmente .stl, sendo frequente a associação nos pacotes de CAD e CAM. Apesar da possibilidade de todo o software necessário estar acessível em “open-source”, alerta-se que o uso de programas largamente popularizados evita acrescidos problemas de tradução de formatos de ficheiros.
Relativamente aos centros de formação levantados assistimos a uma discrepância entre a escassa disponibilidade de formação para a operação de equipamentos CNC, sendo esta suprida pelas próprias marcas e fornecedores dos equipamentos, e a
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vulgarização dos curso de CAD (2D e 3D). Quanto a cursos de software de CAM, apesar de a sua frequência ser muito mais reduzida que a de CAD, apresentam-se em franca expansão tendo importância sobretudo na áreas da engenharia mecânica e design do produto.
C. Proposta [de UPR]
No desenho da hipotética UPR teve especial preponderância a escolha do hardware envolvido, constituindo o principal investimento a aquisição de uma máquina SLA. Sendo este processo desenvolvido pela marca “3D Systems”, resultou lógica a assumir da selecção do modelo “iPro 8000”. Quanto ao equipamento de prototipagem por subtracção, a fresadora horizontal escolhida foi o modelo “2513” da marca “Opticut” que disponibiliza uma facilitada assistência técnica. Entre as máquinas de corte seleccionamos o modelo “VLS 6.60” da “Universal Laser Systems” que apresentando o melhor preço na razão da área útil de corte, garante uma assistência técnica com menores custos de manutenção.
Quanto ao software considerado para o funcionamento da UPR escolhemos a associação do “Rhinoceros 4.0” e do “RhinoCam Standard 2.0.”, tendo em conta a facilidade de manuseamento, a popularidade da marca, potencialidades dos programas e o preço acessível.
Para suprir as necessidades técnicas e espaciais de implantação da UPR 68 estimou-se uma área entre os 200 e os 300 m2. As condições necessárias para a correcta ventilação das áreas de trabalho e exaustão de equipamentos de produção manifestaram-se enquadráveis com as normais regras de higiene e saúde no trabalho. O recurso a mecanismo de extracção mecânica do ar garantem as condições necessárias, de um modo quase independente, das características pré- existentes do espaço a eleger. Deverá a localização do espaço da UPR dar prioridade a locais com bom acesso automóvel e com facilidades de estacionamento. Tendo em conta, a possibilidade de o trabalho/encomendas se fazerem preferencialmente de um modo não presencial, pensa-se que um localização central na estrutura urbana seria dispensável. Seriam locais a considerar zonas de loteamento industrial, bem como, outras áreas periféricas em estruturação. Estas especificidades parecem resultar numa baixa incidência do valor das rendas no valor global do projecto desta hipotética UPR. Da equação de uma estrutura de pessoal interno ao funcionamento da empresa resultou a consideração de 5 elementos: 1 na direcção; 1 administrativo e 3 elementos de produção. Assim a manutenção seria assegurada por elementos externos à estrutura. Não foi prevista a afectação a tempo inteiro de pessoal ao veículo de entregas, podendo estas ser feitas por pessoal da produção.
A formação dos elementos da UPR/pessoal foi considerada como assunto em aberto, pois assegurada a
formação específica garantida pelos fornecedores de hardware e software, haveria que averiguar das necessidades específicas de cada sector de produção. E caso, se verificassem limitações efectivas nos conhecimentos, seriam então consideradas as prioridades de formação complementar, que a selecção prévia de pessoal não tenha sido capaz de garantir.
A prévia definição dos elementos afectar para a instalação da UPR pôde ser esquematizada (Fig. 1.) e com base nesses pressupostos foi elaborada uma análise económica do projecto.
Fig. 1. Esquema base de funcionamento da UPR68 considerando o hardware CNC seleccionado, os postos de trabalho (círculos) e fluxo de clientes (linha tracejada).
A aproximação financeira simulando uma eventual sociedade por cotas, cujo ramo de actividade (CAE) seria o 74100, permitiu visualizar os passos necessários à sua efectiva constituição e estabelecer um quadro de valores indicativos da sua viabilidade, bem como delineou um plano de investimento.
Fig. 2. Extracto de valores do plano de investimento da UPR.
Os resultados obtidos no final dos trabalhos incluídos na primeira fase deste trabalho foram alvo de um relatório [3] cuja analise crítica lançou a segunda fase da investigação.
IV. Construção de um modelo
Por fim, experimentámos os processos de PR seleccionados. Mais do que o objecto elaborado, interessou-nos o processo, permitindo-nos discutir especificidades, dificuldades e potencialidades da PR aplicada ao âmbito do projecto e da arquitectura.
A exposição dos resultados da experiência com os três processos PR seleccionadas constitui um esforço para reflectir sobre as técnicas de adição, subtracção e corte, assim como, sobre as escalas e materiais convocados. O debate sobre técnicas e matérias levaram-nos a perceber que um dos processos estaria mais orientado para a produção de componentes à escala real, tendo-se optado por aplicá-lo na produção de um objecto tridimensional que serviria como expositor para os modelos tridimensionais obtidos pelos outros dois processos.
O objecto seleccionado pelo grupo para realizar as experiências com os restantes dois processos, o edifício da Faculdade de Arquitectura e sua paisagem envolvente, constituiu o referência real a ser contraposta aos modelos tridimensionais mas, sobretudo, o que se procurava estudar eram os erros envolvidos na manipulação dos respectivos processos.
O processo prático começou pela elaboração de modelos tridimensionais digitais que foram sucessivamente alterados na adaptação à manufactura efectiva do modelo, no contacto com as técnicas e maquinaria de prototipagem rápida.
Fig. 3. Imagem do modelo digital (versão sem mobiliário) produzido para experimentação da técnica de prototipagem rápida por adição.
A. Prototipagem rápida por adição
Relativamente ao caso da prototipagem rápida por adição utilizamos o processo de estereolitografia, especificamente o modelo “Viper Si2” da “3DSystems” que permite a elaboração de modelos físicos tridimensionais com precisão até 0,05mm, não requerida pela nossa experiência que utilizou uma precisão de 0,1mm.
Fig. 4. Imagem do modelo construído por estereolitografia representando a biblioteca da FAUP, à escala 1/200.
Uma das maiores dificuldades encontradas na experimentação deste processo, prenderam-se com a dificuldade em passar de um modelo digital CAD para um modelo capaz de ser lido por máquinas de fabrico utilizando tecnologia CNC. Os softwares utilizados para a produção do modelo tridimensional digital, foram o “Autocad 2008” e o “Autodesk VIZ 2008”. A criação do ficheiro STL possibilitada por estes softwares não se mostrou um passo simples, tendo sido necessária a transformação do modelo digital numa entidade única, equivalente a um único sólido.
Outro problema com que nos confrontámos foi a necessidade de providenciar maior resistência em determinados elementos do modelo digital. Em certas partes tivemos de aumentar espessuras para que não houvesse problemas durante a prototipagem. De igual modo, foram reforçados elementos, de modo, a que se tornem estáveis fisicamente e resistentes ao próprio peso da maqueta. No caso da execução de superfícies mais extensas a colocação de uma malha estrutural garante a resistência da peça. Os aspectos levantados prendem-se sobretudo com a garantia de resistência do conjunto (modelo) durante o processo de fabrico e não tanto com a resistência pós-fabrico. Esta questão, (garantir a integridade de todo o conjunto) foi aliás uma questão fulcral por altura da nossa discussão da produção do nosso modelo.
Outro aspecto problemático apontado, foi o facto do nosso modelo ter espaços fechados, tendo-se tido necessidade de durante o processo digital criar pequenos orifícios de modo a que durante a prototipagem a resina pudesse sair.
Outro entrave como que nos deparamos, tem a ver com o facto deste processo ser extremamente caro, pelo que a disponibilidade financeira obrigou-nos a simplificações. Pelo que, suprimimos partes do modelo digital tendo fabricado à parte, por exemplo, o mobiliário.
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Fig. 5. Imagem de modelo de mobiliário. B. Prototipagem rápida por subtracção
A construção do modelo mediante técnica de PR por subtracção utilizou uma fresadora horizontal de 3 eixos, denominada OKUMA - MC40V.
Apesar, desta técnica não requerer uma abordagem tão complexa quando a anterior, as necessidades de o modelo digital configurar uma identidade única foi igualmente asseguradas. Só deste modo o programa de CAM conseguiu converter a informação geométrica em informação de coordenadas.
Constatou-se que o “Autocad” não é o programa mais eficiente para a produção do modelo digital tridimensional se o intuito for a produção posterior pelo processo CNC, pois não permite a mais imediata resolução de erros na conversão para um ficheiro STL.
Detectou-se, pela análise dos objectos produzidos, a limitação da fresadora com um centro de maquinagem de 3 eixos, sobretudo pela incapacidade de obter grande precisão nas superfícies verticais. De qualquer modo, a precisão estará ainda relacionada com a densidade do material escolhido para fresagem. No nosso caso, a densidade do bloco de poliuretano em que se esculpiu o “terreno” do nosso modelo era de 55 Kg/m3 tendo-se experimentando outros materiais, nomeadamente poliuretano mais denso, para os edifícios que exigiam maior precisão.
Fig. 6. Imagem do modelo digital produzido para a experimentação das técnicas de PR por subtracção.
O modelo realizado à escala 1:500, pelas dimensões reduzidas dos sólidos correspondentes aos edifícios da FAUP, permite avaliar as capacidades da técnica, para além das potencialidades do material, nomeadamente, em elementos como as palas dos edifícios.
Constata-se ainda, que distâncias em profundidade vertical dependem da medida entre a ponta de broca e o suporte desta, pelo que determinadas profundidades podem não conseguirem ser reproduzidas. Casos haveria, em que seria necessário adquirir ferramentas com geometrias especiais, designadamente extra-longas. Mas a principal dificuldade apontada a este género de processo, relaciona-se com a limitação dos 3 eixos, quantidade de direcções disponível no centro de maquinagem. Esta incompatibilidade encontra-se facilmente, por exemplo, no caso de um elemento do universo tradicional do cidade, o telhado, que não pode ser representado correctamente com esta limitação axial. A não ser, que se aplicassem períodos de desbaste muito maiores, só para satisfazer a eloquência destes elementos em concreto. Uma outra alternativa, seria sempre a decomposição do modelo em partes (direcções) distintas, que posteriormente seriam manualmente adicionadas, afastando-nos da ideia de produção automática associada à PR.
Fig. 7. Imagens da selecção de parâmetros e da simulação da maquinagem.
Fig. 8. Imagem captada na execução da técnica de PR por subtracção.
No entanto, a decomposição do modelo em partes distintas acabou por ocorrer naturalmente, logo na
produção do modelo virtual, na medida que tivemos de executar a modelação em materiais distintos.
A compreensão do tipo de modelo que se quer obter e da escala a que é produzido torna-se essencial para garantir um processo rápido de manufacturação. No nosso caso ficou patente que a percepção da quantidade de informação a introduzir no modelo digital foi um factor que só se assimilou no final do processo CAD- CAM-CNC. É importante que no momento da construção do modelo digital se tenha já a noção da informação que constará no modelo físico.
C. Prototipagem por corte e dobragem
A experimentação do processo de corte e dobragem foi definido pelas imposições ditadas pelas máquinas disponíveis nas instalações da FEUP. Assim, as possibilidades de modelação do objecto de exposição e as dobragens de uma única chapa metálica (2mx1m) estiveram limitadas pela não existência de matrizes que permitissem, a “quinagem” no interior da chapa.
Outra limitação encontrada, perante a “natureza” das máquinas disponíveis, manifesta-se em reduzidas capacidades de registo de, por exemplo, letras. Os recurso disponíveis levaram a um ensaio tímido desta vertente da ferramenta.
Refira-se ainda, que a execução do modelo em computador, não se fez com recurso a qualquer modelo tridimensional, tendo antes se planificado o objecto, com as suas linhas de corte e dobragem.
VII.Conclusão
Esta experiência permitiu consciencializar as especificidades, limitações e potencialidades dos processos de PR no campo do design e da arquitectura