A Digitalização Tridimensional a Laser como
Ferramenta para o Desenvolvimento de Novos
Produtos
The Three-dimensional Laser Digitizing as Tool for the Development of New Products
Silva, Fábio Pinto da; Eng. Mestrando LdSM/DEMAT/EE/UFRGS ndsm@ufrgs.br
Freese, Samuel Henrique; Graduando LdSM/DEMAT/EE/UFRGS Kindlein, Wilson Jr., Prof. Dr., Coord. LdSM/DEMAT/EE/UFRGS
Resumo
A alta competitividade e a busca por novas tecnologias que diferenciem os produtos industriais indicam um ambiente propício para a utilização de novas tecnologias como fator de inovação. Neste trabalho é proposto o uso do Scanner Tridimensional a Laser, aliado a ferramentas computacionais, para captar imagens e dados em 3D. Com o processo de Digitalização Tridimensional obtém-se, com grande precisão, detalhes de superfícies, texturas e objetos. Através dos modelos 3D digitalizados podem ser realizadas análises de superfícies, medidas de desgaste e centro de gravidade, construção de moldes, etc., e aplicar os resultados com grande fidelidade em produtos inovadores.
Palavras Chave: digitalização 3D a laser, produtos inovadores, novas tecnologias
Abstract
The high competitiveness and the search for new technologies that differentiate the industrial products show a propitious environment for the use of new techniques as innovation factor. In this work is proposed the use of the Three-dimensional Laser Scanner, allied to computational tools, to capture images and data in 3D. With the process of 3D-digitizing it is possible to obtain with great precision details of surfaces, textures and objects. Through the digitized 3D models it can be carried through analyses of surfaces, measures of wearing and center of gravity, construction of molds, etc., and apply the results with great allegiance in innovative products.
1. Introdução
A alta competitividade e a busca por novas tecnologias que diferenciem os produtos industriais indicam um ambiente propício para a utilização de novas técnicas como fator de inovação em bens de consumo.
Neste sentido, é proposto o uso da Tecnologia de Digitalização Tridimensional através do Scanner 3D a Laser, equipamento o qual captura dados de determinada superfície permitindo realizar a construção ou re-construção de objetos transformando-os em modelos 3D virtuais.
As imagens 3D ampliam a percepção e compreensão do projeto, pois enquanto um projeto de produto se completa em uma representação Bidimensional (desenho), o produto em si é a materialização de uma representação tridimensional. Segundo WONG (1998) o desenho se refere à criação de um mundo bidimensional por meio de esforços conscientes de organização dos vários elementos. Essa representação inclui duas dimensões, comprimento e largura, e que em conjunto estabelecem uma superfície plana, sem profundidade. Já a representação tridimensional mostra as formas e materiais tangíveis no espaço real, possibilitando informações para percepção humana que levam a uma compreensão completa da realidade do produto.
Deste modo, modelos 3D, virtuais e/ou físicos, constituem uma eficiente base de dados de informação espacial. Tal base de dados é capaz de fornecer uma representação mais exata de objetos do que representações 2D e pode também ser uma ferramenta útil para análises complementares, como medidas de desgaste e rugosidade, por exemplo.
Com auxílio de ferramentas computacionais, a técnica de digitalização 3D a Laser vem sendo aplicada em diversas áreas tais como: desenvolvimento de produtos, construção de moldes, inspeção, controle de qualidade, etc. A digitalização também é bastante empregada para o armazenamento virtual, o qual permite redução econômica de espaço físico e de transporte, bem como o uso simultâneo dos objetos digitalizados.
Uma vez que os arquivos obtidos após a digitalização são compatíveis com os sistemas CAD/CAE/CAM disponíveis no mercado, esta técnica pode facilmente ser associada com o Design de produtos inovadores.
2. Sistemas CAD/CAE/CAM
Os sistemas CAD, CAE e CAM, ou respectivamente Computer-Aided Design, Computer-Computer-Aided Engineering e Computer-Computer-Aided Manufacturing, têm se expandido muito ao longo dos anos. Segundo PRESTON (1984), estes sistemas permitem realizar tarefas altamente técnicas mais rapidamente, com maior facilidade, maior precisão e com gastos econômicos menores do que os métodos mais antigos e tradicionais.
Os sistemas CAD/CAE/CAM permitem, respectivamente, integrar as tarefas de projeto, simular/otimizar o produto e efetuar sua prototipagem/fabricação.
Segundo SOKOVIC (2005), existem duas metodologias para o desenvolvimento de produtos, a metodologia convencional e a não-convencional. No método convencional o início se dá pela modelagem geométrica utilizando um sistema CAD, e na seqüência o arquivo gerado pelo sistema CAD é importado por um sistema CAE e/ou CAM. O desenvolvimento convencional não é aplicável quando o objetivo é re-desenvolver ou simular e otimizar partes/moldes/ferramentas já existentes sem a informação em CAD. Neste caso é necessário aplicar o método não convencional, cujas técnicas permitem capturar a geometria da peça ou protótipo, e gerar um modelo que será usado em sistemas CAE e CAM. Este processo é chamado de Engenharia Reversa.
3. Digitalização Tridimensional
A Digitalização Tridimensional consiste em se desenvolver modelos virtuais a partir de objetos já existentes fisicamente. A necessidade de criação destes modelos pode ter causas variadas, tendo em vista que a técnica tem aplicações em diferentes áreas do conhecimento.
Segundo FERREIRA (2003), a digitalização e reconstrução de formas complexas de objetos tem evoluído rapidamente nos últimos anos, sendo que o método de scanneamento 3D a Laser traz uma maior automação na aquisição de dados.
Atualmente, diversos sistemas de digitalização 3D de modelos reais estão disponíveis, sendo divididos, de forma geral em: sistemas com contato e sistemas sem contato.
Os sistemas baseados em contato são normalmente bastante úteis para formas simples, onde apenas poucos pontos são necessários. Estes equipamentos, normalmente em forma de braço mecânico, permitem uma grande liberdade de movimento. Entretanto, é geralmente lento, tendo também a limitação de não poder ser utilizado em superfícies que se deformem com o contato. Já a digitalização óptica (sistema sem contato) é mais precisa e rápida, porém depende de alguns fatores, como opacidade e cor da superfície a ser scanneada. É adequada para objetos com grande quantidade de detalhes, independentemente de características de dureza, tendo em vista que não há um contato entre o instrumento e peça digitalizada.
4. Digitalização Tridimensional a Laser
Segundo SOKOVIC (2005) a Digitalização Tridimensional a Laser é um método rápido e preciso no eixo Z, sendo também possível digitalizar materiais macios (que se deformem com o contato) ou até mesmo líquidos.
O Scanner 3D utilizado no Laboratório de Design e Seleção de Materiais (figura 1) trabalha movimentando-se no plano dos eixos X e Y, através de controle por comando numérico (CNC). Após ser finalizada a varredura da área superficial de interesse, obtém-se o mapeamento ponto a ponto da superfície do objeto.
Como resultado desse mapeamento, são obtidos arquivos de texto com os pontos descritos em coordenadas (X,Y,Z), onde X e Y são dados pela posição da máquina e a medida de Z é obtido por um cabeçote Laser. Este conjunto de milhares de pontos é chamado de “nuvem de pontos” e após manipulação pode gerar superfícies tridimensionais.
Figura 1: Scanner Tridimensional a Laser utilizado no Laboratório de Design e Seleção de Materiais
4.1 Características Principais do Equipamento
O Scanner Tridimensional a Laser de ponto utilizado no LdSM pode captar até 850 pontos por segundo, de modo que a velocidade de digitalização depende da área a ser mapeada e da resolução definida, as quais são função da complexidade do objeto e/ou superfície a ser digitalizada.
As resoluções verticais e horizontais variam de acordo com o conjunto de lentes utilizadas. Com as lentes existentes no LdSM pode-se alcançar uma resolução vertical máxima de 0,5µm, e resolução horizontal máxima de 2 µm. É importante observar que existem ainda lentes com maior precisão no mercado.
4.2 Condições da Superfície
Na digitalização de uma peça são necessários alguns cuidados em relação à superfície da mesma. Ela deve ser preferencialmente opaca, para evitar o espalhamento da luz, e clara, para diminuir ao máximo a absorção da luz incidida sobre o objeto. Entretanto, se a superfície não atender a estes requisitos, é possível fazer um recobrimento que, normalmente, é feito com revelador de líquido penetrante, talco ou ainda a base de tintas.
5. Obtenção de Modelos 3D a Partir da Digitalização
Tridimensional a Laser
Segundo PAHOLE (2005), existem duas etapas chave no processo de criação de um modelo virtual: a digitalização 3D do modelo real e o processamento do modelo computacional obtido.
O processamento se dá após ser definida a área a ser scanneada e feita a aquisição da nuvem de pontos. A nuvem de pontos é o conjunto de coordenadas X, Y e Z que representa a superfície digitalizada,
podendo vir a ter alguns milhões de pontos. Um arquivo como este pode tornar-se muito “pesado” para manipulação em computadores convencionais. Através de alguns sistemas CAD/CAE/CAM é realizada uma filtragem dos pontos desta nuvem (figura 2), podendo diminuí-la consideravelmente (geralmente em mais de 50%). Esta filtragem mantém apenas os pontos realmente significativos para representar o objeto, ou seja, quanto menos detalhes existirem na superfície da peça, menor será a quantidade de pontos que serão necessários para representá-la. A filtragem de pontos é muito importante para a redução de ruídos inerentes ao processo de digitalização, bem como para a criação de um modelo tridimensional mais facilmente manipulável (figura 3).
Figura 2: Exemplo do processo de filtragem de uma nuvem de pontos.
Figura 3: Vista de topo da nuvem de pontos mostrando a grande quantidade de pontos mesmo após uma filtragem.
A partir da nuvem de pontos já filtrada, o sistema une os pontos três a três formando inúmeros triângulos, criando-se assim uma malha tridimensional da superfície da peça (figura 4). Com a malha criada, é possível se fazer uma série de alterações, como suavizar a superfície, criar furos, alterar cantos vivos, entre outras possibilidades. A utilização de malhas para desenvolver o modelo 3D é útil, por exemplo, para se fazer análises do objeto através do método de elementos finitos.
Figura 4: Visualização dos triângulos criados na obtenção de uma malha.
Para objetos com grandes dimensões e/ou complexidade elevada, pode ser necessário adquirir mais de uma nuvem de pontos de diferentes vistas. Nestes casos deve ser realizada uma posterior montagem do modelo 3D, a qual é chamada de registro das nuvens (figura 5).
Nesta montagem são necessárias áreas que se sobreponham entre as nuvens adquiridas, pois para efetuar esta etapa utiliza-se pontos em
comum entre as nuvens. Para facilitar este processo podem ser utilizadas referências no objeto, que, normalmente, são pequenas esferas coladas à peça a ser digitalizada (figura 6). Tais esferas auxiliam a identificação das áreas em comum entre as nuvens, pois através de seus centros pode ser realizado o registro.
O arquivo gerado quando se trabalha com malhas de triângulos pode ser salvo na extensão STL (de Estereolitografia), padrão para os sistemas de prototipagem rápida e compatível com os principais sistemas CAM de mercado. O tamanho do arquivo está diretamente ligado à complexidade da malha gerada.
Figura 5: Processo de montagem, em vermelho a vista superior e em verde a vista lateral.
Figura 6: Exemplo de um objeto a ser digitalizado utilizando esferas como referência para a montagem.
Também é possível gerar superfícies NURBS (Non-Uniform Rational Bézier Spline), as quais são superfícies descritas por B-Splines. As B-Splines são curvas suaves as quais possuem vetores associados a seus pontos de controle de modo a permitir cálculos matemáticos, sendo capazes de gerar qualquer tipo de curva. Através do uso de fórmulas algorítmicas, as linhas e as superfícies são ajustadas e recalculadas continuamente, tornando-se assim um sistema muito dinâmico. Este tipo de arquivo pode ser salvo no formato padrão IGES (Initial Graphics Exchange Specification) e editado mais facilmente pelos sistemas CAD/CAE/CAM atuais, permitindo diversas técnicas de análise virtual, visualização científica, animação gráfica, medições quantitativas de área, volume, massa, etc.
Existem ainda arquivos do tipo VRML (Virtual Reality Modeling Languages), os quais permitem a apresentação de objetos e mundos tridimensionais através da Internet. Esta apresentação é mais do que simplesmente mostrar objetos 3D e cenas estáticas, pois possibilita que o visitante de um mundo virtual interaja com seus objetos.
6. Algumas Aplicações da Técnica de Digitalização
Tridimensional a Laser
Inicialmente esta técnica, associada à engenharia reversa, significava fazer cópia de um produto e/ou roubar idéias, muitas vezes desrespeitando direitos autorais. Atualmente ela tem aplicações muito mais importantes devido a sua grande versatilidade, proporcionando sua utilização em diferentes áreas (CASTLE ISLAND CO, 2005).
A seguir são apresentados alguns exemplos de aplicações já estudadas pelo LdSM, mostrando a potencialidade da técnica de Digitalização Tridimensional a Laser no Design de Produto.
6.1 Aquisição de texturas naturais
A textura é o conjunto de características da superfície de um objeto, podendo ser vista também como um fator diferencial na concepção de um produto. Na natureza existem formas, princípios, propriedades e mecanismos aplicáveis no desenvolvimento de produtos, cabendo ao designer detectá-los e especificar sua aplicação, não apenas para fins estéticos, mas também com objetivos funcionais (KINDLEIN, 2004).
Segundo KINDLEIN (2004), são utilizados três métodos para desenvolver uma textura inspirada na natureza: Parametrização, Livre e Scanneamento Tridimensional a Laser, sendo que o último é o único onde se obtém a textura tátil de um elemento, tal qual a percebemos na natureza. A partir da Digitalização Tridimensional a Laser, obtém-se a textura com uma grande riqueza de detalhes, podendo ser aplicada com grande fidelidade a novos produtos.
As figuras 7 e 8 apresentam exemplos da aplicação da técnica para obtenção e aplicação de texturas em produtos industriais.
Figura 7: Couro da arraia (à esquerda), textura digitalizada e usinada em cera (ao centro) e fundida em metal (à direita).
Figura 8: Exemplo da aplicação da textura do couro da arraia na indústria joalheira.
6.2 Análises superficiais
Existem diversos tipos de análises superficiais que podem ser realizadas a partir da digitalização, entre elas podem ser citadas as medidas de desgaste, de rugosidade e de área superficial. Este tipo de análise é bastante útil, por exemplo, no controle de qualidade e na inspeção de produtos. Na Figura 9 pode ser observado o modelo 3D de um corpo de prova após um teste de desgaste e na Figura 10 sua respectiva análise por computador mostrando a profundidade do desgaste sofrido.
Figura 9: Modelo 3D do corpo de prova após o teste de desgaste.
Figura 10: Análise de profundidade do desgaste sofrido pela peça.
6.3 Medida do centro de massa
A partir do modelo tridimensional pode ser calculado o centro de massa de um objeto. Este tipo de medida foi utilizado pelo LdSM na área paleontologia. Neste caso, após ser digitalizado um modelo em argila criado com base em fósseis encontrados, se determinou seu centro de massa através de softwares CAD. A partir do posicionamento exato do centro de massa e do cálculo do volume do animal pré-histórico, foi possível, por exemplo, determinar a velocidade estimada que o mesmo atingia. Seccionando-se o modelo em diversas fatias foi possível também, calcular os momentos de resistência da coluna vertebral e determinar se o animal poderia ficar ereto (MORATO, 2005). Estes procedimentos seriam extremamente complexos ou até mesmo impossíveis sem o auxílio desta técnica.
Figura 11: Medida do centro de massa do modelo 3D
6.4 Desenvolvimento de Novos Produtos
Em posse do modelo 3D é possível editá-lo e utilizá-lo em novos produtos industriais. Neste sentido, foi desenvolvido no LdSM um pingente baseado em uma imagem da Nossa Senhora do Rosário já existente. Esta imagem foi digitalizada e editada em softwares CAD/CAM, criando-se assim um novo produto. As figuras 12, 13 e 14 mostram algumas etapas deste desenvolvimento.
Figura 12: Imagem da Nossa Senhora do Rosário.
Figura 13: Modelo 3D digitalizado
Figura 14: Produto final desenvolvido
6.5 Re-Design de produtos
A técnica também pode ser aplicada na atualização de um produto já existente, o qual pode se digitalizado, modificado e novamente produzido. Estes procedimentos são particularmente importantes nos casos em que se deseja re-desenhar ou otimizar produtos já existentes, mas dos quais não se possui informação em CAD. Deste modo torna-se possível desenvolver um produto que melhor atenda as necessidades de mercado.
6.6 Armazenamento virtual
A digitalização também é empregada para o armazenamento virtual, o qual gera redução de custos e de espaço físico, além de evitar a perda de dados devido à degradação dos modelos físicos pelo tempo. O armazenamento virtual também permite o compartilhamento via rede e o uso simultâneo dos modelos virtuais, os quais podem ser rapidamente enviados e produzidos fisicamente por sistemas de prototipagem rápida. Esta técnica ainda pode ser utilizada para a criação de bancos de dados com dados sobre obras de arte, monumentos, fachadas de prédios históricos, etc. permitindo formar uma espécie de “backup” do patrimônio histórico.
Conclusões
O Designer não deve limitar-se a utilizar apenas as técnicas e tecnologias já existentes e difundidas; deve estar na vanguarda da tecnologia e também colaborar com o desenvolvimento de novas técnicas, detectá-las e aplicá-las no processo de criação de novos produtos.
Neste contexto, a Digitalização Tridimensional a Laser vem se mostrando uma técnica que acrescenta, no processo de desenvolvimento, agilidade, qualidade e inovação. Estas características são reforçadas pela versatilidade que é inerente a técnica, a qual tem aplicações diferenciadas em diversas áreas do conhecimento.
Com o Scanner Tridimensional a Laser podem ser criados modelos virtuais de objetos, como elementos da natureza: conchas, pedras, peles, etc.; peças técnicas e de engenharia, obras de arte, pingentes, solados de sapatos, moldes, etc.. Assim, é possível gerar arquivos em diferentes
formatos, os quais permitem, entre outras aplicações, produzir o modelo em um material adequado, bem como criar e editar superfícies, desenvolvendo assim um produto totalmente novo.
Esta técnica proporciona um diferencial para o projeto de bens de consumo, criando novas possibilidades no Design. Neste campo existe ainda um grande potencial a ser explorado.
Agradecimentos
Este trabalho contou com o apoio da FINEP, CNPq e CAPES.
Referências
CASTLE ISLAND CO. Mechanical Touch-probe Systems. In: Worldwide Guide to Rapid Prototyping, 2005.
(http://home.att.net/~castleisland/scn_02.htm)
FERREIRA, J. Integration of reverse engineering and rapid tooling in foundry technology. Journal of Materials Processing Technology, n° 142, p.374-382, 2003.
IMPERIALE, Alice. New flatness: surface tension in digital architecture. Birkhäuser, 2000.
KINDLEIN, W. A Natureza como Fonte de Inspiração Para a Criação e Desenvolvimento de Texturas Aplicadas ao Design Industrial. 6º Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Design, 2004.
MORATO, L. Potencialidades do uso da Digitalização Tridimensional a Laser e Prototipagem para a Paleontologia de Vertebrados. II Congresso Latino-Americano de Paleontologia de Vertebrados, 2005.
PAHOLE, I. Rapid prototyping processes give new possibilities to numerical copying techniques. Journal of Materials Processing Technology, n° 164-165, p. 1416-1422, 2005.
PRESTON, E. CAD/CAM systems: justification, implementation, productivity measurement. Nova York: Marcel Dekker, 1984.
SOKOVIC, M. RE (reverse engineering) as necessary phase by rapid product development. Journal of Materials Processing Technology, 2005.
TEICHOLZ, E. CAD/CAM Handbook. Nova York: McGraw-Hill Book Company, 1985.
WONG, W. Princípios de Forma e Desenho. São Paulo, ed. Martins Fontes, 1998.
