Produção digital de maquetes arquitetonicas : um estudo exploratorio

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E

URBANISMO

Produção digital de maquetes arquitetônicas:

um estudo exploratório

Érica Pinheiro Vieira

Campinas, SP

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E

URBANISMO

Érica Pinheiro Vieira

Produção digital de maquetes arquitetônicas:

um estudo exploratório

Dissertação de Mestrado apresentada à Comissão de Pós-graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, na área de concentração em Arquitetura e Construção.

Orientadora: Profa. Dra. Maria Gabriela Caffarena Celani

Campinas, SP

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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

V673p

Vieira, Érica Pinheiro

Produção digital de maquetes arquitetônicas: um estudo exploratório / Érica Pinheiro Vieira.--Campinas, SP: [s.n.], 2007.

Orientador: Maria Gabriela Caffarena Celani. Dissertação (Mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.

1. Modelos arquitetônicos. 2. Modelos geométricos. I. Celani, Maria Gabriela Caffarena. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.

Título em Inglês: Digital fabrication of architectural models: an exploratory study. Palavras-chave em Inglês: Architectural models, Geometric modelling

Área de concentração: Arquitetura e Construção Titulação: Mestre em Engenharia Civil

Banca examinadora: Regina Coeli Ruschel, Anja Pratschke Data da defesa: 19/12/2007

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Dedicatória

Dedico esta minha conquista aos meus pais, Edna e Vilson, que na sua simplicidade e humildade, foram meus exemplos de fé e perseverança, e aos meus filhos adorados, João Pedro e Matheus, amor verdadeiro, suporte de afeto e estímulo constante!

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Agradecimentos

A Deus, por me dar a capacidade de enxergar sempre o caminho a seguir. À minha orientadora, professora Dra. Maria Gabriela Caffarena Celani, por acreditar em mim, por todo apoio e conhecimento recebido durante estes anos de trabalho. À FEC – Unicamp pela oportunidade e a CAPES pelo apoio financeiro, imprescindíveis

para o desenvolvimento desta pesquisa. Ao meu esposo Samuel, pelo apoio incondicional. Aos meus amigos, alunos do curso de graduação e pós-graduação da FEC, pela colaboração nos experimentos realizados no LAPAC. Aos amigos Jorge Lopes e Marcelo Oliveira, pela colaboração nos experimentos realizados no CenPRA. Àqueles que, mesmo não citados aqui, sabem que de forma direta ou indireta tiveram participação para que esta pesquisa se efetivasse.

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If we knew what it was we were doing, it would not be called research, would it?

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Resumo

VIEIRA, Erica Pinheiro. Produção digital de maquetes arquitetônicas: um estudo

exploratório. Campinas, 2007. 112 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) -

Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas.

Este trabalho consiste em um estudo exploratório sobre a produção digital de maquetes arquitetônicas. Inicialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica com a finalidade de conhecer os novos métodos de produção digital de maquetes, incluindo software de modelagem e equipamentos de prototipagem rápida. Nesse estudo inicial, além de explorar os principais equipamentos, processos, aplicações e materiais, identificou-se dois arquitetos renomados que fazem uso dessa tecnologia nos seus processos de projeto: Frank Gehry e Norman Foster. Deste estudo verificou-se processos distintos de projeto e diferentes abordagens sobre a utilização dessas ferramentas, o que motivou a realização de experimentos para exemplificar como produzir digitalmente maquetes arquitetônicas. O Museu Guggenheim de Bilbao, de Frank Gehry, foi escolhido como variável fixa para realização dos experimentos de produção digital de maquetes, por ser um modelo de grande complexidade, permitindo testar os limites dos equipamentos de prototipagem rápida disponíveis no Laboratório de Prototipagem para Arquitetura e Construção (LAPAC) da FEC – Unicamp e no Centro de Pesquisas Renato Archer (CenPRA). Além disso, foram testadas diferentes técnicas e materiais, inclusive materiais alternativos, com o objetivo de viabilização econômica. Os resultados comprovaram que o processo de produção digital de maquetes arquitetônicas é viável em termos de procedimentos, de custo, de materiais disponíveis no mercado, qualidade das maquetes produzidas e rapidez na execução. A partir das conclusões obtidas nos experimentos realizados foi elaborado um caderno de recomendações para a confecção de maquetes que será utilizado pelos usuários do LAPAC e que servirá como importante ferramenta de auxílio para os iniciantes na produção digital de maquetes arquitetônicas. Espera-se que os resultados desta pesquisa possam auxiliar a estabelecer diretrizes para a incorporação dessas técnicas e equipamentos em disciplinas de projeto e na prática de arquitetura.

viii

Abstract

VIEIRA, Erica Pinheiro. Produção digital de maquetes arquitetônicas: um estudo

exploratório. Campinas, 2007. 112 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) -

Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas.

The present work is an exploratory study about the digital fabrication of architectural models. It started with a literature review, with the aim of getting in contact with the new digital methods for making models and prototypes, from modeling software to rapid prototyping equipment, processes, materials and applications. Still in this initial study the work of two well-known architects, Frank Gehry and Norman Foster, who use rapid prototyping techniques in their design process, was analyzed. From this part of the research it was possible to conclude that the different approaches that architects have to the design process is reflected in the way they use digital techniques for making their models. The second part of the research consisted of a series of experiments with the objective of illustrating the digital production of architectural models. For these experiments, Frank Gehry´s Guggenheim Museum in Bilbao was chosen as a fixed variable for the production of models, due to its geometric complexity, which allowed to push the use of the available rapid prototyping equipment to their limits. Only the equipment available at FEC-UNICAMP´s (Laboratório de Prototipagem para Arquitetura e Construção - LAPAC) and CENPRA´s (Laboratório de Prototipagem Rápida do Centro de Pesquisas Renato Archer) laboratories were used. They consisted of a 3d printer, a fusion deposition modeller (FDM) machine, and a laser cutter. Different techniques and materials were tested in these machines, with the objective of evaluating the quality and economic viability of the resulting models. The results showed that the digital production of architectural models is viable for use in Brazilian architecture schools, in terms of procedures, cost, availability of materials, time spent and quality of the models. Finally, a manual with recommendations and tips was produced, with the aim of helping students build their own models using rapid prototyping equipment. We hope that the results of this research will help guiding the incorporation of these techniques in architecture education and practice in Brazil.

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Lista de figuras

Página 2.1 A gramática da forma das Casas de Pradaria de Frank Lloyd Wright

(KONING; EINSENBERG, 1981) ...

8

2.2 Desenvolvimento de fractais (TERZIDIS, 2006) ... 8

2.3 Fractais em duas e três dimensões (YESSIOS, 1987) ... 8

2.4 Processo tradicional de projeto (FISCHER; HERR, 2001) ... 9

2.5 Projeto generativo (FISCHER; HERR, 2001) ... 9

2.6 Cardiff Opera House (LYNN, 2006) ... 10

2.7 Triple Bridge Gateway (LYNN, 2006) ... 10

2.8 Método proposto por Blanther (1892) ... 12

2.9 Método proposto por DiMatteo (1976) ... 13

2.10 Pose para uma fotoescultura em 1860 (BOGART, 1979) ... 13

2.11 Processo fotográfico usado na reprodução de objetos tridimensionais (BAESE, 1904) ... 14

2.12 Processo para manufaturar um relevo (MORIOKA, 1935; 1944) ... 14

2.13 Processo para reproduzir um objeto tridimensional (MUNZ, 1956) ... 15

2.14 Processo de fotoescultura usando intersecção de feixes de laser (SWAENSON, 1977)... 15

2.15 Processo com pó e feixes de laser proposto por Ciraud (1977) ... 16

2.16 Esquema dos sistemas estudados por Kodama (1981) ... 16

2.17 Processo baseado em fotopolímeros de Herbert (1982) ... 17

2.18 Solid Photography (BOGART, 1979) ... 17

2.19 Cortadora a laser M-300 da Universal Laser Systems (UNIVERSAL LASER SYSTEMS, 2006) ... 18

2.20 Cortadora a jato de água da OMAX Systems (OMAX SYSTEMS) ... 18

x

2.22 Esquema para a cortadora a laser (SASS, 2006g) ... 19

2.23 Exemplo de objeto feito com a cortadora a laser (SASS, 2006g) ... 19

2.24 Exemplo de objeto metálico feito com a cortadora a jato de água (KILIAN, 2003) ... . 19 2.25 Exemplo de objeto de policarbonato cortado com a cortadora a jato de água (KILIAN, 2003) ... 19

2.26 Exemplo de objeto feito com a cortadora de vinil (SASS, 2006g) ... 20

2.27 Exemplo de objeto feito com a cortadora de vinil (MIT, 2006a) ... 20

2.28 Modela Miller (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006b) ... 20

2.29 Exemplo de utilização da Modela Miller (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006c)... 20

2.30 Denford Miller (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006d)... 21

2.31 Exemplo da utilização da Denford Miller (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006e) ... 21

2.32 Esquema básico do processo de estereolitografia (CIMJECT, 2006a) .. 22

2.33 Protótipo de jóia confeccionado em SL (3D SYSTEMS, 2006a) ... 22

2.34 Sistema SL da 3D Systems (3D SYSTEMS, 2006b) ... 22

2.35 Sistema FDM da Stratasys (STRATASYS, 2006) ... 23

2.36 Esquema básico do processo FDM (CIMJECT, 2006b) ... 23

2.37 Exemplo de objeto feito em FDM (SASS, 2006g) ... 24

2.38 Esquema básico do processo 3D Printing (CIMJECT, 2006c) ... 24

2.39 Sistema 3DP da ZCorporation (ZCORP, 2006) ... 25

2.40 Exemplo de objeto feito em 3DP (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006f) ... 25

2.41 Maquete arquitetônica feita em SL (PROTOTYPE MAGAZINE, 2006)... 29

2.42 Exemplo de aplicação do processo FDM (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006g) ... 29

2.43 Maquete arquitetônica feita em 3DP (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006h) ... 29

xi

2.44 Maquete topográfica feita com fresa – Modela Miller

(ARCHITECTURAL MODELS, 2006) ... 29

2.45 Exemplo de aplicação da fresa – Denford Miller (DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006i) ... 29

2.46 Maquete topográfica feita com cortadora a laser (HOWARD MODELS, 2006) ... 29

2.47 Exemplo de aplicação da cortadora de vinil (MIT, 2006a) ... 29

2.48 Exemplo de aplicação da cortadora a jato de água (MIT, 2006b) ... 29

2.49 Exemplo de objeto feito com a cortadora a laser e com FDM (MIT, 2006c)... 30

2.50 Digitalizador 3D da Spatium Tecnologia 3D Ltda. (SPATIUM, 2006a)... 30

2.51 Objetos digitalizados pelo Orcus 3D Scanner (SPATIUM, 2006b) ... 31

2.52 Contour Crafting (KHOSHNEVIS, 2004) ... 31

2.53 Formas de expressão utilizadas no processo de projeto (MITCHELL; McCULLOUGH, 1995) ... 32

2.54 Processo de projeto esquematizado por Sass (2006a) ... 33

2.55 Processo de projeto de Frank Gehry ... 34

2.56 Primeiro modelo arquitetônico digitalizado por Gehry – Barcelona Fish (SHELDEN, 2002) ... 35

2.57 Aquisição de dados através de um scanner 3D a laser (GLYMPH et al, 2004) ... 36

2.58 Estudos de insolação (SHELDEN, 2002) ... 36

2.59 Estudos no túnel de vento (SHELDEN, 2002) ... 36

2.60 Modelo digital e modelo prototipado (SHELDEN, 2002) ... 37

2.61 Desenhos 2D extraídos do modelo 3D CATIA (SHELDEN, 2002) ... 38

2.62 Reintegração de informações em 2D e 3D (SHELDEN, 2002) ... 38

2.63 Processo de construção de superfície encurvada (SASS, 2006c) ... 39

2.64 Diferentes padrões dos painéis de fachada das obras de Gehry (SHELDEN, 2002) ... 40

xii

2.65 Estrutura racionalizada do Guggenheim Bilbao (SASS, 2006d) ... 41

2.66 Estrutura do Disney Concert Hall (SASS, 2006d) ... 41

2.67 Estrutura do Experience Music Project (SASS, 2006d) ... 42

2.68 Processo de projeto de Norman Foster ... 43

2.69 Generative Components (SASS, 2006e) ... 44

2.70 Biblioteca da Universidade Livre de Berlim (MAKOVSKY, 2006) ... 45

2.71 Vista interna da biblioteca da Universidade Livre de Berlim (MAKOVSKY, 2006) ... 46

2.72 Vista externa da biblioteca da Universidade Livre de Berlim (MAKOVSKY, 2006) ... 46

2.73 The Berlim Brain – modelo confeccionado em SL (3TRPD, 2006)... 46

2.74 Processo de Gehry – semelhante ao Playmobil (SASS, 2006f) ... 49

2.75 Processo de Foster – semelhante ao Lego (SASS, 2006f) ... 49

3.1 Maquete produzida pelo método top down no escritório de Frank Gehry (SASS, 2006h)... 50

3.2 Sistema construtivo do envelope da Swiss Re (JOO; KOVIDVISITH, 2006)... 51

4.1 Museu Guggenheim de Bilbao (ITEA, 2007)... 55

4.2 Modelo trabalhado no SketchUp – planta do museu (EL CROQUIS, 1995); foto da maquete (PIROUX, 2007)... 57

4.3 Modelo trabalhado no SketchUp – planta do museu (EL CROQUIS, 1995); foto do museu (SASS, 2006a); foto aérea (GREAT BUILDINGS, 2007)... 58

4.4 Modelo trabalhado no SketchUp – foto aérea (GREAT BUILDINGS, 2007); foto do museu (WIKIPEDIA, 2007)... 58

4.5 Modelo finalizado no SketchUp... 59

4.6 Erros na estrutura do modelo, detectados no software ZPrint... 59

4.7 Erros na estrutura do modelo, detectados no software ZPrint... 60

xiii

4.9 Modelo trabalhado no AutoCAD através de superfícies contínuas... 61

4.10 Modelo finalizado no AutoCAD... 62

4.11 Modelo finalizado em 3D Wireframe no AutoCAD... 62

4.12 Inversão dos vetores normais detectados no software Zprint... 63

4.13 Modelo corrigido e finalizado no software ZEdit... 64

4.14 Redesenho das faces superiores e inferiores do volume em polylines.. 65

4.15 Utilização do comando loft para construção do volume sólido... 66

4.16 Modelo criado com sólidos utilizando o comando loft... 67

4.17 Modelo visualizado em 3D Wireframe... 67

4.18 Modelo fabricado conforme as instruções do fabricante... 69

4.19 Modelo fabricado conforme as instruções do fabricante... 70

4.20 Parte do modelo testada na impressora 3D, com material recomendado pelo fabricante... 74

4.21 Primeiros testes utilizando gesso comum... 74

4.22 Uma das alternativas analisadas nos testes... 74

4.23 Limpeza do modelo prototipado em gesso... 74

4.24 Modelo prototipado submetido a lavagem em água corrente... 74

4.25 Modelo final obtido com a utilização do gesso... 74

4.26 Processo de fabricação na FDM hachurado (shell)... 75

4.27 Maquete prototipada na FDM ainda com os suportes... 75

4.28 Modelo finalizado na FDM... 76

4.29 Pepakura Designer (MITANI; SUZUKI, 2004)………... 77

4.30 Desenvolvimento no programa Pepakura Designer (19.074 faces)... 78

4.31 Resultado do desdobramento aberto no AutoCAD... 80

4.32 Cortadora a laser em funcionamento... 80

xiv

4.34 Peças do modelo do Museu Guggenheim de Bilbao cortadas na

cortadora a laser... 80

4.35 Checando o comando check corresponding face no Pepakura... 80

4.36 Verificando o comando connect faces no Pepakura... 80

4.37 Peças montadas e fixadas com fita adesiva... 81

4.38 Modelo em fase de montagem no papel cartão... 81

4.39 Modelo finalizado em papel cartão... 81

4.40 Interface do AutoSlice……….. 82

4.41 Modelo fatiado no AutoSlice... 84

4.42 Fatias do modelo espalhadas pelo AutoSlice... 84

4.43 Cortadora a laser cortando o papel cartão... 85

4.44 Colagem das camadas... 85

4.45 Colagem das camadas... 85

4.46 Colagem das camadas... 85

4.47 Maquete finalizada em papel cartão... 86

4.48 Cortadora a laser cortando o acrílico... 86

4.49 Colagem das camadas em acrílico... 86

4.50 Maquete finalizada em acrílico... 93

5.1 Treliça confeccionada no processo FDM – IST Lisboa (PUPO, 2007)... 93

5.2 Treliça confeccionada no processo 3DP – LAPAC ... 108

xv

Lista de tabelas

Página 2.1 Níveis de elaboração de maquetes – adaptada

(KNOLL; HECHINGER, 2003) ...

5 2.2 Principais características das máquinas de prototipagem rápida

utilizadas em arquitetura ...

26 3.1 Materiais utilizados nos experimentos de modelagem geométrica... 52 3.2 Equipamentos utilizados nos experimentos de produção de maquetes

físicas... 53 3.3 Alternativas geradas de acordo com equipamento utilizado... 54 4.1 Variáveis envolvidas no processo de impressão 3D... 72 5.1 Tabela comparativa dos experimentos de produção das maquetes

físicas... 89 5.2 Ordenação dos modelos resultantes em relação às variáveis... 91

xvi

Sumário

2.1. A maquete no processo de projeto... 4

2.1.1. Maquetes – modelagem manual como instrumento de projeto... 4

2.1.2. Maquetes eletrônicas – Prototipação virtual como instrumento de projeto... 6

2.2. Sistemas generativos no processo de projeto... 7

2.3. A prototipagem rápida (PR)... 10

2.3.1. A história da prototipagem rápida... 11

2.3.2. Principais processos atuais de prototipagem rápida... 18

2.3.3. A incorporação da PR no processo de projeto de arquitetura... 32

2.4. O Método de Frank Gehry ………... 34

2.5. O Método de Norman Foster ………... 43

2.6. Análise comparativa dos métodos de Gehry e Foster... 47

3. METODOLOGIA... 50

3.1. Locais de experimentação... 52

3.2. Materiais utilizados... 52

4. EXPERIMENTOS ... 55

4.1 Desenvolvimento da modelagem geométrica tridimensional... 55

xvii

4.1.2. Modelagem no AutoCAD 2006 com superfícies... 61

4.1.3. Modelagem no AutoCAD 2007 com sólidos... 64

4.2 Experimentos de produção de maquetes físicas... 68

4.2.1. 1º Experimento – Impressão na ZCorp com pó zp130... 68

4.2.2. 2º Experimento – Impressão na ZCorp com outros materiais... 71

4.2.3. 3º Experimento – Impressão na FDM... 75

4.2.4. 4º Experimento – Cortadora a laser + Pepakura Designer... 77

4.2.5. 5º Experimento – Cortadora a laser + AutoSlice... 82

5. ANÁLISE E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS... 88

6. CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 94

6.1. Aplicações da pesquisa... 95

6.2. Trabalhos futuros... 95

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 96

APÊNDICES... 103

Apêndice A – Testes na impressora 3D ZCorp com gesso odontológico... 104

Apêndice B – Caderno de recomendações... 105

Apêndice C – Minicurso “Produção automatizada de maquetes arquitetônicas” – 11ª Semana da Engenharia Civil – FEC/UNICAMP... 108

ANEXOS... 109

1

1. INTRODUÇÃO

Arquitetos sempre buscaram diferentes meios para expressar seus projetos. Tradicionalmente, desenhos e maquetes manuais, sempre foram os meios mais utilizados no processo de exploração de soluções.

O modelo físico, por séculos, serviu como intermediário entre projetos complexos e a prática construtiva. Sass (2006g) cita que arquitetos da Renascença usavam modelos físicos para descrever as formas dos edifícios e suas técnicas construtivas. A execução destes modelos através de técnicas tradicionais de maquetaria sempre foi um exaustivo e demorado processo manual de translação do desenho para a representação física, com materiais difíceis de serem manipulados e com resultados nem sempre precisos.

Atualmente, inúmeras ferramentas CAD (Computer Aided Design) possibilitam aos arquitetos criar e representar virtualmente suas formas através de maquetes eletrônicas e sofisticadas produções fotorrealísticas. Isso se deve, entre outras coisas, à facilidade de desenvolvimento de modelos 3D e à grande disponibilidade de recursos de rendering. Esses recursos tridimensionais do CAD são vantajosos porque permitem perceber conflitos que seriam difíceis de prever em desenhos bidimensionais. Porém, se por um lado o uso da modelagem geométrica tridimensional tem aspectos positivos, por outro, apresenta aspectos negativos, como distorções de perspectiva, o que torna a percepção do espaço diferente da realidade.

Toda essa facilidade de visualização oferecida pelas ferramentas CAD, contudo, tem ocasionado a redução do uso da maquete física, que é mais trabalhosa e leva muito mais tempo para ser construída. Este é um fato preocupante porque certas características da maquete física, como a manipulação direta de diferentes materiais e a interação entre as pessoas envolvidas no projeto, não podem ser substituídas por uma modelagem geométrica tridimensional.

Hoje, a tecnologia permite que se aproveite as características positivas dos modelos geométricos tridimensionais e das maquetes físicas através de um processo integrado: a produção automatizada de maquetes arquitetônicas.

2

Este processo utiliza como ferramenta a tecnologia da prototipagem rápida (PR), que permite a produção automatizada, rápida e detalhada de modelos físicos, analíticos ou representativos, e componentes construtivos a partir modelos geométricos tridimensionais, servindo de ponte entre a representação/produção física e computacional do projeto.

Esta tecnologia, que se utiliza de ferramentas de software e de hardware (CAD/CAM) para o projeto e fabricação assistidos por computador, não é totalmente nova. Sua evolução vem ocorrendo desde a década de 50, quando os primeiros computadores começaram a ser utilizados no projeto e fabricação de automóveis e aeronaves. Porém, só recentemente a prototipagem rápida (PR) vem sendo introduzida como poderosa ferramenta de representação e produção de arquitetura, e segundo Kolarevic (2001), está modificando não só o processo de projeto, mas também a forma do edifício e o seu processo construtivo.

De acordo com Mitchell e Mccullough (1995), a utilização da prototipagem rápida redefine o relacionamento entre projeto e produção: além de eliminar muitas das restrições geométricas impostas pelos métodos tradicionais de projeto e produção, permite que o projetista experimente formas, materiais e processos antes da decisão final.

A integração do projeto, análise e fabricação dos edifícios através da prototipagem rápida traz a oportunidade de reintegração das disciplinas arquitetura, engenharia e construção, num empreendimento colaborativo e interdisciplinar (KOLAREVIC, 2001), e assim “estabelece uma ponte entre a fenda que se abre entre o projeto e a produção quando o projetista começa a desenhar” (MITCHELL; McCULLOUGH, 1995).

Em alguns países, em especial nos Estados Unidos, são comuns as discussões e pesquisas no campo da tecnologia CAD/CAM (software e produção) em escolas e centros de pesquisa em arquitetura, como a School of Architecture and Planning do MIT e a Graduate School of Design de Harvard.

No Brasil, a utilização da prototipagem rápida pode ser considerado ainda incipiente e restrita ao desenvolvimento de peças para a indústria mecânica. Na área educacional a prototipagem rápida se restringe às escolas de engenharia mecânica,

3

desenho industrial e ao estudo da paleontologia. Outra aplicação da prototipagem rápida no Brasil tem se dado na área médico-odontológica, no desenvolvimento de próteses para cirurgias de reconstrução bucomaxilofacial (SILVA et al, 2006).

O uso restrito da PR no Brasil se deve principalmente ao seu elevado custo, pois ainda dependemos de maquinário e material de consumo importados, o que inviabiliza, do ponto de vista econômico, o uso dessa técnica para a produção de modelos e maquetes que poderiam ser confeccionados por meios artesanais com a mesma precisão porém a custos mais baixos. As aplicações nas áreas citadas acima só se justificam porque trazem ganhos econômicos superiores aos gastos com a PR ou porque permitem realizar procedimentos médicos capazes de salvar vidas.

Na arquitetura, no entanto, o custo de uma maquete produzida por PR só se justifica se houver a necessidade de produção de formas muito complexas, impossíveis de se produzir por técnicas tradicionais. Por esse motivo, ainda é praticamente inexistente o uso da PR voltado à arquitetura no Brasil. Outro provável fator é a inexistência de laboratórios de PR para arquitetura e a falta de experiência no desenvolvimento de maquetes e na incorporação da técnica no processo de projeto em arquitetura (CELANI et al, 2007).

Tendo em vista todos estes fatores, os quais justificam esta pesquisa, o presente trabalho objetiva realizar um estudo exploratório sobre a produção digital de maquetes, para conhecer e testar os limites de cada equipamento na execução de formas de grande complexidade, visando o estabelecimento de diretrizes para a viabilização (em termos de procedimentos, de custo, de materiais disponíveis no mercado, técnicas, qualidade das maquetes produzidas, rapidez de execução, etc.) desse tipo de equipamento em disciplinas de projeto e na prática de arquitetura.

4

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 A maquete no processo de projeto

2.1.1 Maquetes – Modelagem manual como instrumento de projeto

A idéia de que o artista dá forma a seus materiais tem suas origens na teoria das idéias de Platão. Platão sugeria que os objetos físicos imitam, de maneira imperfeita, as idéias abstratas e perfeitas. Na obra Metafísica, Aristóteles apresentava uma nova versão desta doutrina, de acordo com a qual uma forma existiria primeiramente na mente de um artista, que então a passaria para a matéria (MITCHELL, 1996).

De acordo com Rozestraten (2006), ao longo da história da arquitetura, na produção arquitetônica que pretendia ultrapassar estilos, modismos e modelos prévios em prol de novas soluções espaciais e construtivas, a modelagem tridimensional sempre esteve integrada como um recurso indispensável de projeto. Existem diversos exemplos do uso criativo de modelos em escala, confeccionados em diferentes materiais, desde a antiguidade, passando por Brunelleschi (séc. XV), Michelangelo (séc. XVI), Gerrit Rietiveld e Moholy-Nagy nos anos 20 e o grupo Archigram entre os anos 50 e 70.

A maquete constitui-se em uma linguagem diferente daquela do desenho. Por essa razão, ela tem condições de articular e descrever de modo diferente cada idéia do projeto arquitetônico. A maquete possui especialmente a capacidade de documentar a idéia espacial – e por conseguinte, o cerne do projeto arquitetônico – de modo tridimensional e com recursos espaciais/plásticos, tanto para o observador quanto para o projetista, o que significa uma vantagem enorme em relação ao desenho (KNOLL; HECHINGER, 2003).

Existem vários tipos de maquetes que fazem parte do processo de projeto. Segundo Knoll e Hechinger (2003), as maquetes podem ser tematicamente classificadas em três grupos: maquetes topográficas, maquetes de edificações e maquetes específicas.

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As topográficas compreendem as maquetes de terreno, de paisagem e de jardim. O grupo das maquetes de edificações subdivide-se em maquetes urbanísticas, de edifícios, de estrutura, de interiores e de detalhes; as maquetes específicas são as relacionadas ao design, móveis e objetos de outra espécie.

Segundo Ryder et al. (2002) pode-se distinguir três objetivos para o uso da maquete:

a) Projeto Conceitual: modelos simplificados, com materiais simples para estudo da forma e massa;

b) Planejamento: modelos um pouco mais detalhados para analisar o conjunto da volumetria e seu impacto em relação à implantação. São confeccionados com materiais um pouco mais robustos como papel e madeira;

c) Projeto Final: modelos detalhados, normalmente utilizados para apresentação ao público. São confeccionados com materiais e texturas bem próximos do modelo real.

Knoll e Hechinger (2003), sugerem que estes três níveis de elaboração correspondem aproximadamente aos três estágios do processo de projeto:

Tabela 2.1 – Níveis de elaboração de maquetes - Adaptada (KNOLL; HECHINGER, 2003)

1º Nível pré-projeto esboço de idealização maquete de idealização

2º Nível projeto projeto de construção maquete de trabalho

3º Nível execução planejamento de execução maquete de execução

As maquetes também são utilizadas para estudos específicos como: a) testes em túnel de vento: maquetes em escala reduzida para avaliar a

estabilidade da estrutura;

b) Testes com heliodon: maquetes em escala reduzida para o estudo da orientação dos volumes e localização das aberturas;

c) Estudos dos sistemas estruturais: maquetes em escala reduzida para auxiliar o cálculo estrutural;

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d) Mock-ups: maquetes em escala real para o estudo de componentes estruturais em projetos complexos.

2.1.2 Maquetes eletrônicas – Prototipação virtual como instrumento

de projeto

Na década de 80, a popularização do computador pessoal, a disseminação de programas de modelagem geométrica tridimensional (pacotes CAD), de renderings e de animações tornaram possíveis produções fotorrealísticas sofisticadas e a chamada “maquete eletrônica” passou a ser adotada pelos arquitetos como forma de avaliação e representação do projeto arquitetônico.

A prototipação virtual (FEIJÓ et al., 2001), comumente chamada de “maquete eletrônica” é o processo de construção de um artefato virtual completo, de forma que problemas de projeto e manufatura possam ser antecipados e discutidos em um ambiente de projeto, sustentado por uma ferramenta CAD (GOMES et al., 2006).

A evolução desse processo de construção de artefatos virtuais em ambiente gráfico-computacional está diretamente relacionado com a evolução de equipamentos de hardware e software nas últimas décadas.

Apesar de ser um recurso percebido apenas pela leitura visual e representada no plano bidimensional da tela do computador, esse processo também conhecido como modelagem geométrica tridimensional foi rapidamente adotado como ferramenta de projeto. Essa rápida assimilação deve-se a vários fatores como, por exemplo, a facilidade de manipular o objeto, visualizar as soluções de projeto, detectar interferências indesejadas, criar alternativas e simular a realidade em uma representação detalhada e quase fiel do objeto (KOWALTOWSKI et al., 2006).

KOWALTOWSKI et al. (2006) afirmam que as formas arquitetônicas nos últimos anos estão cada vez mais complexas, podendo-se concluir que o uso da modelagem geométrica tridimensional através da utilização de sistemas CAD no processo de projeto contribuiu para o desenvolvimento e experimentação de formas mais complexas e paradoxalmente também impulsionou um retorno ao uso de modelos físicos nesse processo.

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Hoje, segundo Rozestraten (2006), a crítica aos limites da informática abre espaço para a pesquisa de relações complementares entre o desenho manual, as representações eletrônicas e a modelagem. Na prática, os recursos eletrônicos 3D não resolveram – e a princípio não resolverão sozinhos – a questão da representação tridimensional.

2.2

Sistemas generativos no processo de projeto

A utilização de regras no processo de projeto arquitetônico não é um fato inédito. Desde Vitrúvio, regras de composição têm sido propostas como mecanismos generativos da forma arquitetônica.

Nos textos de Vitrúvio, Serlio, Scamozzi e Vignola, dava-se grande importância às ordens, e seu uso funcionava como uma gramática de regras subjacentes a serem respeitadas. As regras de proporção estabeleciam restrições e fixavam relações precisas entre as dimensões horizontais e verticais dos elementos do projeto como as colunas, o entablamento, a posição e proporção das aberturas, etc (IVANÓSKI, 2004).

Embora os sistemas de proporção clássicos tenham caído em completo desuso, outros sistemas de regras aplicáveis à produção da forma arquitetônica foram desenvolvidos, como o método projetual de Durand no século XVIII e o sistema Modulor de LeCorbusier no início do séc. XX. Mais recentemente, têm surgido um novo tipo de sistema de geração da forma que apresenta ênfase nas regras de composição e não no produto final. Esses sistemas são conhecidos como "sistemas generativos" (generative

design systems) ou simplesmente GD. Um exemplo de sistema generativo é a “shape-grammar” (gramática da forma), desenvolvida por Stiny e Gips na década de 1970, que,

além de servir como sistema de geração de novas formas, tem sido também aplicado à análise da arquitetura (CELANI, 2004).

A Shape-grammar de Koning e Eizenber (1981), por exemplo, faz uma análise das regras de composição da linguagem de Frank Lloyd Wright em suas “praire houses” (figura 2.1).

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Figura 2.1 – A gramática da forma das casas de pradaria - Frank Lloyd Wright (KONING; EINZENBERG, 1981)

Um dos fatores que levaram a esse novo interesse pelo projeto baseado em regras é a possibilidade de implementação dessas regras em computador. A introdução do computador no processo de projeto tornou possível o aumento da complexidade formal dos projetos arquitetônicos. Por meio do uso do computador para a aplicação sucessiva de regras é possível obter formas cuja complexidade vai além da capacidade de raciocínio espacial do ser humano. Mesmo uma única regra de transformação geométrica muito simples é capaz de dar origem a formas extremamente complexas quando reaplicada muitas vezes, como acontece na produção de fractais (figuras 2.2 e 2.3).

Figura 2.2 – Desenvolvimento de Fractais (TERZIDIS, 2006, p.93)

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Embora sua utilização não esteja restrita a ferramentas digitais, o GD encontrou no computador um parceiro especialmente apropriado para gerar automaticamente uma grande quantidade de soluções em forma de representações digitais permitindo a avaliação antes da sua modelagem (física), produção ou aplicação. Enquanto no processo tradicional (figura 2.4) o designer atua diretamente sobre o produto final, no projeto generativo (figura 2.5) o papel principal do designer é o de criar as regras de composição (ou de evolução) que, quando aplicadas, podem gerar não apenas um, mas diversos produtos com características semelhantes. Daí seu grande potencial de aplicação no desenho do objeto e da construção industrializados (FISCHER; HERR, 2001).

Figura 2.4 – Processo tradicional de projeto

(FISCHER; HERR, 2001)

Figura 2.5 – Projeto generativo

(FISCHER; HERR, 2001)

Além da geometria de fractais e das shape grammars, outro exemplo de sistemas generativos que vêm sendo utilizados por arquitetos são os algoritmos genéticos e outras formas de computação evolucionária (CELANI, 2004). Através da utilização destes sistemas, arquitetos têm conseguido sofisticação, novidade, originalidade e exclusividade em complexas formas. De acordo com Terzidis (2006), apesar da complexidade das formas resultantes, a manifestação formal destes processos são em geral simples. O termo algoritmo é freqüentemente associado à complexidade. Enquanto o objetivo ou resultado de um algoritmo pode ser complexo, a sua estratégia é empregar significados simples para criar estruturas complexas. A utilização de sistemas similares pode ser verificada nas obras do arquiteto Greg Lynn (figuras 2.6 e 2.7).

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Figura 2.6 – Cardiff Opera House (LYNN, 2006a) _{Figura 2.7 – Triple Bridge Gateway (LYNN, 2006b)}

A análise visual destes projetos através da tela do computador exige um enorme esforço do cérebro humano para transformar a imagem plana da tela em uma idéia de volume 3D e a materialização desses modelos computacionais através de maquetes construídas manualmente seria uma tarefa praticamente impossível. Porém, mais recentemente, a prototipagem rápida (PR) tem possibilitado a produção automatizada de modelos físicos, analíticos ou representativos, e componentes construtivos a partir das formas modeladas no computador.

2.3 A prototipagem rápida (PR)

De acordo com Saura (2003), define-se como prototipagem toda ação ou processo de obtenção de uma cópia de um produto que se deseja fabricar, antes da sua efetiva produção, denominando-se este objeto obtido como protótipo.

O protótipo é uma parte essencial do ciclo de desenvolvimento de um produto. É utilizado para analisar a forma, montagem e funcionalidade do projeto antes que um investimento significativo seja feito.

Prototipagem rápida é o nome mais comum dado às tecnologias correlatas que são usadas para fabricar objetos físicos diretamente de um arquivo tridimensional produzido em CAD (SAURA, 2003). Essa tecnologia permite aos projetistas criar rapidamente protótipos concretos a partir de seus projetos, ao invés de figuras bidimensionais. Estima-se que a economia de tempo e de custo proporcionada pela aplicação das técnicas de prototipagem rápida na construção de modelos seja 70 a 90% (GORNI, 2006).

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Ainda de acordo com Gorni (2006), as mesmas técnicas de prototipagem rápida podem ser usadas para a fabricação de ferramentais, um processo também conhecido como ferramental rápido, ou seja, a fabricação automática de ferramentas para uso na produção em série. A produção de ferramentas é uma das etapas mais lentas e cara no processo de manufatura, em função da qualidade extremamente alta que se exige delas. Ferramentas geralmente apresentam geometrias complexas e precisam ser dimensionalmente precisas, em centésimos de milímetros.

O termo “rápido” associado a esses processos é relativo. A construção de alguns protótipos pode levar de 3 a 72 horas, dependendo do tamanho e complexidade do objeto. Ainda assim esses processos são bem mais rápidos que os métodos tradicionais, que podem requerer dias ou mesmo meses para fabricar um único protótipo.

2.3.1 A história da prototipagem rápida

Segundo Prinz et al. (1997) a tecnologia da PR se originou de duas áreas técnicas distintas: a topografia e a fotoescultura. No que diz respeito à topografia, em 1890, Blanther (1892 apud PRINZ et al., 1997) sugeriu um método baseado em camadas para fazer um molde para mapas topográficos com relevo. O método consistia na impressão de linhas topográficas do contorno em uma série de placas de cera, cortar essas placas de cera na linha de contorno, e então empilhá-las e alisar as seções em cera. Isto produzia superfícies positivas e negativas que correspondiam ao terreno indicado pelas linhas de contorno. Depois de aplicado o revestimento protetor nessas superfícies, um mapa de papel impresso é então pressionado entre as formas positivas e negativas para criar um mapa com relevo (figura 2.8).

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Figura 2.8 – Método proposto por Blanther (1892)

Um método similar foi proposto por Perera (1940 apud PRINZ et al., 1997), onde os contornos eram marcados e cortados em papel cartão e então eram empilhados e colados para formar o mapa tridimensional. Refinamentos destas técnicas foram apresentados por Zang (1964 apud PRINZ et al., 1997) que sugeria o uso de placas transparentes com o detalhe topográfico inscrito em cada placa, e também por Gaskin (1973 apud PRINZ et al., 1997) que descreveu um dispositivo tridimensional para ser aplicado no ensino de geologia. Em 1972, Matsubara da Mitsubishi Motors (1974 apud PRINZ et al., 1997) propôs um processo topográfico que usava materiais foto-enrijecedores. Neste processo, uma resina de foto-polímero reveste partículas refratárias (por exemplo areia ou pó de grafite), que então são espalhadas em uma camada e aquecidas para formar uma chapa. A luz (uma lâmpada de vapor de mercúrio, por exemplo) seletivamente é projetada ou “escaneada” nesta camada para endureder uma porção definida dela. A parte não aproveitada é sempre dissolvida por um solvente. As camadas formadas são empilhadas e subseqüentemente unidas umas as outras para formar um molde. Em 1974, DiMatteo (1976 apud PRINZ et al., 1997) reconheceu que estas mesmas técnicas de empilhamento poderiam ser utilizadas para produzir superfícies difíceis de serem fabricadas por operações tradicionais. As folhas metálicas são cortadas com uma fresa de corte e agregadas com parafusos ou hastes, processo similar ao do século 19 (figura 2.9).

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Em 1979, o professor Nakagawa da universidade de Tokyo começou a usar técnicas da laminação para produzir ferramentas com cavidades (NAKAGAWA et al., 1979 apud PRINZ et al., 1997), ferramentas de impressão (KUNIEDA; NAKAGAWA, 1984 apud PRINZ et al., 1997) e ferramentas do molde de injeção (NAKAGAWA et al., 1985 apud PRINZ et al., 1997).

Já a fotoescultura surgiu no século 19, na tentativa de criar réplicas tridimensionais exatas de objetos, inclusive de formas humanas (BOGART ,1979 apud PRINZ et al., 1997). Uma realização razoavelmente bem sucedida desta tecnologia foi projetada por Frenchman François Willème em 1860. No seu método, uma pessoa ou objeto é colocado em uma sala circular e fotografado simultaneamente por 24 câmeras distribuídas pela sua circunferência (figura 2.10). A silhueta de cada fotografia é usada então por um artesão para esculpir 1/24 da porção cilíndrica da imagem.

Figura 2.9 – Método proposto por DiMatteo (1976) Figura 2.10 – Pose para uma fotoescultura em 1860

(BOGART, 1979)

Numa tentativa de melhorar o trabalho intensivo que é esculpir uma fotoescultura, no método de Willème, Baese (1904 apud PRINZ et al., 1997) descreveu uma técnica usando uma luz graduada para expor uma gelatina fotosensitiva que se

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expande quando exposta à luz e tratada com água. Os anéis da gelatina tratada são então fixados em um suporte para fazer uma réplica de um objeto (figura 2.11).

No Japão, Morioka (1935 apud PRINZ et al., 1997) desenvolveu um processo híbrido combinando aspectos da fotoescultura e da topografia. Este método usava luzes estruturadas (faixas de luz, pretas e brancas) para criar fotograficamente as linhas de contorno de um objeto. As linhas podiam então ser desenvolvidas em folhas, cortadas e empilhadas, ou projetadas em algum material para serem esculpidas (figura 2.12).

Figura 2.11 – Processo fotográfico usado na reprodução

de objetos tridimensionais (BAESE, 1904)

Figura 2.12 – Processo para manufaturar um relevo,

Morioka (1935).

Em 1951, Munz (1956 apud PRINZ et al., 1997) propôs um sistema com características das atuais técnicas de estereolitografia. Ele revelou um sistema que expunha seletivamente uma fotoemulsão transparente em forma de camadas, onde cada camada trazia uma seção transversal de um objeto “escaneado”. Estas camadas eram criadas abaixando um pistão em um cilindro e adicionando quantidades apropriadas desta foto emulsão e de um agente fixador. Após a exposição e fixação, o

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cilindro resultante, sólido e transparente, continha a imagem do objeto. Na seqüência este objeto podia ser manualmente esculpido ou fotoquimicamente corroído para criar um objeto tridimensional (figura 2.13).

Em 1968, Swainson (1977 apud PRINZ et al., 1997) propôs um processo para fabricação direta em plástico pela polimerização tridimensional seletiva de um polímero fotossensível na intersecção de dois feixes de laser.

No processo desta máquina denominada de máquina fotoquímica, o objeto era formado por colagem “cross-linking” fotoquímica ou degradando um polímero pela exposição simultânea de feixes de laser (figura 2.14). Embora a estrutura do laboratório fosse construída para este processo que parecia ser comercialmente viável, seus objetivos não foram atingidos.

Figura 2.13 – Processo para reproduzir um objeto

tridimensional, Munz (1956)

Figura 2.14 – Processo de fotoescultura usando

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Um processo (à base de pó) que tinha mais em comum com técnicas de sinterização superficial do que com a fotoescultura foi proposto em 1971 por Ciraud (1972 apud PRINZ et al., 1997). Esta descoberta descrevia um processo para a manufatura de objetos com uma variedade de materiais parcialmente fundidos. De acordo com este processo, para se produzir um objeto, partículas pequenas eram aplicadas a um contorno-matriz por gravidade estática, magnética ou elétrica, ou posicionadas por um bocal situado perto do contorno-matriz. As partículas eram então aquecidas localmente por um laser, um feixe de elétrons ou um feixe de plasma. Em conseqüência do aquecimento, as partículas aderiam-se formando uma camada contínua representando a seção transversal do objeto (figura 2.15).

Figura 2.15 – Processo com pó e feixes de laser proposto por Ciraud (1977)

Hideo Kodama, do Instituto de Pesquisa Industrial Municipal de Nagoya foi o primeiro a publicar uma aplicação comercial funcional de um sistema de prototipagem rápida em fotopolímero (KODAMA, 1981 apud PRINZ et al., 1997). Em seu método, um modelo sólido é fabricado construindo a peça por camadas, onde as áreas expostas correspondem a secções do modelo (figura 2.16).

a) usa uma máscara que controla a exposição da fonte UV e imerge o modelo em uma cuba com foto polímero líquido a fim de criar as novas camadas;

b) usa uma máscara como em (1), mas tendo a máscara e a exposição no fundo da cuba, desenhando o modelo para cima e criando uma nova camada;

c) imergindo o modelo como em (1), mas usando um plotador x-y e uma fibra ótica para expor a nova camada.

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Um esforço paralelo, mas independente, foi conduzido na 3M Corporation por Herbert (1982 apud PRINZ et al., 1997). Herbert descreve um sistema que dirige um feixe de laser UV a uma camada do fotopolímero por meio de um sistema de espelhos em uma plotadora x-y. Na técnica experimental de Herbert, um computador é usado para comandar o feixe de laser por cada camada. A cuba do fotopolímero é então abaixada (aproximadamente 1mm) e depois adicionado mais líquido do fotopolímero para criar uma nova camada (figura 2.17).

Embora peças muito complexas produzidas por equipamentos de PR sejam comuns hoje em dia, quando as primeiras peças foram produzidas por estes tipos de sistemas, ninguém imaginava que se chegaria a produzir objetos com fins comerciais e com o grau de perfeição que se tem hoje. O estúdio de fotoescultura de Willème foi comercialmente bem sucedido de 1861 a 1868, mas saiu abruptamente dos negócios, provavelmente devido à disponibilização ao mercado do trabalho de escultura manual com auxílio do instrumento denominado pantógrafo (traçador). A próxima tentativa comercial conhecida foi a de Swainson da Formagraphic Motor Company, em 1977. Parece que este esforço foi abandonado antes que qualquer processo comercial fosse desenvolvido. Também em 1977, DiMatteo deu início a uma companhia chamada Solid

Photography (figura 2.18) que mais tarde mudou seu nome para Robotic Vision que

operou até 1989 (LIGHTMAN, 1996 apud PRINZ et al., 1997).

Figura 2.17 – Processo baseado em fotopolímeros de Herbert

(1982)

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2.3.2 Principais processos atuais de prototipagem rápida

Há controvérsias sobre quais técnicas são efetivamente de PR e quais não são. Silva et al (2006), pesquisador do Centro de Pesquisas Renato Archer (CenPRA) e um dos maiores especialistas da área no Brasil, sugere que protótipos rápidos são obtidos somente por deposição (FDM – Fused deposition modeling, SL -

Stereolithography, SLS – Selective Laser Sintering, Polyjet, 3DP- Impressão

tridimensional e etc). Porém, segundo Sass (2006g) e seu grupo de pesquisa no MIT, o

Digital Design Fabrication, a PR pode ser classificada em três tipos de máquinas: as

cortadoras, as subtrativas e as aditivas. O primeiro grupo, o das cortadoras, trabalha com equipamentos tais como as cortadoras a laser (figura 2.19), cortadoras a jato de água (figura 2.20) e cortadoras de vinil (figura 2.21) que cortam peças para serem posteriormente montadas.

Figura 2.19 – Cortadora Laser

M-300 (UNIVERSAL LASER SYSTEMS, 2006)

Figura 2.20 – Cortadora a jato de

água (OMAX SYSTEMS, 2006)

Figura 2.21 – Cortadora de vinil

( SASS, 2006g)

Segundo Sass (2006g) as cortadoras requerem descrições em 2D para construir modelos 3D. Desenhos em CAD são planificados já prevendo possíveis encaixes, de acordo com o material que vai ser construído e automaticamente transportados para as cortadoras que cortam o material e através da montagem dessas partes pode-se obter o modelo físico 3D. As cortadoras a laser cortam diversos materiais como madeira, papelão, papel cartão, acrílico e plástico em diferentes espessuras (figura 2.22 e 2.23).

19 Figura 2.22 – Esquema para a cortadora a laser

(SASS, 2006g)

Figura 2.23 – Exemplo de objeto feito com

cortadora a laser (SASS, 2006g)

As cortadoras a jato de água também cortam com rapidez e precisão uma grande variedade de materiais como metais, policarbonato, pedras, vidro e borracha (figuras 2.24 e 2.25).

Figura 2.24 – Exemplo de objeto metálico cortado com a

cortadora a jato de água (KILIAN, 2003)

Figura 2.25 – Exemplo de objeto de policarbonato

cortado com cortadora a jato de água (KILIAN, 2003)

A cortadora de vinil como o próprio nome já sugere corta materiais finos como papel, vinil, acetato e papel alumínio (figuras 2.26 e 2.27), através de uma pequena lâmina.

20 Figura 2.26 – Exemplo de objeto feito com a cortadora de

vinil (SASS, 2006g)

Figura 2.27 – Exemplo de objeto feito com a

cortadora de vinil

(DIGITALDESIGNFABRICATION GROUP, 2006a)

O segundo grupo, o das máquinas que operam com processos subtrativos, trabalham a partir de uma peça “bruta”, esculpindo e eliminando partes da peça até deixá-la com a forma desejada. Nesse grupo podemos destacar as máquinas “fresadoras” (milling device), (figura 2.28 e 2.29). Alguns exemplos de aplicações dessas duas máquinas podem ser observados nas figuras 2.30 e 2.31.

Figura 2.28 – Modela Miller

(DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006b)

Figura 2.29 – Denford Miller

21 Figura 2.30 – Exemplos da utilização da Modela

(DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006c)

Figura 2.31 - Exemplos de utilização da Denford Miller

(DIGITAL DESIGN FABRICATION GROUP, 2006e)

Finalmente, o terceiro grupo, o das máquinas aditivas, produzem o objeto desejado através da deposição de material camada por camada. Essas máquinas também conhecidas como impressoras 3D podem variar enormemente em termos de tecnologia, insumos utilizados e qualidade dos protótipos produzidos. Os tipos mais utilizados na área de arquitetura são o sistema de estereolitografia (SL), o sistema FDM (fusion deposition modeler) e as impressoras a pó.

De acordo com Jacobs (1992) a estereolitografia (SL, Stereolithography) é um processo pioneiro que constrói modelos tridimensionais a partir de polímeros líquidos sensíveis à luz, que se solidificam quando expostos à radiação de um feixe de laser ultravioleta.

O modelo é construído sobre uma plataforma situada imediatamente abaixo da superfície de um banho líquido de resina epóxi ou acrílica. Uma fonte de raio laser ultravioleta, com alta precisão de foco, traça a primeira camada, solidificando a seção transversal do modelo e deixando as demais áreas líquidas. A seguir, um elevador mergulha levemente a plataforma no banho de polímero líquido e o raio laser cria a segunda camada de polímero sólido acima da primeira camada. O processo é repetido sucessivas vezes até o protótipo estar completo (figura 2.32). Uma vez pronto, o modelo sólido é removido do banho de polímero líquido e lavado. Os suportes são retirados e o modelo é introduzido num forno de radiação ultravioleta para ser submetido a uma cura completa.

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Figura 2.32 – Esquema básico do processo de estereolitografia (CIMJECT, 2006a)

A estereolitografia é a tecnologia de PR atualmente mais usada, de maior exatidão e com melhor acabamento superficial (figura 2.33). Atualmente pode-se utilizar polímeros de diferentes cores na confecção dos protótipos, além dos materiais cerâmicos que estão em desenvolvimento. O lado negativo é que o trabalho com materiais líquidos pode provocar sujeira e requer freqüentemente uma operação pós-cura em um forno para garantir a pós-cura completa e a estabilidade da peça (SAURA, 2003). A esterolitografia foi o primeiro processo de PR a ser comercializado e foi desenvolvido pela 3D Systems no final da década de 80 (figura 2.34).

Figura 2.33 – Protótipo de jóia confeccionado em SL

(3D SYSTEMS, 2006a)

Figura 2.34 – Sistema SL da 3D System (3D SYSTEM,

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O Sistema FDM ou modelagem por deposição de material fundido, tem sido comercializado desde 1991 (figura 2.35). De acordo com Saura (2003) é o segundo mais usado processo de PR e baseia-se num filamento plástico (ABS, policarbonato, poliéster, etc) que ao ser desenrolado de uma bobina fornece o material para um bocal de extrusão. Este bocal é aquecido para derreter o filamento plástico e tem um mecanismo que permite que o fluxo de plástico derretido seja depositado camada a camada formando o objeto. O bocal é acoplado a um mecanismo que o move nos sentidos: horizontal (x) e vertical (y), (figura 2.36).

Figura 2.35 – Sistema FDM da Stratasys

(STRATASYS, 2006)

Figura 2.36 – Esquema básico do processo FDM

(CIMJECT, 2006b)

Este método é aplicável a ambientes de escritório por ser limpo e silencioso. FDM é razoavelmente rápido para pequenas peças, ou aquelas com formas altas e delgadas (figura 2.37), entretanto pode ser muito lento para peças com seções transversais largas. O acabamento superficial das peças tem melhorado extremamente nos últimos anos, contudo não é tão preciso quanto a estereolitografia (SAURA, 2003).

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Figura 2.37 – Exemplo de objeto feito em FDM (SASS, 2006g)

O sistema de impressão tridimensional (3D Printer) possui como princípio a aglutinação de pós pela ação de um líquido aglutinante expelido em gotículas por um cabeçote tipo "jato-de-tinta", muito parecido com os utilizados em impressoras comuns. O jato de aglutinante gerado pelo cabeçote é aspergido sobre uma camada de pó depositado sobre uma plataforma que se movimenta na direção Z. Um rolo é utilizado para depositar novas camadas de material e compactar uma camada sobre a outra. O processo, esquematizado (figura 2.38), foi desenvolvido pelo MIT (Massachusetts Institute of Technology) e a patente do processo foi segmentada em diferentes atividades industriais (CIMJECT, 2006c).

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De acordo com Saura (2003), a impressão tridimensional oferece vantagens da fabricação rápida e de custo baixo dos materiais. Recentemente tornou-se também disponível a possibilidade de aplicação de cores. Entretanto, há limitações na definição, no acabamento superficial, na fragilidade da peça e nos materiais disponíveis (figuras 2.39 e 2.40).

Figura 2.39 – Sistema 3DP da ZCorporation (ZCORP,

2006)

Figura 2.40 – Exemplo de objeto feito em 3DP (DIGITAL

DESIGN FABRICATION GROUP, 2006f)

A tabela 2.2 mostra as principais características das máquinas que independentemente de serem ou não consideradas PR fazem parte do ferramental utilizado para produção automatizada de maquetes de arquitetura.

26 T a b e la 2 .2 – P ri n c ip a is c a ra c te rí s ti c a s d a s m á q u in a s d e P R u ti liz a d a s e m a rq u it e tu ra A D IT IV A S S U B T R A T IV A S C O R T A D O R A S P R O C E S S O S S L F D M 3 D P F R E S A ( M o d e la M il le r) F R E S A (D e n fo rd M il le r) L A S E R V IN IL J A T O D T ip o d o m o d e lo d ig it a l 3 D 3 D 3 D 3 D 3 D 2 D 2 D 2 E m p re s a 3 D S y s te m s S tr a ta s y s Z C o rp o ra ti o n R o la n d D G C o rp o ra ti o n D e n fo rd U n iv e rs a l L a s e r S y s te m s I n c . R o la n d D G C o rp o ra ti o n O M C u s to I n ic ia l d e A q u is iç ã o A lt o M é d io B a ix o B a ix o M é d io A lt o B a ix o A lt C u s to d o M a te ri a l A lt o A lt o M é d io B a ix o B a ix o B a ix o B a ix o B a C u s to d o P ro tó ti p o A lt o M é d io -A lt o B a ix o B a ix o B a ix o B a ix o B a ix o B a P re c is ã o A lt a (m o d e lo s m u it o p re c is o s e re s is te n te s ) M é d ia (a o c o n tr á ri o d a 3 D P , a F D M tr a b a lh a m e lh o r c o m m o d e lo s re s is te n te s , c o m o c o n e x õ e s d e d e ta lh e s a rq u it e tô n ic o s ) M é d ia (d e p o is d e s e c a , a s u p e rf íc ie a p re s e n ta u m b o m r e s u lt a d o , a p e s a r d a fr a g ili d a d e d o m o d e lo ) M é d ia (c o m p a ra d a a F D M e 3 D P ) M é d ia (E m b o ra p e rm it a o c o n h e c im e n to d a s p ro p ri e d a d e s d e d iv e rs o s t ip o s d e m a te ri a is , a in d a n ã o re p re s e n ta u m p ro c e s s o m u it o p re c is o ) A lt a (c o rt e s m u it o p re c is o s e lim p o s . P e rm it e u m b o m a c a b a m e n to d o s m o d e lo s ) A lt a ( c o rt e s m u it o p re c is o s , e s p e c ia lm e n te q u a n d o s ã o lin h a s c u rv a s ) A lt a ( P c o n fo e s p e s s m a te a u m e p re c is ã o P e rm p ro d u ç p e ç a s e m re a l, c o m o c k V a ri e d a d e d e M a te ri a is P e q u e n a ( R e s in a e s p e c ia l lí q u id a o u e m p ó q u e s e s o lid if ic a n a p re s e n ç a d e a lg u m t ip o d e l u z o u r a io s l a s e r) M é d ia ( tr a b a lh a c o m f ila m e n to s p lá s ti c o s c o m o o A B S , o p o lic a rb o n a to e o p o lié s te r) M é d ia (t ra b a lh a m c o m p ó s c o m o o g e s s o e o a m id o ) P e q u e n a (s ã o i n d ic a d o s p a ra e s ta m á q u in a m a te ri a is l e v e s c o m o m a d e ir a (m d f) e a c rí lic o p o r c a u s a d a p o tê n c ia e v e lo c id a d e b a ix a s ) A m p la ( a lé m d o a lu m ín io e s ta m á q u in a t ra b a lh a o u tr o s m a te ri a is rí g id o s c o m o o a ç o ). A m p la ( c o rt a d iv e rs o s m a te ri a is c o m o m a d e ir a , p a p e lã o , p a p e l c a rt ã o , a c rí lic o e p lá s ti c o e m v á ri a s e s p e s s u ra s , d e s d e q u e s e ja m in fe ri o re s a 0 ,2 5 ”) A m p la ( d e s d e q u e s e ja m p la c a s fi n a s c o m o p a p e l, v in il, a c e ta to , p a p e l a lu m ín io e tc ) A m p la d iv e rs o s m a te ri d iv e e s p e s

27 T a b e la 2 .2 – ( C o n ti n u a ç ã o ) A D IT IV A S S U B T R A T IV A S C O R T A D O R A S P R O C E S S O S S L F D M 3 D P F R E S A (M o d e la M il le r) F R E S A (D e n fo rd M il le r) L A S E R V IN IL J A T O D V e lo c id a d e d a O p e ra ç ã o M é d ia B a ix a ( lo n g o te m p o im p ri m in d o , p o ré m a in te ra ç ã o d o u s u á ri o c o m a m á q u in a é p e q u e n a ) A lt a ( A i m p re s s ã o é rá p id a , e s p e c ia lm e n te s e o m o d e lo f o r p re c is o e n ã o h o u v e r n e c e s s id a d e d e a c a b a m e n to . O p ó s -p ro c e s s a m e n to p o d e c o n s u m ir m a is t e m p o q u e a im p re s s ã o ) B a ix a ( E m b o ra o m o d e lo d e m o re a lg u m a s h o ra s p a ra s e r c o n s tr u íd o , a m á q u in a n ã o e x ig e a p re s e n ç a c o n s ta n te d o u s u á ri o ) B a ix a ( p o r s e r u m a m á q u in a m u it o p o te n te , e x ig e m o n it o ra m e n to d o u s u á ri o d u ra n te t o d a a o p e ra ç ã o ) A lt a (A c o rt a d o ra a l a s e r re q u e r p o u c o t e m p o p a ra c o rt a r a s p e ç a s , e s p e c ia lm e n te s e h o u v e r m u it a s p e ç a s o u p e ç a s q u e s ã o re p e ti ti v a s , c u rv a s , p e q u e n a s e d e lic a d a s , o u m a rc a d a s ) A lt a ( E m u m a p la c a d e d im e n s õ e s 1 8 ” x 2 4 ” c o m m u it a s lin h a s d e m a rc a d a s , e la le v a a p ro x im a d a m e n te 5 m in u to s p a ra c o rt a r) A (o s o d e s ta m v e ri fi c a tr a je to p a ra o c o n tr v e lo c id a c e le N e c e s s id a d e d e S u p o rt e S im . R e q u e r tr e in a m e n to , p o is e x ig e m u it a s e ta p a s p a ra s e g u ir . S im . R e q u e r tr e in a m e n to E m b o ra n ã o s e ja m u it o d if íc il d e s e u s a r, h á m u it a s e ta p a s a re c o rd a r n a p re p a ra ç ã o p a ra i m p ri m ir . U m u s u á ri o n o v o n e c e s s it a o p e ra r a lg u m a s v e z e s d e e s s a m á q u in a a n te s u ti liz á -l a s o z in h o N ã o . A u ti liz a ç ã o “a m ig á v e l” d e s ta m á q u in a f a z c o m q u e e la s e ja u m d a s m a is p o p u la re s . E m it ir u m a c ó p ia n e s s a m á q u in a é u m p ro c e s s o p a re c id o c o m a im p re s s o ra a la s e r. H á s o m e n te a lg u m a s e ta p a s p a ra s e g u ir . N ã o . D e p o is d a p ri m e ir a in s tr u ç ã o , b a s ta q u e o u s u á ri o s ig a o p a s s o a p a s s o . B a s ta p re p a ra r o m o d e lo d ig it a l, o b lo c o d e m a te ri a l e a “b ro c a ” a s e r u ti liz a d a . S im . A lé m d o fa to d e s ta m á q u in a s e m o s tr a r “a s s u s ta d o ra ” p e la p o tê n c ia e v e lo c id a d e c o m q u e o p e ra e la ta m b é m a p re s e n ta m u it a s v a ri á v e is a s e re m c o n tr o la d a s d u ra n te a o p e ra ç ã o c o m o ta m a n h o d a b ro c a , v e lo c id a d e d o e ix o , lu b ri fi c a ç ã o d a s p e c a s , e tc . S im . O p ro c e s s o d e e m it ir u m a “ c ó p ia ” à c o rt a d o r a a l a s e r é p a re c id o c o m e m is s ã o d e u m d e s e n h o d o A u to C A D p a ra a p lo ta d o ra , o n d e s e c o n fi g u ra c o re s e e s p e s s u ra d a s p e n a s . P o ré m e s ta m á q u in a p o d e t o rn a r-s e p e ri g o s a s e a lg u é m t e n ta r c o rt a r u m m a te ri a l in a d e q u a d o . A lg u n s m a te ri a is s ã o in fl a m á v e is e t a m b é m s e o fe ix e d e l a s e r fo r d ir ig id o p a ra f o ra d a m á q u in a p o d e c a u s a r d a n o s à s s u p e rf íc ie s c ir c u n v iz in h a s o u m e s m o a o u s u á ri o . N ã o . E s ta m á q u in a é re la ti v a m e n te s im p le s d e o p e ra r e n ã o p o s s u i m u it o s p a s s o s p a ra l e m b ra r. O u s u á ri o m a n d a p a ra a i m p re s s ã o a tr a v é s d o p ro g ra m a “ A d o b e Il lu s tr a to r” S O c o n c c o m o u m á q u ra z o a v s im p u s u á ri d e fi n a ju s te s s e r fe it o d e i n o p e ra m á q u in e m a lt a p o q u e p to rn a r p p a ra o d e s p re