Departamento de Artes e Design

Pesquisa, desenvolvimento e difusão de novas tecnologias digitais de manufatura, modelagem e captura de superfícies.

Aluno: Marcella de Amorim Guerra Duarte Orientador: Jorge Roberto Lopes Dos Santos

Introdução

A pesquisa trata, de desenvolvimento e difusão através de tecnologias de modelagem tridimensional virtual, tecnologias de obtenção de superfícies 3D (sistemas de escaneamento 3D através de tecnologias a laser ou luz branca estruturada) e tecnologias de manufatura digital (impressoras 3D, sistemas de corte a laser e equipamentos CNC de remoção de materiais) existentes e a serem adquiridos pelo NEXT - Núcleo de Experimentação Tridimensional do Departamento de Artes e Design da PUC-Rio, criado a partir do projeto selecionado do Edital FAPERJ No. 16/2009 Programa PensaRio – Apoio ao Estudo de Temas Relevantes e Estratégicos para o Estado do Rio de Janeiro. O projeto visa apoiar e desenvolver pesquisas nas áreas acima descritas, difundindo e desenvolvendo novas tecnologias de modelagem e simulação tridimensional digital virtual e física em projetos de natureza multidisciplinar no âmbito do curso de pós graduação e graduação em Design da PUC-Rio. A gama de projetos inclui pesquisas em desenvolvimento de novos produtos em diversas áreas tais como: moda, ergonomia, design gráfico, digital e robótica.

Objetivos

A presente pesquisa tem por objetivo viabilizar a utilização integrada do saber tecnológico em modelagem, captura e simulação tridimensional virtual e física a atuarem em projetos nas diversas áreas do Design, tais como, Design de Produtos, Mídia Interativa, Moda, Animação, Arquitetura e Robótica, podendo ou não ser expostos em feiras de Design.

Metodologia

Os métodos propostos na presente pesquisa estão relacionados à obtenção de superfícies, para a representação 3D digital e para a representação física tridimensional de modelos e protótipos. Com os avanços computacionais, novas possibilidades na transposição das ideias geradas no desenvolvimento de projetos para o meio virtual podem ser feitas com tecnologias digitais como a captura de imagens de superfícies através de scanners 3D (a laser ou luz branca). Com esta tecnologia, o modelo físico construído por sistemas convencionais tem sua geometria transferida para o computador através da captura digital da superfície, o que garante a fidelidade geométrica e dimensional desenvolvida pelo aluno / projetista / pesquisador e sua posterior manipulação. Esta manipulação pode passar por ajustes de superfície (malha poligonal), alterações de escala, mudança de cores, inserção de aplicações gráficas, animações e outros. Essas manipulações permitem o desenvolvimento de variantes utilizadas no processo de simulação e testes adequados a multidisciplinaridade dos processos de design. Também a interface entre usuário e o hardware passa por novas tecnologias de interação de uso além dos habituais mouses, tais como as tecnologias “haptic” que simulam sensações táteis durante o procedimento de modelagem virtual entre o usuário e a tela dos

Departamento de Artes e Design

computadores e os monitores de intervenção direta na tela (Wacom Cintiq). Estes equipamentos por possuírem interação tátil sensorial entre o hardware e a modelagem virtual, possibilitarão a realização de simulações de testes diversos. No desenvolvimento de projetos, após as alternativas serem modeladas em softwares de modelagem 3D e (ou) capturadas através de scanners 3D, a etapa da materialização física será feita através de sistemas digitais automatizados que seguem genericamente dois processos básicos: 1 - por remoção de matéria prima através de fresadoras operadas por controle numérico computacional - CNC e corte a laser para superfícies bidimensionais (planas) em matérias primas diversas. 2 - por deposição de matérias primas diversas – tecnologias de manufatura aditiva conhecidas como Prototipagem Rápida. Importante salientar que ambos os sistemas se destacam pela precisão dimensional e velocidade de construção de modelos e protótipos com alta complexidade geométrica, e são escolhidos conforme as características do produto a ser representado/simulado.

Pesquisas Desenvolvidas

Com base nos aprendizados desenvolvidos no saber tecnológico em modelagem, captura e simulação tridimensional virtual e física desenvolvemos diversos projetos na área do Design interligando com ensinamentos da Robótica, também com o intuito de apresentação na semana Rio+Design - Rio de Janeiro 2013, e a semana Rio+Design - Milão 2014.

O primeiro projeto desenvolvido no NEXT - Núcleo de Experimentação

Tridimensional do Departamento de Artes e Design da PUC-Rio em parceria com o laboratório LIFE – Laboratório de Interfaces Físicas Experimentais, foi o NextBot. Ele foi desenvolvido por mim em parceria com o outro bolsista Antonio Carlos Thiele, e orientação dos professors Jorge Lopes e João Bonelli, para a semana Rio+Design realizada no Jockey Clube do Rio de Janeiro de 23 a 27 de Outubro de 2013.

O Nextbot é um robô wi-fi controlado por gestos capturados pelo sensor Kinect (1)

que traduz os movimentos das mãos do usuário (pra frente, pra trás, e pros lados) em desenhos únicos. Ele é composto por um arduino (2), que é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e placa única, um shield Xbee (3), placa de circuito impresso fixada no topo do Arduino através de uma conexão alimentada por pinos-conectores que faz a comunição wireless com o computador, 4 servo motores contínuos (4) responsáveis pela locomoção do robô, uma bateria (5) de LiPo 2S de 2100Ah, até 4 suportes para canetas hidrográficas, e 4 rodas omnidirecionais (6), que fazem com que ele se movimente em todas as direções e ângulos, sem a necessidade de rotacionar. Seu chassi é composto por 2 chapas de acrílico 3mm cortadas a laser.

2. Arduino

6. Roda omnidirecional

3. Shield Xbee

4. Servo Motor

1. Kinect

5. Bateria LiPo

Departamento de Artes e Design

O processo de desenvolvimento e construção do robô foi feito utilizando os softwares

Arduino, e Processing. As partes de hardware foram impressas em 3D e cortadas a laser. Foram feitos diversos prototótipos para testes antes de chegarmos em uma configuração final. Abaixo seguem algumas fotos durante esse processo de construção e desenvolvimento.

Abaixo seguem imagens da configuração final que foi apresentada na exposição Rio+Design - Rio de Janeiro e fotos dos usuários experimentando a instalação nos dias em que o robô ficou exposto. A instalação foi composta por uma tábua de madeira, onde foi fixada rodas na parte de baixo e um suporte com o rolo de papel sulfite 75gr, que era esticado e entrava na moldura de alumínio, espaço que o robô tinha para fazer seus desenhos. A interação do ususário era feita a mais ou menos 1 metro de distância em frente ao Kinect, onde a pessoa erguia o braço na direção que ela queria que o robô andasse, no caso, para frente, para baixo pro lado direito e pro lado esquerdo. Os desenhos foram feitos de forma colaborativa por cada pessoa, gerando ao final da exposição desenhos únicos em cada papel, que era trocado de tempos em tempos.

Primeira configuração do Nexbot Primeiro teste com caneta

Teste da locomoção Peças cortadas a laser e impressas em 3D

Usuário testando a instalação A instalação como foi exposta

Departamento de Artes e Design

Com fim da exposição no Rio de Janeiro fizemos um feedback do que não deu certo e

do que tinha para ser melhorado com base na expêriencia que tivemos e em comentários dos usários na exposição, para começar a pensar no próximo projeto que seria exposto na semana Rio+Design – Milão 2014. Começamos uma nova pesquisa na área e decidimos por melhorar o Nexbot e fazer um novo robô o 3&Dbot, trazendo um novo conceito para a robótica, e uma tecnologiaque usamos no dia-a-dia do laboratório, o da impressão 3D, e levar os dois robôs para a exposição.

As melhorias no Nexbot começam na maneira com que interagimos com ele, o que

antes era feita através de gestos capturados pelo Kinect, agora é bem mais preciso e orgânico. Ele reproduz desenhos vetoriais que são mandados através do computador, pelo software Processing, no papel fazendo o mesmo desenho com a caneta hidrográfica. Outra grande mudança é que ele agora possui um sistema de localização usando visão computacional, que foi feito através de uma plataforma open-source chamada reacTIVision (1). Ela rastreia o robô com uma webcam (2) localizada em cima da área onde ele vai desenhar, através um fiducial (3) colado em cima do robô, com isso ele consegue saber exatamente onde está para então desenhar o vetor. Ele continua com a mesma configuração de hardware, só mudando o suporte da caneta e seu mecanismo, que agora possui um servo motor de 9g (4) fazendo com que caneta suba desça, dependendo do vetor do desenho, assim ele não desenha somente mais linhas contínuas.

Nextbot e desenhos Nextbot e desenhos

Usuário na exposição Nextbot em detalhe com a caneta

Departamento de Artes e Design

Abaixo seguem algumas fotos do Nextbot na exposicação Rio+Design realizada em Milão entre 8 e 13 de Abril de 2014. Ele ficou exposto em um espaço reservado e um vídeo era passado na parede através de um projetor mostrando seu funcionamento.

1. ReacTIVision 3. Fiducial

2. Ps3 EYE Camera 4. Servo Moto 9g

Nextbot escrevendo Rio+Design Pessoas observando os robôs

Detalhe da projeção na parede Nextbot escrevendo Rio+Design

Departamento de Artes e Design

O segundo robô é o 3&Dbot, o primeiro robô que imprimi em 3D no mundo. Ele foi

feito no NEXT – Núcleo de Experimentação tridimensional da PUC-Rio em Parceria com o LIFE – laboratório de interfaces físicas experimentais, por mim e o bolsista Antonio Carlos Thiele, com orientação dos professores Jorge Lopes e Joao Bonelli. O projeto foi desenvolvido com base na pesquisa e experiência adquirida anteriormente no projeto do Nextbot, com o intuito de ser exposto na semana Rio+Design – Milão 2014.

Hoje as impressoras 3D possuem uma limitação, que a sua área de impressão. A ideia no robô nasceu desse problema. Imagina se fossemos capaz de imprimir em qualquer lugar remoto ou não, sem uma área limite de impressão. Essa tecnologia poderia ser usada em diversas áreas industriais, onde o acesso humano não e possível. Como já tínhamos uma pesquisa na área de robótica resolvemos unir essas duas áreas e resolvemos fazer um robô que imprimi em 3D, e o nomeamos de 3&Dbot. No laboratório possuímos a impressora Fab@home (1), e resolvemos nos basear na sua tecnologia para o 3&Dbot, ela é uma impressora open source que utiliza duas seringas como cabeça de impressão possibilitando uma enorme variedade de materiais pastosos, a serem impressos. Definida a tecnologia a ser usada começamos seu projeto no CAD e paralelamente uma pesquisa de materiais a serem usadas para impressão. Testamos alguns materiais como amido de milho misturado com água, barbutina, silicone, e chegamos em um material que achamos ideal, a massinha de modelar soft (2). Ela é facilmente encontrada, não faz nenhum tipo de sujeira, tem uma viscosidade capaz de ser empurrada através da seringa sem problemas e tem uma boa consistência para o objeto ser manipulado depois da impressão. Na parte de hardware, também fizemos algumas pesquisas para alterar alguns componentes, pois nesse robô precisaríamos de muito mais precisão no sistema de locomoção, ou seja os eixos X e Y da impressão, para um boa qualidade de impressão do modelo.

Teste do amido de milho Teste de extrusão na seringa

1. Impressora 3D Fab@home 2. Massinha de modelar soft

Departamento de Artes e Design

O 3&Dbot é composto por um Arduino (1) que é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e placa única, um shield Xbee (2), placa de circuito impresso fixada no topo do Arduino através de uma conexão alimentada por pinos-conectores que faz a comunicacao wireless com o computador, 4 motores de passo (3), responsáveis pela locomoção bem mais precisa, 4 controladoras de motor de passo (4), que fazem a comunição entre o arduino e os motores, uma bateria LiPo 2S de 5.000 Ah (5), 4 rodas omnidirecionais (6), que fazem com que ele se movimente em todas as direções e ângulos, sem a necessidade de rotacionar. A parte de hardware é feita de acrilico 5mm cortado a laser e peças impressas em 3D. Ele utiliza o mesmo sistema de localização do Nextbot que é a visão computacional, feito através de uma plataforma open source chamada reacTIVision. Ela rastreia o robô com uma webcam localizada em cima da área onde ele vai desenhar, através de um fiducial colado em cima do robô, com isso ele consegue saber exatamente onde está para então extrudar a massinha no lugar exato, e formar o modelo feito no CAD, que é transmitido wireless através do software Processing.

A cabeça de impressão é uma sistema a parte desse robô, ele é composto por um sistema de cordenadas Y que faz com que a cebeça suba e desca realizando as camadasna hora da impressão do modelo, enquanto extruda a massinha no format do CAD, que está sendo trasmitido wireless pelo computador. Esse sistema é composto por 2 motores de passo (1), um para fazer o eixo subir e descer, outro para empurrar a massinha, duas controladoras de motor de passo (2), para fazer a ligação com o Arduino, e uma seringa (3).

1. Arduino

5. Bateria LiPo

2. Shield Xbee 3. Motor de passo

2. Controladora de motor de passo

4. Roda omnidirecional

1. Motor de passo 2. Controladora de motor de passo 3. Seringa

Departamento de Artes e Design

O funcionamento do 3&Dbot é similar ao do Nexbot, mas ao invés de você utilizar um desenho em vetor, você faz um modelo em 3D, e o processing fatia esse modelo em camadas, similar a qualquer programa de uma impressora 3D e manda as coordenadas para o robô wireless, dizendo onde ele deve andar, como se fosse o sistema sistema X e Y de uma impressora normal, e onde ele deve ou não extrudar a massinha para formar o modelo. Quando ele faz uma camada ele volta para o ponto inicial e faz outra camada por cima daquela que ele já fez, até construir o modelo 3D. Essa mobilidade faz com que ele imprima em qualquer superfície, e não tenha um limite de área para impressão, gerando várias possibilidades de utilização, fora a gama de materiais que ainda podem ser explorados. Foram feitos diversos protótipos em relação a sua forma, peso e eficiência até chegarmos ao seu design final.

Para a sua apresentação no salão de Milão, assim como o Nextbot, já que foram

expostos juntos, era exibido um vídeo mostrando seu funcionamento, enquanto ele e alguns modelos que foram impressos anteriormente ficavam expostos na área reservada a eles. Abaixo seguem algumas fotos dos modelos impressos e do 3&Dbot feitas durante a exposição em Milão no espaço reservado para designers e produtos do Rio de Janeiro.

Montagem do robô

Teste de extrusão da

massinha! Montagem!do!robô!

Montagem do robô 3&Dbot e um modelo impresso

Departamento de Artes e Design

Conclusões

Com o aprendizado das tecnologias digitais de escaneamento 3D, prototipagem rápida e softwares de pós-processamento de imagens existentes no Núcleo de Experimentação Tridimensional, foi possível adquirir experiência necessária para entender essas tecnologias e então propor projetos em que elas fossem o ponto principal. O uso das novas tecnologias de fabricação digital aliadas a robótica permite maior rapidez, precisão e qualidade de acabamento não só na área de Artes e Design, como em outras diversas áreas, realizando protótipos complexos, em questão de horas, em diversos tipos materiais, e lugares em que o homem não consegue chegar.

As pesquisas e principalmente o 3&Dbot, demostram a impressão 3D, tecnologia que

permite a materialização física de qualquer modelo tridimensional virtual sem as limitações dos processos de fabricação tradicional. A tecnologia operada por deposição em camadas, permitindo a materialização de objetos de grande complexidade geométrica. A Robótica e a impressão 3D são consideradas parte da nova revolução industrial aliada aos conceitos de rede aberta (open source) e faca você mesmo (DYI - Do It Yourself).

Pesquisa deo tipo de papel

3&Dbot extrudando Robôs expostos

3&Dbot extrudando e modelos

Departamento de Artes e Design

Referências N. Hopkinson R.J.M. Hague P.M. Dickens. Rapid Manufacturing. England: Wiley, 2006.Print.

Carlos Henrique Ahrens Cristiano Vasconcellos Ferreira Gunther Petrush Jonas de carvalho Jorge Roberto Lopes dos Santos Jorge Vicente Lopes da Silva Neri Volpato.Prototipagem Rápida - Tecnologias e aplicações. São Paulo: Editora Blucher, 2007. Print.