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Digitalização 3D e Suas Aplicações

O ciclo de vida dos produtos está sendo reduzido acentuadamente nos últimos anos. O menor intervalo entre lançamentos e atualizações de portfólios, antes mais comuns na indústria de produtos eletrônicos e automóveis, já é observado na maioria dos setores da economia entre eles o segmento hospitalar e de hotelaria.

Nossas expectativas como consumidores crescem, e resultam na busca de soluções mais eficientes e funcionais ou simplesmente mais alinhadas com as novas necessidades percebidas. Com a globalização a concorrência deixou de ser local, e os consumidores são estimulados por diferentes canais supridores, que vendem novos diferenciais e podem ser acessados com facilidade através de sites, redes sociais, blogs, dentre outros.

Esse cenário competitivo gera novas tecnologias continuamente, justificando a redução no ciclo de desenvolvimento de novos produtos. Não há mais como consumir 18-24 meses no processo de desenvolvimento de um novo produto, sendo que, a expectativa de permanência no mercado, será próxima deste mesmo intervalo de tempo, por exemplo.

As ferramentas de engenharia e os processos de desenvolvimento evoluíram, facilitando a condução de projetos para o lançamento de novos produtos ou produtos modificados,com elevada confiabilidade e cronogramas mais reduzidos.

Neste contexto, foram disponibilizadas aplicações CAD-CAE-CAM integradas, que permitem desenhar, realizar simulações, validar e programar a manufatura. Devemos lembrar que o desenvolvimento de um produto não se resume somente no desenho e especificação de materiais, mas envolve ciclos de testes e validações exaustivas que normalmente resultam em alterações nos planos inicias da concepção.

A prototipagem rápida é outra ferramenta que veio encurtar o tempo necessário para a validação das alternativas de design. Em alguns casos a prototipagem rápida permite até a execução de testes práticos funcionais com o produto, antes mesmo de sua existência, permitindo correções no projeto ainda no período de desenvolvimento, com considerável economia de recursos financeiros e tempo.

Outra ferramenta eficaz no desenvolvimento de produtos é a digitalização 3D.

A digitalização 3D ou “escaneamento 3D” é o processo utilizado para obter arquivos digitais a partir de objetos físicos. Arquivos digitais e modelamentos matemáticos são fundamentais para os processos modernos de desenvolvimento de novos produtos e para sua manutenção ao longo do tempo.

Existem diferentes tecnologias disponíveis em equipamentos digitalizadores, cada uma delas apresenta diferentes benefícios, limitações e custos. A figura 3 apresenta de uma maneira resumida a classificação dos principais tipos de digitalizadores (“scanners) 3D atualmente encontrados no mercado.

 Classificação – Principais tipos de digitalizadores

Figura 1 – Classificação – Principais tipos de digitalizadores

Os digitalizadores manuais apresentam grande versatilidade quanto à utilização, são ideais para aplicação em locais de espaços reduzidos permitindo grande mobilidade. Normalmente utiliza a tecnologia “triangulação 3D laser”. Esta tecnologia é baseada na emissão de um laser sobre a superfície e a captação de seu posicionamento através de uma câmera, formando um triângulo, A figura 4 ilustra esse princípio.

O Scanner 3D também é uma ferramenta imprescindível em projetos de “Engenharia Reversa”, ou seja, partindo da existência de um produto a partir do qual se necessita copiar ou modificar, permitindo obter seus arquivos digitais, seu modelamento matemático e desenhos 2D e 3D. Neste conceito é muito utilizado ainda na manutenção e restauração de equipamentos e componentes cujo acesso já não está disponível e que para reproduzi-los não se possui a documentação técnica necessária.

Inspeções tridimensionais de produtos, componentes ou ferramentas, são também aplicações extremamente precisas da digitalização 3D, que podem reduzir não somente o tempo de desenvolvimento, mas também os ciclos de fabricação dos produtos.

Um exemplo de digitalização 3D aplicada ao final do processo de desenvolvimento é a inspeção dimensional de amostras. Esta atividade é necessária para avaliar a conformidade dimensional, ou seja, das cotas das primeiras amostras comparadas com o projeto.

Desta forma pode-se aprovar o ferramental de origem ou processo de manufatura do produto em questão. A figura 2 a seguir apresenta um exemplo de inspeção dimensional 3D, na avaliação dimensional de uma tampa de cabeçote de motor automotivo.

Figura 2: Inspeção 3D

Figura 2: Inspeção 3D

Com a Inspeção 3D é possível a comparação direta do arquivo CAD com o arquivo gerado pela digitalização, possibilitando a identificação em forma gráfica e em cores das regiões conformes e não conformes, analisando se as mesmas estão dentro dos limites (tolerâncias) especificadas.

Outro exemplo de aplicação pode ser observado no início dos projetos, quando designers utilizam a modelagem em argila (“clay”), para explorar com liberdade a criação de superfícies e alternativas ergonômicas, fora dos softwares CAD e suas estruturas de modelamento matemático mais rígidas.

A figura 3 a seguir, ilustra a modelação em “clay” de um acessório automotivo e a captura das formas ergonômicas de um assento automotivo.

Figura 3 - modelagem clay e assento.

Figura 3 – modelagem clay e assento

Enfim, a digitalização 3D pode ser aplicada no desenvolvimento de produtos, na aferição dos resultados dimensionais, na manutenção parte do processo de engenharia reversa. A utilização da técnica permite analise antecipada de pontos vitais dos produtos em antecipação ao seu lançamento no mercado, reduzindo o ciclo de desenvolvimento e aumentando a qualidade do produto final disponibilizado ao consumidor.

Figura 4 – Captação por Triangulação tridimencional de laser (emeraldsight, 2013)

Figura 4 – Captação por Triangulação tridimencional de laser (emeraldsight, 2013)

Através de cálculos usando os ângulos de emissão e recepção do equipamento é capaz de determinar o posicionamento do ponto no espaço. Como o objetivo é determinar as dimensões de uma superfície e não somente um ponto no espaço, os equipamentos utilizam um feixe de laser ao invés de um simples ponto, fazendo uma varredura sobre a superfície do objeto a ser digitalizado.

Os braços articulados são instrumentos já de longa data aplicados na medição por contato, trouxeram mobilidade aos sistemas “Coordinate Measuring Machines” (CMM), permitindo que os sistemas de medição por contato fossem utilizados fora das salas de medição, para avaliações de equipamentos ou componentes de grandes dimensões no campo ou daqueles que não podiam ser posicionados nos equipamentos estacionários. Os fabricantes e fornecedores de braços articulados vêm oferecendo scanners como acessórios para acoplamento aos braços articulados, sendo o sistema referenciado aos eixos do braço e conseqüentemente carregando a soma de suas tolerâncias, ou seja, apesar da melhoria da uniformidade de captação o sistema ainda apresenta precisão limitada a outros sistemas de digitalização.

Os equipamentos mais utilizados para digitalização de componentes mecânicos são os digitalizadores de área. Estes podem ser de dois tipos: luz modulada ou luz estruturada. Os scanners laser, também conhecidos como “modulated light scanners” aplicam uma fonte de luz com amplitude cíclica sobre o objeto, geralmente variando de forma senoidal. A câmera identifica a luz refletida e, conforme a variação do retorno, é estabelecida a distância percorrida pela luz. A interferência de outras fontes luminosas é menor neste tipo de scanner, que ignoram outras fontes que não o laser.

Os digitalizadores de luz estruturada projetam uma malha de luz sobre o objeto utilizando um projetor de luz, LED ou outra fonte estável de luz, conforme mostra a figura 5. Uma câmera é utilizada para capturar a deformação da malha projetada na superfície. Avantagem dos digitalizadores de luz estruturada reside na captação de múltiplos pontos do campo de visão de uma única vez o que lhe garante maior precisão e velocidade quando comparado com digitalizadores que utilizam o método de triangulação, além de reduzir ou até mesmo eliminar os problemas de distorção de movimento e desta forma alguns sistemas com a utilização desta tecnologia são capazes de digitalizar objetos em movimento em tempo real.

Figura 5 – Processo de captação de imagem com luz estruturada (wikipidia, 2013)

Figura 5 – Processo de captação de imagem com luz estruturada (wikipidia, 2013)

Para objetos ou instalações de grandes dimensões tais como edifícios e pontes, uma outra tecnologia de digitalização 3D é aplicada, a “time offlight”. Nesta tecnologia uma fonte laser emite um pulso de luz e o intervalo de tempo em que esse pulso é refletido e retornado para um detector é calculado. Como a velocidade da luz é constante e conhecida, obtendo os intervalos de tempo consegue-se obter os distanciamento dos pontos no espaço. A precisão desse tipo de scanner está muito ligada a capacidade de medir o tempo de retorno, que é muito pequeno e apresentada na escala de pico segundos (10-12 segundos).

Existe atualmente um bom número de fabricantes de scanners 3D. A seleção de um digitalizador ou até de um fornecedor de serviços deve considerar as dimensões principais da peça ou produto a ser digitalizado, o erro de medição permitido e a resolução desejada.

Esses fatores são intrínsecos a cada projeto e o fornecedor de scanner e serviço têm que confirmar se os recursos de que dispõe é capaz de alcançar os resultados desejados.

Além do alto investimento em digitalizadores que conferem pequeno erro de medição, a manipulação dos arquivos digitalizados exige conhecimentos específicos em softwares e projeto mecânico para esse fim. Desta forma, deve-se avaliar cuidadosamente entre adquirir equipamentos e sistemas ou contratar os serviços de empresas terceiras.

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