Estudo da intermutabilidade de componentes: injetados em cavidades múltiplas: num sistema mecatrónico aplicado nos automóveis BMW

Pedro Ferreira Lopes Estudo da intermutabilidade de componentes - injetados em cavidades múltiplas - num sistema mecatrónico aplicado nos automóveis BMW Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Tecnologias da Manufatura Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor José Luís Martins Alves Junho de 2020 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ iii AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, gostaria de agradecer ao meu orientador, Professor Doutor José Luís Martins Alves, pela sua dedicação, disponibilidade, orientação, partilha de conhecimentos e sugestões ao longo das várias fases do trabalho desenvolvido. Expresso o meu maior agradecimento por todo o incentivo e pela sua capacidade de motivação face às adversidades que iam surgindo, mostrando-me que o foco e a persistência são a chave para o sucesso dos nossos objetivos. Agradeço à empresa Preh Portugal Lda pela oportunidade, em especial ao Engenheiro José Alves pelo seu acolhimento, apoio prestado e conhecimentos transmitidos. Aproveito para agradecer aos restantes membros da sua equipa pela simpatia e disponibilidade para ajudar. À Universidade do Minho e ao Departamento de Engenharia Mecânica por todos estes anos de ensino e formação. Gostaria de agradecer a todos os docentes que contribuíram positivamente para a minha formação e pela partilha de conhecimento. Aos meus colegas de curso e amigos, com especial destaque para o Diogo, Filipe, Gonçalo, Paulo e Pedro, pela vossa amizade, companheirismo, interajuda e por todos os momentos vividos, que irão sempre fazer parte das melhores memórias académicas. Agradeço à minha família, de uma forma distintiva, por tudo. Desde sempre por todos os valores incutidos, pela educação, pelos esforços, pelo apoio incondicional e por toda a transmissão de confiança e serenidade durante a fase da minha dissertação. À Joana, por todo o seu indiscutível apoio, motivação, pela sua bondade, que espelha a excelência de pessoa que é e por tudo o que representa para mim. A vocês, muito obrigado. Por último, gostaria de dedicar esta dissertação aos meus avós, com especial destaque para a minha avó que teria todo o orgulho em ler o projeto que o neto escreveu. A todos, o meu mais sincero obrigado! iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. v RESUMO Para muitas indústrias, o controlo e inspeção de qualidade são parte integrante do processo de fabrico atual. Para promover a inovação, evolução e resolução de problemas atuais, surge a necessidade de desenvolvimento e implementação de novas metodologias que promovam melhorias constantes ao processo produtivo. Neste âmbito, surge na Preh Portugal Lda um problema relacionado com a múltipla combinação entre componentes da unidade de controlo central dos automóveis BMW. Face aos diversos moldes de injeção a produzir componentes idênticos e ao grande número de diferentes componentes constituintes da unidade de controlo central dos automóveis BMW, gera-se um problema na validação das múltiplas combinações entre componentes. O presente trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de uma metodologia/ferramenta capaz de promover a otimização dos métodos de validação de componentes no produto final, onde se pretende demonstrar e utilizar o conceito idealizado de “validação de montagem digital” (tal como nos softwares de CAD) só que através de ficheiros STL provenientes das tecnologias de digitalização 3D. Numa primeira fase, analisa-se a situação atual da empresa e quais os processos de validação dos componentes existentes. De seguida, é efetuado um estudo aos princípios de funcionamento das tecnologias de digitalização 3D e um levantamento sobre possíveis softwares e bibliotecas capazes de corresponder às necessidades da empresa. Numa segunda fase, descreve-se detalhadamente o conceito idealizado e desenvolvido, desde o passo onde se demonstram quais os softwares e a linguagem de programação utilizados até à forma como a solução desenvolvida opera e permite a visualização de resultados obtidos. Numa terceira fase, realiza-se uma análise pormenorizada à versatilidade dos resultados obtidos através da aplicação da solução. Por último, aplica-se a solução desenvolvida ao problema existente na empresa Preh Portugal Lda, onde se valida o seu funcionamento e se analisa os resultados obtidos. Através da aplicação da solução desenvolvida a um problema real, esta revelou-se capaz de apresentar resultados fidedignos e benéficos para a empresa, promovendo a utilização de uma solução com um conceito inovador. PALAVRAS-CHAVE Digitalização, inovação, metodologia, montagem, validação vi ABSTRACT For many industries, quality control and inspection are an integral part of the current manufacturing process. To promote innovation, evolution and resolution of current problems, the need arises for the development and implementation of new methodologies that promote constant improvements to the production process. In this context, a problem arises at Preh Portugal Lda related to the multiple combination of components of the central control unit of BMW cars. Due to the several injection moulds producing identical components and the large number of different components of the central control unit of BMW cars, a problem arises in the validation of the multiple combinations between components. This work consists in the study and development of a methodology/tool capable of promoting the optimization of the validation methods of components in the final product, where it is intended to demonstrate and use the idealized concept of "digital assembly validation" (as in CAD software) only through STL files from 3D scanning technologies. In a first stage, the current situation of the company is analyzed and what are the validation processes of the existing components. Then, a study is made of the operating principles of 3D scanning technologies and a survey of possible software and libraries capable of meeting the company's needs. In a second phase, the concept designed and developed is described in detail, from the step where it is shown which software and programming language is used to the way the developed solution operates and allows the visualization of the results obtained. In a third phase, a detailed analysis of the versatility of the results obtained through the application of the solution is performed. Finally, the solution developed is applied to the existing problem at Preh Portugal Lda, where its operation is validated and an analysis is made of the results obtained. Through the application of the developed solution to a real problem, it has been proved to be able to present reliable and beneficial results for the company, promoting the use of a solution with an innovative concept. KEYWORDS Assembly, innovative, methodology, scanning, validation vii ÍNDICE Agradecimentos .................................................................................................................................. iii Resumo .............................................................................................................................................. v Abstract .............................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ................................................................................................................................ ix Índice de Tabelas ............................................................................................................................... xii Lista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos .......................................................................................... xiii 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1 Grupo Preh ............................................................................................................................... 1 1.2 Problema e motivação .............................................................................................................. 3 1.3 Objetivos .................................................................................................................................. 4 1.4 Estrutura do documento ............................................................................................................ 4 2. Descrição do problema e situação atual ....................................................................................... 6 2.1 Apresentação da unidade de controlo BMW ............................................................................... 6 2.1.1 Subgrupos funcionais ..................................................................................................... 7 2.1.2 Variantes das versões da unidade de controlo ................................................................. 8 2.1.3 Identificação do problema existente ................................................................................ 9 2.2 Processos de validação ........................................................................................................... 11 2.2.1 Processos de validação de uma nova cavidade - componente ....................................... 11 2.2.1 Processos de validação - estudo de capabilidade .......................................................... 17 3. Estado de arte ........................................................................................................................... 19 3.1 Digitalização 3D ...................................................................................................................... 19 3.2 Scanners 3D a laser ............................................................................................................... 20 3.2.1 Princípios de funcionamento do scanner a laser ........................................................... 21 3.2.2 Princípios da triangulação ............................................................................................ 23 3.2.3 Tempo de voo .............................................................................................................. 24 3.2.4 Diferença de fase ......................................................................................................... 25 3.3 Scanners 3D a luz estruturada ................................................................................................ 26 3.4 Tomografia computorizada ...................................................................................................... 28 3.5 Máquina de medição por coordenadas .................................................................................... 30 viii 3.6 Tecnologias de digitalização 3D - conclusões ........................................................................... 32 3.7 Ficheiros do tipo STL .............................................................................................................. 32 3.7.1 Especificação de um ficheiro STL ................................................................................. 34 3.8 Análise aos softwares existentes no mercado ........................................................................... 35 3.8.1 Meshlab ....................................................................................................................... 36 3.8.2 Meshmixer ................................................................................................................... 37 3.8.3 Trimesh ....................................................................................................................... 37 3.8.4 GOM Inspect & Parts .................................................................................................... 38 3.8.5 Conclusões .................................................................................................................. 41 4. Metodologia/solução desenvolvida ............................................................................................ 42 4.1 Conceito da validação de “montagem digital” .......................................................................... 42 4.2 Softwares utilizados ................................................................................................................ 42 4.3 Metodologia ............................................................................................................................ 43 4.3.1 Aquisição da informação intrínseca à montagem entre objetos ...................................... 43 4.3.2 Leitura, tratamento da informação e movimentação dos objetos ................................... 45 4.3.3 Determinação das distâncias entre objetos ................................................................... 48 4.3.4 Exportação e visualização dos resultados obtidos .......................................................... 54 4.4 Múltipla combinação de objetos .............................................................................................. 57 5. Validação, análise e discussão de resultados ............................................................................. 60 5.1 Análise de resultados .............................................................................................................. 60 5.2 Aplicação prática - Preh Portugal Lda ...................................................................................... 65 6. Conclusões e trabalhos futuros .................................................................................................. 70 6.1 Considerações finais ............................................................................................................... 70 6.2 Trabalhos futuros .................................................................................................................... 71 7. Bibliografia ................................................................................................................................ 73 ANEXO 1 - Desenho técnico de montagem da unidade de controlo da BMW ....................................... 76 ANEXO 2 - Scripts desenvolvidas ....................................................................................................... 77 ix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 - Grupo Preh em Bad Neustadt, Alemanha [1] ....................................................................... 1 Figura 2 - Principais clientes do Grupo Preh [1] ................................................................................... 2 Figura 3 - Instalações Preh Portugal Lda situada na Trofa, Porto [1] ..................................................... 3 Figura 4 - Organização do documento ................................................................................................. 5 Figura 5 - Unidade de controlo dos automóveis BMW (BZM) ................................................................ 6 Figura 6 - Subgrupos funcionais da unidade de controlo ...................................................................... 8 Figura 7 - Versões disponibilizadas da unidade de controlo .................................................................. 9 Figura 8 - Modelo 3D do componente carrier ..................................................................................... 11 Figura 9 - Ficheiro CAD (à esquerda) e ficheiro STL proveniente de digitalização (à direita) do componente carrier .............................................................................................................................................. 12 Figura 10 - Seleção do pré-alinhamento a utilizar ............................................................................... 13 Figura 11 - Alinhamento do carrier através das 4 orelhas características ............................................ 13 Figura 12 - Visualização dos resultados obtidos segundo alinhamento pelas 4 orelhas ....................... 14 Figura 13 - Segundo alinhamento do carrier através das 6 orelhas características .............................. 14 Figura 14 - Visualização de resultados com base no segundo alinhamento efetuado .......................... 15 Figura 15 - Alinhamento RPS aplicado ao componente carrier ........................................................... 16 Figura 16 - Visualização de resultados segundo alinhamentos RPS .................................................... 16 Figura 17 - Medição dos K's .............................................................................................................. 17 Figura 18 - Fluxograma com o estudo de capabilidade necessário realizar [2] .................................... 18 Figura 19 - Fluxograma das típicas aplicações executadas através das tecnologias de digitalização 3D. [4] .................................................................................................................................................... 19 Figura 20 - Diferenças na propagação das ondas emitidas por uma fonte laser e por uma fonte de luz normal [8] ........................................................................................................................................ 21 Figura 21 - Exemplo de um típico scanner 3D a laser [9] ................................................................... 22 Figura 22 - Princípio da triangulação. Adaptado de [11] ..................................................................... 23 Figura 23 - Princípio do tempo de voo. Adaptado de [13] ................................................................... 24 Figura 24 - Princípio de funcionamento da diferença de fase. Adaptado de [7] ................................... 25 Figura 25 - Princípio de funcionamento dos scanners 3D a luz estruturada. Adaptado de [16] ............ 26 Figura 26 - Conjunto de padrões que podem ser projetos sobre o objeto/alvo a digitalizar [18] .......... 27 3 Figura 3 - Instalações Preh Portugal Lda situada na Trofa, Porto [1] 1.2 Problema e motivação O atual panorama industrial promove uma grande competitividade entre empresas, o que gera a procura constante na melhoria dos processos utilizados e implementação de novas metodologias que tragam consigo vantagens na vertente económica e produtiva. Com base nesta consciencialização, a empresa Preh Portugal Lda possui um problema específico relacionado com a validação da montagem dos componentes constituintes da unidade de controlo da caixa de velocidades dos automóveis BMW. Atualmente, face às diferentes versões existentes de automóveis BMW, existe uma enorme quantidade de combinações de componentes constituintes da unidade de controlo, provenientes de diferentes moldes de injeção, que não podem ser todas avaliadas durante a sua validação. Atualmente a gestão é efetuada de uma forma não muito metódica, sendo utilizado o bom senso e experiência dos intervenientes. Foi neste sentido que a organização sentiu e compreendeu as dificuldades desta validação do produto final e é aqui que surge espaço para a criação deste tema e projeto de dissertação. A escolha deste tema relaciona-se com o facto de se pretender realizar a otimização dos métodos de validação de componentes no produto final, onde se torna também importante compreender a influência das combinações de componentes provenientes de diferentes cavidades na montagem e validação do produto final. A principal motivação incide no facto de se tornar necessário melhorar a metodologia existente na empresa, promovendo a implantação de novas estratégias que tornem o processo de validação mais eficiente e com melhorias na sua gestão. Neste sentido, pretende-se recorrer à utilização de simulação numérica para aplicações de controle dimensional e validação de montagem. Para além 4 disso, o facto de ter sido um tema proposto por uma empresa, possibilitou um contacto próximo com o mundo empresarial na vertente da engenharia, tornando-se num projeto estimulante e desafiante. 1.3 Objetivos Os objetivos deste trabalho foram definidos com base nos requisitos da empresa e nas especificidades do tema em estudo. O objetivo principal desta dissertação consiste em contribuir para a otimização dos métodos de validação de componentes no produto final. O estudo será focado na avaliação das diversas combinações dos componentes. De uma forma muita sucinta, pretende-se: • Avaliar a influência das diversas combinações de cavidades dos componentes na montagem e validação do produto final; • Compreender o impacto da implementação de alterações de engenharia de vários componentes; • Otimizar os métodos de validação de componentes no produto final; • Criar, desenvolver e automatizar um método que seja possível de implementar de forma transversal a todos os componentes; • Desenvolver uma nova metodologia utilizando métodos numéricos para validação de um conceito de “montagem digital” (através da medição de distâncias entre componentes utilizando ficheiros do tipo STL/malha) 1.4 Estrutura do documento Neste tópico será abordada a estrutura do documento. Este encontra-se organizado em 6 capítulos (Figura 4), onde se aconselha que sejam lidos pela mesma ordem que se encontram expostos, de modo a que o leitor compreenda da melhor forma todo o projeto: 5 Figura 4 - Organização do documento 6 2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA E SITUAÇÃO ATUAL Neste capítulo será apresentada a unidade de controlo dos automóveis BMW, objeto que deu origem a este caso de estudo. Inicialmente apresentar-se-á o produto de forma detalhada, quais as suas funções, características, particularidades e fatores que levam à existência de um problema de validação complexa dos componentes constituintes. Seguidamente será realizada uma análise da situação atual da organização, uma abordagem sobre o impacto das múltiplas cavidades na produção de componentes, respetivas combinações e uma descrição dos procedimentos e metodologias utilizadas para validação do produto final. Nesta abordagem, utilizarse-á o componente carrier , constituinte da unidade de controlo, para demonstração sobre como cada peça é validada e aprovada para produção em série. 2.1 Apresentação da unidade de controlo BMW O objeto de estudo deste projeto consiste na unidade de controlo dos automóveis BMW (cujo nome original alemão é BZM - Bedien Zentrum Mittelkonsole - Operating unit center console) (figura 5) que apresenta diversas funcionalidades em função da versão do produto e do carro onde será aplicado: Figura 5 - Unidade de controlo dos automóveis BMW (BZM) É através deste equipamento que se realizam as operações de ligar/desligar o motor, alterações de performance (variando entre os modos desportivos, conforto, adaptativo e económico), controla o ecrã 7 de bordo através do navegador, é responsável pela atuação manual ou automática das engrenagens, pela ativação/desativação do travão de segurança e ainda tem a vertente de regular outras variantes como a suspensão, abertura da capota (caso aplicável na versão) e entre outras funcionalidades. Para além de ser um componente extremamente importante para o funcionamento do carro, trata-se de um componente que apresenta uma elevada complexidade em termos de montagem: em função da versão, a unidade de controlo é constituída por uma quantidade de componentes que pode variar entre as 130150 peças. Correlacionado com estes fatores, existem ainda tecnologias associadas às versões das unidades de controlo tais como o “haptic feedback” das teclas nas versões ativas e o “iDrive touch controller” que permite o desenho de caracteres através navegador. 2.1.1 Subgrupos funcionais A Preh Portugal Lda definiu que a unidade de controlo é um produto que se encontra subdividido em três grupos/projetos diferentes: • MIKO: é a parte onde são colocados os componentes responsáveis pela ativação/desativação do motor, alterações das propriedades da performance do carro e é também onde atravessa e fica alocada a manete de velocidades, responsável pela engrenagem das mudanças do carro. Para efeitos, a Preh Portugal Lda e a BMW consideram a manete das velocidades como outro subgrupo denominado como GWS; • ZBE: corresponde ao navegador responsável pelo controlo do computador de bordo dos carros; • NIV: corresponde ao subgrupo que permite realizar as alterações na suspensão do carro. Dependendo da versão do componente/projeto, existe também a função de abertura/fecho da capota do carro quando aplicável. 8 Na figura 6 seguinte é possível verificar a separação da unidade de controlo nos 3 grupos funcionais: Figura 6 - Subgrupos funcionais da unidade de controlo Dentro destes 3 subgrupos, é de salientar que apenas o subgrupo MIKO e ZBE são produzidos na Preh Portugal Lda. O subgrupo NIV é produzido pela Preh México e existe uma versão, que permite função de descapotável, que é exclusivamente produzida em Itália. Apesar de não terem um grupo “específico”, existem outros componentes que são extremamente importantes e críticos ao correto funcionamento do equipamento. É possível visualizar em anexo 1 o desenho técnico que representa todos os componentes constituintes e respetiva montagem da unidade de controlo da BMW. 2.1.2 Variantes das versões da unidade de controlo Atendendo à grande variedade dos modelos de automóveis existentes na BMW, esta disponibiliza também uma grande diversidade de versões para a unidade de controlo. Desta forma, existem as versões esquerdas e direitas, isto é, versões esquerdas para os automóveis cujo volante se encontra à direita e versões direitas para os automóveis cujo volante se encontra à esquerda. Englobadas neste grupo, seguem-se as versões: • Ativa: é a versão que utiliza a tecnologia de “haptic feedback” ao pressionar as teclas. Esta pode ser encontrada sobre 3 formas diferentes: versão gloss , versão cristal Swarovski e versão kit M; • Passiva: é a versão que utiliza o acionamento das teclas por ação mecânica. Apenas existe para versões matt . 9 Na figura seguinte 7 é possível verificar de forma esquematizada todas as versões disponibilizadas pela BMW: Figura 7 - Versões disponibilizadas da unidade de controlo 2.1.3 Identificação do problema existente Numa fase inicial de diagnóstico do problema existente é relevante mencionar que atualmente maioritariamente dos componentes constituintes da unidade de controlo são provenientes de processos de injeção plástica. Este facto gera um aumento da complexidade do problema existente na validação do produto final aumenta devido ao número de versões existentes no mercado. Assim, o problema reside no facto de associado ao número de versões existentes, praticamente quase todos os componentes são injetados em múltiplas cavidades, isto significa que, para o mesmo componente podemos ter diferentes moldes a produzir a mesma peça. Isto faz com que existam componentes “teoricamente iguais” mas que apresentam ligeiras diferenças, uma vez que os moldes e processos estão otimizados para evitar as diferenças entre componentes. Face a esta variedade de 10 produção de componentes, existe uma enorme quantidade de combinação de moldes de injeção/componentes que não podem ser todas avaliadas durante a sua validação. Neste sentido, caso se pretendessem testar todas as combinações possíveis, para além de existirem milhares de combinações, não é viável realizar testes de montagens para todas as combinações devido às implicações de tempo que este processo causaria como os gastos que seriam gerados no processo. Para demonstrar e justificar que montagem física entre as diferentes combinações de componentes não é viável, utilizam-se apenas três componentes onde, com base no número de cavidades de produção de cada um e interação entre eles, se obtém o seguinte número de combinações: Tabela 1 - Combinação entre três componentes constituintes da unidade de controlo Pela análise da tabela 1, utilizaram-se três componentes ( carrier , cromado proteção e proteção lateral) que contactam diretamente, sendo peças onde é necessário um elevado rigor geométrico para não comprometer os dimensionamentos das folgas estipuladas pela BMW. Desta forma, combinando componentes dois a dois, podemos ver no exemplo da combinação entre o carrier e o cromado proteção que existem logo 48 possibilidades de combinações entre componentes. Assim e tendo em conta esta informação, se associarmos mais peças ao processo de montagem tal como no exemplo descrito, o número de combinações aumentará drasticamente pelo que a não é viável a montagem manual de todas as combinações. Atualmente a gestão desta validação é efetuada de uma forma não muito metódica, não existindo uma metodologia específica que seja aplicada e repetida constantemente e de forma igualitária para todos os componentes. Aquando da implementação de um novo molde, torna-se necessário compreender a influência que este está a provocar no componente a ser produzido (realizando comparações contra outros componentes iguais que são produzidos em moldes diferentes) e na vertente da montagem do produto final. Deste modo, é necessário desenvolver estratégias que acrescentem valor ao processo, que permitam otimizar 11 a validação dos componentes, que conferiram maior confiança e segurança ao processo de montagem dos componentes e que acima de tudo confiram transversalidade a todo o projeto. 2.2 Processos de validação 2.2.1 Processos de validação de uma nova cavidade - componente Tal como descrito anteriormente, é muito frequente a existência de várias cavidades a produzir um mesmo componente constituinte da unidade de controlo da BMW. Para começar a produção de componentes em série numa determinada cavidade, existe a necessidade da validação da mesma. A forma de validação de uma nova cavidade/componente a produzir decorre através da utilização de sistemas de aquisição de imagem de alta precisão 3D sem contacto ( scanner 3D). É utilizada uma “ATOS Scanbox Series 4”, equipada com o “ATOS III Triple Scan” (GOM® mbH Braunschweig, Alemanha), que representa um equipamento de captação de imagem sem contacto, que utiliza uma tecnologia avançada de projeção (especialmente desenvolvida para medição), que garante a qualidade dos dados captados com o mínimo de desvios. De forma a demonstrar o procedimento utilizado, recorreu-se ao exemplo do componente “carrier” (figura 8): Figura 8 - Modelo 3D do componente carrier Atualmente existem 2 moldes (4 cavidades) a produzir o componente carrier esquerdo da unidade de controlo. O carrier é um dos componentes mais importantes uma vez que é onde praticamente toda a estrutura/corpo da unidade de controlo é montada. Esta é uma peça complexa, com bastantes zonas de interligação/contacto com outros subgrupos funcionais, zonas onde a precisão dimensional é bastante crítica de modo a garantir as folgas e alinhamentos exigidos pela BMW, é uma peça intermutável e 12 aplicada em praticamente todas as consolas das diferentes gamas dos automóveis BMW (à exceção de alguns automóveis da gama M). Face às necessidades de produção da empresa, tornou-se necessário o aumentar a produção deste componente, surgindo deste modo um novo molde. Assim, o número de cavidades aumenta de 4 para 6, o que faz com que atualmente sejam produzidos 6 componentes “teoricamente iguais”. Contudo, antes de se dar início à produção em massa e começar a utilizar este molde para efeitos produtivos, é obrigatório garantir/validar o correto funcionamento (produção) do mesmo. O processo de validação, começa pela digitalização do componente para utilização futura do software GOM Inspect que apresenta uma função, onde é possível comparar um objeto real e um modelo CAD ideal (onde todos os desvios são exibidos através de uma distribuição de cores). Digitalizado os componente, procede-se com o carregamento dos seguintes ficheiros: CAD original e ficheiro STL proveniente da digitalização: Figura 9 - Ficheiro CAD (à esquerda) e ficheiro STL proveniente de digitalização (à direita) do componente carrier Pela análise da figura 9, visualiza-se à esquerda o ficheiro CAD e à direita o ficheiro STL do carrier obtido através da sua digitalização. Uma vez que cada ficheiro tem o seu sistema de coordenadas, estes podem estar em diferentes zonas do espaço, não estando alinhados. Para se começar a trabalhar, opta-se por fazer um primeiro pré-alinhamento, também denominado como “best fit”, onde o software utiliza todos os pontos e geometrias do CAD e da digitalização, realizando comparações para encontrar o melhor posicionamento de todos os pontos que represente o menor desvio/erro possível: 19 3. ESTADO DE ARTE O presente capítulo tem com objetivo efetuar uma revisão bibliográfica de temáticas abordadas e aplicadas ao longo do projeto de dissertação. Neste sentido, os conceitos abordados centram-se nas tecnologias de digitalização 3D, nos fundamentos teóricos por detrás de ficheiros do tipo STL e na análise e levantamento dos softwares/bibliotecas existentes no mercado para a aplicação pretendida. 3.1 Digitalização 3D Um modelo 3D proveniente de softwares CAD ( Computer aided design) consiste na representação digital de um objeto real. Estes são utilizados para diversos estudos: idealização de um produto, simulações, montagens entre peças e entre outras aplicações sendo estes vulgarmente utilizados no mundo da engenharia. Uma abordagem comum para a geração destes modelos 3D é recorrendo a softwares comerciais, tais como NX , CREO , CATIA , SolidWorks , Autodesk Inventor Profissional e entre outros. Outra abordagem é realizar a “modelação com base na realidade” [3], que consiste na aquisição de dados de um objeto físico, obtendo um modelo digital 3D no computador. As tecnologias de digitalização 3D permitem criar modelos 3D de um objeto real com alta precisão, podendo estas digitalizações ser realizadas com ou sem contacto com a peça, crianço um modelo tridimensional que pode ser rodado e visualizado em diferentes ângulos no computador. Tipicamente são aplicadas digitalizações em componentes quando se pretende extrair as suas dimensões com intuito de reconstruir o objeto para aplicações de engenharia reversa, prototipagem rápida ou para aplicações de inspeção auxilia por computador (CAI - Computer aided inspection ) e engenharia auxiliada por computador (CAE - Computer aided engineering ) - medir o próprio objeto para análise e documentação: Figura 19 - Fluxograma das típicas aplicações executadas através das tecnologias de digitalização 3D. [4] 20 Existe uma série de tecnologias que permitem efetuar a recolha de informação necessária à reconstrução tridimensional dos objetos. Os dispositivos que permitem o uso deste tipo de tecnologias são conhecidos como scanners 3D . Os scanners 3D apresentam diversas aplicações em diferentes áreas tais como arqueologia, metrologia industrial, medicina, cartografia entre outros. São estes equipamentos que permitem a análise de um objeto, retirando dele informações sobre a sua forma tridimensional. Atualmente, para muitas indústrias, o controlo e inspeção de qualidade são parte integrante do processo de fabricação atual. Neste sentido, para facilitar a transição de fábricas convencionais para fábricas inteligentes do futuro, foi vital inovar as tecnologias de fabricação e inspeção de qualidade existentes. Durante décadas, o mercado de metrologia dimensional foi dominado por máquinas de medição de coordenadas. No entanto, nos últimos 10 anos, a utilização de scanners 3D tornaram-se amplamente aceites na metrologia dimensional. Além de exibir resultados de alta precisão, as tecnologias mais recentes continuam a capitalizar a confiança do utilizador final, mostrando flexibilidade e portabilidade. [5] É expectável que após a sua utilização, o output seja uma nuvem de pontos geométricos da superfície do objeto, que serão processados através de softwares próprios para a obtenção do modelo 3D. Existem dois grandes grupos dentro dos scanners 3D : scanners de contacto e scanners sem contacto (onde este grupo se subdivide em ativo e passivo). [6] Os scanners passivos são seguros e não intrusivos uma vez que não possuem uma fonte de luz própria e utilizam a luz do ambiente para adquirir informações do objeto em analise enquanto que os scanners ativos possuem uma fonte de luz própria, que é projetada sobre o objeto em análise. Face ao foco de trabalho e uma vez que o processo de digitalização de componentes é um processo aplicado na empresa Preh Portugal Lda, torna-se importante compreender os fenómenos que se encontram por detrás das diferentes tecnologias e a forma como é exportada essa informação, uma vez que tem impacto na quantidade de informação disponível num ficheiro STL. Desta forma, será realizada uma abordagem às principais tecnologias de digitalização mais utilizadas: • Sem contacto: scanner a LASER, scanner a luz estruturada e tomografia computorizada; • Com contacto: máquinas de medição por coordenadas; 3.2 Scanners 3D a laser Os scanners 3D que recorrem à utilização da tecnologia de digitalização através de varrimento a LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) enquadram-se nos scanners 3D sem contacto ativo. Uma característica deste grupo onde se inserem estes equipamentos consiste no facto de existir emissão de um tipo de radiação ou luz sobre o objeto em análise. Os possíveis tipos de emissões 21 utilizados são luz, ultrassom ou raio-x. [6] O laser constitui uma fonte de luz que apresenta características específicas que as diferem de uma fonte de luz normal: apresentam ondas de sinal com um comprimento de onda bem definido, que são capazes de percorrer grandes distâncias e com pequenas variações na sua fase. Todos os feixes de luz são paralelos entre si, permitindo que o sinal tenha um espectro estreito e promovendo a emissão de uma única cor. [7] Na figura seguinte 20 podemos visualizar as diferenças na propagação das ondas emitidas por uma fonte laser e por uma fonte de luz normal (lâmpada): Figura 20 - Diferenças na propagação das ondas emitidas por uma fonte laser e por uma fonte de luz normal [8] A digitalização de objeto através de varrimento a laser para além de constituir um método que não é invasivo, permite a medição de uma grande quantidade de pontos rapidamente. 3.2.1 Princípios de funcionamento do scanner a laser Para que haja a cobertura total da superfície do objeto a digitalizar, existe a necessidade de captar a informação em todo o seu redor, através de múltiplas posições. Existem equipamento que possuem plataformas giratórias que permitem mover o objeto em movimentos precisamente sincronizados ao processo de varrimento: 22 Figura 21 - Exemplo de um típico scanner 3D a laser [9] Estes tipos de scanners com recurso à utilização de laser podem ser caracterizados por três princípios de funcionamento: triangulação, tempo de voo e diferença de fase. Tipicamente estas técnicas são utilizadas separadamente, mas também podem ser utilizadas em conjunto (quando se pretende utilizar um sistema de digitalização mais versátil). É através da determinação do parâmetro distância que se determinam as coordenadas características dos pontos do objeto que estão a ser analisados. Os scanners baseados na técnica do tempo de voo apesar de conseguirem operar com distâncias até aos 800 m, apresentam um melhor funcionamento na ordem dos 100-200 m. Em termos de grau de precisão, estes scanners podem apresentam um nível moderado para um único ponto (1 cm a 0,5 mm, dependendo da distância do objeto) e têm uma taxa de leitura/captura de aproximadamente 2000 a 50.000 pontos por segundo. A grande vantagem da sua utilização consiste na velocidade de digitalização e no facto de operar sob quaisquer condições de iluminação, sendo vulgarmente utilizados quando se executam operações de digitalização de edifícios e grandes componentes. Já scanners cujo princípio de funcionamento consiste na triangulação, estes oferecem altas resoluções e grande precisão, conseguindo obter uma precisão inferior a 0,3 mm (dependendo da distância do objeto), sendo capazes de captar, a altas velocidades, cerca de 100.000 pontos por segundo. Apesar destas vantagens, o processo de digitalização já requer um grau de iluminação, não sendo eficiente quando as condições de iluminação não são as mais favoráveis. No que diz respeito aos scanners cujo princípio de funcionamento é a diferença de fase, ao variar-se a amplitude da fonte de luz, a câmara pode determinar a distância do objeto, fazendo com que o alcance destes scanners pode atingir os 70 m e proporcionar uma resolução 23 de 0,6-1,2 mm, dependendo sempre da distância até ao objeto. Comparativamente com as duas técnicas anteriores, a grande vantagem deste tipo de scanner é que é extremamente rápido, com uma aquisição de pontos superior a 120.000 por segundo e um campo de visão de 360 graus. [10] Nos tópicos seguintes será realizada uma breve abordagem sobre os princípios de funcionamento das três técnicas anteriormente mencionadas. 3.2.2 Princípios da triangulação Tal como o próprio nome sugere, o princípio de medição através de triangulação está assente nos conhecimentos trigonométricos para triângulos. O trabalho da triangulação consiste em determinar a distância a que se encontra um ponto específico através de dois pontos a uma distância e determinados ângulos formados conhecidos. Neste processo é necessário: um emissor laser, uma câmara e um objeto para análise. O emissor de laser e a câmara são configurados sob um ângulo, criando um triângulo entre eles e a projeção a laser no objeto, daí o nome triangulação. O ângulo da câmara ( 𝛽 ) pode ser determinado observando a posição do laser no seu campo de visão. [7] É possível determinar a distância (d) a que a câmara se encontra do objeto através do conhecimento da distância (b) a que a câmara e o laser se encontra e dos dois ângulos formados ( 𝛼 e 𝛽 ). Figura 22 - Princípio da triangulação. Adaptado de [11] Para o esquema apresentado anteriormente, é possível determinar qualquer posição do ponto P em relação à câmara através da seguinte equação matemática: 24 𝑑= 𝑏×sin𝛼 sin(𝛼+𝛽) (3.1) 3.2.3 Tempo de voo Os scanners cujo princípio de funcionamento consiste na técnica tempo de voo utilizam uma luz laser ou infravermelha para digitalizar um objeto. É emitido um pulso de luz para o objeto que se deseja digitalizar e, após atingir a sua superfície, o pulso é refletido na direção do sensor. Como o próprio nome sugere, esta técnica determinada o tempo que um pulso de sinal demora desde que é emitido pelo scanner , até ser recebido pelo recetor. [12] A figura 23 seguinte representa uma ilustração do princípio de funcionamento: Figura 23 - Princípio do tempo de voo. Adaptado de [13] O sistema a utilizar deve ser capaz de medir o tempo necessário para a luz percorrer uma viagem de ida e volta. Uma vez que a velocidade da luz viaja a velocidades extremamente elevadas (c = 299 792 458 m/s), é necessária a utilização de um sistema sofisticado para medir o tempo de ida e retorno do feixe de luz. [14] De acordo com a seguinte equação: 𝑑=-𝑐×𝑡 2 (3.2) Onde: • d - Distância (metros); • c - Constante da velocidade da luz (299 792 458 m/s); • t - O tempo de voo necessário percorrido pelo pulso de luz. • divisão por 2 - É devido ao tempo de voo ser contabilizado desde a emissão do pulso de luz até ao seu retorno. 25 3.2.4 Diferença de fase O método de cálculo da distância de acordo com o princípio da diferença de fase é muito semelhante ao método de cálculo da distância descrito para a técnica de tempo de voo, sendo todos dos parâmetros conhecidos à partida com a exceção de um que será observável, neste caso, a fase do sinal refletido. Na figura 24 encontra-se uma ilustração do princípio de funcionamento: Figura 24 - Princípio de funcionamento da diferença de fase. Adaptado de [7] No método da diferença de fase, é determinado o deslocamento de fase entre o sinal enviado e o recebido com um determinado comprimento de onda. Considerando o sinal transmitido ( 𝜙𝑡 ) e o sinal recebido ( 𝜙𝑟 ), pode-se determinar a diferença de fase (∆ 𝜙 ) através da seguinte equação: [7] ∆𝜙=-𝜙!−𝜙" (3.3) Através da diferença de fase, faz-se uma relação com a frequência modelada do sinal transmitido (Ft) e com o tempo de voo: [7] 𝑡=- ∆𝜙 2×𝜋×𝐹" (3.4) Fazendo a relação entre as duas expressões anteriores, obtém-se a relação necessária para o cálculo da distância: [7] 𝑑=- 𝑐×∆𝜙 4×𝜋×𝐹" (3.5) 26 Onde: • d - Distância (metros); • c - Constante da velocidade da luz (299 792 458 m/s); • Ft - Frequência modelada do sinal transmitido; • ∆ 𝜙 $-$Diferença de fase. Apesar da velocidade de leitura/varrimento de um objeto por parte dos scanners cujo principio de funcionamento é com base na diferença de fase ser mais rápido do que os scanners de voo cujo principio de funcionamento é com base no tempo de voo, as nuvens de pontos resultantes dos scanners que utilizam o princípio das diferenças de fase são mais “ruidosas” do que as resultantes dos scanners que utilizam o princípio do tempo de voo. [9] Outra diferença consiste na gama de medição: os scanners que utilizam o princípio do tempo de voo apresentam uma gama na ordem dos 200-300m, sendo superior à gama de medição dos scanners que utilizam o princípio da diferença de fase que se encontra na ordem dos 70-80m. 3.3 Scanners 3D a luz estruturada Assim como os scanners 3D a laser, os scanners 3D com base na utilização de luz estruturada constituem um método sem contacto ativo para aquisição das coordenadas 3D de um objeto/alvo onde, em vez de se projetar somente um plano de luz sobre o objeto/alvo a digitalizar, é projetado um padrão ou uma sequência de padrões, devidamente codificados, na superfície do objeto/alvo. [15] Para a realização deste processo de digitalização, o sistema de luz estruturada é constituído essencialmente por dois componentes: um projetor e uma câmera (figura 25): Figura 25 - Princípio de funcionamento dos scanners 3D a luz estruturada. Adaptado de [16] 27 Tal como nos scanners 3D a laser, o princípio de funcionamento dos scanners 3D a luz estruturada é igual ao princípio da triangulação para determinar a distância a que a câmera se encontra do objeto/alvo. O projetor utilizado para projeção dos padrões pode ser codificado de várias formas: • Espacialmente, onde é projetado um único padrão ( single-shot ) sobre o objeto/alvo para aquisição de informação. É vulgarmente utilizado em situações dinâmicas; [17] • Temporalmente, onde são projetados múltiplos padrões ( multi-shots ) sobre o objeto/alvo. Estes tipos de padrões são vulgarmente utilizados quando o objeto/alvo é estático e não existe restrição de tempo aquando da aquisição de informação. A grande vantagem desta técnica é o facto de originar resultados mais precisos; • Forma híbrida através da combinação dos dois métodos. Dentro das possíveis formas, existem vários tipos de padrões que podem ser projetados: Figura 26 - Conjunto de padrões que podem ser projetos sobre o objeto/alvo a digitalizar [18] Grande parte dos scanners 3D de luz estruturada projetam padrões binários compostos por listras pretas e brancas de forma sequencial (figura 26 - Binary Code ). A cada padrão corresponde um conjunto de planos de luz codificados como 1 ou 0, isto é, consoante sejam iluminados ou não iluminados. 28 Geralmente, N planos de luz podem codificar 2N padrões de luz. Como a cada ponto na superfície do objeto corresponde um código binário único e é utilizada uma câmera para captar as imagens dos padrões projetados, as coordenadas 3D dos vários pontos podem ser computorizadas formando um modelo completo de uma imagem 3D. [19] O processamento do conjunto das várias imagens que são captadas promovem a construção da geometria do alvo/objeto. As grandes vantagens dos scanners 3D com luz estruturada são: a velocidade com que o processo de digitalização decorre e o facto de serem capazes de digitalizar um conjunto enorme de pontos e até mesmo todo um campo de visão (quando aplicável). Dentro desta gama de scanners 3D, existem alguns que permitem a digitalização de objetos em movimento em tempo real. [6] [9] Para além da velocidade, os scanners 3D com base em luz estruturada existentes no mercado atual apresentam graus de precisão extremamente elevados de acordo com a tabela encontrada em [20] Tabela 2 - Desempenho de vários sensores de luz estruturados disponíveis comercialmente. Adaptado de [20] Empresa Produto Precisão (mm) Velocidade GOM Atos II 0,005-0,02 1,300,000 pontos em 7 segundos Breuckmann GmbH OptoTOPHE100 0,015 1,300,000 pontos/segundo Breuckmann GmbH OptoTOPHE600 0,05 1,300,000 pontos/segundo Genex EI 3D Digitizer 0,025-0,25 442,368 pontos em <1 segundo Steinbichler Optotechnik Comet C50 0,02 6666 pontos/segundo Steinbichler Optotechnik Comet C400 0,07 6666 pontos/segundo Como é possível concluir pela análise da tabela 2, existem scanners 3D disponibilizados com uma capacidade de leitura elevada, tanto em termos de velocidade de leitura como de quantidade de informação adquirida (pontos lidos). A grande aquisição de informação por parte destes equipamentos confere uma maior precisão ao modelo obtido através do objeto/alvo digitalizado. 3.4 Tomografia computorizada O foco na precisão no âmbito da engenharia é extremamente importante. Os componentes produzidos pelas indústrias são cada vez mais complexos e as exigências de controlo/garantia de qualidade 35 Onde a primeira coluna de valores representa as coordenadas em X, a segunda as coordenadas em Y e a terceira as coordenadas em Z. Na verdade, um ficheiro do tipo ASCII é representado por um conjunto de caracteres codificados que consiste em 128 caracteres de 7 bits. Existem 32 caracteres de controlo, 94 caracteres gráficos, o caracter de espaço e o caracter de exclusão. [31] A diferença é que o computador consegue reconhecer essa codificação, tornando possível de a ler. É relevante mencionar que existe uma grande diferença entre a utilização de ficheiros ASCII e binário precisamente na compactação dos mesmos. Comparando a dimensão de um ficheiro nos dois formatos, um ficheiro binário é muito mais compacto (o que o torna mais leve) e muito mais rápido de ler. Apesar de apresentarem uma dimensão menor, os ficheiros do tipo binário têm um espaço nulo de 2 bytes para todas os triângulos que não têm utilidade. [30] Quando se recorre a equipamentos de digitalização 3D de componentes, o formato mais recorrente de exportação de resultados são ficheiros deste tipo. A sua utilização prima pela sua simplicidade. Através de um conjunto de N entidades simples, triângulos, definidos por três pontos e um vetor de orientação, pode-se descrever totalmente um objeto tridimensional. Embora sejam necessários muitos desses triângulos para representar a geometria 3D, é um método simples de representação de dados. A grande desvantagem de ficheiros STL está presente no tamanho dos mesmos quando comparado com o ficheiro CAD original. 3.8 Análise aos softwares existentes no mercado A utilização de ficheiros STL tornou-se tão vulgar que atualmente existem bastantes softwares ou bibliotecas desenvolvidas por utilizadores preparadas para a leitura da informação proveniente de ficheiros deste tipo. No mercado podemos encontrar soluções profissionais pagas (sob licença comercial) ou soluções de código aberto. Face ao problema, existe uma série de parâmetros/funções necessárias para a realização do cálculo das distâncias entre dois objetos do tipo malha: • Leitura de diferentes objetos de formato STL; • Execução do correto posicionamento entre duas malhas; • Cálculo das distâncias de todos os vértices de uma malha em relação à outra; • Automatização do processo de leitura e cálculo de vários ficheiros. Estas são as funções essenciais para desenvolver uma estratégia/metodologia com vista a resolver o problema. De forma a analisar-se os softwares /bibliotecas disponibilizados no mercado e a compreender se já existe essa funcionalidade que se pretende desenvolver, realizou-se uma pesquisa sobre potenciais candidatos capazes de satisfazer as condições em cima descritas. Desta forma, realizar-se-á uma análise às potencialidades de cada um. 36 3.8.1 Meshlab O MeshLab . desenvolvido pelo Instituto de Ciências e Tecnologias de Informação em parceria com o conselho nacional de pesquisa italiano, é um software de código aberto, licenciado sobre a licença publica geral GNU (GPL), totalmente gratuito, projetado para edição e processamento de malhas. Uma vez sendo código aberto, permite a incorporação de algoritmos próprios, desenvolvidos por utilizadores, para aprimorar as ferramentas disponibilizadas pela software : Fazendo uma análise geral, é um software que apresenta diversas ferramentas bastante úteis para aplicação em malhas. Face às condições necessárias, este é capaz de importar/ler dois (ou mais) ficheiros (ao mesmo tempo) do tipo STL e executar o alinhamento entre duas malhas com recurso a pelo menos 4 pontos que se deverão contactar: Figura 34 - Forma de execução do alinhamento utilizando o software Meshlab [32] Pela análise da figura 34, visualizamos que é possível alinhar as duas malhas através da seleção de pontos (vértices) que se irão contactar. A grande desvantagem é que este processo de alinhamento, aquando da seleção dos pontos que irão contactar, apresenta uma estrutura wideframe do objeto pouco precisa para a escolha dos vértices da malha. Após esse processo, é ainda possível fazer rotações e outro tipo de operações necessárias para o correto alinhamento. Apesar de permitir o alinhamento entre duas malhas, este software é vulgarmente utilizado quando se pretende fazer uma análise entre duas malhas de objetos iguais, não sendo direcionado para o alinhamento entre objetos diferentes. Para além disso, após alinhamento, é possível medir distâncias entre dois vértices selecionados apenas, não 37 satisfazendo as necessidades, uma vez que se pretende obter as distâncias a que uma malha se encontra da outra e não uma distância localizada. 3.8.2 Meshmixer Tal como o MeshLab , o Meshmixer é um software gratuito desenvolvido pela Autodesk que é vulgarmente utilizado para produção, modificação, análise e correção de ficheiros STL. Fazendo uma análise geral ao software , este também permite a leitura de vários ficheiros do tipo STL e o alinhamento entre malhas. A grande vantagem em relação ao MeshLab é que o alinhamento entre duas malhas é mais preciso no que diz respeito à seleção dos vértices de uma das malhas, uma vez que é possível aplicar uma visão wideframe (figura 35), sendo possível selecionar vértices específicos: Figura 35 - Utilização da visão wideframe para alinhamento entre malhas Apesar de ser um software com diversas funcionalidades para aplicações em malhas, face às necessidades, apenas permite o cálculo da distância 3D entre dois vértices selecionados apenas, o que se releva insuficiente também. 3.8.3 Trimesh A biblioteca Trimesh , desenvolvida por Michael Dawson-Haggerty [33], é uma vasta biblioteca escrita em Python que apresenta diversas funcionalidades para operações com malhas triangulares: 38 Figura 36 - Logótipo da biblioteca Trimesh [33] É uma biblioteca muito completa que comtempla funções que, apesar de não serem diretamente necessárias para a solução que se pretende desenvolver, suscita o desenvolvimento de ferramentas futuras a adicionar à solução que possam inovar e melhorar o mesmo: • Permite a leitura de vários formatos de malha, incluindo ficheiros STL em formato ASCII e binário; • Em conjunção com utilização de outras bibliotecas (“pyglet”,”three.js”,”jupyter”), dispõe de um visualizador próprio para as malhas carregadas; • Executa operações booleanas entre malhas (interseção, união e diferença) • Permite determinar, com base no carregamento de duas malhas distintas e recorrendo aos conjuntos de pontos (vértices), qual é o ponto mais próximo de uma malha em relação à outra e qual a respetiva distância; • Permite verificar se um ponto com determinadas coordenadas se encontra dentro ou fora da malha de um objeto; Apesar de ser uma biblioteca bastante completa e com funções muito interessantes, quando carregadas duas malhas A e B, fica em falta a funcionalidade da medição dos valores das distâncias a que os nós da malha B se encontram dos elementos da malha B. Para além disso, não se encontra diretamente preparada para a realização do alinhamento entre malhas. Contudo, a análise e utilização desta biblioteca permitiu compreender que existe todo um leque de funcionalidades que se pode acrescentar à solução, melhorando a eficácia e versatilidade da mesma. 3.8.4 GOM Inspect & Parts O principal objetivo da utilização de scanners 3D e máquinas de medição por coordenadas consiste na obtenção de um objeto real num modelo 3D digital para fins de investigação, análise ou engenharia inversa. Para efetuar uma análise às peças digitalizadas, existe a necessidade de recorrer a softwares preparados para esse fim, como o caso do GOM Inspect e GOM Inspect Profissional : 39 Figura 37 - Logótipo da empresa GOM [34] Face às grandes potencialidades, é um software utilizado para desenvolvimento e controlo de qualidade de um produto. Uma das análises mais utilizadas consiste na comparação de um ficheiro CAD com a sua respetiva digitalização: através dos elementos formados (triângulos) pelos conjuntos de pontos (vértices), realizam-se comparações sucessivas de superfícies com um conjunto de dados CAD (ou através de um desenho técnico): Figura 38 - Exemplo de uma comparação de um mesmo componente através de um ficheiro CAD e um ficheiro STL [34] É muito utilizado também para análises de dimensionamento e tolerâncias geométricas, como por exemplo, análises de verificação de cilindricidade, paralelismo e entre outras de superfícies: Figura 39 - Análises de dimensionamento e tolerâncias geométricas [34] 40 Fazendo uma análise comparativa com os softwares analisados anteriormente, o GOM Inspect permite realizar operações de suavização, refinamento e correção de malhas em casos de necessidade de aplicação. No que diz respeito às malhas geradas, este gera malhas com base nos conjuntos de pontos ( point clouds) provenientes da digitalização de um objeto e permite o carregamento de uma quantidade considerável de dados, uma vez que permite o carregamento de dados provenientes de tomografias computorizadas (CT - Computed tomography ). Para componentes constituídos por mais do que um material, permite realizar uma separação de malhas de superfície em função do material. As principais diferenças na utilização da versão profissional do software são: • Permite o carregamento de várias malhas no mesmo projeto, sendo possível realizar análises comparativas sem necessidade de repetição do processo de alinhamento. No caso de análises a componentes idênticos produzidos na mesma linha de produção, promove e permite executar análises de tendência de deformação e qualidade dos componentes produzidos, auxiliando no controlo estatístico de produção; • Dispõe da possibilidade de alinhamento de múltiplas malhas num só projeto, onde se replica um processo de assemblagem de um conjunto de componentes e se faz a análise de cada malha relativamente ao seu ficheiro CAD nativo; • Todas as operações/passos executados no projeto são guardados numa script , na linguagem Python , que poderá ser editada ou adaptada a outros projetos ou a outras funcionalidades. De notar que apesar de apenas mencionadas três grandes diferenças da versão base para a profissional, é um software com muitas ferramentas disponíveis e bastante potencial. Face à sua versatilidade, qualidade e eficácia, é um software aplicado em diversas áreas e empresas: automóvel (BMW, Grupo Preh, Bosch, Vald Birn, BJB, Kraus & Naimer), aeroespacial (Airbus, ARAMIS, centro alemão aeroespacial - DLR), medicina (implantes dentários), biomédica, consumíveis, educação, fundição e entre outras áreas. [34] Uma vez que o Grupo Preh é uma das várias empresas que recorre aos serviços disponibilizados pela GOM, existe um contacto direto entre ambas as empresas, onde já foram desenvolvidas funcionalidades no software proveniente de sugestão por parte do Grupo Preh. Desta forma, a solução desenvolvida poderá representar uma futura funcionalidade/ferramenta a desenvolver e incluir numa futura versão. Face às necessidades de simulação, apesar de ambas as versões (base e profissional) disporem de ferramentas que permitem executar o cálculo de distâncias 3D entre pontos selecionados, não permite executar o cálculo das distâncias a que os vértices de uma malha se encontram de uma segunda malha. 41 3.8.5 Conclusões Realizado um levantamento sobre os diferentes softwares /bibliotecas existentes no mercado, importa agora numa fase de conclusão fazer uma breve reflexão sobre os mesmos. Após a análise a uma série de bibliotecas já desenvolvidas, após alguma pesquisa, rapidamente se compreende que existem várias bibliotecas preparadas para manipulação de malhas ( PyMesh , VCG - Computer Visualization and Computer Graphics , libMesh , libigl , shapeOp , mangrove TDS e entre outras) em diferentes linguagens de programação. Todas estas permitem a utilização e manipulação de ficheiros STL, sendo a biblioteca Trimesh analisada considerada a mais completa. Uma conclusão que se pode retirar da análise a todas as bibliotecas é que, apesar de existir uma grande quantidade que permite a manipulação de malhas, nenhuma delas cumpre ou possui as ferramentas necessárias para respeitar todos os requisitos necessários. A mesma conclusão pode ser obtida para os softwares existentes e analisados. Apesar de existirem vários softwares no mercado ( Nikon Metrology , FARO CAM2 , Hexagon Metrology , Zeiss e entre outros), face aos analisados previamente, existem uns com diversas funcionalidades ( GOM Inspect & Professional ) e outros mais simplicistas ( MeshLab e Meshmixer ), sendo que nenhum deles corresponde a todos os requisitos necessários para a solução a implementar. A principal necessidade em termos de inovação consiste na criação de uma ferramenta que permita o cálculo das distâncias entre duas malhas de forma automática. Por este motivo e face à inexistência desta funcionalidade, procedeu-se ao desenvolvimento de uma biblioteca em Python com esta funcionalidade. 42 4. METODOLOGIA/SOLUÇÃO DESENVOLVIDA No presente capítulo é apresentada a metodologia utilizada no desenvolvimento da solução para o problema. É realizada uma breve introdução sobre o conceito da solução desenvolvida e os softwares utilizados. As estratégias/técnicas utilizadas e forma como se procede à visualização dos resultados obtidos é também explicada detalhadamente neste capítulo. 4.1 Conceito da validação de “montagem digital” O principal foco da implementação da solução desenvolvida para o problema da empresa Preh Portugal Lda consiste em realizar o processo de montagem entre componentes reais (peças que já se encontram produzidas) digitalmente, sem recurso à típica montagem manual entre dois componentes. Para este fenómeno acontecer, é necessário a utilização de ficheiros do formato STL de modelos 3D dos componentes que se pretendem analisar. De modo a aplicar ao problema da Preh Portugal, tornar-se-á necessário recorrer ao processo de digitalização 3D dos componentes pretendidos, de forma a obter os seus respetivos modelos 3D. Tal como num software de CAD 3D se realiza um processo de assemblagem entre dois objetos, onde é possível verificar as distâncias entre os mesmos, se existe contacto e entre outras funcionalidades, o conceito desta solução parte desse princípio. Desta forma, a ideia passa por reproduzir a montagem entre dois objetos, recorrendo aos seus respetivos ficheiros no formato STL (provenientes da digitalização 3D) de cada objeto, conseguindo visualizar se o processo de montagem ocorre ou se existem problemas. Uma vez que, para cada componente, existem vários moldes a produzir, resultando desta forma em vários componentes “teoricamente iguais” mas que apresentam sempre ligeiras diferenças, a ideia consiste em automatizar este processo de montagem entre componentes, fazendo desta forma percorrer a montagem entre as combinações possíveis entre eles. 4.2 Softwares utilizados Para o desenvolvimento desta solução, recorreu-se à linguagem de programação “Python” projetada na plataforma de desenvolvimento PyCharm . Considerou-se necessário recorrer a um programa computacional onde fosse possível visualizar as malhas dos objetos e os resultados numéricos obtidos, sendo a escolha o software “GiD” que está projetado para cobrir todas as necessidades comuns no campo de simulação numérica, do pré ao pós-processamento. Apesar de ser um software gratuito para aplicações em projetos universitários, apresenta uma limitação quando ao número de nós possíveis de ler, tornando-se necessário utilizar a licença profissional de 28 dias disponibilizada pela própria entidade. 43 Para efeitos de demonstração da solução, o programa computacional Autodesk Inventor Profissional 2019 também foi utilizado. 4.3 Metodologia Para proceder à validação da montagem digital entre dois componentes, existe uma série de etapas a realizar até ao momento da visualização desse fenómeno. Nesse sentido e para proceder à explicação da metodologia utilizada, utilizaram-se numa primeira fase sólidos provenientes do Autodesk Inventor Profissional 2019 , podendo-se dividir a metodologia em quatro momentos: aquisição da informação dos objetos; leitura, tratamento da informação proveniente dos objetos e posicionamento entre objetos; determinação das distâncias entre objetos (através da aplicação de critérios para escolha das melhores soluções); exportação e visualização dos resultados obtidos. 4.3.1 Aquisição da informação intrínseca à montagem entre objetos Numa primeira instância, para validar o conceito desenvolvido utilizaram-se dois objetos com geometrias simples: uma esfera com 5 mm de diâmetro (figura 40) e uma “cama” com uma superfície esférica de 6 mm (figura 40): Figura 40 - Objeto esfera e objeto cama de superfície esférica utilizados para demonstração da metodologia utilizada Realizado o processo de geração dos dois objetos para fins de teste, procede-se à sua exportação no formato STL, obtendo-se desta forma uma série de N de triângulos devidamente conectados que recriam a geometria da superfície de cada objeto. Neste exemplo, pretende-se efetuar o processo de assemblagem entre o objeto esfera e o objeto cama com superfície esférica, sendo que é necessário colocar a esfera no interior (na parte côncava) da cama com superfície esférica. Deste modo, como cada objeto possui o seu próprio sistema de coordenadas, 44 para realizar o correto posicionamento existirá um ponto de contacto entre os dois objetos. É necessário determinar as coordenadas de cada ponto (relativamente ao objeto esfera e ao objeto cama de superfície esférica) para que, mais tarde, esses dois pontos representem o ponto de contacto. Será essa a primeira informação importante a determinar para que seja possível realizar todas as operações posicionamento entre objetos, que serão explicadas detalhadamente no momento seguinte. Para se determinar esses pontos, utiliza-se o software “GiD” na parte do pré-processamento onde, após importar cada objeto, verifica-se visualmente qual é o ponto cuja informação é importante retirar e se exporta a informação relativa (figura 41 e 42): Figura 41 - Informação relativa ao ponto de contacto do objeto esfera Figura 42 - Informação relativa ao ponto de contacto do objeto cama de superfície esférica 51 𝐴=-J𝑠(𝑠−𝑎)(𝑠−𝑏)(𝑠−𝑐) (4.9) 𝑠=𝑎+𝑏+𝑐 2 (4.10) Onde “s” representa o semiperímetro do triângulo. Uma vez conhecidas as coordenadas cartesianas de cada vértice do elemento, calculam-se os vetores das distâncias entre eles (representados por a, b e c respetivamente na figura 49. Obtendo-se todos os valores necessários, é possível calcular área do elemento do objeto cama de superfície esférica em análise. A condição imposta para se determinar se o processo do cálculo da distância deve ser executado ou não está representada na seguinte figura 50: Figura 50 - Ilustração dos vértices que definem os três triângulos Onde V4 representa o ponto de interseção da reta com o plano. A condição imposta segue o seguinte princípio: se a área do triângulo formado pelos vértices (V1’,V2’,V3’) for igual ao somatório das áreas dos triângulos formados pelos vértices (V1’,V3’,V4), (V1’,V2’,V4) e (V2’,V3’,V4), então está garantido que o vértice V4 está dentro do elemento em análise. Desta forma, garantimos que o cálculo da distância só é efetuado se verificado a condição anterior descrita e não para todos os pontos de interseção que resultam da rotina que o código efetua. Para o cálculo da distância, utilizou-se a fórmula da distância euclidiana aplicada em três dimensões. Seja P = (p1,p2,p3) e Q = (q1,q2,q3) e “d” a distância entre os dois pontos têm-se: 𝑑=-J(𝑝'−𝑞')$+(𝑝$−𝑞$)$+(𝑝(−𝑞()$ (4.11) 52 Sendo que a solução procurada para cada vértice do objeto esfera é o valor distância mais pequena. Surge então a necessidade de compreender a importância do sinal do escalar (declive) presente na equação da reta, uma vez que é esse sinal que representa o facto de a reta se direcionar para fora ou para dentro do elemento do objeto esfera, indo à procura do respetivo ponto de interseção. O valor da distância será sempre um valor positivo devido à equação utilizada, sendo por isso importante guardar a informação sobre o sinal do escalar para no final se multiplicar ambos os valores, obtendo-se distâncias positivas e negativas respetivamente. Uma distância positiva representa a existência de folga entre os dois objetos. Já uma distância negativa, representa a existência de penetração entre as malhas dos objetos, isto é, a malha do objeto esfera está a invadir a malha do objeto cama de superfície esférica ou vice-versa. Contudo, existirão soluções que apesar de apresentar uma distância negativa, não devem ser soluções a considerar. Para um determinado vértice em análise, caso não exista interseção quando a reta se dirige para fora do elemento (não encontra uma superfície/plano onde aconteça interseção no sentido positivo), pode acontecer essa interseção na direção para o interior do elemento (sentido negativo) e que não representa uma interseção entre malhas. Na figura 51 seguinte é possível visualizar um caso acontecerá uma distância negativa e não representará uma penetração entre objetos: Figura 51 - Ilustração de um caso onde acontecerá uma distância negativa que não representa uma penetração entre objetos Pela análise da figura 51, verificamos que para o vértice V1 do elemento, segundo o seu vetor normal correspondente, a reta que passará segundo esse vértice nunca encontrará interseção com a superfície do outro objeto no sentido positivo (para fora do elemento). Contudo, apesar de a distância resultante apresentar um valor negativo, não representa que exista interseção entre objetos. Desta forma, esta solução representa uma não-solução que não deve ser considerada na exportação das distâncias 53 calculadas. Para resolver este problema, aplica-se um critério onde se limita a procura de soluções, restringindo o valor do campo de distâncias a procurar: ao correr o algoritmo, o utilizador vê-se obrigado a definir qual é o valor máximo até onde são aceites soluções. Visualmente, o fenómeno da aplicação deste critério encontra-se ilustrado na figura 52 seguinte: Figura 52 - Ilustração da aplicação de critério de aceitação de soluções Onde o diâmetro do círculo a vermelho representa a zona de procura de soluções. A definição deste critério variará conforme os objetos em análise, sendo atribuído para este exemplo em concretos valores aceites até 0,6 mm. Para o cálculo da distância poderá também acontecer o cenário onde para o mesmo vértice V1, realizando a devida interseção com elementos diferentes, existirem diferentes pontos de interseção e que representaram duas distâncias diferentes figura 53: Figura 53 - Ilustração de um caso onde se obtém duas interseções para o mesmo vértice em análise 54 No caso ilustrado na figura 53, a distância entre os vértices V1 e V4 (ponto de interseção) representam a menor distância, sendo esta a informação a guardar como a distância do vértice V1 do objeto esfera ao outro objeto. Sejam quais forem os objetos selecionados para análise, cada caso de comparação entre objetos será diferente. O critério de decidir a partir de que objeto se medirá as distâncias em relação ao outro é fundamental, deve ser escolhido cautelosamente e de acordo com a conveniência dos objetos em análise. O momento “cálculo das distâncias entre objetos” encontra-se então definido com base em três “scripts”: • Interseção da reta com o plano; • Cálculo da área dos triângulos; • Cálculo da distância entre dois pontos. Em suma, o funcionamento deste momento do algoritmo aplicado aos objetos selecionados tem como base a seguinte estrutura de raciocínio: 1. Realiza-se a interseção da reta com o plano para todos os vértices do objeto esfera; 2. Verifica-se se o ponto de interseção está dentro do triângulo formado pelos elementos do objeto cama de superfície esférica; 3. Se o ponto não estiver dentro do elemento, o algoritmo passa para o elemento seguinte. Se o ponto estiver dentro do elemento, realiza-se o cálculo da respetiva distância, guardando-se tanto essa informação como a do sinal do escalar da reta. 4. Percorre-se todos os vértices do objeto esfera contra todos os elementos do objeto cama de superfície esférica, obtendo-se a menor distância a que todos os vértices se encontram. 4.3.4 Exportação e visualização dos resultados obtidos Para visualização e análise dos resultados obtidos através de uma distribuição de cores, torna-se necessário recorrer ao software GiD utilizando a parte do pós-processamento. São necessários ficheiros para este passo acontecer: será necessário um ficheiro que representa a conversão dos objetos de formato STL para ficheiros do tipo malha, cuja extensão é .MSH e será necessário um ficheiro de resultados onde se lista as distâncias calculadas para cada vértice, cuja extensão é .RES No ficheiro do tipo malha (.MSH) definem-se todos os elementos de ambos os objetos. Este processo pode acontecer desta forma porque como malha é possível identificar elementos diferentes. Para esta definição ocorrer corretamente, primeiro são estruturadas as coordenadas de cada vértice do objeto cama de superfície esférica e de seguida os seus respetivos elementos, onde se atribui a cada elemento um valor que representa o material do objeto definido (é este valor que permite ao software identificar 55 diferentes objetos). Repete-se de seguida o mesmo processo para o objeto esfera. Na figura 54 e 55 encontra-se a explicação detalhada da estrutura de um ficheiro deste tipo: Figura 54 - Definição da estrutura do ficheiro do tipo malha (.MSH) - vértices Figura 55 - Definição da estrutura do ficheiro do tipo malha (.MSH) - elementos O ficheiro do tipo resultados (.RES) apresenta listado as distâncias calculadas para cada vértice em análise. Neste caso, como foram calculadas as distâncias entre o objeto esfera em relação ao objeto cama de superfície esférica, serão listados os vértices da esfera que definem as coordenadas do objeto (de acordo com a mesma numeração aplicada no ficheiro do tipo malha), seguido do valor da distância calculada. 56 Na figura 56 seguinte, encontra-se uma parte da estrutura de um ficheiro deste tipo: Figura 56 - Exemplo da definição da estrutura do ficheiro do tipo resultados (.RES) Estando os dois ficheiros necessários devidamente preparados, recorre-se ao software “GiD” utilizando a parte de pós-processamento, onde se carregam ambos os ficheiros. Na figura 57 podemos verificar visualmente a distinção entre objetos/elementos que foi atribuída: Figura 57 - Visualização da definição e distinção entre ambos os objetos atribuída 57 De seguida, visualizam-se os resultados obtidos para o cálculo das distâncias entre objetos. Esta visualização pode e deve ser devidamente tratada. Na figura 58 encontra-se o resultado final obtido para o cálculo das distâncias: Figura 58 - Visualização dos resultados obtidos para o cálculo das distâncias A exportação dos resultados obtidos para o cálculo das distâncias permite que visualmente se possa fazer uma avaliação dessas distâncias. O software permite realizar alterações/definições de visualização como de número de cores a utilizar, cortes nos objetos para melhor visualização, definição de valores máximos e mínimos a analisar entre outras funcionalidades. 4.4 Múltipla combinação de objetos A metodologia para o processo de combinação entre dois objetos encontra-se estabelecida. Perante o problema da Preh Portugal Lda, uma das necessidades consiste em avaliar a influência das diversas combinações de componentes provenientes de diferentes cavidades. Para este processo acontecer, é necessário que para cada componente em análise, estejam estabelecidos os conjuntos de pontos de referência que servem de base para a montagem das peças seguintes e anteriores. Tal como aplicado na metodologia, foi preciso primeiramente definir qual o ponto no objeto cama de superfície esférica que serviu de base para o objeto esfera, juntamente com uma direção/orientação dos seus elementos. Foi também necessário a definição dois pontos do objeto esfera que serviu de base desta combinação. Caso 58 existisse um outro objeto a combinar com os anteriores, a informação sobre o ponto ou conjunto de pontos referência para montagem deve estar definida. Utilizando esta metodologia de alinhamento entre objetos, é possível alinhar mais que dois objetos (desde que as suas referências de posicionamento estejam definidas) e proceder aos cálculos das distâncias entre os mesmos. Sejam acrescentados dois componentes denominados como objeto peão e objeto suporte. Com base nas definições de alinhamento entre objetos definida, podemos visualizar nas figuras 59 e 60 o antes e após montagem entre componentes: Figura 59 - Objetos nas respetivas posições antes do processo de alinhamento Figura 60 - Objetos nas respetivas posições depois do processo de alinhamento em visão wireframe 59 Para promover a múltipla combinação entre componentes, por exemplo, 1 objetos cama de superfície esférica, 3 objetos esfera com diferentes dimensões, 2 objetos peão e 2 objetos suporte, é necessário determinar a matriz das combinações entre estes objetos e guardá-la num ficheiro de texto, que será lido/carregado no algoritmo: Tabela 3 - Matriz das combinações possíveis Matriz de combinações Objeto cama Objeto esfera_4 Objeto peão_1 Objeto suporte_1 Objeto cama Objeto esfera_4 Objeto peão_1 Objeto suporte_2 Objeto cama Objeto esfera_4 Objeto peão_2 Objeto suporte_1 Objeto cama Objeto esfera_4 Objeto peão_2 Objeto suporte_2 Objeto cama Objeto esfera_4.5 Objeto peão_1 Objeto suporte_1 Objeto cama Objeto esfera_4.5 Objeto peão_1 Objeto suporte_2 Objeto cama Objeto esfera_4.5 Objeto peão_2 Objeto suporte_1 Objeto cama Objeto esfera_4.5 Objeto peão_2 Objeto suporte_2 Objeto cama Objeto esfera_5 Objeto peão_1 Objeto suporte_1 Objeto cama Objeto esfera_5 Objeto peão_1 Objeto suporte_2 Objeto cama Objeto esfera_5 Objeto peão_2 Objeto suporte_1 Objeto cama Objeto esfera_5 Objeto peão_2 Objeto suporte_2 Com base nas informações da matriz de combinações presente na tabela 3, o algoritmo irá percorrer todas as combinações, executando o processo de cálculo de distância entre os objetos definidos. Transformando esta ideologia para os problemas que a Preh Portugal Lda enfrenta, sempre que for produzido um novo componente e que deve ser comparado contra outro que possui N versões, estando as referências dos componentes com N versões devidamente definidos, apenas se torna necessário parametrizar quais os pontos/orientações do novo componentes que serão a base de contacto para com todos os N componentes. Desta forma, o algoritmo desenvolvido encontra-se preparado para a combinação entre quantos objetos for desejado. 60 5. VALIDAÇÃO, ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS O presente capítulo visa apresentar um conjunto de aplicações do algoritmo desenvolvido, onde se demonstra a variabilidade da utilização do mesmo. Ao longo deste capítulo é realizada uma análise dos resultados obtidos e é efetuada uma validação do mesmo através da aplicação a componentes da empresa Preh Portugal Lda. No final do capítulo, é efetuada uma avaliação global dos resultados alcançados através da aplicação da solução desenvolvida. Por definição, para estabeleceu-se a utilização de 10 cores na escala gráfica, coloração branca para quando é definido um valor mínimo e existem valores inferiores e coloração preta para quando é definido um valor máximo. 5.1 Análise de resultados No caso demonstrado na figura 58, visualizamos a montagem entre dois objetos, cujas medidas da parte esférica onde ocorre decorre essa montagem são de 5mm e 6mm de diâmetro. Considerando apenas a parte esférica do objeto cama de superfície esférica e atendendo à montagem que se efetuou, é expectável que o valor de folga entre os dois objetos esteja perto dos 0,5mm. Desta forma, aplicado o critério de procura de 0,6 mm , visualiza-se na figura 61 que o valor máximo obtido para a distância entre objetos é de 0,51405 mm e decorre na seguinte zona: Figura 61 - Valor máximo obtido para a distância entre o objeto esfera e objeto cama de superfície esférica De acordo com os valores obtidos para o critério aplicado, o valor máximo de folga existente entre os objetos está dentro da ordem de valores expectáveis. A última zona de coloração a vermelho representa o limite onde, para cada vértice do objeto esfera em análise, as retas que passam com direção de acordo 67 Face às dimensões dos componentes e às tolerâncias estabelecidas para a sua montagem, o valor expectável para a folga existente entre ambos os componentes deverá estar compreendida entre 0 - 0,15 mm. Procedendo-se à observação de resultados tem-se: Figura 70 - Resultados obtidos para o valor das distâncias entre o componente “bucha” e o componente “cardan” Observados os resultados obtidos na figura 70, verifica-se que, primeiramente, os valores obtidos para a folga existente encontram-se dentro da gama de valores expectáveis e que existe uma variação desses valores (variação de coloração) em toda a zona de análise. Ao contrário de um ficheiro teórico gerado 68 num software de CAD, onde as geometrias das superfícies dos objetos são “perfeitas” e consecutivamente, a malha gerada neles também “teoricamente perfeita”, numa peça real, as superfícies não são perfeitas, pelo que a sua malha adequar-se-á às superfícies digitalizadas. Um dos fatores mais importantes na montagem entre estes dois componentes é a concentricidade entre ambos. Realizado uma vista em corte da montagem de ambos os componentes, verifica-se que estes não se encontram perfeitamente alinhados (totalmente concêntricos) (figura 71): Figura 71 - Vista em corte do alinhamento executado entre os componentes Face ao alinhamento determinado, é possível verificar pela figura 71 que a montagem entre a “bucha” (a preto) e o “cardan” (a azul) não se encontra perfeitamente concêntrica, existindo uma zona onde as malhas se encontram mais próximas do que outras zonas. Esta é a razão pela qual visualizamos na figura 70 zonas onde a coloração é mais azulada, o que representa uma maior proximidade entre malhas onde a folga é da ordem 0,0 - 0,075 mm e zonas onde a coloração é mais esverdeada/amarela, onde a folga é da ordem dos 0,1-0,175 mm. Se as malhas produzidas e o alinhamento fossem “perfeitos”, isto é, se fossem utilizados os ficheiros provenientes de softwares de CAD e os componentes estivem perfeitamente concêntricos, expectava-se obter valores praticamente iguais (e respetiva coloração) em toda a zona de montagem. Como se trata de uma aplicação real, estabeleceu-se uma escala de visualização entre 0,0 - 0,25 mm, para verificar a fidelidade dos resultados obtidos. Verifica-se na figura 70 que a coloração vermelha, zona 69 onde os valores se encontram na ordem dos 0,25 mm, apenas se encontra na zona superior do “cardan”. Uma vez que, na zona principal de montagem, os valores para a folga obtida se encontram muito próximos daquilo que era esperado, demonstrou-se que é possível visualizar, validar e acrescentar valor à montagem entre estes dois componentes. Desta forma, aplicando a metodologia apresentada a vários componentes e respetivas combinações, aumenta-se a confiança do processo de montagem e desenvolve-se uma solução/estratégia funcional face ao problema existente. Assim, é possível validar montagens entre diversos componentes de diferentes cavidades, conseguindo analisar e validar múltiplas combinações. 70 6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS Neste último capítulo são apresentadas as considerações finais relativas à solução desenvolvida e a todo o projeto em si, assim como são sugeridas propostas de trabalho futuro com intuito de promover a melhoria e inovação da solução desenvolvida. 6.1 Considerações finais O objetivo principal deste projeto consistia em desenvolver uma estratégia capaz de solucionar o problema existente relativo às múltiplas combinações existentes entre componentes da unidade de controlo produzidos em diferentes cavidades. Face à estratégia existente relativa ao processo de montagem entre componentes, onde muitas vezes era utilizada a “experiência teórica dos intervenientes” com base no histórico e na forma como o processo interno de montagem é executado, existia a necessidade de desenvolver uma ferramenta/metodologia que acrescentasse valor e transmitisse uma maior segurança ao processo de montagem. Uma vez que o objetivo máximo seria, de uma forma ideal, combinar todas as múltiplas combinações de forma automática entre os diferentes componentes, tendo consciência que executar esse processo manualmente é totalmente impensável, o caminho a seguir enveredava pela área da programação computacional. Sendo as tecnologias de digitalização 3D para fins metrológicos uma ferramenta recorrentemente utilizada no Grupo Preh e o problema em questão muito específico, a solução “montagem digital” pensada consistia em criar uma funcionalidade que não se encontra atualmente disponibilizada. Deste modo, foi importante compreender de uma forma geral os princípios de funcionamento por detrás das tecnologias de digitalização 3D e, face ao objetivo final, qual o impacto que a dimensão dos resultados provenientes das digitalizações a componentes têm na solução final. A principal função da solução “montagem-digital” desenvolvida consiste em demonstrar se o processo de montagem entre componentes acontece com ou sem problemas. Para se validar esta funcionalidade, demonstrou-se que, após o correto alinhamento correspondente à montagem entre os componentes em análise, através de princípios matemáticos, obtêm-se os valores das distâncias a que as malhas dos componentes em análise se encontram um do outro, sendo calculada a respetiva folga ou penetração existente entre as mesmas. De forma a validar este conceito, numa primeira instância recorreu-se à utilização de componentes simples e “teóricos” para verificar a fiabilidade dos resultados, onde se verificou que os resultados obtidos se aproximam dos valores teóricos expectáveis e que o conceito idealizado funciona. Uma vez que esta solução foi desenvolvida devido a um problema industrial existente, para se validar o seu conceito e funcionamento prático, recorreu-se à aplicação da solução em 71 componentes reais, onde se demonstrou que o algoritmo é funcional, fiável e encontra-se preparado para ser utilizado. Sendo a múltipla combinação de componentes um fator determinante, para além do algoritmo estar preparado para executar a montagem e cálculo da distância entre quaisquer componentes, desde que devidamente parametrizados (para execução do correto alinhamento entre malhas), demonstrou-se que é possível alinhar mais do que dois objetos e estabelecer uma relação de montagem entre eles. Neste sentido e observando o cenário atual da Preh Portugal Lda, com esta ferramenta é possível realizar análises de montagem entre diversos componentes, independentemente do número de cavidades a produzir em cada um deles. Desta forma, acrescenta-se valor ao processo de montagem uma vez que, antes da produção em massa de um ou mais componentes, se possam executar “validações digitais” e ter uma maior certeza sobre se o processo de montagem acontece ou não, evitando apenas a utilização do “bom senso e experiência dos intervenientes”. Em suma, é possível concluir que, face ao problema apresentado, foi possível desenvolver uma solução funcional e adequada para o problema em questão. 6.2 Trabalhos futuros Como propostas de trabalho futuro e face à solução desenvolvida, recomenda-se a implementação e utilização da solução visto revelar-se capaz de apresentar resultados fidedignos e benéficos para a empresa. Olhando internamente para a solução, mais concretamente para a forma como as scripts foram escritas, existem melhorias a executar no sentido da otimização do código. Atualmente na script onde são calculadas as distâncias, esta não se encontra escrita para ser executada em programação multithread , isto é, para executar a mesma tarefa em cores diferente do CPU do computador em simultâneo. Como cada elemento (triângulo) de um ficheiro STL é sempre constituído por três vértices, o processo de cálculo pode ser alterado para executar os cálculos das distâncias para todos os vértices 1, vértices 2 e vértices 3 em simultâneo e compilar os resultados obtidos quando analisados todos os vértices. De momento, as scripts encontram-se definidas para execução em programação singlethread , o que faz com o processo se repita primeiramente para todos os vértices 1, depois para todos os vértices 2 e só no final para todos os vértices 3. Nesse sentido, uma correta forma de otimizar é aumentar drasticamente o processo de cálculo, melhorando a velocidade dele. Outra otimização que poderá ser executada é a fase de manipulação das variáveis e boas práticas das mesmas. Considera-se também relevante num número de dados considerável, em termos de velocidade computacional, manipular dados num tipo de estrutura (como por exemplo: utilização da biblioteca numpy para cálculos) e converter para qualquer outro tipo de estrutura afeta a velocidade de processamento. Esta otimização, assim como a linguagem de 72 programação utilizada e entre outras considerações mais específicas em termos de programação, podem constituir melhorias a executar, tornando a solução muito mais rápida e eficiente. Para complementar a solução já desenvolvida, outra sugestão poderá estar relacionada com a implementação de mais funcionalidades ao algoritmo já desenvolvido: delimitar zonas específicas das superfícies dos componentes em análise. Esta funcionalidade traduz uma grande vantagem que advém da inserção desta característica, nomeadamente a redução de dados a analisar e o aumento da velocidade de processamento. Por fim, outras ideias de funcionalidades poderão surgir para satisfazer determinadas necessidades ao longo da evolução e da competitividade do mercado tendo sempre em consideração que o caminho é o aumento da versatilidade do algoritmo desenvolvido. 73 7. BIBLIOGRAFIA [1] Grupo Preh Acesso: https://www.preh.com/en/contact/contact.html [2] Preh Portugal Lda - Caderno de encargos. [3] Ikeuchi K. (2001) - Modeling From Realit - Proceedings of 3rd International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, Norwell, MA, USA. [4] Creaform - An Introduction to 3D Scanning. Acesso: https://shorturl.at/kDL04 [5] Today’s Motor Vehicles - What does the smart factory revolution in automotive manufacturing mean for dimensional metrology. 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