Aula 01 - Desenho Computacional

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Introdução aos Sistemas CAD 
Aula 01 
 
 
DESENHO COMPUTACIONAL 
 
DEPARTAMENTO DE EXPRESSÃO GRÁFICA 
Poli/UFRJ 
Revisão 02 
02/2011 
Prof. José Renato M. de Sousa 
O desenho ou projeto assistido por computador (“Computer-Aided Design”, CAD) 
é uma tecnologia de desenho técnico empregada por engenheiros, arquitetos e 
outros profissionais em suas atividades. 
 
O potencial do CAD atualmente vai muito além da mera capacidade de fazer 
desenhos. Os atuais programas de CAD, baseados em modelos e orientados para 
o objeto, oferecem aos projetistas, engenheiros e arquitetos a oportunidade de 
capturar digitalmente a definição de um produto e integrar esta definição à base de 
conhecimentos da empresa. 
 
Por esta razão, a designação “desenho assistido por computador” não reproduz 
fielmente a capacidade atual destes programas sendo mais correto designá-los 
como programas computacionais para “projeto assistido por computador”. 
Introdução aos Sistemas CAD 
Aspectos gerais 
De fato, um sistema CAD é a expressão comercial para um 
conjunto de programas de computação gráfica 
hierarquizados segundo uma estrutura lógica de utilização 
para obtenção de um dado tipo de desenho ou modelos 
inerentes a um determinado domínio de aplicação 
(engenharia civil, arquitetura, engenharia mecânica etc). 
 
Fala-se em CAID (“Computer-Aided Industrial Design” ou 
projeto industrial assistido por computador) como sendo um 
subconjunto do CAD que usa programas de computador 
para auxiliar no projeto de novos produtos. Há, também, o 
MCAD (“Mechanical Computer-Aided Design” ou projeto 
mecânico assistido por computador) voltado para o projeto 
de peças mecânicas. 
 
No mercado, atualmente, há vários destes programas 
disponíveis, como, por exemplo, o Autocad, MicroStation, 
Solidworks, 3D Studio, SketchUp etc. 
Introdução aos Sistemas CAD 
Aspectos gerais 
Introdução aos Sistemas CAD 
Características fundamentais 
Os programas CAD possuem comandos e interligações bastante específicas 
e, dada a diversidade de programas disponíveis no mercado, a maneira de se 
trabalhar dentro destes programas pode variar consideravelmente. 
 
No entanto, há três elementos fundamentais que caracterizam um programa 
CAD, independente do fabricante ou desenvolvedor: 
 Entidades geométricas. 
 Blocos. 
 Camadas. 
 
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Características fundamentais 
O conceito de entidade geométrica está associado à possibilidade do usuário 
definir (ou interpretar) o mesmo elemento geométrico de maneira diferente. 
Por exemplo, um quadrado pode ser entendido como uma única entidade 
geométrica ou como quatro segmentos de reta (quatro diferentes entidades). 
 
Sob o ponto de vista prático, na primeira abordagem, a manipulação do 
quadrado envolve a seleção de uma única entidade, enquanto, na segunda, 
envolve a seleção de quatro entidades. Apesar deste conceito ser simples, ele 
dá ao usuário ampla liberdade para manipulação e construção de um objeto 
geométrico. 
 
Além disso, todos os sistemas CAD disponibilizam uma ampla gama de 
entidades primitivas, isto é, elementos geométricos que são gerados 
diretamente, com um único comando, pelo sistema. Estes elementos, em 
geral, podem ser manipulados gerando outras entidades geométricas. 
 
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Características fundamentais 
Por bloco, deve-se entender qualquer 
conjunto de elementos gráficos formado 
por uma ou várias entidades geométricas 
podendo, por sua vez, constituir-se como 
uma nova e única entidade (o bloco) que, 
em termos de manipulação, por se tratar 
de uma entidade, fica sujeita aos critérios 
impostos a ela. 
 
Por exemplo, um carro é formado por 
vários elementos geométricos que podem 
formar um único bloco “carro”. 
 
Sob o ponto de vista computacional, o 
bloco fica armazenado em um arquivo e 
é acessível a qualquer momento, quer 
seja no próprio desenho que foi 
desenvolvido quer seja em outro desenho 
elaborado posteriormente. 
Bloco “carro” 
(www.cadblocos.arq.br) 
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Características fundamentais 
O conceito de camada (layer ou level) está associado à representação de um 
desenho em diferentes níveis que podem ser todos superpostos, obtendo o 
desenho completo, ou parcialmente superpostas de forma a realçar ou 
evidenciar uma determinada característica do desenho. 
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CAD bidimensional (2D) 
No transcorrer da década de 1980, 
utilizavam-se sistemas CAD para 
representar projeções ortogonais 
múltiplas (vistas ortográficas). 
 
Alguma informação adicional relevante 
podia ser obtida a partir do desenho tal 
como áreas em uma planta, medições 
de elementos para orçamento ou a 
quantidade de um dado componente 
em um equipamento. 
 
Os sistemas CAD ainda hoje 
disponibilizam várias entidades 
geométricas primitivas bidimensionais, 
além de operadores capazes de 
manipular estas entidades. 
Primitivos Operadores 
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CAD tridimensional (3D) 
 A partir da década de 1990, os sistemas CAD evoluíram para a representação 
paramétrica de modelos tridimensionais. Um modelo tridimensional de um 
objeto é mais difícil de ser construído do que suas vistas ortográficas 
bidimensionais, porém são muitas as vantagens da representação 
tridimensional sobre a bidimensional, a saber: 
 Vistas bidimensionais do modelo podem ser produzidas facilmente. 
 O modelo pode ser visualizado sob qualquer ponto de vista e simultaneamente 
de vários pontos. 
 Tem-se o domínio volumétrico do modelo. 
 Pode-se gerar vistas em perspectiva de forma automática. 
 Uma vez modificado o modelo, todas as vistas são atualizadas com fidelidade. 
 Pode-se sombrear o modelo com iluminação, texturas e cores realistas. 
 Análises de interferência entre diferentes componentes do mesmo objeto são 
facilmente realizadas. 
 Atualmente, há razoável facilidade em integrar estes modelos com ferramentas 
de CAE e CAM que permitem análises de engenharia e fabricação. 
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CAD tridimensional (3D) 
Basicamente, existem três diferentes tipos de modelos de um objeto 
tridimensional em um sistema CAD: 
 Aramados, de aresta ou wireframe, que consistem basicamente em 
desenhar o modelo por suas arestas. Não há faces ou volumes 
definidos. 
 Superfície, que correspondem a modelos em que são desenhadas as 
arestas e as superfícies ou faces que definem o sólido. 
 Sólidos nos quais o objeto é representado volumetricamente, isto é, 
suas arestas, faces e o volume delimitado pelas faces são 
representados. 
 
Não há um modelo mais correto do que o outro. Na realidade, o modelo 
tridimensional mais adequado para representação de um objeto é função da 
finalidade a que esse modelo se propõe e, além disso, pode ser gerado 
combinando-se diferentes formas de representação. 
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CAD tridimensional (3D) 
Modelo aramado 
(guindaste) 
Modelo em superfície 
(plataforma de 
petróleo) 
Modelo sólido 
(válvula) 
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CAD tridimensional (3D) 
Um modelo tridimensional do tipo arame é criado a partir dos mesmos 
elementos geométricos (segmentos de reta, circunferências, arcos de 
circunferência, polígonos etc) usados para fazer desenhos bidimensionais. 
 
A construção de modelos baseados em superfícies tridimensionais consiste 
em representá-los mediante um conjunto de faces planas. Há diversas 
maneiras de construí-los em um sistema CAD: 
 Atribuição de elevação e espessura a objetos bidimensionais. 
 Definição dos vértices da superfície (faces e malhas poligonais) 
 Definição das bordas da superfície. 
 Definição de curvas (linhas, poli-linhas abertas ou arcos) entre as quais 
é construída a superfície (superfície regrada). 
 Varredura translacional ou rotacional. 
 União de superfícies tridimensionais previamente definidas no 
programa, ou seja, superfícies primitivas. 
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CADtridimensional (3D) 
A criação de modelos sólidos está 
dividida em dois momentos distintos. 
Em um primeiro momento, pode-se 
trabalhar apenas com sólidos básicos 
ou formas sólidas predefinidas pelo 
sistema CAD, em que se criam caixas 
(paralelepípedos), cilindros, esferas e 
outros sólidos primitivos apenas com o 
comando adequado à tarefa. 
 
Em um segundo momento, há 
necessidade de criar formas sólidas 
mais complexas em que o grau de 
detalhamento pode ser elevado. Neste 
caso, pode-se gerá-las por varredura 
ou operando sobre os sólidos primitivos 
ou gerados por varredura. 
Primitivos 
Varreduras Lógicos 
Visualização é a forma como os objetos são mostrados na tela. Entre as 
visualizações disponíveis no CAD, estão: 
 Modelo de arame 
 Todas as arestas e linhas de contorno do objeto são mostradas. É o modo mais 
simples e rápido de mostrar um objeto tridimensional e é muito usado para 
edição, já que todos os vértices e arestas estão disponíveis para seleção. 
 Supressão de linhas ocultas 
 Utiliza algoritmos matemáticos para determinar quais são as arestas, superfícies 
e volumes visíveis a partir de um certo ponto de vista. Neste modelo, as faces de 
um objeto são consideradas opacas. Assim, todas as partes de uma face ou 
aresta que fiquem atrás de outra face (quando observadas a partir de um certo 
ponto de vista) são suprimidas. 
 Sombreamento 
 Técnica que aplica cores uniformes a superfícies visíveis. 
 Renderização 
 Vista de um modelo tridimensional à qual são aplicadas cores, texturas e 
iluminação para criar uma imagem realista. Enquanto as formas de visualização 
anteriores podem ser orbitadas (deslocadas e giradas) em tempo real, as 
imagens renderizadas são imagens paradas. 
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Exibição e visualização 
Introdução aos Sistemas CAD 
Exibição e visualização 
Modelo de arame Supressão de linhas 
ocultas 
Sombreamento 
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Exibição e visualização 
Imagens renderizadas 
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Aplicação a projetos de engenharia (CAE) e fabricação (CAM) 
O CAD é uma parte de uma disciplina conhecida atualmente como 
“Desenvolvimento Digital de Produto” (DDP ou DPD em inglês) que, por sua 
vez, enquadra-se dentro do “Gerenciamento do Ciclo de Vida do Produto” 
(“Product Lifecycle Management”, PLM). 
 
O CAD se integra com diferentes programas computacionais utilizados em 
engenharia, arquitetura e outras áreas de atuação. A integração pode se dar 
diretamente com a transformação do programa CAD em um módulo do 
programa computacional ou, ainda, com o uso de interfaces computacionais 
que transportam as informações dos programas CAD para o programa 
computacional em uso. 
 
Algumas aplicações típicas de CAD em engenharia são: 
 Engenharia assistida por computador (CAE) associada a programas de 
análise baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF). 
 Fabricação ou Manufatura assistida por computador (CAM) ligada 
usualmente a máquinas de controle numérico. 
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Aplicação a projetos de engenharia (CAE) e fabricação (CAM) 
O CAE está sustentado em ferramentas de CAD avançadas, as quais 
permitem não apenas definir as dimensões do produto concebido, como 
também outras características, como materiais, acabamentos, processos de 
fabricação e de montagem e até interações com elementos externos, como 
forças aplicadas, temperatura, etc. 
 
Pode-se criar protótipos virtuais dos produtos, simulando sobre eles as 
condições de uso e, deste modo, efetuar estudos prévios à fabricação sobre 
aspectos tais como: a funcionalidade, resistência a cargas extremas e fadiga, 
além de outros comportamentos. 
 
Para estes estudos empregam-se amplas bases dados e técnicas como a do 
método dos elementos finitos, programadas em módulos, que se integram nas 
ferramentas de CAD/CAE. Esta abordagem reduz drasticamente o tempo 
gasto com cálculos operacionais. 
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Aplicação a projetos de engenharia (CAE) e fabricação (CAM) 
Modelo sólido 
Malha de 
elementos 
finitos 
Tensões de Von 
Mises 
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Aplicação a projetos de engenharia (CAE) e fabricação (CAM) 
A fabricação ou manufatura assistida por computador (CAM) é uma tecnologia 
que envolve o uso de computadores para planejar, gerenciar e controlar as 
operações de fabricação. Entre as áreas de aplicação mais importantes da 
CAM estão: 
 Controle numérico (NC): 
Técnica de usar instruções programadas para controlar uma máquina-ferramenta 
usada para polir, cortar, fresar, furar, dobrar ou transformar a matéria-prima em 
peça acabada. 
 Prototipação rápida: 
 O termo prototipação rápida é usado para designar a criação rápida de peças 
diretamente a partir de modelos geométricos. Embora várias tecnologias de 
prototipação rápida tenham surgido desde a década de 1980, todas começam 
com um modelo virtual em CAD. A geometria do modelo é transformada em 
cortes e o protótipo é fabricado aditivamente, um corte de cada vez por meio de 
um feixe de laser trabalhando sobre resina. 
 A estereolitografia, desenvolvida pela 3D Systems, é um dos métodos mais 
usados. 
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Aplicação a projetos de engenharia (CAE) e fabricação (CAM) 
Máquina para 
estereolitografia 
Protótipo de peça gerado 
por estereolitografia