Modelação 3D em CAD

Há um pacote premium desta unidade: um PowerPoint editável de 100 ou mais diapositivos, um manual em PDF e dois testes com correção. Esta sebenta continua gratuita.

Introdução

Esta UC é o centro técnico do bloco de desenho e CAD. Da geometria 2D dos sketches às montagens 3D, dos cálculos de tensões aos renders fotográficos, e finalmente à exportação para fabrico (CNC, 3D print, corte laser).

Software de referência para esta sebenta: Fusion 360 (gratuito para estudantes) e FreeCAD (open source). Princípios aplicam-se a Inventor, SolidWorks, Onshape e outros.

1. CAD 3D paramétrico

1.1 Conceito

O CAD 3D paramétrico encadeia operações num histórico editável:

Sketch (2D) → Feature (3D) → Peça (.part)
                ↓
              Assembly (.asm)
                ↓
              Desenho 2D (.drw)
                ↓
              Exportar para fabrico

Cada operação tem parâmetros (dimensões, opções). Mudar um parâmetro propaga-se a tudo a jusante. Iteração rápida.

1.2 Comparação com modelagem livre

Modelagem livre (Blender, ZBrush, NURBS livre):

• Geometria definida directamente, sem histórico paramétrico.
• Bom para: arte, animação, formas orgânicas.
• Difícil mudar dimensões depois.

CAD paramétrico:

• Histórico de operações.
• Bom para: mecânica, indústria, fabrico.
• Iteração e dimensionamento são triviais.

1.3 Software (visão 2026)

Para esta UC: Fusion 360 (gratuito + completo) ou FreeCAD (sem subscrição).

2. Sketches paramétricos

2.1 Plano e origem

Cada sketch começa num plano:

• XY, XZ, YZ — planos padrão.
• Plano em face — sobre uma face existente da peça.
• Plano de offset — paralelo a outro plano a uma distância.

A origem (0,0,0) é o ponto de referência inicial. Vincular geometria à origem ajuda estabilidade.

2.2 Ferramentas de desenho

• Linha — recta entre 2 pontos.
• Rectângulo — atalho para 4 linhas perpendiculares.
• Círculo — centro + raio.
• Arco — 3 pontos, centro+início+fim, etc.
• Polilinha — sequência de linhas/arcos contínuos.
• Spline — curva suave por pontos.
• Polígono — regular, N lados.
• Slot — rasgo oblongo.

2.3 Restrições (constraints)

Geométricas:

• Coincidência, paralelismo, perpendicularidade, igualdade, tangência, concentricidade, horizontalidade, verticalidade, fixação, simetria.

Dimensionais:

• Comprimento, raio, diâmetro, ângulo, distância.

Bom sketch usa restrições geométricas para relações e cotas dimensionais para tamanhos. Reduz cotas necessárias.

2.4 Fully constrained

Sketch totalmente vinculado:

• Sem graus de liberdade.
• Cor verde (típico) em Fusion/Inventor/SolidWorks.
• Não se move ao tentar mexer.

Sketch subvinculado pode mover-se depois de outras edições — bug latente.

2.5 Boas práticas

• Começar na origem — fixar pelo menos um ponto na origem.
• Restrições antes de cotas — definir relações, depois tamanhos.
• Sketches pequenos — não desenhar peça inteira num sketch. Decompor.
• Nomear sketches importantes ("Base", "FuroPrincipal").
• Não usar Trim excessivamente — apaga geometria; melhor desenhar correcto desde o início.

3. Features de criação 3D

3.1 Extrusão (extrude)

Sketch perpendicular ao plano, formando um prisma.

Opções:

• Distância específica.
• A passar (atravessar geometria existente).
• A próximo (até encontrar superfície).
• Simétrico (metade para cada lado).
• Adicionar, subtrair, intersectar.

Aplicação típica: peça base, furos, ranhuras.

3.2 Revolução (revolve)

Sketch em torno de um eixo, criando peça cilíndrica/cónica.

Aplicação: veios, manípulos, peças torneadas, recipientes.

3.3 Varrer (sweep)

Sketch secção ao longo de trajectória (path).

• Trajectória = curva 2D ou 3D.
• Secção mantém-se ao longo.

Aplicação: tubos curvos, mangueiras, perfis L em curva, molas.

3.4 Loft

Várias secções em planos diferentes, ligadas por superfície suave.

Aplicação: peças orgânicas, transições suaves, hélices, formas complexas.

3.5 Pad/Pocket nas variações

Nomenclatura varia por software:

• Pad (FreeCAD) = extrudir.
• Pocket (FreeCAD) = corte extrudido.
• Boss (SolidWorks) = adicionar volume.
• Cut (SolidWorks) = remover volume.

4. Features de modificação

4.1 Furo (hole)

Em vez de "círculo + extrude cut", usar feature furo:

• Simples — cilindro removido.
• Roscado — anotado como rosca (M3, M4, M5, etc.).
• Escareado — para parafuso com cabeça embutida.
• Avelanado — chanfre de entrada.
• Profundidade — passante ou cego.
• Localização — pontos do sketch.

Vantagem: parametrizado, fácil de mudar tipo/Ø.

4.2 Chanfre (chamfer)

Bisel a 45° (ou outro ângulo) em aresta.

Aplicação: facilitar montagem, remover aresta cortante, estética.

4.3 Raio / Arredondamento (fillet)

Substitui aresta por superfície curva.

Aplicação: reduzir concentração de tensões, estética, peças plásticas/fundidas.

4.4 Casca (shell)

Esvazia peça, mantendo parede de espessura definida. Como "cavar" interior.

Aplicação: peças de plástico injectado, recipientes.

4.5 Reforço (rib)

Adiciona nervura entre faces. Aumenta rigidez sem aumentar muito peso.

4.6 Padrões (patterns)

• Linear — copiar N vezes ao longo de eixo.
• Circular — N cópias em torno de eixo.
• Espelho (mirror) — reflexo num plano.
• Sketch-driven — cada cópia onde houver ponto.

Ex.: 8 furos M6 em círculo PCD 80 = padrão circular 8× de 1 furo.

5. Features avançadas

5.1 Roscas

• Marcar como rosca na feature furo — visualizada no modelo.
• Rosca real modelada — útil para 3D print de rosca.
• Tabela de parâmetros por norma (M3 a M64, UNC, etc.).

5.2 Sheet metal (chapa)

Workbench específico:

• Flange — face dobrada a partir da base.
• Hem — borda dobrada sobre si.
• Bead — relevo de rigidez.
• Cutout — corte em chapa.
• Tab/Slot — encaixe entre chapas.
• Planificação automática para corte 2D.

Indústria de fabrico em chapa (electrodomésticos, carroçarias) usa muito.

5.3 Surface modeling

Modelar com superfícies em vez de sólidos. Útil para:

• Formas complexas (carenagens, peças de design industrial).
• NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines).
• Importar/exportar de Rhino, Alias.

Curva de aprendizagem grande. CAD mecânico padrão suporta superfícies básicas.

5.4 Configurações / variantes

Mesma peça com múltiplas variantes num único ficheiro:

• Comprimento 100, 150, 200, 250 mm.
• Material A ou B.
• Com/sem feature opcional.

Em SolidWorks: Configurations. Em Inventor: iLogic. Em Fusion: parâmetros + configurations.

5.5 Top-down vs bottom-up

• Bottom-up — modelar peças individuais, depois montar.
• Top-down — desenhar conjunto inteiro, peças derivam do contexto.

Top-down é mais avançado mas garante coerência. Bottom-up é mais comum.

6. Assemblies (montagens)

6.1 Inserir componentes

• Inserir peças já modeladas.
• Inserir peças normalizadas de biblioteca (parafusos, rolamentos).
• Inserir sub-assemblies (conjuntos dentro de conjuntos).

6.2 Constraints de montagem

• Coincidência — pontos/eixos no mesmo lugar.
• Concêntrico — eixos alinhados.
• Distância — separação definida.
• Ângulo — orientação relativa.
• Tangência — superfícies em contacto curvas.
• Bloqueio — peça fixa (em conjuntos sempre há uma peça-base bloqueada).

6.3 Hierarquia

Projecto-Redutor.iam
├─ Carcaça-bola.iam (sub-assembly)
│  ├─ Carcaça-base.ipt
│  └─ Tampa-superior.ipt
├─ Eixo-entrada.ipt
├─ Eixo-saída.ipt
├─ Engrenagem-Z20.ipt
├─ Engrenagem-Z40.ipt
└─ Componentes comerciais:
   ├─ Rolamento-6204 (biblioteca)
   ├─ Vedante-25×42×7 (biblioteca)
   └─ Parafusos-M5×15 (biblioteca)

Sub-assemblies tratam-se como peças únicas no assembly raiz. Permite organização e trabalho colaborativo (cada designer numa parte).

6.4 Detecção de interferências

CAD verifica:

• Pares de peças que se sobrepõem.
• Volume da interferência.
• Pares problemáticos listados.

Em assembly grande, exigir verificação antes de produzir desenhos. Interferência em CAD = peça que não monta na realidade.

6.5 Listas de peças (BOM)

Geradas automaticamente do assembly:

• Item número.
• Quantidade.
• Nome/descrição.
• Material.
• Norma/Nº de desenho.

Editáveis para acrescentar campos (custo, fornecedor, peso).

7. Cinemática e simulação

7.1 Motion study

Definir movimento:

• Motor rotativo num eixo (velocidade, aceleração).
• Cilindro linear (translação).
• Função no tempo (movimento programado).

Resultados:

• Trajectória de pontos (rastro).
• Velocidade e aceleração ao longo do tempo.
• Forças de contacto entre peças.
• Conflitos dinâmicos (colisões).

Aplicação: validar mecanismos, articulações, robótica.

7.2 FEA — Stress analysis

Simulação por elementos finitos:

1. Discretizar peça em malha.
2. Aplicar fixações (parede, pilar).
3. Aplicar cargas (forças, pressões, momento).
4. Definir material (E, ν, σy).
5. Calcular tensões von Mises, deformações, factor de segurança.

Ferramentas:

• Inventor Stress Analysis (incluído).
• SolidWorks Simulation (incluído básico, módulos pagos avançados).
• Fusion 360 Simulation (cloud, créditos).
• FreeCAD FEM (open source, usa Calculix/Z88).
• Ansys, Abaqus (industriais, caros, especializados).

7.3 Térmica e CFD

• Térmica — distribuição de calor em peças que aquecem (electrónica, motores).
• CFD — escoamento de fluidos (bombas, ventilação, aerodinâmica).
• Modal — frequências naturais (evitar ressonâncias estruturais).

Especialização à parte. CAD mecânico básico suporta análises simples.

8. Renders e apresentação

8.1 Materiais

Atribuir aspecto:

• Aços — escovado, pintado, niquelado, oxidado.
• Alumínios — natural, anodizado, polido.
• Plásticos — coloridos, transparentes, matte.
• Madeiras — várias espécies.
• Vidro, borracha, etc.

Bibliotecas vêm com CAD; adicionar custom é possível.

8.2 Iluminação

• Ambient light — ilumina uniformemente.
• Direccional — sol, holofote.
• HDRI — fotografia 360° de cenário (cinema, exterior, estúdio).
• Físico baseado em câmaras reais.

Bom rendering = boa iluminação > materiais perfeitos.

8.3 Câmara e composição

• Ângulo — perspectiva ou ortográfica.
• Lente — focal length (24, 50, 85 mm).
• Profundidade de campo (depth of field) — focalizar ponto específico.
• Composição — regra de terços, enquadramento.

8.4 Output

• PNG / JPG — 2K-4K para web/impressão.
• EXR — alta dinâmica para pós-processamento.
• Animação MP4 — movimento ao longo do tempo.

8.5 Ferramentas

• Built-in (Inventor Studio, SolidWorks Visualize, Fusion Render) — bom para a maioria dos casos.
• KeyShot — pago, padrão indústria para apresentações.
• Blender — open source, exige exportar/importar mas dá controlo total.
• Twinmotion, Lumion — arquitectura + produto, real-time.

9. Exportar para fabrico

9.1 Para CNC (maquinagem)

• STEP (.stp, .step) — ISO 10303. Geometria 3D neutra. Padrão.
• IGES (.igs) — anterior, ainda usado em alguns CAD.
• Parasolid (.x_t) — formato proprietário, mas universal.

Operador CAM importa, cria toolpaths, gera código G para a máquina.

9.2 Para impressão 3D

• STL (.stl) — malha triangular, padrão FDM.
• OBJ — alternativa, suporta cor.
• 3MF — moderno, mais info embutida.

Configurar tolerância de exportação ao tamanho da peça (tipicamente 0,01-0,05 mm). Mais fino = ficheiro grande, mais fiel.

9.3 Para corte 2D (chapa)

• DXF — universal para corte laser/plasma/jato d'água.
• DWG — pode usar-se.
• PDF com geometria vectorial.

Exportar a planificação (em chapa) ou a vista 2D (em peças planas).

9.4 Para AR/VR/Web

• GLB / GLTF — Khronos, padrão web 3D.
• USDZ — Apple Quick Look.
• FBX — animação, jogos.

9.5 Para outros CAD

Sempre STEP primeiro. Se STEP perde algo crítico, tentar Parasolid ou formato nativo (se outro CAD lê).

10. Workflow profissional

10.1 Sequência completa

1. Brief / Requisitos — cliente / projecto.
2. Esboço à mão e/ou em CAD 2D conceptual.
3. Selecção de componentes comerciais (rolamentos, motores, parafusos).
4. Modelagem de cada peça fabricada.
5. Assembly com constraints + verificação de interferências.
6. Cálculos (FEA, motion) se necessário.
7. Iteração — corrigir designs com base em simulação.
8. Desenhos 2D para fabrico (UC02877 + UC02918).
9. Renders para apresentação.
10. Exportar STEP / STL / DXF para fabricantes.
11. Validar primeira peça vs CAD.
12. Arquivar projecto.

10.2 Organização de ficheiros

projecto-X/
├─ 00_brief/
├─ 01_research/
├─ 02_pecas/         (.ipt, .sldprt, .fcstd)
├─ 03_assemblies/    (.iam, .sldasm, .fcstd)
├─ 04_desenhos/      (.idw, .slddrw, .dxf, .pdf)
├─ 05_renders/       (.png, .jpg)
├─ 06_export/
│  ├─ step/
│  ├─ stl/
│  └─ dxf/
├─ 07_simulation/    (.sim, reports)
└─ 99_archive/       (revisões antigas)

10.3 Versionamento

• Cloud / sync automático (Fusion Team, Onshape, Vault).
• PDM profissional (Vault, PDM Standard).
• Manual com naming convencionado em projectos pequenos.
• Backup 3-2-1.

10.4 Colaboração

• Sub-assemblies dividem trabalho.
• Design reviews semanais.
• Templates partilhados.
• Code review CAD — colega revê antes de envio.

11. Erros frequentes

• Sketch subvinculado — peça muda sozinha.
• Histórico em rede em vez de árvore — operações inter-dependentes mal organizadas.
• Sem features paramétricas — modelar com geometria estática perde a vantagem do CAD.
• Constraint demais ou demasiado pouco em assembly.
• Ignorar interferências detectadas.
• STL com tolerância muito alta — peça impressa cheia de facetas visíveis.
• STEP exportado sem verificar — geometria mal "cose", produção falha.
• Renders sem materiais — só geometria cinza-padrão.
• Naming inconsistente — vai dar dor de cabeça em 3 meses.

12. Liga a outras UCs

• UC02877 / UC02918 — desenhos 2D derivam do modelo 3D.
• UC02919 / UC02920 — CNC e 3D print partem dos exports.
• UC02923 — montagem real do assembly virtual.
• UC02944 — robótica usa modelos 3D para simulação.
• UC02953 — automação industrial integra modelos 3D.
• UC02638 (Multimédia) — exportar GLB para AR.

13. Conclusão

CAD 3D paramétrico é o centro da engenharia mecânica moderna. Dominar Fusion 360 ou FreeCAD a um nível profissional dá-te capacidade de:

• Projectar peças e conjuntos completos.
• Validar por simulação antes de fabricar.
• Comunicar com renders profissionais.
• Produzir em qualquer destino (CNC, 3D, chapa).

Pratica iteração: modelo → simulação → ajuste → novo modelo. CAD recompensa quem tenta, falha e melhora.

Apêndice A · Checklist de modelagem

[ ] Sketch parte da origem
[ ] Restrições antes de cotas
[ ] Sketch fully constrained (verde)
[ ] Features pequenas (decompor)
[ ] Histórico em árvore lógica
[ ] Features parametrizadas
[ ] Furos como feature (não círculo + cut)
[ ] Patterns onde repetir
[ ] Verificar interferências em assembly
[ ] Desenho 2D associativo gerado
[ ] Exportar STEP + STL conforme necessidade
[ ] Naming consistente
[ ] Backup activo

Apêndice B · Recursos

• Fusion 360 tutorials — autodesk.com/learn/courses (gratuitos).
• FreeCAD wiki — wiki.freecad.org.
• GrabCAD Tutorials — grabcad.com/tutorials.
• LinkedIn Learning — cursos completos pagos.
• YouTube: Lars Christensen (SolidWorks), Product Design Online (Fusion 360), MangoJelly Solutions (FreeCAD).
• GD&T Basics — gdandtbasics.com.
• Engineers Edge — engineersedge.com.

Apêndice C · Ficheiros que vais ver