CAD (computer aided design)

Com o contínuo avanço tecnológico, a soma de informações e conhecimentos que devem estar sob o domínio do engenheiro cresce ininterruptamente. Os sistemas CAD se propõem a auxiliar a manipulação e criação destas informações, sistematizando os dados de projeto envolvidos, possibilitando uma rápida reutilização de informações quando necessário.
Os sistemas CAD deveriam suportar qualquer atividade de projeto na sua criação, modificação, recuperação ou documentação. Apesar da sigla "CAD" incluir o termo "Design", observa-se que são poucos os casos em que o computador efetivamente projeta alguma coisa, servindo mais como uma ferramenta de auxílio à confecção de desenhos de engenharia. Sua maior contribuição ocorre no modelamento dos produtos e componentes, e no detalhamento de seus desenhos. Em alguns sistemas CAD, o termo "design" foi trocado por "drafting", tal sua aplicação como elemento puramente voltado a documentação do projeto, o que em alguns casos pode levar a subutilização do sistema.
Outros sistemas que atuam na área de cálculos de engenharia são chamados de CAE ("Computer Aided Engineering"), onde são realizadas outras atividades do tipo análise estrutural por elementos finitos (FEM), análise de escoamento, simulações multi-corpos, análise de tensões, etc ...
Existem algumas tentativas relacionadas ao desenvolvimento de sistemas que realmente possam tomar decisões no projeto, a grande maioria delas baseada em técnicas de Inteligência Artificial. Porém, devido às dificuldades em se capturar a lógica do processo de desenvolvimento de um projeto e à quantidade de dados envolvidos, a tarefa se torna bastante complexa, originando poucos resultados práticos.
Mesmo com essas dificuldades, os sistemas CAD são de extrema importância para o projeto. As vantagens oferecidas no apoio ao projeto podem ser comprovadas em  muitas de suas etapas, indo desde uma melhor documentação e apresentação do produto, com melhoria da qualidade dos desenhos, diminuição de tempo e custos e aumento de produtividade geral, até um melhor gerenciamento do projeto.
Por outro lado, os sistemas CAD somente podem ter seu potencial totalmente aproveitado, inclusive justificando-se técnica e economicamente, se estiverem integrados ao processo produtivo como um todo. Em uma estrutura integrada, o CAD proporciona além dos ganhos intrínsicos ao projeto do produto, aumento da eficiência das funções relacionadas ao planejamento, fabricação e qualidade. Em outras palavras, o CAD deve estar integrado com outros sistemas comoCAPP, CAM  e sistemas de gestão da produção (PCP, MRP, ERP).
Atualmente existe uma variedade de opções que devem ser consideradas ao se analisar os sistemas CAD, dentre elas algumas caracterizam a funcionalidade do sistema, ou mesmo sua aplicabilidade integrada com outros. Considerando o tratamento dos dados existem hoje no mercado algumas variações, segue abaixo uma descrição sobre os sistemas 2D e sobre os 3D. 
 

Sistemas 2D

Uma das vantagens de se usar CAD 2D é o rápido treinamento de operadores, geralmente habituados ao uso das pranchetas comuns. Mas o seu uso é limitado, correndo o risco de transformar o sistema em uma simples prancheta eletrônica, pouco mais produtiva que as pranchetas comuns.Para algumas aplicações a representação 2D é suficiente, como por exemplo em projetos de esquemas elétricos, hidráulicos, circuitos e placas eletrônicas, onde não há necessidade de informações volumétricas. Também na criação de vários tipos de croquis, para suportar a produção por exemplo, o CAD 2D é mais apropriado. Neste caso ele deve trabalhar em conjunto com um sistema CAPP, que seria responsável pelo gerenciamento dos dados representados no croquis (como lista de ferramentas, instruções de montagem e/ou inspeção, etc..)
No projeto mecânico tem-se utilizado a representação 2D para o desenvolvimento de desenhos de conjunto, pois são mais facilmente alterados. Nessa fase emprega-se grande número de peças normalizadas, que são incluidas no desenho de forma interativa, o que confere uma grande produtividade a esta atividade. Empresas do setor mecânico de pequeno e médio porte preferem utilizar sistemas 2D, pois além do menor custo de aquisição e treinamento de seus funcionários, esse sistemas exigem máquinas menos poderosas. Entretanto, existe hoje no mercado uma série de sistemas 3D que se propõem a preencher essa lacuna (ver Sites Relacionados).
O grande retorno da utilização de CAD 2D está na reutilização das informações, uma vez que é bem mais fácil recuperar e modificar um desenho eletrônico, do que um desenho realizado de forma convencional. 
 

Sistemas 3D

O modelamento 3D apresenta as dificuldades que são próprias do processo de desenho, pois o projetista é obrigado a considerar as três dimensões simultâneamente. Em alguns casos, a utilização do modelo 3D é imprescindível, como, por exemplo, na aplicação de análises por elementos finitos para verificação de tensões, escoamento, temperatura, etc.  e ainda quando há a necessidade de se calcular o volume, propriedades de massa e eixo de inércia e verificação de interferêncais.(vide CAE)A seguir são citados os principais métodos de representação 3D:

• Wireframe
• CSG
• Brep
• Híbrida
• Baseada em Features
• Paramétrica
• Dinâmica

Modelagem por Wireframe

No passado a modelagem por wireframe era o principal método utilizado pelos sistemas CAD, possibilitando ligar linhas entre pontos nos espaços 3D, permitindo a criação de modelos espaciais e garantindo a consistência de vistas 2D derivadas e cotagem associada.Com o avanço tecnológico e maior capacidade de processamento dos computadores, esses sistemas começaram a ser substituídos pelos baseados nos métodos de modelagem sólida. Isto também aconteceu em parte devido a dificuldade de uso dos wireframe quando necessário incorporá-los em softwares de análise ou manufatura, já que não possuem nenhum tipo de informação relacionada a características físicas dos componentes reais.

Modelagem Solida CSG (Constructive Solid Geometry)

Sistemas que são capazes de realizar a modelagem sólida são muito mais poderosos que simples modeladores baseados em wireframe. Esses programas são usados para construir componentes que são objetos sólidos, e não simplesmente uma malha de linhas trançadas.Um modelo CSG é uma árvore binária constituída de objetos primitivos e operadores booleanos. Os primitivos são representados pelas folhas da árvore e os objetos mais complexos são os nós. A raíz da árvore representa o produto completo. Cada primitivo é associado com uma transformação 3D que especifica a posição, orientação e dimensões. Este método caracteriza-se por compor modelos a partir de sólidos.
Utilizando sólidos para modelar os componentes, eles passam a adquir propriedades físicas como volume, e caracterizando sua densidade, conseguimos obter outras características como peso e massa. Assim o computador pode calcular várias propriedades físicas desses componentes, como centro de gravidade, momento de inércia, etc. Estes cálculos podem ser utilizados em componentes com formas irregulares, onde o cálculo manual se torna extremamente difícil e trabalhoso. Além de facilitar o uso do modelo em softwares de análise.
Este método possui algumas limitações, sendo a principal a presença de um conjunto limitado de operações e primitivos, o que por consequência limita as possibilidades de criação por parte do projetista.

 Modelagem Solida Brep (Boundary Representation)

A modelagem Brep é baseada nas técnicas de modelagem de superfícies anteriormente existentes. A primeira geração de modeladores Brep representava objetos sólidos apenas por tabelas de faces, arestas e vértices. Assim ele somente suportava objetos com faces planas. Superfícies curvas eram modeladas por aproximação linear, num processo chamado "facetamento".A segunda geração de modeladores Brep incluiu objetos primitivos com superfícies analíticas, como cilíndros, esferas, cones, etc. Eles permitem a criação de modelos muito mais complexos com geometria "exata". Para tal foi necessário o uso de algoritmos de interseção muito mais complexos.
Outros desenvolvimentos em modelagem Brep foram dirigidos a melhorias na efetividade de operações booleanas através de, por exemplo, o uso de diretórios de ocupação espacial, o que reduz o número de verificações de interferência de face. Uma outra área de desenvolvimento foi a expansão do número de formas geométricas que podem ser modelados com Brep.
A modelagem Brep possui algumas vantagens sobre a CGS, principalmente no tocante a versatilidade na geração de modelos complexos e na velocidade de verificação de relações topológicas. Isto acontece devido a maneira como o Brep registra as informações do modelo, armazenando os parâmetros das arestas de forma explicita.

Modelagem Sólida Híbrida

Os métodos de modelagem sólida CSG e Brep são frequentemente combinados para gerar modelos de componentes. Cada um desses métodos possui suas limitações, e componentes de difícil criação fazendo uso de um ou outro, podem ser gerados mais facilmente usando uma combinação de ambos os métodos.A maioria dos sistemas modeladores sólido comerciais são híbridos utilizando tanto o método CSG quanto o Brep. 
 

Modelagem Sólida baseada em Features

Um feature pode se definido como um elemento físico de uma peça que tem algum significado para a engenharia. Ele deve satisfazer as seguintes condições:

• ser um constituinte físico de uma peça;
• ser mapeável para uma forma geométrica genérica;
• ser tecnicamente significante, sob o ponto de vista da engenharia; e
• ter propriedades predizíveis.

O significado técnico de feature pode envolver a função à qual um feature serve, como ele pode ser produzido, que ações a sua presença deve iniciar, etc. Features podem ser pensados como 'primitivas de engenharia' relevantes a alguma tarefa de engenharia.A modelagem por features vem ganhando espaço principalmente dentro da engenharia mecânica. O método permite criar furos, chanfros, rasgos, etc, para serem associados com outras entidades ou faces. A modelagem por features é baseada na idéia de se desenhar utilizando building blocks - blocos de construção. Ao invés de se usar formas analíticas como paralelepípedos, cilíndros, esferas e cones como primitivos, o usuário cria modelo do produto usando primitivos de maior nível que são mais relevantes para sua aplicação específica. Esta abordagem deveria fazer com que os sistemas de modelagem sólida ficassem mais fáceis de serem usados. Entretanto, o conjunto fixo de features oferecido pelos atuais modeladores é muito limitada para uso industrial, o que limita as possibilidades do projetista. Assim fica claro que os features devem ser adaptáveis aos usuários e que a biblioteca de features deve ser extensível.
Os esforços para especificação formal de uma linguagem de especificação de features, iniciados em 1990, proporcionaram que a versão mais nova do STEP incluísse features definíveis pelo usuário através de uma linguagem padrão de especificação de features. 
 

Modelagem Sólida Paramétrica

A modelagem sólida paramétrica permite que se crie modelos de produtos com dimensões variacionais. As dimensões podem ser ligadas através de expressões. Ligações bidirecionais entre o modelo e o esquema de dimensionamento permite a regeneração automática de modelos depois de mudanças nas dimensões e atualização automática das dimensões relacionadas. Na figura 3 observa-se um modelo de um eixo escalonado em que a dimensão do diâmetro menor depende do diâmetro maior através da equação Da = Db/2. Caso a dimensão do diâmetro maior seja alterada, a dimensão do diâmetro menor é automaticamente alterada. Caso a dimensão do eixo menor seja alterada, a dimensão do eixo maior pode se automaticamente calculada pela inversa da função relacionamento.

Nem todos os sistemas CAD paramétricos provêem esta bi-direcionalidade, devido a complexidade que isto envolve, o que penaliza o projetista, pois este tem que pensar na estruturação das ligações dimensionais antecipadamente, sem o que a alteração do modelo pode implicar em que ele seja refeito.