Contour Crafting, em tradução livre seria algo como “construção por contornos”, foi a primeira tecnologia de construção automatizada por computador a aplicar na impressão materiais cerâmicos e cimentícios, serviu como base para o desenvolvimento de outras tecnologias, também é a mais ambiciosa quanto a quantidade de etapas construtivas abordadas. Criada e desenvolvida na University of Southern Califórnia, para entregar uma produção rápida, facilidade de uso, redução de resíduos e economia de
custos. As primeiras publicações sobre a técnica desenvolvida pelo professor Khoshnevis
podem ser encontrados em 1998 e muito progresso tem sido feito desde então (PORTO, 2016).
Como apresentado por Lopes (2016) apesar de ser um dos projetos mais antigos em desenvolvimento, não existem muitas imagens oficiais divulgadas referentes à impressora, tanto versão final como versões de teste, nem dados sobre as suas dimensões.
O Contour Crafting é um método misto inspirado na deposição de material
fundido no entanto diferente deste sistema que realiza a fusão do material, normalmente PLA e ABS, e depois a extrusão o CC trabalha da seguinte forma: os materiais que compõem a argamassa especial são colocados em um reservatório onde são misturados
e a partir dali são bombeados para o bocal de extrusão que executa as camadas que irão formar o objeto (HWANG e KHOSHNEVIS, 2005).
Esta tecnologia combina um processo extrusivo para formar as superfícies externas do objeto, os ditos contornos que dão origem ao seu nome, e um processo de preenchimento, podendo ser completo ou em formato de diagonais, para construir o núcleo do objeto em forma de camadas. Os contornos formados assumem assim uma função de modelagem, semelhante a função desempenhada pelas fôrmas, mas com caráter definitivo, enquanto o núcleo tem função estrutural (KHOSHNEVIS, 2004).
A Figura 12 apresenta a esquerda o núcleo com preenchimento de concreto completo a direita o preenchimento com padrões diagonais.
Figura 12 - Parede com preenchimento completo e diagonal
Fonte: KHOSHNEVIS (2004)
De acordo com Khoshnevis (2004) o bocal de extrusão usado para criar os elementos possui três orifícios, um em cada lateral para realizar o contorno do objeto, e o terceiro, interno, para criar a estrutura da parede, esta característica permite que materiais diferentes possam ser co-extrudidos. Em cada um dos extrusores externos existe uma espátula que faz a função de uma colher de pedreiro alisando a face externa e o topo da camada do material à medida que vai sendo extrudido, este é um aspecto único da CC, sendo que nenhuma outra tecnologia de fabricação aditiva realiza essa operação.
Conforme exposto por Lopes (2016) esse bocal pode ser ajustado juntamente com as espátulas laterais de maneira inclinada para criar superfícies não ortogonais como
cúpulas e abóbadas. A qualidade da superfície é ditada pelo trabalho das espátulas e não da boca de extrusão, e é tão boa que ao final pode ser pintada sem necessidade de serviços de acabamento como reboco. A Figura 13 apresenta a cabeça de impressão da Contour Crafting durante o processo de execução de uma parede.
Figura 13 - Cabeça de Impressão CC
Fonte: LOPES (2016)
A estrutura da impressora é composta pela cabeça de impressão que está ligada a um braço robótico, e por sua vez está instalado em um sistema de grua-pórtico capaz de mover-se nos eixos XYZ como apresenta do na Figura 14. Junto a este ainda sistema podem estar apoiados outros braços robóticos, destinados a executar outras funções como a instalação de componentes hidráulicos e elétricos. Esta estrutura desloca-se ao longo de dois trilhos paralelos, instalados no local de execução da obra, a construção ocorrerá na área interior a estes (LOPES, 2016).
Figura 14 - Sistema de Pórticos / Grua CC
Mesmo com o processo em bem estruturado, ainda existem poucas informações divulgadas relativas aos materiais que podem ser impressos. No entanto a partir das publicações de Hwang e Khoshnevis (2005) e Khoshnevis (2004) sabe-se que o material de contorno normalmente usado nos testes experimentais é uma argamassa cimentícia e que o material de preenchimento, responsável pela resistência e estabilidade, é bastante similar ao concreto. As características do material a ser depositado no interior são fundamentais, pois é ele que irá suportar a estrutura.
Como citado antes a CC destaca-se pela quantidade de etapas construtivas que pretende executar. Dessa forma ela contempla a execução das paredes da edificação de forma aditiva através do bocal de extrusão, sempre deixando as devidas aberturas para os vãos de portas e janelas, nesses casos a execução de vergas e contravergas são realizadas com o posicionamento de peças pré-moldadas de forma automática pelos braços robóticos ligados a estrutura da impressora. A Figura 15 apresenta a esquerda um modelo das paredes já executadas e a direita a execução das lajes através dos braços robóticos (CONTOUR CRAFTING, 2019).
Figura 15 - Execução de paredes e lajes CC
Fonte: CONTOUR CRAFTING (2019)
Da mesma forma as lajes do tipo pré-moldadas são posicionadas pelos braços robóticos após a execução das paredes, com os elementos posicionados o bocal extrusor bombeia concreto para finalizar a execução da laje.
É possível também considerar o reforço da estrutura com aço, efetuada através da inserção de vários elementos modulares executados de maneira automatizada, Figura
16. Para aumentar a resistência do concreto ainda podem ser usadas fibras de poliéster, vidro, aço ou sintéticas junto da mistura que seria depositada pelo bocal (KWON, 2002).
Figura 16 - Execução de reforço com aço
Fonte: KWON (2002)
Para os revestimentos cerâmicos de paredes e pisos, a cabeça de extrusão espalha uma argamassa de assentamento nos locais que receberão o revestimento. Enquanto isso um braço é responsável por pegar a peça cerâmica, transportá-la e instalá- la sobre a área previamente coberta pelo adesivo como pode ser observado na Figura 17 (KHOSHNEVIS, 2004).
Figura 17 - Revestimento Cerâmico
Fonte: KHOSHNEVIS (2004)
De acordo com Khoshnevis (2004) as tubulações hidráulicas, tanto de água fria como água quente, são previamente fracionadas e cada um desses trechos vai sendo
instalado e unido ao segmento anteriormente instalado, tais instalações são posicionadas na espera que foi deliberadamente executada pela impressora para este objetivo, Figura 18.
Figura 18 - Execução de sistemas hidráulicos
Fonte: KHOSHNEVIS (2004)
A instalação dos eletrodutos é executado da mesma maneira que dos sistemas hidráulicos. No entanto, este procedimento ao contrário dos anteriores, necessita de um serviço manual, para a instalação de elementos como fios e tomadas, através das aberturas das paredes (KHOSHNEVIS, 2004).
Para Lopes (2016), a superfície da parede apresenta uma qualidade que permite ser pintada sem qualquer tipo de serviço adicional. Desta forma o processo de pintura também pode decorrer de forma automatizada, sendo realizado por um aspersor de spray fixados aos braços da máquina.
O principal material a ser utilizado para impressão na construção civil devem ser argamassas e concretos. Nessa utilização as características do material utilizado são importantes, principalmente pois o mesmo deve ser formulado para a utilização específica de bombeamento e extrusão, o traço deve permitir a produção de um concreto com consistência adequada, de baixa fluidez, mas ainda ser capaz de fluir dentro de tubos quando bombeado, para melhorar o desempenho do material podem ser utilizados aditivos de rápido endurecimentos para diminuir o tempo de cura (GARDNER et al. 2013).
A equipe de Khoshnevis tem alcançado um traço adequado com base em ensaios de laboratório. Tal traço é apresentado no Quadro 2:
Quadro 2 - Traço utilizado pela CC
Fonte: KHOSHNEVIS (2004)
A mistura contém aditivo plastificante para aumentar a trabalhabilidade e utiliza apenas agregado miúdo para dessa forma passar pelo diâmetro do bocal. Segundo Wolfes (2015) o processo de cura ocorre de maneira rápida, possibilitando que em algumas horas o concreto tenha a resistência necessária para suportar as camadas que são depositadas acima. A relação água/cimento (A/C) da mistura é de 0,51, ensaios apresentam uma resistência média à compressão de 18,9 MPa. Existe também a possibilidade de usar concreto reforçado com fibras, mas o tipo e percentual são não foram informados.
Como exposto por LE et al (2012), ao alterar as proporções de agregado e cimento junto da dosagem de outros aditivos à mistura, foram encontradas uma ampla gama de resistências à compressão. Dentre todos os ensaios a maior resistência a compressão aos 28 dias foi de 107 Mpa, dessa forma é possível supor que o desempenho do concreto impresso é suficiente para ser utilizado em projetos de construção multipavimentos.
A tecnologia possui uma taxa de construção de 3min/m² para elevação das paredes, dessa forma pretende construir uma casa de 200 m² em apenas 20 horas, com uma mão de obra de apenas 4 pessoas (LOPEZ, 2016).
Para Porto (2016) a pesquisa feita na Universidade do Sul da Califórnia vem é dividida em três fases:
Fase I – Consiste no desenvolvimento da tecnologia básica Contour Crafting para imprimir estruturas de residência única de uma só vez. Um sistema de pórtico carrega o
sistema de bocal e outros braços robóticos movimentam-se em duas faixas paralelas no local de construção.
Fase II - Visa expandir o sistema para estruturas maiores como comunitárias e multipavimentos. O sistema de construção integrada também inclui métodos automáticos para revestimentos cerâmicos, sistemas hidráulicos, sistemas elétricos e pintura. Desta forma, edifícios residenciais, escolas, hospitais e prédios públicos podem ser produzidos. Fase III - Prevê adaptação da CC como a técnica de construção de várias construções simultâneas. serão incluídos sistemas e tecnologias de informação e análise para inspeção em tempo real e feedback para acompanhamento e gerenciamento de projetos dessa forma buscando uma construção eficaz.
Atualmente, a técnica se apresenta ainda em fase de testes, mas promete entrar no mercado nos próximos anos.
2.6.2 Winsun
A Winsun é uma empresa chinesa, com origem em Xangai, seu objetivo inicial era o desenvolvimento de novos materiais ecológicos e técnicas de construção. A empresa ganhou notoriedade com o desenvolvimento da sua impressora 3D e atualmente é uma das que mais realizou avanços concretos a nível da implementação da tecnologia de Impressão 3D na construção.
Diferente do CC que realiza a construção in loco, a empresa Chinesa criou um sistema de impressão formado por um braço robótico de 6,6m de altura, que se desloca por uma barra horizontal de 10m de largura, que por sua vez está instalada em dois trilhos através dos quais se pode deslocar ao longo de uma profundidade máxima de 40m (Figura 19). Dessa forma a empresa criou uma fábrica, equipada com uma espécie de linha de montagem de Impressão 3D que pode operar até um máximo de quatro impressoras em simultâneo, totalizando 150 metros de comprimento (LOPES, 2016).
Figura 19 - Impressora Winsun
Fonte: WINSUN (2019)
A impressão é feita de forma modular onde são criados elementos que depois são transportados para o local final da construção, no qual serão montadas com o auxílio de guindastes até constituírem o edifício final (WINSUN, 2019).
Figura 20 - Montagem dos elementos impressos
Fonte: WINSUN (2019)
De acordo com Lopes (2016) o material de impressão, também foi desenvolvido pela empresa e é constituído à base de: cimento, fibras de vidro, agentes endurecedores, resíduos reciclados provenientes de construções e demolições, e também resíduos de outras indústrias como de mineração. Junto disso é utilizado também um composto criado pela empresa, formado por uma mistura de sílica ou silicatos com uma fibra e um aditivo, que não foram especificados pela empresa este material foi batizado de Crazy Magic Stone.
Da mesma forma que na Contour Crafting as paredes são compostas de duas faces, uma interna e a outra externa podendo conter um padrão diagonal de reforço no interior que são depositados camada por camada através de um bico extrusor (Figura 21). Os vãos entre o padrão diagonal podem permitir a passagem de cabos e tubulações, mas que também, devido aos espaços de ar interiores, pode assumir as funções de isolante térmico (PORTO, 2016).
Figura 21 - Execução de elemento
Fonte: WU et al (2016)
O projeto pode ainda contemplar o reforço das peças por meio de armaduras de aço, sendo elas dispostas nos mesmos vãos ou em locais específicos para a disposição de armadura e posterior concretagem de elementos similares a pilares, Figura 22. Aberturas para portas e janelas também serão consideradas durante a fabricação (WU et al. 2016).
Figura 22 - Reforço com barras de aço
Fonte: WU et al (2016)
Devido à qualidade ainda pouco conseguida da superfície final das paredes, com pouca uniformidade entre as camadas existe a necessidade da realização de reboco posterior a execução da montagem para acabamento final, a empresa, em algumas situações, recorreu à colocação de painéis de revestimento (LOPES, 2016)
Revestimentos, lajes, coberturas, bem como elementos e instalações básicas de funcionamento de um edifício, terão de ser efetuados de forma complementar, pelos meios habituais. Dependendo da geometria e características dos componentes a serem impressos em alguns casos a impressão pode ocorrer com a peça deitada e após a cura do concreto ela é levantada para sua posição final (WINSUN, 2019).
Com esta técnica, a empresa construiu diversos edifícios, provando a aplicabilidade das impressoras na construção civil. Em 2014, dez casas de 200 m² foram montadas em um dia com partes impressas, cada casa custou 4.800 dólares. No ano seguinte, construiu uma mansão de 1100m² e um edifício de 5 andares que até o momento é o mais alto já executado por métodos de fabricação aditiva (CHARRON, 2015).
Figura 23 - Edificações impressas por 3DCP
Fonte: WINSUN (2019)
Com a aplicação destas técnicas, a empresa prevê que num futuro próximo, seja possível poupar, em relação a uma construção efetuada por métodos tradicionais, 60% em materiais, 70% em tempo de execução e 80% em mão de obra.
Com o lançamento dos empreendimentos pode ser observados os seguintes obstáculos que foram expostos por WU et al. (2016):
• Processo indireto: semelhante a projetos pré-moldados de concreto, componentes de construção foram impressos numa fábrica fechada, transportados para a construção, e instalados no local.
• Etapas construtivas: a impressão não abrange todas as etapas construtivas, sendo necessária a execução sistemas hidráulico e elétrico bem como acabamentos e instalação de esquadrias de maneira tradicional.
• Fragilidade: embora tenha sido adicionado fibra de vidro ao concreto para aumentar a resistência, o material de impressão provou-se frágil para a execução de componentes estruturais e componentes como lajes e escadas.
• Quando usado em componentes sujeitos a compressão, o material pode ser impresso como forma. Assim, uma grande vantagem da tecnologia é a eliminação da fase de desforma.
2.6.3 D-SHAPE
D-Shape é um projeto criado pelo engenheiro civil italiano Enrico Dini, com o objetivo de desenvolver uma impressora 3D, capaz de produzir elementos arquitetônicos através de métodos aditivos, preferencialmente com baixo custo de execução e aplicação de materiais ambientalmente sustentáveis (PORTO, 2016).
O processo de fabricação aditiva utilizado pela D-Shape assemelha-se ao Binder Jetting, dessa forma, cria a estrutura projetando aglutinante sobre material granular na seção transversal da edificação (D-SHAPE, 2019).
Os primeiros modelos da impressora eram feitos a partir de uma estrutura de suporte constituída por uma moldura horizontal quadrangular, de dimensões 7,5x7,5m, assentada em um quatro colunas com uma altura variável de 3 a 18m, sendo esta variação em segmentos modulares de 3m. Assim a área efetiva de impressão era uma janela de 6x6m. Posteriormente com o desenvolvimento da técnica foram criados três modelos para comercialização da impressora: DS 3x3 Academy, DS 6x3x2 e DS 12x12x10 esta última capaz de fazer impressão de edificações de 1 a 2 andares de uma só vez. Em todos os modelos os números representam a área máxima de impressão (LOPEZ, 2016) e (LOWKE el. al, 2018).
Figura 24 - Modelo de impressora D-Shape
Fonte: D-SHAPE (2019)
A estrutura horizontal desloca-se ao longo das colunas e nela estão dispostas duas barras sobrepostas, responsáveis pelo suporte da cabeça de impressão. É também ao longo destas que ela se desloca. Existem também placas externas com a função de manter o material não consolidado dentro da área de impressão, tais placas são chamadas de shell home built. Devido às suas dimensões ligeiras se comparadas com elementos como gruas, pode ser facilmente transportada e montada/desmontada por três homens em apenas algumas horas (LOPEZ, 2016) e (PORTO, 2016).
Figura 25 - Esquema de quadro D-Shape
Fonte: D-SHAPE (2019)
A cabeça de impressão possui entre 150 e 600 bicos injetores dependendo do modelo da impressora, espaçadas entre si 20mm. A espessura das camadas pode variar entre 5 e 60mm. A velocidade da cabeça de impressão é condicionada pelo material e
pela frequência de projeção do aglutinante. O consumo energético máximo é de 3,5 kW (LOWKE el. al, 2018).
A matéria-prima base mais utilizada é areia ou cascalho, estes sempre são reduzidos a pó antes de serem aplicados. Sobre este material granular adiciona-se um aglutinante na seção transversal do objeto. O primeiro modelo da impressora D-Shape usava resina epóxi como aglutinante, mas depois de experimentar problemas com o epóxi, o aglutinante foi alterado para um composto inorgânico líquido, de baixa viscosidade, desenvolvido à base de cloreto de magnésio (MgCl2) (LOPES, 2016).
Ainda para Lopes (2016) o cloreto de magnésio misturado com a areia faz com que a areia se torne um participante ativo ao invés de inerte durante a reação com o aglutinante, diferente do concreto onde a areia é inerte. Graças ao MgCl2 o produto final é um material com estrutura microcristalina. Pode-se ainda ser adicionadas de fibras de reforço como por exemplo fibras de vidro, carbono ou nylon para suprir a baixa resistência à tração do ligante ou melhorar o módulo de elasticidade.
Devido a fabricação por deposição de camadas o material resultante tem características anisotrópicas sendo que apresenta valores característicos maiores no sentido perpendicular a execução das camadas (LOWKE el. al, 2018). A Figura 26 apresenta uma amostra de material impresso onde podem ser identificadas as camadas de impressão
Figura 26 - Material impresso
O quadro a seguir apresenta valores divulgados pela empresa relativos a ensaios realizados no material.
Quadro 3 - Propriedades do material
Fonte: D-SHAPE (2019)
O modelo 3d digital que contempla todos os detalhes quanto a geometria e características da obra é exportado para a impressora onde se inicia o processo de impressão com uma primeira camada de agregados sendo espalhada pela área de impressão para formar uma camada de espessura uniforme. Logo após a cabeça de projeção de aglutinante é colocada em movimento e deposita seletivamente o agente de ligação apenas nas áreas construídas do edifício. Ao final da camada, todo o quadro é levantado de acordo com o layer de impressão. Essas operações são repetidas de maneira ordenada para todas as camadas até que o processo atinja o fim (D-SHAPE, 2019).
Devido ao espaçamento entre os bicos poderão surgir espaços por preencher. Por esse motivo, a cabeça de impressão gira e repete o procedimento na direção perpendicular. Este processo tem de ser repetido quatro vezes para garantir a correta impressão de cada camada (LOPES, 2016)
Durante a impressão, como no Binder Jetting, o material não consolidado permanece enclausurado dentro da área da impressora, dessa forma funciona como suporte e fôrma para o restante da estrutura. Graças a isso é possível parar o processo
de impressão e adicionar reforços horizontais, como barras de aço ou malhas de aço, para dar resistência as lajes e retomar a impressão (LOWKE el. al, 2018).
Quando os materiais entram em contato, inicia-se a reação química e por consequência o processo de endurecimento, que leva 24h para ser totalmente concluído. Durante esse período a estrutura recém impressa permanece escondida dentro do shell home built junto do material não consolidado. Graças a isso, a impressora pode ser movida ao lado da estrutura, de onde pode prosseguir imediatamente para a próxima sessão de impressão, dessa forma podendo imprimir elementos com dimensões maiores que a impressora (LOPEZ, 2016) e (LOWKE el. al, 2018).
Ainda de acordo com Lopes (2016) após o tempo de cura o material granular não ligado é removido com aspiradores, desvelando a estrutura. O material granulado removido é então utilizado para a próxima impressão. Assim que o nível do material granular começa a diminuir, os trabalhadores podem começar o processo de acabamento.
A impressão contempla a execução de paredes internas e externas, colunas, escadas, lajes, superfícies côncavas e convexas. A estrutura recém impressa apresenta os detalhes desenvolvidos em projeto, podendo assim ser previstos vãos de portas e janelas, também espaços para as instalações hidráulica e elétrica. Se o projetista forneceu cavidades e dimensões apropriadas nas paredes, essas operações serão muito rápidas. Também se tem a necessidade de que o reboco e o assentamento de revestimentos sejam feitos de formas manuais, uma vez que a impressora não realiza essas operações (D-SHAPE, 2019).
A estrutura impressa é autoportante, entretanto cabe ao projetista definir se necessário cavidades verticais onde podem ser dispostas barras de aço e executados pontos de grauteamento como ocorre em estruturas de alvenaria estrutural para fortalecer mais o edifício.
Enrico Dini estima que o processo seja 4 vezes mais rápido do que métodos tradicionais e que apesar de o ligante ser mais caro do que cimento Portland, a realização