Bio-inspiração aplicada a estruturas de betão: desafios e possibilidades associados às técnicas de impressão 3D

Abstract

A impressão 3D consiste no recurso a sistemas eletro-mecânicos para criação de objetos reais a partir de modelos computacionais concebidos em tecnologias CAD (Computer Aided Design) e CAM (Computer-aided manufacturing). Estas tecnologias são largamente utilizadas no âmbito da Prototipagem Rápida em Engenharia Mecânica, tendo surgido da necessidade de criação rápida de peças a custo reduzido. Adaptando-se a tecnologia para produção de peças em betão armado (ou betão simples), caem alguns dos paradigmas usualmente associados à conceção estrutural. De facto, a liberdade de formas que já se considera existir nas peças de betão, ganha todo um novo significado com a impressão 3D. Por outro lado, a possibilidade de distribuir o material estrutural de forma diferenciada ao longo da peça traz um conjunto de novos desafios de otimização. Verifica-se que ambas as alterações paradigmáticas mencionadas (liberdade de forma e liberdade de distribuição de material) permitem que a conceção estrutural possa cada vez mais seguir linhas de bio-inspiração, onde é frequentemente referida a capacidade das estruturas da natureza efetuarem otimização de formas e distribuição não uniforme das propriedades mecânicas (rigidez e resistência), melhorando o seu desempenho estrutural. De facto, seria aberta então uma nova frente de investimento científico baseada na interligação entre os conceitos de otimização estrutural e bio-inspiração, viabilizada pelas oportunidades criadas pela impressão 3D. No presente trabalho apresentam-se estudos de implementação de uma nova metodologia de produção de elementos em argamassa cimentícia com recurso a técnica de impressão 3D, sendo dada especial ênfase a aspetos relacionados com a técnica de deposição do material para permitir liberdade geométrica e possibilidade de combinação de vários tipos de materiais/misturas. Com base nas ideias que acabam de ser expostas, foi despoletada uma iniciativa conjunta entre os Departamentos de Engenharia Civil e Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, com o objetivo de avaliar a viabilidade de produção de estruturas de betão por métodos de impressão 3D através de um protótipo de impressora. Demonstra-se a viabilidade do protótipo, através da execução de experiências piloto que visam a criação de modelos em argamassa cimentícia, acompanhados da respetiva caracterização mecânica.

3D printing consists in using electro-mechanical systems to create real objects with basis on computer models designed through CAD (Computer-Aided Design) and CAM (Computer-Aided Manufacturing) technologies. These technologies are widely used for Fast Prototyping in Mechanical Engineering, and they were devised to respond to the need of low-cost solutions for fast creation parts. By adapting the technology to produce pieces in reinforced concrete (or plain concrete), some of the paradigms usually associated to structural design may disappear. In fact, the freedom of shapes that already exists in concrete members gains a whole new meaning with 3D printing. Concomitantly, the possibility to distribute material unevenly along a concrete member brings a new set of optimization challenges. We can see that the two paradigm changes mentioned (freedom of shape and possibility of uneven material distribution) allow the structural conception to increasingly follow bio-inspiration lines, as the capacities of nature’s structures to optimize shapes and induce non-uniform distribution of mechanical properties (stiffness and strength) are widely documented. In fact, a new scientific development field would be opened by interconnecting the concepts of structural optimization and bio-inspiration, made viable by the opportunities created by 3D printing. In this work, the implementation studies of a new methodology for the production of elements in cement mortar using the 3D printing technique are presented. Special emphasis is given to the material deposition to allow geometric freedom and the possibility of combination of various types of materials/mixtures. Based on the ideas exposed above, a joint initiative was started between the Departments of Civil and Mechanical Engineering of the University of Minho, with the purpose of evaluating the viability of production of concrete structures using 3D printing methods through a prototype printer. The viability of such prototype is shwon, through the execution of pilot specimens in cement mortar, accompanied by the respective mechanical characterization.