Esta impressora 3D imprimiu um cimento resistente a terremotos. Confira

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Esta impressora 3D imprimiu um cimento resistente a terremotos. Confira
© Narongsak Nagadhana/Shutterstock

Escrito por Will Webster4d atrás
Nós conversamos com a equipe de pesquisa da Universidade de Purdue, nos EUA, que combinou uma inspiração da Natureza e a impressão 3D para dar novos comportamentos ao cimento
Os terremotos são dos desastres naturais mais destrutivos que existem, mas o seu maior perigo não é o tremer em si, mas sim o colapso das estruturas que nós, seres humanos, construímos.
Há séculos que os humanos têm procurado construir edifícios, pontes e estradas mais fortes e rígidas na esperança que se tornem melhores naquilo para que foram construídas. Nesse aspecto, é possível dizer que obtivemos bastante sucesso. Porém, quando a terra começa a tremer, essa rigidez se torna um grande problema.
A incapacidade de resolver este problema não se deve à falta de tentativas. Engenheiros há muito tempo tentam desenvolver estruturas capazes de absorver a energia de um terremoto e permanecer em pé. Contudo, estas soluções requerem uma grande mudança na maneira como abordamos o design e a arquitetura. Mas, e se tivesse uma maneira de resolver a questão dos terremotos sem ter que mudar a abordagem e, ao mesmo tempo, dando um passo à frente em termos de inovação?



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Pesquisadores da Universidade de Purdue, no estado de Indiana, nos Estados Unidos, desenvolveram uma série de estruturas impressas em 3D com pasta de cimento que não só consegue aguentar a tensão como fica mais forte no processo. Nós conversamos com a equipe para descobrir como funciona melhor esta descoberta:

Controlando a forma como o dano se espalha
Ninguém ainda consegue compreender como um edifício colapsa durante um terremoto, mas se sabe que começa num só ponto de fraqueza. A equipe de Purdue decidiu transformar esse ponto único em vários, criando também um caminho predefinido para a fenda seguir. No fundo, se controla a forma como o dano se espalha.

A arquitetura helicoidal pode solidificar vigas, colunas e pavimentos
© PURDUE CONCRETE 3D PRINTING TEAM
“Dependendo da arquitetura e geometria, a fenda vai encontrar um obstáculo e iniciar a nucleação e crescimento de outras fendas, espalhando a distribuição de dano e atrasando o desenvolvimento do dano localizado, o qual leva a uma falha catastrófica do material”, diz Pablo Zavattieri, membro da equipe de investigação.
Ao substituir a formação de uma só fenda com múltiplas fendas distribuídas em interfaces fracas, a equipe conseguiu melhorar a dureza da pasta de cimento sem sacrificar sua força. E conseguiram fazê-lo com diferentes designs impressos em 3D, conhecidos como arquiteturas.
Cada arquitetura foi criada com o grande objetivo de oferecer maior resistência às estruturas. Como nenhuma delas se comportam de forma igual, as arquiteturas foram desenvolvidas para casos diferentes. Por exemplo, a arquitetura helicoidal usa interfaces fracas para tornar o material mais resistente às fendas. Depois, existe uma arquitetura cuja estrutura funciona como uma mola ao mesmo tempo que mantém toda a sua força. Veja abaixo:

“Estas arquiteturas podem ser incorporadas em estruturas sob vibração e usá-la para gerar energia quando juntas com um aparelho piezoelétrico”, explica o investigador Reza Moini. “A arquitetura helicoidal, por sua vez, pode ser incorporada no design de elementos estruturais, como vigas e colunas de um edifício ou pavimentos de concreto, oferecendo maior dureza e longevidade.”

Encontrando inspiração em milhões de anos de evolução
A abordagem da equipe da Purdue é inovadora, sem dúvida, mas não inteiramente original (no mundo natural, pelo menos). As cascas dos artrópodes, como lagostas e escaravelhos, possuem uma arquitetura helicoidal para ganhar tolerância às rachaduras. É a partir destas maravilhas do mundo natural que a equipe de investigação da Purdue se inspira.
“A nossa equipe foi inspirada por uma variedade de arquiteturas encontradas em materiais naturais”, diz Zavattieri. “Mas, mais importante do que imitar o design geométrico da natureza, é sermos capazes de desencadear os mecanismos de mitigação de danos certos. Apesar de as nossas arquiteturas impressas não terem a mesma escala daquelas observadas na natureza, somos capazes de reproduzir os mesmos mecanismos.”
Conhecida como biomimética, este estudo das estruturas naturais é uma tendência cada vez maior na ciência e design. Afinal, temos muito o que aprender com milhões de anos de evolução. Neste projeto em particular, a importância de observação da natureza é clara como água. Será que o pessoal da Purdue tem outros planos dentro da biomimética?
“Existem muitos designs na natureza com os quais podemos aprender para o desenho e fabricação de materiais feitos pelo Homem”, afirma Moini. “Gostaríamos de explorar outras arquiteturas, como a estilo parede de tijolo que se encontra na madrepérola, microestruturas às barras encontradas em dentes, estruturas estilo espuma encontradas em ossos e estruturas leves como os bicos de tucano e pica-pau.”

Investigadores: Jan Olek, Jeffrey Youngblood, Reza Moini e Pablo Zavattieri
© PURDUE CONCRETE 3D PRINTING TEAM

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Ampliar esta tecnologia traz desafios
Apesar da natureza ser uma fonte infinita de inspiração, a equipe de Purdue está mais focada em desenvolver as suas estruturas impressas em 3D.
O projeto só foi possível graças aos desenvolvimentos na tecnologia de impressão 3D, que oferecem às estruturas características que não teriam sido possíveis através de métodos tradicionais de fundição. Ainda assim, há muito caminho a percorrer. A tecnologia de impressão 3D ainda está em sua infância, principalmente no que diz respeito à criação de materiais para construção e engenharia. E esse não é o único obstáculo no que toca a melhorar essa tecnologia.
“A seleção e desenvolvimento de uma impressora 3D de larga escala que consiga lidar com grandes movimentos e controlar a taxa de depósito do material é de importância crítica”, explica Moini. “Igualmente, compreender as propriedades do material em si e como controlá-lo durante o processo de impressão logo a seguir ao depósito é crucial pois precisamos que ele mantenha a sua forma. Isto se torna mais importante em grande escala, visto que elementos maiores e mais complexos requerem mais acumulação de resistência. Outros desafios estarão relacionados com a combinação de materiais para melhores propriedades mecânicas e a melhoria de funcionalidade destas estruturas."
O caminho até que se seja possível construir casas ao longo de uma falha com estas arquiteturas ainda é longo. Ainda assim, Moini Zavattieri, Jan Olek e Jeffrey Youngblood conseguiram dar comportamentos às estruturas à base de cimento que só se tinham visto no mundo natural. Quais são os próximos passos?
“Estamos olhando para outros tipos de técnicas de processamento de material e arquiteturas que possam melhorar a performance de materiais à base de cimento numa escala maior”, afirma Zavattieri. “A autorregeneração e adaptação térmica serão tópicos do futuro, bem como a investigação na área geral dos materiais multifuncionais.”
Cimento autorregenrativo parece ser algo que aconteceria se o Wolverine se dedicasse à construção. Se possível, será algo incrível de ver no mundo real.