Construção 4.0: A digitalização e a construção aditiva - Desenvolvimento de argamassas para impressão 3D

A impressão 3D apresenta um enorme potencial para a Construção, representando um salto tecnológico num setor em que a evolução tecnológica no último século foi praticamente inexistente, em particular quando comparado com outras indústrias.

Esta tecnologia começa a ganhar cada vez mais expressão a nível mundial, quer pelas vantagens que apresenta ao nível da performance, com uma significativa redução de tempo e de custos, quer pelo seu impacto positivo ao nível da sustentabilidade ambiental, uma preocupação cada vez mais real e presente na atividade da Construção.

O recurso à impressão 3D no setor já é uma realidade incontornável, pelo que importa conhecer as suas etapas, especificidades e aspetos técnicos, assim como as suas vantagens e as possibilidades de uso desta inovação tecnológica.

No processo de implementação de impressão 3D num projeto de construção, a escolha da argamassa para impressão 3D assume-se como uma etapa crítica. Essa escolha deve ser feita, em primeira análise, tendo em conta a finalidade do objeto e o objetivo da impressão. Isto porque os requisitos de impressão para um objeto de caráter estrutural e para um objeto de caráter decorativo são consideravelmente diferentes.

No caso de um elemento que fará parte de uma estrutura resistente, é necessário garantir que o resultado da impressão é um objeto monolítico, ou seja, que todas as camadas depositadas possuem uma ligação 100% eficaz entre elas, de modo a funcionarem como um todo. Uma vez que, por norma, elementos estruturais possuem uma dimensão considerável, a rapidez do início do endurecimento não é crítica.

Para objetos decorativos o caso não é, por norma, o mesmo. Tratando-se de objetos de dimensão mais reduzida, o tempo entre camadas sucessivas é, consequentemente, mais curto. Quando aliado a um design mais arrojado, o início do endurecimento pode assumir-se crítico, e estabelecer a diferença entre o sucesso e um colapso do objeto durante a impressão.

Perante essas diferenças, a solução poderia passar, por exemplo, pela escolha de uma argamassa para cada tipo de utilização de objeto a imprimir. No entanto, esta opção torna-se pouco conveniente e difícil de gerir, em termos operacionais, tendo em conta os stocks necessários, assim como os processos de mudança de argamassa entre ou durante sessões de impressão. Outra alternativa é a adição de aceleradores de endurecimento imediatamente antes da extrusão. No entanto, esta opção acarreta também alguns desafios de equipamento, que tem de trabalhar na perfeição, e de operação.

Para dar resposta às diferentes exigências ao nível da impressão 3D, a Saint-Gobain desenvolveu uma solução inovadora e sustentável: uma argamassa de endurecimento normal, mas que, devido à sua reologia otimizada, permite a impressão de camadas sucessivas sem colapso. Esta solução permite, assim, imprimir a maioria dos objetos com recurso a apenas uma argamassa, otimizando a supply chain e reduzindo o desperdício associado a cada mudança de argamassa.

A argamassa em questão está apta tanto para impressão de objetos pequenos, que demoram apenas 10 minutos a imprimir, como de estruturas de pontes e casas, que poderão necessitar de sessões de impressão contínuas, até cerca de 20 horas. Graças a esta inovação, o resultado são objetos que poderão variar entre 20 kg e 20 toneladas, impressos à mesma velocidade.

Paralelamente à argamassa, outro aspeto fundamental do processo são, naturalmente, os equipamentos que lhe dão forma e efetivam a criação das peças, ou seja, os sistemas de impressão e bombagem.

Os sistemas que tornam possível a impressão 3D em betão são compostos por, pelo menos, dois grupos macro: um sistema de mistura e bombagem, e um sistema de controlo de movimento. Estes sistemas são, na realidade, maioritariamente adaptados de outras indústrias ou utilizações.

Os sistemas de mistura e bombagem foram, na sua maioria, desenvolvidos a partir de sistemas de bombagem de outro tipo de argamassas, enquanto alguns equipamentos de controlo de movimento foram emprestados, com mais ou menos adaptações, da indústria automóvel, como é o caso dos braços robóticos.

Outros elementos, como por exemplo sistemas de monitorização de qualidade, foram recolher inspiração e componentes técnicos à indústria alimentar. Com o desenvolvimento das necessidades especiais da indústria de impressão 3D, outros equipamentos foram também desenvolvidos ou adaptados, como sistemas de controlo de movimento tipo Gantry ou cabeças de impressão para aplicações especiais, entre outros.

No que refere à implementação, há um aspeto fundamental a considerar: onde imprimir os elementos no âmbito do processo construtivo. A escolha do local de impressão dos elementos deverá ser sempre ponderada de modo a oferecer um balanço otimizado entre off-site e on-site. Esse equilíbrio deverá ter por base aspetos não só de natureza económica, mas também ambiental, pesando os prós e contras de cada opção para minimizar o impacto e otimizar os recursos.

Se, por um lado, a impressão on-site dispensa a necessidade de deslocações e permite a impressão de objetos maiores, a impressão off-site garante, à partida, uma maior qualidade do produto final, uma vez que a impressão decorre num ambiente controlado.

Assim, tendo por base estas considerações, rapidamente se percebe que, da mesma forma que não fará sentido deslocar um sistema de impressão para imprimir um objeto que pode ser facilmente transportado por um veículo ligeiro ou mesmo pesado sem necessidades especiais, também não fará sentido imprimir pontes ou casas a mil km de distância. É, por isso essencial, uma boa análise de todas as componentes do processo, para definir o melhor, e mais sustentável, curso de ação.

• Vantagens da impressão 3D para o setor da construção:

Uma das maiores vantagens da tecnologia de impressão 3D é o facto de possibilitar uma redução significativa de tempo, do desperdício e de recursos, desde o início do projeto até à realização dos elementos. Essa diminuição é assegurada pelo facto de, após a validação do modelo base, o design de elementos estruturais de casas, obras de arte ou elementos decorativos, por exemplo, estar à distância de apenas um clique.

No entanto, a impressão 3D transcende a operacionalidade, impactando também, de forma muito positiva, ao nível da sustentabilidade. Pelo facto de não serem necessárias cofragens, por exemplo, não só se assiste a uma redução da quantidade de madeira necessária para o processo, como também se assiste à diminuição de todo o impacto à volta do mesmo, como o abate de árvores, o processamento dos painéis, o transporte para o local da obra, o impacto do transporte de carpinteiros para o estaleiro, a recolha e o processamento de resíduos, etc.

No que refere à composição das argamassas, embora ainda apresentem habitualmente na sua constituição mais cimento do que um betão tradicional de performance semelhante, existe a possibilidade de colocar o betão apenas onde ele é realmente necessário, gerando melhorias de entre 40% e 50% no balanço final de CO₂ .

Se a estes fatores somarmos o facto de que 90% do desenvolvimento da impressão 3D se deu nos últimos 15 anos, o potencial de melhoria ao nível da sustentabilidade ambiental é enorme, podendo a neutralidade carbónica deste processo ser atingida a nível industrial num futuro muito próximo. Mais sustentável e mais eficiente, esta tecnologia apresenta-se, indubitavelmente, como uma solução de futuro para o setor.

A estas vantagens soma-se um outro fator de extrema importância: a durabilidade. Devemos recordar que, quando lidamos com formulações que têm por base o cimento Portland, a sua durabilidade foi já muito estudada e é muito conhecida.

Basta olhar para as estruturas de casas e pontes no nosso parque construído para comprovar a durabilidade destas estruturas. O que se torna necessário garantir é que, tal como nas estruturas de betão tradicionais, os materiais são devidamente aplicados e se comportam de acordo com o que foi projetado. Se esta é uma tecnologia com os olhos postos no futuro, já é também uma verdade bem presente, cujo sucesso está estudado e comprovado em estruturas que já fazem parte da vida de muitas pessoas.

A Saint-Gobain está envolvida no desenvolvimento desta tecnologia, no âmbito do seu compromisso com a sustentabilidade e a eficiência construtiva, desde o início do século XXI, tendo já realizado vários projetos icónicos que demonstram claramente o potencial da impressão 3D no setor da construção.

Disso é exemplo a primeira ponte ciclável do mundo construída através de impressão 3D, com uma extensão de oito metros, criada em Gemert, nos Países Baixos, em 2017. A este projeto seguiu-se a maior ponte ciclável do mundo, em Nijmegen, também nos Países Baixos, em 2021, com uma extensão de 29 metros. Paralelamente a estas estruturas, em 2020 foi construída a primeira casa do projeto Milestone, de um total de cinco habitações, em Eindhoven.

Neste caso, os elementos impressos são os únicos elementos estruturais da casa, não tendo sido colocados outros pilares ou vigas tradicionais, com a particularidade de, mesmo assim, a casa cumprir todos os requisitos legais para poder ser habitada e colocada no mercado de arrendamento local. Mais recentemente, em 2022, foi impressa a estrutura autoportante mais alta do mundo em impressão 3D, com 12,1 metros de altura, em Almere, reconhecida pelo Guinness Book of Records.

Graças à colaboração e à globalização do Grupo Saint-Gobain, a tecnologia que possibilitou a impressão destes projetos emblemáticos está disponível em todo o mundo, podendo o próximo projeto vir a ser implementado em Portugal.

A impressão 3D é não só uma tecnologia viável e eficiente, mas também um processo em ampla expansão num setor estruturante, com vantagens e benefícios que transcendem o local da obra e o processo construtivo.

Conhecer as suas especificidades e processos, para implementá-la de forma eficaz, pode ser a porta de entrada para uma nova realidade no setor da construção, mais inovadora, otimizada e consideravelmente mais responsável do ponto de vista social e ambiental.

Bruno Lobo, Gestor de Soluções e Construção Industrializada na Saint-Gobain Portugal S.A. in Construção Magazine.