O uso da impressão 3D para a construção civil consiste em um processo complexo com diversos parâmetros interdependentes que devem ser ajustados. A composição da massa cimentícia, o sistema eletromecânico de bombeamento, o sistema eletrônico de controle de velocidades e o sistema de posicionamento do bico extrusor estão todo conectados. Os objetivos desta pesquisa consistem principalmente no ajuste dos parâmetros do sistema para efetivamente produzir peças de argamassa impressas em 3D através de um protótipo já construído por trabalhos realizados entre 2017 e 2022, e em seguida, projetar uma impressora de grande porte capaz de imprimir uma habitação. Como resultado, espera-se também a produção de manuais e publicações com o objetivo de difundir a técnica para a sociedade com o objetivo de que empresas brasileiras sejam capazes de produzir habitações com um menor custo, maior velocidade, menos desperdício e acidentes de trabalho.

2 Objetivos

2.1. Objetivo Geral

Desenvolvimento da técnica de manufatura aditiva (impressão 3D) para a construção civil em seus diversos aspectos, como equipamento (hardware), material de impressão e software.

2.2. Objetivos Específicos

• Determinar composições de argamassa que sejam adequadas para o bombeamento através de bombas de cavidade progressiva.
• Determinar composições de argamassa que sejam adequadas para a extrusão.
• Determinar composições de argamassa que sejam adequadas para serem empilhadas no estado fresco.
• Determinar composições de argamassa e parâmetros de impressão para obtenção de camadas impressas com qualidade.
• Imprimir peças funcionais com argamassa através da técnica de impressão 3D.
• Publicar manual ou guia de impressão 3D com parâmetros e diretrizes a respeito da técnica.
• Projetar equipamento de grande porte para realizar a impressão 3D de casas.
• Aperfeiçoar do equipamento de impressão 3D para a construção civil de modo que seja leve, de baixo custo, montável/desmontável com praticidade e de fácil transporte.
• Construir um equipamento com eixos extensíveis para que possa ser utilizado tanto em testes de laboratório quanto em testes de campo.
• Desenvolver sistemas eletrônicos que adaptem os sistemas de controle de impressão 3D de motores de passo para motores CC e CA.
• Desenvolver método de fatiamento de peças tridimensionais e geração de GCODE para grandes objetos.
• Construir uma habitação popular com o conjunto de soluções a serem desenvolvidas.

1.1 Justificativa

As aplicações da manufatura aditiva já demonstradas em diversos trabalhos no mundo tem indicado a possibilidade de se construir casas e até pontes de maneira econômica e autônoma. Esse método de construção é capaz de revolucionar a construção civil reduzindo o preço, a mão de obra da construção, os acidentes de trabalho e elevar as possibilidades de design e aumentar a produtividade. A inserção da impressora 3D em etapas do processo construtivo de uma casa, acelerará o cronograma executivo da obra, possibilitando a produção em grande escala, maior controle do resido gerado, redução de colaboradores na construção e consequentemente diminuição do risco de acidente do trabalho. Outro fator é o déficit de moradias e o alto custo da construção, tendo como necessário a busca por novas tecnologias que atenda essa demanda. 

Conforme será apresentado na seção de anterioridade de patentes deste projeto, diversos equipamentos já foram implementados, contudo, não houve ainda uma preocupação com a construção de dispositivos com custo reduzido. Atualmente a busca tem sido feita pela implementação da técnica com sucesso sem priorizar o custo final do equipamento. Diversos casos de sucesso já foram encontrados, contudo, técnicas de alto custo ainda não são capazes de solucionar o problema da habitação para a população mais carente. O apelo social se faz presente nesta pesquisa para que uma técnica de baixo custo seja alcançada.

1.2 Problema

Os problemas envolvidos na pesquisa proposta são complexos, portanto, além de alunos de iniciação científica, são previstos alunos de mestrado, professores de diferentes áreas e possíveis parcerias com outras instituições (universidade e empresas). O projeto já foi contemplado por um edital de fomento à pesquisa, mas está previsto o envio do projeto para outros editais. Os problemas técnicos a serem enfrentados se concentram nos sistemas de controle eletroeletrônicos, estrutura física, materiais de impressão e software.

O controle da deposição do material em pequenas impressoras de plástico é feito através de motores de passo, capazes de injetar, reter ou retrair o filamento de impressão. No caso de uma impressora para construção, a injeção do material deve ser feita através de um bombeamento, o que torna o controle da saída de material um desafio. Dentre os possíveis problemas estão a precisão de início e término da deposição do material, o driver de controle da bomba, a possível obstrução da tubulação pelo enrijecimento do concreto, dentre outros.

Uma impressora 3D voltada para manipulação de concreto requer motores com grande torque e precisão ao mesmo tempo. As impressoras 3D utilizam normalmente pequenos motores de passo com baixo custo. Ao se elevar as especificações de torque, os motores necessários se tornam maiores e seu custo se eleva exponencialmente. Além disso, o controle de grandes motores de passo exige a construção de drivers de alta potência.

Ao se substituir esses motores de passo de alto custo, por outros tipos de motores com custo menor, como os de corrente contínua ou corrente alternada, são exigidos sistemas de controle mais complexos. O custo pode ser reduzido, porém a complexidade técnica aumenta consideravelmente com relação à eletrônica envolvida.

Outro ponto importante é a estrutura que deve suportar e movimentar os eixos, correias e uma tubulação preenchida com pesados materiais. O projeto de uma estrutura capaz de suportar todos os esforços envolvidos e ainda assim, se manter leve e de fácil montagem e desmontagem é um grande desafio.

O desenvolvimento de um traço de argamassa para ser utilizado na impressão que modo que atenda a resistência estrutural necessária para uma edificação e a solidificação correta de uma camada antes da deposição da seguinte representa outro ponto chave da pesquisa. O material a ser desenvolvido precisa manter um nível de humidade que permita uma boa aderência, além de se endurecer antes que uma segunda camada venha a se sobrepor.

Os softwares geradores de códigos de controle para impressoras 3D (gcode) atualmente possuem limitações com relação as dimensões das peças a serem fatiadas. Portanto, a produção de soluções para o fatiamento de peças com grandes tamanhos necessária para a impressão de residências.