Lamas de pedra na arquitetura: circularidade e fabricação aditiva
Abstract
Neste trabalho pretende-se estudar a possibilidade de reaproveitamento de materiais provenientes da extração e corte da pedra natural, especificamente, das lamas de pedra. Estes materiais serão analisados, considerando a mistura em compósitos pela adição de ligantes, agregados e/ou aditivos, permitindo a formação de argamassas com propriedades adequadas a processos de manufatura aditiva por extrusão. De modo a ampliar a integração destes resíduos em processos construtivos inovadores, prevê-se a exploração metodologias de desenho computacional e a fabricação robótica, dando assim um novo uso a estes materiais que, atualmente, acabam maioritariamente em aterros. Consegue-se, assim, utilizar as mais valias, a um nível tecnológico, que hoje em dia temos a nosso favor, e aproveitar materiais com imenso potencial. Um primeiro passo e talvez o mais importante passa pela do material compósito, após isto, é possível realizar testes de compressão, tração ou flexão, porosidade, condutibilidade acústica e térmica, comportamento ao fogo, entre outros. Isto permitirá caracterizar esta argamassa, e auxiliar à definição de elementos arquitetónicos a prototipar por extrusão. Por exemplo, se o material apresentar um ótimo comportamento à compressão, partiremos do princípio que se comportará muito bem como uma coluna estrutural, por exemplo, e iremos portanto, passar para a criação de elementos desta natureza. Para a impressão do protótipo pretende-se ainda explorar metodologias computacionais que explorem modelos e funcionalidades capazes de serem produzidas por impressão 3D. Esta metodologia de funcionamento paramétrico facilita a definição de sistemas construtivos prefabricados e ao controlo da quantidade de material necessária à produção de um componente arquitetónico. Em suma, este trabalho divide-se numa introdução à problemática, seguida pela descrição do processo de formação da argamassa compósita, desenho computacional e finalmente terminará na criação de elementos arquitetónicos através da fabricação aditiva.
Full text
David Miguel Maia Alcobia Lamas de Pedra na Arquitetura: Circularidade eCircularidade e fabricação aditiva Janeiro de 2024
David Miguel Maia Alcobia Lamas de Pedra na Arquitetura: Circularidade eCircularidade e fabricação aditiva Janeiro de 2024 Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Arquitetura Construção e Tecnologia Trabalho efetuado sob a orientação de Professor Doutor Bruno Acácio Ferreira Figueiredo
Nome. David Miguel Maia Alcobia Endereço eletrónico. [email protected] Telefone. 967348863 Bilhete de indentidade / cartão de cidadão. 30342569 Título da Dissertação. Lamas de Pedra na Arquitetura: Circularidade e fabricação aditiva Equipa de orientação. Professor Doutor Bruno Acácio Ferreira Figueiredo Ano de conclusão. 2024 Mestrado em Arquitetura Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do Repositório UM da Universidade do Minho. Universidade do Minho, 31 de Janeiro de 2024 Assinatura. Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ ANEXO 3 Declaração de Utilização ii - iii
ANEXO 4 Declaração de Integridade Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Universidade do Minho, 31 de Janeiro de 2024 Assinatura.
iv - v Queria agradecer a todas as pessoas que, de forma direta ou não, contribuíram para a realização e apresentação desta dissertação. Ao professor Bruno Figueiredo reservo um especial agradecimento pelo apoio e tempo dedicados ao sucesso deste trabalho bem como os recursos e meios que me disponibilizou ao longo da realização desta dissertação. À professora Sandra Cunha e à Dra. Raquel Alves agradeço por fornecerem ferramentas e apoio no desenvolvimento da dissertação. Ao Fouad Hanifa, João Ribeiro, António Morais, e outros colegas do laboratório de robótica, agradeço também pela ajuda na compreensão de técnicas e programas e na adaptação ao ambiente de trabalho no Arena. No geral a todos os amigos e colegas que me apoiaram e acompanharam ao longo destes anos académicos. E claro, aos meus pais, irmãos e namorada, deixo também um agradecimento especial por me apoiarem e ajudarem nas variadas fases e desafios que o curso de MiArq impôs. Agradecimentos
Resumo iv - v Neste trabalho pretende-se estudar a possibilidade de reaproveitamento de materiais provenientes da extração e corte da pedra natural, especificamente, das lamas de pedra. Estes materiais serão analisados, considerando a mistura em compósitos pela adição de ligantes, agregados e/ou aditivos, permitindo a formação de argamassas com propriedades adequadas a processos de manufatura aditiva por extrusão. De modo a ampliar a integração destes resíduos em processos construtivos inovadores, prevê-se a exploração metodologias de desenho computacional e a fabricação robótica, dando assim um novo uso a estes materiais que, atualmente, acabam maioritariamente em aterros. Consegue-se, assim, utilizar as mais valias, a um nível tecnológico, que hoje em dia temos a nosso favor, e aproveitar materiais com imenso potencial. Um primeiro passo e talvez o mais importante passa pela do material compósito, após isto, é possível realizar testes de compressão, tração ou flexão, porosidade, condutibilidade acústica e térmica, comportamento ao fogo, entre outros. Isto permitirá caracterizar esta argamassa, e auxiliar à definição de elementos arquitetónicos a prototipar por extrusão. Por exemplo, se o material apresentar um ótimo comportamento à compressão, partiremos do princípio que se comportará muito bem como uma coluna estrutural, por exemplo, e iremos portanto, passar para a criação de elementos desta natureza. Para a impressão do protótipo pretende-se ainda explorar metodologias computacionais que explorem modelos e funcionalidades capazes de serem produzidas por impressão 3D. Esta metodologia de funcionamento paramétrico facilita a definição de sistemas construtivos prefabricados e ao controlo da quantidade de material necessária à produção de um componente arquitetónico. Em suma, este trabalho divide-se numa introdução à problemática, seguida pela descrição do processo de formação da argamassa compósita, desenho computacional e finalmente terminará na criação de elementos arquitetónicos através da fabricação aditiva. Palavras-chave: desperdício; pedra natural; fabricação robótica; circularidade; descarbonização
Figura 2.4.2. Esquema do processo de formação das lamas de pedra e da reutilização da água pela decantação em bacias ou tanques. Figura 2.4.3. Fotos de tanques de decantamento onde as lamas se armazenam no fundo. Fotos - Grupo Galrão Figura 2.4.4. Fotos de silos decantadores onde as lamas se armazenam. Foto à esquerda - Britaminho. Foto à direita - Grupo Galrão Figura 3.2.1. Ilustração do sistema estrutural do Guggenheiim de Bilbao usando o programa da CATIA, Fonte: El Croquis Frank Gehry 2006 nº 45-74-75 pag. 288 Figura 3.3.1. Imagem fotográfica, à esquerda, de uma demonstação em New Jersey pela General Motors em 1961 (GRANATYR 2017) do primeiro protótipo robótico industrial a ser produzido, o Unimate que se baseava em agarrar e mover objetos. Fonte: www.robotics.org/joseph-engelberger/about.cfm Figura 3.3.2. Figura, à direita, ilustrativa do robô Unimate. Fonte: https://www.yaskawa-global.com/product/robotics Figura 3.3.3. Foto do robô KUKA KR10 R1440-2 nas instalações do Arena, laboratório de robótica da Universidade do Minho em Azurém. Figura 3.3.4. Imagem fotográfica da House Zero , Icon. Fonte:https://www.iconbuild. com/projects/house-zero Figura 3.3.5. Imagem fotográfica da obra House Zero em fase de impressão, Icon. Fonte:https://www.iconbuild.com/projects/house-zero Figura 3.3.6. Imagem fotográfica de uma parede da House Zero a ser impressa, Icon. Fonte:https://www.iconbuild.com/projects/house-zero Figura 3.3.7. Ilustração representativa do sistema de impressão utilizado na House Zero . Figura 3.3.8. Imagem da instalação de um painel de fachada pré-fabricado no edifício habitacional “The First” produzido pela empresa Casais nas proximidades da Universidade do Minho em Azurém. Fonte: https://edificiossustentaveis.casais.pt/ Figura 3.3.9. Montagem de um edifício protótipo usando o sistema construtivo de Gabloks. Fonte: https://gablok.be/en/ Figura 3.4.1. Logotipo do KUKA|prc , o add-on de controlo robótico a estudar/explorar neste trabalho. Fonte: https://www.food4rhino.com/en Figura 3.4.2. Captura de ecrâ do ambiente de trabalho do programa Grasshopper onde se está a utilizar o add-on KUKA|prc Figura 3.4.3. Captura de ecrâ onde o comando KUKA|prc core está aberto no menu “ Settings ” Figura 3.4.4. Captura de ecrâ onde o comando KUKA|prc core está aberto no menu “ Advanced ” Figura 3.4.5. Captura de ecrâ onde o comando KUKA|prc core está aberto no menu “ Analysis ” Figura 3.4.6. Captura de ecrâ realçando a formação do ficheiro de formato “.src” no menu “ output ” Figura 3.4.7. Foto do comando de controlo manual do braço robótico KUKA Figura 3.5.1. Foto à esquerda: Ferramenta extrusora de fuso Figura 3.5.2. Imagem à direita: Modelo tridimensional da ferramenta extrusora, anexada ao modelo 3D do robô KUKA KR10 R1440-2 Figura 3.5.3. Modelo tridimensional em GH da ferramenta extrusora de fuso helicoidal Figura 3.5.4. Modelo 3D em GH da ferramenta extrusora com as suas componentes explodidas
xii - xiii Figura 3.5.5. Foto dos componentes separados da ferramenta Figura 3.5.6. Corte explicativo dos comoponentes que constituem o modelo 3D da ferramenta extrusora de fuso Figura 3.5.7. Foto da placa de arduíno uno para controlo do fuso helicoidal Figura 3.5.8. Captura de ecrã do programa Arduíno uno , e código desenvolvido para controlo do fuso para a impressão do caso prático. Figura 3.5.9. Exemplo de nozzle’s impressos em PLA com diâmetros de diversas medidas para implementação na ferramenta extrusora. Figura 3.5.10. Esquema representativo da impressão de uma layer de 22mm de largura por 7mm de altura usando o nozzle de 10mm de diâmetro. Figura 4.2.1. Mapa de Portugall e os seus distritos, com indicação da localização aproximada das pedreiras selecionadas, bem como a locaização da Universidade do Minho. Figura 4.2.2. Localizações exatas das pedreiras parceiras. 1. Britaminho, São Torcato, Guimarães (Granitos) 2. - Filstone, Fátima, (Calcários) 3. - Grupo Galrão, Pardais, Vila Viçosa (Mármores) Imagens: Google Earth 2023 Figura 4.2.3. Tabela de características fisico-mecânicas e de análises químicas de cada uma das rochas correspondentes às lamas recolhidas. Dados Recolhidos no Geoportal - LNEG - https://geoportal.lneg.pt/pt/ Figura 4.3.1. Moinho de Bolas usado na moagem da indústria mineira e cimentícia. Fonte: WILLS 2015 “ Will’s Mineral Processing Technology ” Figura 4.3.2. Foto de amostras secas de lamas de granito, calcário e mármore, respetivamente. Figura 4.3.3. Foto de uso do pilão e almofariz para proceder à moagem das amostras. Figura 4.3.4. Foto de peneiração das amostras moìdas. Figura 4.3.5. Fotos das lamas de pedra em fase de secagem num espaço interior e seco. Figura 4.3.6. Fotos do processo de peneiração das lamas de pedra. Figura 4.4.1. Foto dos primeiros testes da argamassa básica com recurso a uma simples bisnaga manual. Argamassa composta por pó de pedra, areia fina e água. Abaixo, os compósitos da figura, respetivamente: MAR-EXT0-01 MAR-EXT1-01* CAL-EXT0-02 CAL-EXT1-02* GRA-EXT0-03 GRA-EXT1-03* *Adição de Silicato de Sódio Figura 4.4.2. Imagem à esquerda: A planta Acácia Seyal (Vachellia Seyal). Fonte: https://www.conexaojornalismo.com.br/2023/07/acacia-pompom-vachellia-seyal/ Figura 4.4.3. Imagem à direita: A Goma Arábica secando e pronta para ser extraida de uma Acácia Senegal. Fonte: Reuters, Mohamed Nureldin Abdalla, 2012 Figura 4.4.4. Foto da Goma Arábica em cristais à esquerda e triturada em pó à direita. Figura 4.4.5. Imagem à esquerda, planta de onde as fibras de sisal são extraídas. Fonte: https://www.picturethisai.com/pt/wiki/Agave_sisalana.html Figura 4.4.6. Foto à direita, fibras de sisal (previamente cortadas a 1cm de comprimento) Figura 4.4.7. Foto do ativador Silicato de Sáodio Na2SiO3 utilizado. Figura 4.4.8. Esquema explicativo do ciclo de transições do PCM para uma temperatura de 22 graus celsius
Figura 4.4.9. Foto à esquerda, PCM puro no estado líquido (tem uma aparência transparente, semelhante a água no estado líquido). Figura 4.4.10. Foto à direita, PCM puro no estado sólido (tem uma aparência cristalizada). Figura 4.5.1. Tabela das quantidades de cada componente utilizadas em cada testagem. Unidades medidas na quantidade de material necessária em quilogramas por um metro cúbico de argamassa. Figura 4.5.2. Foto dos provetos 2x2x16 relativos ao teste da introdução da goma arábica (ligante) e das fibras de sisal na argamassa (LF). Figura 4.5.3. Foto dos provetos relativos aos testes MMF, da incorporação de PCM na argamassa. Figura 4.5.4. Fotos do primeiro teste de impressão utilizando a argamassa GRA- -PRT0-5.3. Figura 4.5.5. Foto à direita do teste de espalhamento do cone metálico cheio com a argamassa. Figura 4.5.6. Foto central do teste de espalhamento da argamassa imediamente após se retirar o cone metálico. Figura 4.5.7. Foto à esquerda do teste de espalhamento da argamassa após os batimentos da base. Figura 4.5.8. Tabela com os resultados do diâmetro medido no teste do espalhamento. Figura 4.5.9. Fotos dos moldes construídos para a formação dos provetos 4x4x16 cm. Figura 4.5.10. Foto dos provetos 4x4x16 cm. Figura 4.5.11. Foto à esquerda, início do teste à flexão de um proveto. Figura 4.5.12. Foto à direita, fim do teste à flexão de um proveto. Figura 4.5.13. Foto à esquerda, início do teste à compressão de um proveto. Figura 4.5.14. Foto à direita, fim do teste à compressão de um proveto. Figura 4.5.15. Gráfico representativo de um teste à flexão a um proveto de calcário. Figura 5.2.1. A Concrete Choreaography é o título dado às colunas imprimidas pelos alunos de mestrado da ETH Zurich e respetivas equipas de orientação. Fabricadas no contexto do Festival Origen em Riom, Suiça, 2019. Fonte: Fotografia de Alex Crettenand Figura 5.2.2. Fotografia aproximada da impressão de uma das colunas do projeto. Fonte: Fotografia de Keerthana Udaykumar Figura 5.2.3. Imagem de cinco colunas exemplares produzidas e exibidas por alunos e docentes da ETH Zurich. Fonte: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S0926580520310475#f0065 Figura 5.2.4. À esquerda, secção trabalhada a meio da coluna para definição do modelo tridimensional da 3DSPE Column. Figura 5.2.5. À direita, secção trabalhada no início e fim da coluna para definição do modelo tridimensional da 3DSPE Column. Figura 5.2.6. À esquerda, esquisso do modelo pensado inicialmente em vista frontal. Figura 5.2.7. À direita, render das secções sucessivas de metade da coluna.
xiv - xv Figura 5.2.8. Countour de um segmento da coluna total. Figura 5.2.9. Divisão do countour em pontos para com coordenadas para introdução no core totalizando 10140 pontos apenas neste segmento da coluna. Figura 5.3.1. Secções estruturais da coluna 3DSTE. Figura 5.3.2. Primeira secção da coluna 3DSTE cortada e perfurada. Figura 5.3.3. Montagem da estrutura da coluna 3DSTE. Figura 5.3.4. Contour da coluna 3DSTE criado em GH. Figura 5.3.5. Fotografia da impressão da coluna 3DSTE em argamassa à base de pó de mármore. Figura 5.3.6. À esquerda, fotografia da interrupção da imrpessão da coluna, devido ao colapso do objeto impresso. Figura 5.3.7. À direita, fotografia da totalidade do teste fahado da coluna 3DSTE. Figura 5.3.8. Secções central, á esquerda e da base e topo (simétricas) à direita. Figura 5.3.9. À esquerda, fotografia da montagem de 7 segmentos, ordenados, com os cabos de aço a passar nos orifícios das peças. Figura 5.3.10. À direita, fotografia da montagem de 16 segmentos, ordenados, com os cabos de aço a passar nos orifícios das peças. Figura 5.3.11. Esquema explodido do sistema utilizado para a tensão dos cabos de aço que estabilizam a coluna. Escala 1:5 Figura 5.3.12. Esquema do sistema utilizado para a tensão dos cabos de aço que estabilizam a coluna. Escala 1:5 Figura 5.3.13. Sequência de fotografias da 3DSPE Column. Figura 7.1. Captura de ecrã do código de GH e visualização do robô, ferramenta extrusora e geometria a imprimir. Figura 7.2. Código de Grasshopper completo das secções a extrudir
Lista de siglas xvi - xvii EAAD. Escola de Arquitetura, Arte e Design da Universidade do Minho AM. Aditive Manufacturing (Fabrico Aditivo) BIM. Building Information Modeling (modelação da informação da construção) CAD. Computer Aided Design (desenho assistido por computador) CAM. Coumputer Aided Manufacturing (fabrico assistido por computador) KRL. KUKA Robot Language (Linguagem de Programação KUKA) GH. Grasshopper Kuka|prc. Kuka Parametric Robot Control (Controlo Robótico Paramétrico Kuka) PCM. Phase Changing Material (Material de Mudança de Fase) ONU. Organização das Nações Unidas ODS. Objetivos para um Desenvolvimento Sustentável UNPD. United Nations Development Programme (Programa de Desenvolvimento das Nações Unidas) 3DSPE. 3D Stone Powder Extrusion (Extrusão de pó de pedra 3D) 3DSTE. 3D Structural Test Extrusion (Extrusão de teste estrutural 3D)
000 . 001 1. Introdução
1. Introdução 1.1. Enquadramento e problemática 002 . 003 Neste trabalho, pretende-se estudar a articulação de duas áreas distintas mas complementares, a área da fabricação robótica ligada à impressão 3D e ao desenho paramétrico com ferramentas computacionais, e a área do setor extrativo geológico e as problemáticas que este, atualmente, acarreta. A indústria da extração de pedra natural, é um setor que tem crescido globalmente nas últimas décadas. Este crescimento na produção é maioritariamente relativo a três fatores, o aumento populacional global, o desenvolvimento económico e a urbanização global (jxscmine, 2023). As preocupações ambientais são um tema atual e que não pode passar despercebido a nenhuma indústria, especialmente neste setor, que está diretamente relacionado com o setor construção que é atualmente um dos com maior emissão de carbono. Segundo as 169 metas para o desenvolvimento sustentável, apresentadas pela ONU (Organização das Nações Unidas), este setor apresenta-se com um grande desafio pela frente (ODS - Objetivos para um Desenvolvimento Sustentável). Mas, assim como na generalidade das atividades industriais, a criação de desperdício é inevitável (Sivrikaya 2013). Logo, “A prevenção da produção de resíduos e o fomentar da sua reutilização e reciclagem com vista a prolongar o seu ciclo de vida e desenvolver estratégias de economia circular deve ser cada vez mais uma prioridade do setor (…)” (ANIET 2020). Apenas é possível minimizar este desperdício, apostando em projetos de reciclagem e reaproveitamento deste material, tentando assim diminuir também a extração deste, pois diminuindo a pedra desperdiçada, diminui-se também a necessidade de extrair uma grande quantidade de pedra. Com o uso de ferramentas de desenho paramétrico, existe a possibilidade de auxiliar o aproveitamento do desperdício proveniente da extração geológica. Logo, existindo atualmente, vários materiais de vários setores a ser desperdiçados, existem também cada vez formas mais tecnológicas e atuais de os reciclar/reutilizar.Na crescente digitalização das sociedades contemporâneas, é oportuno pensar e propôr modos ou formas de construir e que considerem o reuso destes materiais desperdiçados.
Figura 1.4.2. Esquema explicativo da metodologia e forma como os capítulos se correlacionam. Na figura 1.4.2. , é explicada a forma como os capítulos 4 e 5 servem de seguimento ao trabalho explorado, de forma mais teórica, nos capítulos 2 e 3, respetivamente. Enquanto no capítulo 2 é feita uma introdução ao tema das lamas de pedra, mais concretamente à circularidade e abordagem ao setor geológico/extrativo no geral, no capítulo 4, é realizada a parte prática da dissertação correlacionada com esta temática, a recolha das lamas e a formação da argamassa usando esta matéria. De igual forma, no capítulo 3 é realizada uma abordagem à manufatura aditiva e processos de extrusão, de forma mais introdutória e teórica, e no capítulo 5, esta temática é abordada praticamente, no desenvolver da extrusão 3DSPE Column.
2. A circularidade das lamas de pedra 010 . 011
2. A circularidade das lamas de pedra 2.1. Enquadramento A problemática deste setor está diretamente relacionada com a sustentabilidade deste material. Este fator é muitas vezes posto em causa quando se aborda a questão de esta ser ou não um recurso finito, como a água potável. Segundo um estudo da Stone Federation Great Britain ( Natural Stone, the oldest sustainable material, 2011), sim, a pedra natural é um recurso “finito” pois leva milhões de anos à formação deste material naturalmente, mas não é nem de perto tão escasso como a água potável, (…) at the current rate of extraction we have enough dimensional stone to last for about 850 million years . Este estudo aponta que a maior percentagem de carbono incorporado da pedra natural, é direcionada ao seu transporte. Os fatores que causam o transporte deste material ser dispendioso e nada sustentável são vários, sendo um material de elevada densidade (logo, pesado), o seu transporte encarece relativamente a outros materiais de construção. O facto da mão de obra em países sobre-populados (como a China por exemplo) ser muito barata, faz com que na maioria das vezes, o preço de transporte, por exemplo, da europa para a China seja na verdade mais barato que a sua manufatura na europa. Isto resulta muitas vezes em viagens de mais de 5 mil quilómetros apenas para a pedra ser cortada/transformada (muitas vezes para ser revendida novamente à europa e fazer esta vigem de novo). Tudo isto por causas lucrativas para as empresas envolvidas. Nos últimos anos os preços de transporte têm aumentado devido ao impacto da pandemia de Covid-19 e tem feito com que as empresas fossem obrigadas a procurar alternativas à mão de obra chinesa, logo o preço da pedra natural ao consumidor final sobe também. The stone industry usually cannot keep up. The most common stones imported from China to Europe are not the most expensive varieties. Adding a few thousand dollars to the container, or the cost of the raw block, makes such imports unprofitable (KAMIENIARZ, 2021). No sane person would import stone from China these days (…) If the situation continues, it is possible that we will have to look for substitutes for Chinese stones (Wojciech Rogala of Rogala Company). O problema mantém-se, pois, a alternativa à pedra manufaturada na China será a escolha por países onde a mão de obra é igualmente valorizada como a India por exemplo, o que infelizmente 012 . 013
significa que o carbono incorporado da pedra natural continuará a ser elevado devido aos transportes longínquos para a sua manufatura continuar a ser realizada nestes países. É impressionante pensar que tantas empresas fazem estas escolhas apenas considerando questões lucrativas, ignorando o imenso impacto ambiental que está adjacente a estes transportes. Figura 2.1.1. Figura ilustrativa de exportação de blocos de pedra via transporte marítimo. Fonte: https://www.sedet.ce.gov.br/2020/01/20/ primeiro-carregamento-de-rochas-ornamentais- -em-2020-e-realizado-no-porto-do-pecem/
2. A circularidade das lamas de pedra 2.2. O setor extrativo e o desperdício de pedra natural Nas centrais de extração (pedreiras) a pedra natural pode ser subtraída do solo maioritariamente de duas formas, ou pelo recurso a explosivos (que se executa normalmente em britadeiras pois a pedra é fragmentada e irregular Figura 2.2.1.) ou cortada com cabos diamantados extraindo blocos de pedra que se tornam convenientes para serem transformados em fábrica, por serem o mais paralelepipédicos possível, minimizando assim o desperdício (Figura 2.2.2.). Para a obtenção de rochas ornamentais, o processo divide-se em duas fases, a extração nas pedreiras, e a transformação em fábricas. Na extração, primeiramente é necessária uma avaliação geológica do sitio com recurso a várias ferramentas que são imprescindíveis, pois decidirão vários fatores como a homogeneidade do produto final, ajudam a localizar fraturas geológicas, entre outros (ANIET 2020). Em seguida seguem os normais procedimentos de extração geológica em blocos (Figura 2.2.3.). Passando para a transformação da pedra em fábrica, ela pode sofrer diversos tipos de processamento, tais como corte, polimento, tratratamento químico, colagem, fresagem, entre outros. Em ambas as fases de trabalho deste material, existe produção de resíduo, seja sob a forma sólida ou líquida. Na forma sólida, o seu reaproveitamento é mais fácil, pois no caso das peças serem demasiado irregulares, existe sempre a opção da britagem como destino final. Figura 2.2.1. Foto à esquerda de uma extração pedreira numa britadeira de granito com recurso a explosivos em Guimarães (Britaminho) Figura 2.2.2. Foto à direita de uma extração pedreira de rochas ornamentais de granito em Guimarães (Britaminho) 014 . 015
A pedra ornamental é valorizada segundo alguns fatores como as suas caracteristicas estéticas, área da superfície do produto acabado, e outras (SIRIN 2021). Logo a estratégia das centrais de extração de pedra natural, é proceder a uma técnica de extração que consista em cortar blocos paralelepipédicos de grandes dimensões, avançando horizontalmente pela colina ou escavando, utilizando bancadas. A obtenção de blocos para processamento em fábrica, no caso das pedras ornamentais, é feita perfurando e usando cabos diamantados para corte. Seguindo a sequência de esquemas abaixo, este processo é iniciado por 3 perfurações iniciais perpendiculares entre si que definirão as dimensões do bloco a extrair na bancada. Estas 3 perfurações correspondem às arestas do bloco (semelhante a ter 3 eixos x,y e z) (Passo 2. Fig. 2.2.4). Em seguida, utiliza-se uma serra com cabo diamantado para o recorte das faces deste bloco (Passo 3). Para facilitar o transporte, este bloco é subdividido em outros de menores dimensões, usando de novo a perfuração e corte (Passo 4). Por fim é feita uma “cama”, isto são pequenas rochas amontoadas que amortecerão a queda do bloco, e este é “empurrado” enchendo umas “almofadas metálicas” com ar (airbags), utilizando um compressor, tirando partido desta pressão, o bloco tomba e cai sobre a cama (Passo 5). Este é um processo standartizado, sendo que podem existir variações em várias pedreiras. Bancadas Linha do talude "original" Figura 2.2.3. Secção esquemática de uma pedreira tipo para melhor perceção da extração geológica pelo o uso de bancadas.
016 . 017 Bancadas Perfurações Corte do bloco Bloco a extrair Perfuração para extração de bloco menor Cama Uso de almofadas para tombar o bloco 1. 2. 3. 4. 5. 6. Figura 2.2.4. Esquema ilustrativo do processo standartizado da extração de blocos de pedra natural
O desperdício no setor Num artigo de uma investigação da Universidade de Tecnologia de Isfahan no Irão (Jalalian 2021), cerca de 51% de todo o material extraído das pedreiras transforma-se em desperdício e por volta de 41% da pedra em blocos que chega às fábricas de transformação de pedra tem o mesmo fim, em vários processos como cortes, polimentos, e outras operações de subtração. Logo, a aposta no aproveitamento do desperdício no setor extrativo é uma tarefa exigente, e que representa importância significativa no contexto atual em que vivemos. De especial importância no que nos diz respeito à Arquitetura, pois para nós, projetistas existe a responsabilidade e autoridade para fazer as decisões decisivas como escolhas materiais, e, temos portanto, a escolha nas nossas mãos para atingir as metas globais que a todos trazem preocupações. Figura 2.2.7. Estes objetivos e metas, todos fazem parte de um objetivo claro e um apelo global para um desenvolvimento sustentável “(...) the Global Goals, were adopted by the United Nations in 2015 as a universal call to action to end poverty, protect the planet, and ensure that by 2030 all people enjoy peace and prosperity .” (UNPD 2015) (United Nations Development Programme). Figura 2.2.7. 17 metas para um desenvolvimento sustentável apresentadas pela ONU 2023 Fonte: https://www. undp.org/sustainable=-development-goals?gclidCjwKCAjwp6CkBhB_EiwAlQVyxbHqwClSdgYfBXMjcfV6epYXL0baQlR9PEAm4QPp9DQRB4DE5-eM1RoC8LoQAvD_BwE Figura 2.2.5. Foto à esquerda de almofadas vazias - Imagem Britaminho Figura 2.2.6. Foto á direita de almofada de ar (Airbag) inserida em fisura entre um bloco e a bancada, pronta a ser cheia com ar - Imagem Britaminho
2. A circularidade das lamas de pedra 2.3. A problemática do setor em Portugal As pedras naturais têm diferentes características e detalhes que as colocam, geralmente, em três grandes grupos, as rochas metamórficas, magmáticas/igneas ou sedimentares. No território português existe a exploração de rochas pertencentes a estes três grupos. Como se pode identificar na figura 2.3.1., na região norte de Portugal, existe a predominância do granito, uma rocha magmática intrusiva (formada por magma arrefecido no interior da superfície terrestre), na zona centro litoral e sul encontram-se as zonas calcárias de Portugal, uma rocha sedimentar, e na zona do interior central/alentejano situam-se as rochas metamórficas como mármore, xisto ou ardósia (Geoportal). Estas são as rochas naturais mais presentes, e por isso, mais exploradas em Portugal. V. Castelo Braga Porto Vila Real Bragança Guarda Viseu Aveiro Coimbra C. Branco Leiria Santarém Portalegre Évora Beja Faro Lisboa Setúbal Granitos Mármores e Xistos Calcários e Arenitos Gneises e Micaxistos Argilas e Arenitos Pedreiras de rocha ornamental Figura 2.3.1. Mapa Síntese da Geologia e Localização de pedreiras ornamentais de Portugal dados: Geoportal - https://geoportal.lneg.pt/pt/ 018. 019
Na figura 2.4.3. pode-se observar as bacias de decantação em Estremoz, numa pedreira do Grupo Galrão, onde aqui o sistema de decantação das águas executado é rudimentar e antiquado, na figura seguinte porém, já são utilizados os silos decantadores que não só aceleram o processo pela sua forma cónica na base, como evitam as perdas de água, pela evaporação por exemplo, e melhoram por isso a reutilização deste recurso. A fotografia à esquerda é referente à pedreira Britaminho em Guimarães e a da direita a um outro centro de extração do Grupo Galrão em Vila Viçosa.O sistema usado na figura 2.4.4. é portanto mais eficiente, ambientalmente mais sustentável e controlado que o sistema dos tanques ou bacias abertas. A aplicação e utilização das lamas de pedra Devido à importância da presença da água nos variados processos de transformação/extração, a criação de lamas é inevitável e a sua significante redução não é possível. Logo, é necessário pensar de facto em como se pode rentabilizar e aplicar algo maioritariamente pensado como desperdício. Este pensamento, atualmente, já é posto em prática em diversos materiais no contexto da construção. Existem, por isso, alguns exemplos que vale a pena comparar, explorar e apresentar. Tais como, os painéis OSB, que são produzidos a partir de sobras de madeira, ou o uso de cinzas volantes no betão, como substituto de ligante e/ou agregados. No caso dos painéis OSB, a pressão ambiental constante no que diz respeito à desflorestação, emissões de CO2, reaproveitamento de materiais, entre outros, “obrigaram” o surgimento de novas soluções e materiais que utilizem madeira reciclada ou desperdiçada. Os painéis OSB são constituídos por pedaços de madeira de pequenas dimensões, que quando são colados com resina e comprimidos utilizando uma prensa, tem como resultado um painel sólido com características mecânicas aceitáveis (SALARI 2013). No caso das cinzas volantes, o seu reaproveitamento e implementação controlados no betão provou não afetar significativamente o desempenho das resistências fisicas e mecânicas deste, e ao substituir agregados com indices de carbono incorporado elevados, como o cimento portland, a brita ou a areia, a utilização deste resíduo contribui na redução das emissões de carbono de um material tão importante e utilizado como o betão (TEIXEIRA 2016). É nesta linha de pensamento que as lamas de pedra se poderiam encaixar, sendo um material com imensas potencialidades, é oportuno investigar e estudar a sua implementação em novos materiais, substituição de componentes, ou até criação de argamassas baseadas neste resíduo. Existem já alguns estudos neste sentido, como por exemplo, um estudo promovido pela ANIET, do Centro Tecnológico da Cerâmica e do Vidro, que explorou a incorporação de lamas de pedra em materiais cerâmicos de construção, onde foram feitos testes e tentativas e, “conclui-se que as lamas do processamento da pedra apresentam potencialidade para
026. 027 ser incorporadas industrialmente no sector cerâmico, nomeadamente no sector da construção, no tijolo e abobadilha” (ANIET CCTV 2020). Dois outros estudos sobre as lamas de mármore chegaram também a conclusões animadoras, um deles (YESILAY 2017) chegou a um resultado onde foi possível incorporar 27% deste resíduo na produção de cerâmica em grés, o outro estudo (SEGADÃES 2005)) implementou 30% de lamas de mármore na produção de azulejos, obtendo até certos beneficios no final, como a redução da temperatura de cozedura. A sua incorporação no betão ainda é incerta, havendo estudos positivos, com a substituição do cimento por este resíduo a ser benéfica, “as lamas de mármore podem ser incorporadas até 20% do peso volúmico total em compostos de betão e betão convencional para melhoria das propriedades” (MASHALY 2016), e outros estudos onde na verdade os resultados foram desanimadores, onde se verificou que a introdução de lamas reduzia de facto as propriedades mecânicas e tinha efeitos negativos na generalidade da sua aplicação (MACHADO 2012). Em suma, este assunto já está a ser trabalhado em várias frentes, e o tema é de grande importância tendo em consideração a época instável em que se vive. Instável no sentido de existir uma constante, e até crescente pressão ambiental que nos obriga a todos a fazer esforços por um objetivo comum de “salvar o planeta”. E é com atos como o aproveitamento de resíduos e substituição de matérias com grandes percentagens de carbono incorporado que se começa a mitigar este problema que a todos causa preocupação atualmente.
3. O desenho computacional e a fabricação aditiva 028 . 029
3. O desenho computacional e a fabricação aditiva 3.1. Enquadramento 030 . 031 Neste capítulo a fabricação aditiva será o tema a introduzir e abordar, com especial foco em subtemas como a impressão 3D, funcionamento e manuseamento de braços robóticos, utilização de ferramentas de desenho digital e relação destes tópicos com o trabalho prático pretendido no geral. Numa primeira fase, o estado da arte aborda o uso de modelos de desenho computacional em Arquitetura. A sua origem, a sua importância na arquitetura, as possibilidades imensas que a sua emergência trouxe, tem trazido e trará, abordando temas mais atuais também como a implementação de IA (inteligência artificial) nestas ferramentas, e como é que isso pode ser útil e/ou viável. No seguinte subcapítulo, é estudada a forma com que as ferramentas de desenho computacional funcionam como intermediário entre o utilizador e a máquina, seja ela um braço robótico, uma impressora 3D, uma CNC (computer numerical control) , entre outros. Logo após, é introduzida a impressão 3D de forma geral e como é que as ferramentas anteriormente faladas são imprescindíveis na nesta prática. Aborda-se ainda as diferentes impressoras, materiais e formas de extrusão de materiais existentes, especificando a extrusão através do uso de braços robóticos. A partir daqui, é realizado um estado da arte e abordada a questão da fabricação robótica na construção, de que forma se está a utilizar e a aproveitar as mais valias desta ferramenta revolucionária na prática, isto é em obra? O que se faz hoje em dia utilizando esta tecnologia? Será a fabricação robótica a revolução na construção que eliminará a mão de obra como a conhecemos? Entre outras questões que esta tema propõe.
3. O desenho computacional e a fabricação aditiva 3.2. O desenho computacional na arquitetura A utilização dos computadores como ferramenta de trabalho na arquitetura foi algo apenas introduzido nas décadas finais do século passado, e foi mesmo na década de 1990 que se verificou de facto uma integração desta tecnologia emergente (na época) como uma ferramenta de desenho usada apenas para substituir elementos bidimensionais produzidos à mão até à data (KOLAREVIC 2003). O desenho computacional em ferramendas CAD (Computer Aided Design) permitiu aos arquitetos e projetistas uma liberdade, facilidade e precisão na produção de desenhos, muito difícil de executar à mão livre, revolucionando a prática arquitetónica (FAHKRY 2021), como até então era conhecida. A obra de Frank Gehry em Bilbao, tendo sido executada em ferramentas CAD, mostrou ao mundo as potencialidades e liberdades que estes programas permitem atingir (KOLAREVIC 2003). O Guggenheim de Bilbao, originou o chamado “Bilbao effect” que, embora esteja diretamente ligado com o impacto que a arquitetura de um edíficio só pode reproduzir no interesse e valor económico de uma cidade/comunidade, pode também ser interpretado como a revolução que desencadeou o uso de ferramentas de desenho virtual. Com uma arquitetura imensamente complexa, o sucesso da sua reprodução em tecnologia computacional, significou um melhor entendimento e facilidade de trabalho nesta estrutura. A sua complexidade era tal que seria “perdido” imenso tempo a tentar reproduzir/trabalhar este edifício em desenho à mão livre, seria um esforço impensável. Este projeto impulsionou ainda o que mais tarde foi chamado de BIM (Building Information Modeling), pois o programa já calcularia orçamentos, prazos de execução, etc... “The Guggenheim museum in Bilbao (...) could not exist today if we hadn’t met Dassault, because there was no way to explore these kinds of shapes and make them economically feasible.” Dassault Systems foi a empresa que apoiou Frank Gehry na conceção do projeto em CAD, pois Gehry “não percebia nada de computadores” (CADDIGEST 2004).Daqui em diante, a comunidade arquitetónica foi evoluindo no sentido de aproveitar e explorar cada vez mais as opções digitais que tornam possíveis imensos projetos e ideias que eram impensáveis há algumas décadas atrás. 032 . 033
Figura 3.2.1. Ilustração do sistema estrutural do Guggenheiim de Bilbao usando o programa da CATIA, Fonte: El Croquis Frank Gehry 2006 nº 45-74-75 pag. 288 Daqui em diante, a comunidade arquitetónica foi evoluindo no sentido de aproveitar e explorar cada vez mais as opções digitais que tornam possíveis imensos projetos e ideias que eram impensáveis de executar sem estas ferramentas tecnológicas emergentes. Atualmente, o desenho computacional faz parte de qualquer prática arquitetónica, e está presente na formação de um arquiteto como uma ferramente extremamente útil, que, dependendo do software usado, permite ao utilizador explorar e trabalhar todas as fases de um projeto digitalmente. Existe software para qualquer “necessidade de trabalho”, isto é, atualmente existem programas especificos que melhor respondem a cada necessidade do utilizador (FAHKRY 2021), para um Arquiteto existem escolhas como: O Revit, este é muito explorado para projetos de grande dimensão e complexidade, pois o trabalho entre o desenho bidimensional e tridimensional é muito facilitado e intuitivo. As famílias de objetos que o Revit permite usar, facilitam também muito a execução; O Sketchup por exemplo, é dos programas de modelação bi e tridimensional mais acessiveis e fáceis que existem ao dispor dos projetistas; O Autocad, este programa é talvez o mais conhecido e mais “tradicional” de usar, pois o desenho em 2D e a criação de layouts de trabalho são, ainda hoje, acessíveis e fáceis de aprender/usar, a desvantagem, é ainda a dificuldade de trabalho em 3D, face à concorrência; O Rhino, é um pouco o oposto do Autocad, no sentido em que o trabalho tridimensional é dos melhores atualmente, mas o desenho 2D carece um pouco de facilidade/qualidade de trabalho; E são apenas alguns exemplos mais utilizados, pois existem muitos outros que, hoje em dia, estão ao nosso dispor para auxiliar a produção arquitetónica. Estes programas permitem ainda a instalação de Plug-Ins e outros “subprogramas” onde é possível trabalhar em algo mais especifico ou explorar outras opções de trabalho. Como é o caso do Grasshopper, este programa surge anexado ao Rhino, e auxilia, principalmente, o controlo do utilizador sobre o projeto concebido, sendo muito útil por exemplo na conceção de estruturas paramétricas, ou de variações de uma certa estrutura. Pode-se identificar este programa como um “hibrido” entre as áreas de programação e geometria, sendo complexo e dificil de aprender/entender os comandos e listas, mas após o entendimento do seu funcionamento, o programa é muito útil e intuitivo de trabalhar.
034 . 035 Figura 3.3.1. Imagem fotográfica, à esquerda, de uma demonstação em New Jersey pela General Motors em 1961 (GRANATYR 2017) do primeiro protótipo robótico industrial a ser produzido, o Unimate que se baseava em agarrar e mover objetos. Fonte: www.robotics.org/joseph-engelberger/about.cfm Figura 3.3.2. Figura, á direita, ilustrativa do robô Unimate. Fonte: https://www.yaskawa-global. com/product/robotics 3. O desenho computacional e a fabricação aditiva 3.3. A fabricação robótica e manufatura aditiva O primeiro modelo robótico surgiu nos Estados Unidos em 1924, porém foi apenas mais tarde, nas décadas de 50 e 60 que o grande “boom” da robótica se deu com o desenrolar da revolução indústrial e principalmente com o surgimento da indústria automóvel. Com esta nova necessidade de automação de tarefas, surgem as primeiras patentes e companhias sobre robótica (FONFERKO 2018). Estes primeiros modelos robóticos eram apenas máquinas de transferir objetos, funcionando com braços hidráulicos e programados para seguir coordenadas. Algo relativamente simples, mas extremamente inovador e revolucionador na época. Estes modelos robóticos foram sofrendo evoluções constantes, sendo que no final da década de 70 e inícios de 80, já existiam várias empresas a apostar nesta tecnologia emergente, sendo estas maioritariamente japonesas. A utilização destes equipamentos mecânicos é útil para a realização de tarefas repetitivas ou desafiadoras para as capacidades do ser humano, pois o trabalho robótico apresenta características que, comparavelmente à mão de obra humana, são indiscutivelmente melhores. Os robots não necessitam de cumprir horários, receber salários, realizar greves, ter férias ou feriados, não têm alterações de humor ou desgastes físicos e/ou psicológicos, entre outras limitações humanas. Porém os robots falham em aspetos como a tomada de decisões inesperadas, ou a reação e ação intuitiva perante situações imprevistas, casos onde o ser humano consegue agir, resolver e, portanto superar a mão de obra robótica. O ser humano necessita portanto de trabalhar em conjunto com a máquina, sendo estes equipamentos apenas facilitadores e atalhos a trabalhos repetitivos e que excedam os limites das capacidades humanas.
Figura 3.4.5. Captura de ecrâ onde o comando KUKA|prc core está aberto no menu “ Analysis ” Na aba “ Advanced ” (Figura 3.4.4.) encontramos definições mais avançadas de controlo de certos aspetos, em “ simulation ” manipula-se parâmetros relacionados com a simulação que se pode observar no menu “ Analysis ” (Figura 3.4.5.), em “ acceleration ” consegue-se alterar os valores para o robô obter uma aceleração desejada em mudanças bruscas de velocidade, suavizando as velocidades. Em “ interpolation ” existe a opção de suavizar as curvas fazendo uma interpolação entre os pontos (procura de pontos médios), por fim, em “ start- /endposition ”, como o nome indica, inserem-se as coordenadas dos pontos incial e final do conjunto de movimentos. No menu “ Analysis ” (Figura 3.4.5.), observa-se um gráfico com vários aspetos a analisar em função do tempo de impressão, sendo que aqui é necessário ter em conta a existência de singularidades (pontos onde o robô dá erro, por várias razões possíveis, a torção em demasia de algum eixo, a sobreposição entre o robô e a peça, uma colisão, entre outros), a possibilidade de colisões, ou até pontos onde o robô não consegue chegar, fora do alcance deste. A análise deste menu é essencial antes de qualquer impressão, pois uma singularidade, ou colisão, ou outro tipo de erro, que não seja retificado, pode ser catastrófico tanto para a peça a trabalhar como para o próprio robô ou até para a base pré-definida anteriormente. Figura 3.4.4. Captura de ecrâ onde o comando KUKA|prc core está aberto no menu “ Advanced ” 040 . 041
042 . 043 Figura 3.4.6. Captura de ecrâ realçando a formação do ficheiro de formato “.src” no menu “ output ” Figura 3.4.7. Foto do comando de controlo manual do braço robótico KUKA Como referido anteriormente, o ficheiro de formato “. src ” é formado e criado no menu “ output ” em “ Settings ”, onde este se pode exportar para a localização que o utilizador definir (Figura 3.4.6.). Este ficheiro será transferido posteriormente para a base de dados do robô, onde, através do comando manual (Figura 3.4.7.), se acede a este ficheiro e se procede à execução do trabalho robótico. Este controlador acima, serve como meio de comunicação entre o robô e o utilizador nas diversas fases de execução, antes, durante e após o trabalho com o equipamento. É a partir dele que existe a possibilidade de mover os eixos do robô manualmente, ou selecionar e executar ficheiros previamente criados e exportados do KUKA|prc . É neste controlador que se encontra também algumas outras funcionalidades como o botão de paragem de emergência por exemplo. O controlo certo da velocidade de movimentos é muito importante, pois cada “tarefa” executada pelo equipamento pode necessitar de velocidades diferentes, em concordância com as especificidades e requisitos da ferramenta usada no terminal do robô.
044 . 045 3. O desenho computacional e a fabricação aditiva 3.5. O end effector Como referido anteriormente, o end effector trata-se do equipamento/ dispositivo instalado na extremidade de um braço robótico. É esta peça que dará ao robô a capacidade de executar determinada tarefa. Estes dispositivos podem ser divididos em três grupos (ROBODK, 2020), o dos “ grippers ”, que se traduz para “pinças” e se trata das ferramentas que têm como função apanhar e deslocar objetos, ou fazer montagens, assemblagens, entre outros. Este foi o tipo de ferramenta utilizado no “ Unimate ”, o primeiro braço robótico fabricado pela General Motors . No segundo grupo, “ process tools ” encontramos as ferramentas que são dispositivos independentes e que alteram o formato ou constituição do objeto a trabalhar. Tratam-se de ferramentas como soldadores, fresas, extrusores de impressão 3D, em suma, a generalidade de ferramentas elétricas que um operário pode usar, pode ser adaptada e conectada como end effector no braço robótico. Por fim, o grupo dos sensores, a instalação de sensores, scanners, câmaras, também é possível e útil em várias situações. Qualquer ferramenta utilizada, mesmo que produzida artesanalmente, pode ser modelada tridimensionalmente em GH e introduzida na base de dados do KUKA|prc . Extrusão de argamassa - Introdução ao extrusor de fuso Voltando a atenção para a impressão robótica, a estratégia a estudar para este tipo de ferramenta, consistiu no estudo de duas tipologias de dispositivo extrusor, o primeiro utilizando pressão para expelir o material pelo nozzle (extremidade do extrusor), seja pelo uso de um compressor de ar, que atua como uma seringa na medicina, ou pelo uso de um motor rotativo que, estando conectado a um varão roscado, “empurra” uma placa que expele o material, semelhante ao funcionamento de uma bisnaga de silicone comum. O segundo tipo de extrusor trata-se de um que contém um fuso helicoidal que gira com recurso a um motor, e, estando ligado a um arduino, existe a possibilidade de se controlar a velocidade e direção de rotação deste, controlando o fluxo de material (quantidade de material expelido em função de um determinado período de tempo). O primeiro tipo de extrusor teria uma quantia limitada de material a extrudir, pois funcionaria com um cartucho de material, que teria de ser trocado a cada 10 quilogramas (no caso do robô KUKA KR10 R1440-2
Figura 3.5.1. Foto à esquerda: Ferramenta extrusora de fuso Figura 3.5.2. Imagem à direita: Modelo tridimensional da ferramenta extrusora, anexada ao modelo 3D do robô KUKA KR10 R1440-2 esta seria a capacidade máxima de peso a utilizar). Em relação ao segundo extrusor, é necessária a adição constante de material, tornando-se um trabalho fisicamente desgastante e consumidor de tempo para garantir a alimentação constante e consistente de argamassa. No desenvolvimento desta dissertação, a utilização e exploração da segunda tipologia de extrusor, o de constante fornecimento de material, foi a opção tomada, maioritariamente devido à limitação de capacidade imposta pelo sistema de cartuchos. Seguindo esta linha de pensamento, o extrusor utilizado para o desenvolvimento do caso prático foi desenvolvido pelo, na altura, candidato de doutoramento, João Ribeiro. No projeto SIFA em Março de 2023, e em parceria entre investigadores do Lab2PT da Eaad, Universidade do Minho e da Mota Engil, este protótipo foi criado a par com um outro que funcionava com pressão de ar (com quantidade limitada de material também). O extrusor, apelidado de REX, foi portanto uma ferramenta desenvolvida num contexto académico de impressão 3D de Materiais Cerâmicos e Cimentícios no âmbito do projeto SIFA (RIBEIRO et al. 2022). Figura 3.5.3. Modelo tridimensional em GH da ferramenta extrusora de fuso helicoidal Figura 3.5.4. Modelo 3D em GH da ferramenta extrusora com as suas componentes explodidas
046 . 047 Figura 3.5.5. Foto dos componentes separados da ferramenta Figura 3.5.6. Corte explicativo dos comoponentes que constituem o modelo 3D da ferramenta extrusora de fuso Motor elétrico rotativo Placa de arduino uno Peça de fixação do fuso Funil para despejo do material Fuso helicoidal Tábua base de fixação Tubo de contenção do material Peças fixadoras do extrusor Nozzle Os componentes deste extrusor foram modelados e criados maioritariamente em pla, com recurso a uma impressora 3D. Isto permitiu ter um maior controlo em Grasshopper de todos os parâmetros, medidas e harmonia entre as peças para que o seu conjunto formasse um extrusor funcional.
Para uma impressão bem sucedida, tirando partido deste extrusor, existem alguns parâmetros que se definiram e que terão que estar em conformidade e harmonia, tais como: a) A velocidade de rotação do fuso; b) O diâmetro do nozzle ; c) A velocidade de movimento do braço robótico; d) As características próprias da argamassa, como a viscosidade, trabalhabilidade, granometria, concentração de fibras, entre outros. Na alínea a), este parâmetro é controlado a partir de uma placa arduino uno (Figura 3.5.7.). No computador portátil é possível controlar a velocidade e a direção de rotação deste, no programa Arduíno IDE (Versão 1.2.0 utilizada) que é baseado na linguagem de programação C++ (Figura 3.5.8.). Na seguinte variável, o nozzle é determinado dependendo da preferência da layer impressa, e das limitações da própria argamassa. O diâmetro deste, deve ser relacionado diretamente com a altura de layer definida ainda na fase do desenho digital. Figura 3.5.7. Foto da placa de arduíno uno para controlo do fuso helicoidal Figura 3.5.8. Captura de ecrã do programa Arduíno uno , e código desenvolvido para controlo do fuso para a impressão do caso prático.
048 . 049 O nozzle utilizado no caso prático tem 10mm de diâmetro correspondendo a 7mm de altura de layer (Figura 3.5.10.) definido previamente para a obtenção do resultado desejado. Na alínea c), como descrito anteriormente, a velocidade do braço robótico é algo que se controla utilizando o comando manual deste, e algo que se deve adequar às restantes alíneas. Em relação às propriedades próprias da argamassa, este tema será explorado no seguinte capítulo 4. Figura 3.5.9. Exemplo de nozzle’s impressos em PLA com diâmetros de diversas medidas para implementação na ferramenta extrusora. Figura 3.5.10. Esquema representativo da impressão de uma layer de 22mm de largura por 7mm de altura usando o nozzle de 10mm de diâmetro.
4. A formação de uma argamassa compósita 050 . 051
As lamas recolhidas são bastante distintas entre si, logo a priori pela sua cor, mas as diferenças existem em maior número ao nível das características químicas e fisico-mecânicas (2.4.3.). Na figura anterior, os dados relativos à densidade serão os usados nos cálculos de quantidades e formulações das argamassas, os dados da porosidade, densidade e resistências serão depois obtidos e comparados com os valores acima descritos. Figura 4.2.3. Tabela de características fisico- -mecânicas e de análises químicas de cada uma das rochas correspondentes às lamas recolhidas. Dados Recolhidos no Geoportal - LNEG - https:// geoportal.lneg.pt/pt/
058 . 059 4. A formação de uma argamassa compósito 4.3. A preparação do material para utilização Feita a recolha, as lamas de granito, calcário e mármore, têm de ser sujeitas a um processo de secagem, para eliminar a água presente e obter um material rijo e em pedaços de grande dimensão (entre 1 a 8 cm de diâmetro).Numa fase seguinte, procede-se ao esmagamento deste material e peneira-se o mesmo. Este trabalho feito de forma manual é muito consumidor de tempo e energia, porém existem processos automáticos de moagem que facilitam este processo (CERVEIRA 1948). Engenhos de moagem já são explorados para outras áreas até, como a moagem do café por exemplo, e estes aparelhos utilizam bolas ou cilindros, e o atrito entre estes acaba por moer o material que se pretende (ASHOK 2016)(Figura 4.3.1). Mas neste caso prático a moagem foi manual, pois trata-se de uma quantidade experimental e reduzida de material. Na figura acima, observa-se um moinho de bolas, usado na indústria mineira e cimentícia, existem já versões muito recentes e atualizadas, mas o seu funcionamento e técnica, antigamente eram efetuados pela ação do vento ou da água (moinhos ou noras). A homogeneização do material é conseguida através da rotação deste tambor que contém estas esferas que ao chocar e deslizar umas sobre as outras acabam por moer o material que se inserir (SOUZA 2019). Figura 4.3.1. Moinho de Bolas usado na moagem da indústria mineira e cimentícia. Fonte: WILLS 2015 “ Will’s Mineral Processing Technology ”
Figura 4.3.2. Foto de amostras secas de lamas de granito, calcário e mármore, respetivamente. Numa fase experimental, as amostras recolhidas em muito pouca quantidade foram secadas e moídas com recurso a um pilão e almofariz, sendo após peneiradas, e assim foram homogeneizadas as três qualidades de pedra como é possível observar nas figuras abaixo. Figura 4.3.3. Foto de uso do pilão e almofariz para proceder à moagem das amostras. Figura 4.3.4. Foto de peneiração das amostras moìdas.
060 . 061 Figura 4.3.5. Fotos das lamas de pedra em fase de secagem num espaço interior e seco. Estas amostras, desmonstradas na figura 4.3.2., apenas foram usadas para determinar a viabilidade do material para todos os processos posteriores, como a moagem, trabalhabilidade e até extrusibilidade. Todo o restante material foi submetido a um processo de secagem, onde este foi espalhado num local interior, seco e com muita incidência solar, para acelerar a evaporação da água presente (figura 4.3.5). Na moagem, desta vez, as técnicas usadas foram mais eficazes mas também rudimentares e simples, onde foi apenas usada uma ferramenta para partir e reduzir o material a particulas de menor dimensão, em pó, num processo também bastante consumidor de tempo. Para peneirar, foi usada uma peneira com rede de pequenas dimensões (figura 4.3.6.) para eliminar, não só algum material que ainda não tinha a correta dimensão, mas também impurezas, como pedras, pedaços de madeira, ou até folhas e outros pequenos “intrusos” que possam estar presentes no material. Figura 4.3.6. Fotos do processo de peneiração das lamas de pedra.
062 . 063 4. A formação de uma argamassa compósita 4.4. Ligantes, agregados e aditivos do compósito Figura 4.4.1. Foto dos primeiros testes da argamassa básica com recurso a uma simples bisnaga manual. Argamassa composta por pó de pedra, areia fina e água. Abaixo, os compósitos da figura, respetivamente: MAR-EXT0-01 MAR-EXT1-01* CAL-EXT0-02 CAL-EXT1-02* GRA-EXT0-03 GRA-EXT1-03* *Adição de Silicato de Sódio Após o pó de pedra ter sido processado e pronto a usar, começa o desafio da determinação e teste de diferentes componentes para formar a argamassa. São inúmeros os desafios e objetivos que esta argamassa terá de cumprir, como, ter propriedades “estruturais” aceitáveis, isto é, apresentar resultados razoáveis nos testes de compressão, tração e flexão, para ser possível construir objetos e peças que sejam minimamente estáveis estruturalmente. Ser um material “imprimivel”, a imprimibilidade do material é um detalhe importante quando se pretende trabalhar em impressão 3D, e esta argamassa terá de apresentar bons resultados no que diz respeito à trabalhabilidade da mistura. Isto é, terá de ter a fluidez, a viscosidade e a consistência corretas para poder ser imprimido com o braço robótico. Se possível, conseguir obter bons resultados em detalhes como o comportamento térmico e acústico, porosidade, absorção por capilaridade, reação a elevadas temperaturas, etc. Numa primeira abordagem, foram feitos testes de impressão básicos e manuais usando uma simples bisnaga para extrudir manualmente a argamassa básica apenas constituída por pó de pedra, areia fina e água (sem ligante). Este teste serviu de base para perceber a extrudabilidade e trabalhabilidade básica de cada um dos pós de pedra. Consegue-se também perceber as diferenças entre eles, por exemplo que o pó de mármore reage muito menos com a água quando comparado ao granito e ao calcário.
Este primeiro teste verifiou-se bastante animador, havendo resultados, ao nìvel da consistência das camadas impressas, aparentemente positivos, e até da própria espessura e trabalhabilidade da argamassa. 4.4.1. - A goma arábica Após esta primeira testagem, seria necessário aprimorar a mistura e principalmente estudar qual o ligante a utilizar, e quais os diferentes agregados. O “caminho” mais óbvio seria estudar a incorporação deste pó de pedra numa argamassa cimentícia como um betão por exemplo. Neste caso seria interessante, por exemplo, estudar a possibilidade da redução do carbono incorporado destas argamassas. Porém este estudo já tem sido realizado e os resultados parecem inconsistentes, sendo que a incorporação deste material reduz as resistências do betão, e a quantidade de material a adicionar teria de ser mínima para a argamassa conservar as suas características (MACHADO 2012). Logo, seria necessário um ligante que se tivesse as características necessárias à formulação de um novo compósito (isto também permitiria que a argamassa possibilitasse a utilização de uma maior percentagem de pó de pedra). O pensamento inicial passou pela incorporação em epoxy , uma resina transparente muito utilizada em diversas argamassas no ramo da construção, principalmente na área do ladrilho. Este era um ligante ideal, onde a incorporação de pó de granito já foi até alvo de estudo (CAMPOS 2013), onde se comprova a melhoria nas resistências à compressão e tração. O epoxy ainda tinha a mais valia de ser um componente transparente, permitindo que o compósito final adquira a cor do pó de pedra. Um dos fatores negativos da utilização deste componente é o seu preço, o custo desta resina é excessivo quando comparado com o cimento, por exemplo. Entre estes o epoxy chega mesmo a ter um acréscimo de preço na ordem de 35 vezes o preço do cimento portland tradicional. Outro fator a apontar é que os valores de carbono incorporado desta resina são tão ou mais elevados que o cimento, o que invalida o argumento da possibilidade de redução das emissões de carbono como um dos fins do resultado desta experimentação (SCHELTE 2023). Logo, o ideal seria um outro ligante, a goma arábica, um componente que tem imensa história, já usado no antigo Egito como comida, tintas e como ligante nos processos de mumificação (BRONS 2018). Recentemente usado em áreas como a gastronomia, “como estabilizante, emulsificante e agente espessante em coberturas, recheios, doces, gomas de mascar e outros produtos de confeitaria e para ligar adoçantes e aromatizantes em refrigerantes” (BARUFALDI 2021), na cerâmica, sob a forma de aditivo para esmaltes, e até na produção de tintas, entre outros muitos usos. Este material é composto por polissacarídeos e glicoproteínas e tem as propriedades de uma “cola comestível” (BARUFALDI 2021).
Figura 4.4.2. Imagem à esquerda: A planta Acácia Seyal (Vachellia Seyal). Fonte: https:// www.conexaojornalismo.com.br/2023/07/acacia-pompom-vachellia-seyal/ Figura 4.4.3. Imagem à direita: A Goma Arábica secando e pronta para ser extraida de uma Acácia Senegal. Fonte: Reuters, Mohamed Nureldin Abdalla, 2012 064 . 065 Este material é uma resina natural extraída de acácias como a acácia senegal ( Senegalia Senegal ) ou da acácia seyal ( Vachellia Seyal ). A acácia seyal (figura 4.4.2.), conhecida por “acácia vermelha” é uma planta proviniente da zona nordeste do continente africano e distribui-se maioritariamente pelos países compreendidos entre o Quénia e o Egito. A oeste do Senegal encontra-se a acácia senegal. Ambas estas plantas são exploradas na obtenção de goma arábica e a exportação deste material representa uma grande “fatia” das receitas destes países. From the 50’s to the early 90’s, Sudanese gum accounted for 80 percent of the global gum trade (...) (GAC). As acácias em Portugal representam uma espécie invasora, com cerca de 10 espécies diferentes sobre vigilância no território luso (MARCHANTE 2015). Porém, as duas espécies anteriormente faladas não se encontram representadas nesta listagem, pois necessitam de climas mais propícios a temperaturas elevadas, baixa humidade e sofrem com o frio e gelo extremos. A resina encontrada nas acácias apresenta-se sob a forma de “cristais” de cor laranja, amarela ou até castanha, dependendo da espécie de acácia e do ambiente em redor. Para a mistura e integração da goma arábica na argamassa, estes cristais são triturados para a obtenção de um pó fino (figura 4.4.4.). Este material tem uma densidade reduzida (comparavelmente ao pó de pedra, ou à areia por exemplo) , sendo necessário muito pouco material por metro cúbico de argamassa (cerca de 50-70 kg/m3). A expectativa do uso da goma arábica passa pela adição de um componente com propriedades aglutinantes que não só servirá de ligante Figura 4.4.4. Foto da Goma Arábica em cristais à esquerda e triturada em pó à direita.
na argamassa, como também melhorará a viscosidade e trabalhabilidade do compósito, características cruciais para uma boa extrusão. A goma arábica CAS 9000-01-5 | 104228 foi a usada (MerkMilipore). A densidade da goma usada é de 1400 kg/m3. 4.4.2. - Fibras de sisal Na primeira testagem apontou-se que a argamassa era frágil e sofria de retração na secagem (mesmo não tendo ligante na mistura). A introdução de fibras foi um passo óbvio e crucial no controlo das fissuras. A fibra de sisal adequa-se pelas suas características e preço, e claramente por se tratar de um tipo de fibras naturais (tendo sempre em consideração as emissões de carbono nos componentes do compósito). “ Natural fibers such as sisal , (...) are abundantly available (...) they are cheap and possess superior mechanical properties. Sisal fiber is one of the most promising reinforcements in polymer composites because of its higher tensile strength (...)” (NAVEEN 2019). As fibras de sisal são extraídas da planta Agave sisalana que se podem encontrar na América Central predominantemente, sendo, porém, já cultivadas na zona este do continente africano e do asiático também (FINK 2013). Esta espécie integra ainda a Lista Nacional de Espécies Invasoras, ou seja, é considerada uma planta de risco invasor em território português (Invasoras.pt). A aplicação deste material neste caso, é tão útil como problemática. A introdução de fibras contribui de forma positiva para um melhor desempenho das resistências estruturais do compósito final, mais especificamente no resultado da testagem à tração (FUJIYAMA 2014). As vantagens que estas fibras oferecem ao compósito (ao nível da resistência e propriedades mecânicas), têm uma relação proporcionalmente direta com o comprimento destas, isto é, quanto mais compridas forem as fibras, melhores serão estes resultados. Isto colide com a limitação imposta pelo diâmetro do nozzle . Neste problema ao nivel da impressão, as fibras correm o risco de entupir a ponta do extrusor, logo o seu comprimento tem de ser controlado, não devendo exceder 1 a 2 centímetros. A densidade deste material é de 1450 kg/m3. A argamassa que contenha fibras tem ainda de ser bem homogeneizada para garantir que não existe o risco corram de as fibras se concentrarem num local e criarem os chamados “ninhos”, este problema também é mitigado pelo uso de fibras mais curtas. Os “ninhos” representam não só um ponto fraco no material, como ainda podem também entupir o extrusor ao imprimir, e arruinar toda a impressão. Figura 4.4.5. Imagem à esquerda, planta de onde as fibras de sisal são extraídas. Fonte: https://www.picturethisai.com/pt/wiki/Agave_sisalana.html Figura 4.4.6. Foto à direita, fibras de sisal (previamente cortadas a 1cm de comprimento)
066 . 067 4.4.3. - Silicato de sódio Este componente é um aditivo ativador, que funciona como acelerador de presa e contribui para melhores resultados à compressão e rigidez da argamassa (BROUGH 2002). Observa-se ainda que esta adição oferece ainda um acabamento final mais brilhante à argamassa no fim da secagem. A substância usada, Na2SiO3, é um reagente muito solúvel em água e conhecido como “vidro líquido”. É usado na fabricação de sabão, adesivos, e preservação de alimentos. As suas boas propriedades à prova de fogo, também o permitem ser usado em áreas mais ligadas à construção como no fabrico de lãs minerais ou revestimento de cabos elétricos, por exemplo (ChemicalBook.com). A densidade deste material é de 2330 kg/m3. 4.4.4. - PCM - Material de mudança de fase O PCM, Phase Changing Material , é um componente interessante de explorar e aplicar no projeto, pelas suas características que prometem revolucionar e aprimorar as soluções de conforto térmico convencionais. A utilização de PCM é promovida por muitos benefícios que esta pode significar, pois este material é na verdade uma ferramenta que permite manter uma temperatura sensivelmente constante. Logo existe uma diminuição da utilização de aparelhos de climatização, o que promove uma redução do recurso a fontes de energia não renováveis. O uso destes materiais na construção promove, portanto, uma diminuição dos consumos energéticos e este claramente é um passo importante para uma redução das emissões de carbono. Este trata-se de um material à base de parafinas que quando a temperatura ambiente é inferior à temperatura de transição, o material transita do estado líquido para o sólido, libertando energia armazenada e aquecendo o espaço em redor para tentar atingir um equilibrio. E vice versa, quando as temperaturas aumentam, o material liquidifica, e armazena energia, tentando reduzir o aumento da temperatura ao seu redor (CUNHA 2020). Figura 4.4.7. Foto do ativador Silicato de Sáodio Na2SiO3 utilizado
Submeteu-se a argamassa “final”, PRT0, a testes mecânicos e de trabalhabilidade para se obter dados relativos às resistências do material, o que permite comparar e estabelecer conclusões sobre este compósito, bem como perceber a sua viabilidade na continuação e desenvolvimento do trabalho. Para esta dissertação em concreto, estes dados servem ainda para se perceber os limites do material, e irão ser determinantes na definição da geometria final a extrudir. Ao nível da trabalhabilidade, o teste do espalhamento é imprescindível com a argamassa ainda em fresco, obviamente. Como é possível observar na sequência de figuras imediatamente abaixo, estes testes foram efetuados de acordo com a regulamentação existente para uma argamassa cimentícia (não existindo regulamentos nem normas para esta argamassa específica) (COUTINHO 2003). O teste do espalhamento consiste no enchimento de um cone com o material, remoção deste e batimento da mesa cumprindo com a NP EN 196-3: 2006. Tanto a superfície interior do cone como a base circular metálicas são untados com óleo para se proceder à remoção do cone sem que a argamassa se aglutine a este. Para um teste preciso são seguidos alguns passos: Aplicação de óleo nas superfícies em contacto com a argamassa; Enchimento de apenas metade do volume do cone, procede-se a alguns batimentos da base para libertação de bolhas de ar; Enchimento do restante volume e libertação de bolhas novamente (figura 4.5.5.); O cone é extraído (figura 4.5.6.); Procede-se a 15 batimentos da base espalhando o material sobre a mesa. A trabalhabilidade do material é medida a partir de testes em fresco como este do espalhamento onde se retiram dados como o diâmetro médio do material após ser espalhado, a diferença de alturas entre a altura do cone metálico e do material exatamente após o cone ser retirado (altura de rebaixamento) (COUTINHO 2003). Nestas argamassas este teste está diretamente relacionado com o volume de líquidos incorporados (água e PCM), sendo necessário um equilíbrio para uma boa impressão. Figura 4.5.5. Foto à direita do teste de espalhamento do cone metálico cheio com a argamassa. Figura 4.5.6. Foto central do teste de espalhamento da argamassa imediamente após se retirar o cone metálico. Figura 4.5.7. Foto à esquerda do teste de espalhamento da argamassa após os batimentos da base.
074 . 075 Analisando estes resultados consegue-se comparar e perceber quais as argamassas que necessitam de ajustes ao nível do volume de água e/ou PCM, para atingir uma trabalhabilidade ideal. A trabalhabilidade da argamassa de granito, GRA-PRT0-5.3, provou ser ideal à impressão 3D a partir do teste de impressão feito, sendo necessários poucos ajustes neste sentido. Ao nível dos testes mecânicos, a intenção seria realizar os testes de resistência do material. Neste sentido, foram moldados os tradicionais provetos 4x4x16cm (0,000256 m3), onde estes foram testados à compressão, flexão, imersão e capilaridade. O mármore revelou ser o material mais liquído, e consequentemente menos propício a uma boa trabalhabilidade. Tanto no caso do granito como o calcário, o volume de água adicionado pode ser regulado para uma argamassa de proprieadades ideais. Para a moldagem dos provetes, estes moldes foram construídos em madeira lacada (o que previne a absorção de água por parte da madeira) e ainda untados com óleo para permitir a sua fácil remoção. Mais uma vez foram seguidos os mesmos procedimentos da moldagem de provetes cimentícios. Após a moldagem da argamassa, durante os primeiros dois dias, esta é envolvida com uma película na parte superior, impedindo a circulação e contacto com o ar. Isto faz com que os efeitos de retração e possiveis fissurações sejam mitigados durante a secagem. Após o segundo dia, os moldes são retirados e os provetes são envolvidos na mesma película até ao sétimo dia. Após o sétimo dia, as películas são removidas e os provetes são submetidos a um processo de secagem ao ar num ambiente controlado de humidades ou temperaturas regulares até ao 28º dia, no qual são realizados os testes mecânicos. Figura 4.5.9. Fotos dos moldes construídos para a formação dos provetes 4x4x16 cm. Figura 4.5.8. Tabela com os resultados do diâmetro medido no teste do espalhamento.
a) O teste da resistência à flexão passa pela aplicação de uma força pontual ao centro do provete até este partir em duas peças (estando a barra apoiada nas duas pontas). Isto dará o valor máximo ao qual o material se manterá firme sem fissurar sobre o stress de uma força de tração. b) O teste da resistência à compressão, consiste na utilização de uma prensa que aplicará uma força uniformente distribuída sobre o provete, força esta que aumentará até a barra fissurar ou se desintegrar, apresentando o valor máximo de compressão do material. Figura 4.5.10. Foto dos provetes 4x4x16 cm. Figura 4.5.11. Foto à esquerda, início do teste à flexão de um provete. Figura 4.5.12. Foto à direita, fim do teste à flexão de um provete. Figura 4.5.13. Foto à esquerda, início do teste à compressão de um provete. Figura 4.5.14. Foto à direita, fim do teste à compressão de um provete.
076 . 077 O primeiro teste a realizar, foi a resistência do material à flexão, onde o provete assenta sobre dois pontos a 10cm de distância um do outro, e é exercida uma força pontual no sentido descendente ao centro do provete, aumentando até o provete ceder. Existem principalmente dois dados que se retiram deste teste, o pico da força resistida pelo provete antes da quebra deste e o tamanho da fissura central no proveto. Foram testados 4 provetes de cada argamassa, e recolhidos os dados para realização de uma média mais exata e representativa da resistência de cada material (no caso do mármore apenas existem 3 resultados devido à destruição acidental de um provete). É feito um teste descendente progressivo, sendo que a prensa irá descer de forma contínua ao longo do tempo, variando a força aplicada. Na análise a estes dados, consegue-se concluir que após a quebra principal do provete, a capacidade de resistência fica limitada à resistência das fibras existentes, explicando os pequenos “altos e baixos” no gráfico, referentes à destruição das fibras “uma de cada vez”. Nesta fase, a carga aplicada é bem menor relativamente ao pico atingido. Regista-se que a argamassa de calcário é a mais resistente a este tipo de força, atingindo um pico médio de 137 N (Newtons), seguindo-se do compósito de granito com uma força máxima de 112 N e por fim a argamassa de mármore é a mais fraca, apenas atingindo um pico na ordem dos 99 Newtons de carga (isto para provetos de 4x4x16cm). Utilizando as metades resultantes do teste de resistência à flexão, é realizado o teste de resistência à compressão. Neste teste são utilizados, na parte inferior e superior do provete, dois cubos metálicos, com uma área de contacto com o proveto de 16cm2, um quadrado de 4x4cm. Neste trabalho, a prensa exerce uma força constante também, pressionando o cubo superior num sentido descendente, esmagando o provete até este ceder e fissurar. Aqui é também registado um pico de força, onde se regista a quebra do provete. Figura 4.5.15. Gráfico representativo de um teste à flexão a um provete de calcário.
De forma semelhante ao teste à flexão, aqui registou-se a superioridade de resistência da argamassa de calcário face aos restantes com um pico médio de compressão na ordem dos 1450 N. Em relação aos outros dois, encontram-se mais próximos, com o compósito de mármore a registar um melhor comportamento à compressão que à tensão, sendo que continua a ser inferior ao granito, mas por uma margem menor. O pico médio dos provetes de mármore à compressão ronda os 950 N e os de granito rondam os 1050 N de força. Existem ainda dois testes que não foram realizados devido à destruição dos restantes provetes nos testes anteriores, mas que dariam resultados interessantes de analisar e comparar. Os testes de capilaridade e imersão. O teste de capilaridade consiste na imersão parcial do provete numa lâmina de água e consequente medição da subida da água no provete por capilaridade. O teste de imersão consistia em mergulhar o provete totalmente em água durante 5 a 7 dias, e a medição da massa hidroestática do provete através de uma balança.
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5. 3DSPE Column - 3D Stone Powder Extrusion 080 . 081
5. 3DSPE Column - 3D Stone Powder Extrusion 5.1. Objetivos e contextualização Neste capítulo, centra-se no desenho geométrico da peça a imprimir com recurso às ferramentas de desenho digital paramétricas, Rhino e Grasshopper e à sua extrusão. A sua forma forma é pensada à escala real e o objeto escolhido foi uma coluna. Este “simples” objeto arquitetónico pode ser interpretado e desenhado de infinitas formas e o desafio realmente passa por partir da análise dos resultados dos testes mecânicos e perceber o quão “arrojado” este pode ser, falando ao nível da esbelteza da coluna, ou até da quantidade mínima de material a usar. Foi necessária ainda a escolha do método de impressão, como descrito no capítulo anterior, a ferramenta foi desenvolvida por um colega de laboratório, e a sua adaptação a este trabalho foi muito útil, porém tem o problema de ter de ser constantemente alimentada com argamassa para impressão, o que torna o trabalho exaustivo em caso de longas impressões. Antes de chegar sequer perto desta impressão final, os testes de impressão foram muito importantes, pois permitem ter o melhor controlo sobre todas as variáveis de uma impressão usando um braço robótico, parâmetros como: a velocidade do robô, a velocidade do fuso da ferramenta, a fluidez da argamassa, a altura das layers de impressão, a posição inicial e final, entre outras. Estes testes consomem algum material e tempo, mas são realmente imprescindíveis nesta fase de processo e testagem. Por fim, a impressão final nasce por segmentos. O seu desenho foi inspirado num desenho minimalista e paramétrico, formado a partir de geometrias base simples, algo interessante mas acessível e de fácil entendimento. 082 . 083
iriam apertar e oferecer a estabilidade necessária para sustentar estas placas e consequentemente a argamassa (Figura 5.3.2. e Figura 5.3.3.). Após esta montagem, o contour total da coluna foi criado em GH (Figura 5.3.4.) e esta estrutura teria de ser desmontada a cada “andar”, pois a dificuldade de extrudir a argamassa com a estrutura montada seria superior, pois existiriam imensas colisões entre o robô e a peça, ou entre o extrusor e a peça estrutural. Figura 5.3.2. Primeira secção da coluna 3DSTE cortada e perfurada. Figura 5.3.3. Montagem da estrutura da coluna 3DSTE. Figura 5.3.4. Contour da coluna 3DSTE criado em GH.
090 . 091 Para este teste foi utilizada a argamassa de mármore (figura 5.3.4.), para verificar também se as qualidades deste material no processo de extrusão poderiam ser comparáveis às propriedades demonstradas pelo granito anteriormente. Não houve problemas com a impressão nas primeiras 9 layers , mas após estas, o material começou a ceder sobre o próprio peso (figura 5.3.6.) e a impressão foi interrompida, resultando num teste falhado, mas importante para decisão da próxima metodologia de impressão. Estas argamassas necessitariam de ter um tempo de presa mais rápido para permitir as layers inferiores aguentarem o peso das superiores, porém este tempo de presa poderia afetar a impressão ao secar demasiado rápido no interior do fuso do extrusor, comprometendo o trabalho. Figura 5.3.5. Fotografia da impressão da coluna 3DSTE em argamassa à base de pó de mármore.
Figura 5.3.6. À esquerda, fotografia da interrupção da imrpessão da coluna, devido ao colapso do objeto impresso. Figura 5.3.7. À direita, fotografia da totalidade do teste fahado da coluna 3DSTE. Tendo noção dos resultados das anteriores experiências, a “opção C” passa por dividir a totalidade da coluna a imprimir em segmentos desta (que não colapsem sobre o seu próprio peso) e que, no fim de secos, possam ser assemblados e tensionados com cabos que permitam a estabilidade estrutural da coluna. Como se observa na figura acima, a coluna 3DSPE, permite a existência de 5 espaços internos para a colocação de elementos estruturais tensionados que apertem e garantam a integridade estrutural do objeto completo. Estes elementos, que provavelmente se tratariam de cabos de aço, seriam anexados a uma base por baixo da coluna e a uma no topo, e ao tensionar estes elementos, a coluna ficaria estável. O trabalho em GH, para a formação do contour e consequentemente do ficheiro .src para integração no robô, foi facilitado, pois apenas foi necessário dividir a altura total da coluna em segmentos, em 30 segmentos, cada um teria 10 layers , o que totaliza as cerca de 300 layers totais previstas para a coluna em toda a sua extensão. Figura 5.3.8. Secções central, á esquerda e da base e topo (simétricas) à direita.
092 . 093 Figura 5.3.9. À esquerda, fotografia da montagem de 7 segmentos, ordenados, com os cabos de aço a passar nos orifícios das peças. Figura 5.3.10. À direita, fotografia da montagem de 16 segmentos, ordenados, com os cabos de aço a passar nos orifícios das peças. As peças foram impressas até se esgotar a areia existente, o que resultou na impressão bem sucedida de 22 peças. Na execução das restantes peças, a areia utilizada na mistura, infelizmente, tinha alguns agregados de maior diâmetro incorporados, o que estragou as restantes impressões. Pois estes elementos de maior dimensão presentes na areia acabou por encravar o fuso helicoidal do extrusor, e quando este pára de girar, o fluxo de material expelido é interrompido e a impressão é arruinada na totalidade, pois o robô continua a sua trajetória. Tendo acontecido este percalço, fez-se a montagem da coluna incompleta com “apenas” 22 segmentos e cerca de 1,75 metros de altura. Figura 5.3.11. Esquema explodido do sistema utilizado para a tensão dos cabos de aço que estabilizam a coluna. Escala 1:5 Porca hexagonal M8 Anilhas de diâmetros 8mm interno e 20mm externo Base de madeira em corte Layers do compósito impresso Parafuso de olhal M8 Cabo de aço de 3mm Serra cabos de 6mm
Figura 5.3.12. Esquema do sistema utilizado para a tensão dos cabos de aço que estabilizam a coluna. Escala 1:5 Utilizando este sistema por baixo e por cima da coluna, aperta- -se ambos os parafusos de olhal e comprime-se toda a coluna entre estas duas tábuas de madeira perfuradas, obtendo assim uma estrutura que funciona tanto à compressão como à tensão. Figura 5.3.13. Sequência de fotografias da 3DSPE Column
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6. Conclusões Neste capítulo final, o objetivo é refletir sobre o trabalho efetuado na generalidade, retirar aspetos positivos e/ou negativos, e até apontar aspetos a trabalhar e explorar futuramente, partindo do trabalho efetuado nesta dissertação. Explorou-se assim, 12 pontos conclusivos e efetuou-se as devidas reflexões finais. 1Atualmente as lamas de pedra apresentam um problema para a indústria extrativa, uma despesa adicional. Para as empresas neste ramo a valorização deste material seria algo extremamente benéfico. 2As lamas de pedra apresentam potencialidades seja na substituição de agregados e/ou ligantes (com maior indíce de carbono incorporado) em argamassas, seja na criação de novos compósitos à base deste material. 3A aposta em fins para as lamas é algo atualmente testado e trabalhado, mas pouco explorado, apenas existe mais investimento na criação de pavimentos deste material (sendo que mesmo este fim trata- -se apenas de uma pequena percentagem do destino das lamas criadas, a maior fatia termina em aterros). 4Para um melhor aproveitamento deste material, os processos de secagem e peneiração teriam de ser industrializados, como acontece na indústria cimentícia por exemplo. 5O ligante, goma arábica, e agregados estudados funcionam de forma eficaz na produção de uma argamassa alternativa às cimentícias, sendo possível a adição ou atualização mais detalhada de certos componentes a cada argamassa correspondente a cada pó de pedra diferente. 6As 3 argamassas apresentam resultados diferentes no que diz respeito às resistências e trabalhabilidades, sendo a argamassa mais resistente a de calcário, a de mármore a que piores resultados apresenta e a de granito a intermédia. Na trabalhabilidade o granito funciona melhor, sendo o calcário demasiado espesso para o processo de impressão, e o 096 . 097
7O trabalho com a argamassa de granito provou ser viável e passível de exploração aprofundada futuramente, o calcário também promete ser um componente a explorar e com características benéficas à impressão 3D. 8A argamassa de mármore desiludiu, pois independentemente de ser a rocha mais densa, menos porosa, e aparentemente apresentar as melhores características, o seu desempenho neste compósito não é o esperado e este componente funciona bem utilizando apenas uma pequena percentagem, substituindo agregados de maior indice de carbono incorporado. 9Na manufatura aditiva, o trabalho com a incorporação do extrusor de fuso helicoidal é ideal, sendo que a alimentação deste pode ser um problema em longas impressões. Materiais demasiado fibrosos ou espessos podem tornar este processo dificil ou até impossível de realizar. 10O robô KUKA KR10 R1440-2, provou estar a par das expectativas, e, para além de ter uma capacidade e alcance limitados, para este caso prático, é a ferramenta de trabalho ideal. 11A utilização do software Grasshopper com o KUKA|prc incorporado torna o desenho computacional da coluna, e criação de possíveis variáveis, acessiveis de utilizar e é intuitivo e facilitado o acompanhamento do trabalho desde a formação da primeira secção até à criação do contour. 12A 3DSPE Column trata-se de um protótipo feito com o propóstio de testar a argamassa e a sua resistência, bem como apresentar um objeto de relevância no campo da arquitetura e da robótica também. Esta dissertação deixa ainda alguns temas a serem aprofundadas e exploradas futuramente. a) O teste e comparação de mais provetes modificando as concentrações de PCM e consequentemente de pó de pedra; b) O aprofundamento destas argamassas ao ponto de superar os resultados obtidos neste trabalho e possívelmente melhorar o seu desempenho na obtenção de melhores tempos de presa e de melhorias na impressão 3D; c) Modificação do sistema de impressão por duas vias, em primeiro lugar alterar o motor do extrusor para um com mais torque, e consequentemente alterar as peças em PLA para um material mais resistente como o metal, e adicionar um sistema que misture a argamassa e bombeie esta mistura diretamente para o extrusor a um ritmo constante, eliminando assim a necessidade da presença constante de uma pessoa a alimentar este extrusor;
d) A integração deste extrusor no robô de maior alcance e capacidade, para permitir a criação de objetos e peças de maior dimensão e mais gasto de material; e) A exploração de novas geometrias que desafiem este compósito, como cúpulas, arcos, ou outras figuras. Em forma de conclusão, esta dissertação foi algo que surgiu de um interesse pelo setor extrativo e em simultâneo pela fabricação robótica. Foi um tema desafiante e com muitos “caminhos” para explorar. O resultado deste trabalho é motivo de orgulho e esperança na promoção, tanto do reaproveitamento deste material com imensas potencialidades, como no desenvolvimento e utilização da fabricação robótica na construção e arquitetura. 098 . 099
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8. Bibliografia ANIET, (2020), “Guia de potenciais destinos para as lamas de processamento da pedra incluindo simbioses industriais” http://www.aniet.pt/ fotos/editor2/3.1_guia_destinos_lamas.pdf ANIET; ALMEIDA, Marisa; AMADO, Anabela; CCTV, (2020), “Estudo de valorização de lamas do processamento da pedra” http://www.aniet.pt/ fotos/editor2/estudo_apicer.pdf ANTON, Ana; REITER, Lex; WANGLER, Timothy; FRANGEZ, Valens; FLATT, Robert, J.; DILLENBURGER, Benjamin, (2021), “A 3D concrete printing prefabrication platform for bespoke columns”, “Automation in Construction”, Volume 122, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S0926580520310475 ASHOK, Gupta; DENIS, Yan, (2016), “Mineral Processing Design and Operations”, Chapter 10, “Stirred Mills” BARUFALDI, Mauricio, (2021), “Goma arábica - Gum arabic (goma sudani, goma de acácia, goma do Senegal, goma indiana); goma natural de seiva endurecida de espécies de Acácia” https://www.linkedin.com/ pulse/goma-ar%C3%A1bica-gum-arabic-sudani-de-ac%C3%A1cia-do-senegal-barufaldi/?originalSubdomain=pt BRONS, Cecilie; RASMUSSEN, L., Kaare; CRESCENZO, M. Di, Marta; STACEY, Rebecca; LLUVERAS-TENORIO, Anna, (2018), “Painting the Palace of Apries I: ancient binding media and coatings of the reliefs from the Palace of Apries, Lower Egypt” BROUGH, R., A.; ATKINSON, A., (2002), “Sodium silicate-based, alkali- -activated slag mortars: Part I. Strength, hydration and microstructure”, “Cement and Concrete Research”, Volume 32, Pag. 865-879 CADDIGEST, (2004) “Architect Frank Gehry Finds CAD a Boon to Art and Business”, CadDigest.com CASAL, Moura, A., “Rochas ornamentais portuguesas” https://rop.lneg.pt/rop/FormTipo.php 114 . 115