Impressão 3D: uma revolução na construção?
Embora muitos sem dúvida saibam que as impressoras 3D podem ser usadas para fazer pequenos objetos de plástico que são úteis para prototipagem rápida, a tecnologia está sendo cada vez mais usada em uma escala muito maior e de forma mais permanente.
Na construção, as impressoras 3D de nível industrial podem ser usadas para extrudar camada após camada de construção, construindo paredes de concreto de forma rápida e precisa com o mínimo de intervenção humana.
Atualmente, em vez de serem construídos, dezenas de pequenos edifícios residenciais estão sendo impressos. Mas com o recente desenvolvimento do primeiro Data Center impresso em 3D do mundo na Alemanha, a tecnologia está pronta para o horário nobre no mercado industrial?
Por que imprimir em 3D?
Usualmente se diz que a impressão 3D de concreto se originou no Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), em Nova York, quando Joseph Pegna aplicou a manufatura aditiva ao concreto em 1997.
Depois, Behrokh Khoshnevis, professor da Universidade do Sul da Califórnia, imprimiu em 3D uma parede inteira em 2004. A primeira casa impressa em 3D foi construída em 2014 em Amsterdã, na Holanda.
Relatórios de mercado sugerem que o tamanho do mercado global da indústria da construção com impressão 3D foi de 3,5 bilhões de dólares (19,5 bilhões de reais) em 2022, e estima-se que crescerá até 523,3 bilhões de dólares (2,9 trilhões de reais) até 2030. No entanto, até o momento, a maior parte da construção com impressão foi feita no mercado residencial.
Em 2018, a Icon e a New Story imprimiram uma casa de 32,5 m² em Austin, Texas, em cerca de 48 horas. A empresa disse que conseguiu construir uma casa por apenas 10 mil dólares (56 mil reais), o que gerou uma onda de interesse dos incorporadores, embora esse valor fosse apenas para paredes de concreto, em vez de construção completa.
“Isso começou o fogo por trás de toda essa questão”, diz Ziyou Xu, fundador da fornecedora de impressoras 3D da Califórnia RIC Technology (anteriormente Advanced Smart Building Technology). “E então, nos últimos anos, a construção foi permitida na América do Norte, e isso é um grande passo. As pessoas estão começando a aceitar e acreditar na impressão 3D”.
“Isso aumentou o interesse de romancistas, especialistas e universidades em desenvolvedores ousados. Passamos da fase da novidade; As empresas de construção estão entrando agora, querem experimentar e descobrir como torná-lo econômico e eficiente”.
Os defensores promovem a rapidez e o custo como os principais benefícios, além de reduzir o número de trabalhadores necessários no local. Muitas construções 3D só precisam de duas ou três pessoas para gerenciar uma impressora. Xu diz que a impressão 3D também garante que os edifícios construídos estejam mais próximos dos projetos originais criados pelos arquitetos e proprietários do projeto.
“Sempre vi as coisas do ponto de vista de um arquiteto e todo projeto exige muita comunicação, esforço e comprometimento”, diz. “E o resultado final nunca é o que o arquiteto realmente quer, mas o que o proprietário e o incorporador quer”.
“Com a impressão 3D, estamos eliminando muitos dos custos de comunicação e ineficiência. E o resultado final será muito mais alinhado com o design que os desenvolvedores e proprietários desejam”.
A impressão 3D chega ao setor residencial
A maioria das construtoras com impressão 3D são novas empresas e subsidiárias de grandes construtoras interessadas em explorar essa tecnologia. Fundada em 1969, a empresa alemã de andaimes Peri começou a olhar para a impressão 3D na construção e o que ela poderia significar para a empresa. Investiu na Cobod em 2018, adquiriu uma participação minoritária na empresa dinamarquesa e lançou oficialmente a Peri3D em 2022. Hoje, a Peri3D vende impressoras 3D e serviços e imprime seus próprios edifícios.
Depois de participar da primeira casa impressa em 3D da Alemanha (uma casa de família de dois andares em Bekum) em 2020, a Peri participou de um prédio de apartamentos de cinco andares em Wallenhausen e uma escultura de entrada em Dornstadt, na Alemanha; um edifício de escritórios de 125 m² em Hausleiten, Áustria; e uma casa unifamiliar em Tempe, Arizona.
Hoje, o número de edifícios impressos em 3D está provavelmente na casa das centenas. As impressoras têm sido usadas em casas na Bélgica, África do Sul, Nova Zelândia, Rússia, França e outros países, bem como em pontes e protótipos de turbinas eólicas.
A Icon foi usada para imprimir uma “estrutura de pele de veículo” (essencialmente uma garagem) em Camp Pendleton, Califórnia, e diz ter impresso mais de 100 casas. A CyBe criou um laboratório de P+D impresso em 3D para pesquisa de drones nos Emirados Árabes Unidos.
Xu, da RIC, observa que as unidades habitacionais acessórias (ADUs, pequenos edifícios secundários em lotes residenciais e também conhecidos como casas de quintal e casas de repouso) são uma área potencial de crescimento para a impressão 3D.
Ele diz que o menor custo de entrada no mercado residencial e as limitações das impressoras significam que é aí em que a maior parte do interesse em torno da construção de impressão 3D está atualmente focada.
A Wavehouse na Alemanha é a primeira vez que um incorporador está disposto a assumir o custo e o risco de um edifício industrial comercial; e a primeira vez que um Data Center foi impresso em 3D.
Sobre o aspecto industrial do futuro, Xu observa que há promessas em torno de armazéns e instalações de armazenamento refrigerado, e várias organizações de desenvolvimento prisional se aproximaram devido à potencial resistência das paredes de projetos impressos em 3D.
Uma nova habilidade para lidar com a escassez de mão de obra
A Wavehouse só precisou de dois trabalhadores da construção civil enquanto a impressora estava em operação. Outros projetos de construção impressos em 3D relatam quantidades igualmente pequenas de pessoal no local.
Essa redução de mão de obra é anunciada como uma forma de ajudar a enfrentar a escassez de habilidades na indústria da construção. Só no Reino Unido, um relatório do ano passado sugeriu que 83% das empresas da indústria da construção estavam sentindo a pressão da falta de trabalhadores qualificados.
“A indústria da construção sofre severamente com a escassez de mão de obra”, diz Bischofberger, da Peri3D. “É muito difícil colocar jovens na construção civil e é muito difícil conseguir pessoas boas e altamente qualificadas na construção civil”.
“Incorporar automação e robótica na construção é, em nossa opinião, uma boa maneira de não apenas resolver a escassez que temos, mas também de tornar o trabalho muito mais atraente”.
De acordo com a Peri3D, leva cerca de seis semanas para aprender do zero todas as habilidades necessárias para gerenciar uma construção impressa em 3D.
“Já trabalhei em canteiros de obras com impressão 3D, e o dia a dia é muito mais relaxado e tranquilo, simplesmente porque você é o principal responsável por supervisionar o processo de impressão”, diz Bischofberger. “Por exemplo, você não faz o trabalho pesado de colocar pedra sobre pedra”.
A RIC tem trabalhado com seu parceiro norte-americano Alquist3D para desenvolver um programa de desenvolvimento de força de trabalho com a Aims Community College em Greeley, Colorado.
Xu, da RIC, sugere que, embora muitos jovens queiram evitar o trabalho sujo da construção, eles querem brincar com o robô.
“A formação avançou muito. Há três anos, [essas impressoras] eram bastante difíceis de operar e exigiam cerca de um ano de treinamento”, diz. “Mas temos desenvolvido muitos softwares e interfaces de usuário, e agora estamos executando apenas um curso de treinamento de duas semanas para que nossos clientes possam usá-los”.
Limitações e logística
Embora a impressão de edifícios 3D possa ser mais rápida e fácil do que a construção tradicional, não é tão simples quanto pressionar um botão e depois sentar até que a construção esteja concluída.
A maioria das tecnologias de impressão requer uma configuração extensa, que em alguns casos pode levar dias. Esses quadros em que os bicos de impressão ficam também criam as restrições do edifício em que os desenvolvedores devem imprimir.
A Cobod, de propriedade privada da General Electric, com a CEMEX, Holcim e Peri como principais acionistas, fabrica as impressoras de construção BOD2. É um dos principais fornecedores de máquinas de construção com impressão 3D.
Da mesma forma que as empresas rivais Black Buffalo, 3D Wasp e Icon, a tecnologia da Cobod é baseada em um sistema de pórtico, que requer um sistema de andaimes, aparafusados à laje e blocos de concreto, aos quais o bico de impressão é acoplado.
A Peri3D, que usa impressoras Cobod, diz que as dimensões máximas de seu prédio são de 13,5m de largura, 9m de altura e o tempo desejado. Peri diz que, para uma área de impressão de uma máquina com 13,5m de largura, 17m de comprimento e 8m de altura, seriam necessárias oito horas para montar o sistema. Segundo consta, o sistema pode imprimir a velocidades de 1 metro por segundo; as alturas das camadas podem estar entre 1 e 4 cm e as larguras das camadas entre 3 e 10 cm.
Fornecedores diferentes têm sistemas diferentes. A Icon usa um sistema de pórtico menor sobre rodas, conhecido como Vulcan, para suas construções residenciais. Outros fornecedores, como a Vertico, CyBe e RIC, contam com sistemas de braço robótico. Estes podem ser fixados em um só lugar, em um trilho móvel e acoplados a sistemas de pórtico. Alguns têm locomoção própria, como a RIC e a Constructions-3D.
Xu diz que os sistemas de pórtico que exigem grandes armações são “pesados” e exigem guindastes, bobcats e muito tempo e esforço para instalá-los e desmontá-los, às vezes até três dias.
“Até lá, você terá gasto de 4 a 5 mil dólares (22 a 28 mil reais) em aluguel de mão de obra e equipamentos”, diz ele. “E então você está construindo uma casa de metal gigante antes de construir a casa real e, em seguida, derrubando essa casa de metal depois de terminar de imprimir, o que não é o que realmente queremos alcançar com isso”.
A RIC originalmente oferecia a RIC 0, uma impressora estática que dependia de um braço robótico de Kuka, antes de passar para a RIC-1, uma impressora que podia se mover ao longo de trilhos fixos. Ela foi trocado para o RIC M1, em que o braço de impressão da empresa foi acoplado a um sistema de rodas 4×4. O RIC-M1 Pro é uma combinação de rodas com um trilho fixo acoplado. Também oferece o RIC-2, que se prende a um elevador tesoura fixado em trilhos para estruturas mais altas. A empresa afirma que suas plataformas móveis aceleram o tempo de implementação de dias para horas.
Materiais e regulação
Enquanto os objetos portáteis impressos em 3D são muitas vezes feitos de plástico aquecido, os edifícios impressos são construídos de cimento.
“No fim das contas, ainda é o cimento normal típico do dia a dia. Ainda é basicamente cimento”, diz Xu, da RIC. “Os aditivos utilizados são os mesmos da indústria de construção normal; aceleradores normais, plastificantes normais”.
Embora os materiais sejam os mesmos, as proporções de cada componente são diferentes. A mistura deve ser líquida o suficiente para estruir limpa e rapidamente, mas viscosa o suficiente para ficar onde está impressa e aderir à camada anterior. Várias empresas estão começando a desenvolver suas próprias misturas especialmente projetadas para impressão 3D.
A Heidelberg Materials, que forneceu o cimento para a Wavehouse, afirma que seu cimento para impressão 3D é 100% reciclável como material de construção mineral. Ele diz que seu concreto estampado também contém um ligante com uma redução de CO2 de cerca de 55% em comparação com o material de construção mineral de cimento Portland puro.
“É preciso acertar muitas propriedades para evitar que rachaduras ocorram”, diz Bischofberger, da Peri3D. “Por um lado, as camadas que estão sendo extrudadas devem ser macias e líquidas o suficiente para que não entupam a tubulação. Por outro lado, eles precisam se estabilizar rapidamente o suficiente para poder colocar a próxima camada em cima”.
“Há limitações de altura, simplesmente porque você só pode colocar o quadro em uma determinada altura antes que a estabilidade atinja um ponto em que a qualidade perfeita da camada não possa mais ser garantida”, diz Bischofberger. “É por isso que agora estamos limitados a alturas de impressão de cerca de 9 ou 9,5 metros. Mas sei que a empresa já está desenvolvendo ideias diferentes e sobre como crescer”.
A certificação e o licenciamento continuam sendo um desafio para as construções impressas em 3D. Xu, da RIC, ressalta que atualmente muitos edifícios impressos ainda seguem os padrões internacionais do código de construção para construções CMU (ou seja, alvenaria). Mas o Conselho Internacional de Código está desenvolvendo um novo padrão de código de construção para impressão 3D, conhecido como AC509.
Os reguladores de planejamento têm sido cautelosos demais em relação aos projetos e licenças para esses projetos, mas uma vez que em uma área é construído com sucesso seu primeiro edifício impresso em 3D, os reguladores se tornam mais confortáveis com o conceito e são mais propensos (e mais rápidos) a aceitar propostas.
“Leva um pouco mais de tempo para que o primeiro edifício naquela cidade específica seja concluído, porque as autoridades municipais e seus engenheiros querem fazer suas pesquisas antes de conceder permissão para um edifício”, diz Xu. “Uma vez que eles passam dessa fase de aprendizado, não têm problema em continuar porque percebem que é qualquer edifício de concreto antigo”.
Por enquanto, muitas construções são superprojetadas para garantir que atendam aos requisitos atuais de construção que não foram projetados para impressão 3D, o que, de acordo com as empresas , significa que a tecnologia não está sendo usada de forma tão eficiente e inovadora quanto poderia ser.
“Certamente há muito potencial onde os desenvolvimentos podem ser feitos. Mas a partir de agora, porque temos que começar em algum lugar, temos que olhar para a estabilidade, temos que olhar como os edifícios vão se sustentar no longo prazo”.
Xu diz que, atualmente, o custo dos materiais também ainda é uma barreira: ele sugere que os custos de impressão estão girando em torno de 650 dólares (3.600 reais) por metro no momento, mas a indústria decolará se os fornecedores chegarem a um acordo de longo prazo para reduzir esse custo em 50%.
“Nesse momento estamos empatados porque os materiais são muito caros”, diz. “Quando os custos de material forem reduzidos pela metade, teremos uma economia de cerca de 30% em comparação com a construção convencional”.
Embora o concreto impresso em 3D seja muito semelhante ao concreto tradicional, ainda há um pequeno número de edifícios impressos em 3D com mais de alguns anos de idade. Embora a indústria esteja confiante de que as estruturas impressas em 3D durarão tanto quanto seus primos tradicionalmente construídos, isso ainda precisa ser totalmente comprovado a longo prazo.
“Não temos estudos de longo prazo”, diz Bischofberger. “Então essa é uma área em que ainda não temos informações sobre prazo de validade. Mas, até agora, não há nada que indique que a vida útil seria afetada negativamente de alguma forma pelo fato de que a impressão 3D usou tecnologia na construção”.
