Lasers abrem caminho para melhor aproveitamento do cimento

Sep 02, 2023

Por Adam Hadhazy

5 de junho de 2023

Engenheiros da Universidade de Princeton estão implantando lasers para avaliar com precisão uma grande desvantagem do cimento impresso em 3D – a resistência do material à fratura. Os pesquisadores esperam que o progresso nessa área possa levar a um uso mais amplo da manufatura aditiva em estruturas à base de cimento. O objetivo de longo prazo é desenvolver materiais melhores usando técnicas aditivas que levem a designs e funções inovadoras.

O cimento é o principal ingrediente do concreto que compõe grande parte da construção moderna - incluindo edifícios, estradas, pistas, pontes e represas. Nos últimos anos, como a impressão 3D demonstrou vantagens em eficiência e versatilidade, houve um interesse crescente em aplicar a tecnologia à construção.

Mas, em comparação com o concreto moldado convencionalmente, as alternativas impressas em 3D podem estar sujeitas a rachaduras, principalmente em áreas entre diferentes camadas de concreto. Os pesquisadores atribuem isso a microestruturas não uniformes introduzidas pelo processo de camadas usado na impressão 3D. Pesquisadores de Princeton usaram um novo teste para entender melhor essa rachadura em nível microscópico. Suas descobertas sugerem que, ao caracterizar adequadamente as propriedades de fraturamento, o concreto impresso em 3D pode ser tão forte ou até mais forte que o concreto fundido.

Em um estudo na revista Cement and Concrete Composites, os pesquisadores de Princeton demonstram um novo método de teste que usa lasers para cortar ranhuras localizadas com precisão em cimentos impressos em 3D. Ao controlar a potência e a velocidade do laser, os pesquisadores podem controlar características críticas, como a profundidade e a forma dos sulcos. Esse controle permite testes muito mais precisos do que os métodos convencionais.

“Agora podemos obter uma compreensão mais completa das propriedades de fratura de materiais à base de cimento impressos em 3D sob vários modos de falha, o que é importante para eventualmente ampliar essa tecnologia”, disse Reza Moini, professor assistente do Departamento de Civil e Engenharia Ambiental em Princeton e autor sênior do estudo. "Existem novas oportunidades para fabricar materiais mais fortes e resistentes, aproveitando o design da arquitetura de materiais e a liberdade de fabricação que acompanham as tecnologias aditivas".

Os outros autores do estudo em Princeton, todos membros do laboratório de Moini, são Shashank Gupta e Arjun Prihar, ambos Ph.D. estudantes, e Hadi Esmaeeli, um ex-pesquisador associado.

Ao contrário do concreto fundido, que é derramado em uma forma e endurecido, o concreto impresso em 3D envolve um bocal que extruda uma pasta de cimento um fio de cada vez. O bocal se move para frente e para trás, construindo o concreto fio por fio e, eventualmente, camada por camada.

Um desafio é que, durante a extrusão, um filme fino e rico em água tende a se formar ao redor de cada fio impresso para facilitar o fluxo. Esses filmes ricos em água podem levar a falhas internas significativas e heterogeneidades entre os fios do material impresso em 3D, contribuindo para a fraqueza estrutural.

Os pesquisadores de Princeton examinaram essas interfaces com mais detalhes para entender sua relação com as propriedades de fratura. A equipe de pesquisa inicialmente fabricou e curou amostras para testes usando uma impressora 3D personalizada que extrudava pasta de cimento. Os testes tradicionais geralmente envolvem o corte de entalhes no material, geralmente com serras circulares. Para estudar as microestruturas, no entanto, essas serras podem atuar como instrumentos contundentes, muitas vezes levando a entalhes não afiados. Isso pode tornar o teste difícil e impreciso.

Em vez de usar uma ferramenta física como uma serra para cortar entalhes, Moini e seus colegas optaram por usar um laser de laboratório. Sua abordagem corta os entalhes de teste exatamente onde é necessário, por exemplo, na interface entre as camadas impressas.

“A vantagem deste teste para materiais frágeis impressos em 3D é que, usando a mesma geometria de amostra, pode-se capturar a resistência à rachadura sob tensão, cisalhamento ou qualquer combinação dos dois”, disse Moini.

Shashank Gupta, o primeiro autor do artigo, enfatizou que "essa abordagem pode ajudar a informar as propriedades do material, pois os pesquisadores estão trabalhando com a indústria para ampliar os processos de fabricação de aditivos de concreto para aplicações estruturais e não estruturais".