Sonhos concretos

As impressoras 3D estão se mostrando uma grande promessa na construção civil, imprimindo componentes pré-fabricados que são transportados para o canteiro de obras. Um projeto de pesquisa na Universidade Técnica de Liberec, na República Tcheca, visa criar um robô móvel que possa imprimir edifícios diretamente no local. A equipe está usando controles, drives, IHM e soluções de software da B&R para controlar a sofisticada cabeça de impressão do robô inovador.

As primeiras impressoras 3D usadas em arquitetura desempenharam um papel de suporte no processo de design: produzindo modelos de plástico para displays e apresentações. Agora, grandes impressoras estão começando a fabricar componentes de concreto usados na construção de prédios reais. Na Universidade Técnica de Liberec (UTL), na República Tcheca, porém, uma equipe de pesquisadores já se prepara para a próxima etapa dessa evolução: robôs móveis que farão a impressão direto no canteiro de obras.

A impressão 3D promete benefícios emocionantes no campo da construção civil. Os componentes de construção agora estão sendo impressos a partir de uma mistura de concreto e materiais de reforço. As novas possibilidades de design estão inspirando a criatividade dos arquitetos, e os componentes são consideravelmente mais econômicos de produzir. Uma vez que não requerem a extensa moldagem necessária para estruturas monolíticas convencionais, também resultam em menos desperdício.

Por mais empolgantes que sejam esses métodos experimentais, o estado da arte atual ainda apresenta uma série de desvantagens. Os componentes são fabricados em uma área de produção e devem ser transportados até o canteiro de obras. Os veículos utilizados para o transporte colocam restrições nas dimensões dos componentes e geram custos logísticos e impacto ambiental consideráveis. Os sistemas atuais também imprimem apenas os elementos verticais do edifício, enquanto as lajes horizontais para os pisos e tetos são criadas usando métodos convencionais.

A equipe de pesquisa da UTL visa superar essas desvantagens e imprimir edifícios inteiros de vários andares - pisos e tetos inclusive - diretamente no canteiro de obras. O robô de impressão 3D móvel será denominado Impressora Louva-a-deus (Printing Mantis), devido à semelhança do braço do robô com as patas dianteiras alongadas do inseto louva-deus. O projeto está sendo conduzido em cooperação com o Instituto de Teoria da Informação e Automação da Academia de Ciências da República Tcheca e o Instituto Klokner da Universidade Técnica Tcheca em Praga e contará com controles, drives, IHM e software da B&R.

Jiří Suchomel, da Faculdade de Artes e Arquitetura da UTL, prevê que a impressão no local com a Impressora Louva-a-deus permitirá aos arquitetos ainda mais criatividade para implementar formas complexas com precisão sem precedentes de 2 a 3 milímetros. O robô montará edifícios de vários andares no local, como grandes peças de Lego. “As lajes horizontais serão impressas no solo e içadas no lugar, enquanto as paredes verticais serão impressas diretamente em sua localização final”, descreve Suchomel. "Tudo diretamente no local."

A produção de cimento tem um impacto ambiental significativo, e os agregados e cascalho adicionados para fazer o concreto são limitados. “É por isso que queremos construir estruturas de concreto leves e de paredes finas com reforços não convencionais”, explica Suchomel. "Isso reduzirá significativamente o consumo de material."

As impressoras 3D com as quais a maioria de nós está familiarizada usam pós e plásticos. A adaptação do projeto para a impressão de uma casa, por outro lado, envolve um pouco mais do que simplesmente substituir esses materiais por concreto convencional. A mistura de cimento por si só é um grande desafio. Deve ser flexível o suficiente para trabalhar, mas também solidificar rápido o suficiente para suportar as camadas subsequentes. O concreto comum amadurece por 28 dias, mas a estrutura impressa deve ser capaz de se sustentar imediatamente.

Outro desafio importante é dar ao robô a capacidade de imprimir paredes de praticamente qualquer curvatura, incluindo pontos de inflexão, e de implementar ângulos agudos e interrupções. “Isso é importante, para que possamos dar aos arquitetos a máxima liberdade”, diz um dos principais designers do Con4Bot, o Professor Associado Václav Záda do Instituto UTL de Mecatrônica e Engenharia da Computação. Graças ao design do Con4Bot, quando a cabeça de impressão para de imprimir brevemente, por exemplo para deixar espaço para uma porta ou janela, o resto do robô pode continuar se movendo. “O grande robô é capaz de reter sua energia cinética considerável”, diz Záda, “e isso é algo que outras máquinas não podem fazer”.

Quando estiver concluído, a Impressora Louva-a-deus será um braço robótico giratório e deslizante com alcance horizontal de até 5,6 metros e alcance vertical de 3,3 metros. O projeto está sendo conduzido usando duas configurações de teste. A primeira é um robô SCARA. Atualmente sendo testada em escala 1: 4, a versão em escala real será posteriormente transportada por um caminhão de construção padrão. O segundo é um robô cartesiano no Instituto Klokner em Praga, onde pesquisadores estão testando e desenvolvendo a cabeça de impressão junto com diferentes misturas de materiais de construção.

Após uma década de cooperação com a B&R, a equipe de pesquisa sabia que os componentes de automação forneceriam não apenas o desempenho necessário, mas também a escalabilidade para crescer junto com o robô nas fases futuras de desenvolvimento e implementação. “Montamos uma solução de automação que pode lidar com quaisquer novos requisitos que surjam no futuro”, disse o engenheiro da B&R, Tomáš Kohout.

O sistema de acionamento inclui eixos com encoders multivoltas absolutos, servo motores, um sistema de controle modular e funções de segurança avançadas. "O sistema de controle de movimento integrado da B&R tornou a solução muito agradável de trabalhar, tanto para designers como para futuros operadores", disse Leoš Beran do Instituto UTL de Mecatrônica e Engenharia de Computação. "A solução é excepcionalmente escalável para o futuro, o que é especialmente importante para um projeto de pesquisa de ponta como este."

A cabeça de impressão do robô é operada por um sistema de controle da B&R. O núcleo do software de impressão 3D é baseado em componentes CNC padrão da B&R. Além disso, o kit de ferramentas mapp Technology da B&R forneceram componentes de software prontos que evitaram que a equipe tivesse que programar funções básicas, como manuseio de receitas e gerenciamento de usuários.

O software de controle é executado em um poderoso PC industrial da série Automation PC da B&R. "Além do software de controle, o Automation PC também executará a aplicação IHM baseada na web", diz Kohout. A aplicação IHM é exibida em um Automation Panel 5000 montado em um braço articulável com elementos de operação personalizados. "A IHM de última geração oferece um alto grau de flexibilidade e ergonomia de controle", observa Kohout, "e a aplicação IHM baseada na web pode ser facilmente visualizada em um PC, smartphone ou tablet."

Ainda não sabemos quando e onde a Impressora Louva-a-deus criará seu primeiro prédio de vários andares. Entre outras coisas, isso depende do andamento dos regulamentos de construção para estruturas impressas. Uma coisa é certa, no entanto: com a B&R como parceira de automação, a equipe de pesquisa tem acesso a um amplo portfólio de soluções flexíveis e escaláveis - e pode adaptar a Impressora Louva-a-deus de maneira rápida e fácil a quaisquer desafios que encontrar ao imprimir os prédios do futuro.