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Inspirando-se na natureza, pesquisadores da Princeton Engineering melhoraram a resistência a rachaduras em componentes de concreto ao unir projetos arquitetônicos com processos de manufatura aditiva e robôs industriais que podem controlar com precisão a deposição de materiais.
Em um artigo publicado em 29 de agosto na revista Comunicações da Naturezapesquisadores liderados por Reza Moini, professor assistente de engenharia civil e ambiental em Princeton, descrevem como seus projetos aumentaram a resistência a rachaduras em até 63% em comparação ao concreto moldado convencional.
Os pesquisadores foram inspirados pelas estruturas de dupla hélice que compõem as escamas de uma antiga linhagem de peixes chamada celacantos. Moini disse que a natureza frequentemente usa arquitetura inteligente para aumentar mutuamente as propriedades dos materiais, como força e resistência à fratura.
Para gerar essas propriedades mecânicas, os pesquisadores propuseram um design que organiza o concreto em fios individuais em três dimensões. O design usa manufatura aditiva robótica para conectar fracamente cada fio ao seu vizinho. Os pesquisadores usaram diferentes esquemas de design para combinar muitas pilhas de fios em formas funcionais maiores, como vigas. Os esquemas de design dependem de uma leve mudança na orientação de cada pilha para criar um arranjo de dupla hélice (duas camadas ortogonais torcidas na altura) nas vigas, o que é essencial para melhorar a resistência do material à propagação de rachaduras.
O artigo se refere à resistência subjacente na propagação de trincas como um “mecanismo de endurecimento”. A técnica, detalhada no artigo do periódico, depende de uma combinação de mecanismos que podem proteger as trincas da propagação, interligar as superfícies fraturadas ou desviar as trincas de um caminho reto uma vez que elas são formadas, disse Moini.
Shashank Gupta, um estudante de pós-graduação em Princeton e coautor do trabalho, disse que criar material de concreto arquitetado com a alta fidelidade geométrica necessária em escala em componentes de construção como vigas e colunas às vezes requer o uso de robôs. Isso ocorre porque atualmente pode ser muito desafiador criar arranjos internos propositais de materiais para aplicações estruturais sem a automação e a precisão da fabricação robótica. A manufatura aditiva, na qual um robô adiciona material fio por fio para criar estruturas, permite que os designers explorem arquiteturas complexas que não são possíveis com métodos de fundição convencionais. No laboratório de Moini, os pesquisadores usam robôs industriais grandes integrados com processamento avançado em tempo real de materiais que são capazes de criar componentes estruturais de tamanho real que também são esteticamente agradáveis.
Como parte do trabalho, os pesquisadores também desenvolveram uma solução personalizada para lidar com a tendência do concreto fresco de se deformar sob seu peso. Quando um robô deposita concreto para formar uma estrutura, o peso das camadas superiores pode fazer com que o concreto abaixo se deforme, comprometendo a precisão geométrica da estrutura arquitetada resultante. Para lidar com isso, os pesquisadores buscaram controlar melhor a taxa de endurecimento do concreto para evitar distorções durante a fabricação. Eles usaram um sistema avançado de extrusão de dois componentes implementado no bico do robô no laboratório, disse Gupta, que liderou os esforços de extrusão do estudo. O sistema robótico especializado tem duas entradas: uma entrada para concreto e outra para um acelerador químico. Esses materiais são misturados dentro do bico pouco antes da extrusão, permitindo que o acelerador acelere o processo de cura do concreto, garantindo controle preciso sobre a estrutura e minimizando a deformação. Ao calibrar precisamente a quantidade de acelerador, os pesquisadores obtiveram melhor controle sobre a estrutura e minimizaram a deformação nos níveis mais baixos.
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