Autores Ali Akbar Firozi e Ali Asghar Firoozi via CellPress - ScienceDirect

Acesso Livre Publicado: 17 de outubro de 2023 DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e20982

Skylar Tibbits, professora do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), apresentou pela primeira vez o conceito de impressão 4D em uma palestra no TED. Ele descreveu a impressão 4D (4DP) como a capacidade de programar materiais para sofrer mudanças de forma, propriedades e até mesmo processar informações ao longo do tempo. Desde a introdução deste conceito, investigadores e engenheiros de todo o mundo têm trabalhado para avançar e aperfeiçoar esta tecnologia, investigando as suas potenciais aplicações em áreas como a arquitetura, aeroespacial e medicina. A engenharia civil, um campo caracterizado pela inovação contínua, molda o ambiente construído e a infraestrutura que sustenta as nossas sociedades. À medida que surgem novas tecnologias, a engenharia civil se adapta, buscando métodos mais eficientes para projetar, construir e manter as estruturas que nos rodeiam [ 1 ]. Um desses avanços tecnológicos com potencial para transformar a engenharia civil é o 4DP. Nesta introdução, aprofundaremos o conceito de 4DP e seu impacto potencial na engenharia civil.

4DP expande a base da impressão 3D (3DP), uma tecnologia que permite a criação de objetos tridimensionais complexos por meio da deposição de material camada por camada. Embora o 3DP já tenha encontrado inúmeras aplicações na engenharia civil, desde modelos arquitetônicos até componentes estruturais em escala real, o 4DP impulsiona essa tecnologia a novos patamares. A característica definidora do 4DP é o uso de materiais que podem mudar suas propriedades e comportamento ao longo do tempo em resposta a estímulos externos. Esses “materiais inteligentes”, como polímeros com memória de forma, hidrogéis e compósitos responsivos a estímulos, permitem a criação de estruturas que podem se adaptar a condições variáveis, como temperatura, umidade e carga [2 , 3 ] .

No contexto da engenharia civil, o 4DP oferece diversas vantagens. Em primeiro lugar, permite o desenvolvimento de infra-estruturas adaptáveis ​​e reactivas, que podem melhorar a segurança e a resiliência face a catástrofes naturais ou condições meteorológicas extremas. Por exemplo, uma ponte impressa em 4D pode ser capaz de redistribuir a carga em tempo real, garantindo a integridade estrutural mesmo sob tensões inesperadas. Em segundo lugar, o 4DP tem potencial para contribuir para práticas de construção mais sustentáveis. Ao utilizar materiais que podem ser programados para alterar as suas propriedades, torna-se possível minimizar o desperdício, reduzir o consumo de energia e criar estruturas ecológicas. Além disso, os componentes impressos em 4D podem ser projetados para automontagem ou autocura, reduzindo a necessidade de trabalho manual e manutenção. Finalmente, o 4DP abre novas possibilidades de design na engenharia civil. Estruturas geométricas complexas que antes eram difíceis ou impossíveis de criar usando métodos tradicionais agora podem ser facilmente fabricadas. Isso permite que arquitetos e engenheiros ultrapassem os limites do que é possível, criando estruturas que não são apenas funcionais, mas também esteticamente impressionantes [ [4] , [5] , [6] ].

A escalabilidade é uma preocupação significativa quando se trata de integração do 4DP na engenharia civil. Embora protótipos e componentes em pequena escala tenham sido produzidos com sucesso, a expansão desta tecnologia para grandes projectos de infra-estruturas apresenta desafios únicos. Isto requer avanços no processo de impressão, materiais e equipamentos para garantir que as estruturas impressas em 4D possam manter as suas capacidades adaptativas e integridade estrutural em escalas maiores. As limitações materiais também representam um desafio para o 4DP na engenharia civil. Embora os materiais inteligentes apresentem propriedades notáveis, eles devem ser equilibrados em relação a fatores como durabilidade, economia e compatibilidade com os materiais de construção existentes. Esforços contínuos de pesquisa e desenvolvimento são necessários para identificar e refinar materiais que atendam às demandas das aplicações de engenharia civil sem sacrificar os benefícios oferecidos pelo 4DP [ 2 , 3 ].

Maraveas, C. et al. [ 7 ] investigou o potencial da tecnologia 4DP na produção de plásticos sustentáveis ​​para uso agrícola. Os autores destacaram os avanços na ciência dos materiais, no design e nos processos de fabricação que promoveram o desenvolvimento do 4DP. Esta tecnologia de impressão incorpora a utilização de materiais inteligentes que têm a capacidade de alterar a sua forma e propriedades ao longo do tempo, em resposta a estímulos externos. Eles ressaltaram os benefícios potenciais do emprego de plásticos sustentáveis ​​impressos em 4D na agricultura. Estas vantagens incluem a implantação de sistemas de libertação controlada de fertilizantes e pesticidas, sistemas de irrigação adaptativos e estruturas de protecção das culturas. Ao mesmo tempo, eles abordaram os desafios associados ao desenvolvimento de materiais, escalabilidade e questões regulatórias. Os autores concluíram que o 4DP possui um potencial considerável para revolucionar a produção sustentável de plásticos na agricultura. Enfatizaram a necessidade de pesquisa, desenvolvimento e colaboração interdisciplinar contínuos para concretizar plenamente o seu potencial.

Ameta, KL et al. [ 8 ] apresentou uma revisão exaustiva do estado atual e das perspectivas futuras das tecnologias 3D e 4DP no âmbito da fabricação inteligente sustentável e ecologicamente correta. Os autores exploraram os avanços nos materiais, processos e aplicações ligados a estas tecnologias de impressão, juntamente com os desafios e oportunidades que representam para a produção sustentável. As ramificações ambientais da adoção do 3D e do 4DP também foram discutidas, como a redução de resíduos, a melhoria da eficiência dos recursos e a promoção dos princípios da economia circular. A revisão enfatizou o potencial destas tecnologias em vários setores, incluindo saúde, aeroespacial, automotivo e construção. Além disso, sublinhou a necessidade de mais investigação, desenvolvimento e colaboração entre as partes interessadas para enfrentar os desafios associados e explorar plenamente os benefícios do 3D e do 4DP na produção inteligente sustentável e amiga do ambiente.

Ram Kishore, S. et al. [ 9 ] conduziram um estudo sobre o potencial da utilização de biocompósitos de fibra natural em 4DP para aplicações agrícolas sustentáveis, como bio-mulching. Os autores examinaram minuciosamente o estado atual das tecnologias e materiais 4DP, destacando os benefícios do emprego de fibras naturais. Esses benefícios incluíram um impacto ambiental reduzido, propriedades mecânicas aprimoradas e maior biodegradabilidade. As vantagens potenciais do uso de biocompósitos de fibra natural impressos em 4D na agricultura foram discutidas. Essas vantagens incluíram a melhoria da saúde do solo, a minimização do desperdício de plástico e o aumento da produtividade das culturas. O artigo também destacou os desafios e as lacunas de pesquisa existentes na área, como processamento de materiais, capacidade de impressão e desempenho a longo prazo. Isto enfatizou a necessidade de pesquisa e desenvolvimento contínuos para explorar plenamente o potencial dos biocompósitos de fibra natural impressos em 4D para aplicações agrícolas sustentáveis ​​e muito mais.

Os desafios regulatórios também devem ser considerados à medida que o 4DP se torna mais prevalente na engenharia civil. Os códigos e padrões de construção precisarão ser atualizados para acomodar as propriedades e comportamentos exclusivos das estruturas impressas em 4D. Este processo exigirá a colaboração entre pesquisadores, engenheiros, legisladores e reguladores para garantir que os benefícios do 4DP possam ser realizados, mantendo a segurança e a confiabilidade do ambiente construído [10 ] .

Alves, JL et al. [ 11 ] se envolveu em uma discussão abrangente em torno das aplicações e desafios potenciais do 4DP na indústria da construção. Os autores examinaram minuciosamente o estado atual da tecnologia, materiais e metodologias de projeto 4DP, avaliando seu potencial para promover soluções de construção adaptativas, sustentáveis ​​e eficientes. Eles aprofundaram ainda mais as implicações potenciais do 4DP nos processos de construção, mão de obra e fatores ambientais. O capítulo investiga os desafios e restrições relacionados ao 4DP na construção, como desenvolvimento de materiais, capacidade de impressão e questões regulatórias. Em conclusão, os autores sugeriram direcções e estratégias de investigação prospectivas para superar estes desafios, permitindo assim a implementação bem sucedida da 4DP no sector da construção. Em última análise, questionaram se o 4DP representa uma realidade atual, um vislumbre do futuro ou se é apenas uma faceta da ficção científica no contexto da construção.

Debrah, C. et al. [ 12 ] exploraram o papel da inteligência artificial (IA) na promoção de práticas de construção ecológica em seu artigo. Os autores estudaram várias técnicas e algoritmos de IA aplicados nas fases de projeto, construção e operação de projetos de construção verde, destacando seu potencial para aumentar a eficiência energética, reduzir impactos ambientais e otimizar a utilização de recursos. O estudo forneceu uma revisão abrangente das aplicações atuais de IA em edifícios verdes, como modelagem de informações de construção (BIM), projeto generativo e simulação de desempenho, bem como sua eficácia no alcance de metas sustentáveis. Além disso, os autores discutem os desafios e limitações associados à adoção da IA ​​no setor da construção verde, tais como a qualidade dos dados e as preocupações com a privacidade. O artigo concluiu propondo direções e estratégias de investigação futuras para aproveitar o potencial da IA ​​no avanço das práticas de construção ecológica, enfatizando a necessidade de colaboração interdisciplinar, melhoria da gestão de dados e inovação contínua.

A integração do 4DP na engenharia civil exige uma mudança notável na força de trabalho. Profissionais como trabalhadores da construção civil, engenheiros e arquitetos precisarão realizar reciclagem e qualificação para compreender e trabalhar de forma eficaz com tecnologias e materiais 4DP. Isto exige um esforço unificado das instituições educacionais, organizações profissionais e partes interessadas da indústria para garantir que a próxima geração de profissionais de engenharia civil esteja equipada com o conhecimento e as habilidades necessárias para aproveitar o potencial do 4DP [4 ] . Em conclusão, a incorporação do 4DP na engenharia civil traz um imenso potencial para moldar futuras infra-estruturas. À medida que enfrentamos e superamos os desafios e limitações desta tecnologia, lançamos as bases para uma nova época de soluções de engenharia civil adaptativas, sustentáveis ​​e inovadoras. Adotar a 4DP pode permitir-nos construir um ambiente construído mais inteligente, eficiente e resiliente, concebido para servir as necessidades das nossas comunidades nas gerações vindouras.

Além disso, o 4DP está a emergir como uma tecnologia transformadora no campo da construção, prometendo mudanças revolucionárias na forma como os edifícios e as infra-estruturas são concebidos, construídos e operados. Esta tecnologia amplia as capacidades do 3DP, introduzindo uma dimensão adicional baseada no tempo, permitindo que estruturas impressas se transformem ou se automontem em resposta a estímulos externos [1 ] . O potencial do 4DP na construção é vasto, mas a sua realização depende de avanços em múltiplas frentes de investigação. A literatura existente fornece numerosos insights sobre essas direções, que este artigo pretende revisar criticamente. Estudos recentes destacam as vantagens do 4DP na criação de geometrias complexas que antes eram desafiadoras ou mesmo impossíveis de serem alcançadas com técnicas de construção convencionais. O 4DP facilita a incorporação de materiais inteligentes que podem se adaptar às mudanças nas condições ambientais, aumentando assim a sustentabilidade e a resiliência dos ambientes construídos. No entanto, estes benefícios potenciais não estão isentos de desafios. A seleção de materiais adequados para 4DP continua sendo uma questão crucial, com pesquisas em andamento explorando a adaptação de vários materiais, como ligas e polímeros com memória de forma, hidrogéis e biopolímeros, para aplicações de construção [5 , 13 ] . Além disso, a escalabilidade do 4DP para construção em grande escala é outro tópico de investigação activa. Estudos estão investigando a adequação de diferentes tecnologias de impressão, como estereolitografia (SLA) e processamento digital de luz (DLP), para 4DP em grande escala [14 ] . Isto inclui um exame da sua viabilidade para impressão de componentes pequenos e complexos, o que pode não ser possível com outros métodos.

Finalmente, a aplicação da tecnologia 4DP na engenharia civil, embora ainda em fase inicial, promete avanços inovadores neste campo. Embora a tecnologia 3DP ofereça a vantagem de fabricar desenhos geométricos complexos, a 4DP vai além ao incorporar o elemento de transformação ao longo do tempo, facilitando a automontagem e a resposta aos estímulos ambientais. Esta revisão fornece um exame detalhado do estado atual do 4DP na engenharia civil, apresentando uma análise crítica da investigação existente e discutindo potenciais desenvolvimentos futuros. Nosso foco não é apenas explorar os avanços tecnológicos, mas também traçar interconexões entre eles e esclarecer como eles podem influenciar o futuro da engenharia civil. Embora existam revisões que discutem a tecnologia 4DP, esta revisão é única no seu foco específico na aplicação e no potencial da 4DP na engenharia civil. Ao contrário das análises anteriores, aprofundamos os potenciais usos, benefícios e desafios da tecnologia 4DP na construção de grandes estruturas civis, como edifícios, pontes e barragens. Além disso, a nossa revisão fornece uma análise aprofundada das abordagens metodológicas utilizadas neste campo emergente e oferece um resumo abrangente e comparação de vários estudos. Esta abordagem permite-nos fornecer uma compreensão mais rica e diferenciada do estado da tecnologia 4DP na engenharia civil e oferecer recomendações mais direcionadas para futuras pesquisas e desenvolvimento neste campo.

REFERÊNCIA:
Ali Akbar Firoozi, Ali Asghar Firoozi,

A systematic review of the role of 4D printing in sustainable civil engineering solutions, Heliyon,

Volume 9, Issue 10, 2023,

e20982, ISSN 2405-8440,

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e20982.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844023081902)