Pesquisadores em MIT desenvolveram uma estrutura de design que otimiza estruturas de concreto enquanto leva em conta os limites físicos das impressoras 3D. A pesquisa também revela que o {hardware} da impressora, e não o concreto, é o principal gargalo para alcançar estruturas mais leves.
O concreto é o materials de construção mais utilizado no mundo e uma das maiores fontes de emissões de carbono. Imprimi-lo gota por gota, como um grande tubo de gelo robótico, é um caminho para uma pegada menor: elimina o trabalho de despejar em moldes e deposita o materials apenas onde a estrutura realmente precisa dele. O problema é que os designs mais enxutos gerados por computador muitas vezes são impossíveis de imprimir. Os engenheiros usam a otimização topológica para encontrar a forma mais forte com menos materials, mas os resultados delicados e em forma de teia ignoram a realidade das impressoras de grande escala, com seus bicos grossos, giro restrito e necessidade de assentar o concreto em um caminho ininterrupto.
Projetando para o que uma impressora pode realmente construir
A equipe do MIT, escrevendo no diário Fabricação Aditivaincorporou esses limites de fabricação na própria otimização, para que a saída possa ser impressa com pouco ou nenhum retrabalho handbook.
Para identificar os reais constrangimentos, os investigadores juntaram-se ao Autodesk Programa de Residência em Pesquisa e trabalhou ao lado dos operadores de impressoras de grande porte no Centro de Tecnologia da Autodesk em Boston. “Eles apontaram para alguns de nossos ângulos agudos e disseram: ‘Não me sinto seguro em imprimir algo assim’”, lembrou Kim-Tackowiak. Essas trocas estabeleceram três limites: a espessura necessária de cada cordão impresso, a precisão com que o bico pode girar e a necessidade de imprimir continuamente, cada um dos quais foi traduzido nas regras matemáticas da estrutura.
A velocidade diferenciou a abordagem. Os métodos mais antigos otimizam primeiro a forma e depois exigem, nas palavras de Kim-Tackowiak, “uma enorme quantidade de pós-processamento” que pode durar dias; a nova estrutura produzia designs totalmente imprimíveis em aproximadamente dois minutos em um laptop computer, e uma redução de tamanho de última hora no dia da impressão levava apenas cinco a ten minutos para ser executada novamente.
A matemática habilitadora, a otimização de números inteiros mistos, foi por muito tempo descartada como impraticável. “Atingir essa velocidade é recente”, disse o co-autor Zane Schemmer, um estudante de doutorado da CEE. “Voltando há cinco, 10 anos, o solucionador que usamos, mesmo há três anos, não conseguia resolver esses problemas. Esse campo tem sido evitado, porque todo mundo pensa que esse não é um caminho que possamos seguir. Mas com novos algoritmos e recursos, está se tornando uma forma de começar a enquadrar problemas.”
Uma ponte que expôs o verdadeiro gargalo
Para validar o método, a equipe imprimiu e testou em carga uma ponte de 2,3 metros nas instalações da Autodesk. “A ponte levou cerca de 30 minutos para ser construída e foi construída com argamassa pronta para uso”, disse a autora sênior Josephine Carstensen. A estrutura de aproximadamente 900 libras suportava mais de 2.000 libras espalhadas por ela sem nenhuma curvatura mensurável, acompanhando de perto as simulações da equipe.
A maior surpresa do teste foi quanta força não foi utilizada. “O que descobrimos foi que nosso resultado foi superprojetado”, disse Kim-Tackowiak. “De zero a 200.000 libras, seu projeto é inteiramente orientado por essas restrições ‘posso construir ou não’. E então, depois de 200.000 libras, você pode começar a pensar sobre a física.” Em suma, os limites da impressora, e não a resistência do concreto, ditaram o quão eficiente a ponte poderia ser.
Como a estrutura encontra o design matematicamente preferrred, os pesquisadores poderiam definir o preço de cada limite de {hardware} em materials. “Com a otimização de números inteiros mistos, podemos encontrar o ótimo world, a melhor solução que existe, em vez de apenas uma boa solução”, disse Carstensen.
O fator decisivo foi a largura do cordão: a ponte usava um cordão de 4 centímetros, mas a análise mostrou que uma impressora que colocasse um cordão de 1 centímetro poderia reduzir o uso de materials em até 76%, mantendo-se “bem dentro das margens de segurança”. Isso superou as expectativas. “Achei que o problema seria o caminho contínuo, aquele que teria o maior efeito”, disse Carstensen. “Mas não foi. Foi a largura do cordão.” A descoberta dá efetivamente aos fabricantes de impressoras um roteiro, mostrando que atualizações modestas de {hardware} podem gerar grandes ganhos de eficiência e reduzir a pegada de carbono do concreto.
Criado para compactação e o que vem a seguir
A ponte funciona porque todas as partes estão sob compressão. “Com o concreto, é muito bom quando você empurra, e muito ruim quando você puxa”, disse Schemmer. “Somos capazes de garantir que cada pedaço de concreto que você vê está comprimido, não há nenhuma parte sendo puxada.” A economia vem tanto do uso de menos materials quanto da eliminação complete dos moldes, uma vantagem que cresce para formas únicas; Carstensen vê uma promessa inicial na ajuda humanitária em caso de catástrofe, onde “é possível construir rapidamente novas infra-estruturas sem necessidade de fazer cofragens”.
Essa natureza apenas de compressão foi demonstrada vividamente após o teste. A ponte suportava mais de 2.000 libras sem ser movida, mas quando um trabalhador levantou um canto alguns centímetros para passar por baixo dela, ela quebrou, pois o elevador colocou partes da estrutura em tensão que elas nunca foram projetadas para suportar. “É preferrred em um aspecto, mas definitivamente não é preferrred em todos os sentidos”, disse Kim-Tackowiak.
O próximo passo é o concreto armado: “Sabemos que uma estrutura de concreto puro não será necessariamente a solução preferrred, por isso estamos transferindo-a mais para o mundo em que vivemos hoje, que é o concreto armado”, disse ela, acrescentando que “descobrir como inserir vergalhões em uma estrutura de concreto impresso está se mostrando um desafio próprio”.
O trabalho foi financiado pelo Fundação Nacional de Ciência e apoiado pelo Centro de Tecnologias Avançadas de Produção do MIT.
Projetando o carbono do concreto antes de ser derramado
A ação do MIT é estratégica, não apenas materials. Em vez de alterar a composição do concreto, a equipe muda a forma como seu formato é escolhido, vinculando o otimizador aos limites reais da impressora para que estruturas enxutas e livres de mofo possam realmente ser construídas. Ao definir o preço de cada limite de materials desperdiçado, transformamos a sustentabilidade num número concreto e mostramos aos fabricantes de máquinas exactamente o que devem corrigir.
Essa abordagem se encaixa no trabalho recente de impressão com baixo teor de carbono. Em 2025, Universidade da Pensilvânia professor Masoud Akbarzadeh e empresa suíça de materiais Sika revelado Diamanti, uma ponte de concreto impressa em 3D em Veneza cuja geometria oca e padronizada foi projetada para reduzir tanto o uso de materials quanto o carbono incorporado; sua montagem pós-tensionada e sem adesivo também o torna desmontável e reciclável, ecoando a ênfase do MIT em colocar materials apenas onde a estrutura necessita dele.
Outros grupos atacaram o mesmo problema através da química. Também em 2025, a Tailândia SCG completou um Ponte pedonal impressa em 3D usando LC3uma mistura de baixo carbono que troca parte do cimento por argila calcinada, enquanto Pesquisadores da Oregon State College introduziram uma argila de presa rápida que cura instantaneamente na extrusão e evita o cimento cuja produção é responsável por cerca de 8% das emissões globais de CO₂.
Geometria, materiais e máquinas estão convergindo para o mesmo objetivo: menos carbono por estrutura. A conclusão do MIT é que a impressora é agora o fator limitante. Um {hardware} melhor, e não apenas um concreto melhor, pode gerar os maiores ganhos.
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A imagem em destaque mostra Um shut da ponte mostra as camadas empilhadas, ou cordões, de concreto extrudado, dispostas em um único caminho contínuo sem moldes. Foto through MIT.