La stampa 3D in cemento può cambiare la natura delle costruzioni

Nel 2004 al National Building Museum di Washington si realizzò una mostra molto innovativa che raccolse l'entusiasmo di tutto il mondo delle costruzioni e della critica artistica: si trattava di “Liquid Stone” e la mostra univa i lavori in cemento di architetti, designer, produttori e artisti, realizzati con sistemi non tradizionali e includeva oggetti d'arte realizzati con calcestruzzo autocompattante e con murature in calcestruzzo autoclavato.

Se si realizzasse oggi una mostra analoga sarebbe una nuova tecnologia a farne da padrona: la stampa 3D con materiali cementizi.

Una tecnologia che si sta rapidamente evolvendo, con soluzioni che da un lato spingono per arrivare il prima possibile a "rivoluzionare" i sistemi di produzione edilizia su larga scala, e dall'altro puntano alla possibilità di realizzare strutture che con i metodi tradizionali non era possibile neppura immaginare.

Con inCONCRETO ci occupiamo sempre più spesso di queste tecnologie. In questo articolo proveremo a ricordare quelle che sono al momento le più significative.

Ronald Rael, professore associato di architettura presso l'Università della California-Berkeley, è uno dei leader nell'adozione di questa tecnologia. L'anno scorso ha costruito quello che sostiene di essere la prima e più grande struttura in “cemento 3D-stampato”, come dimostrazione del potenziale architettonico della stampa 3D.
La sua più recente creazione è Bloom: un padiglione stampato in 3d con una base materica composta da cemento in polvere. Misura circa 3 metri in altezza per 4 metri di larghezza, e altrettanti di profondità, ed è composta da 840 blocchi personalizzati, costruiti con tecnica di stampa 3d.

Per la stampa è stato utilizzata della polvere di cemento priva di ossidi di ferro.

Per realizzare la composizione è stato preso a modello il motivo floreale del tradizionale disegno Thai  e dà forma a moduli geometrici la cui composizione determina un effetto composto di ombre e luci, sia all’interno che all’esterno del padiglione.

Al legante in cemento portland utilizzato per la stampa, è stato aggiunto un polimero ecologico resistente ai raggi uv, in grado di assorbire e ridurre del 50% le emissioni dei gas a effetto serra di origine domestica.

E Real ha sottolineato che "il cemento stampato in 3d non richiede casseforme, non produce rifiuti e il materiale di scarto può essere riutilizzato per produrre nuovi blocchi.

Rael è uno dei tanti ricercatori che stanno cercando di portare la stampa 3D a poter essere utilizzata anche in ambito industriale e quindi commerciale.

I ricercatori di questa tecnologia emergente hanno qualcosa in comune. La maggior parte sono ingegneri meccanici, che arrivano alla stampa 3D del calcestruzzo attraverso le precedenti esperienze di prototipazione, portando la loro conoscenza sull’utilizzo di resine termo-plastiche, epossidiche, e di materiali ceramici.

Un altro elemento comune è la loro missione: modernizzare il processo di costruzione.
Essi ritengono che le unità di stampa 3D possano essere portate nei cantieri, per ridurre il lavoro manuale e lo spreco di risorse e materiali. Per alcuni, la stampa 3D offre un metodo per la costruzione di alloggi necessari nei paesi in via di sviluppo.

Con l'introduzione della stampa 3D, la costruzione di strutture in calcestruzzo non avrà più bisogno di utilizzare delle casseforme, si ridurrà l’uso di ponteggi e opere provvisionali, ma il suo sviluppo richiederà un nuovo sviluppo dei metodi di produzione tradizionali e dei prodotti, che dovranno possedere caratteristiche geologiche e prestazionali speciali.

La “Space-age technology”
Già nel “lontano 2010” si sentiva parlare di un nuovo processo chiamato Contour Crafting, una tecnologia inventata da un uomo di nome Dr. Behrokh Khoshnevis, direttore del Centro per la Rapid Automated (CRAFT) presso la University of Southern California (USC), nonché professore di Industrial & Systems Engineering, Aerospaziale e Ingegneria Meccanica, Ingegneria Astronautica, Ingegneria Biomedica, Ingegneria Civile e Ambientale.

Il suo approccio si basa su stampanti 3D modulari e di grandi dimensioni, che possono essere trasportate facilmente su un luogo di lavoro. Una volta trasportata la macchina e assemblata si può iniziare a costruire case o altre grandi strutture riducendo i rifiuti, il costo e il tempo necessario per costruire un edificio.

Lo scienziato ritiene che la tecnologia Contour Crafting abbia un grande potenziale per automatizzare la costruzione di strutture integrali così come sotto-componenti. Utilizzando questo processo, un costruttore può costruire una casa singola o una colonia di case, ciascuna con un disegno diverso. Le strutture possono essere costruite automaticamente in un unico passaggio, incorporando in ogni casa tutti i condotti per impianti elettrici, idraulici, e aria condizionata: “Abbiamo stampato il materiale del muro a secco. Stamperemo l’isolamento. Il Cablaggio sarà il palcoscenico futuro “, ha spiegato Khoshnevis  “Saremo un fornitore di attrezzature. Non abbiamo in programma di entrare nel business delle costruzioni. Noi venderemo o affitteremo le macchine. ”
Per il Dr. Behrokh Khoshnevis la Contour Crafting sarà disponibile sul mercato a partire da 200 mila dollari entro un paio di anni. La macchina è già ora in grado di stampare muri di cemento, isolamenti e persino muri a secco. A suo parere l’uso diffuso è previsto entro il 2020, e la possibilità di stampare dei “grattacieli” è prevista per il 2025.
I suoi concetti hanno ricevuto elogi internazionali e nel 2014 Contour Crafting ha ricevuto il primo premio tra le oltre 1.000 tecnologie concorrenti provenienti da tutto il mondo che hanno partecipato al “Future Design Contest” organizzato dal Gruppo NASA TechBriefs.
La sua squadra ha ricevuto finanziamenti dalla NASA per progettare il suo processo per la costruzione di strutture per i futuri viaggi nello spazio. Ma Khoshnevis ritiene inoltre ci siano molte applicazioni più pratiche per il suo processo.

Lo sviluppo della Stampa 3D in Europa
Lo sviluppo di stampa 3D con materiali cementizi raccoglie un forte interessa anche in Europa. Lo scorso autunno, la “Eindhoven University of Technology” ha presentato una stampante di cemento che consente di stampare oggetti che possono raggiungere i 12 metri di lunghezza, i 5 metri di larghezza e i 4 metri di altezza. L'università prevede di coordinare i suoi sforzi di ricerca con l'industria delle costruzioni. Un obiettivo primario è quello di utilizzare prodotti in calcestruzzo facilmente riciclabili.
La  stampante  sembra una gru di sollevamento posta in una sala di produzione, ma, invece di un cavo di sollevamento, ha una testina di stampa girevole per calcestruzzo abbinata con un tubo flessibile collegato a una pompa di betonaggio.

Sulla base del progetto dell’università la società olandese Rohaco ha costruito una stampante in 3D in scala industriale ( http://3dprint.com/102534/tu-e-concrete-3d-printing/)

I ricercatori stanno lavorando su come creare strutture con capacità portanti sufficienti per sostenere edifici a più piani. Il team ha anche in programma di sviluppare un metodo per stampare una singola parete multistrato che possa essere rinforzata con fibre e pannelli isolanti, con una superficie esterna sporco-repellente e superficie interna con particolari prestazioni acustiche.

In Italia a Napoli, dei ricercatori hanno sviluppato un sistema per la produzione di elementi in calcestruzzo che possono essere assemblati con barre e travi in ??acciaio in grado di comporre pilastri in cemento armato (ne abbiamo parlato anche su inCONCRETO: LINK). La ricerca è stata condotta presso il centro di ricerca CESMA (Advanced metodologiche Centro Servizi) dell'Università degli Studi di Napoli.

Questa nuova tecnologia promette di semplificare le forme e rdi isparmiare materiale, alleggerendo in tal modo gli elementi in cemento armato e riducendo i costi e l'impatto ambientale. La stampa 3D permette ai produttori di creare, elementi cavi curvi o con caratteristiche particolari che normalmente richiedono complicati stampi di legno per calcestruzzo fresco. La possibilità di ottenere forme complesse poi apre la strada a nuovi utilizzi di cemento armato oltre a quelli convenzionali, con caratteristiche estetiche e di design.

Riflessioni

Non possiamo pensare che la stampa 3D non abbia prima o poi un suo sviluppo nel mondo "vero" delle costruzioni. La molteplicità di idee e di soluzioni, la numerosità dei centri di ricerca che si stanno applicando, l'esigenza di trovare una soluzione al problema del calo di qualità della manod'opera, lo sviluppo della scienza dei materiali e l'applicazione delle nanotecnologie, l'evoluzione della prototipazione acceleranno un processo che prima o poi porteranno al BIG BANG delle costruzioni.

Per questo è un processo evolutivo che non può e non deve essere sottostimato. Con inCONCRETO continueremo a seguire con attenzione quindi questi sviluppi, cercando di stimolare l'attenzione dell'industria di filiera interna ed esterna.