Il Bovay Civil Infrastructure Laboratory Complex, situato nel seminterrato di Thurston Hall, ha un nuovo inquilino: un robot industriale di circa 6.000 libbre in grado di stampare in 3D il tipo di strutture su larga scala che potrebbero potenzialmente trasformare il settore edile, rendendolo più efficiente e sostenibile, eliminando gli sprechi della tradizionale produzione dei materiali.
Il processo di stampa 3D, noto anche come produzione additiva, ha già portato a innovazioni nella prototipazione dei prodotti e nella biomedicina. Quando si tratta di grandi progetti di costruzione, tuttavia, rimangono molte domande su come funzioneranno le strutture stampate in 3D nel mondo reale.
Con la sua capacità di testare e convalidare materiali e strutture fabbricati di tutti i tipi e dimensioni, il Bovay Lab è particolarmente adatto per sottoporre la stampa 3D su larga scala ai movimenti, alle sollecitazioni e alle sollecitazioni.
La Cornell è ora una delle poche università negli Stati Uniti ad avere un tale sistema. Secondo Derek Warner , professore di ingegneria civile e ambientale, non solo consentirà alla facoltà del College of Engineering di svolgere ricerche sulla costruzione robotica, ma fornirà anche agli studenti un’esperienza pratica nell’area tecnologica in rapida crescita all’interno delle infrastrutture civili .
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James Strait, manager dei servizi tecnologici per il Boyay Lab, e Sriramya Nair, assistente professore di ingegneria civile e ambientale, supervisionano la stampa 3D di una grande lettera C nel carattere tipografico Cornell.
“La muratura robotica (posa di mattoni), la stampa con plastica riciclata e la stampa con metallo su larga scala sono tutte aree interessanti con molto spazio di crescita, sia in termini di scienza e comprensione, che di tecnologia e ingegneria”, ha affermato Warner. “Il ridimensionamento di molti dei fenomeni che controllano i processi di costruzione sono tali che devono essere studiati su una scala vicina a quella in cui verranno utilizzati. Lo stesso vale per alcuni dei fenomeni che controllano le prestazioni. Inoltre, ci sono sempre le sorprese sconosciute che si verificano quando si esegue l’upscaling iniziale con una nuova tecnologia”.
Il sistema robotico industriale IRB 6650S è arrivato a febbraio e negli ultimi mesi il laboratorio si è formato per utilizzare il sistema robotico, che è essenzialmente un lungo braccio girevole, ed eseguire una serie di stampe di prova di medie dimensioni, inclusi banchi e fioriere, anche una grande lettera C nel carattere tipografico Cornell.
“Il sistema robotico è versatile e flessibile”, ha affermato Sriramya Nair , assistente professore di ingegneria civile e ambientale. “Uno dei modi in cui lo utilizziamo è per la stampa 3D del calcestruzzo, ma può essere utilizzato anche in altri modi. È possibile collegare una saldatrice o un sistema laser. Puoi impilare mattoni o legare armature. Molti processi noiosi possono essere automatizzati”.
Il robot è posizionato su un binario lungo 12 piedi, con una portata circolare di circa 12 piedi, per un’area di copertura totale fino a 8 piedi per 30 piedi, anche se il laboratorio non prevede di stampare nulla di così grande, secondo a James Strait, responsabile dei servizi tecnologici del Bovay Lab.
Il funzionamento del sistema è un lavoro di squadra. Un gruppo di persone mescola una malta predosata e aggiunge additivi, come un superfluidificante che riduce il contenuto d’acqua della miscela e ne migliora il flusso attraverso il tubo. Un altro gruppo gestisce il controller del robot per regolare la quantità di miscela che scorre attraverso il sistema. Quando l’additivo raggiunge la testa dell’estrusore e l’ugello del robot, viene introdotto un additivo indurente in modo che il materiale si addensi mentre viene versato.
Ottenere la giusta coerenza può essere una sfida. Chiamalo il dilemma di Riccioli d’oro.
“Gli strati inferiori devono essere sufficientemente rigidi da contenere lo strato successivo che viene stampato. Ma non possono essere così rigidi che quando si stampa il livello successivo sopra, non si attacca ad esso”, ha detto Strait. “Devi fare l’adesione lì dentro, ma non puoi averlo così morbido da schiacciare.”
Il processo è laborioso, ma se eseguito con successo, la stampa 3D elimina la necessità di stampi di colata e consente anche la creazione di forme non convenzionali, ottimizzazioni che sprecano meno materiale.
“Ogni volta che versi il cemento armato, come per un marciapiede, devi preparare tutti gli stampi. Ci vuole manodopera, materiali, devi mettere tutto in gioco. Tutta quella roba richiede molto tempo”, ha detto Strait. “Ogni modifica che apporti a una struttura in cemento, devi modificare lo stampo o ottenerne uno nuovo e dedicare manodopera per farlo. Questo è molto più difficile che andare su un programma per computer e dire: “Vuoi che sia tutto a posto?” Clic. Un paio d’ore e il gioco è fatto”.
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Un gruppo guidato da Sriramya Nair, assistente professore di ingegneria civile e ambientale, a sinistra, prepara la malta da stampare in 3D nel Bovay Lab.
Nair prevede di incorporare il sistema in una nuova classe che terrà in autunno, Sustainability and Automation: The Future of Construction Industry, che aiuterà a preparare gli studenti ai cambiamenti imminenti nel loro campo.
“Stiamo dando loro l’opportunità di imparare qualcosa che è all’avanguardia e sta accadendo in questo momento”, ha detto Nair. “Più sanno, più possono essere campioni del cambiamento, ma sanno anche quali potrebbero essere i limiti”.
Per ora, il sistema è la stampa 3D con malta, che tecnicamente è una pasta con aggregati fino a 4 millimetri di dimensione. Qualsiasi cosa più grande di quella potrebbe incepparsi e danneggiare il sistema della pompa. Tuttavia, il team di Nair intende costruire la propria testa di estrusione per stampare calcestruzzo rinforzato con fibre d’acciaio, che utilizza aggregati più grandi, in grado di sopportare carichi più pesanti. Ciò aprirà la strada al laboratorio per stampare in 3D componenti di ponti completi e testarli.
Nair spera anche che il suo gruppo possa creare la propria miscela con cui stampare, piuttosto che fare affidamento sul materiale premiscelato del produttore.
“L’impronta di carbonio di questi materiali è molto alta in questo momento”, ha affermato. “Quindi questo è un altro obiettivo, ridurre l’impronta di carbonio associata ai materiali stampati in 3D”.
James Strait, manager dei servizi tecnologici per il Boyay Lab, e Sriramya Nair, assistente professore di ingegneria civile e ambientale, supervisionano la stampa 3D di una grande lettera C nel carattere tipografico Cornell.