La prima casa stampata in 3D a base biologica al 100% svelata all’Università del Maine
Il 21 novembre, l’ASCC (Advanced Structures and Composites Center) dell’Università del Maine ha presentato BioHome3D, la prima casa stampata in 3D realizzata interamente con materiali a base biologica. BioHome3D è stato sviluppato con il finanziamento del programma Hub and Spoke del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti tra l’UMaine e l’Oak Ridge National Laboratory. I partner includevano MaineHousing e il Maine Technology Institute.
Il prototipo di 600 piedi quadrati presenta pavimenti, pareti e tetto stampati in 3D in fibre di legno e bio-resine. La casa è completamente riciclabile e altamente isolata con isolamento in legno al 100% e valori R personalizzabili. I rifiuti di costruzione sono stati quasi eliminati grazie alla precisione del processo di stampa.
“Il nostro stato sta affrontando la tempesta perfetta di una crisi abitativa e di carenza di manodopera, ma l’Università del Maine si sta intensificando ancora una volta per dimostrare che possiamo affrontare queste serie sfide con l’ingegnosità tipica del Maine”, ha affermato il governatore Janet Mills. “Con il suo innovativo BioHome3D, l’Advanced Structures and Composites Center di UMaine sta pensando in modo creativo a come possiamo affrontare la nostra carenza di alloggi, rafforzare la nostra industria dei prodotti forestali e offrire alle persone un luogo sicuro in cui vivere in modo che possano contribuire alla nostra economia. Anche se c’è ancora molto da fare, lo sviluppo di oggi è un positivo passo avanti, che sono stato orgoglioso di sostenere attraverso il mio Maine Jobs & Recovery Plan e il mio budget. Estendo le mie congratulazioni e ringraziamenti all’Università del Maine e ai suoi partner, e non vedo l’ora di continuare ad affrontare questi problemi con soluzioni innovative”.
Gli Stati Uniti e il Maine, in particolare, stanno vivendo una crisi a livello di carenza di alloggi a prezzi accessibili. La National Low Income Housing Coalition riferisce che a livello nazionale sono necessari oltre 7 milioni di alloggi a prezzi accessibili. Nel solo Maine, il deficit è di 20.000 unità abitative e cresce ogni anno, secondo la Maine Affordable Housing Coalition. Quasi il 60% degli affittuari a basso reddito nel Maine spende più della metà del proprio reddito in alloggi. Questa situazione insostenibile è esacerbata dalla duplice sfida della carenza di manodopera e dell’aumento dei prezzi dei materiali determinato dalla catena di approvvigionamento.
Oltre a Mills, tra i partecipanti all’evento di inaugurazione c’erano la senatrice americana Susan Collins; Jeff Marootian, consulente senior per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili per il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti; Rebecca Isacowitz, capo ad interim del personale dell’ufficio per l’efficienza energetica e le energie rinnovabili del DOE ; Steve McKnight, in qualità di direttore dell’ufficio di produzione avanzata per il DOE; e Xin Sun, direttore del laboratorio associato per la scienza e la tecnologia dell’energia presso l’Oak Ridge National Laboratory. I leader hanno visitato l’ASCC, hanno fornito osservazioni e hanno partecipato alla cerimonia del taglio del nastro. Erano presenti anche legislatori, sostenitori e sviluppatori di alloggi e studenti delle scuole superiori e universitari del Maine.
“Con la produzione odierna della prima casa al mondo stampata in 3D realizzata con prodotti forestali riciclati, l’Università del Maine continua a dimostrare la sua leadership globale nell’innovazione e nella ricerca scientifica”, ha affermato il senatore Collins. “Questo straordinario risultato è stato reso possibile dalla tenacia e dall’esperienza del Dr. Habib Dagher, del suo team e degli studenti dell’UMaine Advanced Structures and Composites Center. Mi congratulo con loro per aver aperto la strada a questa nuova opportunità di mercato per l’industria dei prodotti forestali del Maine, che potrebbe aiutare ad alleviare la carenza di alloggi nella nostra nazione. Il loro lavoro pionieristico getterà le basi per il futuro degli alloggi a prezzi accessibili e contribuirà a creare nuovi posti di lavoro in tutto il nostro stato”.
La tecnologia è progettata per affrontare la carenza di manodopera e i problemi della catena di approvvigionamento che stanno determinando costi elevati e limitando l’offerta di alloggi a prezzi accessibili. È necessario meno tempo per la costruzione in loco e l’allestimento della casa grazie all’uso della produzione automatizzata e della produzione fuori sede. La stampa utilizzando materie prime in fibra di legno abbondanti, rinnovabili e di provenienza locale riduce la dipendenza da una catena di approvvigionamento limitata. Questi materiali supportano la rivitalizzazione delle industrie locali di prodotti forestali e sono più resistenti alle interruzioni della catena di approvvigionamento globale e alla carenza di manodopera.
Utilizzando i processi di produzione ei materiali avanzati sviluppati presso UMaine, le future case a basso reddito possono essere personalizzate per soddisfare lo spazio, l’efficienza energetica e le preferenze estetiche del proprietario. È importante sottolineare che, poiché la tecnologia di produzione e la produzione di materiali vengono ampliate, gli acquirenti di case possono aspettarsi programmi di consegna più rapidi.
“Stiamo trovando soluzioni qui all’ASCC ai problemi urgenti che il nostro mondo deve affrontare e che il Maine deve affrontare, attraverso la ricerca sulla tecnologia eolica offshore trasformativa, soluzioni di prossima generazione per le infrastrutture di trasporto, prodotti forestali avanzati e stampa 3D su larga scala, e ovviamente , alloggi a prezzi accessibili “, ha affermato il presidente dell’UMaine Joan Ferrini-Mundy. “Il lavoro che si svolge in questo laboratorio esemplifica assolutamente il lavoro di un’istituzione per la concessione di terreni, un’istituzione che è stata avviata per aiutare a risolvere i problemi e favorire il progresso economico dello stato del Maine in collaborazione con la gente del Maine. Non potrei essere più orgoglioso di indicare questo laboratorio e esattamente come sta accadendo proprio qui.
Il prototipo è attualmente situato su una fondazione al di fuori dell’ASCC, dotato di sensori per il monitoraggio termico, ambientale e strutturale per testare le prestazioni di BioHome3D durante l’inverno del Maine. I ricercatori prevedono di utilizzare i dati raccolti per migliorare i progetti futuri.
BioHome3D è stato stampato in quattro moduli, poi trasferito sul sito e assemblato in mezza giornata. L’elettricità funzionava entro due ore con un solo elettricista necessario sul posto.
“Molte tecnologie vengono sviluppate per stampare case in 3D, ma a differenza di BioHome3D, la maggior parte viene stampata utilizzando cemento. Tuttavia, solo i muri di cemento sono stampati sopra una base di cemento gettata convenzionalmente. Per completare il tetto vengono utilizzate tradizionali strutture in legno o capriate in legno “, ha affermato Dagher, direttore esecutivo dell’ASCC. “A differenza delle tecnologie esistenti, è stata stampata l’intera BioHome3D, inclusi pavimenti, pareti e tetto. I biomateriali utilizzati sono riciclabili al 100%, quindi i nostri pronipoti possono riciclare completamente BioHome3D.”
“È questo tipo di collaborazioni pubblico-privato, supportate dall’Ufficio per i materiali avanzati e le tecnologie di produzione del DOE, che contribuirà a stimolare l’innovazione nel nostro settore manifatturiero. Queste partnership tra l’industria, il mondo accademico, il governo e i nostri laboratori nazionali hanno inaugurato nuove tecnologie fondamentali che stanno riducendo le emissioni, migliorando l’efficienza e rendendo la nostra produzione più forte, più resiliente e più sostenibile “, ha affermato Marootian, anche candidato alla carica di assistente segretario del DAI.
Secondo il Programma delle Nazioni Unite per l’ambiente, gli edifici rappresentano quasi il 40% delle emissioni globali di carbonio. La fibra di legno coltivata in modo sostenibile è una risorsa rinnovabile che cattura il carbonio durante il ciclo di crescita dell’albero. BioHome3D può essere pensato come un’unità di stoccaggio e sequestro del carbonio durante la sua vita e dopo che è stato riciclato.
Questo progetto è il prodotto di solide collaborazioni all’interno e all’esterno della comunità UMaine. Il programma Hub and Spoke finanziato dal DOE tra UMaine e Oak Ridge National Laboratory sta guidando la ricerca e lo sviluppo di alternative di materie prime per la stampa 3D a base biologica sostenibili ed economiche, come il materiale utilizzato per BioHome3D. Il programma Hub and Spoke è il risultato diretto di una richiesta avviata nel 2016 dai Sens. Collins e Angus King per un team di valutazione dello sviluppo economico del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti per aiutare il Maine a rafforzare l’economia forestale e creare posti di lavoro e opportunità nelle regioni rurali dello stato in seguito alla chiusura di alcune grandi cartiere.
La Manufacturing Demonstration Facility dell’Oak Ridge National Laboratory, leader nella produzione avanzata, e l’UMaine, sede dell’ASCC, del Forest Bioproducts Research Institute e della School of Forest Resources, sono partner naturali nel campo della stampa 3D su larga scala a base biologica. Il Maine Technology Institute ha supportato la progettazione del prototipo e MaineHousing è stato un partner chiave nello sviluppo e nella revisione delle specifiche per la casa in linea con gli standard abitativi a basso reddito.
“Questo programma mostra il potere della collaborazione scientifica per affrontare le esigenze nazionali critiche”, ha affermato Sun. “Unendo le capacità e le strutture di ORNL con l’esperienza e la spinta all’innovazione di UMaine, abbiamo raggiunto insieme una pietra miliare significativa nello sviluppo di materiali e tecnologie di produzione sostenibili e nella decarbonizzazione del settore degli edifici”.
Questo sforzo è stato reso possibile dai progressi nella produzione additiva su larga scala insieme alle innovazioni nella chimica dei materiali a base biologica che sono emerse da queste partnership.
“Questo progetto ci dà la concreta possibilità di realizzare qualcosa che fino ad oggi ci è sfuggito, e cioè la velocità di produzione, per poter produrre in serie in maniera molto veloce abitazioni. …L’idea di poter creare unità abitative in una frazione del tempo con una frazione della forza lavoro è un’efficienza mai sperimentata prima. Estenderà le nostre preziose risorse statali e federali in modo esponenziale e, cosa più importante, provvederà – rapidamente – ai più bisognosi nel nostro stato “, ha affermato Daniel Brennan, direttore di MaineHousing.
La stampa di successo di BioHome3D si basa sull’eccellenza dimostrata dall’ASCC nella produzione avanzata, nella progettazione e nella modellazione. Il prototipo è stato stampato sulla stampante 3D polimerica più grande del mondo, che nel 2019 ha prodotto la barca stampata in 3D più grande del mondo .
ASCC sarà in grado di ampliare la sua ricerca manifatturiera avanzata nella costruzione di alloggi con l’apertura della Fabbrica del futuro per la ricerca di ingegneria e materiali verdi (GEM). Una volta completato, GEM fungerà da hub per la produzione ibrida digitale su larga scala abilitata all’intelligenza artificiale. La fabbrica del futuro guiderà la ripresa economica guidata dall’innovazione nel Maine, con baie dedicate all’aumento della produzione di abitazioni, come BioHome3D, nonché alla costruzione di barche, un’importante industria del Maine.
Un aspetto chiave della struttura GEM sta preparando la forza lavoro del futuro attraverso coinvolgenti opportunità educative di livello mondiale al nesso tra ingegneria e informatica. GEM è al centro del piano dell’università per creare il nuovo Maine College of Engineering, Computing and Information Science’s (MCECIS), che integra l’istruzione e la ricerca di ingegneria e informatica. La nuova struttura GEM sarà per l’ingegneria e l’informatica paragonabile a un ospedale universitario in campo medico, dove gli studenti di ingegneria, informatica e scienze dell’informazione imparano lavorando in laboratorio accanto a docenti e personale di livello mondiale. Questo sforzo è supportato dalla Harold Alfond Foundation e da UMS TRANSFORMS, con l’obiettivo di raddoppiare la produzione di ingegneri e informatici e scienziati dell’informazione per soddisfare le esigenze della forza lavoro dello stato.
“La forza lavoro e lo sviluppo economico sono componenti essenziali della ricerca di livello mondiale dell’ASCC”, afferma Dannel Malloy, Rettore del Sistema dell’Università del Maine. “I nostri politici federali e statali sanno che un investimento nell’università di ricerca del Maine è un investimento nel futuro dello stato. Apprezziamo la visione condivisa e l’opportunità di continuare a mostrare un ritorno sull’investimento dimostrato attraverso iniziative come BioHome3D e gli studenti che imparano in pratica oggi per continuare il lavoro domani”.
Sono già stati assicurati 25 milioni di dollari in investimenti diretti per GEM, inclusi 15 milioni di dollari attraverso il Maine Jobs & Recovery Plan, la proposta avanzata dal Governatore Mills e sostenuta dalla Legislatura del Maine per investire la quota statale dei fondi di soccorso del Federal American Rescue Plan – e $ 10 milioni nel budget federale FY22 grazie ai finanziamenti richiesti da Sens. Collins e King. Quasi 40 milioni di dollari in altri fondi federali sostenuti da Sens. Collins e King sono in attesa per il progetto.
L’Advanced Structures and Composites Center è un centro interdisciplinare leader a livello mondiale per la ricerca, l’istruzione e lo sviluppo economico, che comprende scienze dei materiali, produzione avanzata e ingegneria di compositi e strutture. Ospitato in una struttura accreditata ISO-17025 di 100.000 piedi quadrati, il centro è stato riconosciuto a livello nazionale e internazionale per programmi di ricerca all’avanguardia che guidano e hanno un impatto su nuove industrie, tra cui energia eolica e marina offshore, infrastrutture civili, compositi a base biologica, grandi stampa 3D in scala, sistemi di protezione dei soldati e applicazioni innovative legate alla difesa.
