Esperimenti TU Monaco con rilegatura selettiva per la stampa 3D di complesse strutture bioniche in calcestruzzo
Mentre la stampa 3D col calcestruzzo continua a rivoluzionare i progetti di costruzione in tutto il mondo e cambia il modo in cui la gente pensa all’architettura, molte aziende e istituti di ricerca stanno compiendo un grande sforzo per continuare la ricerca in questo campo, sperando di far progredire la tecnologia e scoprire nuovi modi di implementazione. Gli sviluppi più recenti provengono dall’Università Tecnica di Monaco, dove i ricercatori hanno sperimentato una serie di diversi processi AM al calcestruzzo , il più promettente dei quali è l’approccio relativamente nuovo chiamato ” binding selettivo ”.
Queste attività di ricerca sono condotte in uno sforzo collaborativo tra il TUM’s Chair of Timber Stuctures e Building Construction e il Centre for Building Materials . La Fondazione di ricerca tedesca (DFG), insieme all’iniziativa di ricerca “Zukunft Bau” del Ministero federale tedesco per l’ambiente, la conservazione della natura, la costruzione e la sicurezza nucleare (BMUB), hanno fornito i finanziamenti per sostenere questi progetti di ricerca.
Il vantaggio principale che la stampa 3D offre per la costruzione è il miglioramento della libertà di progettazione, nonché la maggiore facilità e velocità con cui i prototipi possono essere messi insieme. A differenza dell’uso di casseforme e stampi, i processi di stampa 3D possono creare strutture in cemento depositando selettivamente il materiale esattamente dove deve andare, che poi si solidificherà. Ciò consente di realizzare forme molto più complesse, il che sarebbe impossibile con le tecniche convenzionali e queste strutture più complesse consentono di migliorare le proprietà. Ad esempio, un tubo di cemento potrebbe essere realizzato con pareti molto più sottili grazie al supporto di un’elaborata struttura interna di rinforzo, che consente di risparmiare sui materiali e di ridurre il peso senza sacrificare la resistenza.
La tecnica AM in calcestruzzo più comunemente utilizzata è il metodo di estrusione standard, che estrude calcestruzzo prefabbricato da un ugello, in modo simile alla stampa 3D FDM crea strutture da materiali termoplastici. L’associazione selettiva è un metodo più recente, che estrude una miscela di acqua e cemento anziché di solo cemento. L’area di costruzione viene preparata con strati di sabbia, che gradualmente verranno impostati per formare forme in cemento dopo essere state utilizzate con il materiale estruso. La sabbia in eccesso viene quindi rimossa.
Il team del TUM ha dovuto costruire un’unità di rilegatura selettiva per testare quest’ultimo processo di produzione additiva , che ha richiesto circa tre anni per perfezionarsi. La loro stampante 3D sovradimensionata riempie un’intera stanza di laboratorio nel seminterrato della loro sede. Prima di avviare la stampante 3D, la sabbia viene prima distribuita utilizzando un sistema di diffusione automatica. Un sistema tridimensionale di binari sposta la testina di stampa, consentendone il posizionamento in qualsiasi punto specifico dello spazio di lavoro, come richiesto dal progetto. L’ugello può quindi applicare il fluido esattamente dove deve andare.
Il successo della stampa dipende dall’ottenere il giusto spessore degli strati, la giusta granulometria della sabbia, una velocità appropriata per la testina di stampa in movimento, e il giusto tipo di ugello, tra le altre cose. Gli ingegneri del TUM Center for Building Materials hanno contribuito all’ottimizzazione dei parametri di stampa. Il team sta ora sviluppando una stampante 3D la cui testina di stampa sarà equipaggiata con diverse migliaia di ugelli. che renderà possibile la produzione di componenti con volumi di circa dieci metri cubi, l’altezza di un piano in un edificio. Questa sarà la prima volta che componenti di queste dimensioni verranno realizzate utilizzando questa tecnica di rilegatura selettiva: i test dovrebbero iniziare l’anno prossimo.
Il team ha anche fatto alcuni progressi con il metodo di stampa 3D di estrusione più comune, in termini di materiali utilizzati e del sistema adottato per elaborarli. Un progetto ha visto l’aggiunta di trucioli di legno alla miscela di calcestruzzo standard, questa miscuglio può fornire un isolamento termico integrato dovuto all’aria extra nel materiale, proteggendo gli edifici dal sottoraffreddamento in inverno o dal surriscaldamento in estate. Questo leggero legno-cemento è resistente e isolante quanto il cemento aerato convenzionale, ma la sua stampabilità significa che può essere trasformato in strutture molto più elaborate. Per spostare la testina di stampa e per estrudere questo nuovo materiale in modo più efficiente, è stato utilizzato un braccio robotico controllato da un nuovo computer, posizionando precisamente i trefoli di cemento uno sopra l’altro per formare la struttura desiderata.
Secondo il Dr. Klaudius Henke della TUM Chair of Timber Structures and Building Construction, “la produzione additiva è estremamente strategica per la costruzione: consente una vasta gamma di forme ad elevati livelli di efficienza economica, anche in lotti di piccole dimensioni … ( Cambierà l’architettura: la tecnologia non solo consente una forma più versatile, ma anche una maggiore varietà, dal momento che ogni componente può essere progettato individualmente senza incorrere in costi aggiuntivi “.
