Hochschule München studia la stampa 3D con malte da riciclo per edifici
La Hochschule München, Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera, ha concluso una fase importante del progetto Innobau 3D, dedicato alla stampa 3D nel settore edilizio con materiali a base cementizia e aggregati riciclati. Il lavoro coinvolge la Facoltà di Ingegneria Civile e porta le firme dei professori Jörg Jungwirth e Thorsten Stengel, con il contributo di Andrea Kustermann, Kai Tandon e Nico Obermeier all’interno dell’Institut für Material- und Bauforschung. Il progetto è stato finanziato dal Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie e dal Forschungszentrum Jülich GmbH, con una dotazione indicata dalla Hochschule München in oltre 450.000 euro.
L’obiettivo non è soltanto dimostrare che una parete può essere depositata strato dopo strato. La ricerca affronta due problemi molto concreti della stampa 3D edilizia: da una parte il costo e l’impatto ambientale delle malte fini formulate per l’estrusione, dall’altra la difficoltà di calcolare in modo standardizzato la capacità portante di elementi costruiti con un processo additivo. La Hochschule München spiega che le miscele per la stampa devono essere pompabili, estrudibili, abbastanza stabili da non collassare durante la deposizione e capaci di indurire con tempi adatti al processo.
Il nodo delle malte speciali nella stampa 3D edilizia
Nel cantiere tradizionale il calcestruzzo viene gettato dentro casseforme, vibrato, maturato e verificato secondo procedure consolidate. Nella stampa 3D, invece, il materiale esce da un ugello o viene consolidato in un letto di particelle senza l’uso della cassaforma convenzionale. Questo cambia molte regole: il materiale deve scorrere nelle tubazioni, mantenere la forma subito dopo l’uscita, legarsi bene allo strato precedente e sopportare il peso degli strati successivi.
Le malte oggi utilizzate per il 3D concrete printing sono spesso miscele fini e molto controllate. Funzionano bene per il processo, ma possono avere costi elevati e una bilancia ambientale meno favorevole, anche perché richiedono leganti e additivi specifici. Nel progetto Innobau 3D, Thorsten Stengel e il suo gruppo hanno lavorato su materiali di stampa basati su risorse disponibili a livello regionale, comprese granulometrie leggere, grossolane e riciclate.
Aggregati da demolizione: una risorsa utile ma difficile da controllare
Il punto più interessante riguarda l’impiego di aggregati riciclati provenienti da edifici demoliti. In un’ottica di economia circolare, usare materiale da demolizione nel nuovo costruito permette di ridurre il conferimento in discarica, limitare il prelievo di sabbia e ghiaia vergini e accorciare alcune filiere di trasporto. La Commissione europea ricorda che i rifiuti da costruzione e demolizione rappresentano più di un terzo di tutti i rifiuti generati nell’Unione Europea, quindi il tema non è marginale per il settore edilizio.
Il problema è che l’aggregato riciclato non si comporta come un inerte naturale pulito e omogeneo. Può contenere residui di malta vecchia, frammenti porosi, parti con assorbimento d’acqua differente e frazioni con caratteristiche variabili. La Hochschule München segnala proprio il comportamento di assorbimento dell’acqua come una delle difficoltà tecniche del progetto: il materiale riciclato può rendere una miscela più o meno stampabile a seconda della sua porosità e del modo in cui trattiene l’acqua.
Per la stampa 3D questo aspetto è decisivo. Se la miscela perde acqua troppo velocemente, può diventare difficile da pompare o non aderire correttamente allo strato precedente. Se invece mantiene troppa acqua libera, rischia di deformarsi sotto il proprio peso. La ricerca della Hochschule München si concentra quindi su un equilibrio delicato: usare più materiale riciclato, ma senza perdere lavorabilità, stabilità geometrica e prestazioni meccaniche.
Due tecnologie: estrusione e stampa a letto di particelle
Innobau 3D non si limita a un solo processo. Il progetto studia sia la stampa per estrusione sia il partikelbettdruck, cioè la stampa a letto di particelle. Nel primo caso, un materiale fluido o pastoso viene depositato come cordone continuo, strato dopo strato. È la tecnologia più riconoscibile quando si parla di pareti stampate in 3D, perché il risultato mostra spesso linee orizzontali sovrapposte.
Nel secondo caso, il componente nasce dentro un letto di materiale granulare: il granulato viene distribuito a strati e consolidato selettivamente nelle zone desiderate. In edilizia questo approccio è interessante perché può consentire forme complesse, elementi prefabbricati e geometrie non ottenibili con un semplice ugello di estrusione. La Hochschule München indica entrambe le tecniche come parte del progetto, con lo sviluppo di materiali specifici e di dimostratori finali.
PERI e FIT AG come partner industriali
I partner industriali indicati nel progetto sono PERI, con sede a Weißenhorn, e FIT AG, con sede a Lupburg. PERI è uno dei nomi più noti nel settore della stampa 3D edilizia in Germania: l’azienda ha partecipato alla costruzione del primo edificio residenziale stampato in 3D in Germania a Beckum e del primo edificio plurifamiliare stampato in 3D a Wallenhausen, in Baviera.
FIT AG è invece un gruppo industriale tedesco specializzato nella produzione additiva, con attività che coprono progettazione, produzione e servizi legati all’additive manufacturing. Nel progetto Innobau 3D, la presenza congiunta di PERI e FIT AG permette di collegare due aree diverse: la stampa 3D di grande scala per l’edilizia e l’esperienza industriale nella fabbricazione additiva di componenti complessi.
Il problema della statica negli edifici stampati in 3D
La seconda parte della ricerca riguarda la verifica strutturale. Un edificio stampato in 3D non può essere trattato automaticamente come un muro tradizionale in calcestruzzo gettato. Il processo strato su strato introduce discontinuità, direzioni preferenziali, interfacce tra layer e possibili differenze di resistenza a seconda della direzione del carico. Questo comportamento viene definito spesso anisotropo: il materiale non risponde allo stesso modo in tutte le direzioni.
Jörg Jungwirth ha lavorato su provini e modelli per ricavare parametri di resistenza utili ai calcoli statici. La Hochschule München spiega che il progetto ha definito dimensioni, condizioni di appoggio e forze applicate per modellare il comportamento portante degli elementi stampati. L’obiettivo è arrivare a basi di calcolo più solide, riducendo la dipendenza da autorizzazioni caso per caso per ogni singolo progetto edilizio.
Questo punto è fondamentale per la diffusione della stampa 3D nel settore costruzioni. Finché ogni edificio richiede verifiche speciali e procedure autorizzative complesse, la tecnologia resta confinata a dimostratori, progetti pilota e casi con forte supporto tecnico. Per entrare nella pratica corrente servono metodi di prova, criteri di progetto e modelli di calcolo accettabili da progettisti, enti di controllo e autorità edilizie.
Un padiglione come prova pratica
I risultati della ricerca sono stati applicati a un dimostratore: un piccolo padiglione collocato davanti all’edificio della Hochschule München in Karlstraße. Secondo l’università, le pareti sono state prodotte con stampa per estrusione, mentre la copertura è stata realizzata con stampa a letto di particelle. Questa scelta rende il prototipo più interessante di una semplice parete dimostrativa, perché mette nello stesso oggetto due processi additivi differenti.
Il padiglione serve a verificare non solo la stampabilità del materiale, ma anche l’integrazione tra geometria, prestazioni meccaniche, stabilità del componente e logica costruttiva. In altre parole, il progetto non riguarda soltanto la ricetta della malta, ma l’intero passaggio dal materiale al componente edilizio.
Perché il riciclo nel calcestruzzo è più complicato di quanto sembri
Nel dibattito pubblico il riciclo dei materiali da costruzione viene spesso presentato come una soluzione semplice: si demolisce, si frantuma, si riutilizza. Nel calcestruzzo strutturale, però, la situazione è più delicata. Le proprietà dell’aggregato riciclato devono essere misurate, controllate e collegate all’uso finale. Una parete interna non esposta al gelo richiede requisiti diversi da una facciata, da un elemento portante o da una struttura soggetta a cicli gelo-disgelo. Un precedente progetto della Hochschule München sulla Bayernkaserne di Monaco aveva già messo in evidenza la necessità di conoscere densità, assorbimento d’acqua, granulometria e resistenza prima di impiegare calcestruzzi con aggregati riciclati.
Nella stampa 3D edilizia questa complessità aumenta. Il materiale non deve soltanto raggiungere una resistenza a 28 giorni; deve comportarsi bene nei primi minuti, durante la deposizione. Deve essere abbastanza fluido per essere pompato, ma abbastanza rigido per non deformarsi. Deve avere una presa controllata e creare un buon legame tra strati. Con aggregati riciclati, ogni variazione di assorbimento può modificare questa finestra di lavorazione.
CO₂, risorse e filiera locale
Il settore delle costruzioni ha un peso rilevante sul consumo di risorse e sulle emissioni. La Commissione europea stima che le emissioni legate all’estrazione dei materiali, alla produzione dei prodotti da costruzione e alla costruzione o ristrutturazione degli edifici rappresentino tra il 5 e il 12% delle emissioni nazionali di gas serra nei Paesi UE. La stessa fonte indica che una maggiore efficienza nell’uso dei materiali potrebbe ridurre in modo significativo questa quota.
In questo contesto, la stampa 3D con materiali riciclati ha senso solo se viene valutata sull’intero ciclo di vita. Non basta dire che un edificio è stampato in 3D o che contiene materiale riciclato: bisogna capire quanta materia prima vergine viene evitata, quanta energia serve per frantumare e selezionare gli aggregati, quale quantità di cemento o legante viene usata, quali trasporti vengono ridotti e quale durata si ottiene dal componente finito. Il progetto Innobau 3D affronta proprio questa zona intermedia tra sostenibilità dichiarata e prestazione verificabile.
Dalla ricerca alla pratica edilizia
La Hochschule München sottolinea che in Germania i primi edifici residenziali e industriali stampati in 3D hanno portato la tecnologia fuori dalla fase puramente sperimentale. PERI, per esempio, ha realizzato a Beckum un edificio residenziale con stampante da costruzione e a Wallenhausen un edificio plurifamiliare stampato in 3D. Questi progetti mostrano che la stampa 3D può già arrivare in cantiere, ma non risolvono da soli il problema della standardizzazione dei materiali e dei calcoli.
La ricerca della Hochschule München si inserisce proprio qui: rendere il processo meno dipendente da malte costose, integrare materiali riciclati e sviluppare basi di calcolo per componenti portanti. Se questi tre aspetti avanzano insieme, la stampa 3D edilizia può diventare uno strumento più utile per prefabbricazione, piccoli edifici, padiglioni, elementi non standard, pareti tecniche e componenti con geometrie ottimizzate.
Cosa resta da risolvere
La strada verso l’uso diffuso resta tecnica e normativa. Gli aggregati riciclati devono essere qualificati con costanza. Le miscele devono mantenere prestazioni ripetibili anche quando cambia la provenienza del materiale. Le interfacce tra gli strati devono essere verificate. I progettisti hanno bisogno di modelli di calcolo affidabili. Gli enti autorizzativi devono poter valutare un edificio stampato senza trattarlo ogni volta come un caso speciale.
Anche la parte di cantiere richiede attenzione. Una stampante 3D edilizia non elimina tutte le lavorazioni: fondazioni, armature dove necessarie, impianti, serramenti, impermeabilizzazioni, finiture e controlli restano parte dell’opera. Il vantaggio della stampa può emergere quando la libertà geometrica, la riduzione delle casseforme, l’automazione e l’uso mirato del materiale compensano la complessità del processo.
Un passo concreto per il 3D printing nelle costruzioni
Innobau 3D non presenta la casa stampata come promessa generica, ma lavora su ciò che serve davvero per avvicinare la tecnologia alla pratica edilizia: materiale, processo, prova meccanica, calcolo e dimostratore. La combinazione tra Hochschule München, PERI e FIT AG mostra un approccio applicato, con la ricerca universitaria collegata a partner industriali che conoscono produzione additiva e cantieri reali.
Per chi segue la stampa 3D, il punto da osservare è il passaggio dal materiale “stampabile” al materiale “progettabile”. Una miscela che esce bene dall’ugello non basta; deve diventare un elemento con proprietà note, verificabili e inseribili in un progetto strutturale. L’uso di aggregati riciclati aggiunge un secondo livello: non si tratta solo di stampare in 3D, ma di capire se il materiale proveniente dal vecchio costruito può rientrare in modo controllato nel nuovo costruito.
Il padiglione realizzato a Monaco non chiude il percorso, ma offre una prova fisica di questa direzione. La Hochschule München indica già ulteriori attività di ricerca sul materiale di stampa e sull’ottimizzazione delle formule di calcolo. Per la stampa 3D edilizia, il tema sarà sempre meno la singola parete dimostrativa e sempre più l’integrazione tra sostenibilità, autorizzazioni, prestazioni e filiera locale.
