La tesi di laurea di ingegneria strutturale di Joseph Ingaglio ( Lehigh University di Bethlehem, Pennsylvania) esplora il potenziale di rendere la stampa 3D in costruzione una realtà piuttosto che un concetto impegnativo.
Nel raggiungere l’obiettivo di creare metodi migliorati nella produzione additiva e una migliore risoluzione rispetto ai precedenti FDM e altri metodi di estrusione, Ingaglio ha scelto di utilizzare la tecnologia binder jet, affinare i problemi con le proprietà meccaniche e mantenere l’integrità strutturale nelle geometrie più complesse. Nell’esplorare la storia della stampa 3D FDM, Ingaglio spiega che le strutture più grandi fabbricate senza la necessità di precisione e qualità della superficie sono candidati migliori con quel marchio più tradizionale di stampa 3D. Certamente, il pioniere della stampa 3D Enrico Dini ha già utilizzato il binder jetting da anni con la sua società Dshape. Gran parte della ricerca e dell’attenzione negli edifici di stampa 3D sono andati ai metodi FDM o FDM, e quasi nulla agli approcci alternativi. Tutto ciò rende questo articolo una gradita aggiunta al canone degli edifici di stampa 3D. Lo stesso Ingaglio sembra decisamente contrario ai metodi tradizionali FDM della stampa 3D.
“Tuttavia, il calcestruzzo FDM non è adatto quando si desiderano geometrie complesse, topologie raffinate, componenti leggeri e dettagli architettonici, gli aspetti più interessanti della stampa 3D architettonica e strutturale”, afferma Ingaglio.
Per compensare le inferiorità dichiarate che Ingaglio trovò nella stampa FMD 3D, creò un nuovo metodo che prevedeva il cemento a base d’acqua che poteva essere spruzzato in polvere di calcestruzzo secco combinato con un “aggregato di silice a grani fini”. Il ricercatore afferma che con questo nuovo metodo possono essere progettati componenti più complessi, e sono rinforzati con il pieno supporto dovuto alla presenza della polvere.
La stampa di leganti liquidi si basa sull’idratazione per un migliore legame dei materiali, ma deve avvenire rapidamente in modo che si verifichi quanto segue:
Prevenzione di “sanguinamento” di acqua in eccesso
Conservazione della forma durante la stampa 3D
Produzione di materiali resistenti che possono essere facilmente rimossi dal piano di stampa
Nella sua ricerca, Ingaglio ha utilizzato una stampante ZCorp 310+ , con testine di stampa di inchiostro piezoelettrico HP10 monouso. L’autore sottolinea che questa testina di stampa offre la precisione desiderata con una risoluzione fino a 300 x 450 dpi. Ha usato un legante liquido con una base d’acqua, in linea con la compatibilità del cemento.
Corrispondenza del margine di stampa con le dimensioni di stampa.
“Questo legante è stato ampiamente testato con diversi tipi di cemento, oltre al CSA, ed è stato trovato compatibile con tutti i tipi di cemento testati”, afferma Ingaglio.
La combinazione di polvere secca conteneva sia il cemento CSA che la sabbia silicea, che l’autore miscelava a mano prima di versare nel letto di stampa. Dichiara inoltre che il rapporto acqua / cemento era basso rispetto al cemento misto più tipico:
“Il rapporto acqua-cemento (w / c) è stato progettato per essere 0,293 (Mix A) e 0,373 (Mix B), ma a causa dell’assorbimento del 2,3% e del contenuto di umidità dello 0,1% della sabbia, il rapporto w / c in idratazione è ridotto a 0,221 e 0,301, rispettivamente “, afferma Ingaglio. “Il rapporto w / c effettivo potrebbe essere inferiore, perché questo studio non ha tenuto conto della perdita di acqua dovuta al sanguinamento nelle particelle circostanti o all’evaporazione.”
Il ricercatore è stato in grado di creare campioni di controllo dopo aver combinato manualmente cemento, acqua e materiali aggregati e di formatura, compressi in stampi. Ingaglio li ha curati per 24 ore prima di pesarli, misurarli e lavarli.
Campioni stampati e stampati.
“A causa della natura ad azione rapida del cemento CSA (senza retarder), i campioni di controllo stampati erano difficili da imballare e dovevano essere completati in pochi minuti”, afferma Ingaglio. “Inoltre, la relativa secchezza del mix ha causato scarsa lavorabilità e alti livelli di compattazione non erano fattibili (nei campioni di controllo).”
Il test di compressione è stato eseguito in quattro diversi test di:
Miscela stampata in 3D A
Mix stampato 3D B
Miscela modellata A (controllo convenzionale)
Miscela modellata B (controllo convenzionale)
I campioni sono stati quindi valutati per quanto riguarda lo stress normale e parallelo. I test di trazione sono stati eseguiti utilizzando la procedura di prova AFS 3301-00-S e per il test del modulo elastico, una serie di cubi è stata valutata utilizzando una macchina di prova Instron 5500. I risultati hanno mostrato che la maggior parte dei campioni mostrava meno densità e vuoto maggiore rispetto a quelli creati con metodi convenzionali, con numerose variazioni indicate nei campioni a seconda delle combinazioni di materiali e dei processi di post-stampa.
“I risultati indicano che gli oggetti cementizi idratati CSA stampati in 3D possiedono la forza e la risoluzione necessarie per sfruttare appieno i vantaggi della produzione additiva”, ha concluso Ingaglio. “Grazie a questi metodi 3DP, gli oggetti in cemento CSA stampati possono essere stampati con maggiori dettagli, maggiore risoluzione e maggiore libertà geometrica rispetto alla stampa in calcestruzzo FDM attuale. Il vantaggio di utilizzare un materiale a base di cemento è la compatibilità delle applicazioni che possiede e la facilità con cui può essere integrato con i materiali da costruzione convenzionali nel settore delle costruzioni “.
La stampa 3D offre una lunga lista di vantaggi per aziende, artisti, consumatori e utenti in tutto il mondo; Tuttavia, una manciata di vantaggi tendono a attirare i principali titani del settore verso l’implementazione di tale tecnologia nei processi produttivi oggi a causa della convenienza, della velocità di produzione, della capacità di tagliare l’intermediario, ridurre la manodopera e creare parti sia su piccola che su larga scala che potrebbe non essere stato possibile in precedenza. Tutto ciò si applica certamente alla costruzione, come dimostra il numero crescente di storie che seguiamo, e in particolare nell’uso del calcestruzzo stampato in 3D, dall’investigazione di problemi infrastrutturali come la costruzione di ponti per la costruzione di caserme militari o la valutazione dell’uso di materiali per strutture innovative e leggere. Scopri di più sull’uso della tecnologia binder jet nella stampa 3D e nella costruzione qui .
