La precisione del giunto diventa un requisito strutturale
La stampa 3D del calcestruzzo permette di produrre elementi senza casseforme, adattare la forma dei componenti alle sollecitazioni previste e integrare geometrie difficili da realizzare mediante getto convenzionale. La possibilità di stampare un elemento, tuttavia, non garantisce che il componente possa essere assemblato con precisione o impiegato direttamente in una struttura portante.
Il problema emerge quando un edificio, un ponte o un sistema prefabbricato viene suddiviso in più segmenti. Le superfici che devono combaciare possono presentare ondulazioni, bordi danneggiati, variazioni dimensionali e irregolarità dovute alla deposizione del materiale. Anche una deviazione limitata può ridurre l’area effettiva di contatto, concentrare le tensioni in pochi punti e anticipare la formazione delle fratture.
Un gruppo della Technische Universität Braunschweig ha analizzato questo passaggio produttivo studiando l’effetto della segatura robotizzata e della fresatura CNC sui giunti a secco di elementi in calcestruzzo stampato in 3D. I ricercatori Abtin Baghdadi, Robin Doerrie e Harald Kloft hanno confrontato tre tecniche additive, quattro geometrie di collegamento e diverse strategie di finitura.
I risultati mostrano che la lavorazione sottrattiva può portare alcuni giunti a sostenere carichi vicini a quelli di un elemento monolitico. Lo studio evidenzia però anche un aspetto meno immediato: una lavorazione più complessa non produce automaticamente il giunto migliore. La forma dell’interfaccia, il metodo di stampa, l’orientamento degli strati e il tipo di utensile devono essere considerati come parti dello stesso sistema.
Perché le costruzioni stampate vengono divise in segmenti
La stampa monolitica di un’intera struttura può sembrare la soluzione più lineare, ma incontra limiti legati alle dimensioni dell’impianto, alla stabilità del processo, al trasporto e all’integrazione delle armature.
Una stampante installata in uno stabilimento può produrre soltanto elementi compatibili con il proprio volume operativo. Un sistema robotizzato in cantiere evita alcuni vincoli logistici, ma deve gestire condizioni ambientali, posizionamento, alimentazione del materiale e controllo della traiettoria su superfici estese.
La suddivisione in segmenti permette di produrre i componenti in un ambiente controllato, trasportarli e assemblarli nel luogo di installazione. Consente inoltre di integrare armature, condotti, inserti o trattamenti superficiali prima del montaggio.
Questa impostazione trasferisce però una parte decisiva della responsabilità strutturale ai collegamenti. Un giunto deve allineare i segmenti, trasferire compressione e taglio, limitare gli spostamenti relativi e tollerare le inevitabili variazioni produttive.
I giunti a secco studiati dalla Technische Universität Braunschweig funzionano senza malta, resina o altro materiale aggiunto tra le due superfici. Il carico viene trasmesso attraverso il contatto diretto, l’attrito e l’incastro geometrico. Il montaggio può quindi essere più rapido e, in determinate configurazioni, reversibile. La stessa caratteristica rende il risultato sensibile alla precisione delle superfici: se i due lati non combaciano, soltanto una parte dell’area progettata partecipa al trasferimento del carico.
Tre processi di stampa con comportamenti differenti
La ricerca ha confrontato calcestruzzo proiettato, estrusione e stampa su letto di particelle. I tre processi producono materiali con caratteristiche superficiali e strutturali differenti.
Nel processo di calcestruzzo proiettato, indicato come Shotcrete 3D Printing, una miscela cementizia viene pompata verso un ugello e proiettata nella posizione stabilita dal percorso robotico. La deposizione non genera strati regolari come quelli dell’estrusione e può produrre un materiale più vicino a un comportamento isotropo.
Per questa parte della sperimentazione è stato utilizzato un robot industriale a sei assi di Stäubli. Il Digital Building Fabrication Laboratory della Technische Universität Braunschweig integra inoltre una macchina CNC a cinque assi di OMAG, proveniente dal settore della lavorazione della pietra, con un sistema robotizzato Stäubli montato su una cinematica a portale.
Nella stampa per estrusione, la miscela viene spinta attraverso un’apertura rettangolare e depositata in cordoni sovrapposti. Il metodo è diffuso nella produzione additiva per l’edilizia, ma introduce una direzione preferenziale nel materiale. Le proprietà possono cambiare in funzione dell’orientamento del carico rispetto agli strati.
La ricerca ha rilevato questa anisotropia nei provini monolitici estrusi. I campioni caricati perpendicolarmente agli strati hanno raggiunto circa 694 kN, mentre quelli caricati parallelamente si sono fermati intorno a 568 kN. La differenza, pari a circa il 22%, mostra perché l’orientamento non possa essere trattato come una scelta puramente produttiva.
Il terzo processo era basato sull’attivazione selettiva del cemento in un letto di polvere. Una testina deposita un liquido soltanto nelle zone da consolidare, mentre il materiale circostante sostiene il componente durante la costruzione.
Questo metodo può generare dettagli geometrici più minuti, ma i provini presentavano maggiore porosità, legami più deboli tra gli strati e bordi più fragili. La fresatura migliorava l’accoppiamento delle superfici, senza eliminare i limiti della struttura interna del materiale.
Per i campioni realizzati tramite calcestruzzo proiettato ed estrusione è stata impiegata una miscela premiscelata a grana fine fornita da MC-Bauchemie Müller GmbH & Co. KG. La formulazione comprendeva cemento Portland, aggiunte pozzolaniche, fumo di silice, aggregati fini e microfibre di polipropilene.
Quattro geometrie per trasferire il carico
I ricercatori hanno valutato quattro forme di giunto, denominate Smooth, Triangular, Arc e Trun-Pyramid.
Il giunto Smooth è costituito da due superfici piane. È la configurazione più semplice da produrre e assemblare, ma non offre un vero incastro meccanico. La resistenza dipende soprattutto dalla planarità, dall’attrito e dall’uniformità del contatto.
Il profilo Triangular utilizza una successione di elementi triangolari complementari. L’incastro limita lo scorrimento, ma le punte e le superfici inclinate possono trasformare una parte del carico verticale in spinte laterali. In presenza di errori dimensionali, i vertici diventano punti di concentrazione delle tensioni.
Il giunto Arc impiega una superficie curva. Invece di introdurre cambi di direzione netti, accompagna il carico lungo un percorso continuo. La compressione viene distribuita su una fascia più ampia e le tensioni risultano meno concentrate rispetto ai profili con spigoli pronunciati.
Il Trun-Pyramid è formato da un incastro a piramide tronca. Le superfici inclinate distribuiscono il carico su più zone di appoggio, ma la sezione ristretta e i passaggi tra le diverse inclinazioni possono favorire fratture localizzate.
La scelta delle quattro forme non è stata guidata soltanto dalla resistenza teorica. La Technische Universität Braunschweig ha considerato anche la possibilità di produrre le superfici mediante segatura o fresatura, la facilità di assemblaggio e la sensibilità agli errori.
Dalla geometria digitale al percorso dell’utensile
I modelli dei giunti sono stati preparati con Rhino, software sviluppato da Robert McNeel & Associates. I dati geometrici sono stati successivamente elaborati in EasySTONE, piattaforma CAD/CAM di DDX Software Solutions progettata per controllare centri di lavoro a tre, quattro e cinque assi.
EasySTONE ha generato il codice macchina e i percorsi destinati al sistema CNC. Per le geometrie fresate sono state previste lavorazioni di sgrossatura e finitura. Alcuni profili hanno richiesto l’intervento da più lati a causa dei limiti di accesso dell’utensile.
Il processo seguito dai ricercatori può essere descritto come una catena ibrida. Il componente viene stampato con una quantità di materiale sufficiente a contenere la geometria finale. Il robot o la macchina CNC rimuovono poi il materiale in eccesso soltanto nelle zone di collegamento.
Questo approccio conserva la libertà geometrica della produzione additiva, ma affida le superfici critiche alla precisione della lavorazione sottrattiva. Non è necessario fresare l’intero componente: vengono lavorate le zone nelle quali planarità, allineamento e tolleranze influenzano il comportamento strutturale.
Una campagna composta da 120 prove
Il programma sperimentale comprendeva 102 prove di compressione su campioni monolitici e giuntati, alle quali si sono aggiunte 18 prove su cubi di riferimento. Il totale è stato quindi di 120 test.
I giunti erano formati da due metà con un’impronta di appoggio pari a 100 × 100 millimetri. Una volta assemblati, i campioni raggiungevano un’altezza complessiva di circa 200 millimetri.
Ogni configurazione è stata ripetuta tre volte. Le prove sono state condotte applicando uno spostamento controllato fino alla rottura, mentre sensori disposti sui campioni misuravano le deformazioni verticali e laterali.
Per verificare la precisione geometrica, il gruppo della Technische Universität Braunschweig ha acquisito scansioni laser di 168 metà di giunto, corrispondenti a 84 coppie. Le nuvole di punti sono state confrontate con i modelli CAD mediante una procedura sviluppata in MATLAB.
La risoluzione delle scansioni era di circa 0,1 millimetri nelle direzioni del piano di misura. Il confronto ha permesso di quantificare scostamenti medi, errori quadratici e deviazioni locali.
L’analisi non si è limitata alla forma complessiva. I ricercatori hanno osservato scheggiature, vuoti, abrasioni, rotture dei bordi e segni lasciati dagli utensili. Questi difetti riducono l’area realmente disponibile per il contatto, anche quando le dimensioni generali del pezzo rispettano il progetto.
Il giunto curvo raggiunge il riferimento monolitico
Tra le geometrie analizzate, il profilo Arc ha fornito il comportamento più stabile nei tre processi di stampa.
Nel calcestruzzo proiettato, il giunto Arc fresato ha raggiunto un carico massimo medio di 659,0 kN. Il campione monolitico di riferimento, nella stessa direzione, aveva raggiunto 662,6 kN. La differenza è contenuta nell’ordine di pochi punti percentuali e può essere influenzata anche dalla variabilità dei campioni e dalle condizioni di contatto con la macchina di prova.
Il risultato indica che una discontinuità geometrica non comporta necessariamente una perdita marcata di capacità. Quando la superficie curva combacia in modo controllato, il carico viene trasferito lungo un percorso prevalentemente compressivo.
Le prime fratture osservate nei giunti Arc comparivano vicino alle spalle della curva, dove cambiano curvatura e pressione di contatto. Il danno si distribuiva comunque su una zona più ampia rispetto alle geometrie triangolari.
Anche nell’estrusione il profilo Arc ha ottenuto il valore più alto tra i giunti testati, raggiungendo circa 645 kN. Il dato era superiore al riferimento monolitico estruso orientato a 0°, ma inferiore al campione monolitico a 90°.
La vicinanza tra i risultati del calcestruzzo proiettato e dell’estrusione suggerisce che la forma curva possa compensare una parte delle differenze introdotte dai due processi produttivi. La curvatura non elimina porosità, difetti o anisotropia, ma riduce la concentrazione delle tensioni causata dalla forma del giunto.
La segatura supera la fresatura nei profili semplici
Per i giunti piani e triangolari in calcestruzzo proiettato, la segatura ha prodotto risultati superiori alla fresatura CNC.
I giunti Smooth tagliati con sega hanno raggiunto 596,6 kN e 583,0 kN, a seconda dell’orientamento. Le versioni fresate si sono fermate rispettivamente a 485,3 e 479,6 kN.
Una spiegazione proposta dai ricercatori riguarda l’aggressività della lavorazione. La sega produce una superficie attraverso un percorso diretto, mentre la fresatura richiede più passate e può lasciare segni, piccole scheggiature o irregolarità. Su una superficie piana, questi difetti possono essere più dannosi dei limitati vantaggi geometrici offerti dalla fresatura.
La stessa tendenza è stata osservata nei giunti Triangular. La configurazione in calcestruzzo proiettato tagliata con sega e orientata a 90° ha raggiunto 621,5 kN, circa il 6% in meno rispetto al campione monolitico da 662,6 kN. La corrispondente versione fresata ha raggiunto 533,2 kN.
Nel materiale estruso, il Triangular tagliato con sega ha sostenuto circa 465 kN, mentre la versione fresata si è fermata intorno a 360 kN. In questo caso, i segni dell’utensile e le irregolarità sugli spigoli si combinano con la direzionalità degli strati, facilitando la formazione di fratture.
I risultati non dimostrano che la fresatura sia meno adatta in ogni applicazione. Mostrano che il processo deve essere proporzionato alla geometria. La fresatura CNC è utile quando sono richieste superfici curve o profili tridimensionali, mentre un taglio semplice può essere più rapido e meno dannoso per forme piane o composte da segmenti rettilinei.
Il costo produttivo cambia con la forma del giunto
La differenza tra segatura e fresatura è evidente anche nei tempi di lavorazione.
Una superficie Smooth tagliata con sega richiedeva poco più di un minuto e un percorso utensile di circa 3,2 metri. La fresatura dello stesso profilo richiedeva oltre 24 minuti e un percorso di circa 22 metri.
Le due metà del giunto Triangular tagliato con sega richiedevano circa sette-otto minuti ciascuna, con percorsi inferiori a cinque metri. La fresatura delle stesse superfici richiedeva circa 23 minuti per lato.
Il profilo Arc comportava percorsi di circa 41-45 metri e tempi compresi tra 38 e 40 minuti per ciascuna metà. Il Trun-Pyramid richiedeva circa 40-43 minuti.
La geometria più resistente non coincide quindi con quella più economica da produrre. Il profilo Arc fresato offre il trasferimento del carico più regolare, ma richiede passate multiple, controllo della distanza tra i percorsi e utensili capaci di lavorare un materiale abrasivo.
Il Triangular tagliato con sega offre invece un compromesso tra capacità e tempo. Nel campione in calcestruzzo proiettato, il carico era vicino a quello del riferimento monolitico, mentre il tempo necessario era una frazione di quello richiesto dal profilo Arc.
In una linea industriale, la scelta dipenderebbe dal numero dei componenti, dai requisiti strutturali, dalla durata degli utensili e dal livello di automazione. Un giunto destinato a un elemento fortemente sollecitato potrebbe giustificare il tempo richiesto dalla fresatura curva. Per segmenti ripetuti in grandi quantità, un profilo ottenibile mediante pochi tagli rettilinei potrebbe risultare più adatto.
I limiti della stampa su letto di particelle
I campioni prodotti su letto di particelle hanno mostrato le capacità assolute più basse. La fresatura CNC ha migliorato quasi tutte le configurazioni rispetto alle superfici lasciate nello stato di stampa, ma non ha compensato completamente la porosità e la debolezza dei legami tra gli strati.
Nel profilo Trun-Pyramid, il campione fresato ha raggiunto 117,5 kN, contro 76,0 kN della versione non lavorata. Nel profilo Arc, la fresatura ha portato il carico da 75,2 a 102,9 kN.
L’incremento deriva da un appoggio più uniforme, da una migliore planarità e dalla rimozione di parte delle irregolarità superficiali. La rottura rimaneva però condizionata dalla struttura del materiale. I bordi potevano sgretolarsi e le fratture seguivano le zone più porose o le interfacce tra gli strati.
I risultati chiariscono la differenza tra precisione geometrica e qualità del materiale. Una macchina CNC può correggere la forma esterna, ma non può consolidare i vuoti interni o aumentare retroattivamente l’adesione tra le particelle.
Per utilizzare questa tecnologia in componenti portanti sarebbero necessari interventi sulla miscela, sull’attivazione del cemento, sulla densità del letto e sugli eventuali trattamenti successivi.
La direzione degli strati resta una variabile progettuale
Nei tre processi, i campioni caricati perpendicolarmente agli strati hanno fornito in genere risultati superiori a quelli caricati parallelamente.
Quando il carico attraversa gli strati, la compressione tende a mantenerli uniti. Quando il carico agisce parallelamente, eventuali discontinuità possono diventare piani preferenziali per lo scorrimento o la separazione.
L’effetto era limitato nel calcestruzzo proiettato, più evidente nell’estrusione e marcato nella stampa su letto di particelle. La differenza riflette il modo in cui ciascun processo forma la struttura interna.
La geometria del giunto può modificare il percorso delle forze e ridurre alcuni effetti dell’orientamento. Il profilo Arc guida la compressione lungo una superficie continua; il Trun-Pyramid divide l’appoggio in più fasce; il Triangular genera invece componenti laterali che possono sollecitare maggiormente le interfacce tra gli strati.
Il progetto di un collegamento stampato dovrebbe quindi stabilire nello stesso momento la direzione di costruzione, la forma del giunto e la strategia di finitura. Definire questi aspetti in fasi separate aumenta il rischio di produrre una geometria difficile da lavorare o incompatibile con la direzione più resistente del materiale.
Dal componente stampato al sistema costruttivo
La ricerca della Technische Universität Braunschweig è stata condotta su campioni non armati e di dimensioni controllate. Le prove hanno applicato una compressione monotona centrata, senza riprodurre tutte le sollecitazioni presenti in una struttura.
Un giunto reale deve sopportare anche taglio, trazione, carichi eccentrici, vibrazioni, cicli ripetuti, variazioni termiche e condizioni ambientali. Può inoltre essere combinato con armature, barre di post-tensione o sistemi di confinamento.
I risultati non costituiscono quindi una procedura di dimensionamento pronta per l’impiego in un edificio. Forniscono una base comparativa per scegliere quali geometrie e processi approfondire.
Il lavoro rientra nel programma Additive Manufacturing in Construction TRR 277, finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft. Il progetto riunisce la Technische Universität Braunschweig e la Technische Universität München con l’obiettivo di sviluppare materiali, processi, sistemi di progettazione e metodi di controllo per la produzione additiva nell’edilizia.
La linea di ricerca sui giunti proseguirà con prove combinate, sistemi precompressi e dimostratori di scala maggiore. Sarà necessario verificare se le prestazioni misurate sui piccoli campioni possano essere conservate aumentando le dimensioni, introducendo armature e lavorando con le tolleranze di un processo industriale.
Una produzione additiva che comprende anche la finitura
Lo studio mette in discussione l’idea che la produzione di un componente termini con l’ultimo strato depositato. Per gli elementi destinati all’assemblaggio, la stampa può essere soltanto la prima parte di una catena composta da scansione, lavorazione, controllo dimensionale e verifica strutturale.
Il robot che deposita il calcestruzzo e la macchina che prepara il giunto svolgono funzioni complementari. La stampa produce il volume e la geometria generale; la lavorazione sottrattiva controlla le superfici sulle quali dipende il trasferimento del carico.
La soluzione più adatta non è necessariamente quella con il maggior numero di operazioni. Nei profili semplici, la segatura ha richiesto meno tempo e ha conservato una capacità superiore alla fresatura. Nei profili curvi, la fresatura ha permesso di ottenere una distribuzione del carico vicina a quella dei campioni monolitici.
Per trasformare il calcestruzzo stampato in un sistema costruttivo assemblabile, la precisione non può essere considerata una finitura estetica. Diventa una proprietà strutturale, misurabile attraverso la corrispondenza tra modello digitale, superficie prodotta e area reale di contatto.
