Stampa 3D Aerea Autonoma: Il Framework “Chunk-Based” di Luleå University of Technology
Un gruppo di ricercatori della Luleå University of Technology in Svezia ha messo a punto un sistema di fabbricazione additiva completamente autonomo, capace di realizzare strutture 3D utilizzando droni. Firmato da Marios-Nektarios Stamatopoulos, Jakub Haluska, Elias Small, Jude Marroush, Avijit Banerjee e George Nikolakopoulos, questo progetto combina un algoritmo di scomposizione ottimizzata delle mesh con un controllo di volo avanzato, consentendo la stampa di pannelli di schiuma poliuretanica espansa direttamente in aria.
Suddividere i Modelli in “Chunk” Produttivi
Il punto di partenza è un modello CAD che viene suddiviso in sottostrutture stampabili, definite “chunk”, organizzate all’interno di un grafo di dipendenze. Ogni drone riceve in sequenza uno o più chunk, tenendo conto dei vincoli di stampa e dei collegamenti tra le parti. In fase di sperimentazione i ricercatori hanno impiegato un esacottero dotato di un contenitore pressurizzato contenente schiuma poliuretanica: durante il volo l’estrusore deposita il materiale seguendo i percorsi generati con il software Cura.
Controllo di Volo con Modello Predittivo
Per garantire precisione nel deposito del materiale, il team ha implementato un Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) dotato di stimatore di disturbi. Questo controllore senza offset compensa effetti aerodinamici, variazioni di peso dovute al consumo della schiuma e il cosiddetto effetto suolo, tutti fattori che normalmente compromettono la stabilità dei droni in prossimità del terreno.
Validazione in Arena Interna
Le prove si sono svolte in un campo di volo indoor con sistema di motion capture. Sono stati realizzati due prototipi: un guscio rettangolare cavo e una maglia esagonale. Entrambi i modelli sono stati divisi in otto chunk e stampati per strati, con il drone che tornava automaticamente alla base per il cambio della bomboletta di schiuma. Un “grembiule” protettivo attorno all’estrusore ha ridotto le turbolenze generate dalle eliche, mentre un incastro a gradini ha migliorato l’adesione tra le sezioni successive.
Precisione e Prestazioni
Gli errori di posizionamento sono rimasti compresi fra 2 e 6 centimetri. Un confronto volumetrico, basato su voxel 3D, ha confermato scostamenti minimi tra percorso di riferimento e stampa effettiva. Sebbene alcune deformazioni sono attribuibili a correnti d’aria residue, le geometrie ottenute mantengono coerenza dimensionale e solidità sufficiente per ipotizzare applicazioni più complesse nel settore delle costruzioni.
Eredità e Sviluppi Futuri
Il lavoro di Luleå riprende concetti elaborati da centri come l’Imperial College London e l’University of Bath, ma li integra in un unico sistema operativo, dal mesh slicing fino al controllo multifase dei droni. Tra gli obiettivi del team figurano la stampa parallela con sciami di UAV, l’impiego di materiali più robusti e l’ottimizzazione del flusso dei materiali tramite simulazioni fluidodinamiche (CFD).
Potenziale per il Settore Edile
Nel Regno Unito, Airframe Designs ha già impiegato droni per stampare in calcestruzzo strutture complesse, mentre l’iniziativa Break the Grid di GXN Innovation mira a rivestire edifici con isolanti 3D printed. Il framework di Luleå colma il divario tra prototipazione e applicazioni reali, offrendo un percorso per ridurre costi di cantiere, incrementare la sicurezza sul lavoro e spingere verso nuove metodologie di costruzione.
