Progetto per il Futuro: La Stampa 3D di Cemento Eco-Sostenibile
Università della Virginia, Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate
Un gruppo di ricerca, guidato da ingegneri della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell’Università della Virginia, è il primo a esplorare come un nuovo materiale di origine vegetale, le nanofibrille di cellulosa, possa migliorare le potenzialità della tecnologia di stampa 3D del cemento.
“I miglioramenti che abbiamo osservato sia nella stampabilità che nelle proprietà meccaniche suggeriscono che l’integrazione delle nanofibrille di cellulosa nei materiali da costruzione stampabili potrebbe condurre a pratiche edilizie più resilienti e rispettose dell’ambiente in tempi brevi,” ha dichiarato Osman E. Ozbulut, professore nel Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale.
I risultati ottenuti dal suo team verranno pubblicati nel numero di settembre 2024 della rivista Cement and Concrete Composites.
Le costruzioni realizzate con cemento stampato in 3D rappresentano un’innovazione promettente nel settore delle abitazioni, offrendo numerosi vantaggi: costruzione rapida e precisa, possibile utilizzo di materiali riciclati, riduzione dei costi di manodopera e degli sprechi, il tutto consentendo la realizzazione di design complessi che sarebbero difficili da ottenere con i metodi tradizionali.
Il processo prevede l’utilizzo di una stampante specializzata che distribuisce una miscela simile al cemento a strati per costruire la struttura, il tutto guidato da un software di progettazione assistita da computer. Tuttavia, le opzioni di materiali stampabili disponibili al momento sono limitate e rimangono aperti interrogativi sulla loro sostenibilità e durata nel tempo.
“Ci troviamo di fronte a obiettivi contraddittori,” ha affermato Ozbulut. “La miscela deve avere una buona fluidità per una fabbricazione liscia, ma deve anche indurirsi in un materiale stabile con proprietà fondamentali, come una buona resistenza meccanica, un efficace legame tra gli strati e una bassa conducibilità termica.”
Le nanofibrille di cellulosa, derivate dalla polpa di legno, rappresentano un materiale rinnovabile e a basso impatto ambientale. Come altri derivati delle fibre vegetali, le nanofibrille di cellulosa, note come CNF nel settore, mostrano un notevole potenziale come additivo per migliorare la reologia (ovvero le proprietà di flusso) e la resistenza meccanica di questi compositi.
Fino allo studio dettagliato condotto dal team dell’UVA nel laboratorio di Ozbulut, l’influenza delle CNF sui compositi stampati in 3D non era ancora chiara, ha aggiunto Ozbulut.
“Oggi, la progettazione delle miscele si basa molto sul metodo del tentativo e errore,” ha spiegato. “Stiamo cercando di colmare la necessità di una scienza più solida per comprendere meglio gli effetti dei diversi additivi e migliorare le prestazioni delle strutture stampate in 3D.”
Sperimentando con diverse quantità di additivo CNF, il team guidato da Ozbulut e da Ugur Kilic, ora dottore di ricerca dell’UVA, ha scoperto che l’aggiunta di almeno lo 0,3% di CNF migliorava significativamente le prestazioni di flusso. L’analisi microscopica dei campioni induriti ha rivelato un migliore legame del materiale e una maggiore integrità strutturale.
Ulteriori test condotti nel laboratorio di Ozbulut hanno dimostrato che i componenti stampati in 3D, arricchiti con CNF, hanno mostrato resistenza alla trazione, alla flessione e alla compressione.
Pubblicazione L’articolo intitolato Effects of cellulose nanofibrils on rheological and mechanical properties of 3D printable cement composites è attualmente disponibile online. Tra i coautori figurano Nancy Soliman, professoressa associata presso la Texas A&M University – Corpus Christi, e Ahmed Omran, professore presso il Massachusetts Institute of Technology.
Finanziamento La ricerca è stata finanziata dall’Istituto Ambientale dell’Università della Virginia.
Rivista Cement and Concrete Composites
DOI 10.1016/j.cemconcomp.2024.105617
Titolo dell’Articolo Effects of cellulose nanofibrils on rheological and mechanical properties of 3D printable cement composites
