La stampa 3D del calcestruzzo procede strato dopo strato, e ogni strato deve diventare abbastanza rigido da sostenere quello successivo senza deformarsi. Aggiungere materiale troppo presto può far cedere la struttura; aspettare più del necessario rallenta il cantiere. I ricercatori dell’Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), in Corea del Sud, hanno messo a punto un controllo a ultrasuoni che indica quando un calcestruzzo appena stampato ha raggiunto una resistenza sufficiente. Il lavoro è pubblicato nel numero di novembre di Cement and Concrete Composites.
Il problema della resistenza allo stato fresco
Una parete stampata deve mantenere la forma e sostenere gli strati sovrastanti, proprietà chiamata edificabilità. La grandezza che la determina è la resistenza a compressione del calcestruzzo non ancora completamente indurito, detta resistenza allo stato fresco. I metodi di prova usuali comprimono provini separati fino a romperli, quindi non seguono l’evoluzione di una singola stampa. Le misure ultrasoniche di velocità degli impulsi evitano la rottura del materiale, ma richiedono sensori incorporati nel calcestruzzo o collocati sui due lati del pezzo.
Una piastra e due sensori su un solo lato
Il gruppo guidato dal professor Myoungsu Shin, del dipartimento di ingegneria civile, urbana, della terra e ambientale di UNIST, ha scelto una configurazione più semplice. Una sottile piastra di acrilico viene applicata a una faccia della stampa. Sulla piastra sono montati due sensori piezoelettrici: uno emette onde ultrasoniche, l’altro le riceve. Man mano che il calcestruzzo indurisce, una quota maggiore dell’energia dell’onda passa nel materiale, e il segnale ricevuto si indebolisce. Questo calo segue la crescita della resistenza.
La misura richiede l’accesso a un solo lato della stampa. I ricercatori hanno provato anche una piastra di alluminio, ma il segnale cambiava appena, quindi per le prove principali è stato scelto l’acrilico. La frequenza di lavoro non è indicata nelle informazioni disponibili.
Tre miscele e una finestra di due ore
Le prove hanno riguardato tre miscele: una di riferimento e due con microfibre di cellulosa di lunghezza diversa. Le misure sono state eseguite da circa 10 minuti a 2 ore dopo il getto, con prove di compressione a intervalli stabiliti per il confronto. Non sono riportate le lunghezze delle fibre né le proporzioni delle miscele.
L’ampiezza del modo d’onda guidato S0 è diminuita in modo regolare mentre il calcestruzzo faceva presa. La correlazione con la resistenza misurata ha avuto un coefficiente di determinazione superiore a 0,97 per ciascuna miscela. Per l’attenuazione relativa del segnale lo stesso coefficiente ha superato 0,927. I segnali hanno inoltre permesso di distinguere le tre miscele, e un provino stampato di tre strati ha mostrato un aumento dell’attenuazione nel tempo simile a quello dei campioni gettati.
I limiti dello studio
Il metodo è stato provato soltanto su piccole stampe di tre strati. Shin ha dichiarato che servono ulteriori ricerche prima di usarlo su edifici a dimensione reale. Un cantiere introduce variabili assenti in laboratorio: temperatura e umidità, miscele diverse, geometrie curve, vibrazioni della macchina, ritmi di stampa. Anche la correlazione con la resistenza vale per le tre miscele provate e andrà confermata su altre formulazioni.
Verso un controllo durante la stampa
Il passo successivo consiste nel convertire le letture in resistenza allo stato fresco e confrontarla con il carico degli strati superiori, per arrivare a un controllo non distruttivo dell’edificabilità durante la stampa. L’idea è fissare un livello di attenuazione di riferimento e usarlo per decidere quando aggiungere ogni strato e quanto attendere fra uno strato e l’altro. Shin ha indicato che le letture potrebbero anche regolare la velocità della stampante, in modo da depositare uno strato quando quello sottostante è sufficientemente indurito.
La ricerca è stata finanziata dal ministero della Scienza della Corea del Sud e dalla National Research Foundation of Korea. Per ora resta una dimostrazione di laboratorio.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
