La stampa 3D del calcestruzzo promette cantieri più automatizzati, forme più efficienti e minore uso di casseri, ma la sua diffusione dipende da un punto molto concreto: il materiale deve essere pompabile, estrudibile e stabile, anche quando temperatura, umidità e aria cambiano durante la deposizione.
Alla University of Pau and Pays de l’Adour, in Francia, il lavoro della dottoranda Sourour Elleuch presso il laboratorio SIAME si concentra proprio su questo problema: sviluppare e testare malte a minore impronta di CO₂ per la stampa 3D del calcestruzzo, valutandone il comportamento in condizioni climatiche controllate. Il laboratorio SIAME, acronimo di Laboratory for Applied Sciences in Mechanics and Electrical Engineering, è una struttura di ricerca dell’UPPA dedicata alle scienze dell’ingegneria e organizzata in più gruppi, tra cui quello su geomateriali e strutture per l’ingegneria civile.
Perché serve una camera climatica
Chi guarda la stampa 3D del calcestruzzo dall’esterno tende a concentrarsi sulla macchina: il portale, il braccio robotico, la pompa, la velocità di deposizione. In realtà, una parte decisiva del processo è invisibile. La malta fresca cambia comportamento mentre viene pompata, estrusa e depositata. Perde acqua, inizia a idratarsi, si deforma sotto il peso degli strati successivi e deve aderire correttamente alla linea già stampata.
Questi fenomeni non dipendono solo dalla ricetta del materiale. Temperatura, umidità relativa e movimento dell’aria possono modificare l’evaporazione dell’acqua, la velocità di presa e la qualità del legame tra gli strati. Per questo il gruppo dell’UPPA ha integrato un sistema di stampa in una camera climatica costruita per modificare in modo controllato le condizioni ambientali. In questo ambiente di prova si può osservare come cambiano evaporazione, idratazione, pressione di estrusione e adesione interstrato durante il processo di stampa.
L’aspetto è importante perché molti test di laboratorio vengono eseguiti in condizioni stabili. Un cantiere, invece, non è un laboratorio. Una parete può essere stampata in una giornata calda, con aria secca, oppure in un ambiente più umido. Anche piccole variazioni possono cambiare il tempo disponibile tra uno strato e il successivo.
Il problema delle malte stampabili: servono prestazioni opposte
Una malta per stampa 3D deve comportarsi in due modi quasi contraddittori. Durante il pompaggio deve scorrere abbastanza bene da non bloccare tubi e ugelli. All’uscita dalla bocchetta deve invece mantenere la forma e sostenere gli strati successivi. Se è troppo fluida, collassa. Se è troppo rigida, non passa correttamente nella pompa o produce un cordone discontinuo.
Nel caso della stampa 3D edilizia, questa finestra di lavorabilità è ancora più delicata perché le formulazioni usate finora spesso richiedono quantitativi elevati di cemento. Valori di alcune centinaia di chilogrammi di cemento per metro cubo non sono fuori scala nelle formulazioni per estrusione, proprio perché servono presa rapida, coesione e resistenza iniziale. Il punto critico è che il cemento resta una delle principali fonti di emissioni della filiera delle costruzioni.
L’International Energy Agency indica la riduzione delle emissioni della produzione di cemento come una sfida centrale e sottolinea il ruolo di sostituti del clinker, efficienza materiale, combustibili a basse emissioni e tecnologie come la cattura della CO₂. La stessa IEA segnala che l’intensità emissiva diretta del cemento è rimasta poco variata negli ultimi anni e che servirebbero riduzioni annuali consistenti per rientrare in una traiettoria compatibile con lo scenario Net Zero.
Il World Economic Forum ricorda inoltre che la produzione globale di cemento pesa per circa l’8% delle emissioni mondiali di CO₂ e che la riduzione del clinker è uno dei percorsi più importanti per abbassare l’impatto del settore.
Che cosa studia il laboratorio SIAME
Il lavoro del laboratorio SIAME non riguarda solo una prova dimostrativa, ma rientra in una linea di ricerca più ampia sulle malte a bassa impronta ambientale per la fabbricazione additiva. Il laboratorio ha pubblicato anche offerte di stage dedicate alla “messa in opera e caratterizzazione di malte bas carbone per la stampa 3D”, con attività previste sullo sviluppo di formulazioni, sull’uso di cementi a minore impatto e sull’impiego di aggiunte minerali.
L’obiettivo tecnico è trovare formulazioni che rispettino più requisiti insieme: reologia, stabilità, pompabilità, estrudibilità, costruibilità, ritiro, resistenza meccanica e durabilità. Una malta “verde” che non si stampa non risolve il problema. Allo stesso modo, una malta perfettamente stampabile ma troppo ricca di cemento rischia di spostare il beneficio ambientale solo sulla forma del componente, non sul materiale.
Per questo la camera climatica diventa uno strumento utile. Non basta dire che una ricetta funziona in condizioni standard. Bisogna capire come reagisce quando l’aria è più secca, quando la temperatura sale o quando la superficie dello strato perde acqua prima che arrivi lo strato successivo.
Il ruolo della stampante StoneFlower
Per le prove viene utilizzata una stampante da laboratorio StoneFlower, azienda tedesca specializzata in sistemi per la stampa 3D di argille, calcestruzzi, malte e materiali viscosi. Nel caso descritto, il sistema impiega una pompa a vite eccentrica, un ugello da 27 millimetri e una struttura a portale. La macchina è stata integrata nella camera climatica per seguire il processo in condizioni controllate.
StoneFlower propone sistemi da laboratorio pensati per centri di ricerca, università e reparti R&D che lavorano con malte, argille e materiali minerali. Le sue piattaforme supportano prove su formulazioni monocomponente e bicomponente, con teste di miscelazione per materiali cementizi e compatibilità con pompe da laboratorio. Il produttore dichiara flussi fino a 3 L/min per la testa di miscelazione e compatibilità con miscele a granulometria fine, con aggregati consigliati fino a 3 mm e massimi fino a 6 mm in base alla configurazione.
Questo tipo di macchina è adatto alla ricerca perché consente di modificare parametri e materiali senza dover lavorare subito su scala edilizia. Prima di pensare a una parete stampata in cantiere, serve capire come il materiale si comporta in cordoni, strati, campioni e geometrie ripetibili.
Che cosa indicano i primi risultati
I primi risultati mettono in evidenza che le condizioni ambientali hanno un impatto diretto sulla qualità della stampa. I punti più sensibili sono i gradienti di umidità nel materiale fresco, la capacità del singolo strato di mantenere la forma e il legame tra strati successivi. Parallelamente, il gruppo ha sviluppato due formulazioni di malta a minori emissioni, tra cui una miscela senza additivi chimici. Una delle ricette punta a ridurre le emissioni del 32% rispetto a un calcestruzzo Green C35/45 e del 40-46% rispetto a un C35/45 convenzionale.
Questi numeri vanno letti con attenzione. Non significano che ogni elemento stampato in 3D avrà automaticamente quelle riduzioni. Il bilancio reale dipende dalla ricetta, dal mix design, dall’energia usata, dal trasporto, dal tipo di componente, dallo spessore delle pareti e dall’eventuale riduzione di materiale ottenuta con la progettazione. Ma il dato mostra la direzione: lavorare sul materiale, non solo sulla macchina.
Perché l’adesione tra gli strati è così importante
Nel calcestruzzo stampato in 3D, la parete nasce da cordoni sovrapposti. Ogni cordone deve sostenere il carico degli strati superiori, ma deve anche legarsi al cordone sottostante. Se il tempo tra uno strato e l’altro è troppo lungo, la superficie può asciugarsi o irrigidirsi e il nuovo strato aderisce meno. Se il tempo è troppo breve, la base potrebbe non avere ancora abbastanza stabilità e deformarsi.
Il risultato è un materiale anisotropo, cioè con proprietà che cambiano in base alla direzione. Questo è un punto noto nella ricerca sui materiali cementizi stampati. Uno studio presentato alle Rencontres Universitaires de Génie Civil 2024 ha analizzato malte di cemento a basso impatto carbonico per stampa 3D e ha evidenziato differenze di resistenza a flessione e compressione a seconda della direzione di sollecitazione rispetto agli strati stampati. Gli autori sottolineano che la padronanza di questa anisotropia è necessaria per ottimizzare le strategie di stampa e garantire durabilità.
La camera climatica dell’UPPA aggiunge un ulteriore livello di lettura: non studia soltanto la formulazione, ma anche il modo in cui l’ambiente condiziona questa anisotropia. In edilizia, questo è un passaggio fondamentale perché la stampa 3D non potrà sempre avvenire in condizioni ideali.
Verso processi di stampa adattivi
La prospettiva più interessante è quella dei processi “meteo-adattivi”. In futuro, una stampante per calcestruzzo potrebbe modificare automaticamente velocità di deposizione, tempo tra gli strati, portata, pressione o parametri reologici in base alle condizioni ambientali misurate durante il lavoro.
Se l’aria è più secca, il sistema potrebbe ridurre il tempo tra gli strati o modificare la formulazione. Se l’umidità è elevata, potrebbe cambiare il ritmo di stampa o la strategia di deposizione. Se la temperatura accelera la presa, il software potrebbe adattare i parametri per evitare discontinuità. Questa è una direzione più realistica rispetto all’idea di una sola ricetta valida in ogni luogo e in ogni stagione.
La stampa 3D edilizia, per diventare affidabile, dovrà avvicinarsi a un controllo di processo simile a quello delle tecnologie industriali mature: sensori, modelli predittivi, parametri regolabili e prove di qualifica. La camera climatica serve proprio a costruire i dati necessari per arrivare a quel livello.
Non basta ridurre il cemento: serve una prestazione verificabile
La parola “bas carbone” può essere ingannevole se viene usata in modo troppo generico. Un materiale a minore impronta deve comunque soddisfare requisiti strutturali, durabilità, compatibilità normativa e ripetibilità. Nel caso delle malte per stampa 3D, deve anche lavorare in un processo senza casseri, con depositi successivi e con geometrie non sempre convenzionali.
Il rapporto tra sostenibilità e prestazione non può quindi essere separato. Una malta con meno clinker o con aggiunte minerali può ridurre l’impatto del legante, ma deve mantenere resistenza, stabilità dimensionale e adesione interstrato. Le ricerche francesi sui cementi bas carbone stampabili mostrano che questi materiali possono essere adattati alla stampa 3D, ma indicano anche la necessità di controllare le proprietà meccaniche nelle diverse direzioni.
Questo è il motivo per cui il lavoro dell’UPPA è interessante per l’intero settore. Non si limita a proporre una miscela più sostenibile, ma studia come quella miscela si comporta durante il processo reale.
Una ricerca utile anche per i cantieri del futuro
Nel breve periodo, questo tipo di sperimentazione servirà soprattutto a creare dati, protocolli e confronti tra formulazioni. Nel medio periodo, potrà aiutare a progettare sistemi di stampa più robusti, capaci di lavorare fuori dal laboratorio con minori incertezze.
Per i produttori di materiali, significa capire quali cementi, aggiunte minerali e additivi funzionano meglio in estrusione. Per i costruttori di stampanti, significa progettare pompe, ugelli e software capaci di gestire materiali più complessi. Per progettisti e imprese, significa avere più fiducia nelle prestazioni del componente stampato.
La costruzione additiva non potrà avanzare solo grazie a macchine più grandi. Servono materiali più controllati, una migliore lettura delle condizioni ambientali e criteri chiari per valutare la qualità degli strati. La camera climatica del laboratorio SIAME lavora esattamente su questa intersezione: materiale, ambiente e processo.
Una strada concreta per la stampa 3D del calcestruzzo a minore impatto
Il lavoro dell’University of Pau and Pays de l’Adour, del laboratorio SIAME, di Sourour Elleuch e dei ricercatori coinvolti mostra una direzione concreta per il calcestruzzo stampato in 3D. La sostenibilità non dipende solo dal disegno digitale o dalla riduzione degli sfridi. Dipende anche dalla quantità e dal tipo di cemento, dalla stabilità della malta fresca, dall’adesione tra gli strati e dalla capacità di controllare il processo quando cambiano le condizioni esterne.
La presenza di una stampante StoneFlower in una camera climatica permette di osservare questi fenomeni in modo sistematico. È un passaggio meno spettacolare di una casa stampata in 3D, ma molto più importante per portare la tecnologia verso applicazioni affidabili.
La stampa 3D del calcestruzzo potrà contribuire a ridurre materiale, casseri e tempi di cantiere, ma solo se le malte diventeranno più pulite e allo stesso tempo più prevedibili. Il lavoro dell’UPPA va in questa direzione: non cerca scorciatoie, ma dati sperimentali per capire come stampare meglio, con meno emissioni e con maggiore controllo sul risultato finale.
