Il centro di ricerca portoghese ITeCons – Institute for Research and Technological Development in Construction, Energy, Environment and Sustainability ha potenziato le proprie infrastrutture per la produzione additiva nel settore delle costruzioni con l’installazione di un sistema Robot on Track sviluppato dall’azienda olandese Vertico.
La nuova configurazione è basata su un robot industriale a sei assi montato su un asse lineare lungo 10 metri. Il braccio dispone di una portata operativa di circa 3,1 metri e può spostarsi lungo l’intera rotaia, ampliando considerevolmente l’area raggiungibile rispetto a una normale cella robotizzata con base fissa.
Secondo Vertico, si tratta della più grande installazione dell’azienda consegnata fino a questo momento.
Per inaugurare l’impianto, il team di ITeCons ha stampato una colonna in calcestruzzo alta tre metri, che rappresenta anche la struttura verticale più alta realizzata fino a questo momento con un sistema Vertico.
L’impianto sarà utilizzato non soltanto dai ricercatori dell’istituto, ma anche da studenti e partner industriali interessati allo sviluppo di materiali, geometrie e processi costruttivi basati sulla stampa 3D del calcestruzzo.
Un robot che si muove invece di rimanere al centro della cella
Nella stampa 3D robotica del calcestruzzo, una delle limitazioni fondamentali è costituita dal volume raggiungibile dal robot.
Un braccio industriale a sei assi può muovere l’ugello con notevole libertà, ma la dimensione massima del componente è comunque condizionata dalla distanza che il robot riesce a raggiungere dalla propria base.
Il sistema Robot on Track di Vertico affronta il problema facendo scorrere l’intero robot lungo una rotaia.
La combinazione dei movimenti del braccio con quelli dell’asse lineare consente quindi all’ugello di depositare il materiale lungo un’area molto più estesa.
Per un centro di ricerca come ITeCons questo significa poter passare dalla sperimentazione su piccoli campioni alla produzione di elementi con dimensioni più vicine a quelle realmente impiegate nell’edilizia.
È un passaggio importante perché i problemi della stampa 3D del calcestruzzo cambiano con l’aumentare della scala.
Pressione del materiale, portata, velocità di deposizione, stabilità degli strati, tempi di presa e deformazione della struttura durante la stampa diventano progressivamente più critici quando l’elemento cresce in altezza e lunghezza.
Una colonna di tre metri come primo test
La colonna alta tre metri prodotta durante la messa in funzione del sistema non rappresenta quindi soltanto una dimostrazione visiva.
Stampare verticalmente una struttura di queste dimensioni permette di verificare la capacità del materiale depositato negli strati inferiori di sostenere il peso che aumenta durante il processo.
Il calcestruzzo utilizzato nella produzione additiva deve infatti presentare caratteristiche apparentemente contrastanti.
Deve essere sufficientemente fluido da poter essere pompato attraverso il sistema e depositato dall’ugello, ma deve acquisire rapidamente la consistenza necessaria per mantenere la geometria dopo l’estrusione.
Se il materiale rimane troppo morbido, gli strati inferiori possono deformarsi o collassare.
Se invece indurisce troppo rapidamente, possono sorgere problemi di pompaggio oppure di adesione tra uno strato e quello successivo.
La costruzione additiva in calcestruzzo richiede quindi un equilibrio molto preciso tra formulazione chimica, geometria, velocità del robot e intervallo temporale tra le deposizioni.
La disponibilità di un sistema di grandi dimensioni consentirà a ITeCons di studiare questi fenomeni direttamente su componenti significativamente più grandi rispetto ai tradizionali provini da laboratorio.
ITeCons lavora tra università e industria
ITeCons opera in Portogallo dal 2006 ed è un’organizzazione senza fini di lucro attiva nella ricerca e nel trasferimento tecnologico nei settori delle costruzioni, dell’energia, dell’ambiente e della sostenibilità.
L’istituto svolge una funzione di collegamento tra ricerca accademica e applicazioni industriali, collaborando con università, imprese ed enti pubblici.
Le sue attività comprendono sviluppo di nuovi materiali, test di laboratorio, caratterizzazione di prodotti, consulenza tecnica, valutazioni prestazionali, formazione e sviluppo di nuovi sistemi costruttivi.
La nuova piattaforma Vertico è quindi coerente con una struttura di ricerca nella quale la tecnologia non viene studiata soltanto dal punto di vista scientifico, ma anche considerando la possibilità di trasferirla successivamente alle imprese.
Per la stampa 3D del calcestruzzo questo passaggio è particolarmente importante.
Molte tecnologie hanno già dimostrato la possibilità di produrre strutture con geometrie complesse, ma la trasformazione da dimostrazione sperimentale a processo industriale richiede verifiche su affidabilità, materiali, ripetibilità, normative e prestazioni nel lungo periodo.
ITeCons aveva già studiato la stampa 3D delle costruzioni
L’installazione del sistema Vertico non rappresenta il primo progetto di ITeCons nel campo della produzione additiva applicata all’edilizia.
L’istituto ha partecipato al progetto TherBlock3Dp – Thermal Blocks 3D Printing, sviluppato insieme alla Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e con la collaborazione della Eindhoven University of Technology – TU/e e del Massachusetts Institute of Technology – MIT.
Il progetto si concentrava su un problema che riceve meno attenzione rispetto alla spettacolarità delle case stampate in 3D: il comportamento termico degli elementi edilizi prodotti mediante additive manufacturing.
L’obiettivo era sviluppare blocchi e pannelli in calcestruzzo stampato in 3D con migliori prestazioni termiche.
I ricercatori hanno studiato sia la geometria dei componenti sia l’introduzione di materiali isolanti all’interno delle strutture.
Questo approccio evidenzia uno dei vantaggi potenziali della costruzione additiva.
Una parete non deve necessariamente essere costituita da una massa uniforme di materiale.
La geometria interna può essere progettata digitalmente creando camere, cavità, percorsi complessi o zone destinate a materiali con differenti funzioni.
La geometria può diventare una variabile prestazionale
Nella costruzione tradizionale la forma di un blocco è spesso condizionata dalla necessità di produrlo in grandi quantità attraverso stampi.
Con la produzione additiva, modificare la geometria digitale non richiede necessariamente un nuovo stampo.
Questo permette di utilizzare la forma stessa come elemento progettuale per intervenire su caratteristiche come peso, comportamento termico e quantità di materiale impiegata.
Il progetto TherBlock3Dp di ITeCons aveva proprio esplorato questa possibilità, combinando sperimentazione fisica e simulazione numerica.
Con il nuovo Robot on Track di Vertico questo tipo di ricerca può essere esteso a componenti di dimensioni maggiori.
L’istituto potrà quindi studiare non soltanto piccoli blocchi, ma potenzialmente porzioni di pareti, elementi architettonici e componenti prefabbricati più vicini alle dimensioni effettivamente necessarie in un edificio.
Vertico punta sulla robotica a sei assi
Vertico ha costruito la propria tecnologia attorno all’impiego di robot industriali.
Rispetto ai sistemi di stampa 3D basati su strutture cartesiane o grandi portali, un robot a sei assi dispone di una maggiore libertà di movimento dell’ugello.
Non è obbligato a depositare materiale esclusivamente attraverso movimenti lungo gli assi X, Y e Z.
L’orientamento della testa può essere modificato durante la lavorazione, aprendo la possibilità a traiettorie più articolate e a geometrie difficili da ottenere con sistemi convenzionali.
Questo approccio è particolarmente interessante nella ricerca architettonica e nella progettazione parametrica.
Il vantaggio del robot, tuttavia, viene parzialmente limitato dal raggio d’azione.
Da qui deriva la scelta di Vertico di sviluppare il Robot on Track: invece di aumentare ulteriormente le dimensioni del singolo braccio, il robot viene spostato lungo una guida lineare.
Nella configurazione installata presso ITeCons, i 10 metri di rotaia permettono di estendere notevolmente la zona di lavoro.
Dalla modellazione parametrica direttamente al percorso del robot
Vertico accompagna l’hardware con software destinati alla preparazione dei file e al controllo della produzione.
Il sistema dell’azienda è compatibile con flussi di progettazione basati su Rhino e Grasshopper, strumenti molto diffusi nell’architettura computazionale e nella progettazione parametrica.
Grasshopper permette di descrivere una geometria attraverso parametri e relazioni matematiche invece di disegnarla esclusivamente in maniera manuale.
Modificando una variabile è quindi possibile generare numerose varianti dello stesso elemento.
Per la stampa 3D del calcestruzzo questo approccio è particolarmente adatto.
Il progettista può, per esempio, modificare curvature, spessori, aperture o andamento degli strati e trasformare successivamente la geometria in un percorso che il robot può eseguire.
Il passaggio tra progettazione e fabbricazione diventa così parte dello stesso processo digitale.
Il software deve conoscere anche il materiale
Nel concrete 3D printing, tuttavia, trasformare una geometria in un percorso non è sufficiente.
Il software deve essere utilizzato tenendo conto del comportamento fisico del materiale.
Curvature troppo strette, cambi improvvisi di direzione o variazioni eccessive della velocità possono alterare la quantità di calcestruzzo depositata.
Anche l’altezza dello strato e la distanza tra ugello e superficie devono essere controllate con precisione.
Il processo richiede quindi una stretta relazione tra progettazione digitale, parametri robotici e formulazione del materiale.
È precisamente questa combinazione che rende una piattaforma come quella installata presso ITeCons interessante per la ricerca.
Lo stesso sistema può essere utilizzato per modificare una sola variabile e osservare come cambia il risultato.
Accelerator Printhead e materiali bicomponenti
Nel proprio portafoglio tecnologico Vertico propone anche la testa di stampa Accelerator Printhead, sviluppata per sistemi di materiale bicomponente.
In questa configurazione il materiale cementizio principale viene combinato con un accelerante in prossimità della testa di deposizione.
L’obiettivo è controllare più precisamente il momento nel quale il materiale comincia ad acquisire rapidamente resistenza.
Questo permette di mantenere una miscela sufficientemente pompabile nel circuito di alimentazione e, allo stesso tempo, ottenere una maggiore stabilità subito dopo la deposizione.
Vertico offre anche sistemi per materiali monocomponente, soluzione che può risultare utile nelle attività di ricerca e nelle applicazioni nelle quali la formulazione viene preparata con caratteristiche reologiche già adatte alla stampa.
La scelta tra sistemi mono e bicomponente dipende dalla miscela utilizzata, dalle dimensioni del componente, dalla velocità di produzione e dalle caratteristiche richieste al materiale durante e dopo la deposizione.
Non esiste un unico “calcestruzzo per stampa 3D”
Uno degli aspetti che il nuovo laboratorio di ITeCons potrà affrontare riguarda proprio lo sviluppo delle miscele.
L’espressione “calcestruzzo stampabile in 3D” comprende infatti formulazioni molto differenti.
Il materiale deve possedere adeguate capacità di pompaggio e di estrusione, mantenere la forma dopo la deposizione e creare un buon legame tra gli strati.
A queste proprietà specifiche del processo devono aggiungersi quelle richieste a un materiale da costruzione: resistenza meccanica, durabilità e stabilità nel tempo.
Possono inoltre essere studiati cementi differenti, aggregati, fibre, additivi chimici e materiali provenienti da processi di recupero.
ITeCons possiede già esperienza nello sviluppo di materiali da costruzione più sostenibili e ha partecipato a progetti dedicati all’incorporazione di residui industriali in malte e calcestruzzi.
La nuova apparecchiatura permette quindi di unire due linee di ricerca: materiali a minore impatto ambientale e produzione additiva.
Ridurre le casseforme è uno degli obiettivi della stampa 3D in edilizia
Uno degli aspetti più studiati del concrete 3D printing riguarda la possibilità di ridurre l’impiego di casseforme.
Nella costruzione tradizionale molte geometrie in calcestruzzo richiedono la realizzazione preventiva di una struttura che contiene il materiale fresco fino all’indurimento.
Quando il componente è particolarmente complesso, la cassaforma può diventare costosa e richiedere una quantità significativa di materiali e lavoro.
Nella stampa 3D il materiale viene invece depositato progressivamente seguendo la geometria digitale.
Ciò può rendere economicamente più accessibili alcune forme complesse e ridurre una parte delle lavorazioni necessarie.
Questo vantaggio deve però essere valutato caso per caso.
La produzione additiva non elimina automaticamente tutti i problemi della costruzione convenzionale e rimangono questioni importanti come armatura, collegamenti tra componenti, isolamento, finiture e conformità alle norme edilizie.
Il nodo dell’armatura strutturale
La stampa del calcestruzzo è infatti soltanto una parte del problema quando si passa da un elemento dimostrativo a una struttura portante.
Il calcestruzzo possiede una buona resistenza alla compressione ma necessita normalmente di sistemi di rinforzo quando deve sopportare significative sollecitazioni di trazione.
Nelle costruzioni tradizionali questo compito è svolto soprattutto dalle armature in acciaio.
Integrare efficacemente l’armatura all’interno di un processo automatizzato di stampa 3D rappresenta ancora uno dei principali argomenti di ricerca del settore.
Sono allo studio diverse strategie: inserimento di barre durante la produzione, fibre integrate nelle miscele, elementi prefabbricati di rinforzo e sistemi ibridi nei quali stampa e tecniche convenzionali vengono utilizzate insieme.
Una struttura di ricerca su scala reale permette a ITeCons di affrontare anche questo tipo di problemi senza limitarsi alla sola qualità estetica del materiale depositato.
Automazione non significa semplicemente costruire più velocemente
La stampa 3D del calcestruzzo viene spesso presentata soprattutto attraverso il parametro della velocità.
Il vero interesse industriale potrebbe però essere più ampio.
Un sistema robotizzato permette di registrare digitalmente il processo, modificare le geometrie senza dover necessariamente ricostruire attrezzature e ripetere determinate operazioni con parametri controllati.
La produzione diventa quindi parte di un flusso digitale nel quale modello, percorso del robot e dati di fabbricazione possono essere collegati.
Per il settore delle costruzioni, storicamente caratterizzato da numerose lavorazioni manuali e da un’elevata variabilità tra un cantiere e l’altro, questo tipo di automazione può aprire possibilità interessanti.
La difficoltà sarà trasferire la precisione di un ambiente di laboratorio alle condizioni molto meno controllate di un vero cantiere.
Il prefabbricato può essere una delle prime applicazioni industriali
Proprio per questo motivo i sistemi robotici installati in ambienti controllati possono trovare inizialmente applicazione nella prefabbricazione.
All’interno di uno stabilimento è possibile controllare temperatura, alimentazione del materiale, posizione del robot e sequenza produttiva con maggiore precisione rispetto a un cantiere aperto.
Elementi di facciata, arredi urbani, componenti architettonici, casseforme permanenti e strutture non standardizzate rappresentano alcuni dei campi nei quali la stampa 3D del calcestruzzo può essere utilizzata senza dover necessariamente stampare un intero edificio direttamente sul posto.
La configurazione Robot on Track installata presso ITeCons permette di studiare proprio questa scala intermedia tra il piccolo prototipo di laboratorio e la costruzione completa.
Un laboratorio aperto anche alle imprese
La presenza di partner industriali tra i destinatari della nuova infrastruttura è probabilmente uno degli aspetti più significativi dell’investimento di ITeCons.
Le aziende potranno utilizzare il sistema per valutare nuovi materiali, componenti o processi senza dover necessariamente acquistare immediatamente una propria piattaforma di stampa di grande formato.
Questo può contribuire a ridurre la distanza tra ricerca sperimentale e adozione industriale.
Un produttore di materiali potrebbe verificare la stampabilità di una nuova miscela.
Un’impresa di prefabbricazione potrebbe studiare un componente specifico.
Uno studio di progettazione potrebbe verificare se una geometria parametrica è realmente producibile.
Un’università potrebbe invece utilizzare lo stesso sistema per studiare fenomeni fondamentali come adesione tra gli strati, ritiro, deformazioni o comportamento termico.
Dalla dimostrazione alla costruzione digitale
L’installazione realizzata da Vertico presso ITeCons assume quindi un significato che va oltre le dimensioni del robot o il record della colonna di tre metri.
Il punto centrale è la possibilità di riunire nello stesso laboratorio sviluppo dei materiali, progettazione parametrica, robotica, simulazione e verifica sperimentale.
La stampa 3D del calcestruzzo deve ancora risolvere numerosi problemi prima di poter diventare una tecnologia ordinaria nel settore delle costruzioni.
Normative, controllo di qualità, armature, durabilità e costi complessivi richiedono ulteriori verifiche su larga scala.
Strutture come quella installata in Portogallo servono proprio a trasferire la ricerca da piccoli campioni a elementi che abbiano dimensioni e condizioni produttive più vicine alle applicazioni industriali.
Per ITeCons rappresenta inoltre la prosecuzione di un percorso già avviato con lo studio dei blocchi stampati in 3D ad alte prestazioni termiche.
Con il sistema Robot on Track di Vertico, quel lavoro può ora essere portato su una scala decisamente maggiore, trasformando il laboratorio portoghese in una piattaforma dove progettisti, ricercatori e imprese potranno verificare quanto della promessa della costruzione digitale sia già tecnicamente utilizzabile e quali problemi debbano ancora essere risolti.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
