Come funziona una stampante 3D per calcestruzzo?
Negli ultimi anni il ruolo della manifattura additiva nel settore dell’edilizia è diventato sempre più importante. In particolare, le stampanti 3D per calcestruzzo stanno guadagnando una sempre maggiore popolarità tra architetti e imprese di costruzione. Dopo l’acqua, il calcestruzzo è la sostanza più utilizzata nel mondo. Il calcestruzzo è un materiale composito formato da acqua, composti cementizi e aggregato (particelle fini e grezze di sabbia, ghiaia, pietra sbriciolata e sostanze simili), tutti elementi disponibili in abbondanza. Per questo motivo, il calcestruzzo è un materiale economico e molto popolare. Tuttavia, le stampanti 3D per calcestruzzo sono costose. Le macchine progettate per l’edilizia hanno un costo da 180k $ a oltre 1M $. Ciò nonostante, ci sono numerosi vantaggi a utilizzare una stampante 3D per calcestruzzo anziché i tradizionali metodi di produzione. È più rapida, più economica, più sicura e più efficiente. Una stampante 3D per calcestruzzo non solo produce pochissimi scarti, ma riduce significativamente il numero di partecipanti attivi necessari in cantiere, oltre alla lunghezza della catena di fornitura. Inoltre, utilizzando una stampante 3D per calcestruzzo, la costruzione può essere completata con un grado di resilienza e di complessità geometrica molto più elevato.
Una stampante 3D per calcestruzzo standard funziona in modo molto simile a una stampante FDM standard. Questo principalmente perché entrambe le tecnologie sono basate sull’estrusione del materiale. Quindi, i loro processi si assomigliano molto: innanzitutto viene creato un modello 3D digitale utilizzando un software di modellazione 3D; il modello viene quindi tagliato e trasformato in G-Code; il G-Code quindi guida la testa di stampa che deposita a strati il materiale pompato da una betoniera fino a produrre il pezzo finale. Una tipica stampante 3D per cemento è concepita per la produzione additiva dei pezzi tramite estrusione del materiale ed è composta da un braccio robotico con un capo fissato alla testa di stampa e l’altro a una gru o a un sistema a braccio robotico simile a una gru. A seconda del tipo di stampante 3D per calcestruzzo, il design, le capacità e i processi variano. Ciascuno di essi ha vantaggi e svantaggi distinti a seconda dell’applicazione desiderata. Il volume di stampa, la risoluzione di stampa, la praticità e l’efficienza di una stampante 3D per calcestruzzo varieranno a seconda del sistema, della tecnologia, del produttore e delle applicazioni previste.
Crediti Foto: Mike Jazdyk
Stampante 3D per calcestruzzo a gru
Il termine “a gru” deriva dalla struttura sopraelevata simile a una gru che supporta la stampante. Se da un lato questo tipo di stampante 3D per calcestruzzo è una scelta popolare per progetti di edilizia commerciale, queste sono raramente utilizzate per progetti più piccoli, in gran parte a causa delle loro dimensioni e quindi per la conseguente limitata portabilità, ma anche per gli sforzi tecnici richiesti per montarle e smontarle. Questo tipo di stampante 3D per calcestruzzo tipicamente opera su un sistema di coordinate cartesiane composto da assi x, y e z. Questi assi sono definiti dalle guide e dalle travi della struttura portante. L’asse x corrisponde alla lunghezza delle guide che muovono la stampante avanti e indietro, mentre l’asse y corrisponde alla lunghezza della guida che reca la testa di stampa e collega i pilastri, che a loro volta sono definiti dall’asse z e si muovono su e giù.
Ad esempio, la stampante 3D di ICON, la Vulcan II, funziona su questa base. Con un volume di stampa di 260 x 850 x 260 cm e un peso di circa 1,7 tonnellate, la stampante è alta circa 2,5 metri e larga circa 8,5 metri. La macchina impiega esclusivamente il cemento proprietario di ICON, il Lavacrete. Come la maggior parte delle stampanti 3D per calcestruzzo su larga scala, la Vulcan II è piuttosto costosa, con un prezzo di poco meno di 250.000 $. Ciò nonostante, la manifattura additiva riduce i costi di costruzione in maniera significativa e molte imprese edili scelgono quindi di noleggiare la macchina. Nel 2019, la stampante di ICON ha costruito una casa per meno di 4.000 $ in appena 24 ore.
La Vulcan II di ICON incorpora un sistema a gru con assi x, y e z. (Crediti: ICON)
Stampante 3D per calcestruzzo con braccio robotico
Una stampante 3D per calcestruzzo con braccio meccanico o robotico è supportato da una struttura simile a una gru e solitamente opera su 6 assi. Ciò significa che è possibile creare geometrie più complesse e parti con una risoluzione maggiore rispetto a quanto sia possibile fare con una macchina a gru. Questo tipo di stampante 3D ha inoltre il vantaggio di una maggiore portabilità e compattezza ed è quindi più facile da montare e smontare. Storicamente queste stampanti avevano un volume di stampa limitato ed erano quindi riservate alla costruzione di parti più piccole; recenti sviluppi hanno permesso di sviluppare macchine con volumi di stampa più ampi che rivaleggiano con quelli delle stampanti a gru. Le stampanti a braccio robotico tendono a essere più costose rispetto a quelle a gru.
La startup russa Apis Cor finì sui giornali nel 2018 dopo aver costruito da zero una casa di 37 metri quadri utilizzando la loro stampante 3D proprietaria per calcestruzzo con braccio robotico. Il progetto venne completato in appena 24 ore a Mosca per un costo di soli 10.000 $. Due anni dopo, l’azienda balzò nuovamente agli onori delle cronache per aver costruito l’edificio più grande del mondo stampato in 3D a Dubai, servendosi della sua tecnologia di fabbricazione additiva proprietaria.
La stampante 3D per calcestruzzo con braccio robotico di Apis Cor ha 6 assi. (Crediti Foto: Apis Cor)
Un’ultima considerazione
Nonostante la comune convinzione che un edificio possa essere interamente costruito unicamente con una stampante 3D per calcestruzzo, in realtà solo le pareti e le fondamenta sono fabbricate in maniera additiva. Nonostante ciò, la stampa 3D per calcestruzzo ha avuto un enorme impatto sul settore edile. Negli ultimi dieci anni, in particolare, sono emerse numerose imprese edili specializzate nella produzione additiva con calcestruzzo. L’azienda danese COBOD ha costruito il primissimo edificio residenziale stampato in 3D in Germania utilizzando la sua stampante 3D per calcestruzzo a gru BOD2 e da allora ha annunciato il progetto relativo alla costruzione di un edificio residenziale a tre piani, già iniziato, che avrà una superficie di 380 metri quadri. Le stampanti 3D per calcestruzzo sono state utilizzate per costruire case in diversi Paesi nel mondo, tra cui Germania, Belgio, Dubai, Marocco e Francia, oltre a un ufficio in Danimarca.
Casa costruita con la stampante 3D per calcestruzzo di COBOD. (Crediti Foto: COBOD)
Il rapido sviluppo della tecnologia di stampa 3D per calcestruzzo ha portato a numerose innovazioni sorprendenti. Ad esempio, la Twente Additive Manufacturing (TAM) ha combinato i sistemi a gru e a braccio robotico per creare una stampante a 9 assi che comprende i 6 assi standard di una stampante 3D per calcestruzzo con braccio robotico e l’ulteriore elevazione, traslazione e gli assi cartesiani di rotazione del sistema a gru. Molti di questi passi avanti hanno applicazioni significative a livello globale per rispondere a problemi quali la condizione di senzatetto e la protezione delle risorse naturali.
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