Stampa 3D di elementi strutturali in c.a.: tecnologia ed approccio progettuale

Le tecnologie di additive manufacturing (AM) sono state definite dall’American Society for Testing and Materials (ASTM) come "the process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies, such as traditional machining" [1] . Le tecnologie di AM sempre più incidono sui processi industriali in molti campi e numerose applicazioni sono state sviluppate in diversi settori industriali, da quello automobilistico a quello biomedicale a quello aerospaziale [2-4], per citarne solo alcuni. I sostenitori dell'AM sostengono che questa tecnologia rappresenti una nuova rivoluzione industriale e stia permettendo la personalizzazione di massa della produzione industriale, laddove piccole quantità di prodotti personalizzati possono essere prodotti con costi non proibitivi [2, 5].

Fino a pochi anni fa, le tecnologie di AM sono state impiegate quasi esclusivamente nella produzione di prototipi (per lo più in materiale plastico) a supporto della progettazione, in quanto non erano considerate in grado di trattare materiali comuni alle pratiche ingegneristiche con sufficienti proprietà meccaniche e fisiche [6]. Oggi, invece, le tecnologie di AM sono utilizzate con successo per produrre oggetti di ceramica [7], metallo [8], polimeri [9] con adeguate proprietà meccaniche.

Recentemente, tali tecnologie stanno attirando un crescente interesse anche nel settore delle costruzioni e in particolare nel settore del calcestruzzo. Infatti, mentre i processi di costruzione convenzionali sono principalmente basati su i)tecnologie sottrattive, dove il materiale viene lavorato per ottenere l'oggetto finale (è il caso ad esempio delle pietre naturali o delle pavimentazioni), o ii)"tecnologie formative", dove il materiale viene colato in uno stampo allo stato liquido (cemento armato) [10], tali tecnologie rappresentano ancora una novità in questo campo, ma diverse applicazioni sono state già testate con discreti risultati (contour crafting [11], stampa di calcestruzzo [12], D-shape [13]).

L’applicazione delle tecnologie di AM nel settore delle costruzioni, cui spesso ci si riferisce come free form construction, vede il suo interesse scaturire dalla possibilità di garantire maggiore libertà nella progettazione delle forme, degli elementi e delle strutture, con possibili vantaggi estetici e funzionali [14, 15]. Infatti, attualmente la progettazione architettonica viene spesso forzata a creare e riprodurre, sia con tecnologie sottrattive che formative, oggetti identici per ottimizzare la produzione riducendone i tempi ed i costi.
Cambiando il modo con cui componenti strutturali e non vengono prodotti, le tecnologie di AM promettono di rivoluzionare questo paradigma consentendo maggiore liberta architettonica e lasciando i progettisti liberi di concepire ciascun componente con forme uniche, senza costi proibitivi. Altri vantaggi sono legati all’automazione del processo produttivo, alla riduzione dei tempi e dei costi, alla riduzione del quantitativo di materiale adoperato e quindi alla maggiore sostenibilità economica ed ambientale associata della produzione degli stessi.
In ogni caso, le tecnologie di AM applicate al calcestruzzo richiedono che questo presenti alcune specifiche proprietà reologiche [16], ovvero che sia al contempo sufficientemente estrudibile, ovvero capace di essere estruso dal sistema di stampa, e “costruibile”, ovvero capace di mantenere la forma quando deposto strato su strato dal processo di stampa. Anche la velocità di stampa rappresenta un parametro critico che può impattare sulle proprietà meccaniche degli elementi stampati e si deve far dipendere dalla reologia del materiale. Infatti, il tempo che passa tra l’estrusione di uno strato e l’altro deve essere sufficientemente lungo da consentire al primo strato di indurirsi a sufficienza per sostenere il peso dello strato successivo, ma deve essere sufficientemente breve da consentire ai due strati di aderire tra loro [17].

Alla luce delle questioni ancora aperte, questa tecnologia è evidentemente non ancora matura per poter essere già adoperata con successo sul mercato, ma riscuote grande interesse da parte di numerosi ricercatori che ne scorgono le grandi potenzialità.

Il lavoro in corso vuole contribuire a questa promettente linea di ricerca grazie ad alcuni risultati preliminari di una attività di ricerca in corso presso il Distretto Tecnologico STRESS, l’Università di Napoli Federico II e l’Università di Pavia, che mira allo sviluppo di un nuovo approccio alla produzione di elementi in calcestruzzo armato, basato su AM.

L’obiettivo è produrre elementi di trave in cemento armato utilizzando la stampa 3D, al fine di realizzare elementi strutturali aventi forme complesse. Questo tipo di trave richiede oggi, con il processo realizzativo convenzionale, l’utilizzo di un complesso sistema di casseri e, conseguentemente, elevati costi. Inoltre, l’approccio alla stampa 3D consente di avere travi parzialmente cave con conseguente riduzione della quantità di materiale adoperato e, quindi, con un peso finale dell’elemento ridotto, pur garantendo adeguate proprietà meccaniche.