Calcestruzzo e innovazione digitale. Un binomio possibile?
Il know-how e l’expertise di Italcementi nel 3D printing per il prototipo del nuovo palazzetto dello sport di Treviglio. I dettagli del progetto.
Calcestruzzo stampato in 3D
La stampa 3D rappresenta la nuova frontiera dell’applicazione del digitale alla produzione di calcestruzzo. Nota ai più per l’applicazione con materiali come metalli, argilla e polimeri, oggi, la stampa 3D con materiali cementizi offre al mercato nuove opportunità. Il calcestruzzo stampato in 3D sta diventando sempre più rilevante come processo produttivo in grado di far evolvere gli attuali sistemi di produzione verso una produzione globale più sostenibile, flessibile, sicura e competitiva.
Italcementi, innovativa per tradizione nei materiali per le costruzioni, grazie alla profonda conoscenza del cemento e alla collaborazione con partner nazionali e internazionali, è in grado di offrire al mercato un prodotto che si sposa con le nuove tecnologie del costruire, basato sulla combinazione dei tradizionali materiali per le costruzioni – come il cemento - con le nuove frontiere aperte dal digitale.
i.tech 3D, frutto di anni di ricerca di Italcementi nell’ambito delle tecnologie 3D per estrusione, è un materiale cementizio che rispetta i requisiti necessari per la stampa 3D. Un prodotto premiscelato con sabbie selezionate e componenti specifici che garantiscono alla malta di autosostenersi durante la stampa, mantenendo la forma prevista dal modello 3D di partenza e assicurando nel contempo un’ottima lavorabilità e un progressivo sviluppo delle resistenze meccaniche.
Prototipo in 3D printing del palazzetto dello sport di Treviglio
Grazie al know-how e l’expertise di Italcementi nel settore del 3D printing, questa tecnologia che avrà un ruolo sempre più rilevante nel processo di digitalizzazione del settore delle costruzioni, è già una realtà. Gli esempi di strutture e di prototipi realizzati da Italcementi e Calcestruzzi si stanno moltiplicando. Una delle ultime realizzazioni è il prototipo in 3D printing del palazzetto dello sport di Treviglio, in provincia di Bergamo.
Una struttura da 8 mila spettatori, il cui progetto è stato presentato lo scorso 12 maggio dal presidente della Blu Basket, Stefano Mascio, e dall’architetto Riccardo Baruffi, progettista incaricato per l’opera. Insieme hanno illustrato il nuovo progetto e svelato il prototipo (2 metri x 2 metri, 450 kg di peso) del palazzetto realizzato in 3D printing.
All’evento hanno partecipato le autorità, le istituzioni e le categorie produttive della città e della Regione Lombardia, Juri Imeri (Sindaco di Treviglio), Lara Magoni (Sottosegretario con delega allo Sport di Regione Lombardia) e Giorgio Maggi, presidente Regionale Fip.
Nelle intenzioni della Blu Basket, la società di pallacanestro maschile di Treviglio, che attualmente milita nel campionato di Serie A2, c’è infatti la realizzazione di un nuovo impianto sportivo, adatto alle future esigenze della squadra, che dovrà essere polivalente e molto più grande dell’attuale PalaFacchetti, che conta 3 mila posti e ospita gli incontri casalinghi della squadra.
“Si tratta di un investimento importante per un impianto che abbraccerà tutto il territorio e non sarà concepito soltanto per il basket, ma potrà essere utilizzato anche per eventi e spettacoli”, ha spiegato il presidente Stefano Mascio, alla guida del Gruppo Mascio Treviglio, specializzato nella movimentazione terra, calcestruzzi e materiali e nel trasporto conto terzi.
Le caratteristiche del nuovo Palasport
Il nuovo palazzo, che ospiterà le gare interne della Blu Basket, sarà collocato all’interno del territorio trevigliese e rappresenterà un centro di aggregazione per la città e le aree limitrofe, i giovani e le loro famiglie, con spazi e strutture per il tempo libero, lo sport e la cultura, oltre a costituire la nuova casa della Blu Basket.
L’edificio infatti sarà un contenitore multitasking per svariati utilizzi e scopi, sia manifestazioni sportive che eventi culturali, spettacoli, concerti. Al piano terreno verranno ospitati spazi commerciali (negozi), servizi allo sport (studi medici) e di ristorazione. Questi spazi avranno un doppio accesso, sia dall’interno durante le manifestazioni, che dall’esterno, in qualsiasi momento.
La progettazione è stata sviluppata con particolare attenzione alla sostenibilità ambientale del complesso, con utilizzo di materiali “Eco e Green” e mitigazione dell’impatto visivo sul territorio circostante, mediante creazione di barriere naturali (alberature). Inoltre, considerato il particolare momento l’edificio è stato progettato per ridurre al minimo il consumo di energia necessaria e garantire contestualmente un utilizzo nel massimo confort, una struttura sostenibile mediante isolamenti termo acustici adeguati ed idonei con l’utilizzo di fonti energetiche alternative e rinnovabili.
L’investimento si aggirerà intorno ai 10 milioni di euro e il palazzetto avrà una capienza a misura di serie A, obiettivo dichiarato da quando Mascio ha assunto la guida e la proprietà del basket trevigliese.
Il prototipo della struttura realizzato con tecnologia 3D in materiale cementizio
L’idea di realizzare un modello con materiale innovativo prende forma a fine 2022 quando il presidente della Blu Basket lancia la sfida insieme all’azienda Italcementi e Calcestruzzi per lo studio del nuovo Palazzetto dello Sport.
Le società iniziano un intenso scambio di informazioni con i progettisti del palazzetto, Riccardo e Giovanni Baruffi, dello Studio Tecnico Associato Baruffi di Caravaggio (BG) per la realizzazione di un modello da poter esporre in previsione dell’avvio dei lavori.
L’idea di realizzare il prototipo del palazzetto con la tecnologia 3D printing in materiale cementizio, infatti, è nata proprio in sede di progettazione preliminare, quando sono stati realizzati i rendering e gli studi tridimensionali virtuali finalizzati alla definizione del progetto finale.
Dalla collaborazione tra la Direzione Tecnologie e Qualità di Calcestruzzi e Italcementi e i progettisti del palazzetto è emersa la volontà comune di realizzare un prototipo che, nella sua matericità, restituisse e rispettasse la veridicità del materiale previsto per la realizzazione del nuovo palazzetto: il calcestruzzo.
L’intenzione dei progettisti era, infatti, quella di realizzare un modello che potesse rappresentare non solo nella forma ma anche nella scelta del materiale, le peculiarità del progetto. Un prototipo della struttura da poter esporre, in previsione dell’inizio dei lavori per il nuovo palazzetto, all’ingresso del PalaFacchetti.
“Se il palazzo dello sport deve essere una struttura innovativa e sostenibile, in linea con le nuove tendenze della progettazione, anche il prototipo non può essere da meno”, ha sottolineato Deborah Floris, responsabile assistenza tecnica e tecnologica di Italcementi, in occasione dell’evento di presentazione del progetto.
Grazie all’expertise di Italcementi nella stampa 3D e alla collaborazione con ETESIAS, spin-off dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, il tutto è stato realizzato presso il Polo Universitario di San Giovanni a Teduccio dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, sede dei laboratori della società partenopea.
Il processo di fabbricazione del prototipo del palazzetto
Partendo quindi dai rendering, resi disponibili dai progettisti, è stato possibile studiare il modello con cui realizzare il prototipo del nuovo palazzetto di Treviglio, frutto dell’abbinamento di elementi ottenuti con la stampa 3D robotica in mescole cementizie, rappresentanti la struttura, e di elementi stampati in 3D con la tecnologia FDM (fused deposition modeling) in materiale PLA (acido polilattico, ovvero una bioplastica, un materiale termoplastico ottenuto da risorse rinnovabili come amido di mais, radici di tapioca o canna da zucchero) rappresentanti il “contesto” del plastico.
Lo studio del modello e del processo di fabbricazione digitale, suddivisibile in diversi step, è stato affidato a ETESIAS, società specializzata nella realizzazione di elementi prefabbricati in cemento armato con una tecnologia brevettata proprietaria che impiega la stampa 3D.
Il team di ETESIAS collabora, ormai da diversi anni, con Italcementi, oggi parte di Heidelberg Materials, per la realizzazione di applicazioni strutturali. Proprio alla collaborazione con il Italcementi, leader nel mercato italiano dei materiali per le costruzioni, che ha riconosciuto fin da subito il valore strategico della tecnologia di ETESIAS per le applicazioni strutturali del calcestruzzo stampato 3D, il team di ricerca della società partenopea deve una significativa accelerazione nello sviluppo della sua tecnologia.
Le fasi del processo di fabbricazione del prototipo
Come per le strutture in dimensioni reali, anche nel caso della realizzazione di un prototipo, l’approccio alla progettazione che si deve avere nell’utilizzo di questa tecnologia non è banale; richiede infatti competenze nell’ambito della modellazione 3D applicata ad ambienti di simulazione robot. La fabbricazione del prototipo è stata suddivisa in vari step.
Partendo dall’ingegnerizzazione del modello 3D, che costituisce la prima fase, passando attraverso la definizione del codice di stampa, la stampa delle parti in materiale cementizio e a quelle del “contesto” in cui è calato il modello, si è arrivati all’assemblaggio finale del prototipo. Vediamo tutti i passi necessari.
Step 1 - Ingegnerizzazione del modello 3D
Il modello ricevuto è stato ridisegnato e semplificato sfruttando il software di modellazione computazionale Grasshopper. Tale semplificazione è stata funzionale alla linearizzazione degli elementi da stampare in 3D e, più nello specifico, ha previsto la parametrizzazione delle geometrie della scocca e del basamento, l’inserimento di elementi di giunzione (tubolari cavi all’interno della scocca) e la scansione dell’insieme in curve rappresentanti il percorso di stampa. Le curve sono state ottenute come intersezione tra il modello e dei piani intervallati da una distanza equivalente all’altezza del layer di stampa e, nel caso delle curve non planari della parte superiore del prototipo, come isocurve della superficie corrispondente.
Step 2 - Definizione del codice di stampa
Questa fase è relativa alla conversione delle curve ottenute in codice RAPID (linguaggio di programmazione del robot ABB). Questa conversione avviene all’interno dello stesso software (Grasshopper) e prevede la definizione di alcuni parametri di stampa, quali velocità, posizione, etc. e la traduzione del codice che avviene attraverso un algoritmo ottimizzato da ETESIAS.
Step 3 - Fase di stampa
Il codice è stato caricato sul controllore del robot e sono stati eseguiti dei test di movimentazione necessari alla verifica della correttezza del percorso di stampa. Successivamente sono stati eseguite delle prove di consistenza e pompabilità del materiale di stampa sfruttando una pompa miscelatrice. Collegata la pompa miscelatrice al robot è stata portata avanti la fase di stampa 3D del prototipo.
Step 4 - Produzione del “contesto”
Il “contesto” del plastico realizzato è stato fabbricato sfruttando la tecnologia della stampa 3D FDM (fused deposition modeling) e utilizzando come materiale il PLA (bioplastica). Gli step necessari alla realizzazione dei componenti sono accostabili a quelli relativi alla fabbricazione in cemento (ingegnerizzazione del modello, slicing e stampa 3D). Le lavorazioni sono state portate avanti presso i laboratori dell’Università degli studi di Pavia.
Step 5 - Assemblaggio
La fase di montaggio ha previsto l’utilizzo di elementi tubolari, utilizzati per fissare i componenti in cemento ad una base di legno sulla quale, successivamente, sono stati incollati gli elementi stampati in 3D rappresentanti il contesto. Tre pannelli in plexiglass sono stati utilizzati per la chiusura delle aperture degli elementi in cemento.
La tecnologia 3D printing e la ricerca di Italcementi
Il 3D printing è una tecnica sviluppata dal 1970 ed è stata da allora applicata a materiali come i polimeri, il metallo o l'argilla. Essa consiste nel depositare strati successivi di materiale sotto controllo computerizzato al fine di realizzare un modello progettato da uno specifico software 3D. Negli ultimi anni anche i materiali cementizi sono stati introdotti nel settore del 3D printing.
Dal 2015, Italcementi ha cominciato a studiare la tecnologia di stampa 3D nel settore cementizio presso i laboratori di ricerca ed innovazione a Bergamo, dove ha sviluppato il cemento a tecnologia i.tech 3D, un materiale ideato specificatamente per la stampa 3D e adatto per un uso versatile con diversi tipi di stampanti.
Si tratta di un prodotto premiscelato con sabbie selezionate e componenti specifici che garantiscono alla malta di autosostenersi durante la posa in opera. La malta, durante la stampa, mantiene la forma prevista dal modello di partenza e assicura nel contempo lavorabilità e un progressivo sviluppo delle resistenze meccaniche.
Per la ricerca Italcementi ha impiegato circa 15 professionisti tra ingegneri, chimici, architetti e tecnici per oltre 15.000 ore di lavoro di ricerca ed ha riguardato sia lo sviluppo di formulazioni in grado di adattarsi a diversi sistemi di stampa 3D, sia lo studio di soluzioni in cui il 3D printing possa essere utilizzato per applicazioni strutturali.
Le caratteristiche dei materiali cementizi per stampa 3D
Dal punto di vista della formulazione, i materiali cementizi per stampa 3D sviluppati sono adattabili per le diverse tecnologie di stampa e possiedono le caratteristiche necessarie per essere miscelati, trasportati con una pompa da cantiere ed estrusi attraverso ugelli, anche di forma differente, posti sulla testa di una macchina di stampa.
Essendo la 3DP una tecnologia senza casseforme, è necessaria una vera e propria ingegnerizzazione delle proprietà reologiche del calcestruzzo per garantire il mantenimento della forma e una conformità soddisfacente del materiale stampato rispetto alla forma progettata.
La caratteristica più importante del materiale è quella che viene definita buildability, cioè la capacità di autosostenersi durante la posa dei vari strati che, durante il processo di stampa, vengono posizionati uno sopra l’altro – da cui il nome di stampa additiva - quando il materiale è ancora allo stato fluido.
A questo proposito, diventa fondamentale anche calcolare esattamente il tempo di passaggio dell’estrusore sullo stesso punto in modo che gli strati già posati siano sufficientemente resistenti per sostenere quelli nuovi e sufficientemente fluidi da non generare dei giunti freddi tra gli strati.
Altra caratteristica importante è la printability cioè la capacità di mantenere la forma dopo la stampa e, quindi, non generare deformazioni rispetto al progetto.
Dal punto di vista meccanico, il materiale è caratterizzato da resistenza a compressione più elevata rispetto a quella di un calcestruzzo ordinario e questo permette di stampare pareti a basso spessore, autoportanti e, grazie all’utilizzo di speciali additivi, poco sensibili alla fessurazione.
Deve però anche essere considerato il fatto che le prestazioni meccaniche non sono isotrope ma differiscono in base all’orientamento degli strati deposti uno sull’altro.
Il network di ricerca universitario
Durante questi anni, Italcementi ha instaurato collaborazioni importanti lungo tutta la filiera; il network di professionisti e università coinvolte includono, tra le altre, l’Harvard College Graduate School of Design, l’Università degli Studi di Napoli “Federico II” (Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale e Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura), l’Università degli Studi di Firenze (CSGI - Consorzio Interuniversitario per lo sviluppo dei Sistemi a Grande Interfase) e startup innovative esperte sulla tecnologia di estrusione e realizzazione di macchine per la stampa 3D.
Per quanto riguarda invece le applicazioni strutturali, Italcementi ha stretto una collaborazione con ETESIAS, spin-off dell’Università degli Studi di Napoli “Federico II” e l’Università di Brescia. Queste collaborazioni sono strategiche sia per lo sviluppo di nuovi concept di design strutturale, sia per poter contribuire alla definizione appropriata di standard e normative.
In particolare, la collaborazione con ETESIAS intende apportare innovazione nell’ambito della “personalizzazione” degli oggetti strutturali e, di conseguenza, dell’intero processo progettuale degli stessi. Infatti, la versatilità del processo di stampa permette di fare “ottimizzazione topologica” cioè “mettere il materiale solo lì dove serve”, con conseguente alleggerimento delle strutture e riduzione del materiale utilizzato.
Alcuni test sperimentali condotti su pareti stampate hanno evidenziato come strutture scatolari costruite con tecnologia 3D printing si comportino in maniera del tutto simile a strutture in muratura con il plus di poter rinforzare a trazione - tramite rinforzi fibrosi e/o rinforzi in acciaio tradizionali - le strutture laddove sia superato il già elevato limite elastico. Questo permette di studiare strutture con elevata portanza ai carichi orizzontali tipici di eventi sismici.
In definitiva, si tratta di un processo di realizzazione (design-to-product) molto peculiare e unico nel suo genere. Infatti, la versatilità del processo permette non solo l’ottimizzazione topologica ma consente anche il controllo dell’intera filiera design-to-product, potendo includere dispositivi intelligenti nella fase produttiva atti, ad esempio, al monitoraggio strutturale o allo scambio di informazioni in una rete infrastrutturale.
I vantaggi del 3D printing applicato alle costruzioni
Realizzare edifici con la tecnologia 3D printing permette di ottenere diversi vantaggi. Si tratta di un sistema costruttivo strutturalmente efficiente, facilmente replicabile e materialmente responsabile.
La stampa 3D consente, infatti, di coniugare l’esigenza di efficienza strutturale con quella di design, spesso non pienamente soddisfatta dai tradizionali processi di prefabbricazione.
Combinando attività di ricerca industriale e sviluppo sperimentale, questa tecnologia punta all’ottimizzazione delle prestazioni meccaniche degli elementi, utilizzando un quantitativo di calcestruzzo nettamente inferiore rispetto alle tecnologie convenzionali, a vantaggio anche delle prestazioni economiche ed ambientali.
La stampa 3D, infatti, consente di incentivare sostanzialmente l’ottimizzazione nella gestione delle risorse e di ridurre tempi e costi di produzione, nonché gli sprechi di materie prime.
La possibilità di produrre direttamente in sito l’intero manufatto o pezzi unici, realizzati per la specifica fornitura, la grande libertà di forma garantita da questa tecnologia per la produzione di alcuni componenti, con particolari caratteristiche di design e finitura, costi più bassi per la manodopera, sono caratteristiche che sicuramente contraddistinguono già la produzione di edifici in 3D, a cui si aggiungono una serie di vantaggi, sostanzialmente determinati da:
• flessibilità nella realizzazione di un progetto, con maggiore libertà per l’architetto e l’ideatore del progetto nel realizzare e personalizzare le proprie idee e quelle del cliente, anche quando costituite da forme complesse. Inoltre, il concetto di flessibilità si ritrova anche nella facilità di gestire cantieri in zone poco servite o in centri urbani molto affollati;
- sostenibilità, data dalla possibilità di affiancare al tradizionale “modo” di costruire, una tecnologia che consente di ridurre gli scarti di lavorazione, utilizzare materiali riciclati e locali provenienti anche da elementi realizzati essi stessi con stampa 3D, il tutto nel pieno rispetto dei principi dell’economia circolare;
- sicurezza nella gestione del cantiere, con ridotto rumore e polverosità e con minori sovrapposizioni e rischi;
- accuratezza della stampa, grazie ad un diretto passaggio di informazioni dal progetto e, quindi, da modello 3D alle operazioni di costruzione, attraverso una ottima realizzazione dei dettagli e riduzione delle possibilità di errori;
- rapidità di esecuzione: la stampa 3D è un processo più veloce e talvolta meno costoso rispetto ai tradizionali grazie ad un uso più efficiente dei materiali e dell’organizzazione del cantiere.
I processi di produzione additiva sono dunque associati a un rapporto “costo-efficacia di fabbricazione” che riduce il consumo di energia, la domanda di risorse e le emissioni di CO2 durante il ciclo di vita del prodotto.
Le realizzazioni con il 3D printing
L’utilizzo della stampa 3D porta verso una nuova cultura del “costruire” sostenibile, un sistema di progettazione e realizzazione basato sulle tecnologie digitali che coinvolge gli studi di architettura e di progettazione, le imprese di costruzioni, le maestranze, i centri di ricerca, le università.
Una cultura che è nel DNA di Heidelberg Materials, come testimoniato dalle numerose realizzazioni del Gruppo, alcune in corso d’opera, come quella della società immobiliare KRAUSGRUPPE ad Heidelberg, in Germania, ed altre realizzate negli anni scorsi, a partire dal 2018, anno in cui l’azienda ha prodotto la prima casa stampata in 3D in Italia.
Il cemento a tecnologia high-tech i.tech® 3D per il più grande edificio stampato in 3D d'Europa
Ad Heidelberg, in Germania, è attualmente in costruzione il più grande edificio stampato in 3D, per il quale viene utilizzato lo speciale materiale per la stampa in calcestruzzo 3D di Heidelberg Materials.
La stampa dell’edificio, iniziata alla fine di marzo 2023, dovrebbe essere completata entro la fine di luglio 2023.
Una volta terminato, l'iconico edificio commerciale della società immobiliare KRAUSGRUPPE - lungo circa 54 metri, largo 11 metri e alto 9 metri - ospiterà un data center.
Per il progetto, Heidelberg Materials sta fornendo circa 450 tonnellate di i.tech® 3D, il materiale sviluppato appositamente per la stampa 3D del calcestruzzo, riciclabile al 100%.
Questo materiale da costruzione, infatti, di origine completamente minerale, contiene un legante con un'impronta di carbonio inferiore di circa il 55% rispetto a quella del classico cemento Portland. Il partner del progetto, PERI 3D Construction, sta creando le pareti esterne e le partizioni interne del futuro data center con la sua stampante 3D per costruzioni.
“Siamo lieti di far parte di questo progetto innovativo e di sviluppare ulteriormente con i nostri partner la stampa 3D del calcestruzzo, come metodo di costruzione particolarmente efficiente in termini di risorse”, afferma Nicola Kimm, membro del Consiglio di Amministrazione di Heidelberg Materials e Chief Sustainability Officer.
“Insieme dimostriamo che sostenibilità e digitalizzazione vanno di pari passo. In Heidelberg Materials, prodotti innovativi e sostenibili come i.tech® 3D e lo sviluppo di modelli di business digitali sono elementi essenziali della nostra strategia di sostenibilità”.
L’obiettivo di Heidelberg Materials è quello di offrire, entro il 2030, alternative circolari per metà dei suoi prodotti in calcestruzzo in tutto il mondo. I prodotti stampati in 3D sono parte integrante del portafoglio. L'azienda, inoltre, offre prodotti di alta qualità e know-how tecnico ad architetti, ingegneri, produttori di stampanti 3D e costruttori che desiderano realizzare edifici o elementi in calcestruzzo utilizzando la stampa 3D.
i.tech® 3D è stato già utilizzato per stampare i primi edifici residenziali in Germania nel 2020. Da allora, Heidelberg Materials ha ulteriormente sviluppato il materiale da costruzione e ridotto il suo contenuto di CO₂.
Attraverso un'adeguata pianificazione del design, infatti, il processo di stampa 3D consente una riduzione del consumo di materiale fino al 70% rispetto ai metodi di costruzione convenzionali e questo comporta, di conseguenza, un'ulteriore riduzione di CO₂. La stampa 3D aumenta anche la velocità e la produttività del processo di costruzione e rende i cantieri più sicuri, grazie a minori emissioni di polvere, rumore e all'uso ridotto di strumenti e apparecchiature.
La prima realizzazione in Italia alla Design Week di Milano nel 2018
Il progetto 3D Housing 05 rappresenta la prima validazione in scala reale in cui Italcementi è stata protagonista. Questo progetto ha messo insieme le competenze e le società necessarie per realizzare la prima casa stampata in 3D in Italia. L’idea di casa stampata in 3D è stata presentata da Massimiliano Locatelli/CLS Architetti, ed è stata realizzata in collaborazione con Italcementi, Arup, Cybe Construction per la Milano Design Week 2018.
Essa consisteva in una casa di 100 m2 in calcestruzzo stampato in 3D in opera in Piazza Cesare Beccaria.
In Germania, invece, la prima casa stampata in 3D è stata realizzata nell'ottobre 2020, grazie al cemento “i.tech 3D”, frutto della ricerca italiana di Italcementi. Si tratta di una casa indipendente su due piani a Beckum, nella Renania Settentrionale-Vestfalia, di circa 80 m2 di superficie abitabile per piano e composta da pareti a tre strati riempite di mescola isolante. La casa a Beckum è stata stampata da PERI, uno dei produttori principali di casseforme e di sistemi per impalcature nel settore delle costruzioni.
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