“Costruire il futuro: esplorare il potenziale della stampa 3D nell'edilizia”
La realizzazione di prodotti solidi tridimensionali da un file digitale assistito da computer è nota come stampa 3D, anche conosciuta come produzione additiva.
Inizialmente, il termine "stampa 3D" si riferiva al processo di deposito di strati su strati di un materiale legante su un letto di polvere utilizzando teste di stampanti a getto d'inchiostro. Tuttavia, la definizione ora comprende una gamma più ampia di processi di produzione additiva, tra cui la fusione laser selettiva e la produzione additiva a fascio di elettroni.
All'inizio degli anni '80, l'inventore giapponese Hideo Kodama sviluppò due tecniche additive per la creazione di modelli di plastica tridimensionali, che diedero origine all'idea della produzione additiva. Creò strutture stampate in 3D utilizzando un polimero termoindurente fotoindurente.
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Cosa sono le stampanti 3D?
Per dirla in parole semplici, le stampanti 3D impiegano il CAD (Computer Aided Design) alimentato dalla tecnologia 3D per produrre oggetti 3D da una varietà di materiali, tra cui plastica fusa, polvere e cemento. Una casa stampata in 3D può essere creata utilizzando una varietà di stampanti 3D, che variano in dimensioni e design da piccoli modelli di edifici che si adattano a un tavolo. Le stampanti 3D sono disponibili in tre categorie di base e funzionano tutte in modo leggermente diverso.
Tipi di stampanti 3D
· Stereolitografia (stampanti SLA) – Le stampanti 3D che utilizzano la tecnologia stereolitografica (SLA) possono trasformare la resina liquida in plastica.
· Sinterizzazione laser selettiva (stampanti SLS) – Stampanti SLS (sinterizzazione laser selettiva): queste stampanti sinterizzano particelle di polvere polimerica in strutture solide utilizzando un laser.
· Modellazione a deposizione fusa (stampanti FDM) – Queste stampanti creano oggetti a strati rilasciando filamenti termoplastici fusi attraverso un ugello riscaldato. L'approccio di costruzione 3D è dove queste stampanti sono impiegate più frequentemente.
In che modo la stampa 3D si applica al settore edile?
Dagli anni '80, sono state sollevate diverse domande sulla tecnologia di stampa 3D. L'avanzamento del metodo stesso, che consente la costruzione di oggetti tridimensionali sovrapponendo successivi strati di materiale, gli ha, tuttavia, conferito una maggiore rilevanza. Questo metodo di costruzione è molto adattabile e può essere utilizzato per costruire elementi specifici del progetto, nonché una varietà di strutture complesse nella loro interezza, tra cui case o spazi abitativi, uffici, ponti, pareti, strutture modulari, stampi di rinforzo, colonne, arredo urbano e persino elementi decorativi.
Una parte significativa della conoscenza necessaria per implementare questa tecnologia nelle costruzioni proviene dalla fase di progettazione. L'integrazione della tecnologia di stampa 3D è meno difficile perché il settore ha già esperienza con la produzione assistita da computer e il BIM (Building Information Modeling) è fiorente nel settore edile. Una stampante 3D ottiene le informazioni necessarie da un programma CAD o BIM e le macchine iniziano a sovrapporre i livelli di materiale in conformità con i segnali. Questo può essere fatto usando una varietà di materiali, il più popolare dei quali è una miscela di sabbia, fibra, geopolimeri e cemento.
Secondo un sondaggio di Research and Markets, la stampa 3D ha fatto progressi così positivi negli ultimi dieci anni che si prevede che il suo valore di mercato nel settore delle costruzioni raggiungerà fino a USD $ 1.034.096,7 migliaia entro il 2028. Ciò aumenta il suo tasso di crescita annuale composto dal 2021 al 2028 del 91,5%.
Stampa 3D nelle costruzioni in tutto il mondo
La costruzione e una migliore infrastruttura stanno diventando sempre più richieste, in particolare nelle grandi città. Rispetto al 1800, quando solo il 3% della popolazione viveva nelle città, c'erano il 15% in più di persone che vivevano nelle città entro il 1900. Entro il 2050, il World Economic Forum prevede che i due terzi della popolazione mondiale risiederanno nelle principali città, rispetto all'attuale quota del 55%.
Numerose iniziative governative che supportano l'uso della stampa 3D sono attualmente in costruzione su base globale. Dubai, dove il 25% degli edifici deve essere creato con la tecnologia di stampa 3D entro il 2030, è una delle città che sceglie di guidare il gruppo in questa corsa.
Esempio 1
Esempio 2
Tecnologie disponibili per la stampa 3D nell'edilizia
Estrusori a braccio robotico
Gli estrusori a braccio robotico sono popolari tra le tecnologie di stampa 3D attualmente sul mercato. Questa tecnica è chiamata contour crafting. Funziona in modo simile a una stampante 3D FDM desktop. I binari sono disposti in uno schema che consente al braccio robotico di passarli strato per strato mentre estrude il calcestruzzo che esce dall'ugello. Questo metodo di stampa 3D di edifici XL è il più popolare.
Stampa 3D con sabbia
I processi di stampa 3D industriale come SLS (Selective Laser Sintering) e Jet Fusion sono paragonabili alla procedura 3D che viene spiegata qui. Il primo a metterlo alla prova con la sua stampante 3D D-Shape è stato l'architetto italiano Enrico Dini. Prima di cementare la forma della costruzione usando un legante, la macchina ricopre la superficie con polvere di sabbia. Questo è paragonabile al funzionamento di una stampante 3D in metallo.
Tecnologia dei metalli
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) è stato sviluppato dalla startup olandese MX3D per strutture più pesantemente sollecitate come i ponti. Un robot industriale e una saldatrice sono stati combinati dall'azienda e il risultato è stata una stampante 3D che operava su un software creato appositamente per l'attività. Il robot ha una configurazione a 6 assi per la stampa 3D di strutture metalliche.
Vantaggi della stampa 3D per l'edilizia
· Maggiore flessibilità di progettazione – La creazione di progetti complessi è una significativa difficoltà architettonica che la stampa 3D può affrontare. I programmi per computer che possono essere programmati per eseguire progetti complessi e difficili sono utilizzati dalle stampanti 3D per l'edilizia.
· Adattamento al BIM – BIM Attraverso l'uso della tecnologia 3D, la modellazione delle informazioni sugli edifici ha trasformato la progettazione degli edifici. Visualizza immagini di enormi edifici e strutture prima che vengano effettivamente costruiti. Questa svolta può essere avanzata dalla stampa 3D edile integrandosi con il BIM ed eseguendo progetti complessi con una precisione quasi perfetta.
· Riduzione dell'errore umano – La base della stampa 3D è il funzionamento automatizzato preprogrammato esente da influenza umana. Questo essenzialmente elimina gli errori causati dalle persone. Inoltre, le stampanti 3D non richiedono molta supervisione umana.
· Aiuto alla costruzione di edifici ecologici – Il tipo di costruzione più popolare sta rapidamente passando all'essere ecologico. Le imprese edili hanno iniziato a utilizzare metodi di costruzione ecologici a seguito della crescente consapevolezza dei cambiamenti climatici. Utilizzando materiali da costruzione scartati e riproposti per produrre strutture stampate in 3D, le stampanti 3D possono svolgere un ruolo significativo in questo sforzo.
Svantaggi delle costruzioni stampate in 3D
· Elevato consumo di energia – Le stampanti 3D utilizzano più elettricità di qualsiasi altra tecnica di costruzione tradizionale. Oltre al costo ambientale della produzione di elettricità con una capacità così elevata, soddisfare una domanda così grande di energia è costoso.
· Le stampanti 3D sono costose – Attualmente non è economicamente fattibile utilizzare la stampa 3D perché la tecnologia è ancora nella sua infanzia. L'investimento iniziale necessario per allestire un impianto di stampa 3D per la costruzione di strutture è significativo e nella sua attuale configurazione è troppo costoso da implementare nel settore edile primario.
· Scarsità di materiali – I materiali da costruzione normali non possono essere utilizzati con le stampanti 3D. Materiali specializzati, che non sono ancora ampiamente utilizzati, sono richiesti da una stampante 3D. A causa del significativo aumento del costo del materiale a causa della scarsità e della stampante costosa, non è fattibile impiegarlo per la costruzione su larga scala.
Dimensione del mercato per la stampa 3D nell'edilizia
1. Casa unifamiliare stampata in 3D a Mosca
Una casa stampata in 3D è stata costruita a Mosca dalla società tecnologica americana Apis Cor. La casa è la prima del suo genere a utilizzare l'automazione nella costruzione di case ed è identica a qualsiasi altra struttura in cemento. Il costo totale della costruzione è stato inferiore a $ 10.000.
2. L'edificio stampato in 3D più grande del mondo a Dubai
Recentemente, ci sono stati nuovi progressi tecnologici in Medio Oriente, in particolare negli Emirati Arabi Uniti. Il Guinness dei primati ha già verificato l'affermazione dell'Emirates Tower Complex di essere l'edificio stampato in 3D più grande del mondo, continuando questa tendenza nella stampa 3D. L'edificio a due piani, costruito da Apis Cor, ha una superficie di 640 m2 e un'altezza di 9,5 m.
3. Case stampate in 3D in Nord America e nei Caraibi
Comunità in tutto il mondo e organizzazioni no profit stanno impiegando la tecnologia di stampa 3D in calcestruzzo per risolvere la crisi degli alloggi a prezzi accessibili. Ad esempio, New Story, un'organizzazione no profit, ha costruito la prima casa stampata in 3D del Messico in un tempo record di 24 ore. Da allora, l'azienda ha costruito quartieri con 2.000 case, tutte costruite utilizzando la tecnica di costruzione con stampa 3D.
Il futuro
Un numero crescente di progetti in tutto il mondo mostra che le strutture di stampa 3D hanno il potenziale per essere una tecnologia rivoluzionaria e che cambia il settore che affronterà diversi problemi che attualmente affliggono il settore edile. Il livello di ambizione è enorme; ad esempio, si prevede che il 25% delle nuove strutture a Dubai sarà stampato in 3D entro il 2030. Per usare un eufemismo, l'uso della stampa 3D nel settore delle costruzioni ha un futuro promettente.
Conclusione
Il settore edile è pronto per l'innovazione, nonostante il fatto che la stampa 3D abbia ancora molti problemi di lunga data. I metodi di costruzione tradizionali possono essere inefficienti, costosi, dispendiosi in termini di tempo e dannosi per l'ambiente. Grazie alla precisione, alla velocità e all'affidabilità della stampa 3D, gli ingegneri civili hanno numerose opportunità per affrontare queste sfide e forse rendere più facile e conveniente la progettazione e la costruzione di strutture abitabili.
Autore: Sonu Kumar Sah
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