“Costruire il Futuro: Esplorando 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, detta anche produzione additiva.
Inizialmente, il termine “stampa 3D” si riferiva al processo di deposizione di strati su strati di un materiale legante su un letto di polvere utilizzando testine 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 tridimensionali in plastica, che diedero origine all'idea della produzione additiva. Ha creato strutture stampate in 3D utilizzando un polimero termoindurente fotoindurente.
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Cosa sono le stampanti 3D?
In parole semplici, le stampanti 3D utilizzano la progettazione CAD (Computer Aided Design) alimentata 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 si dividono in tre categorie di base e funzionano tutte in modo leggermente diverso.
Tipi di stampanti 3D
· Stereolitografiche (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 quello in cui queste stampanti sono impiegate più frequentemente.
In che modo la stampa 3D si applica all'industria edile?
Dagli anni '80 sono state sollevate diverse questioni sulla tecnologia di stampa 3D. L'avanzamento del metodo stesso, che consente la costruzione di oggetti tridimensionali sovrapponendo strati successivi di materiale, gli ha tuttavia conferito una maggiore rilevanza. Questo metodo di costruzione è molto adattabile e può essere utilizzato per costruire elementi di progetto specifici, nonché una varietà di strutture complesse nella loro interezza, tra cui case o spazi abitativi, uffici, ponti, muri, strutture modulari, stampi di rinforzo, colonne, arredo urbano e persino elementi decorativi.
Una parte significativa delle conoscenze necessarie 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 in pieno sviluppo 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 base ai segnali. Questo può essere fatto usando una varietà di materiali, i più popolari dei quali sono una miscela di sabbia, fibra, geo polimeri e cemento.
Secondo un sondaggio di Research and Markets, la stampa 3D è avanzata in modo così positivo 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 mila entro il 2028. Ciò aumenta il suo tasso di crescita annuale composto dal 2021 al 2028 del 91,5%.
La 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, nel 1900 c'erano il 15% in più di persone che vivevano nelle città. 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.
Grafico 1
Grafico 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 impostati secondo uno schema che consente al braccio robotico di passarvi attraverso strato dopo strato mentre estrude il cemento 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 utilizzando un legante, la macchina ricopre la superficie con polvere di sabbia. Questo è paragonabile al funzionamento di una stampante 3D in metallo.
Tecnologia del metallo
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) è stato sviluppato dalla startup olandese MX3D per strutture più fortemente 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 appositamente creato 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 sfida architettonica significativa 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 Grazie all'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 per l'edilizia integrandosi con il BIM ed eseguendo progetti complessi con una precisione quasi perfetta.
· Riduzione dell'errore umano – Il fondamento della stampa 3D è il funzionamento automatizzato pre-programmato libero dall'influenza umana. Questo elimina essenzialmente 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 si sta rapidamente spostando verso l'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 rispetto a qualsiasi altra tecnica di costruzione tradizionale. Oltre al costo ambientale della produzione di elettricità con una capacità così elevata, soddisfare una domanda così elevata di energia è costoso.
· Le stampanti 3D sono costose – Non è attualmente economicamente fattibile utilizzare la stampa 3D perché la tecnologia è ancora agli inizi. L'investimento iniziale necessario per installare 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 – Le normali forniture per l'edilizia non possono essere utilizzate con le stampanti 3D. Materiali specializzati, che non sono ancora ampiamente utilizzati, sono richiesti da una stampante 3D. A causa del significativo aumento dei costi del materiale a causa della scarsità e della costosa stampante, non è possibile impiegarlo per la costruzione su larga scala.
Dimensione del mercato per la stampa 3D nelle costruzioni
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, specialmente 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 senza scopo di lucro stanno impiegando la tecnologia di stampa 3D del cemento per risolvere la crisi degli alloggi a prezzi accessibili. Ad esempio, New Story, un'organizzazione senza scopo di lucro, 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 della stampa 3D.
Il Futuro
Un numero crescente di progetti in tutto il mondo dimostra che le strutture di stampa 3D hanno il potenziale per essere una tecnologia rivoluzionaria che cambia il settore e che affronterà diversi problemi che attualmente affliggono il settore delle costruzioni. 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
L'industria edile è pronta per l'innovazione, nonostante il fatto che la stampa 3D abbia ancora molti problemi di vecchia data. I metodi di costruzione tradizionali possono essere inefficienti, costosi, dispendiosi in termini di tempo e dannosi per l'ambiente. Grazie all'accuratezza, 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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