Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, ma anche uno dei principali responsabili delle emissioni di carbonio. Per questo motivo la stampa 3D applicata all’edilizia viene considerata una delle tecnologie più promettenti per ridurre sprechi e impatto ambientale. Un gruppo di ricercatori del MIT ha ora sviluppato un nuovo sistema che consente di progettare strutture ottimizzate tenendo conto fin dall’inizio dei limiti reali delle stampanti 3D, eliminando gran parte delle modifiche necessarie prima della produzione.
Un algoritmo che progetta pensando alla stampante
Gli ingegneri utilizzano da tempo la cosiddetta ottimizzazione topologica, una tecnica che individua la forma più resistente utilizzando la minima quantità possibile di materiale. Tuttavia, questi progetti risultano spesso impossibili da realizzare con le attuali stampanti 3D per il calcestruzzo, che devono rispettare vincoli come lo spessore del materiale estruso, i limiti di movimento dell’ugello e la necessità di stampare seguendo un percorso continuo.
Per superare questo problema, il team del MIT ha collaborato con gli specialisti che gestiscono le grandi stampanti 3D di Autodesk, trasformando questi limiti fisici in regole matematiche integrate direttamente nel software di progettazione.
Il risultato è un framework capace di generare modelli completamente stampabili in circa due minuti su un normale computer portatile. Anche eventuali modifiche dell’ultimo minuto possono essere elaborate rapidamente: durante la realizzazione del prototipo, una variazione delle dimensioni del ponte è stata completata in appena 5-10 minuti.
Il ponte stampato in 3D supera il test di resistenza
Per verificare il funzionamento del sistema, i ricercatori hanno progettato e stampato un ponte in calcestruzzo lungo 2,3 metri, realizzato in circa 30 minuti utilizzando una comune malta disponibile in commercio.
Durante le prove di carico, la struttura, dal peso di circa 410 chilogrammi, ha sostenuto oltre 910 chilogrammi di blocchi di cemento distribuiti sulla superficie senza mostrare deformazioni significative. I risultati hanno confermato con precisione le simulazioni effettuate durante la fase di progettazione.
La sperimentazione ha però evidenziato anche un aspetto inatteso: non è la resistenza del calcestruzzo a rappresentare oggi il principale limite, bensì le capacità delle attuali stampanti 3D. Secondo i ricercatori, le restrizioni imposte dall’hardware influenzano il progetto molto più delle caratteristiche meccaniche del materiale.
Dove si possono ottenere i maggiori risparmi
Uno degli aspetti più interessanti dello studio riguarda la possibilità di misurare con precisione quanto ogni limite tecnologico influisca sul consumo di materiale.
L’analisi ha mostrato che il fattore più determinante è la larghezza del cordone di calcestruzzo depositato dalla stampante. Il ponte sperimentale è stato realizzato con uno spessore di 4 centimetri, ma una macchina capace di lavorare con un cordone da appena 1 centimetro potrebbe ridurre il consumo di materiale fino al 76%, mantenendo comunque ampi margini di sicurezza.
Questo risultato suggerisce che piccoli miglioramenti dell’hardware potrebbero tradursi in grandi benefici sia dal punto di vista economico sia da quello ambientale, contribuendo a ridurre le emissioni legate alla produzione del calcestruzzo.
Una tecnologia che guarda già alle applicazioni future
L’intera struttura del ponte è stata progettata affinché ogni elemento lavori esclusivamente a compressione, la condizione in cui il calcestruzzo offre le migliori prestazioni. La dimostrazione è arrivata anche dopo i test: il ponte aveva sopportato senza problemi oltre 900 chilogrammi di carico, ma si è rotto quando un operatore lo ha sollevato da un angolo, introducendo forze di trazione che il progetto non era destinato a sostenere.
Oltre al risparmio di materiale, il metodo elimina completamente la necessità di realizzare stampi, un vantaggio particolarmente importante per infrastrutture uniche o temporanee, come quelle destinate agli interventi di soccorso in caso di disastri.
Il prossimo obiettivo del gruppo di ricerca sarà estendere il sistema al calcestruzzo armato, affrontando la sfida di integrare le barre d’acciaio all’interno delle strutture stampate in 3D senza compromettere il processo produttivo.
Fonte: TechXplore
