La stampa 3D è il futuro dell'edilizia?

L'ultimo decennio è stato caratterizzato da una rapida evoluzione nel settore delle costruzioni, con innovazioni come il Building Information Modelling (BIM), i software di costruzione basati su cloud e le costruzioni fuori sede, che hanno posto le basi per una nuova era del settore. Oltre a rendere il processo di costruzione più efficiente e collaborativo, queste innovazioni stanno consentendo l'avvento di nuovi strumenti e tecnologie.

Un esempio su tutti: la stampa 3D. 

La stampa 3D, nota anche come produzione additiva (AM), ha una varietà di applicazioni, in particolare nei settori aerospaziale, automobilistico e medicale, dove viene impiegata per: 

  • Produrre parti geometriche complesse
  • Creare prototipi
  • Realizzare impianti e dispositivi su misura


Sebbene sia ancora agli inizi, la stampa 3D si è dimostrata molto promettente nel settore dell'edilizia: intere strutture sono già state costruite in modo più sostenibile, con meno manodopera e in una frazione di tempo. Infatti, secondo uno studio di SmarTech, si prevede che il settore genererà un fatturato di ben 40 miliardi di dollari entro il 2027.

Diamo un'occhiata più da vicino a questa tecnologia, al suo funzionamento, alla sua storia e al suo potenziale di sconvolgere il settore dell'architettura, dell'ingegneria e delle costruzioni (AEC).

Come viene utilizzata la stampa 3D nell'edilizia?

Le stampanti 3D per l'edilizia funzionano in modo molto simile alle stampanti da ufficio, guidate da un programma software che "dice" alla stampante quali devono essere le specifiche del prodotto finale. Nel caso della stampa 3D per l'edilizia, è possibile utilizzare programmi di progettazione assistita da computer (CAD) o BIM, con le macchine che costruiscono la struttura uno strato alla volta.  

Il processo di costruzione può avvenire in due modi:

In loco

Utilizzando una stampante 3D collegata a un braccio robotico, è possibile costruire intere strutture in loco. In molti casi, si utilizza una combinazione di processi manuali e automatizzati, con la stampa 3D del calcestruzzo che copre la maggior parte della struttura.

Offsite

Questo metodo prevede la stampa di diversi componenti edilizi fuori sede (ad esempio in una fabbrica) e il loro trasporto in loco per il successivo assemblaggio. 

Nell'ambito della stampa 3D per l'edilizia, alcuni segmenti stanno crescendo più rapidamente di altri. Ecco alcuni esempi:

Metodi di stampa 3D in rapida crescita

Stampa 3D a estrusione

La stampa 3D a estrusione, nota anche come Fused Deposition Modeling (FDM), "estrude" il materiale attraverso un ugello e lo stratifica per creare una struttura 3D. Utilizzato comunemente nelle costruzioni in cantiere, questo metodo funziona con materiali come geopolimeri, calcestruzzo, cemento, argilla e gesso.

Stampa 3D con incollaggio a polvere

Questo metodo utilizza la polvere per creare ogni strato di una struttura e il liquido come agente legante. È particolarmente utile per costruire strutture durevoli, leggere e resistenti al calore, il che contribuisce senza dubbio alla sua elevata domanda. 

Materiali per la stampa 3D da costruzione in rapida crescita

Stampa 3D del calcestruzzo

Con vantaggi quali la riduzione dei costi, la diminuzione della manodopera, la maggiore velocità e l'aumento della produttività, è facile capire perché la stampa 3D del calcestruzzo sia un'alternativa interessante ai metodi tradizionali. Inoltre, è meno costoso creare superfici a doppia curvatura e geometrie organiche. Si prevede che solo questo segmento raggiungerà un valore di oltre 40 milioni di dollari entro il 2027.

Stampa 3D del metallo

L'uso del metallo per la stampa di costruzioni 3D consente di ottenere forme più complesse ed elementi graduati dal punto di vista funzionale grazie al riscaldamento e al raffreddamento controllati. Nella maggior parte dei casi, viene utilizzato per progettare nodi di facciata e altre connessioni.

Stampa 3D per l'edilizia: Una breve storia

Partiamo dall'inizio: prima ancora di sognare che la stampa 3D potesse essere utilizzata nell'edilizia.

La stampa 3D è nata negli anni '80 con l'invenzione della prima tecnologia additiva: la stereolitografia o SLA. La SLA crea oggetti strato per strato, utilizzando un potente laser per trasformare la resina liquida in materiale solido. La sua prima applicazione pratica è stata la creazione di pezzi rapidi e precisi utilizzati nei prototipi. Negli anni successivi si sono aggiunti altri metodi, tra cui:

Sinterizzazione laser selettiva (SLS) 

Un processo di stampa 3D industriale che crea strutture utilizzando un laser ad alta potenza per fondere piccole particelle di polvere polimerica in una struttura solida. Funziona ricalcando i modelli CAD tagliati digitalmente strato per strato e costruendoli da zero. 

Modellazione a deposizione fusa (FDM) 

Si tratta del metodo di estrusione di cui abbiamo parlato in precedenza. Queste stampanti di solito creano oggetti 3D riscaldando un materiale (ad esempio un filamento termoplastico), fondendolo e quindi estrudendolo strato per strato per formare la forma desiderata. 

Deposizione diretta di metallo (DMD) 

Questo processo utilizza un laser per trasformare il metallo in polvere in un oggetto metallico solido, strato per strato. 

Con l'evoluzione della tecnologia di stampa 3D, si sono evolute anche le sue applicazioni. Uno dei suoi primi impieghi nel settore dell'architettura, dell'ingegneria e delle costruzioni (AEC) è stato quello di strumento per la creazione di modelli in scala di edifici e altre strutture. In seguito, con l'aumento dell'attenzione e della diffusione del BIM nel settore, la stampa 3D ha fatto la sua comparsa anche nell'edilizia. 

Negli anni '90, diverse organizzazioni stavano già sperimentando la stampa 3D per creare componenti modulari e persino progetti su scala reale. Tuttavia, è solo negli anni 2000 che la stampa 3D per l'edilizia ha iniziato a progredire. Ecco una rapida cronologia che mostra alcune delle principali pietre miliari:

2004 - Il primo muro stampato in 3D

Il professor Behrokh Khoshnevis della University of South Carolina ha stampato un'intera parete. Il suo obiettivo più grande? Stampare un'intera casa! I suoi sforzi gli sono valsi il primo premio di 20.000 dollari del concorso "Create the Future" della rivista Tech Briefs della NASA. Il suo progetto è stato giustamente intitolato "Robotic Building Construction by Contour Crafting".

2014 - Una casa sul canale stampata in 3D

Questo è stato l'inizio di un progetto di "Research & Design by Doing" in cui un team internazionale di partner si è riunito per lavorare all'ambizioso progetto di stampare una casa sul canale a grandezza naturale ad Amsterdam. L'obiettivo? Mostrare il potenziale dell'architettura stampata in 3D.

2016 - Una villa stampata in 3D

Costruita dall'azienda cinese HuaShang Tenda, questa villa di due piani e 4.305 metri quadrati è stata realizzata in soli 45 giorni. Dopo aver posizionato l'intelaiatura, l'impianto idraulico e il cablaggio, hanno stampato il resto utilizzando cemento e una stampante computerizzata. Secondo quanto riferito, la villa è antisismica e rispettosa dell'ambiente, dimostrando ancora una volta il potenziale della stampa 3D per l'edilizia.

2016 - Un "ufficio del futuro" stampato in 3D

Sede della Dubai Future Foundation, questo edificio di 2.691 metri quadrati è stato costruito in 17 giorni utilizzando una stampante 3D di grandi dimensioni che misurava 120 x 40 x 20 piedi. Una vera e propria pietra miliare nella storia della stampa 3D per l'edilizia.

Gli anni successivi non hanno mostrato segni di rallentamento per la stampa 3D di costruzioni, con strutture sempre più grandi, numerose e complesse. All'inizio di quest'anno, la città di Nijmegen ha presentato quello che definisce il ponte stampato in 3D più lungo del mondo: una struttura in cemento che si estende per ben 29 metri.

Il 2021 ha visto anche il completamento di progetti interessanti come:

La domanda del settore per la stampa 3D per l'edilizia continuerà a crescere, stimolata dalla crescente richiesta di economicità, precisione, replicabilità, riduzione degli sprechi e sostenibilità. 

I vantaggi della stampa 3D per l'edilizia 

Ecco alcuni dei vantaggi della stampa 3D per l'edilizia:

Riduzione dei rifiuti ed efficacia dei costi

Mentre i metodi di costruzione convenzionali in genere ordinano più materiali di quelli necessari, la stampa 3D utilizza esattamente i materiali di cui ha bisogno per completare la struttura. Questo rende il processo di costruzione più facile da pianificare e molto meno dispendioso. 

L'automazione di una parte del processo consente inoltre di risparmiare su alcuni costi di manodopera. 

Velocità

Le stampanti 3D per l'edilizia possono lavorare 24 ore al giorno, 7 giorni su 7, rendendo possibile la costruzione di strutture in tutto il mondo in pochi giorni. Questo è molto più veloce dei metodi tradizionali, che possono richiedere mesi o addirittura anni, a seconda delle dimensioni dell'edificio. 

Sostenibilità

Le strutture stampate in 3D possono essere realizzate con materiali completamente organici ed ecologici. Tra questi vi sono il bambù, l'argilla e persino materiali riciclati che normalmente andrebbero sprecati. Molte stampanti 3D funzionano anche con l'energia solare, riducendo così le emissioni di carbonio. 

Flessibilità

La stampa 3D per l'edilizia offre agli architetti la libertà e la flessibilità di creare progetti complessi che sarebbero troppo impegnativi, troppo costosi o troppo laboriosi da realizzare con i metodi tradizionali (ad esempio, pareti curve e facciate uniche).

Riduzione degli errori umani

L'automatizzazione del processo di costruzione attraverso la stampa 3D ridurrebbe il numero di incidenti e di morti che si verificano con i metodi tradizionali. Inoltre, riduce alcuni dei costosi errori che si verificano a causa di errori umani. 

I limiti della stampa 3D per l'edilizia 

Come la maggior parte delle tecnologie in fase iniziale, la stampa 3D per l'edilizia ha ancora un certo margine di miglioramento. Ecco solo alcuni dei suoi limiti:

  • Può essere un investimento iniziale costoso.
  • Richiede una serie di competenze specifiche e le persone con il giusto know-how sono molto richieste.
  • Le strutture stampate in 3D richiedono comunque lavoro manuale per l'impianto idraulico, la struttura e il cablaggio.

Inoltre, la stampa 3D per l'edilizia non è ancora regolamentata e in alcuni settori l'edilizia è rimasta bloccata al vecchio modo di fare le cose. 

Il futuro della stampa 3D per l'edilizia

Sebbene la stampa 3D per l'edilizia sia ancora agli albori, è solo questione di tempo prima che i giusti progressi e le normative entrino in gioco, rendendo possibile il decollo di questa tecnologia. Se utilizzata in combinazione con il BIM, il suo potenziale nel settore edile è apparentemente infinito. 

L'interesse, la domanda e la consapevolezza continueranno senza dubbio a essere alimentati dalla capacità della stampa 3D per l'edilizia di realizzare progetti con maggiore velocità, sostenibilità e riduzione dei rifiuti. Le aziende hanno già iniziato a sperimentare strutture stampate in 3D con materiali come fango, plastica riciclata e bambù

Anche il rapporto costo-efficacia è un fattore di interesse: molti sperano che le case stampate in 3D a prezzi accessibili possano contribuire a risolvere la carenza di alloggi. La velocità e l'efficienza della stampa 3D per l'edilizia la rendono inoltre una soluzione interessante per contribuire a fornire soccorsi in caso di calamità, alloggi per i rifugiati e infrastrutture sociali (ad esempio, scuole) per le persone in difficoltà.


Si è persino parlato del potenziale delle strutture stampate in 3D nello spazio. Nel 2019, la NASA ha assegnato 2.061.023 dollari ai vincitori della sua 3D-Printed Habitat Challenge. Una sfida in più fasi che prevedeva la creazione di un habitat stampato in 3D per l'esplorazione dello spazio profondo.

Con così tante possibilità all'orizzonte, è lecito pensare che la stampa 3D per l'edilizia giocherà un ruolo importante nel futuro del settore.  

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Autore:
Keith Cotter
Responsabile vendite