Pareti leggere e isolanti dalla stampante 3D

Nella grande sala del laboratorio di ricerca e robotica Arch Tec Lab sull'H?nggerberg: diversi bracci robotici pendono dal soffitto, sul pavimento ci sono strutture curve semilavorate di colore beige che ricordano sculture di sabbia. Su un lato della stanza, elementi enigmatici sporgono da casse di legno.

Patrick Bedarf è in piedi davanti a una di queste scatole. Lavora nel gruppo di Tecnologie digitali per le costruzioni del professore Benjamin Dillenburger e ha completato il suo dottorato alla fine di settembre. Nell'ambito della sua tesi di dottorato, ha studiato come produrre componenti leggeri e isolanti, in particolare forme più complesse, utilizzando meno materiale. A tal fine, ha utilizzato un materiale isolante sostenibile sviluppato da FenX, spin-off dell'ETH. prodotto da rifiuti industriali. "La loro schiuma minerale è un materiale da costruzione innovativo che contribuisce a un'industria più rispettosa del clima", afferma Bedarf.

La schiuma è composta principalmente da ceneri volanti, un prodotto di scarto dell'industria degli altiforni. "Quindi il materiale ha già completato il suo primo ciclo materiale. E può essere facilmente riciclato dopo l'uso", dice Bedarf, sbriciolando tra le dita il piccolo pezzo che ha estratto dalla scatola di legno. "Il materiale può ora essere riutilizzato per una nuova schiuma".

Meno sprechi di materiale

Anche la produzione dei componenti isolanti deve essere sostenibile: Per utilizzare meno materiale e ridurre al minimo le emissioni di CO₂-emissioni, il dottorando ha optato per la stampa 3D. "A differenza della colata di calcestruzzo, non è necessaria alcuna cassaforma. Produrre queste ultime richiede molto tempo e alla fine possono essere riutilizzate solo in condizioni limitate", spiega Bedarf. Gli scarti sono una sfida importante, soprattutto quando si producono geometrie complesse.

Combinando la stampa 3D con la robotica, anche i componenti più complessi possono essere prodotti in modo economico, afferma Bedarf. "Senza l'automazione, l'uso rispettoso delle risorse è molto lungo e costoso, soprattutto a causa dei costi di manodopera".

Il ricercatore mostra i primi test della schiuma stampata e indurita. "Per esempio, questo pezzo qui, che sembra una pizza", dice, indicando un disco piatto. "All'inizio abbiamo stampato varie piccole <pizze> come questa, poi pezzi sempre più grandi per vedere se la schiuma stampata in 3D è possibile anche per applicazioni di grandi dimensioni".

Una stampante 3D grande quanto l'intera stanza

Chiunque si aspetti di trovare una stampante 3D standard nel laboratorio di robotica cercherà invano: l'intera stanza funziona come una stampante 3D. Camere di miscelazione flessibili assicurano che la materia prima sia miscelata correttamente. All'estremità dei bracci robotici appesi al soffitto si trovano le testine di stampa da cui il materiale viene applicato strato per strato al letto di stampa. "I robot possono controllare con precisione qualsiasi punto della stanza precedentemente definito", spiega Bedarf. "Noi programmiamo il percorso e diciamo loro dove andare e a che velocità. E quanto materiale deve uscire dalla testina di stampa in quale punto e in quale tempo".

Per i primi test, Bedarf ha stabilizzato i componenti speciali con il cemento. In seguito è riuscito a produrre componenti stabili utilizzando solo la schiuma, come mostra il prototipo del progetto Airlements: un pezzo d'angolo alto due metri composto da quattro segmenti stampati in 3D. Le quattro parti individuali sono state incollate con malta e spruzzate con un intonaco bianco senza cemento.

Airlements - un gioco di parole tra aria ed elementi - consiste in singoli pezzi leggeri che possono essere sollevati e impilati a mano. "I componenti possono essere stampati in fabbrica, quindi portati in cantiere e collocati nella posizione prevista", spiega Bedarf. "Per rendere il componente più stabile, il nucleo cavo verrebbe riempito con una schiuma più densa. In questo modo, un giorno il componente potrebbe assumere anche funzioni di sponsor". Per ora, Airlements può essere utilizzato solo come parete esterna o interna isolante.

"Come in una sauna

Ogni singola parte del prototipo è stata stampata in meno di un'ora ed è stata fatta polimerizzare per una settimana nell'ambiente di produzione a una temperatura controllata compresa tra i 20 e i 28 gradi Celsius e un'umidità relativa compresa tra il 20 e il 70 percento. Era importante regolare l'umidità e la temperatura in modo che il materiale potesse indurirsi facilmente e non creparsi.

Bedarf ha sviluppato una camera climatica speciale per questo scopo: una grande tenda trasparente in cui il robot ha viaggiato lungo il percorso di pressione specificato. "C'erano vapore e polvere dappertutto, ed era caldo come una sauna", dice, sottolineando che questo metodo di produzione elimina la necessità di un processo ad alta intensità energetica. "Si tratta di un miglioramento rispetto al lavoro precedente con le schiume minerali prive di cemento, che venivano indurite con il cemento o con una successiva cottura in forno". La struttura ondulata di Airlements fornisce una maggiore resistenza durante l'indurimento e nello stato finale.

Gli integratori potrebbero un giorno contribuire alla sostenibilità dell'Umwelt und Geomatik: da un lato, gli elementi isolanti riducono il consumo energetico di un edificio. Dall'altro, la stampa 3D produce molti meno rifiuti rispetto alla produzione convenzionale di componenti e non è necessario ricorrere a casseforme in calcestruzzo dannose per il clima. Infine, Airlements è completamente privo di cemento, il che consente un'edilizia riciclabile. "Quando l'elemento non è più necessario, può essere completamente frantumato e trasformato nuovamente in polvere e nuova schiuma".

Ispirare gli altri a costruire con le macchine

Airlements desidera ora sviluppare ulteriormente questo requisito insieme a FenX. A questo scopo verrà allestita un'unità di produzione nello stabilimento di Turgi. "Analizzeremo in dettaglio la capacità di carico e il comportamento isolante per scoprire come questo materiale si comporta come elemento di parete in una stanza chiusa. Vogliamo utilizzare le misurazioni a infrarossi per scoprire dove l'isolamento termico potrebbe essere ancora migliore. E come si possono eliminare i punti deboli regolando il percorso della pressione".

Dopo il dottorato, Bedarf sta lavorando al Bachelor "Computational Design I&II". Non vede l'ora di ispirare la prossima generazione di architetti a pensare in modo geometrico e a comunicare con le macchine. "Grazie al mio lavoro con Airlements, ho imparato molto sui materiali da costruzione e sull'uso delle tecnologie informatiche. E mi sono davvero divertito a testare le geometrie che ne derivano. Sarebbe bello se potessi ispirare altri".