Airlement: con la stampa 3D materiali edili leggeri dai... rifiuti

La stampa 3D può dare un enorme contributo allo sviluppo di un’edilizia sostenibile, a cominciare dalla possibilità di sperimentare con materiali mai usati prima e di testare nuove tecniche costruttive in grado di ridurre consumi ed emissioni.

Un ricercatore del Politecnico Federale di Zurigo ha utilizzato questa tecnologia automatizzata per produrre nuovi elementi isolanti leggeri, completamente privi di cemento, realizzati a partire da schiume minerali derivate dai rifiuti industriali. Questa schiuma minerale, che può essere riutilizzata innumerevoli volte, viene lavorata strato su strato grazie a una stampante 3D grande come una stanza.

Il primo prototipo del progetto Airlement è una colonna angolare monolitica alta due metri, composta da quattro segmenti stampati in 3D tenuti insieme da semplice malta e ricoperti di intonaco bianco privo di cemento.

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Edilizia sostenibile e stampa 3D: questa la ricerca dell’ETH

L’edilizia sostenibile ha innumerevoli declinazioni: lo sviluppo di materiali smart e nuovi metodi costruttivi, il ricorso all’upcycling e il riutilizzo delle risorse sono elementi fondanti di un nuovo approccio alle costruzioni dettato, in primis, dall’esigenza di progettare ed abitare spazi pensati per essere in armonia con la natura.

Costruzioni più sostenibili sono quelle che permettono di incoraggiare un uso più razionale delle risorse grazie all’efficientamento energetico, ma anche quelle che riescono a coniugare sostenibilità ambientale e sociale e che promettono di poter costruire senza ricorrere a procedimenti molto costosi in termini di risorse ed energia.

In questo contesto, lo sviluppo di nuovi materiali e tecniche costruttive assume un ruolo di primo piano, capace di integrare le ambizioni degli scienziati e le esigenze di un mercato globale che, seppur estremamente variegato, non può più fare a meno di confrontarsi con le esigenze di un pianeta in sofferenza.

Una delle ultime innovazioni in materia arriva dall’Arch Tec Lab di ricerca e robotica dell’ETH, nel campus di Hönggerberg. Qui, il ricercatore Patrick Bedarf, che lavora nel gruppo Digital Building Technologies del professor Benjamin Dillenburger, ha studiato un metodo per produrre elementi costruttivi isolanti leggeri di forma complessa riducendo i materiali grazie alla stampa 3D.

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Una stampante a tre dimensioni grande come una stanza

La stampante 3D utilizzata da Patrick Bedarf è grande come un’intera stanza: dal tetto della sala principale dell’Arch Tec Lab pendono numerosi bracci robotici, mentre a terra, su pianali da lavoro e casse di legno, prendono vita strane creature simili a sculture di sabbia.

“I robot possono spostarsi con precisione verso ogni punto della stanza“, spiega Bedarf. “Programmiamo il percorso e specifichiamo dove devono viaggiare e quanto velocemente, nonché quanto materiale deve fluire dalla testina della stampante, in quale momento e dove deve essere depositato”.

Con questo ingegnoso sistema, il ricercatore dell’ETH ha realizzato il primo prototipo del progetto Airlement, una colonna angolare monolitica dell’altezza di due metri, composta da quattro segmenti stampati in 3D e tenuti insieme da malta.

I quattro segmenti della colonna sono leggeri, facili da sollevare manualmente per essere impilati l’uno sull’altro: “Le parti dell’edificio possono essere semplicemente stampate in fabbrica, trasportate in cantiere e posizionate dove richiesto“, spiega Bedarf.

“Per rendere il componente più robusto l’anima cava può essere fusa con schiuma minerale ad alta densità, cosa che la rende abbastanza resistente da poter fungere da struttura portante”. Ma non è soltanto la tecnica ad essere innovativa, nel progetto di Bedarf.

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Airlements, i “mattoni” realizzati dalle ceneri degli altiforni

Per realizzare gli Airlements, Patrick Bedarf ha utilizzato un materiale isolante sostenibile prodotto dallo spin-off dell’ETH FenX: una schiuma minerale realizzata a partire da rifiuti industriali riciclati, in particolare da ceneri volatili ottenute dai processi di combustione degli altiforni industriali.

“Questo materiale ha già attraversato il primo ciclo materiale e può essere semplicemente riciclato dopo l’uso”, spiega Bedarf mentre sbriciola tra le dita un pezzetto del nuovo materiale: una volta polverizzata, la schiuma è pronta per essere riutilizzata.

“Se la parte dell’edificio non serve più”, afferma il ricercatore, “può essere completamente triturata e ridotta in polvere, pronta per essere trasformata in nuova schiuma”. Ed è completamente priva di cemento, come l’intonaco usato per il trattamento finale.

Ogni singolo prototipo viene stampato in meno di un’ora e lasciato ad asciugare per una settimana all’interno dell’ambiente di produzione, a una temperatura controllata compresa tra 20 e 28 gradi centigradi e con un’umidità del 20-70 per cento.

Per controllare la corretta regolazione di umidità e temperatura, Patrick Bedarf ha costruito una speciale camera climatica, una grande struttura trasparente a forma di tenda all’interno della quale il robot-stampante si muove lungo il percorso predefinito.

Questo metodo di produzione, sottolinea il ricercatore, non richiede lavorazioni ad alta intensità energetica: “Si tratta di un progresso rispetto al lavoro precedente con le schiume prive di cemento, che dovevano essere indurite con cemento o successivamente polimerizzate ad alta temperatura nel forno”.

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Edilizia sostenibile ed economica grazie all’automazione

Il nuovo metodo tramite stampa 3D permette di utilizzare meno materiale: per esempio non richiede l’utilizzo della cassaforma per il getto, una struttura che può essere riutilizzata solo parzialmente e che oggi si può tagliare tout-court dalla lista delle risorse necessarie.

La combinazione di stampa 3D e robotica consente di produrre in maniera molto economica intere parti di edifici su misura: “Senza automazione”, spiega il ricercatore, “i metodi di costruzione tradizionali che consentono di risparmiare sui materiali sono molto dispendiosi in termini di tempo e denaro, soprattutto a causa del costo della manodopera”.

Patrick Bedarf continuerà a sviluppare il progetto in collaborazione con FenX, che dedicherà un’intera linea di produzione agli Airlements: “Analizzeremo a fondo la capacità portante e le proprietà di isolamento”, spiega Bedarf, “per determinare come questo materiale agisce come elemento di parete in una stanza chiusa”.

“Le misurazioni a infrarossi”, conclude il ricercatore, “ci aiuteranno a stabilire dove l’isolamento termico potrebbe essere ulteriormente migliorato e come eliminare eventuali punti deboli regolando il percorso di stampa”.

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