House Zero ad Austin, in Texas, è una casa di 2,000 piedi quadrati costruita con cemento stampato in 3D. Architetti del Lago Flato

In architettura raramente emergono nuovi materiali.

Per secoli, legno, muratura e cemento hanno costituito la base per la maggior parte delle strutture sulla Terra.

Nel 1880, l'adozione di la struttura in acciaio ha cambiato l'architettura per sempre. L'acciaio ha permesso agli architetti di progettare edifici più alti con finestre più grandi, dando origine ai grattacieli che oggi definiscono gli skyline della città.

Dalla rivoluzione industriale, i materiali da costruzione sono stati in gran parte confinati a una gamma di elementi prodotti in serie. Dalle travi in ​​acciaio ai pannelli in compensato, questo kit standardizzato di parti ha informato la progettazione e la costruzione di edifici per oltre 150 anni.

Ciò potrebbe presto cambiare con i progressi in quello che viene chiamato "produzione additiva su larga scala.” Dall'adozione del telaio in acciaio non c'è stato uno sviluppo con tanto potenziale per trasformare il modo in cui gli edifici sono concepiti e costruiti.

La produzione additiva su larga scala, come la stampa 3D desktop, comporta la costruzione di oggetti uno strato alla volta. Che si tratti di argilla, cemento o plastica, il materiale di stampa viene estruso allo stato fluido e si indurisce nella sua forma finale.

Come direttore di l'Istituto per le Strutture Intelligenti presso l'Università del Tennessee, ho avuto la fortuna di lavorare su una serie di progetti che implementano questa nuova tecnologia.

Sebbene esistano ancora alcuni ostacoli all'adozione diffusa di questa tecnologia, posso prevedere un futuro in cui gli edifici saranno costruiti interamente con materiali riciclati o materiali acquistati in loco, con forme ispirate alle geometrie della natura.

Promettenti prototipi

Tra questi c'è il Padiglione Trillium, una struttura a cielo aperto stampata da materiale riciclato Polimero ABS, una plastica comune utilizzata in un'ampia gamma di prodotti di consumo.

Le sottili superfici a doppia curvatura della struttura sono state ispirate dai petali di il suo fiore omonimo. Il progetto è stato ideato dagli studenti, stampato da Loci Robotics e costruito presso l'Università del Tennessee Research Park presso la Cherokee Farm di Knoxville.

Altri esempi recenti di produzione additiva su larga scala includere Tekla, un prototipo di abitazione di 450 piedi quadrati (41.8 metri quadrati) progettato da Mario Cucinella Architects e stampato a Massa Lombarda, una piccola città in Italia.

Tecla è stata costruita con argilla di provenienza locale. Mario Cucinella Architetti

Gli architetti hanno stampato Tecla con l'argilla proveniente da un fiume locale. La combinazione unica di questo materiale poco costoso e della geometria radiale ha creato una forma di alloggiamento alternativo ad alta efficienza energetica.

Tornato negli Stati Uniti, lo studio di architettura Lake Flato ha collaborato con l'azienda di tecnologie edili ICON per stampare muri esterni in cemento per una casa soprannominata "Casa Zero" ad Austin, in Texas.

La casa di 2,000 piedi quadrati (185.8 metri quadrati) dimostra la velocità e l'efficienza del cemento stampato in 3D e la struttura mostra un piacevole contrasto tra le sue pareti curvilinee e il suo telaio in legno a vista.

Il processo di pianificazione

La produzione additiva su larga scala coinvolge tre aree di conoscenza: progettazione digitale, fabbricazione digitale e scienza dei materiali.

Per iniziare, gli architetti creano modelli al computer di tutti i componenti che verranno stampati. Questi progettisti possono quindi utilizzare il software per testare come i componenti risponderanno alle forze strutturali e modificare i componenti di conseguenza. Questi strumenti possono anche aiutare il progettista a capire come ridurre il peso dei componenti e automatizzare determinati processi di progettazione, come la levigatura di intersezioni geometriche complesse, prima della stampa.

Un pezzo di software noto come affettatrice poi traduce il modello al computer in una serie di istruzioni per la stampante 3D.

Potresti presumere che le stampanti 3D funzionino su scala relativamente piccola - pensa casi di cellulare ed portaspazzolini.

Ma i progressi nella tecnologia di stampa 3D hanno consentito l'hardware crescere in modo serio. A volte la stampa viene eseguita tramite ciò che viene chiamato un sistema basato su gantry – una struttura rettangolare di binari scorrevoli simile a una stampante 3D desktop. Sempre più, braccia robotiche vengono utilizzati per la loro capacità di stampare con qualsiasi orientamento.

I bracci robotici consentono una maggiore flessibilità nel processo di costruzione.

Anche il sito di stampa può variare. Arredi e componenti più piccoli possono essere stampati in fabbrica, mentre intere case devono essere stampate in loco.

Una gamma di materiali può essere utilizzata per la produzione additiva su larga scala. Il calcestruzzo è una scelta popolare per la sua familiarità e durata. L'argilla è un'alternativa intrigante perché può essere raccolta in loco, come hanno fatto i designer di Tecla.

Ma plastica e polimeri potrebbero avere l'applicazione più ampia. Questi materiali sono incredibilmente versatili e possono essere formulati in modo da soddisfare un'ampia gamma di requisiti strutturali ed estetici specifici. Possono anche essere prodotti da materiali riciclati e di derivazione organica.

Ispirazione dalla natura

Poiché la produzione additiva costruisce strato dopo strato, utilizzando solo il materiale e l'energia necessari per realizzare un particolare componente, è un processo di costruzione molto più efficiente di "metodi sottrattivi”, che comportano il taglio del materiale in eccesso: pensate alla fresatura di una trave di legno da un albero.

Anche i materiali comuni come il cemento e la plastica traggono vantaggio dalla stampa 3D, poiché non sono necessarie casseforme o stampi aggiuntivi.

La maggior parte dei materiali da costruzione oggi viene prodotta in serie su linee di assemblaggio progettate per produrre gli stessi componenti. Riducendo i costi, questo processo lascia poco spazio alla personalizzazione.

Poiché non sono necessari utensili, forme o matrici, la produzione additiva su larga scala consente a ogni parte di essere unica, senza penalità di tempo per complessità o personalizzazione aggiuntive.

Un'altra caratteristica interessante della produzione additiva su larga scala è la capacità di produrre componenti complessi con vuoti interni. Questo potrebbe un giorno consentire la stampa di pareti con condotti o condutture già in atto.

Inoltre, la ricerca è in corso per esplorare le possibilità della stampa 3D multimateriale, una tecnica che potrebbe consentire di integrare completamente finestre, isolamenti, rinforzi strutturali – persino cablaggi – in un unico componente stampato.

Uno degli aspetti della manifattura additiva che mi entusiasma di più è il modo in cui costruire strato dopo strato, con un materiale che si indurisce lentamente, rispecchia processi naturali, come la formazione del guscio.

Una casa stampata in 3D a Shanghai che è stata costruita in meno di 24 ore con rifiuti edili. Gruppo visivo cinese/Getty Images

Ciò apre finestre di opportunità, consentendo ai progettisti di implementare geometrie difficili da produrre utilizzando altri metodi di costruzione, ma comuni in natura.

Telai strutturali ispirato alla fine struttura delle ossa degli uccelli potrebbe creare reticoli leggeri di tubi, con dimensioni variabili che riflettono le forze che agiscono su di essi. Facciate che evocano le forme delle foglie delle piante potrebbe essere progettato per ombreggiare contemporaneamente l'edificio e produrre energia solare.

Superare la curva di apprendimento

Nonostante i molti aspetti positivi della produzione additiva su larga scala, ci sono una serie di ostacoli alla sua più ampia adozione.

Forse il più grande da superare è la sua novità. C'è un'intera infrastruttura costruita attorno a forme tradizionali di costruzione come acciaio, cemento e legno, che includono catene di approvvigionamento e codici di costruzione. Inoltre, il costo dell'hardware di fabbricazione digitale è relativamente elevato e le competenze di progettazione specifiche necessarie per lavorare con questi nuovi materiali non sono ancora ampiamente insegnate.

Affinché la stampa 3D in architettura possa essere adottata più ampiamente, dovrà trovare la sua nicchia. Simile a come l'elaborazione di testi ha contribuito a rendere popolari i computer desktop, Penso che sarà un'applicazione specifica della produzione additiva su larga scala che porterà al suo uso comune.

Forse sarà la sua capacità di stampare telai strutturali altamente efficienti. Vedo anche già la sua promessa di creare facciate scultoree uniche che possono essere riciclate e ristampate alla fine della loro vita utile.

Ad ogni modo, sembra probabile che una combinazione di fattori assicurerà che gli edifici futuri saranno, in parte, stampati in 3D.

Circa l'autore

Giacomo Rosa, Direttore dell'Istituto per le Strutture Intelligenti, Università del Tennessee

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.