Nella grande sala del laboratorio di ricerca e robotica Arch Tec Lab sull’Hönggerberg: diversi bracci robotici pendono dal soffitto, sul pavimento ci sono forme 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 Digital Construction Technologies di Benjamin Dillenburger e ha completato il suo dottorato alla fine di settembre. Nell’ambito della sua tesi, 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 prodotto dallo spin-off FenX dell’ETH a partire da rifiuti industriali. "La loro schiuma minerale è un materiale da costruzione innovativo che contribuisce a un’industria più rispettosa del clima", spiega 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 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 le emissioni di CO2, il dottorando ha optato per la stampa 3D. "A differenza della colata di calcestruzzo, non c’è bisogno di casseforme. Produrre queste ultime richiede molto tempo e alla fine possono essere riutilizzate solo in misura limitata", spiega Bedarf. Gli scarti sono una sfida importante, soprattutto quando si producono geometrie complesse.
"Senza l’automazione, la costruzione a risparmio di risorse richiede molto tempo e denaro".
Combinando la stampa 3D con la robotica, è possibile produrre in modo economico anche componenti complessi, afferma Bedarf. "Senza l’automazione, la costruzione con risparmio di risorse richiede molto tempo e denaro, soprattutto a causa dei costi di manodopera".
Il ricercatore mostra i primi test di schiuma stampata e indurita. "Per esempio, questo pezzo qui, che sembra una pizza", dice, indicando un disco piatto. "All’inizio abbiamo stampato vari pezzi piccoli come questo, 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 la corretta miscelazione della materia prima. 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. Poi è riuscito a produrre componenti stabili usando solo la schiuma, come mostra il prototipo del progetto Airlements: un pezzo d’angolo alto due metri realizzato con 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, poi 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 portanti". Per ora, gli Airlements possono essere utilizzati solo come parete esterna o interna isolante.
"Come in una sauna
Ogni singola parte del prototipo è stata stampata in meno di un’ora e curata per una settimana nell’ambiente di produzione a una temperatura controllata compresa tra 20 e 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 polimerizzare facilmente e non creparsi.Bedarf aveva sviluppato una camera climatica speciale per questo scopo: una grande tenda trasparente in cui il robot viaggiava 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 senza cemento, che venivano indurite con il cemento o con una successiva cottura in forno". La struttura ondulata di Airlements offre una maggiore resistenza durante l’indurimento e nello stato finale.
Gli Airlements potrebbero un giorno contribuire all’edilizia sostenibile: da un lato, gli elementi isolanti riducono il consumo energetico di un edificio. In secondo luogo, la stampa 3D produce molti meno rifiuti rispetto alla produzione convenzionale di componenti e non richiede casseforme in calcestruzzo dannose per il clima. Infine, Airlements è completamente privo di cemento, il che consente di costruire in modo riciclabile. "Quando l’elemento non è più necessario, può essere completamente frantumato e trasformato nuovamente in polvere e nuova schiuma".
Ispirare altri a costruire con le macchine
Airlements vuole ora sviluppare ulteriormente questa esigenza insieme a FenX. A questo scopo verrà allestita un’unità di produzione presso lo 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 uno spazio chiuso. Vogliamo utilizzare le misurazioni a infrarossi per scoprire dove l’isolamento termico potrebbe essere ancora migliore. E come eliminare i punti deboli apportando modifiche al percorso di pressione".Dopo aver completato il dottorato, Bedarf lavorerà al corso di laurea magistrale "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. "Il mio lavoro con Airlements mi ha insegnato molto sui materiali da costruzione e sull’uso delle tecnologie informatiche. E mi è piaciuto molto testare le geometrie possibili come risultato. Sarebbe bello se potessi ispirare altri".
