Ricercatori brevettano un cemento flessibile per la stampa 3D

Secondo la University of New Mexico (UNM), i ricercatori del Gerald May Department of Civil, Construction, and Environmental Engineering hanno ufficialmente brevettato un cemento flessibile progettato specificamente per la stampa 3D nel settore delle costruzioni.

L’edilizia tradizionale si basa sull’utilizzo di macchinari pesanti per posizionare travi in acciaio o legno e creare l’ossatura degli edifici, ma questo processo è costoso e spesso rischioso. Questo è solo uno dei problemi che Maryam Hojati, professoressa associata presso il Gerald May Department, intende risolvere con la sua ricerca.

Un’altra sfida è rappresentata dalla manutenzione delle infrastrutture. Anche il cemento armato con acciaio necessita di riparazioni regolari, il che implica costi ricorrenti per mantenere edifici, ponti e marciapiedi. Un materiale più resistente potrebbe rendere le infrastrutture pubbliche più durevoli e meno onerose da gestire.

“Il cemento, di per sé, non ha proprietà di trazione: se lo si sottopone a forze di trazione, si rompe facilmente. È un materiale molto fragile”, spiega Hojati. Questa fragilità diventa particolarmente problematica in caso di disastri naturali ed eventi atmosferici, come terremoti o forti venti, che esercitano stress laterali sugli edifici. “Il materiale dovrebbe resistere sia alla trazione che alla compressione. Il cemento è eccellente per la compressione, ma è debole sotto trazione”.

I ricercatori di tutto il mondo hanno esplorato materiali e processi per risolvere questi problemi. Alcune strutture sono state costruite parzialmente con l’ausilio di stampanti 3D, ma la maggior parte dei processi attuali richiede l’inserimento manuale di elementi strutturali, come travi o armature, limitando l’automazione che la stampa 3D dovrebbe offrire. Per stampare senza supporti aggiuntivi, il materiale deve essere sufficientemente resistente da reggersi autonomamente.

Muhammad Saeed Zafar, che ha conseguito il dottorato nell’estate del 2024 e ha lavorato come assistente di ricerca per Hojati, ha sviluppato una sostanza che potrebbe rappresentare la soluzione. “Nel campo dei metalli e delle plastiche, la stampa 3D o manifattura additiva è a uno stadio molto avanzato, ma la stampa del cemento è ancora in fase di sviluppo,” spiega Zafar. “Se riusciamo a progettare con successo un materiale ultraduttile senza l’utilizzo delle tradizionali barre in acciaio, risolveremo il problema dell’incompatibilità delle armature con il processo di stampa 3D”.

La sostanza risultante, denominata “cemento auto-rinforzato ultra-duttile”, è stata brevettata nell’agosto scorso da UNM Rainforest Innovations a nome di Hojati, Zafar e Amir Bakhshi, che ha contribuito al progetto come assistente di ricerca e studente di master nelle fasi iniziali dello sviluppo. Zafar ha pubblicato le sue ricerche sui materiali da costruzione e sulle tecnologie edilizie lo scorso anno.

“L’obiettivo principale di questo lavoro era affrontare il problema del rinforzo nella stampa 3D del cemento”, ha dichiarato Zafar. “La stampa 3D del cemento si presenta come un processo automatizzato, ma i metodi convenzionali di rinforzo compromettono questa automazione”.

Il materiale cementizio ultra-duttile deve contenere una quantità sufficiente di fibre per garantire la propria stabilità strutturale, mantenendo però una viscosità che consenta il passaggio attraverso l’ugello della stampante senza ostruzioni. Sebbene possa sembrare semplice, trovare il giusto equilibrio è una sfida complessa. Una quantità insufficiente di fibre potrebbe far collassare le forme stampate su se stesse, mentre una quantità eccessiva renderebbe impossibile il processo di stampa. Per verificare la fattibilità dei materiali, è necessario un processo di miscelazione, misurazione e stampa estremamente preciso.

Anche dopo la stampa di forme diverse, come strutture di piccole dimensioni, prismi e campioni a forma di clessidra, è indispensabile testarli per valutarne la resistenza a trazione diretta e alla flessione. I ricercatori hanno ripetuto questo processo esplorando composizioni realizzate con materiali e fibre diverse, tra cui alcol polivinilico, cenere volante, fumi di silice e fibre di polietilene ad altissimo peso molecolare.

Il brevetto risultante propone quattro diverse miscele con una capacità di deformazione fino all’11,9% superiore rispetto ai materiali tradizionali.

“Grazie all’incorporazione di elevate quantità di fibre polimeriche corte, questo materiale è in grado di mantenere l’integrità del cemento anche sotto carichi di flessione o trazione”, spiega Hojati. “Se utilizzassimo questo materiale su larga scala, potremmo ridurre significativamente la necessità di armature esterne nelle strutture in cemento stampato”.

Lo sviluppo di un materiale cementizio flessibile e stampabile è stato finanziato da sovvenzioni del Transportation Consortium of South-Central States (Tran-SET), il centro per i trasporti della Regione Sei. I finanziamenti hanno supportato tre progetti di ricerca: lo sviluppo di un materiale cementizio ingegnerizzato stampabile in 3D, la valutazione delle proprietà del materiale in stati fresco e indurito e la creazione di un eco-cemento stampabile in 3D.

Dopo le prime due fasi del progetto e numerosi design sperimentali, i ricercatori sono riusciti a progettare il materiale che è stato poi sottoposto a brevetto.