I ricercatori della Princeton Engineering sono riusciti a stampare in 3D elementi in calcestruzzo super-resistente biomimetico eliminando quasi completamente il problema delle crepe. L’ispirazione è arrivata dalle squame del pesce preistorico “celacanto”, diffuso nel Madagascar, disposte secondo una struttura a doppia elica. La natura è spesso l’ispiratrice di soluzioni ingegneristiche ed architettoniche, risolvendo problemi talvolta complessi, grazie a semplici basilari regole geometriche.
Una struttura a doppia elica come le squame del pesce celacanto
Guidati dal professor Moini Arjun Prihar, i ricercatori della Princeton Engineering hanno sviluppato un sistema innovativo per stampare in 3D il calcestruzzo super-resistente riorganizzando il design di estrusione.
Il design utilizza la produzione additiva tipica delle stampanti 3D, organizzando il cls in singoli fili a tre dimensioni secondo uno schema a doppia elica.
La differenza sostanziale rispetto ai sistemi tradizionali è proprio questa leggera modifica all’orientamento di ogni strato (due strati ortogonali intrecciati in altezza) che permette di aumentare la resistenza del materiale diminuendo del 63% la possibile formazione di crepe.
Stampa 3D per assicurare un design preciso
La tecnica messa in atto dalla Princeton Engineering si basa su una combinazione di meccanismi che impediscono la propagazione delle crepe, elemento estremamente pericoloso per le strutture in calcestruzzo di grandi dimensioni. “Sfruttiamo la libertà di fabbricazione e le risoluzioni offerte da una tecnica di produzione additiva robotica che è finora sottoutilizzata per ottenere un calcestruzzo architettonico complesso con caratteristiche prestazionali avanzate”, sottolinea il team di ricercatori.
Questo “meccanismo di rafforzamento” impedisce la propagazione delle crepe e blocca le fratture superficiali, deviando dal percorso lineare le crepe eventualmente formate.
Ovviamente questo design a doppia eolica “double-bouligand” sarebbe estremamente difficile da riprodurre con l’impiego di casseformi classiche. La stampa 3D e l’uso di robot per la costruzione additiva invece, consentono la realizzazione di strati anche molto complessi garantendo una precisione millimetrica ed eliminando significativamente sprechi di materiale.
Come risolvere il problema della deformazione
Il team di ricerca è in grado di sviluppare rapidamente componenti strutturali anche di grandi dimensioni, grazie all’impiego di robot industriali di grande dimensioni.
Durante la fase di sperimentazione, i ricercatori si sono però accorti di una problematica: il nuovo calcestruzzo super-resistente biomimetico mostrava problemi di deformazione a causa del grande peso. Per risolvere il problema, hanno creato un sistema di estrusione a due parti che miscela il cls appena prima dell’estrusione, inserendo nell’impasto un acceleratore chimico. Regolando accuratamente il quantitativo di accelerante inserito nella miscela, sono così riusciti a migliorare anche le prestazioni per compressione, garantendo un calcestruzzo super-resistente ma anche esteticamente accattivante.
La ricerca “Tough double-bouligand architected concrete enabled by robotic additive manufacturing” è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.