Sviluppo e studio del comportamento meccanico di materiali e sistemi strutturali innovativi ed ecosostenibili per l’edilizia circolare, prodotti attraverso il recupero di materie prime e seconde di rifiuto e l’utilizzo di tecniche avanzate di additive manufacturing

Introduzione e rilevanza del problema

L’additive manufacturing (manifattura additiva o stampa 3D), inteso come il processo produttivo che consente la fabbricazione di oggetti a partire da modelli 3D computerizzati “aggiungendo” uno strato di materiale sopra l’altro, rappresenta una tematica ad oggi di grande rilevanza in molti ambiti. È stata definita una tecnologia dirompente [1], potenzialmente in grado di sostituire molti dei processi produttivi convenzionali. In particolare, due sono le caratteristiche principali che ne sospingono il potenziale innovativo: la capacità di produrre oggetti fisici direttamente a partire da modelli digitali e l’estrema libertà di progettazione [2]. Benchè i campi che finora più hanno beneficiato di tale tecnologia siano la medicina e l’industria aerospaziale, la stampa 3D si sta diffondendo anche nell’ambito delle costruzioni, permettendo la realizzazione di strutture anche complesse a costi contenuti e dando vita al settore delle costruzioni zero-waste e a ridotto consumo di materiale nell’ambito dell’edilizia circolare [3]. Recenti studi hanno dimostrato che questa tecnologia può essere utilizzata per la realizzazione di pareti murarie, edifici residenziali, ponti [4-5]. Notevole è il potenziale dell’additive manufacturing di condensare in uno stesso componente strutturale molteplici aspetti funzionali [6]. Molto promettente nell’ambito dell’industria delle costruzioni è in particolare la tecnologia di stampa 3D a letto di polvere, per la realizzazione sia di componenti strutturali sia di intere strutture a partire da polveri minerali ottenute da materiali di scarto dell’industria edile (residui lapidei, cementi, scarti di cava) e l’utilizzo di leganti ecocompatibili.. Tuttavia, queste tecnologie necessitano di adeguati strumenti di calcolo, che assistano il progettista nella creazione di forme strutturali ottimali, traendo pieno vantaggio dalla grande flessibilità offerta dalla stampa 3D e massimizzandone così il potenziale innovativo.

Metodologia e obiettivi

Obiettivo del progetto di ricerca è dunque lo sviluppo di nuovi strumenti computazionali nell’ambito della meccanica dei solidi che consentano la progettazione e la realizzazione di innovative strutture civili, sostenibili ed efficienti, tramite la tecnologia della stampa 3D, anche a partire da materiali di risulta, il cui design sia fondato sull’ottimizzazione del comportamento meccanico e di eventuali ulteriori aspetti funzionali (e.g. efficienza energetica, acustica). A tal fine, si adotteranno ed estenderanno le metodologie proprie della topology optimization, il cui uso è già ampiamente diffuso nell’industria automotive e aerospaziale al fine di individuare la forma ottimale di componenti leggeri e strutturalmente efficienti, che superino in prestazioni i design tradizionali [7]. Tuttavia, essa ha avuto finora una diffusione limitata nell’industria delle costruzioni [8]. La principale ragione è ascrivibile al fatto che sono molteplici gli aspetti che influenzano la progettazione di un componente di un edificio: prestazioni strutturali, energetiche, acustiche, di resistenza al fuoco [9]. Va al contempo rilevato che, negli ultimi anni, i problemi di topology optimization in ambito multi-physics stanno riscuotendo via via maggior interesse. Ancora limitati, rimangono tuttavia gli studi riguardanti lo sviluppo di tecniche computazionali di topology optimization, con applicazioni ai processi di additive manufacturing nell’ambito dell’industria delle costruzioni [10].

Risultati attesi

I risultati attesi, nell’ambito della tematica vincolata scelta, consistono quindi nello sviluppo di nuovi metodi e modelli computazionali e di topology optimization che contribuiscano all’implementazione di strumenti razionali per la progettazione e la realizzazione di nuove ed efficienti forme strutturali per le costruzioni, prodotte con la tecnologia della stampa 3D, anche a partire da materiali di scarto dell’industria edile, con lo scopo di ottimizzare sia il comportamento meccanico che eventuali altri aspetti funzionali del componente (efficienza energetica, acustica). Attraverso tali risultati, si intende inoltre promuovere la realizzazione del concetto di edilizia circolare, nell’ambito degli obbiettivi dello sviluppo sostenibile. I risultati della ricerca verranno messi a disposizione della comunità scientifica attraverso la pubblicazione di articoli su rivista scientifica e presentazioni a convegno. Il percorso dottorale verrà arricchito da almeno 6 mesi di esperienza di studio/ricerca in un’azienda ad elevato know-how nel settore dell’additive manufacturing, durante il quale il dottorando acquisirà competenze riguardanti gli aspetti tecnologici del sistema produttivo di stampa 3D per componenti in grande scala, anche a partire da materie prime di recupero, e le principali problematiche tecniche connesse. Inoltre, nel corso di un periodo di almeno 6 mesi di studio/ricerca in un istituto di ricerca estero di primo piano nell’ambito della meccanica computazionale, il dottorando avrà la possibilità di approfondire i più recenti progressi nel campo della meccanica dei materiali e della topology optimization.

Bibliografia

[1] Petrick I, Simpson T, (2013) 3D printing disrupts manufacturing: how economies of one create new rules of competition. Res Technol Manag 56:12-16

[2] Jiang R, Kleer R, Piller F (2017) Predicting the future of additive manufacturing: a Delphi study on economic and societal implications of 3D printing for 2030. Technol Forecast Soc Chanf 117:84-97

[3] Lim S, Buswell RA, Le TT, Austin SA, Gibb AG, Thorpe T (2012). Developments in construction-scale additive manufacturing processes. Autom Constr 21:262-268

[4] Hager I, Golonka A, Putanowicz R (2016) 3D printing of buildings and building components as the future of sustainable construction? Proc Eng 151:292-299

[5] Suiker A, (2018) Mechanical performance of wall structures in 3D printing processes: theory, design tools and experiments. Int J Mech Sci 137:145-170

[6] SOM (2018) AMIE 1.0. https://www.som.com/projects/amie

[7] Bendsøe M, Sigmund O (2003) Topology optimization: theory, methods and applications. Springer, Berlin

[8] Amir O, Shakour E (2017) Simultaneous shape and topology optimization of prestressed concrete beams. Struct Multidiscip Optim 57:1831-1843

[9] Hens H (2011), Applied building physics. Ernst & Sohn, Berlin.

[10] Vantyghem G, Boel V., De Corte W, Steeman M (2019) Compliance, stress-based and multi-physics topology optimization for 3D-printed concrete structures. In: Proc. of the 1st RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication, 323-332, Springer.

Desamanera S.r.l. - Via Martiri di Belfiore, 118, 45100 Rovigo

Periodo: 6 mesi

Il progetto di ricerca proposto, avendo l’obiettivo di sviluppare nuovi modelli e metodi computazionali e di topology optimization per l’ottimizzazione del comportamento meccanico e di eventuali altri aspetti funzionali di strutture per le costruzioni realizzate mediante tecniche di additive manufacturing, anche a partire da materiali di scarto o risulta dell’industria delle costruzioni, contribuisce in modo diretto allo sviluppo e alla diffusione di una nuova tecnologia per la produzione di costruzioni a basso impatto ambientale ed energetico. Va ricordato infatti che quella del cemento si colloca fra le industrie più energivore ed è responsabile dell’immissione in atmosfera di imponenti quantità di gas serra. In tal senso, il progetto di ricerca opera a favore della realizzazione del concetto di edilizia circolare, che prevede il riutilizzo di materiali di scarto della stessa industria delle costruzioni e la produzione di costruzioni zero-waste. I risultati della ricerca contribuiscono pertanto direttamente e indirettamente alla promozione di uno sviluppo sostenibile, favorendo altresì l’innovazione e l’interscambio tra mondo della ricerca e mondo produttivo.

La necessità della promozione di uno sviluppo sostenibile è resa ancor più rilevante dall’attuale trend di crescita della domanda di risorse naturali e dall’aumento dei prezzi delle materie prime, rappresentando un tema centrale per il settore dell’energia e dell’industria, in cui la progettazione di nuove tecnologie produttive, materiali e architetture dei processi, volti a ridurre le emissioni climalteranti e ad aumentare l’efficienza nell’uso delle risorse ambientali, appaiono fondamentali. Il progetto di ricerca proposto incontra dunque gli obiettivi fissati dalla Strategia Nazionale di Specializzazione Intelligente (SNSI) per l’area tematica dell’“industria intelligente e sostenibile, energia e ambiente” e promuove lo sviluppo delle traiettorie SNSI dei “materiali innovativi ed ecocompatibili” e dei “processi produttivi innovativi ad alta efficienza e per la sostenibilità industriale”.

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.4.6 Innovazione per l’industria manifatturiera
Articolazione 1: Industria circolare, pulita ed efficiente

5.6.1 Green technologies
Articolazione 4: Riduzione dei rifiuti e della domanda di critical raw materials tramite approcci di disassembling e materials recovery, remanufacturing e refurbishing

5.5.3 Energetica industriale
Articolazione 3: Decarbonizzazione dell’industria: produzione locale da FER, uso efficiente e sostenibile dell’energia e dei materiali, trasformazione dei vettori energetici

• Computational mechanics
• Topology optimization
• Additive manufacturing
• Sustainable materials
• Sustainable manufacturing processes