R3DPA : Robotic 3D Printing for Architecture. Progetto di un estrusore per la stampa 3D del calcestruzzo e prove sperimentali con materiali argillosi

During the last few years, the use of the 3D printing technology has significantly increased across various industrial sectors. While in some areas of the manufacturing industry this technology, based on a layer-by-layer process, is already mature, in the construction sector, however, the examples are still limited. The main advantages of 3D printing technology are: the increased customisation options, a more effective use of materials, a reduced construction time and labour onsite, with the general goal of delivering tailored solutions at reduced costs, allowing a just-in-time management of the supply chain. In the first part of this thesis work, an innovative 3D printing process for concrete is introduced. The system is composed by a computer controlled robot with a specificallydesigned end-effector, which is able to deposit concrete in any position in a threedimensional space. The design of the extruder and the related printing parameters are presented. 3D printing experiments are developed using clay; this material is different from concrete but at the same time it allows us to get to know how the different parameters influence the printing process. Finally, a case study is developed in which a 3D printed, topology optimized façade panel is designed. This type of optimization is carried out through a parametric software with the goal of reducing the excess material while maintaining an equivalent structural performance.

Lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D negli ultimi anni è aumentato notevolmente in diversi settori industriali. Anche il settore delle costruzioni si sta attrezzando per avere una significativa sinergia con il settore dell’automazione. Il seguente elaborato identifica le caratteristiche e i vantaggi di questa tecnologia riducendo l’utilizzo di materiale, i tempi di costruzione e creando delle soluzioni ideate su misura al particolare caso costruttivo. Nella prima parte di questa tesi viene trattato un sistema innovativo di stampa 3D con il calcestruzzo. Il processo è composto da un robot con un estrusore appositamente progettato che, attraverso il controllo tramite il computer, è in grado di depositare calcestruzzo in qualsiasi punto di una traiettoria definita. Il progetto dell’estrusore e i relativi parametri che influenzano la stampa sono trattati basandosi sulla letteratura scientifica di riferimento. Successivamente sono state effettuate prove scientifiche di 3D Printing con l’argilla, un materiale diverso rispetto al calcestruzzo ma che allo stesso tempo ci ha permesso di osservare l’influenza dei parametri identificati sull’intero processo. Infine è stato sviluppato un caso applicativo della stampa 3D affiancandolo a un’ottimizzazione topologica di un pannello di facciata. Questo tipo di ottimizzazione è svolta attraverso un software che permette l’eliminazione di materiale in eccesso e la riduzione dei pesi gravanti sulla struttura, rendendola più snella. Le applicazioni e gli sviluppi di questo affascinante processo potranno raggiungere notevoli risultati nel futuro prossimo: strutture e sistemi tecnologici con forme libere, pannelli di facciate con ridotti pesi propri e geometrie complesse che soddisferanno sempre più le esigenze creative dei progettisti.