3D concrete printing. Sviluppo di un sistema di deposizione a controllo numerico di malte cementizie per la fabbricazione robotizzata di manufatti architettonici off-site e on-site

In recent years, the development of additive manufacturing and the diffusion of rapid prototyping technologies allowed different industries to discover the enormous potential of such fabrication techniques. The ability to convert complex digital models into physical tridimensional objects with relative ease has caused a considerable progress in various fields, from automotive to medicine. Robotic systems have mostly replaced human labor in complex, repetitive and dangerous activities, allowing for a drastic reduction in labour and manufacturing costs. In the construction industry such paradigm shift has not occurred. Several critical issues, especially related to productivity, quality control and safety, are still unsolved. Only recently universities have started experimenting and developing additive manufacturing applications aimed at the building construction industry, focusing mainly on the 3D printing processes for cement mortars. Using these techniques, the printed elements do not require formwork and can reach high levels of precision and complexity. Moreover, they can develop structural strengths comparable to those of cast-in-formwork manufacts. The goal of this thesis is to experimentally demonstrate how, by applying the knowledge of digital fabrication to constructions, it is possible to manufacture free-form concrete formwork using the 3D printing technique. The original contribution of this thesis consists of the design and manufacturing of a custom extruder (the so-called end-effector) optimized for the 3D printing process of cement mortars and the study of a mix design compatible with the layer-by-layer deposition process. The end-effector was prototyped using an iterative trial-and-error approach, validating each major design choice through experimental tests during the four development phases. The study also covered the definition of the process parameters, analyzing their relationships and the effects of their variations on the final products. The feasibility of the concrete printing process was demonstrated by fabricating elements characterized by a free-form footprint and of up to one meter in height. These manufacturing experiments have allowed the analysis and documentation of the material behavior during the print process and the evaluation of the final surface finish of the 3D printed elements. At the end of the thesis possible future developments of the technique have been analyzed. Particularly, some aspects concerning the optimization of the process were discussed and few scenarios were proposed outlining a feasible integration of the 3DCP system in construction sites, for both small and large-scale applications.

Negli ultimi anni, lo sviluppo dell’additive manufacturing e la diffusione delle tecnologie di prototipazione rapida hanno permesso di scoprire le enormi potenzialità di questo tipo di fabbricazione. La possibilità di convertire modelli digitali complessi in oggetti fisici tridimensionali con relativa facilità ha permesso un notevole avanzamento nei settori più disparati, da quello automobilistico a quello della medicina. I sistemi robotizzati hanno in gran parte sostituito la forza lavoro umana in attività complesse, ripetitive e pericolose, consentendo una drastica riduzione dei costi legati alla manodopera. Nell’industria delle costruzioni tale cambiamento non è ancora avvenuto. Ciò comporta gravi criticità soprattutto legate alla produttività, alla qualità e alla sicurezza. Solo recentemente alcune realtà universitarie hanno iniziato a sperimentare e sviluppare applicazioni di additive manufacturing per il mercato delle costruzioni, concentrandosi principalmente sui processi di stampa 3D di malte cementizie. I manufatti stampati mediante queste tecniche non necessitano di casseforme e possono raggiungere livelli di precisione e complessità molto elevati. Essi sviluppano inoltre resistenze strutturali comparabili a quelle di manufatti gettati in cassero. L’obiettivo di questa tesi è dimostrare sperimentalmente come, applicando le conoscenze della fabbricazione digitale al campo delle costruzioni, sia possibile realizzare casseri free-form in calcestruzzo utilizzando la tecnica di stampa 3D. Il contributo originale del presente elaborato consiste nello sviluppo di un estrusore (il cosiddetto end-effector) ottimizzato per il sistema di stampa 3D di malte cementizie e nello studio di un mix design compatibile con il processo di deposizione per strati. L’end-effector è stato progettato e realizzato in forma di prototipo mediante un approccio iterativo trial-and-error, validando ogni scelta di progettazione attraverso test sperimentali durante le quattro fasi di sviluppo. Lo studio ha riguardato inoltre la definizione dei parametri di processo, l’analisi delle loro relazioni e gli effetti delle loro variazioni sulla resa finale dei prodotti. La fattibilità del processo di stampa del calcestruzzo è stata dimostrata realizzando alcuni manufatti caratterizzati da un’impronta free-form e da un’altezza fino ad un metro. Gli esperimenti effettuati hanno permesso l’analisi e la documentazione del comportamento del materiale durante il processo di stampa e la valutazione dell’aspetto superficiale finale degli elementi stampati in 3D. A conclusione dell’elaborato sono stati analizzati alcuni possibili sviluppi futuri della tecnica. In particolare, sono stati trattati alcuni aspetti riguardanti l’ottimizzazione del processo e proposti alcuni scenari in funzione di una possibile cantierizzazione del processo di 3DCP, per applicazioni su piccola e grande scala.