La creazione di contorni è una tecnologia di stampa edilizia studiata da Behrokh Khoshnevis dell’Università dell’Informatica delle Scienze della California meridionale (nella Scuola di Ingegneria di Viterbi) che utilizza una gru o un cavalletto controllati da computer per costruire edifici in modo rapido ed efficiente con un lavoro manuale notevolmente inferiore. Originariamente era concepito come un metodo per costruire stampi per parti industriali. Khoshnevis ha deciso di adattare la tecnologia per la costruzione di abitazioni rapide come un modo per ricostruire dopo i disastri naturali, come i devastanti terremoti che hanno afflitto il suo nativo Iran.
Usando un materiale simile al cemento, rapido, il modellamento del contorno forma le pareti della casa, strato per strato, fino al completamento dei piani e dei soffitti fissati dalla gru. Il concetto nozionale richiede l’inserimento di componenti strutturali, idraulici, cablaggi, utilità e persino dispositivi di consumo come i sistemi audiovisivi man mano che gli strati vengono costruiti.
Caratteristiche
La tecnologia consiste nell’estrusione (estrusione) di uno strato dopo uno strato di calcestruzzo speciale lungo il percorso tracciato dal programma, i muri in crescita dell’edificio, quindi la tecnologia ha preso questo nome. In questo, è molto simile alla stampa 3D convenzionale che utilizza la tecnologia Stratasys FDM® (stratificazione del filamento termoplastico riscaldato in conformità con il file di lavoro).
Una caratteristica della tecnologia è quella di collegare uno strumento aggiuntivo della macchina – un manipolatore che installa nella posizione di progettazione gli elementi strutturali di supporto e di sostegno, le comunicazioni ingegneristiche (ponticelli, travi / travi di copertura, strutture a traliccio, vassoi, canne fumarie, canali di ventilazione , eccetera.).
Il materiale da costruzione per la costruzione di elementi strutturali portanti (pareti, pavimenti) è un calcestruzzo in polvere a rapida indurimento, rinforzato con acciaio o microfibra polimerica. Una caratteristica del calcestruzzo in polvere di reazione è l’assenza di aggregati grossolani senza perdita nel rapporto tra leganti / componente solido, nonché le più elevate caratteristiche prestazionali. Possono anche essere usati tipi più economici di calcestruzzo, come il calcestruzzo a grana fine e sabbioso modificato con additivi (iperplastificanti, acceleranti di indurimento, fibre).
La tecnologia di rinforzo può essere applicata a strutture di rete a maglie di volume con tecnologia innovativa. In teoria, tali strutture possono essere legate in un’unica struttura durante la costruzione.
Il vantaggio della tecnologia risiede nella velocità di costruzione. Secondo l’auto, può costruire un edificio residenziale con un’area di 150 sq.m. in 24 ore.
Lo svantaggio è la complessità e, in alcuni casi, l’impossibilità di costruire edifici a pianta aperta e forme architettoniche complesse a causa della necessità di creare strutture di supporto.
Storia
Caterpillar Inc. ha fornito finanziamenti per sostenere la ricerca di progetti di Viterbi nell’estate del 2008.
Nei primi anni 2000 sono disponibili i principi teorici e il primo feedback e molti autori stanno testando o pianificando il futuro dei sistemi di costruzione automatica di interi edifici da parte di robot o di un singolo robot multitasking.
Negli anni dal 2002 al 2004 lo sviluppo dell’automazione nelle costruzioni è stato più lento rispetto ad altre aree (in particolare la robotica automobilistica e industriale), ma basato sulla prototipazione rapida aggiungendo materiale utilizzato in altri settori industriali e dopo il miglioramento delle teste di estrusione e dell’adattamento di materiali (cemento, gesso, ceramiche non polimerizzate, utilizzando il principio di Adobe, plastica, resina, polimeri o miscele …) è ora sufficientemente teorico da consentire la costruzione additiva, inclusa la luna e altri pianeti secondo Khoshnevis dall’università della California del sud.
Nel 2007, è in esame un’alternativa alla gru sospesa: l’uso di una testina di stampa orientata nello spazio dai movimenti dei cavi a cui è sospesa, questi movimenti essendo controllati dal computer; questa opzione è stata studiata da Bosscher e dai suoi colleghi in Ohio e migliorata nel 2008.
Nel 2008, la società Caterpillar Inc. ha deciso di fornire fondi a sostegno dei progetti di ricerca Viterbi (estate 2008).
Nel 2009, gli studenti universitari della Singularity University (una non ufficiale Silicon Valley University) hanno creato un progetto ACASA, con Khoshnevis come direttore del progetto, per commercializzare la tecnica “Contour Crafting” (CC).
Nel 2010, Khoshnevis afferma di essere in grado di costruire un robot (House-Bot) un full house in un giorno con una gru o un cavalletto elettrico (può essere alimentato da una fonte di energia pulita, sicura e rinnovabile per l’elettricità verde) producendo pochissimo spreco di materiali da costruzione. Se questa sfida viene soddisfatta, questa tecnica potrebbe quindi limitare fortemente l’impatto ambientale e l’impronta di carbonio e l’impronta ecologica della costruzione di case.
Quello stesso anno 2010, Khoshnevis annuncia che la NASA sta valutando la possibilità di usare il Contour Crafting per la costruzione di basi sul pianeta Marte e / o Luna, che richiede anche la capacità di raccogliere, trasportare e preparare il materiale lunare a costi ragionevoli, un domanda studiata due anni prima da Zacny et al. e Zeng al (2007).
Nel 2013, sulla base di lavori precedenti (2005) e in vista di una possibile costruzione in situ di un laboratorio lunare, la NASA controlla un piccolo studio presso la University of Southern California per perfezionare questa tecnica di stampa 3D considerando, tra le possibili applicazioni, la costruzione di strutture o infrastrutture che potrebbero essere costruite sulla luna in modalità ISRU (utilizzo delle risorse in situ), vale a dire con un materiale contenente almeno il 90% di materiali lunari e non più del 10% di materiale importato dalla Terra.
Il primo edificio francese stampato in 3D (YHNOVA, social housing, annunciato a marzo 2017 dovrebbe nascere a Nantes, sulla base di una tecnica “Batiprint3D”, brevettata dall’Università di Nantes, e concepita con il CNRS, la Scuola Centrale, Inria e IMT Atlantique e brevettato dall’Università di Nantes).
Khoshnevis affermò nel 2010 che la NASA stava valutando Contour Crafting per la sua applicazione nella costruzione di basi su Marte e sulla Luna. Dopo tre anni, nel 2013, la NASA ha finanziato un piccolo studio presso la University of Southern California per sviluppare ulteriormente la tecnica di stampa 3D di Contour Crafting. Le potenziali applicazioni di questa tecnologia includono la costruzione di strutture lunari di un materiale che potrebbe essere costruito con il 90% di materiale lunare con solo il 10% del materiale trasportato dalla Terra.
Nel 2017 la Contour Crafting Corporation (di cui Khoshnevis è l’amministratore delegato) ha annunciato una partnership e un investimento da Doka Ventures. Nel comunicato stampa, affermano che “inizieranno la consegna delle prime stampanti all’inizio del prossimo anno”
Principio
La casa è progettata sul computer e i dati vengono quindi inoltrati alla stampante 3D. La stampante 3D è un robot a portale completamente automatico che è più grande dell’edificio; Il calcestruzzo speciale ad indurimento rapido e il calcestruzzo normale vengono forniti tramite contenitori in calcestruzzo.
Innanzitutto, il robot gantry versa un fotogramma strato per strato usando il calcestruzzo speciale ad indurimento rapido. L’ugello di spruzzatura controllato da computer posiziona sottili tracce di cemento sul terreno, che vengono portate alla loro forma definitiva da due cazzuole laterali. Quindi il telaio è pieno di cemento normale. Inoltre, possono essere introdotte strutture in acciaio finite o simili. Quindi, un edificio viene creato esattamente dopo il disegno del computer.
Questo principio di prototipazione rapida è stato sviluppato dal ricercatore statunitense Behrokh Khoshnevis, professore alla University of Southern California, Los Angeles.
metodi
In generale, i sistemi automatizzati consentono la gestione additiva, formativa o sottrattiva del materiale. Possono anche combinare – in situ – questi 3 approcci.
Il metodo CC (Contour crafting) si adatta alle esigenze di un grande software di costruzione e di strumenti hardware creati per lavorare o produrre stampi per produrre parti industriali per fonderie, vetro o plastica e quindi per stampanti 3D.
Dalla metà degli anni ’90, Khoshnevis ha gradualmente adattato queste tecnologie a un progetto di costruzione di una casa veloce, che potrebbe essere implementato, ad esempio, dopo devastanti disastri naturali (tsunami, terremoti) come il terremoto. colpire la sua terra natia, l’Iran) o anche su altri pianeti nel contesto dell’esplorazione spaziale con presenza umana. In Europa, l’italiano Enrico Dini ha creato la sua macchina chiamata D-Shape che deposita strati di sabbia induriti da un legante inorganico per produrre oggetti alti fino a sei metri (nel 2014).
Nel primo caso, un materiale a presa rapida come il cemento di sabbia e cemento utilizzato con una forma “acceleratore”, strato per strato, le pareti e gli elementi di una casa, i pavimenti, i soffitti e il tetto installati dalla gru a portale o gru.
I vuoti necessari per l’inserimento di impianti idraulici, elettrici e di computer, di ventilazione o di materiali isolanti sono forniti a monte nel piano computerizzato, ma il robot e il suo gantry possono anche teoricamente installare tubi o alcuni elementi secondari della struttura, o elementi decorativi e protettivi come tassellature, piastrelle, intonaco, vernici, ecc.
Alternative o varianti ecologiche
Cercano di utilizzare materiali di base ampiamente disponibili e con una piccola impronta ecologica (sabbia, ghiaia, argilla, ecc.) E di utilizzare una fonte di energia libera e sicura come l’energia solare (trasformata in elettricità e sotto forma di calore ) ..
Recentemente (2012-2013), esperimenti artistici e / o tecnici hanno utilizzato macchine costruendo oggetti o decorazioni in sabbia, talvolta di grandi dimensioni. Questo è il caso per esempio di:
insiemi o elementi di architettura stampata (o “architettura computazionale”) prodotti dagli architetti Michael Hansmeyer e Benjamin Dillenburger, con il Dipartimento di architettura del Politecnico federale di Zurigo 36. In questo caso, la stampante 3D produceva oggetti di grandi dimensioni (colonne, pareti, stanze) realizzati con sabbia. I pezzi sono stati formati da algoritmi che mirano a produrre rapidamente oggetti architettonici complessi e decorativi che sono quasi impossibili da ottenere con la scultura classica, che dovrebbe essere esposta in Francia al FRAC di Orléans nel 2014
Sculture o oggetti di utilità costruiti da un “Robot a spruzzo di pietra” controllato da computer in grado di stampare in più direzioni contemporaneamente (in due piani, verticale e orizzontale) per produrre forme complesse, possibilmente autoportanti (mobili, pareti, sculture .. costruito su sabbia agglomerato da una colla (certificato ecologico LEEED (Leadership in Energy and Environmental Design), con un alimentatore che è un pannello fotovoltaico.Questo robot è stato prodotto da Shergill, Anna Kulik e Petr Novikov, sotto la supervisione di Jordi Portell, Marta Male Alemany e Miquel Iloveras dello IAAC (Istituto Catalano di Architettura Avanzata (Institute for Advanced Architecture of Catalonia;
Oggetti in sabbia fusa; la fusione viene prodotta concentrando un raggio di luce solare su un nuovo strato di sabbia del deserto; È stato Markus Kayser a sviluppare il primo prototipo molto semplice, testato con successo nel deserto del Sahara, utilizzando una semplice lente di fresnel azionata da un computer alimentato da pannelli solari (“Solar Sinter Project”). L’obiettivo concentra il calore del sole sulla sabbia aggiunto nella macchina strato per strato, la forma viene programmata come un modello digitale.
Il P r Behrokh Khoshnevis, con la University of Southern California e il finanziamento della NASA e del Cal-Earth Institute, hanno testato nel 2014 una “gigante stampante 3D” con il progetto di costruire una casa in 24 ore. La stampante è qui un robot che estrude il calcestruzzo secondo un piano memorizzato nel computer che lo controlla.
Secondo i sostenitori di questa tecnica, tali robot potrebbero in futuro costruire – con materiali raccolti (o riciclati) sul posto – edifici civili e militari, piste di atterraggio, strade, hangar o pareti di radiazione così come possibilmente strutture abitabili sulla luna, marzo o altri ambienti extraterrestri. I test sono fatti in un laboratorio situato nel deserto della NASA (D-RATS). Questo processo è o è stato testato su piccola scala (progetto “Casa del futuro / Iniziativa di politica urbana” (2004) ed è considerato dall’industria per diversi anni.
Il progetto “3D Print Canal House” utilizza una stampante di dimensioni intermedie, che opera in un container, chiamato “Kamermaker” facile da portare in cantiere (test in corso nei Paesi Bassi 49), elementi di pareti che poi vengono facilmente assemblati su quadrato; in questo caso, la plastica utilizzata è composta al 75% da olio vegetale, ma si sperimentano altri tipi di plastica.
commercializzazione
La Caterpillar Inc. ha finanziato il progetto della scuola di Viterbi dal 2008.
Khoshnevis dice anche che la NASA sta valutando la costruzione del profilo come metodo per costruire basi per la colonizzazione di Marte e della Luna.
Nel 2009, gli studenti universitari dell’Università della Singolarità hanno istituito il progetto ACASA con Khoshnevis come CTO per commercializzare la costruzione secondo i contorni.
anteriorità
Il concetto di produzione additiva esiste tra i modellisti che usano l’argilla, la cera e l’architettura in artigiani o decoratori che usano intonaco o stucco. La costruzione di pareti stratificate di adobe (banchage) consolidate o meno da calce, paglia, fibre, ecc. È esistita fin dall’antichità, ma ora potrebbe essere completamente automatizzata, accelerata e non richiederà più la cassaforma.
Implementazione
Uno dei sistemi di maggior successo per la costruzione di contorni è D-Shape, il cui sviluppatore è Enrico Dini. D-Shape consente di eseguire edifici senza l’intervento umano. In questo caso, D-Shape utilizza una tecnologia speciale per convertire la sabbia in un minerale con caratteristiche microcristalline, le cui proprietà sono superiori al cemento Portland. Secondo alcune affermazioni, tale materiale non richiede rinforzo. Si noti che D-Shape consente di accelerare il processo di costruzione fino a quattro volte rispetto ai metodi tradizionali.
Nel 2009, il sistema D-Shape aveva già eretto un edificio alto 3 metri.
Nel 2014 è iniziata una svolta nel settore dell’edilizia con la stampa 3D di contorni con il calcestruzzo.
Nel corso del 2014, la società di Shanghai WinSun ha annunciato, in primo luogo, la costruzione di dieci case stampate in 3D, erette in 24 ore, e successivamente stampate una casa a cinque piani e una villa.
La University of Southern California ha superato i primi test di una stampante 3D gigante in grado di stampare una casa con un’area totale di 250 m² al giorno.
Prospettiva
Vari modelli più o meno sperimentali furono creati alla fine del XX secolo e aiutarono a produrre gradualmente parti sempre più grandi, di solito monomateriale e dello stesso colore.
La stampante tridimensionale era inizialmente fantascienza (Arthur C. Clarke evocò una “macchina replicante” negli anni ’60, macchina che replicherebbe oggetti mentre stampavano libri, il che avrebbe un effetto profondamente positivo sulla società: “l’umanità si adatterà come in il passato “oi fumetti (nel 1972, nel cartone animato Tintin e Shark Lake, il professor Tournesol inventa una fotocopiatrice tridimensionale immediatamente ambita da Rastapopoulos alla produzione di falsi duplicando opere d’arte rubate dai principali musei).
Le soluzioni tecniche esistenti negli anni ’90 suggeriscono la possibilità di una costruzione rapida e completamente automatizzata di un edificio o di una serie di edifici, con verniciatura automatizzata, installazione robotizzata di piastrelle e altri elementi decorativi o funzionali come acqua, gas, aria condizionata o aerazione, integrazione di cavi elettrici, elettronici o in fibra ottica, ecc.
Nel 2014 esistono chirurghi robotici, inclusa la chirurgia cerebrale. Alcuni robot medici possono essere controllati a distanza (tele) e i modelli in fase di sviluppo possono già adattarsi ai movimenti respiratori in tempo reale o ai riflessi di un paziente. Suggeriscono che l’accuratezza della stampa 3D applicata all’architettura possa progredire ulteriormente.
Analogamente, è probabile che le tipologie di materiali aumenteranno in futuro come progresso tecnico. Sono anche considerati materiali reattivi o “intelligenti” strutturati per immagazzinare o condurre o filtrare aria, acqua, umidità, calorie o frigorie, informazioni, ecc.
Il biomimetico potrebbe ispirare ingegneri e architetti e offrire nuove idee per l’edilizia ecologica con un impatto ambientale molto basso, senza “impronta idrica” o impronta di carbonio, o con la possibilità di ripagare il debito ecologico. Tali costruzioni potrebbero ad esempio essere ispirate al modello costruttivo di certi tumuli di termiti, organismi biocostruttivi e / o fotosintetici, ecc. Usando micro-robot in grado di produrre possibilmente un materiale nanotrattato con nuove caratteristiche.