Ricercatori di Cambridge stampano in 3D un muro di cemento intelligente

Le infrastrutture stanno emergendo come un’area chiave di sviluppo per la stampa 3D di cemento. I ricercatori di Cambridge, lavorando in collaborazione con l’industria e aziende specializzate come Versarien, hanno contribuito a sviluppare il primo pezzo di infrastruttura in cemento stampato in 3D da utilizzare in un progetto di autostrade nazionali. La struttura stampata in 3D – un tipo di muro di contenimento noto come headwall – è stata installata sulla A30 in Cornovaglia, dove fornisce informazioni in tempo reale grazie ai sensori progettati da Cambridge incorporati nella sua struttura. I sensori forniscono misurazioni aggiornate tra cui temperatura, deformazione e pressione. Questo gemello digitale del muro potrebbe aiutare a individuare e correggere i guasti prima che si verifichino.

Le strutture di testata sono normalmente realizzate in forme limitate da calcestruzzo prefabbricato, che richiedono casseforme e un’ampia armatura in acciaio. Ma utilizzando la stampa 3D, il team, inclusi gli specialisti di Costain, Jacobs e Versarien, è stato in grado di progettare e costruire un muro cavo curvo senza casseforme e senza rinforzi in acciaio. Il muro trae la sua forza non dall’acciaio, ma dalla geometria.

Il muro – la cui stampa ha richiesto un’ora – è alto circa due metri e largo tre metri e mezzo. È stato stampato nel Gloucestershire presso la sede della società di ingegneria avanzata Versarien , utilizzando una stampante per calcestruzzo basata su un braccio robotico. Realizzare il muro utilizzando la stampa 3D consente di risparmiare in modo significativo su costi, materiali ed emissioni di carbonio.

Negli ultimi sei anni, il team del professor Abir Al-Tabbaa presso il Dipartimento di Ingegneria ha sviluppato nuove tecnologie di sensori ed esplorato l’efficacia dei sensori commerciali esistenti per ottenere informazioni di migliore qualità dall’infrastruttura. Il suo team ha anche sviluppato vari calcestruzzi autoriparanti “intelligenti”. Per questo progetto, hanno fornito sensori per misurare la temperatura durante il processo di stampa.

Le variazioni di temperatura in diversi strati del muro stampato in 3D sono state continuamente monitorate per rilevare eventuali punti caldi, gradienti termici o anomalie. I dati di temperatura saranno correlati con il corrispondente profilo di imaging termico per comprendere il comportamento termico della parete stampata in 3D.

“Poiché è necessario un cemento a presa estremamente rapida per la stampa 3D, genera anche un’enorme quantità di calore”, ha affermato Al-Tabbaa. “Abbiamo incorporato i nostri sensori nel muro per misurare la temperatura durante la costruzione e ora riceviamo dati da loro mentre il muro è sul posto”.

Oltre alla temperatura, i sensori misurano l’umidità relativa, la pressione, la deformazione, la resistività elettrica e il potenziale elettrochimico. Le misurazioni forniscono preziose informazioni sull’affidabilità, la robustezza, l’accuratezza e la longevità dei sensori.

Un sistema LiDAR è stato utilizzato anche per scansionare il muro mentre veniva stampato per creare una nuvola di punti 3D e generare un gemello digitale del muro.

“Rendere il muro digitale significa che può parlare da solo”, ha detto Al-Tabbaa. “E possiamo utilizzare i nostri sensori per comprendere meglio queste strutture stampate in 3D e accelerare la loro accettazione nell’industria”.

Il team di Cambridge ha sviluppato un tipo di sensore, noto come sensore PZT (Piezoceramic Lead-Zirconate-Titanate), che misura la risposta dell’impedenza elettromeccanica e monitora i cambiamenti di queste misurazioni nel tempo per rilevare eventuali danni. Questi sensori intelligenti possono mostrare come la malta stampata in 3D si indurisce nel tempo, monitorando contemporaneamente la salute della struttura ospite.

Otto sensori PZT sono stati incorporati all’interno degli strati della parete in diverse posizioni durante il processo di stampa 3D per catturare la presenza di carico e deformazione, sia durante il processo di costruzione che durante la vita utile dopo l’installazione sul campo.

Il team, che comprendeva esperti in materiali intelligenti, automazione, robotica e scienza dei dati, ha anche sviluppato un sistema di acquisizione dati wireless su misura. Ciò ha consentito la raccolta dei dati di risposta elettromeccanica multifrequenza dei sensori incorporati in remoto da Cambridge.

“Questo progetto fungerà da laboratorio vivente, generando dati preziosi per tutta la sua durata”, ha affermato Al-Tabbaa. “I dati dei sensori e il ‘gemello digitale’ aiuteranno i professionisti delle infrastrutture a comprendere meglio come la stampa 3D può essere utilizzata e adattata per stampare materiali a base di cemento più grandi e complessi per la rete stradale strategica”.

I membri del team includevano il dottor Sripriya Rengaraju, il dottor Christos Vlachakis, il dottor Yen-Fang Su, il dottor Damian Palin, il dottor Hussam Taha, il dottor Richard Anvo e la dottoressa Lilia Potseluyko di Cambridge; così come Bhavika Ramrakhyani, Head of Materials di Costain, studente di dottorato part-time presso il Dipartimento di Ingegneria, e Ben Harries, Architectural Innovation Lead presso Versarien, che a ottobre inizierà anche un dottorato part-time presso il Dipartimento di Ingegneria.

Il lavoro del team di Cambridge fa parte del programma Resilient Materials for Life e della Digital Roads of the Future Initiative. La ricerca è sostenuta in parte dall’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), parte del UK Research and Innovation (UKRI) e dall’Unione Europea.