Materiali funzionalmente graduati
Nel 2014 il mondo ha visto la prima abitazione stampata in 3D: un edificio costruito utilizzando una tecnica denominata contour crafting (CC), in cui un materiale a presa rapida, simile al calcestruzzo, viene depositato strato dopo strato per formare le pareti della casa. La nuova tecnica di costruzione è risultata molto efficiente rispetto agli standard e ha consentito di risparmiare il 60% dei materiali, il 70% del tempo e l’80% del lavoro necessario a costruire una casa comune.
Tuttavia questa avanzata tecnica di fabbricazione fu associata a un utilizzo dei materiali tradizionale e convenzionale, basato su uniformità e omogeneità, secondo l’uso tipico del diciannovesimo secolo. L’omogeneizzazione dei materiali e la divisione in componenti sono pratiche storicamente legate e ancora oggi molto utilizzate mediante tecnologie di costruzione altamente sofisticate. Come dimostra l’esempio della casa stampata in 3D, è sorprendente che dopo due secoli l’archetipo sia rimasto praticamente invariato. Negli ultimi anni stiamo assistendo a un’inversione di tendenza e sguardiamo con crescente attenzione a ricerche avviate quarant’anni fa nel campo dello sviluppo di nuovi multi-materiali.
L’idea di produrre materiali solidi con variazioni controllate di consistenza e proprietà meccaniche all’interno del loro volume fu avanzata per la prima volta da alcuni scienziati giapponesi negli anni ’70 in campo aerospaziale. Questi nuovi materiali furono chiamati functionally graded materials (FGM), materiali compositi nei quali la concentrazione, la forma e l’orientamento delle fasi costituenti varia in una o più direzioni ottimizzando le performance globali dell’oggetto in questione.
Oggi numerose iniziative di ricerca portate avanti in laboratori di Ingegneria e scuole di Architettura (ILEK, UCL, ETH) esplorano le pratiche contemporanee di design di strutture e geometrie complesse per mezzo di multi-materiali funzionalmente graduati e anisotropi. Si prendono così le distanze dalle convenzionali esplorazioni di materiali singoli e isotropi con tettoniche lineari o planari. All’interno di questo campo di investigazione si ricercano nuove tecniche per miscelare in maniera sistematica i materiali (calcestruzzo, legno, polimeri), con graduazione controllata di alcune proprietà specifiche (porosità, rigidezza, opacità…) e con l’aiuto dei nuovi strumenti di design parametrico e associativo.
Recenti studi, in linea con la sperimentazione sulle tensostrutture di Frei Otto, proseguita oggi da Werner Sobek, riguardano la progettazione di materially graded membranes, ovvero membrane non omogenee con proprietà funzionali strutturali ottimizzate secondo la distribuzione degli sforzi. La loro realizzazione è resa possibile dall’uso di FG-UHPC,functionally graded ultra high performance concrete, e soprattutto dall’utilizzo di software parametrici, in grado di gestire la complessità del materiale in fase di progettazione per ottenere il suo sfruttamento ottimale e quindi, in fase di costruzione, l’utilizzo di tecniche di fabbricazione robotica.
Personalizzando attributi come resistenza, rigidità, porosità e pattern si creano strutture accuratamente ingegnerizzate per rispondere efficientemente a criteri ambientali, strutturali ed estetici, al passo con gli ultimi sviluppi in campo di design computazionale e fabbricazione digitale.
Di Camilla Pezzica
