Fabbricazione digitale in architettura

L’architettura è tutta una questione di progettazione e costruzione. C’è sempre stato un dialogo tra lo sviluppo del progetto e la realizzazione del progetto. Con i software CAD per lo sviluppo del progetto, la nuova generazione di architetti ha molti processi di progettazione da seguire. Questi processi sono importanti e influenzano la realizzazione vera e propria del progetto. Inoltre possiamo intravvedere in prospettiva, la riduzione del lavoro umano, più precisione nella costruzione, realizzazioni più rapide e capacità di realizzare forme complesse e fluide con macchine e robot.

Prima di approfondire l’argomento della fabbricazione digitale; diamo uno sguardo alla storia della manipolazione materiale.
Gli esseri umani hanno sempre progettato una serie di strumenti per ottenere il risultato desiderato.
L’inizio è stato con il forming, applicando una pressione meccanica per modellare il materiale e ottenerne una nuova forma. Taglio, rimozione di materiale per formare la nuova forma, nota anche come fresatura, segatura e scalpellatura. Casting, un’antica tecnica per preparare lo stampo cavo per ottenere la forma desiderata.
Unire, aggiungere due o più forme di materiale simile o diverso mediante manipolazione, saldatura, rivettatura o bullonatura. E infine “aggiungendo”, una tecnica recente che utilizza la deposizione di materiale in strati successivi.
Nella fabbricazione digitale, CAD si riferisce alla progettazione assistita da computer e CAM si riferisce alla modellazione / produzione assistita da computer.
Il digitale è un processo attraverso il quale il design della geometria digitale può essere prodotto direttamente tramite macchine CNC (computer numerical control). La fabbricazione digitale comprende due aspetti: dal fisico al digitale e dal digitale al fisico.
Dal fisico al digitale ci riferiamo alle tecniche utilizzate per trasformare l’entità fisica in un formato di dati digitali, ad esempio attraverso la scansione 3D. Dal digitale al fisico intendiamo le tecniche utilizzate per trasformare il formato dei dati digitali in entità fisica, ovvero sottrattiva, additiva e formativa.

Figura 1 – La fabbricazione digitale. Fonte: autore

Dal digitale al fisico

1. Fabbricazione sottrattiva: una tecnica mediante la quale gli oggetti 3D vengono costruiti tagliando successivamente il materiale da un blocco solido, per esempio la taglierina laser, taglierina al plasma, taglierina a getto d’acqua e router di fresatura CNC
2. Fabbricazione additiva: una tecnica mediante la quale gli oggetti 3D vengono costruiti aggiungendo strati su strati di materiale, per esempio attraverso le stampanti 3D.
3. Fabbricazione formativa: un processo mediante il quale gli oggetti 3D vengono costruiti applicando forze meccaniche per riformare o rimodellare il materiale, per esempio con la manipolazione robotica

Le macchine non sono in grado di comprendere i dati CAD, quindi devono essere tradotti in dati CAM, un codice che le macchine riescono ad interpretare. Nelle operazioni CNC i dati CAM sono noti come G-Code, un semplice codice generato da una serie di coordinate.

Vediamo in dettaglio ogni tecnica, gli strumenti e i vantaggi.

Fabbricazione sottrattiva

Taglio laser, una delle forme più comuni e accessibili di fabbricazione digitale. È uno strumento popolare tra le scuole di architettura e design, i modellisti di professione e naturalmente l’industria. Sono per lo più adatti per il taglio di materiali di dimensioni inferiori a 20 mm. Il  vantaggio del taglio laser è l’elevato grado di accuratezza, precisione e taglio netto. La gamma di materiali comprende carta, plastica, diversi tipi di pannelli, legno, metallo e persino tessuti. Ci sono principalmente tre tipi di taglio laser, taglio laser CO2, taglio laser cristallo e taglio laser fibra.

Fresatrice CNC (a controllo numerico computerizzato), operazioni di Routing (2 assi) e Fresatura (3 e più assi) con cui viene rimossa la massa solida dal materiale per ottenere la forma desiderata. Le principali differenze tra un router di fresatura CNC e una taglierina laser sono:

• Le frese laser possono spostarsi su due assi, X e Y, mentre i router di fresatura CNC hanno quattro – sei anche otto assi.
• I router di fresatura CNC possono eseguire operazioni su una varietà di materiali e profondità maggiori, fino a 100 mm e oltre.

Fabbricazione additiva

Fused Deposition Modeling (FDM), la tecnologia di stampa 3D più comune, le stampanti utilizzano materiale termoplastico (a filamento) che si scioglie e si deposita in strati successivi per creare l’elemento desiderato. I filamenti termoplastici noti sono ABS, PLA, PVA ecc. La tecnologia FDM è ampiamente utilizzata nelle scuole di architettura e nella modellistica.

Stereolitografia (SLA), qui la stampante 3D utilizza un laser per polimerizzare la resina liquida in plastica indurita. I vantaggi dell’utilizzo di SLA sono oggetti estremamente precisi, con finitura liscia e finemente dettagliati.

Sinterizzazione laser selettiva (SLS), con questa tecnologia la stampante 3D utilizza un laser ad alta potenza per fondere la polvere di poliammide per creare l’elemento desiderato. Gli elementi 3D stampati con la tecnologia SLS hanno una resistenza meccanica superiore.

Perché abbiamo bisogno della fabbricazione digitale? Comprendiamo che il risultato è più preciso se costruito con strumenti digitali, ma questi richiedono anche una certa post-elaborazione e c’è un lungo elenco di logistica e manutenzione che deve essere seguito durante l’utilizzo di ogni macchina. Tuttavia, considerando lo scenario odierno in cui tutto ciò che progettiamo è in formato digitale, ha senso trasferire i dati digitali alle macchine per costruire il progetto.

Il futuro della costruzione digitale in architettura
Gli strumenti digitali danno un vantaggio per costruire forme fluide, ma sono davvero sostenibili? Nello scenario attuale, gli istituti di istruzione come ETH Zurigo, UCL – Bartlett, AA – Londra, ICD – Germania ecc. stanno sperimentando molto con gli strumenti digitali ma, istituti di istruzione a parte, non sono molte le applicazioni pratiche che utilizzano strumenti digitali con routine. Il motivo principale è che le strutture costruite con questo tipo di strumenti sono strutture speciali e non possono sostituire improvvisamente il modo convenzionale di costruire l’architettura.

Ci stiamo muovendo verso un’era digitale dove vogliamo costruire con precisione e in grandi quantità, quindi è lì che stanno andando questi strumenti digitali. Stiamo vedendo molti esempi di utilizzo della stampante 3D per costruire case, dove il filamento viene sostituito dal cemento e può realizzare la costruzione in settimane se non in giorni. Bracci robotici come Kuka dove la testa può essere sostituita da un ugello per taglio laser, estrusore per stampa 3D o un router di fresatura CNC può eseguire una varietà di operazioni all’interno di un singolo intervento.

Parte degli strumenti digitali, come la scansione 3D, è stata ampiamente utilizzata da architetti e designer nella mappatura. Con questa metodologia si apre un campo in cui è necessario imparare di nuovo a disegnare. Uno degli esempi più belli è la ricostruzione della Sagrada Familia, qui sono stati ampiamente utilizzati gli strumenti digitali per ricreare gli elementi e ridimensionarli fino alla scala del progetto.

Il potenziale degli strumenti digitali è ancora sconosciuto, fino a che punto si può arrivare? sostituirà parzialmente o totalmente l’industria edilizia convenzionale? ha già sostituito lo sviluppo del progetto, influenzerà l’intero settore dell’architettura?
Queste sono le domande a cui dobbiamo guardare in futuro.