Il modello Materias per la valorizzazione della ricerca: Etesias e la stampa 3D del cemento

L’innovazione nasce da una costante applicazione della ricerca per trasformare la nostra società in un mondo migliore. Questa trasformazione, che spesso nasce in seno all’Università, trova la sua massima espressione nel coraggio di affrontare una sfida imprenditoriale. Questa continuità si esprime attraverso un rapporto di fiducia e di scambio tra formazione, ricerca e impresa. Questa è la sfida di oggi e questa è la mission che si è data Materias: trovare idee pioneristiche, accompagnarle in un percorso di maturazione, farle diventare innovazione e, infine, creare nuove opportunità imprenditoriali e prodotti.

Materias ha ideato un innovativo modello di generazione di valore che prevede tre fasi: Scouting, InCoMing, Acceleration. Nella fase di Scouting, avviene l’identificazione, lo screening e la valutazione delle idee ad alto valore tecnologico sostenute dai quattro pilastri fondamentali dell’innovazione: sostenibilità, ricerca, visione, innovazione. Tale azione produce una prima selezione delle soluzioni innovative e delle idee science-based ritenute idonee ad essere valorizzate e portate sul mercato. Nella fase di InCoMing – Incubazione, Coworking e Merging – la valorizzazione delle idee prosegue attraverso e valutazioni tecnico- scientifiche, validazioni tecnologiche, analisi della proprietà intellettuale, azioni di cross-fertilization e lo sviluppo di prototipi per la realizzazione di una “proof of concept”. Nella fase finale di Acceleration, si affinano le soluzioni in relazione ai fabbisogni del mercato attraverso lo sviluppo di specifici modelli di business e la validazione dei prototipi.  In alcuni casi è necessaria la creazione di società veicolo, startup innovative per attrarre dei finanziatori o l’interesse di Corporate industriali.

La prima start-up di Materias si chiama Etesias e si occupa di stampa 3D del cemento. La tecnologia rivoluziona l’approccio classico alla produzione di cemento armato prefabbricato, consentendo maggiore versatilità e facilità nella realizzazione di interventi complessi, riduzione dell’impatto ambientale e ottimizzazione dei costi. Etesias è una start-up innovativa che opera all’interno del campus Universitario di San Giovanni dell’Università di Napoli “Federico II” (di cui è anche spin-off) in sinergia con la scuola Politecnica di base tra le più prestigiose al mondo per storia, innovazione e produzione di talenti. Gli altri soci della startup sono professori Universitari e rappresentano delle eccellenze scientifiche nel settore della progettazione e realizzazione di strutture complesse: Domenico Asprone e Costantino Menna del Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università “Federico II” e Ferdinando Auricchio del Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura dell’Università di Pavia. Grazie al contributo del team degli inventori, Etesias riesce a spostare continuamente in avanti la frontiera della conoscenza svolgendo sperimentazioni all’avanguardia, progettazioni strutturali e analisi numeriche avanzate, garantendo un elevato controllo di qualità dei manufatti realizzati con la tecnica del 3D printing in materiale cementizio.

Italcementi considera la stampa 3D di materiali a base cementizia come una potenziale innovazione “break-through” e uno dei principali assi di sviluppo di nuove tecnologie nel settore delle costruzioni, in particolare in ambito cementizio, con possibili ricadute positive in termini di sostenibilità, risparmio sui costi di costruzione, semplificazione delle attività di cantiere e miglioramento della qualità del prodotto finale. È stato pertanto ritenuto strategico per Italcementi lo studio e lo sviluppo di materiali e soluzioni applicative in questo ambito e a tal fine è stato avviato da tempo un progetto che vede coinvolti, oltre a qualificate risorse interne, partner esterni con cui collaborare per i diversi aspetti della filiera che dal materiale arriva al costruito, arrivando al deposito e piena titolarità di una serie di brevetti. Ed è qui che entrano in gioco Materias ed in particolare Etesias con le loro competenze sulla stampa 3D di elementi strutturali in calcestruzzo.

Negli ultimi anni è cresciuto notevolmente a livello mondiale il numero delle startup che operano in tale ambito e, in parallelo, è andato a delinearsi in maniera più concreta il contesto applicativo dei prodotti generati da una tecnologia altamente “disruptive” caratterizzata da ampie prospettive di utilizzo. Infatti, dopo una fase iniziale, mirata essenzialmente a dimostrare in ambito architettonico e di design la key-feature della stampa 3D, ovvero generare oggetti free-form, si è consolidata la tesi di poter ottenere benefici in senso lato per il settore delle costruzioni, sia in ambito residenziale che infrastrutturale. Costituiscono esempi in tal senso gli innumerevoli e recenti progetti concepiti ad-hoc sfruttando in parte principi tradizionali di progettazione, sia in ambito accademico che aziendale, mirati al “deployment” di nuove soluzioni per affordable housing, strutture modulari, elementi di facciata, ponti pedonali, strutture militari e addirittura moduli costruttivi da realizzare sulla luna. I principali driver sono rappresentati da aspettative iniziali che negli ultimi due anni sono state tradotte in termini quantitativi, come ad esempio: riduzione dei costi, miglioramento della qualità dei prodotti, flessibilità del cantiere, riduzione dei materiali adoperati in relazione a una possibile ottimizzazione multifunzionale e, ad ampio spettro, una maggiore sostenibilità; tuttavia, tali benefici necessitano di essere declinati in relazione alla tecnica di additive manufacturing adoperata, come ad esempio gantry, braccio robotico, binder jetting ecc.

Ciò che emerge dall’ultima conferenza internazionale Digital Concrete 2020, è che nei prossimi anni sarà necessario equilibrare la spinta degli aspetti tecnologici innovativi (sempre più numerosi), alimentati essenzialmente dalla robotica ed automazione, con la natura conservativa di un settore che resiste all’innovazione. Pertanto, la comunità scientifica, così come i molteplici gruppi di lavoro internazionali (vedi RILEM, ACI, FIB, NIST), sono chiamati in primo luogo a classificare le tecniche attualmente in uso, fornire gli strumenti opportuni per migliorare il controllo della produzione automatizzata, creare nuovi approcci di progettazione ed integrazione con sistemi di rinforzo del calcestruzzo, “filtrare” le soluzioni più feasible che siano compatibili con il panorama normativo attuale (ad esempio il design by testing previsto dagli Eurocodici). In altre parole, si tratta di step obbligati per attuare la transizione verso Industria 4.0 anche nel settore delle costruzioni al fine di massimizzarne i benefici e garantire competitività alle neo-realtà aziendali operanti nella fabbricazione digitale con il calcestruzzo.

In ETESIAS sono molteplici gli studi attualmente in corso e sono condotti con i vari partner, sia industriali che accademici. Essi condensano su tre livelli principali:

1. Miglioramento del controllo e della qualità del processo automatizzato di stampa 3D al variare delle caratteristiche meccaniche e reologiche dei mix cementizi stampabili. Ciò avviene attraverso la messa a punto di test dedicati (come, ad esempio, “buildability” test) del tutto differenti rispetto alla pratica sperimentale del calcestruzzo gettato in opera; oppure con l’ausilio di tecniche numeriche di previsione della stabilità durante la stampa, nonché attraverso tecniche innovative di acquisizione dimensionale come laser scanning combinato ad intelligenza artificiale.
2. Concept di rinforzi integrati con la stampa 3D. Senza dubbio questo aspetto costituisce una delle sfide più importanti per ETESIAS in quanto la completa fruizione degli oggetti strutturali realizzabili con la fabbricazione digitale passa necessariamente per il miglioramento del comportamento a trazione del calcestruzzo. Se da un lato in ETESIAS sono analizzati concept innovativi basati su conci assemblabili e post tesi (vedi brevetto internazionale), dall’altro sono in corso anche studi che mirano a utilizzare rinforzi tradizionali combinati alla stampa per estrusione al fine di velocizzare il processo di “compliance” normativo.
3. Percorsi innovativi di progettazione-produzione per residential housing ed elementi strutturali leggeri. Si tratta di sperimentare nuove metodologie integrate e digitali di progettazione in cui al centro sia posizionata la nuova tecnologia produttiva allo scopo di massimizzare le opportunità offerte dalla stessa ed in riferimento al contesto residenziale e strutturale.

La tecnologia impiegata in ETESIAS si alimenta con contributi derivanti da diverse discipline. Pertanto, il team di lavoro è costituito da un ambizioso partenariato multidisciplinare di giovani affiancati da esperti con competenze in architettura, progettazione strutturale, robotica e scienze dei materiali. L’ambiente multidisciplinare si avvale di collaborazioni accademiche nazionali ed internazionali, rese possibili dallo status di spin-off con l’Università di Napoli Federico II e di Pavia.

Nel 2021 ETESIAS sarà concentrata principalmente in attività di dimostrazione del know-how tecnico scientifico acquisito fino ad ora, puntando alla realizzazione di pilot-projects sia in ambito strutturale che residenziale. L’obiettivo è quello di interagire maggiormente con stakeholders che operano nel settore delle infrastrutture e residenziale per collocarsi quale via preferenziale per rispondere alle richieste di innovazione del mercato globale delle costruzioni, per il quale è sempre più ricercato un elevato livello di personalizzazione, di efficienza e di riduzione degli impatti ambientali.