IT201800009566A1 - 3D printing process of a cement mixture and related apparatus - Google Patents

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IT201800009566A1
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Flavio Rampinelli
Chiara Rossino
Gianluca Lezzi
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Italcementi Spa
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Description

“Procedimento di stampa 3D di una miscela cementizia e relativo apparato” "3D printing process of a cement mixture and related apparatus"

La presente invenzione riguarda un procedimento di stampa 3D di una miscela cementizia e il relativo apparato per la realizzazione di prodotti finiti a geometria complessa. The present invention relates to a 3D printing process of a cement mixture and the related apparatus for manufacturing finished products with complex geometry.

La presente invenzione si inserisce nel settore delle miscele o composizioni cementizie da utilizzare, mediante tecnologie di stampa 3D, per la realizzazione di prodotti tridimensionali, in particolare mediante la stampa 3D a estrusione. The present invention is part of the sector of cement mixtures or compositions to be used, by means of 3D printing technologies, for the realization of three-dimensional products, in particular by means of extrusion 3D printing.

La Meccatronica ha raggiunto un elevato livello di pervasione di diversi settori industriali, dove la produzione robotizzata è ormai un processo consolidato da diversi anni. La tecnologia additiva (o Additive Manufacturing, AM, in inglese) sta acquisendo sempre più importanza nel settore della prototipazione rapida. Esistono esempi di utilizzo di questa tecnologia per la produzione di pezzi complessi, soprattutto quando si tratta di oggetti per i quali non è necessaria una produzione in un elevato numero di copie, non solo per esempio per impianti dentali o gioielli, ma anche per la realizzazione di ugelli cromo-cobalto per carburante, stampati dalla General Electric per i nuovi motori a reazione LEAP dell'A320 del gruppo Airbus [1]. Mechatronics has reached a high level of pervasion of various industrial sectors, where robotic production has now been a consolidated process for several years. Additive technology (or Additive Manufacturing, AM, in English) is gaining more and more importance in the rapid prototyping industry. There are examples of the use of this technology for the production of complex pieces, especially when it comes to objects for which a production in a high number of copies is not necessary, not only for example for dental implants or jewelry, but also for the realization of cobalt-chrome fuel nozzles, printed by General Electric for the new A320 LEAP jet engines of the Airbus group [1].

Tale tecnologia è particolarmente vantaggiosa quando i prodotti possono essere ottenuti direttamente dal modello digitale, con un impiego assolutamente ridotto di materiale aggiuntivo di supporto che inevitabilmente sarà sprecato dopo la finitura dell'oggetto. This technology is particularly advantageous when the products can be obtained directly from the digital model, with an absolutely reduced use of additional support material that will inevitably be wasted after finishing the object.

Tecniche diverse nell'ambito delle tecnologie additive permettono l'utilizzo di materiali diversi, quali resine termoplastiche che possono fondersi/indurirsi in un ristretto intervallo di temperature, resine foto-reticolabili che sono indurite per mezzo di un fascio laser o polveri metalliche che si fondono mediante un raggio laser e si induriscono immediatamente dopo il passaggio del laser. Different techniques in the field of additive technologies allow the use of different materials, such as thermoplastic resins that can melt / harden in a narrow range of temperatures, photo-crosslinkable resins that are hardened by means of a laser beam or metal powders that melt using a laser beam and harden immediately after passing the laser.

Il Comitato Tecnico Internazionale ASTM F42 sulle Tecnologie Additive definisce la tecnologia additiva come il "processo di unione dei materiali per creare oggetti a partire dai dati del modello 3D, di solito strato su strato, in contrapposizione alle metodologie di produzione sottrattive" (questa definizione è oggetto di armonizzazione ISO dalla norma ISO 17296 -1 ) [2]. The ASTM F42 International Technical Committee on Additive Technologies defines additive technology as the "process of joining materials to create objects from 3D model data, usually layer by layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies" (this definition is subject to ISO harmonization by ISO 17296 -1) [2].

I materiali a base cemento sono stati anch’essi introdotti nel settore delle tecnologie additive. Si tratta di materiali che hanno comportamenti completamente diversi rispetto agli altri materiali sopra citati e normalmente impiegati in questo tipo di tecnologia. Le caratteristiche richieste per un mix o composizione cementizia da utilizzare come materiale per AM devono chiaramente tenere in considerazione la tipicità del processo di stampa. Cement-based materials have also been introduced in the additive technology sector. These are materials that have completely different behaviors than the other materials mentioned above and normally used in this type of technology. The characteristics required for a cement mix or composition to be used as material for AM must clearly take into account the typicality of the printing process.

Le tecnologie additive nell’ambito del settore cementizio possono essere utilizzate in diversi campi, tra cui architettura, costruzioni, arte e design. Di recente queste tecnologie hanno attirato un crescente interesse nel settore delle costruzioni, interesse che deriva principalmente dalla possibilità di offrire più libertà nella progettazione di forme complesse, con potenziali vantaggi estetici e funzionali, riducendo i tempi e i costi di produzione [3]. Tuttavia, prima di stampare qualsiasi oggetto, è necessaria la realizzazione di un modello 3D, utilizzando un software appropriato. Il modello 3D è suddiviso in un certo numero di strati che corrispondono poi ai diversi strati di deposizione previsti dal processo AM. Questi passaggi richiedono competenze specifiche, non comuni nella costruzione industriale e un errore nella fase di realizzazione del modello 3D porta inevitabilmente anche a un errore nella produzione. Additive technologies in the cement sector can be used in various fields, including architecture, construction, art and design. Recently these technologies have attracted a growing interest in the construction sector, interest that mainly derives from the possibility of offering more freedom in the design of complex shapes, with potential aesthetic and functional advantages, reducing production times and costs [3]. However, before printing any object, it is necessary to make a 3D model, using appropriate software. The 3D model is divided into a certain number of layers which then correspond to the different deposition layers envisaged by the AM process. These steps require specific skills, not common in industrial construction, and an error in the 3D modeling phase inevitably leads to an error in production as well.

Tra le tecniche esistenti che applicano la tecnologia additiva, la stampa 3D a estrusione sembra essere quella con maggiori potenzialità di sviluppo nel settore delle costruzioni. Questa tecnica prevede generalmente almeno una testa di stampa al quale viene montato un ugello, generalmente pressurizzato. La testa di stampa è alimentata con una miscela cementizia e guidata da motori in punti precisi nello spazio, seguendo un modello 3D dell'oggetto da stampare. Among the existing techniques that apply additive technology, extrusion 3D printing appears to be the one with the greatest potential for development in the construction sector. This technique generally provides at least one print head to which a generally pressurized nozzle is mounted. The print head is fed with a cement mixture and driven by motors at precise points in space, following a 3D model of the object to be printed.

La velocità con cui il materiale viene estruso attraverso l’ugello e la velocità con cui la testa di stampa si sposta nello spazio sono alcuni dei parametri di progettazione che determinano la risoluzione finale della stampa. L'ugello viene pilotato per tracciare i percorsi nello spazio che permettono di riprodurre l'oggetto digitalmente rappresentato. Mentre il materiale esce dall'ugello, esso è posto sulla superficie in costruzione dell'oggetto e la costruzione stessa dell'oggetto procede quindi sotto forma di successione di strati sovrapposti, in direzione verticale, fino a quando l'intero oggetto è stato costruito. The speed with which the material is extruded through the nozzle and the speed with which the print head moves in space are some of the design parameters that determine the final resolution of the print. The nozzle is piloted to trace the paths in space that allow the digitally represented object to be reproduced. As the material exits the nozzle, it is placed on the surface under construction of the object and the construction of the object itself then proceeds in the form of a succession of overlapping layers, in a vertical direction, until the entire object has been constructed.

Concettualmente, l'intero processo di stampa potrebbe essere suddiviso in cinque fasi: Conceptually, the entire printing process could be divided into five stages:

- Realizzazione del modello degli oggetti in CAD 3D; - Realization of the model of the objects in 3D CAD;

- Sezione del modello in strati; - Section of the model in layers;

- Conversione della mappa di ogni strato in istruzioni per la macchina; - Conversion of the map of each layer into instructions for the machine;

- Realizzazione dell'oggetto mediante deposizione di strati successivi di materiale cementizio; - Realization of the object by depositing successive layers of cement material;

- Recupero dell'oggetto. - Recovery of the object.

L'oggetto, progettato come modello CAD 3D, viene convertito in un file di formato STL e tagliato in strati aventi lo spessore desiderato. Si genera quindi il percorso di stampa di ogni strato per creare un file di stampa G-Code. La preparazione del materiale cementizio comporta la miscelazione e la collocazione del materiale stesso in un adatto contenitore. Una volta che il materiale fresco è stato messo nel contenitore, esso può essere trasportato attraverso un sistema pompa-tubazione-ugello per stampare filamenti cementizi, che possono così costruire, strato dopo strato, l'oggetto desiderato. Tale procedimento ha il vantaggio di consentire la deposizione di materiale solo negli spazi previsti dal modello 3D, a differenza delle tecnologie tradizionali in campo edilizio, e la possibilità di creare oggetti multi-materiale. Ma, d'altro canto, lo svantaggio di questo metodo potrebbe essere la necessità di individuare una adatta tecnica di supporto per la creazione di oggetti complessi. The object, designed as a 3D CAD model, is converted into an STL format file and cut into layers of the desired thickness. The print path of each layer is then generated to create a G-Code print file. The preparation of the cementitious material involves mixing and placing the material itself in a suitable container. Once the fresh material has been placed in the container, it can be transported through a pump-pipe-nozzle system to print cement filaments, which can thus build, layer by layer, the desired object. This procedure has the advantage of allowing the deposition of material only in the spaces foreseen by the 3D model, unlike traditional technologies in the building field, and the possibility of creating multi-material objects. But, on the other hand, the disadvantage of this method could be the need to identify a suitable support technique for the creation of complex objects.

La stampa 3D di materiali cementizi, usando la tecnica di estrusione, appare per la prima volta nel 2007, grazie al team di ricerca dell'Università di Loughborough (Regno Unito) [4]. Questo gruppo di ricerca ha presentato per la prima volta il potenziale di utilizzo di materiali cementizi in AM, concentrando l'attenzione su alcuni aspetti critici, come la produzione di oggetti di grandi dimensioni, la complessità delle formulazioni, la necessità di identificare le corrette proprietà reologiche e meccaniche delle stesse durante la stampa e la maturazione, la necessità di assicurare una sufficiente adesione degli strati intermedi. Il risultato di questi studi ha portato alla realizzazione di una stampante 3D per materiali cementizi, che estrude una miscela ad alte prestazioni sotto il controllo del computer. Tale stampante 3D permette di produrre oggetti quali componenti strutturali complessi, pannelli di rivestimento curvilinei e particolari elementi architettonici. 3D printing of cementitious materials, using the extrusion technique, appears for the first time in 2007, thanks to the research team of the University of Loughborough (UK) [4]. This research group presented for the first time the potential of using cementitious materials in AM, focusing attention on some critical aspects, such as the production of large objects, the complexity of the formulations, the need to identify the correct properties. rheological and mechanical properties of the same during printing and curing, the need to ensure sufficient adhesion of the intermediate layers. The result of these studies led to the creation of a 3D printer for cementitious materials, which extrudes a high-performance mixture under computer control. This 3D printer makes it possible to produce objects such as complex structural components, curvilinear cladding panels and particular architectural elements.

Le principali caratteristiche per valutare se un materiale cementizio è adatto quale materiale per stampa 3D a estrusione, ormai ampiamente individuate e definite, sono le seguenti [5]: The main characteristics to evaluate whether a cementitious material is suitable as a material for extrusion 3D printing, now widely identified and defined, are the following [5]:

- Estrudibilità: cioè la caratteristica che permette al materiale di fluire con facilità attraverso l'ugello.. Questa caratteristica è controllata dal corretto bilanciamento tra potenza di pompaggio, portata di estrusione e geometria dell'ugello; - Extrudability: that is the characteristic that allows the material to flow easily through the nozzle. This characteristic is controlled by the correct balance between pumping power, extrusion flow rate and geometry of the nozzle;

- Tempo di lavorabilità del materiale (in inglese open time): cioè il tempo che trascorre dalla preparazione del materiale a quando lo stesso risulta troppo viscoso per essere estruso correttamente nel processo di stampa 3D; - Autoportanza (in inglese buildability): cioè la capacità del materiale allo stato fresco di sostenere il peso degli strati superiori, che è una proprietà che dipende dalla reologia del materiale, ma anche dall’adesione tra gli strati. - Workability time of the material (in English open time): that is the time that passes from the preparation of the material to when it is too viscous to be extruded correctly in the 3D printing process; - Self-supporting capacity (in English buildability): that is, the ability of the fresh material to support the weight of the upper layers, which is a property that depends on the rheology of the material, but also on the adhesion between the layers.

É necessario trovare il giusto equilibrio per ottenere la giusta formulazione poiché queste caratteristiche sono antitetiche. Per questo motivo, è fondamentale individuare opportuni additivi, così come la corretta dispersione degli aggregati nella matrice di cemento, al fine di ottimizzare la formulazione. It is necessary to find the right balance to get the right formulation as these characteristics are antithetical. For this reason, it is essential to identify suitable additives, as well as the correct dispersion of the aggregates in the cement matrix, in order to optimize the formulation.

Altri esempi significativi nell'ambito dell'estrusione AM applicata al settore del cemento sono i seguenti: Other significant examples in the AM extrusion applied to the cement sector are the following:

- Università della California del Sud: ha sviluppato una tecnologia di fabbricazione a strati denominata Contour Crafting (CC, che utilizza il controllo del computer per creare superfici lisce e precise sia planari sia di qualsiasi forma [6]. Anche se la tecnica è basata sull'estrusione di materiali AM, è un metodo ibrido che combina un processo di estrusione per la formazione delle superfici dell'oggetto e un processo di riempimento (versamento o iniezione) per costruire il nucleo dell'oggetto, utilizzando anche materiali standard industriali [7]. Il processo di estrusione costruisce solo i bordi esterni (cerchi) di ogni livello dell'oggetto. Dopo l'estrusione completa di ogni sezione chiusa di un determinato strato, se necessario, il materiale di riempimento può essere versato per riempire l'area definita dai bordi estrusi. L'applicazione del CC nella costruzione degli edifici è eseguita da una struttura a cavalletto che porta l'ugello e lo muove su due corsie parallele installate sul sito costruttivo. [8]; - University of Southern California: has developed a layered fabrication technology called Contour Crafting (CC, which uses computer control to create smooth and precise surfaces both planar and any shape [6]. Although the technique is based on the 'extrusion of AM materials, is a hybrid method that combines an extrusion process for forming the surfaces of the object and a filling process (pouring or injection) to build the core of the object, also using industry standard materials [7] . The extrusion process constructs only the outer edges (circles) of each layer of the object. After the complete extrusion of each closed section of a given layer, if necessary, the fill material can be poured to fill the defined area from extruded edges. The application of CC in the construction of buildings is performed by a trestle structure that carries the nozzle and moves it on two parallel lanes installed on l constructive site. [8];

- WinSun: è una società che utilizza grandi stampanti 3D che estrudono una miscela di cemento a essiccazione rapida e materiali riciclati [9]. La tecnologia è basata sulla tecnica AM a estrusione e utilizza un disegno CAD come modello. Un computer controlla un braccio estrusore meccanico per depositare il materiale cementizio, che è trattato con indurenti in modo che ogni strato sia abbastanza solido da sostenere il successivo, realizzando una parete alla volta. I pezzi sono poi successivamente uniti uno all'altro, direttamente nel sito costruttivo; - WinSun: is a company that uses large 3D printers that extrude a mixture of fast-drying concrete and recycled materials [9]. The technology is based on the AM extrusion technique and uses a CAD drawing as a model. A computer controls a mechanical extruder arm to deposit the cement material, which is treated with hardeners so that each layer is solid enough to support the next, making one wall at a time. The pieces are then subsequently joined to each other, directly in the construction site;

- University of Technology di Eindhoven: questo gruppo di ricerca ha studiato un nuovo modello di tecnologia di stampa in calcestruzzo 3D, che analogamente ad altri macchinari (come la stampante Contour Crafting), ha un aspetto simile a quello di una gru. Si tratta quindi di una macchina non portatile, con una testa di stampante orientabile, con miscelazione di calcestruzzo, una pompa e un volume di stampa di 11x5x4 m<3>. - University of Technology of Eindhoven: this research group has studied a new model of 3D concrete printing technology, which similarly to other machinery (such as the Contour Crafting printer), has a similar appearance to that of a crane. It is therefore a non-portable machine, with a swiveling printer head, with concrete mixing, a pump and a print volume of 11x5x4 m <3>.

Nel corso degli anni sono state sviluppate quindi formulazioni cementizie specifiche per essere stampate da adatte stampanti 3D e alcune di queste sono state anche oggetto di brevetto. Al riguardo si citano, per quanto riguarda le formulazioni a base di cemento, i documenti CN104310918, CN201510838044A, WO2017/050421A1, US2014/0252672A1. Per quanto riguarda la tecnologia dell'estrusione applicata a questo settore, i brevetti/domande di brevetto più significativi sono il risultato dell'attività dei centri di ricerca prima menzionati, e si citano a titolo esemplificativo US7641461B2, US7837378B2, US7878789B2 e US 7753642B2. Over the years, specific cementitious formulations have therefore been developed to be printed by suitable 3D printers and some of these have also been patented. In this regard, as regards the cement-based formulations, the documents CN104310918, CN201510838044A, WO2017 / 050421A1, US2014 / 0252672A1 are cited. As far as the extrusion technology applied to this sector is concerned, the most significant patents / patent applications are the result of the activity of the research centers mentioned above, and we cite, by way of example, US7641461B2, US7837378B2, US7878789B2 and US 7753642B2.

Sebbene sino state sviluppate formulazioni/miscele cementizie specifiche per essere stampate da stampanti 3D, è particolarmente sentita la necessità di individuare composizioni cementizie che risolvano i problemi legati alle seguenti specificità: Although specific cementitious formulations / mixtures have been developed to be printed by 3D printers, the need is particularly felt to identify cementitious compositions that solve the problems related to the following specificities:

- la miscela cementizia da stampare in 3D mediante estrusione deve essere estrudibile e autoportante allo stato fresco; - the cement mixture to be 3D printed by extrusion must be extrudable and self-supporting in the fresh state;

- la stampante 3D per le miscele cementizie deve avere caratteristiche peculiari che non si trovano nelle stampanti attualmente in commercio. Al fine di risolvere i problemi tecnici sopra considerati, gli scopi della presente invenzione sono: - the 3D printer for cement mixtures must have peculiar characteristics that are not found in printers currently on the market. In order to solve the technical problems considered above, the purposes of the present invention are:

- individuare miscele cementizie specifiche, ottimizzate in termini di contemporanea estrudibilità e autoportanza allo stato fresco, al fine di riprodurre in modo preciso un modello 3D; - identify specific cement mixtures, optimized in terms of simultaneous extrudability and self-supporting capacity in the fresh state, in order to accurately reproduce a 3D model;

- ri-progettare e stampare, con un filamento di plastica, alcune parti di una stampante 3D per adattarla a processare/stampare le miscele cementizie desiderate. - re-design and print, with a plastic filament, some parts of a 3D printer to adapt it to process / print the desired cement mixtures.

E’ quindi oggetto della presente invenzione un procedimento di stampa 3D comprendente le seguenti fasi: Therefore, the subject of the present invention is a 3D printing process comprising the following steps:

- preparazione di una miscela cementizia che comprende a) cemento o legante idraulico, b) aggiunta idraulica latente, c) filler, d) aggregati, e) additivi, f) acqua, detta miscela essendo caratterizzata dal fatto che il componente d) è presente in una quantità dal 10% all'80% in peso, preferibilmente dal 25 al 50% in peso rispetto al peso totale della miscela cementizia, ed è costituito da aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei, da soli o in miscela tra loro, aventi una granulometria con un diametro massimo inferiore a 1 mm, il componente e) comprende additivi superfluidificanti, modificatori di reologia, agenti riduttori di ritiro e relative miscele, detta miscela cementizia avendo un valore di viscosità cha varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>; - alimentazione della miscela cementizia a un apparato di stampa 3D; - preparation of a cement mixture which includes a) cement or hydraulic binder, b) latent hydraulic addition, c) filler, d) aggregates, e) additives, f) water, said mixture being characterized by the fact that component d) is present in an amount from 10% to 80% by weight, preferably from 25 to 50% by weight with respect to the total weight of the cement mixture, and consists of calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates, alone or in a mixture with each other, having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm, component e) includes super-plasticising additives, rheology modifiers, shrinkage reducing agents and related mixtures, said cement mixture having a viscosity value ranging from 4000 Pa s to 35000 Pa s, measured at a shear rate of 0.01 s <-1>; - feeding the cement mixture to a 3D printing apparatus;

- estrusione della miscela cementizia dall'apparato di stampa 3D mediante un estrusore monovite; - extrusion of the cement mixture from the 3D printing apparatus using a single screw extruder;

- stampa del modello 3D tramite deposizione di strati successivi di miscela cementizia; - 3D model printing by depositing successive layers of cement mixture;

il rapporto tra diametro massimo degli aggregati della miscela cementizia e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore essendo compreso tra 0,02 e 0,8. the ratio between the maximum diameter of the aggregates of the cement mixture and the distance between the screw and the internal wall of the extruder being between 0.02 and 0.8.

La viscosità è misurata mediante un metodo reologico, con un reometro a shear rate controllato modello Haake Rotovisco RV1 a cilindri coassiali, utillizzando un cilindro e un vane (a 4 pale), aventi rispettivamente diametro di 41 e 22 mm. I materiali della presente invenzione sono stati caratterizzati utilizzando un metodo a gradini variando lo shear rate da un valore minimo pari a 0,01 s<-1 >a un valore massimo di 10 s<-1>. La durata totale del test è di 30 minuti nel quale vengono raccolti i dati puntuali alle velocità desiderate. Viscosity is measured by a rheological method, with a controlled shear rate rheometer model Haake Rotovisco RV1 with coaxial cylinders, using a cylinder and a vane (with 4 blades), having a diameter of 41 and 22 mm respectively. The materials of the present invention were characterized using a step method by varying the shear rate from a minimum value equal to 0.01 s <-1> to a maximum value of 10 s <-1>. The total duration of the test is 30 minutes in which the precise data are collected at the desired speeds.

Preferibilmente, la miscela cementizia per stampante 3D per il processo secondo l'invenzione comprende Preferably, the cementitious mixture for 3D printers for the process according to the invention comprises

a) dal 10% al 70% in peso di legante idraulico o cemento, preferibilmente scelto tra cemento Portland, cemento sulfoalluminoso e/o cemento alluminoso e/o cemento naturale a presa rapida, da soli o in miscela; a) from 10% to 70% by weight of hydraulic binder or cement, preferably selected from Portland cement, sulfoaluminous cement and / or aluminous cement and / or quick-setting natural cement, alone or in mixture;

b) dallo 0,0% al 25% in peso, preferibilmente dallo 0,5 al 20% in peso, di un'aggiunta idraulica naturale o artificiale, preferibilmente scoria granulare di altoforno, avente una superficie specifica che varia da 3500 cm<2>/g a 6500 cm<2>/g, preferibilmente da 4000 cm<2>/g a 5000 cm<2>/g; b) from 0.0% to 25% by weight, preferably from 0.5 to 20% by weight, of a natural or artificial hydraulic addition, preferably granular slag from blast furnaces, having a specific surface ranging from 3500 cm <2 > / g to 6500 cm <2> / g, preferably from 4000 cm <2> / g to 5000 cm <2> / g;

c) dal 10% al 50% in peso, preferibilmente dal 15% al 40% in peso, di un filler, scelto tra cariche calcaree, silicee o silico-calcaree, preferibilmente calcaree, da sole o in miscela; c) from 10% to 50% by weight, preferably from 15% to 40% by weight, of a filler, selected from calcareous, siliceous or silico-calcareous fillers, preferably calcareous, alone or in a mixture;

d) dal 10% all'80% in peso, preferibilmente dal 25% al 50% in peso di aggregati scelti tra aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei, da soli o in miscela, aventi una granulometria con un diametro massimo inferiore a 1 mm; d) from 10% to 80% by weight, preferably from 25% to 50% by weight of aggregates selected from calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates, alone or in mixture, having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm;

e) dallo 0,01% all' 1,5% in peso, preferibilmente dallo 0,2% all'1,0% in peso di un additivo superfluidificante scelto tra superfluidificanti policarbossilati a base acrilica, ligninsolfonati, naftalensolfonati, melamminici o composti vinilici, più preferibilmente eteri policarbossilici; dallo 0,01% al 5,0% in peso, preferibilmente dallo 0,10% allo 0,50% in peso, di un additivo modificatore della reologia, preferibilmente cellulosa, più preferibilmente idrossimetiletilcellulosa; dallo 0,01% al 2,0% in peso, preferibilmente dallo 0,1% all'1,0% in peso di amido modificato; dallo 0,0% all'1,0% in peso, preferibilmente dallo 0,3% allo 0,6% in peso di un agente riduttore di ritiro; e) from 0.01% to 1.5% by weight, preferably from 0.2% to 1.0% by weight of a superplasticizing additive selected from acrylic-based polycarboxylated superplasticizers, lignosulfonates, naphthalenesulfonates, melamines or vinyl compounds , more preferably polycarboxylic ethers; 0.01% to 5.0% by weight, preferably 0.10% to 0.50% by weight, of a rheology modifier additive, preferably cellulose, more preferably hydroxymethylethylcellulose; 0.01% to 2.0% by weight, preferably 0.1% to 1.0% by weight of modified starch; 0.0% to 1.0% by weight, preferably 0.3% to 0.6% by weight of a shrinkage reducing agent;

dove il rapporto in peso legante/aggregato è compreso nell'intervallo da 0,5 a 2,0, preferibilmente da 0,62 a 1,36 e detta miscela ha un valore di viscosità cha varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>. where the binder / aggregate weight ratio is in the range from 0.5 to 2.0, preferably from 0.62 to 1.36 and said mixture has a viscosity value ranging from 4000 Pa s to 35000 Pa s , measured at a shear rate of 0.01 s <-1>.

Le percentuali sopra riportate sono percentuali in peso rispetto al peso totale della miscela cementizia in polvere, cioè esclusa l'acqua. The percentages indicated above are percentages by weight with respect to the total weight of the powdered cementitious mixture, i.e. excluding water.

Nella miscela cementizia del processo secondo la presente invenzione il rapporto in peso acqua/legante è compreso nell'intervallo da 0,25 a 0,8, preferibilmente tra 0,4 e 0,6. In the cement mixture of the process according to the present invention, the water / binder weight ratio is in the range from 0.25 to 0.8, preferably from 0.4 to 0.6.

La miscela cementizia del processo secondo la presente invenzione è sorprendentemente caratterizzata da un ottimale bilancio delle proprietà di interesse: essa garantisce infatti allo stesso tempo una buona autoportanza, estrudibilità e tempo di lavorabilità, risultando così particolarmente adatta per il deposito mediante stampa 3D a estrusione. The cement mixture of the process according to the present invention is surprisingly characterized by an optimal balance of the properties of interest: in fact it guarantees at the same time a good self-supporting capacity, extrudability and workability time, thus being particularly suitable for deposition by extrusion 3D printing.

Tale ottimizzazione è stata sorprendentemente ottenuta grazie alla specifica combinazione di opportuni additivi, di una precisa dispersione degli aggregati con specifiche dimensioni nella matrice di legante e di uno specifico range di viscosità. This optimization was surprisingly obtained thanks to the specific combination of suitable additives, a precise dispersion of the aggregates with specific dimensions in the binder matrix and a specific viscosity range.

Occorre infatti ricordare che da un punto di vista reologico i parametri rilevanti vanno in direzioni esattamente opposte: è necessario che il materiale allo stato fresco abbia una viscosità che gli garantisca di essere correttamente estruso, ma allo stesso tempo che gli consenta di sostenersi durante il processo di stampa, in modo da garantire la realizzazione dell’oggetto 3D progettato. In fact, it should be remembered that from a rheological point of view the relevant parameters go in exactly opposite directions: it is necessary that the material in the fresh state has a viscosity that guarantees it is correctly extruded, but at the same time allows it to sustain itself during the process. printing, in order to guarantee the realization of the designed 3D object.

Pertanto, l'estrudibilità e l’autoportanza, per coesistere, richiedono un corretto compromesso in termini di proprietà reologiche, dal momento che esse influiscono in maniera contrapposta su tali due parametri. Therefore, extrudability and self-supporting capacity, in order to coexist, require a correct compromise in terms of rheological properties, since they have an opposing effect on these two parameters.

Il concetto di autoportanza non è da confondere con la resistenza al verde (in inglese green strength), definita come forza del materiale cementizio non indurito al fine di mantenere la sua forma originale fino a quando il materiale inizia a fare presa e i prodotti di idratazione forniscono una sufficiente resistenza meccanica [10]. The concept of self-supporting capacity is not to be confused with green strength, defined as the strength of the uncured concrete material in order to maintain its original shape until the material begins to set and the hydration products provide sufficient mechanical strength [10].

La miscela cementizia descritta, deve essere in grado una volta depositata, di autosostenersi (concetto di autoportanza) durante l’intero processo di stampaggio strato dopo strato. Tale proprietà, come detto, dipende principalmente dal comportamento reologico del materiale e, allo stesso tempo, dall’adesione tra gli strati. Once deposited, the described cement mixture must be able to sustain itself (concept of self-supporting capacity) during the entire molding process layer by layer. This property, as mentioned, mainly depends on the rheological behavior of the material and, at the same time, on the adhesion between the layers.

La miscela cementizia per stampa 3D ancora più preferita da impiegare nel processo secondo la presente invenzione è costituita da: The even more preferred cementitious mixture for 3D printing to be used in the process according to the present invention consists of:

a) dal 10% al 70% in peso di legante idraulico o cemento scelto tra CEM I 52.5 R o CEM I 52.5 N, preferibilmente CEM I 52.5R; a) from 10% to 70% by weight of hydraulic binder or cement selected from CEM I 52.5 R or CEM I 52.5 N, preferably CEM I 52.5R;

b) dallo 0,5 al 20% in peso di scoria granulare di altoforno, avente una superficie specifica che varia da 4000 cm<2>/g a 5000 cm<2>/g; b) from 0.5 to 20% by weight of granular slag from blast furnaces, having a specific surface ranging from 4000 cm <2> / g to 5000 cm <2> / g;

c) dal 15% al 40% in peso di un filler calcareo, da solo o in miscela; c) from 15% to 40% by weight of a calcareous filler, alone or in mixture;

d) dal 25 al 50% in peso di aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei, da soli o in miscela, aventi una granulometria con diametro massimo inferiore a 1 mm; e) dallo 0,2 all'1,0% in peso di additivo superfluidificante a base di etere policarbossilico; dallo 0,10 allo 0,50% in peso di un additivo modificatore della reologia che è idrossimetiletilcellulosa; dallo 0,1% all'1,0% in peso di amido modificato; dallo 0,3% allo 0,6% in peso di un agente riduttore di ritiro, dove il rapporto in peso legante/aggregato varia nell'intervallo da 0,62 a 1,36 e detta miscela cementizia ha un valore di viscosità varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>. d) from 25 to 50% by weight of calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates, alone or in mixture, having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm; e) from 0.2 to 1.0% by weight of superplasticizing additive based on polycarboxylic ether; 0.10 to 0.50% by weight of a rheology modifier additive which is hydroxymethylethylcellulose; 0.1% to 1.0% by weight of modified starch; from 0.3% to 0.6% by weight of a shrinkage reducing agent, where the binder / aggregate weight ratio varies in the range from 0.62 to 1.36 and said cement mixture has a viscosity value ranging from 4000 Pa s at 35000 Pa s, measured at a shear rate of 0.01 s <-1>.

Nella presente descrizione con il termine "cemento o legante idraulico" si intende un materiale in polvere che, in caso di miscelazione con acqua, forma una pasta che si indurisce per idratazione e che, dopo indurimento, mantiene la sua resistenza e stabilità anche sott'acqua. Il legante idraulico o cemento della miscela cementizia secondo la presente invenzione è preferibilmente scelto tra cemento Portland, cemento sulfoalluminoso e /o cemento alluminoso e/o cemento naturale a presa rapida. Tali cementi possono anche essere usati in miscela tra loro. Il cemento Portland secondo la presente invenzione è il cemento Portland I 42,5 o 52,5 di resistenza, con classe di resistenza iniziale ordinaria (N) o alta (R), secondo la norma EN 197 -1: 2011. Il cemento preferito è CEM I 52.5 R o CEM I 52.5 N, ancora più preferito CEM I 52.5R. In the present description, the term "cement or hydraulic binder" refers to a powder material which, when mixed with water, forms a paste which hardens by hydration and which, after hardening, maintains its strength and stability even under water. The hydraulic binder or cement of the cement mixture according to the present invention is preferably selected from Portland cement, sulfoaluminous cement and / or aluminous cement and / or quick-setting natural cement. These cements can also be used in mixture with each other. The Portland cement according to the present invention is Portland cement I 42.5 or 52.5 resistance, with ordinary (N) or high (R) initial resistance class, according to the EN 197-1: 2011 standard. The preferred cement is CEM I 52.5 R or CEM I 52.5 N, even more preferred is CEM I 52.5R.

Nella presente descrizione con il termine "aggiunta idraulica latente" si intende un'aggiunta idraulica naturale o artificiale, preferibilmente scoria granulare di altoforno (GGBS: "scoria macinata a grana macinata"), avente una superficie specifica che varia da 3500 cm<2>/g a 6500 cm<2>/g, preferibilmente da 4000 cm<2>/g a 5000 cm<2>/g, determinata secondo il metodo Blaine secondo EN 196-6:2010. In the present description, the term "latent hydraulic addition" means a natural or artificial hydraulic addition, preferably granular slag from blast furnace (GGBS: "ground slag to ground grain"), having a specific surface ranging from 3500 cm <2> / g to 6500 cm <2> / g, preferably from 4000 cm <2> / g to 5000 cm <2> / g, determined according to the Blaine method according to EN 196-6: 2010.

L'aggiunta idraulica latente è aggiunta alla formulazione per migliorare la lavorabilità del materiale. Quando presente, questo tipo di aggiunta costituisce parte del legante, quindi il legante nel rapporto legante/aggregato e acqua/legante è dato dalla somma del cemento o legante idraulico e dell'aggiunta idraulica latente (o GGBS). Latent hydraulic addition is added to the formulation to improve the machinability of the material. When present, this type of addition forms part of the binder, therefore the binder in the binder / aggregate and water / binder ratio is given by the sum of the cement or hydraulic binder and the latent hydraulic addition (or GGBS).

Nella presente descrizione il termine "filler" è definito in accordo con la norma UNI EN 12620-1: 2008 come aggregato, caratterizzato dal presentare una granulometria tale per cui il 90% circa del filler passa un setaccio da 0,063 mm. Esso può essere aggiunto ai materiali da costruzione per conferire differenti proprietà. Il filler secondo la presente invenzione è scelto tra cariche calcaree, silicee o silico-calcaree, preferibilmente calcaree, da sole o in miscela. In this description, the term "filler" is defined in accordance with the UNI EN 12620-1: 2008 standard as an aggregate, characterized by having a particle size such that approximately 90% of the filler passes through a 0.063 mm sieve. It can be added to building materials to impart different properties. The filler according to the present invention is selected from calcareous, siliceous or silico-calcareous fillers, preferably calcareous, alone or in a mixture.

Nella presente descrizione con il termine "aggregato" si intendono aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei che sono prodotti noti e comunemente disponibili. Aggregati per l'impiego in composizioni cementizie sono definiti nella norma UNI EN 206:2014 come costituente minerale granulare naturale, artificiale, di recupero o riciclato idoneo all’impiego nel calcestruzzo. In the present description, the term "aggregate" means calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates which are known and commonly available products. Aggregates for use in cementitious compositions are defined in the UNI EN 206: 2014 standard as a natural, artificial, recovered or recycled granular mineral constituent suitable for use in concrete.

Gli aggregati sono normalmente utilizzati per ottenere una maggiore resistenza, una minore porosità e una diminuzione dell'efflorescenza. Nella presente invenzione, gli aggregati hanno preferibilmente granulometria con diametro massimo inferiore a 1 mm. Aggregates are normally used to obtain greater strength, less porosity and a decrease in efflorescence. In the present invention, the aggregates preferably have a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm.

Gli aggregati nella miscela cementizia secondo la presente invenzione comprendono anche una frazione avente una granulometria con diametro che varia da 0,00 mm a 0,20 mm. Questo range di granulometria si evince dalla scheda tecnica di tale frazione, che commercialmente è denominata “Impalpabile”. The aggregates in the cement mixture according to the present invention also comprise a fraction having a particle size with a diameter ranging from 0.00 mm to 0.20 mm. This range of particle size can be seen from the technical data sheet of this fraction, which is commercially called "Impalpable".

Nella presente descrizione con il termine "additivi" si intendono diverse tipologie di additivi che, nella miscela cementizia secondo la presente invenzione, permettono di ottenere una miscela cementizia per stampa 3D ottimizzata. Essi garantiscono infatti, in combinazione con la specifica dispersione e dimensione degli aggregati, un effetto sinergico di buona velocità di costruzione, estrudibilità, tempo di lavorabilità, lavorabilità e sviluppo delle proprietà meccaniche. Il superfluidificante è un additivo che si aggiunge per migliorare la lavorabilità del prodotto senza aumentare il contenuto di acqua. Tra questi si preferisce un superfluidificante policarbossilato a base acrilica, dosato in funzione della temperatura della miscela, della temperatura ambiente e del grado di fluidità richiesto nella formulazione. Altri possibili superfluidificanti sono ligninsolfonati, naftalensolfonati, melamminici o composti vinilici, più preferiti sono gli eteri policarbossilici. Ulteriore additivo nella miscela cementizia secondo la presente invenzione è l' "agente modificatore della reologia", cioè una sostanza che, se presente in una composizione cementizia, è in grado di modificare le proprietà reologiche nello stato fresco e l'adesione al substrato. Tale additivo si aggiunge a questo tipo di formulazioni per aumentare la viscosità del prodotto al fine di evitare la segregazione. Derivati cellulosici quali la cellulosa, più preferibilmente la idrossimetiletilcellulosa, la idrossietilcellulosa, la idrossimetilpropilcellulosa, la carbossimetilcellulosa sono modificatori di reologia preferiti secondo la presente invenzione. La miscela cementizia secondo la presente invenzione può comprendere anche, quali additivi, derivati dell'amido utilizzati per influenzare la consistenza delle malte e migliorare la lavorabilità della formulazione. Questi composti sono amidi chimici modificati con gruppi etere che trovano applicazione nel settore delle costruzioni, in particolare in intonaci a base di gesso, cemento e calce. Ulteriore additivo preferito da aggiungere è l’agente riduttore di ritiro, noto anche come SRA (Shrinkage Reducing Agent), che include un’ampia varietà di glicoli e polioli ed è responsabile della riduzione della deformazione da ritiro in tutta la vita di esercizio del manufatto indurito. In the present description, the term "additives" refers to different types of additives which, in the cementitious mixture according to the present invention, allow to obtain an optimized cementitious mixture for 3D printing. In fact, in combination with the specific dispersion and size of the aggregates, they guarantee a synergistic effect of good construction speed, extrudability, workability time, workability and development of mechanical properties. The superplasticizer is an additive that is added to improve the workability of the product without increasing the water content. Among these, an acrylic-based polycarboxylate superplasticizer is preferred, dosed according to the temperature of the mixture, the ambient temperature and the degree of fluidity required in the formulation. Other possible superplasticizers are lignosulfonates, naphthalenesulfonates, melamine or vinyl compounds, the most preferred are the polycarboxylic ethers. A further additive in the cement mixture according to the present invention is the "rheology modifying agent", ie a substance which, if present in a cementitious composition, is capable of modifying the rheological properties in the fresh state and the adhesion to the substrate. This additive is added to this type of formulations to increase the viscosity of the product in order to avoid segregation. Cellulose derivatives such as cellulose, more preferably hydroxymethylethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxymethylpropylcellulose, carboxymethylcellulose are preferred rheology modifiers according to the present invention. The cement mixture according to the present invention can also comprise, as additives, starch derivatives used to influence the consistency of the mortars and improve the workability of the formulation. These compounds are chemical starches modified with ether groups that find application in the construction sector, in particular in plaster based on gypsum, cement and lime. Another preferred additive to add is the shrinkage reducing agent, also known as SRA (Shrinkage Reducing Agent), which includes a wide variety of glycols and polyols and is responsible for reducing shrinkage deformation throughout the service life of the product. hardened.

E' descritto anche l'uso delle miscele cementizie impiegate nel processo secondo la presente invenzione quale materiale da estrusione in una stampante 3D. The use of the cement mixtures used in the process according to the present invention as extrusion material in a 3D printer is also described.

Oggetto della presente invenzione è anche un apparato atto a realizzare il processo di stampa di un oggetto 3D secondo la presente invenzione, detto apparato comprendendo un serbatoio di alimentazione cilindrico gas pressurizzato, un estrusore a vite, un tubo flessibile che connette il serbatoio all'estrusore e un sistema di pompaggio, dove l'estrusore è un estrusore monovite, provvisto di un ugello circolare, il rapporto tra diametro massimo degli aggregati della composizione cementizia e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore essendo compreso tra 0,02 e 0,8. The object of the present invention is also an apparatus suitable for carrying out the printing process of a 3D object according to the present invention, said apparatus comprising a cylindrical pressurized gas supply tank, a screw extruder, a flexible tube that connects the tank to the extruder and a pumping system, where the extruder is a single screw extruder, equipped with a circular nozzle, the ratio between the maximum diameter of the aggregates of the cementitious composition and the distance between the screw and the internal wall of the extruder being between 0.02 and 0, 8.

Più precisamente, il suddetto apparato è parte di una stampante 3D, con la quale si realizza un oggetto, precedentemente progettato mediante software dedicato, utilizzando la miscela cementizia secondo la presente invenzione. Detto apparato comprende un serbatoio di alimentazione cilindrico gas pressurizzato, un estrusore a vite e un tubo flessibile che connette il serbatoio all'estrusore. Il sistema di pompaggio può essere un qualunque sistema di pompaggio noto nell’arte, ma preferibilmente nel presente apparato è stato utilizzato un pistone atto a spingere la miscela cementizia, contenuta all’interno del serbatoio di alimentazione. La miscela cementizia attraverso un tubo flessibile è così alimentata all'estrusore monovite montato sulla testa di stampa. L’estrusore è provvisto di un ugello circolare. More precisely, the aforementioned apparatus is part of a 3D printer, with which an object, previously designed by means of dedicated software, is made using the cement mixture according to the present invention. Said apparatus comprises a cylindrical pressurized gas supply tank, a screw extruder and a flexible tube which connects the tank to the extruder. The pumping system can be any pumping system known in the art, but preferably in the present apparatus a piston has been used to push the cement mixture, contained inside the supply tank. The cement mixture through a flexible tube is thus fed to the single screw extruder mounted on the print head. The extruder is equipped with a circular nozzle.

Più dettagliatamente nel processo di stampa 3D secondo la presente invenzione, la miscela cementizia è alimentata per mezzo di un tubo flessibile a un estrusore di una stampante 3D che permette di realizzare un estruso posizionato nell’area di stampa della stessa. More specifically, in the 3D printing process according to the present invention, the cement mixture is fed by means of a flexible tube to an extruder of a 3D printer that allows for the creation of an extrusion positioned in the printing area of the same.

Questo estrusore è caratterizzato da una vite avente un'altezza che varia da 35 a 140 mm, preferibilmente da 40 a 80 mm, un passo che varia 7 a 30 mm, preferibilmente da 8 a 15 mm, e un angolo di elica che varia da 12° a 43°, preferibilmente da 14° a 26°, un ugello con diametro che varia da 2 a 30 mm, preferibilmente da 2,5 a 7 mm, e un'altezza che varia da 5 a 50 mm, preferibilmente da 10 a 40 mm. Il suddetto estrusore consente di depositare miscele cementizie secondo la presente invenzione e precisamente miscele che comprendono aggregati aventi granulometria con diametro massimo inferiore a 1 mm e un valore di viscosità cha varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>. This extruder is characterized by a screw having a height that varies from 35 to 140 mm, preferably from 40 to 80 mm, a pitch that varies from 7 to 30 mm, preferably from 8 to 15 mm, and a helix angle that varies from 12 ° to 43 °, preferably from 14 ° to 26 °, a nozzle with a diameter ranging from 2 to 30 mm, preferably from 2.5 to 7 mm, and a height ranging from 5 to 50 mm, preferably from 10 to 40 mm. The aforesaid extruder allows to deposit cement mixtures according to the present invention and more precisely mixtures which include aggregates having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm and a viscosity value ranging from 4000 Pa s to 35000 Pa s, measured at a shear rate of 0.01 s <-1>.

Inoltre, il rapporto tra diametro massimo degli aggregati e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore (da intendersi come differenza tra il diametro interno della camera di estrusione e il diametro della vite, in inglese flight clearance) deve essere compreso tra 0,02 e 0,8. Furthermore, the ratio between the maximum diameter of the aggregates and the distance between the screw and the internal wall of the extruder (to be understood as the difference between the internal diameter of the extrusion chamber and the diameter of the screw, in English flight clearance) must be between 0.02 and 0.8.

Tale rapporto discrimina la capacità di estrudere aggregati con un certo valore del diametro massimo all’interno dell’estrusore stesso. This ratio discriminates the ability to extrude aggregates with a certain value of the maximum diameter inside the extruder itself.

Ulteriore oggetto della presente invenzione è un prodotto finito a geometria complessa ottenuto mediante stampa 3D con un apparato atto a realizzare il processo di stampa di un oggetto 3D secondo la presente invenzione. A further object of the present invention is a finished product with complex geometry obtained by 3D printing with an apparatus suitable for carrying out the printing process of a 3D object according to the present invention.

Nelle figure allegate In the attached figures

- la figura 1 è una rappresentazione schematica di un estrusore per l'estrusione della miscela cementizia secondo la presente invenzione; Figure 1 is a schematic representation of an extruder for extruding the cement mixture according to the present invention;

- la figura 2 è una rappresentazione della struttura di supporto per la stampa della vite dell'estrusore; Figure 2 is a representation of the support structure for printing the screw of the extruder;

- la figura 3 è una riproduzione fotografica del serbatoio pressurizzato, vuoto e pieno di miscela cementizia, dell'apparato secondo la presente invenzione; - la figura 4 è una riproduzione fotografica del prodotto finito a geometria complessa ottenuto secondo l'esempio 1. - figure 3 is a photographic reproduction of the pressurized tank, empty and full of cement mixture, of the apparatus according to the present invention; - figure 4 is a photographic reproduction of the finished product with complex geometry obtained according to example 1.

- la figura 5 è una riproduzione fotografica delle principali componenti che costituiscono l'apparato per la realizzazione del processo di stampa 3D secondo la presente invenzione. - figure 5 is a photographic reproduction of the main components that make up the apparatus for carrying out the 3D printing process according to the present invention.

Come precedentemente evidenziato, le componenti principali dell'apparato per realizzare il processo di stampa 3D secondo la presente invenzione, a cui la miscela cementizia è alimentata per essere successivamente estrusa e depositata, sono le seguenti: As previously highlighted, the main components of the apparatus for carrying out the 3D printing process according to the present invention, to which the cement mixture is fed to be subsequently extruded and deposited, are the following:

1) serbatoio di alimentazione cilindrico, gas pressurizzato; 1) cylindrical supply tank, pressurized gas;

2) tubo flessibile che collega serbatoio a estrusore; 2) flexible tube that connects the tank to the extruder;

3) estrusore a vite; 3) screw extruder;

4) ugello di uscita circolare. 4) circular outlet nozzle.

Il dispositivo di estrusione può essere montato su qualsiasi tipo di macchina o robot che lo possa ricevere, in modo da combinare il processo di estrusione con i vantaggi specifici legati alla cinematica della macchina/robot. The extrusion device can be mounted on any type of machine or robot that can receive it, in order to combine the extrusion process with the specific advantages related to the kinematics of the machine / robot.

Più in dettaglio: In details:

la figura 5 mostra il serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas (1) che contiene un pistone che spinge il fluido cioè la miscela cementizia. La pressione è fornita da aria pressurizzata, direttamente collegata al serbatoio e regolata da un manometro. Figure 5 shows the cylindrical gas pressurized supply tank (1) which contains a piston which pushes the fluid, ie the cement mixture. The pressure is supplied by pressurized air, directly connected to the tank and regulated by a pressure gauge.

Il tubo di plastica flessibile (2) che collega il sistema pompa-serbatoio (1) all'estrusore (3) è caratterizzato da una sezione circolare, con un diametro interno di 20 mm e una lunghezza compresa tra 1,5 e 3 m. The flexible plastic tube (2) that connects the pump-tank system (1) to the extruder (3) is characterized by a circular section, with an internal diameter of 20 mm and a length between 1.5 and 3 m.

L'estrusore monovite (3) è stato ottimizzato per l'applicazione con la miscela cementizia secondo la presente invenzione ed è schematicamente riportato in figura 1. The single screw extruder (3) has been optimized for application with the cement mixture according to the present invention and is schematically shown in figure 1.

Tutte le parti dell'estrusore sono realizzate in ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene) e sono stampate a loro volta mediante una stampante 3D in grado di lavorare materiali polimerici. L'unica eccezione relativamente alle parti in plastica dell'estrusore è costituita dall'albero metallico. All parts of the extruder are made of ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) and are in turn printed using a 3D printer capable of processing polymeric materials. The only exception regarding the plastic parts of the extruder is the metal shaft.

La vite è stata stampata con un foro in cui l'albero è stato incollato e sulla vite è stato montato un cuscinetto per limitare l'attrito. La vite è stata stampata in posizione verticale per garantire l'aderenza alla superficie dell’area di stampa durante il processo; sono state previste strutture di supporto (a forma di triangolo) (mostrate in figura 2) affinchè la vite di geometria voluta potesse essere correttamente stampata. Le velocità di rotazione supportate dalla vite sono tra 90 e 180 giri/min. The screw was stamped with a hole in which the shaft was glued and a bearing was mounted on the screw to limit friction. The screw was printed in a vertical position to ensure adherence to the surface of the printing area during the process; support structures (in the shape of a triangle) have been provided (shown in figure 2) so that the screw of desired geometry could be correctly molded. The rotation speeds supported by the screw are between 90 and 180 rpm.

Il diametro dell'ugello è uguale a 4,8 mm e l'ugello è progettato di pezzo, a forma di cono per ridurre l'attrito della miscela cementizia. The diameter of the nozzle is equal to 4.8 mm and the nozzle is designed in one piece, cone-shaped to reduce the friction of the cement mixture.

I parametri di stampa possono essere controllati con vari software. Si tratta di software che permettono di suddividere l’oggetto progettato in sezioni dettate dalla risoluzione di stampa che si desidera ottenere. In particolare, l’oggetto che si desidera stampare viene progettato creandone un modello digitale 3D utilizzando un'applicazione CAD, per poi essere suddiviso in strati mediante i suddetti software, fornendo quindi alla macchina le istruzioni e stabilendo il percorso (strato per strato) che l'ugello deve seguire per costruire l'oggetto. I software di suddivisione dell’oggetto in strati sono stati creati, generalmente, per gestire materiali come plastica o metallo e pertanto non consentono di controllare direttamente alcuni parametri importanti, quali ad esempio la velocità della vite. Per controllare la velocità della vite (e quindi la portata del materiale estruso) è stato seguito un approccio simile al modello di controllo dell'estrusione di materiale plastico. Il primo passo consiste nel calcolare la portata necessaria per stampare l'oggetto. Essa è il prodotto dell'altezza dello strato estruso, del diametro dell'ugello e della velocità della testa di stampa. Quindi, conosciuto il valore della portata, è possibile calcolare la velocità di rotazione della vite, utilizzando le seguenti equazioni di un modello di estrusore monovite: The printing parameters can be controlled with various software. These are software that allow you to divide the designed object into sections dictated by the print resolution you want to obtain. In particular, the object to be printed is designed by creating a 3D digital model using a CAD application, and then divided into layers using the aforementioned software, thus providing the machine with instructions and establishing the path (layer by layer) that the nozzle must follow to build the object. The software for dividing the object into layers was generally created to manage materials such as plastic or metal and therefore do not allow you to directly control some important parameters, such as the speed of the screw. To control the speed of the screw (and therefore the flow rate of the extruded material) an approach similar to the plastic extrusion control model was followed. The first step is to calculate the range needed to print the object. It is the product of the height of the extruded layer, the diameter of the nozzle and the speed of the print head. Therefore, knowing the flow rate value, it is possible to calculate the rotation speed of the screw, using the following equations of a single screw extruder model:

dove N è la velocità di rotazione della vite in giri/min, ΔP è l'aumento della pressione all’interno della camera di estrusione, μ è la viscosità della miscela cementizia (assumendo che, in condizioni di elevato stress di flusso, essa si comporti come fluido newtoniano), A e B sono funzioni della geometria dell'estrusore e k è funzione della geometria dell'ugello. where N is the rotation speed of the screw in rpm, ΔP is the increase in pressure inside the extrusion chamber, μ is the viscosity of the cement mixture (assuming that, in conditions of high flow stress, it behave as a Newtonian fluid), A and B are functions of the geometry of the extruder and k is a function of the geometry of the nozzle.

La vite è mossa dal medesimo motore che spinge il filo polimerico nell'estrusore per i materiali polimerici. La rotazione del motore deve assicurare una sufficiente portata di alimentazione del polimero all'estrusore e quindi la sua velocità dipende dal diametro del filo. Fornendo al software il valore corretto di questo diametro, è possibile definire la velocità del motore dell'estrusore a vite. The screw is moved by the same motor that pushes the polymeric wire into the extruder for polymeric materials. The rotation of the motor must ensure a sufficient feed rate of the polymer to the extruder and therefore its speed depends on the diameter of the wire. By providing the software with the correct value of this diameter, it is possible to define the speed of the screw extruder motor.

Nel caso delle miscele cementizie oggetto della presente invenzione, è necessario imporre al software un valore del diametro del filo molto più elevato di quello di un filo di plastica, per usare correttamente l'ugello con il diametro desiderato e per ottenere la giusta portata necessaria per la stampa di questo tipo di materiali. Tale accorgimento è necessario per imporre la giusta velocità di rotazione (rpm) alla vite dell'estrusore. È inoltre possibile modificare il diametro del filo per aumentare la portata e pertanto la velocità di stampa. In the case of the cementitious mixtures object of the present invention, it is necessary to impose on the software a value of the diameter of the wire much higher than that of a plastic wire, in order to correctly use the nozzle with the desired diameter and to obtain the right flow rate necessary for printing of this type of materials. This is necessary to impose the right rotation speed (rpm) on the extruder screw. It is also possible to change the wire diameter to increase the range and therefore the printing speed.

Gli esempi sotto riportati sono diretti a dimostrare l'efficienza o meno di composizioni cementizie secondo la presente invenzione, quando processate mediante un apparato di stampa 3D. The examples reported below are aimed at demonstrating the efficiency or otherwise of cementitious compositions according to the present invention, when processed by means of a 3D printing apparatus.

Esempio 1 Example 1

Una formulazione di miscela cementizia avente la composizione riportata nella seguente tabella 1 è stata preparata utilizzando un miscelatore Hobart, secondo la seguente procedura: A cement mixture formulation having the composition shown in the following table 1 was prepared using a Hobart mixer, according to the following procedure:

- i componenti solidi sono stati miscelati per 1 minuto alla velocità di 140 giri/min; - the solid components were mixed for 1 minute at a speed of 140 rpm;

- è stata quindi aggiunta l'acqua per 1 minuto alla velocità di 140 giri/min; - tutti i componenti sono stati quindi ulteriormente miscelati per 2 minuti alla velocità di 285 giri/min e successivamente per 1 minuto alla velocità di 322 giri/min; - water was then added for 1 minute at a speed of 140 rpm; - all the components were then further mixed for 2 minutes at the speed of 285 rpm and subsequently for 1 minute at the speed of 322 rpm;

- la miscelazione è stata interrotta per 45 secondi per raccogliere il materiale eventualmente rimasto sulle pareti del contenitore; - mixing was interrupted for 45 seconds to collect any material remaining on the container walls;

- tutti i componenti sono stati quindi miscelati per 1 minuto alla velocità di 322 giri/min e successivamente per 1 minuto alla velocità di 240 giri/min. - all the components were then mixed for 1 minute at the speed of 322 rpm and then for 1 minute at the speed of 240 rpm.

Tabella 1: Formulazione estrusa secondo l'esempio 1. Table 1: Extruded formulation according to example 1.

Il cemento è un cemento di tipo I 52,5 R proveniente dall'impianto di Rezzato. Il filler calcareo è un filler ad alta purezza, commercializzato da Omya Spa con il nome commerciale di Omyacarb 2-AV. Gli aggregati silico-calcarei sono stati aggiunti in due frazioni, una prima frazione con una distribuzione granulometrica compresa tra 0,00 e 0,200 mm e una seconda frazione con una distribuzione granulometrica compresa tra 0,200 e 0,35 mm. Entrambi i materiali sono commercializzati da Sabbie Sataf s.r.l. con i nomi commerciali, rispettivamente, di Impalpabile e 113. The cement is a type I 52.5 R cement from the Rezzato plant. The limestone filler is a high purity filler, marketed by Omya Spa under the trade name of Omyacarb 2-AV. The silico-calcareous aggregates were added in two fractions, a first fraction with a particle size distribution between 0.00 and 0.200 mm and a second fraction with a particle size distribution between 0.200 and 0.35 mm. Both materials are marketed by Sabbie Sataf s.r.l. with the trade names, respectively, of Impalpabile and 113.

Il superfluidificante è a base di etere policarbossilico, denominato Melflux 1641 F, e commercializzato dalla BASF. Il modificatore della reologia 1 è una idrossimetil-etilcellulosa denominata "Tylose MH 60004 P6" commercializzata da ShinEtsu. Il modificatore della reologia 2 è un amido modificato con gruppi etere, commercializzato con il nome Aqualon ST2000 dalla Ashland. Questi tre additivi sono tutti in forma solida. The superplasticizer is based on polycarboxylic ether, called Melflux 1641 F, and marketed by BASF. The rheology modifier 1 is a hydroxymethyl-ethylcellulose called "Tylose MH 60004 P6" marketed by ShinEtsu. The rheology modifier 2 is a modified starch with ether groups, marketed under the name Aqualon ST2000 by Ashland. These three additives are all in solid form.

Il rapporto acqua/legante è uguale a 0,56, mentre il rapporto legante/aggregato è uguale a 1,03. The water / binder ratio is equal to 0.56, while the binder / aggregate ratio is equal to 1.03.

Al termine della miscelazione, la miscela cementizia avente la composizione indicata in tabella 1 è stata caratterizzata mediante un reometro Haake RotoVisco RV1, a cilindri coassiali. Il test ha permesso di caratterizzare la viscosità del materiale in un range di share rate compreso tra 0,01 e 10 s<-1>, mediante un metodo a gradini. Ogni gradino è stato mantenuto per 30 secondi e la durata complessiva della prova è stata di 8 minuti. La viscosità della miscela cementizia misurata al valore di shear stress di 0,01 s<-1 >è uguale a 20000 Pa·s. At the end of the mixing, the cement mixture having the composition indicated in table 1 was characterized by means of a Haake RotoVisco RV1 rheometer, with coaxial cylinders. The test allowed to characterize the viscosity of the material in a range of share rates between 0.01 and 10 s <-1>, by means of a step method. Each step was held for 30 seconds and the overall duration of the test was 8 minutes. The viscosity of the cement mixture measured at the shear stress value of 0.01 s <-1> is equal to 20000 Pa · s.

Al termine della miscelazione, la malta è stata inserita nel serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas (come mostrato in Figura 3) con l'aiuto di una spatola e sistemata in modo da riempire completamente il contenitore riducendo il più possibile l'aria intrappolata nel materiale. Il serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas è stato così preparato per essere collegato con l'estrusore montato sulla macchina da stampa, utilizzando il tubo precedentemente descritto. La pressione al serbatoio è stata impostata al valore di 4,0 bar. At the end of the mixing, the mortar was inserted into the cylindrical gas pressurized supply tank (as shown in Figure 3) with the help of a spatula and arranged so as to completely fill the container, reducing as much as possible the air trapped in the material. The gas pressurized cylindrical feed tank was thus prepared to be connected to the extruder mounted on the printing machine, using the previously described tube. The pressure at the tank has been set to a value of 4.0 bar.

La miscela preparata come menzionato in precedenza è stata estrusa usando un percorso di stampa a spirale monostrato. Il modello 3D da stampare era un elemento cilindrico caratterizzato da un diametro interno di 20 cm e da un'altezza di 20 cm. Il modello è stato stampato con successo (come evidente da Figura 4) in una sessione di stampa unica, applicando i seguenti parametri di stampa: The mixture prepared as mentioned above was extruded using a single-layer spiral print path. The 3D model to be printed was a cylindrical element characterized by an internal diameter of 20 cm and a height of 20 cm. The model was successfully printed (as evident from Figure 4) in a single print session, applying the following print parameters:

Pressione al serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas: 4,0 bar; Diametro del filo imposto: 1,68 mm; Gas pressurized cylindrical supply tank pressure: 4.0 bar; Imposed wire diameter: 1.68 mm;

Altezza dello strato: 3,2 mm; Layer height: 3.2mm;

Velocità di stampa: 10 mm/s; Print speed: 10mm / s;

Velocità di rotazione della vite: 180 giri/min; Screw rotation speed: 180 rpm;

Flight clearance: 0,5 Flight clearance: 0.5

Rapporto tra diametro massimo dell’aggregato e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore: 0,7. Ratio between the maximum diameter of the aggregate and the distance between the screw and the internal wall of the extruder: 0.7.

Esempio 2 Example 2

Una formulazione di miscela cementizia avente la composizione riportata nella seguente tabella 2 è stata preparata utilizzando un miscelatore Hobart, secondo la procedura descritta nell'esempio 1. A cement mixture formulation having the composition reported in the following table 2 was prepared using a Hobart mixer, according to the procedure described in example 1.

Tabella 2: Formulazione estrusa secondo l'esempio 2. Table 2: Extruded formulation according to example 2.

Il cemento è un tipo I 52,5 R proveniente dall'impianto Rezzato. I GGBS inclusi nella formulazione costituiscono l'aggiunta idraulica latente e sono una scoria granulare di altoforno (GGBS: "scoria macinata a grana macinata"), avente una superficie specifica uguale a 4000 cm<2>/g (secondo la norma EN 196-6: 2010), forniti dalla società ILVA. Il filler calcareo è un filler ad alta purezza, commercializzato da Omya Spa con il nome commerciale di Omyacarb 2-AV. L'aggregato silico-calcareo è una frazione con una distribuzione granulometrica compresa tra 0,00 e 0,200 mm commercializzato da Sabbie Sataf s.r.l. con il nome commerciale Impalpabile. The cement is a type I 52.5 R coming from the Rezzato plant. The GGBS included in the formulation constitute the latent hydraulic addition and are a granular slag from blast furnace (GGBS: "ground slag with ground grain"), having a specific surface equal to 4000 cm <2> / g (according to EN 196- 6: 2010), provided by the ILVA company. The limestone filler is a high purity filler, marketed by Omya Spa under the trade name of Omyacarb 2-AV. The silico-calcareous aggregate is a fraction with a particle size distribution between 0.00 and 0.200 mm marketed by Sabbie Sataf s.r.l. with the trade name Impalpabile.

Il superfluidificante è a base di etere policarbossilico, denominato Melflux 1641 F, e commercializzato dalla BASF. Il modificatore della reologia 1 è una idrossimetiletilcellulosa denominata "Tylose MH 60004 P6" commercializzata da ShinEtsu. Il modificatore della reologia 2 è un amido modificato con gruppi etere, commercializzato con il nome Aqualon ST2000 dalla Ashland. Questi tre additivi sono tutti in forma solida. The superplasticizer is based on polycarboxylic ether, called Melflux 1641 F, and marketed by BASF. The rheology modifier 1 is a hydroxymethylethylcellulose called "Tylose MH 60004 P6" marketed by ShinEtsu. The rheology modifier 2 is a modified starch with ether groups, marketed under the name Aqualon ST2000 by Ashland. These three additives are all in solid form.

Il rapporto acqua/legante è uguale a 0,59, mentre il rapporto legante/aggregato è uguale a 1,17. The water / binder ratio is equal to 0.59, while the binder / aggregate ratio is equal to 1.17.

Al termine della miscelazione, la miscela cementizia avente la composizione indicata in tabella 2 è stata caratterizzata mediante un reometro Haake RotoVisco RV1, mediante il metodo già descritto nell'esempio 1. La viscosità della miscela cementizia misurata al valore di shear stress di 0,01 s<-1 >è uguale a 11620 Pa·s. Al termine della miscelazione, la malta è stata inserita nel serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas che è stato collegato all'estrusore montato sulla stampante, come descritto nell'esempio 1. La pressione al serbatoio è stata impostata al valore di 4,0 bar. At the end of the mixing, the cement mixture having the composition indicated in table 2 was characterized by means of a Haake RotoVisco RV1 rheometer, using the method already described in example 1. The viscosity of the cement mixture measured at the shear stress value of 0.01 s <-1> is equal to 11620 Pa s. At the end of the mixing, the mortar was inserted into the cylindrical gas pressurized supply tank which was connected to the extruder mounted on the printer, as described in example 1. The pressure at the tank was set to the value of 4.0 bar .

La miscela preparata come menzionato in precedenza è stata estrusa usando un percorso di stampa a spirale monostrato. Il modello 3D da stampare era un elemento cilindrico caratterizzato da un diametro interno di 20 cm e da un'altezza di 20 cm. Il modello è stato stampato applicando gli stessi parametri di stampa indicati per l'esempio 1, in cui però il valore del rapporto tra diametro massimo dell’aggregato e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore è pari a 0,4. The mixture prepared as mentioned above was extruded using a single-layer spiral print path. The 3D model to be printed was a cylindrical element characterized by an internal diameter of 20 cm and a height of 20 cm. The model was printed by applying the same printing parameters indicated for example 1, in which, however, the value of the ratio between the maximum diameter of the aggregate and the distance between the screw and the internal wall of the extruder is equal to 0.4.

Il modello è stato stampato correttamente fino all'altezza di 15 cm. The model was printed correctly up to the height of 15 cm.

Anche se l'oggetto specifico previsto dal modello 3D non è stato completamente stampato con la formulazione indicata nella Tabella 2, la miscela cementizia di tabella 2 è comunque adatta per essere stampata con questo dispositivo di estrusione in sessioni di stampa multiple, anziché in una sessione unica, perché intrinsecamente caratterizzata da un ottimo compromesso tra proprietà reologiche e autoportanza. Even if the specific object envisaged by the 3D model has not been completely printed with the formulation indicated in Table 2, the cement mixture of Table 2 is still suitable to be printed with this extrusion device in multiple print sessions, rather than in one session. unique, because it is intrinsically characterized by an excellent compromise between rheological properties and self-supporting capacity.

Esempio 3 (esempio comparativo) Example 3 (comparative example)

Una formulazione contenente la composizione riportata nella Tabella 3 è stata preparata utilizzando un miscelatore Hobart secondo la procedura descritta nell'esempio 1. A formulation containing the composition shown in Table 3 was prepared using a Hobart mixer according to the procedure described in Example 1.

Tabella 3: Formulazione estrusa secondo l'esempio 3. Table 3: Extruded formulation according to example 3.

Il cemento è un tipo I 52,5 R proveniente dall'impianto Rezzato. I GGBS inclusi nella formulazione costituiscono l'aggiunta idraulica latente e sono una scoria granulare di altoforno (GGBS) avente una superficie specifica uguale a 4000 cm<2>/g (secondo la norma EN 196-6: 2010), forniti dalla società ILVA. Il filler calcareo è un filler ad alta purezza, commercializzato da Omya Spa con il nome commerciale di Omyacarb 2-AV. Gli aggregati silico-calcarei sono stati aggiunti in due frazioni, una prima frazione con una distribuzione granulometrica compresa tra 0,00 e 0,200 mm e una seconda frazione con una distribuzione granulometrica compresa tra 0,600 e 1,00 mm. Entrambi i materiali sono commercializzati da Sabbie Sataf s.r.l. con i nomi commerciali, rispettivamente, di Impalpabile e 103. The cement is a type I 52.5 R coming from the Rezzato plant. The GGBS included in the formulation constitute the latent hydraulic addition and are a granular slag from blast furnace (GGBS) having a specific surface equal to 4000 cm <2> / g (according to the EN 196-6: 2010 standard), supplied by the company ILVA . The limestone filler is a high purity filler, marketed by Omya Spa under the trade name of Omyacarb 2-AV. The silico-calcareous aggregates were added in two fractions, a first fraction with a particle size distribution between 0.00 and 0.200 mm and a second fraction with a particle size distribution between 0.600 and 1.00 mm. Both materials are marketed by Sabbie Sataf s.r.l. with the trade names, respectively, of Impalpabile and 103.

Il superfluidificante è a base di etere policarbossilico, denominato Melflux 1641 F, e commercializzato dalla BASF. Il modificatore della reologia 1 è una idrossimetiletilcellulosa denominata "Tylose MH 60004 P6" commercializzata da ShinEtsu. Il modificatore della reologia 2 è un amido modificato con gruppi eterecommercializzato con il nome Aqualon ST2000 dalla Ashland. L'agente riduttore di ritiro (Shrinkage Reducing Agent, SRA), denominato SRA04, è commercializzato da Neuvendis; si tratta di una miscela di glicoli e tensioattivi speciali. I quattro additivi sono tutti allo stato solido. The superplasticizer is based on polycarboxylic ether, called Melflux 1641 F, and marketed by BASF. The rheology modifier 1 is a hydroxymethylethylcellulose called "Tylose MH 60004 P6" marketed by ShinEtsu. The rheology modifier 2 is a modified starch with heterecovered groups under the name Aqualon ST2000 by Ashland. The Shrinkage Reducing Agent (SRA), called SRA04, is marketed by Neuvendis; it is a mixture of glycols and special surfactants. The four additives are all solid state.

Il rapporto acqua / legante è uguale a 0,57, mentre il rapporto legante / aggregato è pari a 0,85. The water / binder ratio is equal to 0.57, while the binder / aggregate ratio is equal to 0.85.

Al termine della miscelazione, la formulazione indicata nella tabella 3 è stata caratterizzata da un reometro Haake RotoVisco RV1, utilizzando il metodo già descritto nell'esempio 1. At the end of the mixing, the formulation indicated in table 3 was characterized by a Haake RotoVisco RV1 rheometer, using the method already described in example 1.

Il valore della viscosità misurata al valore di shear stress di 0,01 s<-1 >è uguale a 21000 Pa·s. The viscosity value measured at the shear stress value of 0.01 s <-1> is equal to 21000 Pa · s.

Al termine della miscelazione, la malta, caratterizzata da un valore del rapporto tra diametro massimo dell’aggregato e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore pari a 2, è stata inserita nel serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas che è stato collegato all'estrusore montato sulla stampante, come descritto nell'esempio 1. La pressione al serbatoio è stata impostata al valore di 4,0 bar. At the end of the mixing, the mortar, characterized by a value of the ratio between the maximum diameter of the aggregate and the distance between the screw and the internal wall of the extruder equal to 2, was inserted into the cylindrical gas-pressurized supply tank which was connected to the 'extruder mounted on the printer, as described in example 1. The pressure at the tank has been set at 4.0 bar.

La miscela preparata come menzionato in precedenza non è risultata processabile. Esempio 4 (esempio comparativo) The mixture prepared as previously mentioned was not processable. Example 4 (comparative example)

Una formulazione contenente la composizione riportata nella Tabella 4 è stata preparata utilizzando un miscelatore Hobart secondo la procedura descritta nell'esempio 1. A formulation containing the composition shown in Table 4 was prepared using a Hobart mixer according to the procedure described in Example 1.

Tabella 4: Formulazione estrusa secondo l'esempio 4. Table 4: Extruded formulation according to example 4.

Il cemento è un tipo I 52,5 R proveniente dall'impianto Rezzato. Il filler calcareo è un filler ad alta purezza, commercializzato da Omya Spa con il nome commerciale di Omyacarb 2-AV. L'aggregato silico-calcareo è una frazione con una distribuzione granulometrica compresa tra 0,200 e 0,350 mm commercializzato da Sabbie Sataf s.r.l. con il nome commerciale 113. The cement is a type I 52.5 R coming from the Rezzato plant. The limestone filler is a high purity filler, marketed by Omya Spa under the trade name of Omyacarb 2-AV. The silico-calcareous aggregate is a fraction with a particle size distribution between 0.200 and 0.350 mm marketed by Sabbie Sataf s.r.l. under the trade name 113.

Il superfluidificante è a base di etere policarbossilico, denominato Melflux 1641 F, e commercializzato dalla BASF. Il modificatore della reologia 1 è una idrossimetiletilcellulosa denominata "Tylose MH 60004 P6" commercializzata da ShinEtsu. Il modificatore della reologia 2 è un'amido modificato con gruppi etere, commercializzato con il nome Aqualon ST2000 dalla Ashland. Questi tre additivi sono tutti in forma solida. The superplasticizer is based on polycarboxylic ether, called Melflux 1641 F, and marketed by BASF. The rheology modifier 1 is a hydroxymethylethylcellulose called "Tylose MH 60004 P6" marketed by ShinEtsu. Rheology modifier 2 is a modified starch with ether groups, marketed under the name Aqualon ST2000 by Ashland. These three additives are all in solid form.

Il rapporto acqua/legante è uguale a 0,58, mentre il rapporto legante/aggregato è uguale a 0,95. The water / binder ratio is equal to 0.58, while the binder / aggregate ratio is equal to 0.95.

Al termine della miscelazione, la formulazione indicata nella tabella 3 è stata caratterizzata da un reometro Haake RotoVisco RV1, utilizzando il metodo già descritto nell'esempio 1. At the end of the mixing, the formulation indicated in table 3 was characterized by a Haake RotoVisco RV1 rheometer, using the method already described in example 1.

Il valore della viscosità misurata al valore di shear stress di 0,01 s<-1 >èuguale a 813 Pa·s. The viscosity value measured at the shear stress value of 0.01 s <-1> is equal to 813 Pa · s.

Al termine della miscelazione, la malta, caratterizzata da un valore del rapporto tra diametro massimo dell’aggregato e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore pari a 0,7, è stata inserita nel serbatoio di alimentazione cilindrico pressurizzato a gas che è stato collegato all'estrusore montato sulla stampante, come descritto nell'esempio 1. La pressione al serbatoio è stata impostata al valore di 2,0 bar. At the end of the mixing, the mortar, characterized by a value of the ratio between the maximum diameter of the aggregate and the distance between the screw and the internal wall of the extruder equal to 0.7, was inserted into the cylindrical gas-pressurized supply tank which was connected to the extruder mounted on the printer, as described in example 1. The pressure at the tank has been set at 2.0 bar.

La malta è stata processata in una sessione di stampa 3D, ma non è stato possibile realizzare il numero di strati previsto. The mortar was processed in a 3D printing session, but the expected number of layers could not be achieved.

I precedenti esempi dimostrano che per la miscela cementizia per stampa 3D secondo la presente invenzione è essenziale sia il valore di viscosità sia il diametro massimo degli aggregati. The previous examples show that both the viscosity value and the maximum diameter of the aggregates are essential for the cementitious mixture for 3D printing according to the present invention.

Infatti, l'esempio 1, dove la viscosità ed il diametro massimo degli aggregati rientrano nei range previsti dalla presente invenzione, , permette di ottenere una miscela cementizia per stampa 3D, estrudibile e con una autoportanza ottimale. Tale miscela quindi consente di stampare il prodotto voluto in una unica sessione di stampa. In fact, example 1, where the viscosity and the maximum diameter of the aggregates fall within the ranges envisaged by the present invention, allows to obtain a cementitious mixture for 3D printing, extrudable and with an optimal self-supporting capacity. This mixture therefore allows you to print the desired product in a single printing session.

La miscela cementizia dell'esempio 2 ha una viscosità inferiore rispetto alla miscela cementizia dell’esempio 1, comunque inclusa nel range previsto dalla presente invenzione, così come il diametro massimo degli aggregati.. La miscela cementizia per stampa 3D che si ottiene è comunque estrudibile e ha una autoportanza che consente ancora di stampare il prodotto voluto, ma con una molteplicità di sessioni di stampa. The cement mixture of example 2 has a lower viscosity than the cement mixture of example 1, however included in the range envisaged by the present invention, as well as the maximum diameter of the aggregates. The resulting cement mixture for 3D printing is in any case extrudable. and it has a self-supporting capacity that still allows you to print the desired product, but with a multiplicity of printing sessions.

La miscela cementizia dell'esempio comparativo 3, pur presentando un valore di viscosità incluso nel range previsto dalla presente invenzione, prevede un diametro massimo degli aggregati al di fuori del limite massimo del range previsto dalla presente invenzione. Per tale motivo, la miscela non risulta processabile.. La miscela cementizia dell'esempio comparativo 4, pur presentando un aggregato avente diametro massimo incluso nel range previsto dalla presente invenzione, è caratterizzata da un valore di viscosità al di fuori del limite minimo di viscosità previsto dalla presente invenzione. Essa perciò non è risultata in grado di sostenere il numero di strati previsti dal modello. The cement mixture of comparative example 3, while having a viscosity value included in the range envisaged by the present invention, provides for a maximum diameter of the aggregates outside the maximum limit of the range envisaged by the present invention. For this reason, the mixture is not processable. The cement mixture of comparative example 4, although presenting an aggregate having a maximum diameter included in the range envisaged by the present invention, is characterized by a viscosity value outside the minimum viscosity limit. envisaged by the present invention. Therefore, it was not able to support the number of layers predicted by the model.

Bibliografia: Bibliography:

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Claims (9)

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di stampa 3D comprendente le seguenti fasi: - preparazione di una miscela cementizia che comprende a) cemento o legante idraulico, b) aggiunta idraulica latente, c) filler, d) aggregati, e) additivi, f) acqua, detta miscela essendo caratterizzata dal fatto che il componente d) è presente in una quantità dal 10% all'80% in peso, preferibilmente dal 25 al 50% in peso rispetto al peso totale della miscela cementizia, ed è costituito da aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei, da soli o in miscela tra loro, aventi una granulometria con un diametro massimo inferiore a 1 mm, il componente e) comprende additivi superfluidificanti, modificatori di reologia, agenti riduttori di ritiro e relative miscele, detta miscela cementizia avendo un valore di viscosità cha varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>; - alimentazione della miscela cementizia a un apparato di stampa 3D; - estrusione della miscela cementizia dall'apparato di stampa 3D mediante un estrusore monovite; - stampa del modello 3D tramite deposizione di strati successivi di miscela cementizia; il rapporto tra diametro massimo degli aggregati della miscela cementizia e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore essendo compreso tra 0,02 e 0,8. CLAIMS 1. 3D printing process comprising the following steps: - preparation of a cement mixture which includes a) cement or hydraulic binder, b) latent hydraulic addition, c) filler, d) aggregates, e) additives, f) water, said mixture being characterized by the fact that component d) is present in an amount from 10% to 80% by weight, preferably from 25 to 50% by weight with respect to the total weight of the cement mixture, and consists of calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates, alone or in a mixture with each other, having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm, component e) includes superplasticizing additives, rheology modifiers, shrinkage reducing agents and related mixtures, said cement mixture having a viscosity value ranging from 4000 Pa s to 35000 Pa s, measured at a shear rate of 0.01 s <-1>; - feeding the cement mixture to a 3D printing apparatus; - extrusion of the cement mixture from the 3D printing apparatus using a single screw extruder; - 3D model printing by depositing successive layers of cement mixture; the ratio between the maximum diameter of the aggregates of the cement mixture and the distance between the screw and the internal wall of the extruder being between 0.02 and 0.8. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, dove la miscela cementizia comprende: a) dal 10% al 70% in peso di legante idraulico o cemento, preferibilmente scelto tra cemento Portland, cemento sulfoalluminoso e/o cemento alluminoso e/o cemento naturale a presa rapida, da soli o in miscela; b) dallo 0,0% al 25% in peso, preferibilmente dallo 0,5 al 20% in peso, di un'aggiunta idraulica naturale o artificiale, preferibilmente scoria granulare di altoforno, avente una superficie specifica che varia da 3500 cm<2>/g a 6500 cm<2>/g, preferibilmente da 4000 cm<2>/g a 5000 cm<2>/g; c) dal 10% al 50% in peso, preferibilmente dal 15% al 40% in peso, di un filler, scelto tra cariche calcaree, silicee o silico-calcaree, preferibilmente calcaree, da sole o in miscela; d) dal 10% all'80% in peso, preferibilmente dal 25% al 50% in peso di aggregati scelti tra aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei, da soli o in miscela, aventi una granulometria con un diametro massimo inferiore a 1 mm; e) dallo 0,01% all' 1,5% in peso, preferibilmente dallo 0,2% all'1,0% in peso di un additivo superfluidificante scelto tra superfluidificanti policarbossilati a base acrilica, ligninsolfonati, naftalensolfonati, melamminici o composti vinilici, più preferibilmente eteri policarbossilici; dallo 0,01% al 5,0% in peso, preferibilmente dallo 0,10% allo 0,50% in peso, di un additivo modificatore della reologia, preferibilmente cellulosa, più preferibilmente idrossimetiletilcellulosa; dallo 0,01% al 2,0% in peso, preferibilmente dallo 0,1% all'1,0% in peso di amido modificato; dallo 0,0% all'1,0% in peso, preferibilmente dallo 0,3% allo 0,6% in peso di un agente riduttore di ritiro; dove il rapporto in peso legante/aggregato è compreso nell'intervallo da 0,5 a 2,0, preferibilmente da 0,62 a 1,36 e detta miscela ha un valore di viscosità cha varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>. 2. Process according to claim 1, where the cement mixture comprises: a) from 10% to 70% by weight of hydraulic binder or cement, preferably selected from Portland cement, sulfoaluminous cement and / or aluminous cement and / or quick-setting natural cement, alone or in mixture; b) 0.0% to 25% by weight, preferably 0.5 to 20% by weight, of a natural or artificial hydraulic addition, preferably granular slag from blast furnaces, having a specific surface ranging from 3500 cm <2 > / g to 6500 cm <2> / g, preferably from 4000 cm <2> / g to 5000 cm <2> / g; c) from 10% to 50% by weight, preferably from 15% to 40% by weight, of a filler, selected from calcareous, siliceous or silico-calcareous fillers, preferably calcareous, alone or in a mixture; d) from 10% to 80% by weight, preferably from 25% to 50% by weight of aggregates selected from calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates, alone or in mixture, having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm; e) from 0.01% to 1.5% by weight, preferably from 0.2% to 1.0% by weight of a superplasticizing additive selected from acrylic-based polycarboxylate superplasticizers, lignosulfonates, naphthalenesulphonates, melamines or vinyl compounds , more preferably polycarboxylic ethers; 0.01% to 5.0% by weight, preferably 0.10% to 0.50% by weight, of a rheology modifier additive, preferably cellulose, more preferably hydroxymethylethylcellulose; 0.01% to 2.0% by weight, preferably 0.1% to 1.0% by weight of modified starch; 0.0% to 1.0% by weight, preferably 0.3% to 0.6% by weight of a shrinkage reducing agent; where the binder / aggregate weight ratio is in the range from 0.5 to 2.0, preferably from 0.62 to 1.36 and said mixture has a viscosity value ranging from 4000 Pa s to 35000 Pa s , measured at a shear rate of 0.01 s <-1>. 3. Procedimento secondo una o più delle rivendicazione precedenti, dove il rapporto in peso acqua/legante è compreso nell'intervallo da 0,25 a 0,8, preferibilmente tra 0,4 e 0,6. 3. Process according to one or more of the preceding claims, where the water / binder weight ratio is in the range from 0.25 to 0.8, preferably from 0.4 to 0.6. 4. Procedimento secondo una o più delle rivendicazione precedenti, dove la miscela è costituita da: a) dal 10% al 70% in peso di legante idraulico o cemento scelto tra CEM I 52.5 R o CEM I 52.5 N, preferibilmente CEM I 52.5R; b) dallo 0,5 al 20% in peso di scoria granulare di altoforno, avente una superficie specifica che varia da 4000 cm<2>/g a 5000 cm<2>/g; c) dal 15% al 40% in peso di un filler calcareo, da solo o in miscela; d) dal 25 al 50% in peso di aggregati calcarei, silicei o silico-calcarei, da soli o in miscela, aventi una granulometria con diametro massimo inferiore a 1 mm; e) dallo 0,2 all'1,0% in peso di additivo superfluidificante a base di etere policarbossilico; dallo 0,10 allo 0,50% in peso di un additivo modificatore della reologia che è idrossimetiletilcellulosa; dallo 0,1% all'1,0% in peso di amido modificato; dallo 0,3% allo 0,6% in peso di un agente riduttore di ritiro, dove il rapporto in peso legante/aggregato varia nell'intervallo da 0,62 a 1,36 e detta miscela cementizia ha un valore di viscosità varia da 4000 Pa·s a 35000 Pa·s, misurata ad uno shear rate di 0,01 s<-1>. 5. Procedimento secondo una o più delle rivendicazione precedenti, dove il componente a) della miscela è scelto tra CEM I 52.5 R o CEM I 52.4. Process according to one or more of the preceding claims, where the mixture consists of: a) from 10% to 70% by weight of hydraulic binder or cement selected from CEM I 52.5 R or CEM I 52.5 N, preferably CEM I 52.5R; b) from 0.5 to 20% by weight of granular slag from blast furnaces, having a specific surface ranging from 4000 cm <2> / g to 5000 cm <2> / g; c) from 15% to 40% by weight of a calcareous filler, alone or in mixture; d) from 25 to 50% by weight of calcareous, siliceous or silico-calcareous aggregates, alone or in mixture, having a particle size with a maximum diameter of less than 1 mm; e) from 0.2 to 1.0% by weight of superplasticizing additive based on polycarboxylic ether; 0.10 to 0.50% by weight of a rheology modifier additive which is hydroxymethylethylcellulose; 0.1% to 1.0% by weight of modified starch; from 0.3% to 0.6% by weight of a shrinkage reducing agent, where the binder / aggregate weight ratio varies in the range from 0.62 to 1.36 and said cement mixture has a viscosity value ranging from 4000 Pa s at 35000 Pa s, measured at a shear rate of 0.01 s <-1>. 5. Process according to one or more of the preceding claims, where component a) of the mixture is selected from CEM I 52.5 R or CEM I 52. 5 N, preferibilmente CEM I 52.5R. 5 N, preferably CEM I 52.5R. 6. Procedimento secondo una o più delle rivendicazione precedenti, dove il componente b) della miscela è una scoria granulare di altoforno avente una superficie specifica che varia da 3500 cm<2>/g a 6500 cm<2>/g, preferibilmente da 4000 cm<2>/g a 5000 cm<2>/g. 6. Process according to one or more of the preceding claims, where component b) of the mixture is a granular slag from blast furnace having a specific surface ranging from 3500 cm <2> / g to 6500 cm <2> / g, preferably from 4000 cm <2> / g to 5000 cm <2> / g. 7. Apparato atto a realizzare il processo di stampa di un oggetto 3D secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6, detto apparato comprendendo un serbatoio di alimentazione cilindrico gas pressurizzato, un estrusore a vite, un tubo flessibile che connette il serbatoio all'estrusore e un sistema di pompaggio, dove l'estrusore è un estrusore monovite, provvisto di un ugello circolare, il rapporto tra diametro massimo degli aggregati della composizione cementizia e distanza tra vite e parete interna dell'estrusore essendo compreso tra 0,02 e 0,8. 7. Apparatus suitable for carrying out the process of printing a 3D object according to one or more of claims 1 to 6, said apparatus comprising a cylindrical pressurized gas supply tank, a screw extruder, a flexible tube which connects the tank to the extruder and a pumping system, where the extruder is a single-screw extruder, equipped with a circular nozzle, the ratio between the maximum diameter of the aggregates of the cementitious composition and the distance between the screw and the internal wall of the extruder being between 0.02 and 0 , 8. 8. Apparato secondo la rivendicazione 7, dove l'estrusore è caratterizzato da una vite avente un'altezza che varia da 35 a 140 mm, preferibilmente da 40 a 80 mm, un passo che varia 7 a 30 mm, preferibilmente da 8 a 15 mm, e un angolo di elica che varia da 12° a 43°, preferibilmente da 14° a 26°, un ugello con diametro che varia da 2 a 30 mm, preferibilmente da 2,5 a 7 mm, e un'altezza che varia da 5 a 50 mm, preferibilmente da 10 a 40 mm. 8. Apparatus according to claim 7, where the extruder is characterized by a screw having a height ranging from 35 to 140 mm, preferably from 40 to 80 mm, a pitch ranging from 7 to 30 mm, preferably from 8 to 15 mm, and a helix angle ranging from 12 ° to 43 °, preferably from 14 ° to 26 °, a nozzle with a diameter ranging from 2 to 30 mm, preferably from 2.5 to 7 mm, and a height which varies from 5 to 50 mm, preferably from 10 to 40 mm. 9. Prodotto finito a geometria complessa ottenuto mediante stampa 3D con un apparato atto a realizzare il processo di stampa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6. 9. Finished product with complex geometry obtained by 3D printing with an apparatus suitable for carrying out the printing process according to any one of claims 1 to 6.
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