Come la stampa 3D sta trasformando le infrastrutture idriche
Lo abbiamo imparato a scuola: l’acqua è il fondamento della vita. Questa risorsa rinnovabile è spesso data per scontata, poiché per molti di noi è facilmente accessibile con un semplice giro di rubinetto. Tuttavia, l’infrastruttura che fornisce acqua potabile, così come quella che gestisce le acque reflue, richiede un’ingegneria complessa. A livello globale, molti sistemi idrici devono fare i conti con impianti obsoleti che necessitano di manutenzione o, in alcuni casi, di sostituzione. Questi sistemi possono essere afflitti da perdite, inefficienze e costi elevati. Inoltre, devono spesso far fronte a una domanda crescente dovuta all’aumento della popolazione. Aggiungete al mix gli obiettivi ambientali e avrete una questione articolata a cui rispondere: in che modo una comunità può creare un’infrastruttura idrica efficiente, sicura, economica e sostenibile?
Sempre più spesso, gli ingegneri esplorano la stampa 3D come possibile soluzione. Questa tecnologia emergente è interessante per la costruzione e la manutenzione delle infrastrutture perché offre soluzioni più rapide, ecologiche e personalizzabili. Ma prima di approfondire il ruolo della stampa 3D in questo ambito, diamo un breve sguardo a cosa si intende per infrastruttura idrica.
Pozzetto in calcestruzzo posizionato presso l’impianto di trattamento delle acque reflue di Esholt (Crediti foto: Hyperion Robotics)
Cosa sono le infrastrutture idriche?
Un’infrastruttura idrica è essenziale per il soddisfacimento dei bisogni primari della società, dal sostentamento della vita alla salvaguardia della salute pubblica. La raccolta e il trattamento delle acque reflue sono altrettanto critici per prevenire malattie e proteggere l’ambiente. Uno dei componenti vitali del quadro infrastrutturale è rappresentato dagli impianti di potabilizzazione. Queste strutture prelevano l’acqua da fonti superficiali, come i fiumi, o da pozzi sotterranei, e la trattano con vari processi chimici e fisici per renderla potabile. Una volta purificata, l’acqua attraversa una rete di sistemi di distribuzione composta da tubazioni, pompe e serbatoi di stoccaggio che la consegnano a destinazione. Dopo l’uso, l’acqua diventa reflua e deve essere trattata nuovamente. Quest’acqua viene convogliata verso impianti di trattamento delle acque reflue, dove è sottoposta a processi avanzati per eliminare i contaminanti prima di essere rilasciata in sicurezza nell’ambiente. Altri componenti di questa vasta rete sono i bacini idrici e le dighe, che immagazzinano grandi quantità d’acqua e possono essere utili per il controllo delle inondazioni, l’energia idroelettrica e la fornitura di un approvvigionamento idrico stabile.
Mappare l’intera infrastruttura non è un’impresa facile. Richiede la comprensione delle esigenze locali, dell’impatto ambientale, delle normative e, naturalmente, dei costi, tra gli altri fattori. Quindi, dove entra in gioco la produzione additiva?
Applicazioni della stampa 3D nelle infrastrutture idriche
Esistono vari modi in cui la stampa 3D può essere utilizzata per le infrastrutture idriche. Di seguito, discuteremo le principali aree di applicazione.
Componenti infrastrutturali
Molti componenti infrastrutturali possono essere stampati in 3D e, nel Regno Unito, il progetto The Water Industry Printfrastructure ha fatto notizia per averne implementati con successo diversi. United Utilities ha guidato il progetto in collaborazione con ChangeMaker3D, PrintCity della Manchester Metropolitan University e Scottish Water. Dal lancio del progetto nel 2023, hanno condotto diversi studi testando la stampa 3D sia in calcestruzzo che in polimeri per le infrastrutture idriche. In particolare, hanno stampato un ugello a getto per acque reflue, una piastra di protezione per telecamere CCTV e un canale per strumenti di monitoraggio dell’acqua. Dopo rigorosi test e prove, questi tre componenti vengono utilizzati quotidianamente da United Utilities. Hanno inoltre fabbricato attrezzature da laboratorio che vengono attualmente impiegate da Scottish Water e United Utilities.
Una camera per acque reflue realizzata da United Utilities
Inoltre, il progetto ha previsto l’apertura di un centro di stampa 3D per calcestruzzo presso l’impianto di trattamento delle acque reflue di Wigan di United Utilities nel giugno 2024. In questa sede sono state stampate camere di sfioro per fognature, pareti di contenimento conformi alla Direttiva sulle Emissioni Industriali, anelli per tombini e camere di distribuzione. Il progetto Printfrastructure illustra diversi esempi di elementi infrastrutturali idrici stampati in 3D, ma il potenziale è molto più ampio, come dimostrato dal piano di United Utilities di espandere il budget destinato alla stampa 3D per il periodo 2025-2030.
Filtrazione e trattamento
Oltre alla struttura stessa, la stampa 3D può essere utilizzata per fabbricare dispositivi per la filtrazione e il trattamento dell’acqua. Un progetto emblematico in tal senso è stato condotto dai ricercatori dell’Università di Bath, che hanno stampato in 3D strutture reticolari in ceramica capaci di rimuovere dall’acqua l’acido perfluoroottanoico (PFOA) e le sostanze perfluoroalchiliche (PFAS), note come “inquinanti eterni”. Nel 2024, i ricercatori hanno pubblicato i loro risultati, rivelando che queste reti ceramiche possono rimuovere almeno il 75% di PFOA e PFAS dall’acqua trattata. In una direzione simile, la Marina Reale Olandese ha recentemente stampato in 3D con successo un filtro per l’acqua sostitutivo, progettato per l’ambiente marittimo.
La produzione additiva è eccellente anche per i sistemi di filtrazione a membrana. Secondo uno studio del 2023 intitolato “3D-Printed Materials for Wastewater Treatment“, le tecnologie 3D sono state utilizzate per produrre componenti avanzati per membrane, inclusi biovettori, sorbenti, catalizzatori e persino membrane intere. Tradizionalmente, la fabbricazione di membrane richiede grandi quantità di solventi e materiali monomerici tossici, lasciando un’elevata impronta di carbonio e molti scarti. Al contrario, la stampa 3D non richiede lo scarico di solventi, rappresentando un approccio più rispettoso dell’ambiente.
Rappresentazione grafica di come le tecnologie additive possano essere utilizzate per il trattamento delle acque reflue (crediti immagine: Roy Barman S et al.)
Queste membrane sono state impiegate per il trattamento di rifiuti industriali, in particolare per la degradazione di inquinanti organici, acque reflue oleose e metalli pesanti prodotti dalle industrie manifatturiere e farmaceutiche. Inoltre, tali membrane sono state utilizzate per il trattamento di acque domestiche e in applicazioni di dissalazione per il riciclo e il riutilizzo di acqua non potabile.
Già nel 2016, i ricercatori dell’Università di Bath sono stati i primi a fabbricare un modulo a membrana per l’ultrafiltrazione; da allora, la stampa 3D è stata utilizzata per creare intere membrane (sebbene sia meno comune) e, più frequentemente, componenti dei moduli. Un modulo completo è composto da diverse parti e la stampa 3D è stata ampiamente studiata per la realizzazione dei seguenti componenti:
Distanziatori di membrana: stabiliscono un flusso continuo di fluido, evitando che lo strato attivo della membrana venga compromesso e riducendo le incrostazioni. Molte tecnologie 3D, tra cui SLS, DLP, FDM e PolyJet, sono state utilizzate per progettare distanziatori in varie configurazioni, come strutture multistrato, eliche, scale e altro ancora.
Fotocatalizzatori: quando esposti a una luce di specifica lunghezza d’onda, i fotocatalizzatori generano specie reattive dell’ossigeno (ROS), come radicali ossidrile e superossido, che ossidano e scompongono i contaminanti organici. Ciò li rende altamente efficaci per rimuovere gli inquinanti dall’acqua. Diverse tecnologie 3D, tra cui FDM, Material Jetting, Binder Jetting e fotopolimerizzazione in vasca (Vat Photopolymerization), sono state impiegate per creare fotocatalizzatori.
Biovettori: utilizzati per degradare gli inquinanti organici, i biovettori sono materiali porosi che offrono una superficie su cui i microrganismi possono crescere e formare biofilm, aumentando così il tasso di degradazione degli inquinanti. Per la loro creazione, i ricercatori hanno utilizzato tecnologie come Direct-Ink-Writing (DIW), SLS e PolyJet.
Sorbenti: i sorbenti possono adsorbire selettivamente molecole o ioni da una fase liquida o gassosa per rimuoverli, inclusi ammoniaca, metalli pesanti e contaminanti organici volatili. Spesso si utilizzano materiali naturali come sorbenti, ma gli adsorbenti sviluppati tradizionalmente risultano meccanicamente instabili e poco flessibili. Al contrario, la stampa 3D basata su estrusione, la tecnologia SLS e altre tecniche 3D possono creare sorbenti con elevata resistenza meccanica, porosità controllabile, alta stabilità ed efficienza eccezionale.
Tecnologie e materiali
Quando si tratta di tecnologie e materiali per le infrastrutture idriche, tutto dipende dall’applicazione specifica. Le tecnologie più comuni in questo settore sono la DLP, l’estrusione di materiale e la SLS. Pratik Gavit, del Dipartimento di Ingegneria dei Materiali presso l’Indian Institute of Science e tra i ricercatori dello studio del 2023 citato in precedenza, ha spiegato che nella scelta di una tecnologia gli stakeholder del settore dovrebbero considerare le dimensioni del pezzo, la precisione richiesta, le prestazioni meccaniche e i costi.
Per componenti ad alta precisione, come i distanziatori di membrana o parti con dettagli minuscoli, la DLP o la SLA rappresentano spesso l’opzione migliore, poiché offrono risoluzioni inferiori a 100 micrometri e finiture superficiali eccezionalmente lisce. Ciò le rende adatte a geometrie intricate, canali interni complessi e applicazioni in cui la rugosità superficiale influisce direttamente sulle prestazioni e si desidera ridurre al minimo la post-elaborazione.
Per componenti infrastrutturali più grandi, come tubi, serbatoi o elementi strutturali, l’estrusione di materiale (FDM) si distingue come la soluzione più economica, offrendo ampi volumi di stampa (fino a circa 300 × 300 × 600 mm) e compatibilità con una vasta gamma di materiali termoplastici tecnici; è quindi l’ideale quando le dimensioni del pezzo e il budget sono i vincoli principali.
Per prototipi funzionali e produzioni di medio volume, la tecnologia SLS offre un ottimo equilibrio tra resistenza meccanica e libertà di progettazione, poiché produce parti robuste senza necessità di strutture di supporto. Questo rende la SLS particolarmente interessante per componenti con geometrie complesse che devono resistere a sollecitazioni operative e dove la costanza delle proprietà dei materiali è fondamentale.
Vantaggi di stampare in 3D le infrastrutture idriche
I vantaggi della stampa 3D applicata alle infrastrutture idriche variano in base alla specifica applicazione, ma esistono alcune qualità generali che rendono questa tecnologia estremamente vantaggiosa. Ad esempio, essa consente una maggiore libertà di progettazione e personalizzazione, rapidità di produzione e implementazione, una superiore sostenibilità, migliori prestazioni e durata, oltre a un risparmio economico sui componenti unici o prodotti in piccoli lotti.
United Utilities ha condiviso via email che i benefici più significativi riscontrati nella stampa 3D del calcestruzzo sono la velocità, la riduzione dell’impronta di carbonio e il risparmio sui costi. “Ad esempio, la stampa di una camera di sfioro (CSO) è stata più veloce del 60%, ha garantito una riduzione di carbonio del 27% ed è stata conveniente dal punto di vista dei costi. Questi dati sono stati verificati in modo indipendente dal nostro consulente per la valutazione dell’impronta carbonica“. Il team ha inoltre riferito che il progetto Printfrastructure, nel suo complesso, ha emesso fino al 50% in meno di carbonio. I risparmi sono stati calcolati “confrontando l’impatto del carbonio incorporato nel ciclo di vita dell’asset stampato in 3D rispetto a un asset costruito in modo tradizionale“.
Inoltre, United Utilities ha dichiarato che la stampa di polimeri ha permesso loro di produrre pezzi obsoleti per estendere la vita utile dei sistemi filtranti, oltre a rivelarsi utile per la creazione rapida di prototipi o design su misura. “Stiamo esplorando ulteriormente il potenziale di questa tecnologia per creare rapidamente componenti che consentano riparazioni d’emergenza, ad esempio in caso di rottura di tubazioni, in attesa di una soluzione permanente“, ha aggiunto United Utilities.
United Utilities utilizza quotidianamente ugelli a getto per acque reflue stampati in 3D (Credit foto: United Utilities).
Limiti della stampa 3D nelle infrastrutture idriche
Sebbene l’uso della produzione additiva (AM) per le opere idriche possa essere vantaggioso, l’adozione di nuove tecnologie non è mai priva di sfide. Il team di United Utilities ha condiviso che è stato necessario lavorare per far sì che le persone acquisissero familiarità con questo metodo di costruzione e ne comprendessero i potenziali benefici. “L’allestimento del nostro centro di stampa a Wigan per mostrare la stampa 3D in azione ha aiutato a dimostrare la velocità con cui le strutture in calcestruzzo possono essere stampate; inoltre, condividere i nostri apprendimenti durante il progetto con altre aziende idriche, partner di distribuzione e fornitori ha aiutato a superare alcune di queste barriere”.
Gavit, uno dei ricercatori dello studio menzionato in precedenza, ha suddiviso le principali limitazioni della stampa 3D per le infrastrutture idriche in tre categorie: ostacoli tecnici, barriere economiche e ostacoli normativi.
Ostacoli tecnici
Limitazioni della risoluzione: le stampanti attuali faticano a raggiungere le dimensioni dei pori estremamente ridotte necessarie per la filtrazione avanzata (la nanofiltrazione richiede pori inferiori a 10 nm).
Vincoli sui materiali: scelta limitata di materiali resistenti agli agenti chimici e certificati per uso alimentare, adatti alle applicazioni per acqua potabile.
Scalabilità dimensionale: difficoltà nel stampare fogli di membrana piani più grandi di 1×5 metri, necessari per le applicazioni industriali.
Barriere economiche
Elevati costi delle attrezzature: le stampanti di livello industriale in grado di produrre componenti per infrastrutture idriche costano tra i 200.000 e gli oltre 500.000 dollari.
Velocità di produzione ridotte: la stampa 3D è spesso economicamente sostenibile solo per produzioni a basso volume (meno di 1.000 pezzi all’anno per ottenere benefici ambientali).
Costi dei materiali: i materiali di stampa specializzati costano tra i 100 e i 500 dollari/kg, rispetto ai 10-50 dollari/kg dei materiali convenzionali.
Ostacoli normativi
Certificazioni di sicurezza: i componenti stampati in 3D per i sistemi di acqua potabile devono soddisfare gli standard NSF/ANSI, che i materiali attuali spesso non riescono a raggiungere.
Validazione delle prestazioni a lungo termine: le autorità di regolamentazione richiedono dati sulla durata di vita superiori ai 20 anni, ma la stampa 3D per applicazioni idriche ha meno di 10 anni di storia sul campo.
Standard di controllo qualità: mancanza di protocolli di test standardizzati per i componenti delle infrastrutture idriche stampati in 3D.
Il Dr. Joshua Pearce della Western University ha stampato in 3D componenti per raccordi di tubature in PETG per consentire una gestione idrica più efficiente. (Crediti foto: Western University)
Uno sguardo verso il futuro
Nonostante le sfide, i produttori continuano a esplorare la produzione additiva per trovare soluzioni destinate alle infrastrutture idriche. In futuro, potremmo assistere a una diffusione di centri di stampa 3D decentralizzati per le utility idriche e all’integrazione con i “gemelli digitali” (digital twins) e la manutenzione predittiva. Il passaggio da progetti sperimentali alla pratica quotidiana è già in atto. Sebbene siamo ancora nelle fasi iniziali, questi progressi puntano verso un futuro in cui la stampa 3D giocherà un ruolo chiave nel fornire acqua pulita e sicura in modo più sostenibile. “La chiave è gestire le aspettative”, ha spiegato Gavit. “La stampa 3D non rivoluzionerà le infrastrutture idriche dall’oggi al domani, ma sta già creando valore in applicazioni specifiche e si espanderà man mano che i materiali e i processi matureranno”.
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*Immagina di copertina (sinstra): Membrane filtranti di ceramica di Separonics. Crediti: Lithoz
