Por Adriana Valdés Krieg
Publicado en la Revista Construcción y Tecnología en Concreto, octubre de 2017
En diversos países se realizan investigaciones interdisciplinarias con el fin de desarrollar tecnologías que logren incorporar la utilización de impresoras 3D en concreto para el proceso constructivo. Lo anterior ha propiciado el acenso acelerado de este tipo de técnica siendo considerado por la firma MarketsandMarkets que tendrá un crecimiento anual del 15% dentro de los próximos cinco años.
A pesar de que la impresión 3D aún no está del todo difundida, las estadísticas muestran que puede beneficiar en múltiples maneras, entre las que se encuentran el ahorro de entre un 30% y un 60% en los residuos de construcción, la disminución del tiempo de producción hasta en un 70%, y la reducción de los costos de mano de obra hasta en un 80%.
El mercado ofrecido por esta tecnología se divide principalmente en la construcción doméstica, industrial y arquitectónica, siendo la primera la más desarrollada. De acuerdo a esto, la impresión 3D ha permeado diversas regiones siendo probablemente la de Asia y el Pacífico las que tienen un papel especialmente importante. Sin embargo, también hay otras firmas y equipos interdisciplinarios que llevan años trabajando en este sentido como es el caso de DHE Architects en los Países Bajos, de un amplio trabajo colaborativo desarrollado en el Reino Unido y en Barcelona; [1] así como de Apis Cor fundada por el ruso Nikita Chen-yun-tai.
A continuación se presentan algunas de las principales innovaciones a nivel mundial relacionadas con la aplicación de las impresoras 3D al ámbito de la construcción considerando sus características, ventajas y tecnologías. Comenzaremos por abordar la innovación más reciente realizada en Rusia para dar pie a las investigaciones realizadas en el Reino Unido, Barcelona y, por último, en los diversos avances generados en la materia originados en China.
Rusia: innovación dentro del campo de la impresión 3D
En Rusia el principal representante de la impresión 3D es la empresa Apis Cor, fundada por Nikita Chen-yun-tai. A inicios de 2017 dicha empresa logró la impresión de una casa de 38 m² dentro de las instalaciones de la compañía localizadas en la ciudad de Stupino en menos de un día con un costo total de10,000 dólares.
Características de la casa construida
• Anchura— 76 mm
• Número de habitaciones— 6
• Protección contra el ruido— clase 4
• Resistencia a la congelación— hasta −60 C
• Vida del producto 50 años
• Sistema de seguridad incluido
• Sistema de control climático integrado
La impresora 3D empleada en este proyecto representa una innovación pues es lo suficientemente pequeña y móvil para que las estructuras sean construidas desde el interior –aunque también hace posible hacerlo desde el exterior-. Dicha impresora va acompañada de una unidad automática de mezcla y abastecimiento.
De acuerdo a la empresa, esto es contrario a las impresoras 3D “tipo portal” empleadas anteriormente, las cuales tienen grandes dimensiones y deben ser al menos del mismo tamaño que el proyecto a construirse requiriendo de un complejo proceso de instalación y montaje antes de iniciar el trabajo de impresión.
Dimensiones de la impresora
Largo 4–8.5 m
Anchura1.6 m
Altura 1.5 m
Peso 2.0 t
Por otra parte, esta tecnología permite la realización de formas y diseños que hasta el momento no eran posibles dados los procesos de construcción tradicionales. Siguiendo la intención de demostrar dicha flexibilidad, la casa de pequeñas dimensiones erigida en Sputino presenta ángulos y formas variadas. De la mano de lo anterior, la empresa refirió que la impresora 3D proporciona la mezcla en cantidades predefinidas imprimiendo capa por capa, por lo que no se genera ningún tipo de deshecho. [2]
Especificaciones de la impresora
- La impresora permite realizar la construcción desde el interior y exterior de la estructura.
- Sus pequeñas dimensiones facilitan el proceso de transportación y no es necesario una gran preparación previa a la construcción debido a que cuenta con un sistema de estabilización y alineamiento integrado.
- El proceso de impresión está casi completamente automatizado reduciendo con esto los errores humanos.
Beneficios al emplear este tipo de impresión
- Se generan superficies de pisos y muros listos para ser pintados
- No se genera ningún desperdicio
- Es posible seleccionar el grosor y configuración de los muros
- Las estructuras no se afectan por las condiciones climáticas debido al empleo de aditivos especiales en la mezcla. A su vez, es posible instalar aislantes adicionales en los muros.
- Se genera un ahorro sustancial en la construcción llegándose a ahorrar hasta un 70%
Especificaciones técnicas de la impresora 3D, Apis COR[3]
| Área máxima de operación | 132 m² |
| Altura máxima desde un mismo punto | 3100 mm |
| Output | 100 m2 de área efectiva por cada 24 horas |
| Velocidad de trabajo | 1 – 10 m/min |
| Ralentí X/ Y | 20.000 mm/min |
| Precisión del posicionamiento | ±0,5 mm |
| Repetición de la Precisión del posicionamiento | 0,1–0,2 mm |
| X / Y / Z accionamiento del eje | servodrive |
| X / Y guías lineares del eje | Perfil de precisión |
| Z precisión del posicionamiento del eje | 0,1-0,2 mm |
| Estabilización horizontal automática | Inclinómetro de alta precisión |
| Reverse switches | De no contacto en todos los ejes |
| Seguimiento del posicionamiento de la cabeza de extrusión | Giroscopio y telémetro |
| Estabilización especial | Controlador PID |
| Durabilidad de la impresora | Un mínimo de 10 años |
Comparativo entre emplear bloques de concreto aireado y el sistema de impresión de 3D desarrollado por APIS COR[4]
| Bloques de concreto aireado | APIS COR impresión 3 D | |
| Material requerido por cada m3 de muro construido | 1m3 | .267 m3 de la mezcla para imprimir |
| Velocidad de construcción de 1 m3 | 3.56 horas de trabajo | .85 horas de trabajo de máquina. Se acelera la velocidad 6 veces. |
| Cálculo de costo | Costo más elevado | Se reduce 2.8 veces el costo |
Desarrollo de la impresión 3D en el Reino Unido
En el Reino Unido se han unido diversas instancias públicas y privadas para el desarrollo de la impresión 3D en concreto que busca tener una aplicación industrial. Siguiendo este fin la empresa de construcción Skanska se encuentra asociada con Foter+Partners, Tarmac, ABB y los ingenieros de la Universidad de Loughborough (LU). A su vez, en el 2016 Manufacturing Technology Centre –organización de investigación independiente de la Gran Bretaña- se involucró en el proceso afianzando aún más las posibilidades y recursos para su implementación. [5]
Este grupo busca dar forma al primer robot comercial que imprima en 3D. De acuerdo a lo anterior, hasta el momento la investigación se ha enfocado en el mecanismo de salida del concreto del robot, en la mezcla y en la programación requerida para convertir dibujos digitales de 3D a un lenguaje comprendido por el robot. Este es un proyecto con amplia duración pues se centra en evaluar el funcionamiento y comportamiento del robot en cuestión durante 20 años; así como en generar una cadena de producción para la impresión 3D.[6] Cabe mencionar que la tecnología que está siendo mejorada y probada por este equipo interdisciplinario fue inicialmente realizada por la universidad de Loughborough dentro del proyecto ‘Freeform Construction Project’.[7]
Barcelona y la impresión 3D: primer puente impreso
A fines del 2016 se inauguró el primer puente peatonal impreso en 3D. Este proyecto fue desarrollado en un lapso de un año y medio, y fue colocado en el parque de Castilla-La Mancha en Alcobendas, Madrid. El puente es una estructura impresa en concreto micro-reforzado. Este material fue elegido de acuerdo a su alta resistencia y a que no requería de soportes internos. La estructura tiene 12 m de largo y un ancho de 1.75 m siendo impresa en 8 partes. Con un diseño paramétrico se buscó minimizar los residuos y optimizar el material empleado.
El ambicioso proyecto fue desarrollado por la empresa ACCIONA e involucró la participación de un equipo de arquitectos, ingenieros mecánicos, ingenieros estructurales y representantes de la administración municipal. Entre ellos destaca la participación del ingeniero italiano Enrico Dini, experto en fabricación 3D a gran escala.[8] A su vez, resultó fundamental la participación del IAAC (Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña) en donde se realizó el diseño arquitectónico. De acuerdo a dicho instituto, este puente resulta una gran innovación pues presenta la aplicación de la tecnología 3D al campo de la ingeniería civil, lo que no había ocurrido anteriormente.[9]
China y la impresión 3D
Como se ha dicho, a nivel mundial destaca el caso de China, en donde la compañía WinSun ha logrado construir diez casas en 24 horas, con un precio de 4.800 dólares por cada una de ellas. En la construcción de estas estructuras se utilizaron materiales residuales de otras construcciones. Para lograr el resultado obtenido la compañía utilizó cuatro impresoras 3D de gran tamaño para poder llegar a cubrir con garantías las proporciones de la casa, lo que implicó cubrir un espacio de 6 m de alto, por 10 m de ancho y 40 m de largo.
Por otra parte, Winsun Decoration Design Engineering Co ha desarrollado las construcciones más altas en 3D hasta la fecha en el parque industrial de Suzhou. Se trató de un bloque de departamentos de cinco pisos y de una mansión de 1.100 m2, completamente decorada y lista para ser utilizada. Los edificios fueron edificados utilizando una impresora de 6.6 x 10 m de alto que acumula capas de una “tinta” hecha a base de una mezcla de fibra de vidrio, acero, cemento, agentes de endurecimiento y desechos de construcción reciclados.
Gracias a esta tecnología, la empresa fue capaz de imprimir las secciones de un edificio, las cuales son ensambladas de manera similar al proceso llevado a cabo con las placas de concreto prefabricadas, montando así la construcción definitiva.
Ventajas de este sistema constructivo:
- El éxito de esta tecnología radica en el uso de herramientas automatizadas que son combinadas con la robótica convencional.
- Entre las ventajas fundamentales se encuentran el acabado de las superficies y la velocidad de fabricación.
- Menor cantidad de materiales (no necesita encofrados o sistemas de moldajes).
- Menor consumo total de energía en todas las fases de construcción.
- Menor pérdida de material (no produce desechos).
- Menor transporte de material, equipos y mano de obra.[10]
Una vez demostradas las posibilidades de esta tecnología, los dirigentes de la compañía tienen la intención de montar alrededor de cien fábricas a lo largo de China para refinar materiales y conseguir más materia prima para la construcción. Aunado a lo anterior, esta empresa ha hecho diversos tipos de alianzas. En primera instancia, se encuentra colaborando con el gobierno de Arabia Saudita en un esfuerzo para imprimir 1.5 millones de casas en un lapso de cinco años. De esta manera, firmó un acuerdo para arrendar 100 de sus impresoras 3D junto con apoyo técnico a un contratista de dicha región haciendo posible la construcción de 30 millones de m2. A su vez, en el 2017 esta impresa firmó un acuerdo con la importante firma de infraestructura AECOM –con presencia en alrededor de 150 países- para colaborar en el desarrollo y aplicación de esta tecnología. [11]
De acuerdo a lo visto, la impresión 3D parece ser una de las principales tendencias para el desarrollo de las tecnologías del concreto en el futuro cercano. Las investigaciones en curso han mostrado la versatilidad de aplicaciones que presenta siendo útil para obras de arquitectura e ingeniería civil. Seguramente en los próximos años cada vez más centros de investigación y empresas se sumarán al desarrollo de esta tecnología atendiendo a sus grandes ventajas ambientales, económicas y técnicas.
[1]Estudio publicado por http://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/3d-concrete-printing-market-10362292.html referido en La impresión 3D en hormigón https://www.interempresas.net/Construccion/Articulos/185326-La-impresion-3D-en-hormigon.html; https://www.3dnatives.com/es/la-impresion-3d-concreto-01062016/
[2] Apis Cor, Rusia. http://apis-cor.com/en/3d-printer
[3] http://apis-cor.com/en/3d-printer
[4] http://apis-cor.com/en/3d-printer
[5] http://www.the-mtc.org/our-case-studies/firm-foundations-with-3d-concrete-printing
[6] https://www.skanska.co.uk/about-skanska/innovation-and-digital-engineering/innovation/3d-printing/
[7] http://www.buildfreeform.com/
[8] http://www.archdaily.mx/mx/803968/inauguran-en-espana-el-primer-puente-impreso-en-3d-del-mundo
[9] Behind the 3D printed bridge. https://3dprintingindustry.com/news/behind-3d-printed-bridge-exclusive-interview-catalonian-designers-iaac-101391/
[10] Enzo Vergara. “En Detalle: Sistema de Impresión 3D / Construcción por contornos” http://www.archdaily.mx/mx/02-357233/en-detalle-sistema-de-impresion-3d-construccion-por-contornos
[11] https://3dprint.com/175111/winsun-aecom-3d-print-mou/