El sector de la construcción está cambiando y modernizándose a gran velocidad. No hay mejor ejemplo de ello que la forma en que se está utilizando la impresión 3D para construir viviendas y edificios comerciales.
En 2019 se “imprimió” un edificio de oficinas de dos plantas en Dubái, convirtiéndose en el edificio más grande jamás impreso en 3D del mundo por superficie: 640 metros cuadrados. En Francia, XtreeE tiene previsto construir cinco viviendas de alquiler como parte del proyecto Viliaprint. Constructions 3D imprimió las paredes del pabellón de su futura sede en solo 28 horas.
Hoy es posible imprimir edificios. La impresión 3D permite prever un sector de la construcción más económico y respetuoso con el medio ambiente gracias a su rapidez y a la variedad de formas arquitectónicas que es capaz de producir.
¿Qué es la impresión en 3D?
La impresión 3D consiste en reproducir un objeto modelado en un ordenador mediante la superposición de capas de material. También conocida como “fabricación aditiva”, esta técnica se está desarrollando en todo el mundo y en todos los campos, desde los plásticos a la medicina, pasando por la alimentación o la construcción.
Para conseguir la impresión 3D de edificios, el mortero (compuesto de cemento, agua y arena) fluye a través de una boquilla conectada a una bomba utilizando una manguera. Los tamaños y tipos de impresoras varían de un fabricante a otro. Uno de los tipos de impresoras que existen es la impresora “cartesiana” (arriba/abajo, izquierda/derecha, delante/detrás), y suele instalarse en un sistema de jaulas del que depende totalmente el tamaño de los elementos imprimidos. Otro tipo de impresora es la “maxiimpresora” y está equipada con un brazo robótico que puede desplazarse a cualquier obra para imprimir directamente in situ diferentes componentes estructurales en una gama más amplia de tamaños de objetos.
En la actualidad, hay especialistas en impresión 3D de hormigón en todo el mundo, como COBOD en Dinamarca, Apis Cor en Rusia, XtreeE en Francia y Sika en Suiza. Todas estas empresas comparten un objetivo común: promover la adopción generalizada de la fabricación aditiva para la construcción de edificios.
La impresión 3D ahorra tiempo en el lugar de la obra
Tal vez la ventaja más grande de la impresión en 3D es que minimiza los pasos que consumen tanto tiempo en el proceso de diseño. Como se aplica una cadena de suministro más corta y un proceso de diseño más rápido, las casas impresas en 3D pueden completarse en poco menos de un día, en lugar de un proceso de meses. Al no necesitar comer ni dormir, las impresoras 3D no dejan de trabajar hasta que el proyecto está finalizado. Esto reduce en gran medida el tiempo de inactividad en la obra.
Por otro lado, los edificios impresos en 3D tienen costes mucho más bajos que los construidos con métodos tradicionales porque requieren menos materia prima y mano de obra. Con los procesos aditivos en lugar de los sustractivos, se utilizan menos materiales y los costes de mano de obra pueden reducirse hasta en un 80% si la mayor parte de la construcción se realiza con impresoras 3D. Los costes de producción también disminuyen porque se elimina la necesidad de mantener grandes espacios de almacenamiento o de transportar los materiales de construcción.
Otras ventajas de los edificios imprimidos en 3D es que ofrecen una mayor integridad estructural. Así, es más fácil hacerse una idea del resultado final del producto antes de que se construya. Esto hace que sea menos complicado hacer cambios en el edificio. Además, la impresión en 3D significa que hay menos problemas logísticos durante el transporte, ya que los materiales pueden transportarse de forma barata, fácil y segura, sin necesidad de trabajos posteriores al montaje o moldes de madera.
Del laboratorio a la escala real
La impresión en 3D requiere morteros con características muy específicas que les permitan ejecutar cambios de manera rápida.
De hecho, estos materiales son complejos y su caracterización aún está en proceso de desarrollo: los morteros deben ser lo suficientemente fluidos para ser “bombeables” sin obstruir la tubería, y tener la suficiente capacidad de extrusión para poder salir de la boquilla de impresión sin bloquearla. Una vez depositado en forma de cordón, el comportamiento del mortero debe cambiar muy rápidamente para garantizar que pueda soportar su propio peso, así como el de las capas que se superpondrán a él. No se permite la propagación o el “pandeo estructural” del material, ya que podría romper el objeto. Por ejemplo, una forma cuadrada simple es susceptible de pandeo, lo que podría provocar el colapso del objeto, ya que no hay material que proporcione soporte lateral a las paredes de la estructura. Las formas compuestas por espirales y curvas aumentan la estabilidad del objeto y reducen de esta manera el riesgo de pandeo.
Estos cuatro criterios (capacidad de bombeo, capacidad de extrusión, constructibilidad y estética) definen las especificaciones para las “tintas” de impresión 3D a base de cemento. El método utilizado para aplicar el mortero no debe ir en detrimento de las características de servicio del objeto, como la resistencia mecánica o las propiedades relacionadas con la durabilidad del mortero en cuestión. Por lo tanto, el sistema de impresión, comparado con los métodos tradicionales de aplicación de mortero, no debe alterar el rendimiento del material ni en términos de su resistencia (a la flexión y a la compresión), ni de su longevidad.
Asimismo, la granulometría y composición global del mortero debe adaptarse al sistema de impresión. Algunos sistemas, como el utilizado para la “Impresora Maxi”, requieren que todos los componentes del mortero, excepto el agua, estén en forma sólida. Esto significa que se deben encontrar los aditivos correctos (sustancias químicas utilizadas para modificar el comportamiento del material). Las pruebas de impresión a gran escala requieren el uso de grandes cantidades de material.
Para empezar, se realizan en el laboratorio ensayos a pequeña escala de los morteros, también llamados tintas, con el fin de reducir las cantidades de materiales que se van a utilizar. Se puede utilizar una pistola selladora de silicona para simular la impresión y permitir la validación de varios criterios. A continuación, se pueden realizar pruebas menos subjetivas para medir la naturaleza “construible” de las tintas. Entre ellas se encuentra la prueba del “cono de caída”, que se usa para observar cambios en el comportamiento del mortero a lo largo del tiempo, usando un cono que se hunde en el material a intervalos regulares.
Una vez validados los morteros en el laboratorio, deben someterse a pruebas a escala real para verificar la capacidad de bombeo del material y otros criterios relacionados con la capacidad de impresión.
Hay que tener en cuenta que todavía no existen normas europeas que definan los criterios específicos de rendimiento de los morteros de impresión. Además, los objetos impresos en 3D no están autorizados para ser utilizados como elementos portantes de un edificio. Esto requeriría una certificación, como fue el caso del proyecto Viliaprint.
Sustitutos de los ingredientes habituales del mortero para conseguir tintas más ecológicas y económicas
Hoy en día, los morteros para impresión están formados principalmente por cemento, un material bien conocido por su importante contribución a las emisiones de CO₂. La clave para obtener tintas más respetuosas con el medio ambiente y económicas es producir tintas a base de cemento con una menor proporción de “clinker” (el principal componente del cemento, obtenido por la calcinación de la piedra caliza y la arcilla). De esta manera se lograría limitar el impacto del carbono de los morteros, así como su precio.
En este sentido, el Instituto de Minas y Telecomunicaciones francés IMT Nord-Europe trabaja en la incorporación de subproductos industriales y aditivos minerales a estos morteros. Algunos ejemplos son el “relleno de piedra caliza”, un polvo de piedra caliza muy fino; la “escoria de alto horno”, un coproducto de la industria siderúrgica; el metacaolín, una arcilla calcinada (caolinita); las cenizas volantes, derivadas de la biomasa (o de la combustión de carbón en polvo en las calderas de las centrales térmicas); las cenizas de fondo de la incineración de residuos no peligrosos (NHWI), el residuo que queda tras la incineración de residuos no peligrosos, o los ladrillos triturados y molidos. Todos estos materiales se han utilizado para sustituir parcial o totalmente el aglutinante, es decir, el cemento, en las tintas a base de cemento para la impresión 3D.
También se están estudiando materiales sustitutivos para la estructura granular del “esqueleto” del mortero, normalmente compuesta por arena natural. Por ejemplo, el proyecto europeo CIRMAP pretende sustituir el 100% de la arena natural por arena reciclada, normalmente procedente del hormigón reciclado triturado obtenido de la deconstrucción de edificios.
La sustitución del aglutinante y del esqueleto granular conlleva numerosas dificultades: las adiciones minerales pueden hacer que el mortero sea más o menos fluido de lo habitual, lo que repercutiría en las características de extrusión y de construcción de la tinta; y la resistencia mecánica a la flexión o a la compresión también podría verse afectada de forma significativa en función de la naturaleza del material utilizado y de la tasa de sustitución del componente de cemento.
Aunque la impresión en 3D plantea muchas cuestiones, esta nueva tecnología permite la creación de estructuras arquitectónicas atrevidas y debería reducir los riesgos que se dan en las obras de construcción actuales.
El futuro de la impresión 3D
Como hay pocos arquitectos e ingenieros que hayan incorporado la impresión 3D en su proceso de construcción, también hay una falta de tecnología que haga el proceso más escalable. Por ejemplo, los planos tradicionales no son actualmente compatibles con el software de impresión 3D. En muchos casos, crear un edificio impreso en 3D significaría empezar desde cero.
Queda por ver si la impresión 3D reducirá el número de arquitectos, contratistas e ingenieros necesarios para diseñar y planificar un proyecto de construcción, o el número de trabajadores cualificados en la obra. ¿Revolucionará realmente la impresión 3D el sector de la construcción? El jurado aún no ha decidido, pero está claro que hay miles de millones en juego.
De momento, lo que es seguro es que la impresión 3D acelera la productividad con una solución integrada para la gestión de la producción, la estimación y el cálculo