La impresión 3D de hormigón , o simplemente impresión de hormigón , se refiere a procesos de fabricación digital para materiales cementicios basados en una de varias tecnologías de impresión 3D diferentes . El hormigón impreso en 3D elimina la necesidad de encofrado, lo que reduce el desperdicio de material y permite una mayor libertad geométrica en estructuras complejas. Con los recientes desarrollos en diseño de mezclas y tecnología de impresión 3D durante la última década, la impresión 3D de hormigón ha crecido exponencialmente desde su aparición en la década de 1990. Las aplicaciones arquitectónicas y estructurales del hormigón impreso en 3D incluyen la producción de bloques de construcción , módulos de construcción , mobiliario urbano , puentes peatonales y estructuras residenciales de poca altura.
La automatización de los procesos de construcción ha sido un área de investigación en la arquitectura y la ingeniería civil desde el siglo XX. Los primeros enfoques se centraron en la automatización de la albañilería. En 1904, se concedió una patente para una máquina para colocar ladrillos a John Thomas en los EE. UU. [1] En la década de 1960, la tecnología se desarrolló significativamente y se utilizaron equipos funcionales, como el Motor-Mason, en las obras de construcción. [2] [3]
Al mismo tiempo, también se estaba desarrollando la automatización de los procesos de construcción con hormigón. El encofrado deslizante , una técnica ampliamente utilizada hoy en día para construir núcleos de hormigón verticales para edificios de gran altura, se desarrolló a principios del siglo XX para construir silos y elevadores de granos . El concepto fue iniciado por James MacDonald, de MacDonald Engineering Chicago, y publicado por Milko S. Ketchum en un libro ilustrado: The Design of Walls, Bins, and Grain Elevators en 1907. [4] Más tarde, MacDonald publicó un artículo científico: Moving Forms for Reinforced Concrete Storage Bins en 1911. [5] Finalmente, el 24 de mayo de 1917, MacDonald obtuvo una patente estadounidense para un dispositivo para mover y elevar un encofrado de hormigón en un plano vertical. [6]
Las innovaciones en la automatización de los procesos de hormigonado continuaron durante todo el siglo XX. Los procesos de impresión 3D se desarrollaron por primera vez en la década de 1980 para fotopolímeros y termoplásticos. Durante algún tiempo, la tecnología de impresión 3D se limitó a sectores de alto valor agregado, como las industrias aeroespacial y biomédica, debido al alto costo de los materiales. Sin embargo, a medida que crecía la base de conocimientos para la impresión 3D, se desarrollaron nuevos procesos de fabricación aditiva para otros materiales, incluido el hormigón. La tecnología de hormigón impreso en 3D se originó en el Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) en Nueva York, cuando Joseph Pegna aplicó por primera vez la fabricación aditiva al hormigón en 1997. Este experimento fue solo una prueba de concepto, pero Pegna reconoció el desarrollo de la industria de la robótica y lo vio como una oportunidad para automatizar el proceso de construcción, al mismo tiempo que se reducían los costos y la producción de desechos. [7] La investigación de Pegna más tarde se convertiría en la base de la inyección de aglutinante, o la impresión 3D de hormigón a base de polvo.
En 1998, Behrokh Khoshnevis, de la Universidad del Sur de California, desarrolló Contour Crafting , el primer dispositivo de extrusión en capas para hormigón. El sistema utilizaba una grúa controlada por ordenador para automatizar el proceso de vertido y era capaz de crear superficies de contornos suaves. [8] Khoshnevis diseñó inicialmente este sistema para que sirviera como construcción rápida de viviendas para la recuperación de desastres naturales, y afirmó que el sistema podría completar una casa en un solo día. [9] Con innovaciones en materiales, diseño de mezclas y tecnología de impresión, los investigadores e ingenieros han ampliado desde entonces estas dos técnicas de impresión, que se analizarán con más detalle en la siguiente sección.
Hasta la fecha, se han demostrado varios enfoques diferentes, que incluyen la fabricación in situ y fuera del sitio de elementos de construcción o edificios enteros, utilizando robots industriales , sistemas de pórtico y vehículos autónomos atados (consulte la sección sobre impresoras 3D). Las demostraciones de tecnologías de impresión 3D para la construcción han incluido la fabricación de viviendas, elementos de construcción (revestimiento, paneles estructurales y columnas), puentes, infraestructura civil, arrecifes artificiales , follies y esculturas. Actualmente, se utilizan tres métodos de construcción diferentes en la impresión 3D de hormigón: inyección de aglutinante , hormigón proyectado robótico [10] y extrusión de material en capas .
La impresión 3D por chorro de aglutinante, también conocida como impresión 3D de lecho de polvo y aglutinante, se desarrolló originalmente en el Instituto Tecnológico de Massachusetts para activar almidón o yeso en polvo con agua como aglutinante, antes de que Joseph Pegna aplicara el sistema al hormigón. [11] En la impresión por chorro de aglutinante , un cabezal de impresión deposita selectivamente un aglutinante líquido sobre un sustrato en polvo, capa por capa. La altura de la capa varía típicamente entre 0,2 y 2 mm y determina tanto la velocidad como el nivel de detalle en la pieza terminada. Los pasos de posprocesamiento son necesarios en la impresión por chorro de aglutinante una vez que se completa la fabricación en capas. Primero, el polvo no consolidado debe eliminarse mecánicamente, utilizando cepillos y tubos de vacío. También pueden ser necesarios pasos de curado adicionales en hornos con humedad y temperatura controladas o microondas. Finalmente, también se pueden aplicar recubrimientos sobre la superficie para consolidar pequeñas características de la superficie o para mejorar la calidad de la superficie de la pieza. Los materiales típicos utilizados para los recubrimientos son poliéster o resina epoxi. [12]
Enrico Dini ha demostrado a gran escala la impresión 3D de hormigón con tecnologías de inyección de aglutinante con D-Shape . [13] D-Shape se basa en un cemento Sorel no hidráulico que se basa en arena activada con óxido de magnesio en el lecho de polvo y una solución líquida de cloruro de magnesio como aglutinante. La tecnología se ha utilizado principalmente para crear muebles, como una mesa de café y la Root Chair diseñada por KOL/MAC LLC Architecture + Design en 2009. Además, D-Shape produjo grandes piezas arquitectónicas, como el pabellón Radiolaria de 3 × 3 × 3 m diseñado por Shiro Studio en 2008, la Casa Ferreri para la Trienal de Milán en 2010 y una pasarela de doce metros de largo diseñada por Acciona en Madrid, en 2017.
Otro exponente de la impresión 3D de hormigón con chorro de aglutinante es la empresa californiana Emerging Objects. Para su pabellón Bloom, construido en 2015, la empresa utilizó un cemento sin óxido de hierro y un aglutinante orgánico. Si bien no está claro si hay hidratación del cemento involucrada en el proceso, el proyecto se cita a menudo entre otros proyectos de impresión 3D de hormigón con chorro de aglutinante debido al uso de cemento en el lecho de polvo. A diferencia de las estructuras de D-Shape, que se fabricaron en una sola pieza, Emerging Objects fabricó 840 pequeños bloques de construcción que se apilaron para crear la estructura de 3,6 × 3,6 × 2,7 m. [ cita requerida ]
En comparación con otros métodos de impresión 3D para aplicaciones arquitectónicas, la inyección de aglutinante permite un mayor grado de libertad geométrica, incluida la posibilidad de crear ménsulas o voladizos sin soporte y piezas huecas. A diferencia de otros procesos de impresión 3D que requieren estructuras de soporte auxiliares, la inyección de aglutinante se basa en el lecho de polvo no adherido para garantizar un soporte continuo para las capas consecutivas durante la fabricación.
Por lo general, en la impresión 3D con chorro de aglutinante, el polvo sobrante se puede reutilizar para futuras piezas. Sin embargo, la reciclabilidad del polvo de cemento y agregado es problemática debido a la exposición a la humedad ambiental, que puede desencadenar el proceso de hidratación. Por lo tanto, la impresión 3D con chorro de aglutinante no es adecuada para la construcción en el lugar. [12]
La impresión 3D por extrusión de capas de hormigón implica una boquilla controlada numéricamente que extruye con precisión una pasta cementicia capa por capa. Las capas tienen generalmente entre 5 mm y unos pocos centímetros de espesor. La boquilla de extrusión puede ir acompañada de una herramienta de alisado automática que aplana las capas impresas en 3D y cubre las ranuras en las interfaces entre capas, lo que da como resultado una superficie de hormigón lisa. Se han propuesto pasos de automatización adicionales para la integración en un solo paso de fabricación de barras de refuerzo de acero modulares o servicios de construcción integrados , como conductos de plomería o eléctricos. Para este proceso, la planificación del proceso y la velocidad de deposición son parámetros críticos que influyen en la velocidad de endurecimiento y rigidez del material. [12]
La impresión 3D de hormigón por extrusión en capas se utiliza con mayor frecuencia en la construcción in situ y se acompaña de impresoras 3D a gran escala (consulte la sección sobre impresoras 3D). La tecnología ha despertado un creciente interés recientemente, y numerosas universidades, empresas emergentes y destacadas empresas de construcción establecidas están desarrollando hardware, mezclas de hormigón y configuraciones de automatización específicas para la impresión 3D por extrusión de hormigón. Las aplicaciones incluyen puentes, columnas, paredes, losas de suelo, mobiliario urbano, tanques de agua y edificios enteros, tanto en prefabricados como en configuraciones in situ.
A diferencia del colado y la proyección de hormigón convencionales, la impresión 3D por extrusión en capas no necesita encofrados . Esta es una ventaja significativa teniendo en cuenta el hecho de que los encofrados en la construcción de hormigón pueden representar entre el 50 y el 80 % de los recursos, más que las materias primas, el refuerzo y la mano de obra juntos. [14] Los principales desafíos de la extrusión de hormigón en capas son la reología del hormigón según la demanda, la integración del refuerzo y la formación de juntas frías en la interfaz entre capas consecutivas. [15]
El conformado deslizante robótico, un proceso desarrollado en la ETH de Zúrich bajo el nombre de Smart Dynamic Casting [16] , a veces se incluye en la familia de procesos de impresión 3D de hormigón, junto con la extrusión por capas y la inyección de aglutinante. El proceso se ajusta vagamente a la definición de impresión 3D, debido a su naturaleza aditiva, ya que el material se extruye lentamente a través de un molde accionado que puede variar su sección. Sin embargo, a diferencia de los otros procesos de impresión 3D, el conformado deslizante es un proceso continuo, y no discreto o basado en capas, y por lo tanto está más relacionado con los procesos de formación como la fundición y la extrusión.
Existen varias categorías principales de robots que se utilizan para la impresión 3D de hormigón, que dependen de la aplicación, la escala del proyecto y la técnica de impresión. Todas las impresoras 3D para la construcción generalmente constan de una estructura de soporte y un cabezal de impresión con una boquilla que extruye el hormigón. Las impresoras suelen utilizarse junto con un software de modelado que carga los planos del edificio directamente en la impresora.
Además del tipo de impresora, los parámetros específicos de la impresora afectan significativamente el rendimiento final del hormigón impreso en 3D y deben seleccionarse con cuidado al planificar la construcción con impresión 3D. Estos parámetros se pueden desglosar simplemente en diseño del cabezal de impresión y velocidad de impresión.
El cabezal de impresión debe seleccionarse de manera que la mezcla de hormigón pueda pasar suavemente a través de la boquilla y crear el efecto de unión entre cada capa, al mismo tiempo que se inicia el proceso de solidificación. [8] De manera similar a la selección de la impresora, las formas y tamaños de las boquillas varían según la aplicación. Las muestras de hormigón impresas en 3D a partir de boquillas con orificios rectangulares suelen tener mayor resistencia que las impresas con boquillas circulares, porque hay menos espacios entre cada capa impresa. [8] Sin embargo, las boquillas circulares son más adecuadas para imprimir geometrías complejas. Para las muestras impresas a partir del mismo tipo de boquilla, las propiedades mecánicas mejoran cuando se utiliza una boquilla más grande. [8]
La altura del cabezal de impresión es la altura de la boquilla con respecto a la plataforma de impresión. Este parámetro afecta la calidad de la superficie entre las capas, incluida la fuerza de unión, y debe ajustarse con precisión. Un cabezal de impresión demasiado alto reducirá la fuerza de unión entre las capas, lo que provocará una forma inestable. [8] Una boquilla demasiado cerca de la superficie de impresión puede interferir con el proceso de impresión y colocar cargas adicionales sobre el hormigón. La investigación propone una altura de impresión igual al ancho de la boquilla. [8]
La velocidad a la que se ajusta el cabezal de impresión también influye en la fuerza de adhesión. Aumentar la velocidad de la boquilla generalmente disminuye la fuerza adhesiva, ya que el hormigón tiene poco tiempo para fraguar. Sin embargo, tardar demasiado en imprimir capas sucesivas reduce la unión entre capas, por lo que se debe establecer un equilibrio que tenga en cuenta la resistencia sin un colapso prematuro. [8] Otros factores que influyen en la calidad del hormigón impreso en 3D incluyen las bombas y los controles utilizados para monitorear la impresora, así como el diseño de la mezcla de hormigón (consulte la sección sobre Diseño de mezcla).
La tecnología de impresión 3D de hormigón ha crecido exponencialmente durante la última década y se espera que siga creciendo a medida que los investigadores aprendan más sobre el software, el hardware y las capacidades de construcción de estas impresoras. A continuación, se muestran algunas empresas e impresoras 3D destacadas que se utilizan en todo el mundo:
En el caso del hormigón impreso en 3D, la capacidad de construcción y extrusión son dos de las propiedades de diseño más importantes para una mezcla. [26] La capacidad de extrusión es la capacidad de la mezcla de pasar a través de las boquillas del cabezal de impresión, mientras que la capacidad de construcción es la capacidad de soportar capas adicionales. [27] Estas propiedades están regidas por la consistencia, la cohesión y la estabilidad de la mezcla, que se derivan del diseño de la mezcla y de los materiales seleccionados. Para ambas propiedades, se debe lograr un equilibrio entre la rigidez y la trabajabilidad. Una mezcla rígida aumentará la resistencia, pero disminuirá el caudal y la velocidad de impresión, lo que podría obstruir el cabezal de la impresora. [27] Por el contrario, reducir demasiado la rigidez puede aumentar la trabajabilidad y la extrusión a expensas de la resistencia y la capacidad de construcción. [27]
Dado que el hormigón se imprime en capas, estas deben unirse lo suficiente entre sí para permitir un curado adecuado y una capacidad de resistencia total. Se han llevado a cabo importantes investigaciones para crear una mezcla óptima para la impresión 3D, [27] aunque no existen estándares industriales actuales. Sin embargo, el uso de materiales cementicios suplementarios (SCM) como metacaolín, cenizas volantes, humo de sílice y superplastificantes es común en todas las mezclas de hormigón impresas en 3D (consulte la sección sobre aditivos). [26]
Los materiales cementicios son parte integral de cualquier diseño de mezcla de hormigón. Estos materiales sirven como aglutinante que mantiene unida la mezcla, ya que reaccionan químicamente con el agua para someterse al proceso de curado. El cemento Portland es el material más común en la construcción, tanto para aplicaciones de hormigón impreso en 3D como tradicionales, debido a su bajo coste y amplia disponibilidad. Sin embargo, su alto tiempo de fraguado y su baja capacidad de unión son desventajosos para las aplicaciones impresas en 3D. [8] Por lo tanto, a menudo se añaden polímeros y otros aditivos para reducir la contracción y mejorar la adhesión. [8] Algunos de estos polímeros incluyen caucho, agregados de arena mixta, polímeros de carbono y azufre y geopolímeros, que también tienen beneficios adicionales de reparación y resistencia a las grietas. [8]
Una alternativa es el cemento de sulfoaluminato, que se puede mezclar con cemento Portland para acelerar el proceso de hidratación y ayudar a desarrollar la resistencia inicial del hormigón después de su colocación. Mientras que el tiempo de fraguado del cemento Portland es de aproximadamente media hora, el tiempo de fraguado del cemento de sulfoaluminato es de solo seis minutos. [8] Por lo tanto, se puede lograr una mayor resistencia en un período de tiempo mucho más corto, lo que aumenta la capacidad de construcción.
El contenido y la selección de los agregados son tan importantes como los materiales cementicios seleccionados cuando se trata del diseño de la mezcla de hormigón. En particular, el tamaño de las partículas tiene un efecto significativo en las mezclas de hormigón impresas en 3D. Los tamaños de partículas demasiado grandes pueden bloquear la boquilla de la impresora 3D, mientras que los agregados demasiado pequeños reducen la resistencia de la mezcla y pueden provocar grietas. [8] Una regla general para el diseño de mezclas es que el tamaño máximo de las partículas de los agregados debe ser inferior a 1/10 del diámetro de la boquilla para garantizar una extrusión suave. [8]
Se han realizado varios estudios para examinar la influencia del tamaño del agregado en las propiedades mecánicas del hormigón impreso en 3D. Se descubrió que el aumento del agregado grueso mejora la estabilidad volumétrica del hormigón y disminuye el calor de hidratación y la contracción, que eran problemas comunes en las primeras mezclas de hormigón impresas en 3D. [26] El uso de agregado grueso también aumenta la tasa de deposición de hormigón y la velocidad del cabezal de impresión, lo que puede aumentar la eficiencia y la productividad de la impresión. Por lo tanto, la estructura impresa logra una mayor estabilidad y resistencia, como observaron Ivanova y Mechtcherine. [26] Existe un límite para el contenido y el tamaño de agregado grueso, ya que el desafío de controlar la reología se hace evidente. Los agregados naturales como la arena y la grava son los preferidos, ya que requieren menos energía para producirse en comparación con los agregados artificiales, pero la selección de agregados puede verse limitada por los depósitos regionales.
Los aditivos incluyen cualquier material que no sea agua, agregados y materiales cementantes, que afecten las propiedades de la mezcla de concreto. Especialmente en el concreto impreso en 3D, estos aditivos son fundamentales para equilibrar la edificabilidad, trabajabilidad y extruibilidad. Las cenizas volantes son el principal aditivo para el concreto impreso en 3D de alto rendimiento, ya que mejoran el rendimiento de trabajo y la durabilidad. [26] Sin embargo, grandes cantidades de cenizas volantes pueden provocar un desarrollo más lento de la resistencia y la edificabilidad, por lo que a menudo se mezclan con otros aditivos como la arcilla, para mantener la estabilidad de la forma. [26]
El humo de sílice es otro aditivo común para las mezclas de hormigón impresas en 3D, ya que aumenta la resistencia inicial del hormigón impreso, así como la resistencia a la flexión una vez que el hormigón se cura. La principal ventaja del humo de sílice es que sus pequeñas partículas rellenan los espacios vacíos alrededor de los agregados más grandes, lo que mejora el rendimiento de la unión con el aglutinante de cemento. Esto también ayuda a optimizar la distribución del tamaño de las partículas de la mezcla, lo que aumenta la tensión de fluencia y la edificabilidad. [26]
Al igual que con las mezclas de hormigón estándar, las mezclas para hormigón impreso en 3D suelen probarse para determinar su resistencia a la compresión y a la flexión. Estas propiedades mecánicas dependen en gran medida del diseño de la mezcla y se pueden mejorar añadiendo aditivos como los descritos en la sección anterior. Para una mezcla que contiene cemento Portland común, cenizas volantes, humo de sílice y agregados de vidrio fino, la resistencia a la compresión es de alrededor de 36 a 57 MPa, que es comparable a la resistencia a la compresión del hormigón de peso normal. También se han logrado resistencias de hormigón de alto rendimiento de más de 100 MPa mediante el uso de superplastificantes y productos químicos adicionales, pero estas mezclas requieren más energía para producirlas. [26]
En el caso del hormigón impreso en 3D, las propiedades estructurales se ven influidas en gran medida por el rendimiento de la unión entre capas. Aumentar la velocidad de impresión y la altura del cabezal de impresión puede reducir la resistencia de la unión entre capas, mientras que añadir un mortero entre las capas puede mejorar esta resistencia. En particular, se ha comprobado que un mortero de resina compuesto de carbón negro, azufre y arena es eficaz. [26]
Dado que no existen estándares establecidos para el diseño de mezclas de hormigón con impresión 3D, las empresas suelen realizar sus propias investigaciones y desarrollos si deciden ofrecer la impresión 3D como un servicio de construcción. A continuación, se presentan algunas empresas destacadas que han implementado con éxito la impresión 3D de hormigón en su ámbito de servicios.
Debido a los desafíos que presenta el refuerzo y las limitaciones de la tecnología de impresión, las aplicaciones del hormigón impreso en 3D se han limitado principalmente a proyectos de pequeña escala, como maquetas y viviendas, en lugar de grandes edificios comerciales. Sin embargo, existen algunos proyectos notables en todo el mundo que demuestran el potencial del hormigón impreso en 3D.
La Citadelle Des Savoir-Faire es un proyecto que emplea la impresión 3D de hormigón para construir estructuras arquitectónicas complejas. Esta iniciativa, situada en Francia, tiene como objetivo demostrar las capacidades de la tecnología de impresión 3D en la construcción sostenible. La Citadelle funciona como un centro educativo donde profesionales y estudiantes pueden aprender y experimentar con esta tecnología. El proyecto se centra en el uso de materiales ecológicos y técnicas de diseño avanzadas, contribuyendo a la reducción de la huella de carbono del sector de la construcción. Una vez completado, este complejo tendrá una superficie interior total de unos 2565 metros cuadrados (27 600 pies cuadrados).
Un logro notable de La Citadelle Des Savoir-Faire es la construcción del edificio impreso en 3D más alto del mundo, La Tour. Construido en 2023, este edificio de tres pisos ha establecido un nuevo récord mundial por su altura de 14,14 m (46,4 pies), lo que ilustra el potencial de la tecnología de impresión 3D para crear estructuras a gran escala.
ICON está creando una comunidad de 100 casas impresas en 3D en Georgetown, Texas. Las reservas comenzarán en 2023 con precios iniciales de alrededor de $400,000. La flota de impresoras Vulcan puede producir ocho planos de planta diferentes de 3 a 4 habitaciones y 2 a 3 baños. [22] Un sistema de alimentación de hormigón conocido como Magma suministra a la impresora Vulcan la mezcla de hormigón desarrollada por Icon, conocida como Lavacrete, que puede ajustarse a las condiciones climáticas del sitio y suministrar hormigón listo para imprimir automáticamente. [22] Las casas impresas en 3D de 90 a 200 m2 tardan entre cinco y siete días en imprimirse, en comparación con una estructura de madera que tardaría hasta 16 semanas en la misma área. [22]
En marzo de 2020, ICON también completó un proyecto de siete casas impresas en 3D en Austin, Texas. Cada casa de 400 pies cuadrados se imprimió en solo 27 horas utilizando la impresora Vulcan de ICON. Los primeros residentes se mudaron a las casas en 2020 y se estima que albergan a 480 de las personas sin hogar de la ciudad, aproximadamente el 40% de la población sin hogar de la ciudad. [35]
En 2021, Habitat for Humanity , la organización constructora de viviendas sin fines de lucro más grande del mundo, construyó dos casas impresas en 3D en Williamsburg, Virginia, y Tempe, Arizona. La casa de Virginia tenía 111,5 m2 y se imprimió en solo 28 horas con una impresora 3D COBOD, lo que fue unas cuatro semanas más rápido que la construcción estándar. [36] La organización estimó que las paredes de hormigón impresas en 3D ahorraron alrededor del 15 % por pie cuadrado en costos de construcción. La casa de 168,5 m2 en Arizona se construyó en verano: una época en la que la construcción normalmente se detiene debido al calor extremo. El 80 % de la casa se construyó mediante impresión 3D, incluidas las paredes interiores y exteriores, mientras que el resto, como el techo, se construyó con métodos tradicionales. [36] Habitat for Humanity espera que las casas impresas en 3D puedan ser una solución para la vivienda asequible, así como para la escasez de mano de obra en climas y entornos extremos.
El primer edificio residencial impreso en 3D en Alemania fue construido en septiembre de 2020 por PERI, utilizando la impresora BOD2 de COBOD y la mezcla de hormigón de Heidelberg Cement. [35] Se imprimieron 24 elementos de hormigón en una instalación y luego se transportaron al sitio para su ensamblaje. La impresora creó 1 m2 de pared cada 5 minutos, completando la casa de 160 m2 en noviembre de 2020. Solo se necesitaron dos operadores para imprimir las paredes, lo que incluyó la colocación de agua, electricidad y conexiones de tuberías. [35]
En 2021, la ciudad holandesa de Nimega reveló el puente peatonal de hormigón impreso en 3D más largo del mundo, con una longitud de 29 metros. [37] Se estimó que la impresión 3D ahorró alrededor del 50% en materiales porque el hormigón solo se colocó donde se requería resistencia estructural. Los componentes del puente impresos en 3D fueron fabricados por BAM y Weber Beamix fuera del sitio, donde luego se transportaron y ensamblaron en el sitio. El récord anterior para el puente de hormigón impreso en 3D más largo fue de 26 metros, construido por la Universidad de Tsinghua en Shanghái. [37]
En términos de costo y economía, una ventaja del hormigón impreso en 3D es que no requiere encofrado, que se utiliza para formar el molde para el vertido de hormigón convencional. El encofrado puede representar hasta el 50% de la construcción total de hormigón debido a los costos de material y mano de obra. [38] Sin embargo, existen costos asociados con la maquinaria, incluidas las boquillas del cabezal de impresión y los dispositivos de monitoreo complementarios. Además, las mezclas de hormigón impresas en 3D a menudo difieren del hormigón convencional con adiciones de nanoarcilla, nanosílice y otros aditivos químicos que ayudan al proceso de extrusión. [38]
El hormigón impreso en 3D tiene beneficios económicos indirectos en términos de productividad. El sector de la construcción suele ser muy tradicional y, en su mayor parte, los procesos se han mantenido similares durante las últimas décadas. Esto se debe en gran parte a que los procesos actuales siguen siendo eficaces en muchas aplicaciones de construcción. Por ejemplo, un estudio de García de Soto comparó un conjunto de pared fabricado por robot y uno construido de manera convencional con diferentes grados de complejidad y descubrió que la construcción convencional superó a la fabricación robótica para paredes más simples, mientras que el robot fue más productivo a medida que aumentaba la complejidad geométrica. [38] No hubo costos adicionales debido a la fabricación robótica y, en ambos casos, la producción de materiales fue el factor determinante del costo, a diferencia de los procedimientos de construcción. [38]
El impacto ambiental del hormigón impreso en 3D depende en gran medida de los procesos y materiales utilizados para un proyecto determinado. El hormigón impreso en 3D tiene el potencial de reducir el material en la producción de hormigón debido a la eliminación del encofrado, pero los aditivos especializados y la tecnología requerida pueden tener un impacto en el medio ambiente tan grande como la construcción con hormigón convencional. Una evaluación del ciclo de vida (LCA) de principio a fin que compara el impacto ambiental de un muro de hormigón construido de manera convencional con un muro de hormigón impreso en 3D reveló que la alternativa impresa en 3D solo redujo los efectos ambientales cuando no se utilizó ningún refuerzo. [39] Los impactos del LCA del potencial de calentamiento global , el potencial de acidificación, el potencial de eutrofización y el potencial de formación de smog se utilizaron para medir los impactos ambientales. Una vez que se introdujo el refuerzo en la estructura de hormigón impresa en 3D, estos impactos fueron mayores que los de los métodos de construcción convencionales, específicamente para el calentamiento global y el potencial de formación de smog. [39]
Otro estudio de análisis de ciclo de vida (LCA) realizó un estudio similar en el que se comparaban muros de hormigón convencionales e impresos en 3D, pero variaba la complejidad de la estructura. Se descubrió que, a medida que aumentaba la complejidad de la estructura, el método de impresión 3D tenía un menor impacto ambiental. [38] Esto se debió principalmente a la capacidad del hormigón impreso en 3D de lograr formas complejas y, al mismo tiempo, ahorrar materiales de construcción en términos de encofrado y volumen de hormigón. [38] En general, el impacto ambiental del hormigón impreso en 3D está influenciado por el diseño de la estructura y por lo bien que el ingeniero pueda optimizar el uso del material. En términos de materiales, los impactos ambientales son similares a los del hormigón convencional, ya que aún se requiere un aglutinante de cemento. Sin embargo, el proceso de construcción optimizado que viene con la impresión 3D disminuye el desperdicio de material y las emisiones en el lugar. [40]
A partir de cuatro ejemplos, se ha estimado que la contribución de las emisiones de gases de efecto invernadero por metro cuadrado asociada a la construcción de casas impresas en 3D es menor que la de las construidas de forma convencional. [41]
Varias limitaciones impiden que la impresión 3D de hormigón se adopte ampliamente en toda la industria de la construcción. En primer lugar, la paleta de materiales que se puede utilizar para el hormigón impreso en 3D es limitada, en particular debido a la extrusión de boquillas y al proceso de deposición de capas de hormigón, lo que introduce el desafío del colapso prematuro. [38] Por lo tanto, la investigación sobre las propiedades de los materiales y el desarrollo de materiales cementicios de alta calidad que cumplan con los códigos de hormigón estructural y las aplicaciones de impresión 3D es un área de enfoque actual. Debido a la sensibilidad de una mezcla de hormigón, un cambio en el tipo de cemento, agregado o aditivo afectará las propiedades y el comportamiento del hormigón.
Los códigos de construcción actuales consideran al hormigón como un material homogéneo cuando, en realidad, el hormigón es anisotrópico . Esta anisotropía se expone aún más con las capas impresas, por lo que se deben desarrollar nuevos métodos para estimar las deformaciones y el agrietamiento. Además, las pruebas de materiales actuales para el hormigón consisten en muestras cilíndricas de acuerdo con ASTM C39. [42] Actualmente no existe una base sistemática o teórica para el hormigón impreso en 3D, especialmente cuando se trata de pruebas estándar.
Los proyectos actuales de impresión 3D se han limitado a la creación de prototipos de modelos y edificios de poca altura y gran superficie, en lugar de edificios comerciales de gran altura, debido a las restricciones de la tecnología de impresión 3D. [8] Las impresoras deben ser compatibles con la altura del edificio, por lo que se requiere investigación adicional sobre la estabilidad y el diseño de impresoras 3D. También existen desafíos con el refuerzo en la impresión 3D de hormigón, que es necesario para estructuras más altas. Consulte el refuerzo para la impresión 3D de hormigón para obtener más detalles.
Se llevan a cabo investigaciones pioneras sobre el tema de la impresión 3D de hormigón en la ETH de Zúrich, la Universidad de Loughborough , la Universidad Tecnológica de Swinburne , la Universidad Tecnológica de Eindhoven y el Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña , entre muchas otras instituciones.
Debido al creciente interés en la impresión 3D de hormigón tanto por parte de la industria como del mundo académico, se han iniciado una serie de conferencias a nivel internacional. 3DPrinthused organizó dos conferencias internacionales centradas en la industria en febrero y noviembre de 2017 en Copenhague. Posteriormente, la conferencia académica bianual Digital Concrete se organizó en la ETH de Zúrich en 2018, en el Instituto Tecnológico de Eindhoven en 2020 y en la Universidad de Loughborough en 2022. Una serie paralela de conferencias recurrentes, centradas en la región de Asia y el Pacífico, se organizó en la Universidad Tecnológica de Swinburne en 2018, la Universidad de Tianjin en 2019 y las Universidades de Shanghái Tongji y Hebei en 2020.
La impresión de hormigón se puede utilizar directamente para producir la pieza final o, indirectamente, para producir encofrados en los que se vierte o proyecta el hormigón. [43]
Los encofrados impresos en 3D resuelven algunos de los principales desafíos de la impresión 3D de hormigón. Las barras de refuerzo se pueden integrar de forma convencional y el hormigón colado o proyectado de forma convencional cumple con los códigos de construcción. Además, la calidad de la superficie del hormigón es significativamente mejor que en la impresión 3D de hormigón. Para lograr una superficie lisa, los encofrados impresos en 3D se pueden recubrir o pulir.
La impresión 3D de hormigón con extrusión por capas se ha utilizado para producir encofrados fijos para el vertido de hormigón. En este enfoque, se produce en un primer paso una carcasa fina, que consta de uno o dos contornos impresos en 3D, ya sea en una planta de prefabricación o directamente in situ. Posteriormente, se instalan jaulas de refuerzo y se fijan en su posición. Finalmente, se vierte el hormigón dentro de la carcasa, ya sea en una sola pasada o en varios pasos para evitar la acumulación de presión hidrostática en las secciones inferiores del encofrado. [43]
Para los cálculos estructurales, la carcasa impresa en 3D generalmente se ignora y solo se considera que el hormigón colado soporta la carga. Sin embargo, la carcasa impresa en 3D puede considerarse para la cubierta de refuerzo de hormigón necesaria que protege el acero de la corrosión .
Como alternativa, se puede emplear la impresión 3D con materiales no cementicios para la producción de encofrados para hormigón. La impresión por extrusión con arcilla, espuma, cera y polímeros, así como la inyección de aglutinante con arena y la estereolitografía , se han utilizado para la fabricación de encofrados para componentes de hormigón arquitectónico.
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