La impresión 3D para la construcción ( c3Dp ) o impresión 3D para la construcción ( 3DCP ) se refiere a varias tecnologías que utilizan la impresión 3D como método principal para fabricar edificios o componentes de construcción. Los términos alternativos para este proceso incluyen "construcción aditiva". [1] [2] "Hormigón 3D" se refiere a las tecnologías de extrusión de hormigón, mientras que el sistema de construcción robótica autónoma (ARCS), la fabricación aditiva a gran escala (LSAM) y la construcción de forma libre (FC) se refieren a otros subgrupos. [3]
A escala de construcción, los principales métodos de impresión 3D son la extrusión ( hormigón / cemento , cera , espuma , polímeros ), la unión de polvo (unión de polímero, unión reactiva, sinterización ) y la soldadura aditiva.
Hasta la fecha se han demostrado varios enfoques diferentes, que incluyen la fabricación in situ y fuera del sitio de edificios y componentes de construcción, utilizando robots industriales , sistemas de pórtico y vehículos autónomos atados . Las demostraciones de tecnologías de impresión 3D para la construcción han incluido la fabricación de viviendas, componentes de construcción (revestimientos y paneles estructurales y columnas), puentes e infraestructura civil, arrecifes artificiales , follies y esculturas. [4] [5]
La impresión 3D de hormigón es una tecnología que tiene el potencial de revolucionar la construcción de edificios y estructuras, ahorrando tiempo, materiales, mano de obra y costos, al tiempo que mejora la sostenibilidad y el impacto ambiental de la construcción. Sin embargo, esta tecnología enfrenta diversos obstáculos y desafíos, como: la selección y el diseño de mezclas de materiales; la calidad y el control del proceso; la integridad estructural; la durabilidad de las estructuras impresas en 3D; y la regulación y estandarización de la industria. [6]
En 1939, William Urschel creó el primer edificio impreso en hormigón en 3D del mundo en Valparaíso, Indiana. En YouTube se puede ver un vídeo de la máquina que construyó, utilizó y patentó para hacerlo: https://www.youtube.com/watch?v=Dl9rhG5BPrM
La albañilería robótica se conceptualizó y exploró en la década de 1950 y el desarrollo de tecnología relacionada en torno a la construcción automatizada comenzó en la década de 1960, con hormigón bombeado y espumas de isocianato. [7] El desarrollo de la fabricación automatizada de edificios enteros utilizando técnicas de encofrado deslizante y ensamblaje robótico de componentes, similar a la impresión 3D, fue iniciado en Japón para abordar los peligros de la construcción de edificios de gran altura por Shimizu e Hitachi en la década de 1980 y 1990. [8] Muchos de estos primeros enfoques de automatización en el sitio fracasaron debido a la "burbuja" de la construcción, su incapacidad para responder a arquitecturas novedosas y los problemas de alimentación y preparación de materiales en el sitio en áreas edificadas.
El desarrollo y la investigación de la impresión 3D para la construcción temprana han estado en marcha desde 1995. Se inventaron dos métodos, uno por Joseph Pegna [9] que se centró en una técnica de formación de arena /cemento que utilizaba vapor para unir selectivamente el material en capas o partes sólidas, aunque esta técnica nunca se demostró.
La segunda técnica, Contour Crafting de Behrohk Khoshnevis, comenzó inicialmente como un novedoso método de extrusión y modelado de cerámica, como una alternativa a las técnicas emergentes de impresión 3D de polímeros y metales, y fue patentada en 1995. [10] Khoshnevis se dio cuenta de que esta técnica podría superar a estas técnicas en las que "los métodos actuales se limitan a la fabricación de dimensiones de piezas que generalmente son inferiores a un metro en cada dimensión". Alrededor de 2000, el equipo de Khoshnevis en USC Vertibi comenzó a centrarse en la impresión 3D a escala de construcción de pastas cementosas y cerámicas, abarcando y explorando la integración automatizada de refuerzo modular, plomería incorporada y servicios eléctricos, dentro de un proceso de construcción continuo. Esta tecnología solo se ha probado a escala de laboratorio hasta la fecha y, de manera controvertida y presunta, formó la base de esfuerzos recientes en China. [ cita requerida ]
En 2003, Rupert Soar obtuvo financiación y formó el grupo de construcción de formas libres en la Universidad de Loughborough, Reino Unido, para explorar el potencial de ampliar las técnicas de impresión 3D existentes para aplicaciones de construcción. [ cita requerida ] En 2005, el grupo obtuvo financiación para construir una máquina de impresión 3D de construcción a gran escala utilizando componentes "listos para usar" (bombeo de hormigón, hormigón proyectado, sistema de pórtico) para explorar cuán complejos podrían ser dichos componentes y satisfacer de manera realista las demandas de la construcción. [ cita requerida ]
En 2005, Enrico Dini, de Italia, patentó la tecnología D-Shape , que emplea una técnica de adhesión/impacto de polvo a gran escala sobre un área de aproximadamente 6 m x 6 m x 3 m. [11] Esta técnica, aunque originalmente se desarrolló con un sistema de adhesión de resina epoxi, luego se adaptó para utilizar agentes de adhesión inorgánicos. [12] Esta tecnología se ha utilizado comercialmente para una variedad de proyectos en la construcción y otros sectores, incluidos los [arrecifes artificiales]. [13]
En 2008, la impresión de hormigón en 3D comenzó en la Universidad de Loughborough , Reino Unido, dirigida por Richard Buswell y sus colegas para ampliar la investigación previa del grupo y buscar aplicaciones comerciales pasando de una tecnología basada en pórtico a un robot industrial. [14]
El grupo de Buswell logró licenciar esa tecnología robótica a Skanska en 2014. [ cita requerida ] El 18 de enero de 2015, la compañía atrajo la cobertura de la prensa con la inauguración de dos edificios que integraban componentes impresos en 3D: una villa estilo mansión y una torre de cinco pisos. [15] En mayo de 2016, se inauguró un nuevo edificio de oficinas en Dubái, un espacio de 250 metros cuadrados (2700 pies cuadrados), promocionado por el Museo del Futuro de Dubái como el primer edificio de oficinas impreso en 3D del mundo. [16]
En 2017 se anunció un proyecto para construir un rascacielos impreso en 3D en los Emiratos Árabes Unidos . [17] La empresa Cazza Construction colaboraría en la construcción de la estructura. Por el momento no hay detalles específicos, como la altura del edificio o su ubicación exacta. [18]
FreeFAB Wax, inventado por James B Gardiner y Steven Janssen en Laing O'Rourke , ha estado en desarrollo desde marzo de 2013. [19] [20] La técnica utiliza la impresión 3D a escala de construcción para producir grandes volúmenes de cera diseñada (hasta 400 l/h) para fabricar un molde impreso en 3D "rápido y sucio" para hormigón prefabricado , hormigón reforzado con fibra de vidrio (GRC) y otros materiales pulverizables/colables. A continuación, la superficie de colada se fresa en cinco ejes, eliminando aproximadamente 5 mm de cera, para crear un molde de alta calidad (con una rugosidad superficial de aproximadamente 20 micrones). [21] Después del curado, el molde se tritura o se funde, y la cera se filtra y se reutiliza, lo que reduce significativamente los residuos, en comparación con las tecnologías de moldes convencionales. Los beneficios de la tecnología son su rápida fabricación de moldes, mayores eficiencias de producción, mano de obra reducida y eliminación virtual de residuos mediante la reutilización de material para moldes a medida. [22] El sistema se demostró originalmente en 2014, utilizando un robot industrial. [23] Posteriormente, el sistema se adaptó para integrarse con un pórtico de alta velocidad de cinco ejes para lograr las rápidas tolerancias de fresado de superficies requeridas para el sistema.
El Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU., dirigido por el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de la Construcción (ERDC-CERL), en Champaign , Illinois, EE. UU., comenzó a investigar en tecnología de impresoras 3D de construcción desplegables a partir de septiembre de 2015. El proyecto piloto, Construcción Automatizada para Estructuras Expedicionarias (ACES), se centró en la impresión 3D de hormigón y abarcó una amplia gama de áreas de investigación, incluidos sistemas de impresión, materiales de hormigón imprimibles, diseño y pruebas estructurales y métodos de construcción. El proyecto ACES dio como resultado tres demostraciones: un punto de control de entrada, los primeros cuarteles de hormigón construidos de forma aditiva reforzada y la impresión de infraestructura civil y militar (barreras de Jersey, muros en T, alcantarillas, búnkeres y posiciones de combate) en los Experimentos de Apoyo, Sostenimiento y Protección de Maniobras del Ejército de los EE. UU. (MSSPIX). [24] [25] [26]
En 2017, ERDC CERL comenzó a trabajar con el Cuerpo de Marines de los EE. UU., lo que dio como resultado la primera demostración de impresión 3D de hormigón por parte de personal militar, un cuartel de hormigón impreso en 3D reforzado estructuralmente mejorado, [27] [ cita completa requerida ] [28] [ cita completa requerida ] el primer puente impreso en 3D en las Américas y la primera demostración de impresión con una boquilla de tres pulgadas. [29] [30] A través de este trabajo, ERDC y los Marines pudieron probar el rendimiento estructural de los ensamblajes de paredes de hormigón reforzado impreso en 3D y las vigas de puentes, la resiliencia del sistema de impresión y los ciclos de mantenimiento, las operaciones de impresión extendidas, el reclamo publicitado de construcción de 24 horas y desarrollar métodos viables de refuerzo y construcción utilizando prácticas aceptadas convencionalmente. [2] [31] [ cita completa requerida ]
MX3D Metal, fundada por Loris Jaarman y su equipo, ha desarrollado dos sistemas de impresión 3D robótica de 6 ejes. El primero utiliza un termoplástico que se extruye; en particular, este sistema permite la fabricación de cordones no planos de forma libre. El segundo es un sistema que se basa en la soldadura aditiva (esencialmente, soldadura por puntos sobre soldaduras por puntos anteriores); la tecnología de soldadura aditiva ha sido desarrollada por varios grupos en el pasado. [32] MX3D trabajó en la fabricación e instalación del puente metálico de Ámsterdam durante seis años. El puente para peatones y ciclistas terminado se inauguró en julio de 2021. El puente tiene una longitud de 12 m (39 pies) y una masa final de 4500 kg (9900 lb) de acero inoxidable . [33]
BetAbram es una impresora 3D de extrusión de hormigón basada en un pórtico simple desarrollada en Eslovenia. Este sistema está disponible comercialmente y ofrece 3 modelos (P3, P2 y P1) a los consumidores desde 2013. El P1 más grande puede imprimir objetos de hasta 16 m x 9 m x 2,5 m. [34] La impresora 3D de hormigón Total Custom desarrollada por Rudenko es una tecnología de deposición de hormigón montada en una configuración de pórtico; el sistema tiene una salida similar a Winsun y otras tecnologías de impresión 3D de hormigón, sin embargo, utiliza un pórtico tipo armadura liviano. [35] La tecnología se ha utilizado para fabricar una versión a escala de patio trasero de un castillo y una habitación de hotel en Filipinas. [36] [37] [ cita completa requerida ]
La empresa SPECAVIA, con sede en Yaroslavl (Rusia), ha iniciado la producción en serie de impresoras 3D para la construcción. En mayo de 2015, la empresa presentó el primer modelo de impresora 3D para la construcción y anunció el inicio de las ventas. [ cita requerida ]
XtreeE, iniciado y respaldado por el CEO fundador Philippe Morel, [38] ha desarrollado un sistema de impresión multicomponente, montado sobre un brazo robótico de 6 ejes. El proyecto comenzó en julio de 2015 e incluye la colaboración e inversiones de la industria de la construcción, como Saint Gobain , Vinci y LafargeHolcim . [39] [40] 3DPrinthuset, una startup danesa de impresión 3D, también se ha diversificado en la construcción con su empresa hermana COBOD International, que fabricó su propia impresora basada en pórtico en octubre de 2017. [41]
S-Squared 3D Printers Inc es una empresa de fabricación y venta minorista de impresoras 3D con sede en Long Island , Nueva York. La empresa fue cofundada por Robert Smith y Mario Szczepanski en 2014 y tiene 13 empleados y fabrica impresoras 3D para aficionados , bibliotecas y programas STEM . [42] [43] En 2017, la empresa lanzó una nueva división, S-Squared 4D Commercial, para construir casas y edificios comerciales con su plataforma de impresión 3D llamada Autonomous Robotic Construction System (ARCS) . [44] [45] [46] [47] El sistema puede construir casas, edificios comerciales, carreteras y puentes. [48] ARCS puede completar proyectos desde 500 pies cuadrados hasta más de un millón de pies cuadrados. [49] [50] [ cita completa requerida ]
En 2021, Mario Cucinella Architects y los especialistas en impresión 3D WASP demostraron la primera impresión 3D de una casa hecha de una mezcla de arcilla, Tecla ( ). [51] [52]
En 2022, los ingenieros informaron sobre el desarrollo de enjambres de drones autónomos de impresión 3D para fabricación y reparación aditivas. [53] [54]
En noviembre de 2022, los investigadores del Centro de Estructuras y Compuestos Avanzados de la Universidad de Maine completaron una casa de 600 pies cuadrados (56 m 2 ) compuesta por secciones modulares impresas a partir de subproductos de madera. [55]
El arquitecto James Bruce Gardiner diseñó dos proyectos, la Torre Freefab en 2004 y la Villa Roccia en 2009-2010. La Torre FreeFAB se basó en el concepto original de combinar una forma híbrida de impresión 3D de construcción con construcción modular. [56] [57] Se pueden ver influencias en varios diseños utilizados por Winsun, incluidos artículos sobre el comunicado de prensa original de Winsun y la oficina del futuro. [58] [59] El proyecto de la Torre FreeFAB también representa el primer uso especulativo de brazos robóticos multieje en la impresión 3D de construcción; el uso de tales máquinas dentro de la construcción ha crecido de manera constante en los últimos años con proyectos de MX3D y Branch Technology. [60] [61]
La Villa Roccia 2009-2010 llevó este trabajo un paso más allá con el diseño de una villa en Porto Rotondo, Cerdeña, Italia, en colaboración con D-Shape. [62] El diseño de la villa se centró en el desarrollo de un lenguaje arquitectónico específico del sitio influenciado por las formaciones rocosas del sitio y a lo largo de la costa de Cerdeña, al tiempo que también tuvo en cuenta el uso de un proceso de impresión 3D prefabricado con paneles. El proyecto pasó por la fase de creación de prototipos y no procedió a la construcción completa.
Francios Roche (R&Sie) desarrolló el proyecto de exhibición y monografía 'I heard about' en 2005, que exploraba el uso de un aparato de impresión 3D autónomo con forma de serpiente y autopropulsado altamente especulativo y un sistema de diseño generativo para crear torres residenciales de gran altura. [63]
El edificio de arquitectura performativa impreso en 3D del arquitecto holandés Janjaap Ruijssenaars estaba previsto que lo construyera una asociación de empresas holandesas. [64] [ Necesita actualización ] [65] La casa estaba prevista para finales de 2014, pero no se cumplió el plazo. Las empresas han dicho que siguen comprometidas con el proyecto. [66]
La tecnología de impresión 3D de hormigón se utiliza en la construcción de estructuras de paredes delgadas que no requieren condiciones de aislamiento térmico.
La Casa del Canal impresa en 3D fue un proyecto de construcción. [67]
El primer edificio residencial en Europa y la CEI construido con tecnología de impresión 3D fue una casa en Yaroslavl (Rusia) con una superficie de 298,5 metros cuadrados. Las paredes del edificio fueron impresas por la empresa SPECAVIA en diciembre de 2015. Se imprimieron 600 elementos de las paredes en el taller y se ensamblaron en el lugar de construcción. Después de completar la estructura del techo y la decoración interior, la empresa presentó un edificio 3D completamente terminado en octubre de 2017. [68]
Los proyectos de demostración holandeses y chinos están construyendo lentamente edificios impresos en 3D en China, Dubai y los Países Bajos, [69] [70] [71] utilizando el esfuerzo para educar al público sobre las posibilidades de la nueva tecnología de construcción basada en plantas y para estimular una mayor innovación en la impresión 3D de edificios residenciales. [72] [73] En 2017 se imprimió en 3D una pequeña casa de hormigón. [74]
Building on Demand (BOD), la primera casa impresa en 3D en Europa, es un proyecto liderado por COBOD International para un pequeño hotel de oficinas impreso en 3D en Copenhague, en el área de Nordhavn. [75] En 2018, el edificio se encontraba completamente terminado y amueblado. [76]
En España, el primer puente peatonal impreso en 3D del mundo (3DBRIDGE) se inauguró el 14 de diciembre de 2016 en el parque urbano de Castilla-La Mancha en Alcobendas, Madrid. [77] La tecnología 3DBUILD utilizada fue desarrollada por ACCIONA , quien se encargó del diseño estructural, desarrollo de materiales y fabricación de elementos impresos en 3D. [78] El puente tiene una longitud total de 12 metros y una anchura de 1,75 metros y está impreso en hormigón microreforzado. El diseño arquitectónico fue realizado por el Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña (IAAC).
La impresora 3D utilizada para construir la pasarela ha sido fabricada por D-Shape . El puente impreso en 3D refleja las complejidades de las formas de la naturaleza y se ha desarrollado mediante diseño paramétrico y diseño computacional, lo que permite optimizar la distribución de materiales y permite maximizar el rendimiento estructural, pudiendo disponer el material solo donde se necesita, con total libertad de formas. La pasarela impresa en 3D de Alcobendas ha supuesto un hito para el sector de la construcción a nivel internacional, ya que en este proyecto se ha aplicado por primera vez la tecnología de impresión 3D a gran escala en el ámbito de la ingeniería civil en un espacio público.
En agosto de 2018, en la ciudad de Palekh (Rusia), se realizó la primera aplicación mundial de tecnología aditiva para la impresión 3D de nuevas formas para una fuente. [79]
La fuente "Snop" (Gavilla) fue creada a mediados del siglo XX por el famoso escultor Nikolai Dydykin. En la actualidad, durante la restauración de la fuente, su forma rectangular se modificó a una redonda, con las correspondientes mejoras en el sistema de retroiluminación de la fuente. La fuente renovada tiene ahora 26 metros de diámetro y 2,2 metros de profundidad. El parapeto de la fuente 3D con canales de comunicación internos fue impreso con la impresora de construcción AMT producida por el grupo AMT-SPETSAVIA .
La impresión de edificios se ha propuesto como una tecnología particularmente útil para construir hábitats fuera de la Tierra, como hábitats en la Luna o Marte . A partir de 2013 [actualizar], la Agencia Espacial Europea estaba trabajando con Foster + Partners, con sede en Londres, para examinar el potencial de imprimir bases lunares utilizando tecnología de impresión 3D regular. [80] La firma de arquitectura propuso una tecnología de impresora 3D para la construcción de edificios en enero de 2013 que utilizaría materias primas de regolito lunar para producir estructuras de edificios lunares mientras se utilizan hábitats inflables cerrados para albergar a los ocupantes humanos dentro de las estructuras lunares impresas de caparazón duro. En general, estos hábitats requerirían que solo el diez por ciento de la masa de la estructura se transporte desde la Tierra, mientras que se utilizan materiales lunares locales para el otro 90 por ciento de la masa de la estructura. [81] Las estructuras en forma de cúpula serían una forma catenaria que soportaría peso , con soporte estructural proporcionado por una estructura de celda cerrada, que recuerda a los huesos de las aves . [82] En esta concepción, el suelo lunar "impreso" proporcionará " aislamiento tanto de la radiación como de la temperatura " para los ocupantes lunares. [81] La tecnología de construcción mezcla material lunar con óxido de magnesio que convertirá el " material lunar en una pulpa que se puede rociar para formar el bloque" cuando se aplica una sal aglutinante que "convierte [este] material en un sólido similar a la piedra". [81] También se prevé un tipo de hormigón de azufre . [82]
Se han completado pruebas de impresión 3D de una estructura arquitectónica con material lunar simulado , utilizando una gran cámara de vacío en un laboratorio terrestre. [83] La técnica implica inyectar el líquido aglutinante debajo de la superficie del regolito con una boquilla de impresora 3D, que en las pruebas atrapó gotas de 2 milímetros (0,079 pulgadas) debajo de la superficie mediante fuerzas capilares . [82] La impresora utilizada fue la D-Shape . [ cita requerida ]
Se han diseñado diversos elementos de infraestructura lunar para la impresión estructural en 3D, como plataformas de aterrizaje, muros de protección contra explosiones, carreteras, hangares y depósitos de combustible . [82] A principios de 2014, la NASA financió un pequeño estudio en la Universidad del Sur de California para seguir desarrollando la técnica de impresión 3D Contour Crafting . Las posibles aplicaciones de esta tecnología incluyen la construcción de estructuras lunares de un material que podría estar compuesto por hasta un 90 por ciento de material lunar y solo un 10 por ciento del material requeriría transporte desde la Tierra. [84]
La NASA también está estudiando una técnica diferente que implicaría la sinterización del polvo lunar utilizando energía de microondas de baja potencia (1500 vatios). El material lunar se uniría mediante calentamiento a una temperatura de entre 1200 y 1500 °C (2190 y 2730 °F), algo por debajo del punto de fusión, para fusionar el polvo de nanopartículas en un bloque sólido similar a la cerámica , y no requeriría el transporte de un material aglutinante desde la Tierra como lo requieren los enfoques Foster+Partners, Contour Crafting y D-shape para la impresión de edificios extraterrestres. Un plan específico propuesto para construir una base lunar utilizando esta técnica se llamaría SinterHab, y utilizaría el robot ATHLETE de seis patas del JPL para construir estructuras lunares de forma autónoma o telerrobótica . [85]
A partir de diciembre de 2022, la NASA adjudicó a la empresa ICON, con sede en Texas, un contrato de 57,2 millones de dólares para construir hábitats, plataformas de aterrizaje y carreteras impresos en 3D en la superficie lunar y para apoyar su programa ARTEMIS . [86] El contrato se extenderá hasta 2028. La empresa participó en el Desafío de Hábitat Impreso en 3D de la NASA en colaboración con la Escuela de Minas de Colorado y recibió un premio por su prototipo de sistema estructural impreso.
En abril de 2021, se completó el primer prototipo de casa impresa en 3D hecha de arcilla , Tecla . La vivienda baja en carbono fue impresa por dos grandes brazos sincronizados a partir de una mezcla de tierra y agua de origen local, así como fibras de cáscaras de arroz y un aglutinante. [51] [87] [52] Estos edificios podrían ser muy baratos, bien aislados , estables y resistentes a la intemperie, adaptables al clima, personalizables, producirse rápidamente, requerir muy poco trabajo manual fácilmente aprendible , mitigar las emisiones de carbono del hormigón , requerir menos energía, reducir la falta de vivienda , ayudar a habilitar comunidades intencionales como eco - comunidades autónomas y autárquicas , y permitir la provisión de vivienda para víctimas de desastres naturales, así como, a través de la transferencia de conocimiento y tecnología a la población local, para migrantes a Europa cerca de sus hogares, incluso como una opción política cada vez más relevante. Fue construido en Italia por el estudio de arquitectura Mario Cucinella Architects y los especialistas en impresión 3D WASP. El nombre del edificio es una combinación de "tecnología" y "arcilla". [51] [52]
Los datos y proyecciones indican una creciente relevancia de los edificios que son a la vez de bajo costo y sostenibles , en particular que, según un informe de la ONU de 2020, la construcción y los edificios son responsables de ~38% de todas las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la energía, [88] que, en parte debido al calentamiento global , [89] [90] se espera que las crisis migratorias se intensifiquen en el futuro y que la ONU estima que para 2030, ~3 mil millones de personas o ~40% de la población mundial requerirán acceso a viviendas accesibles y asequibles . [51] Las desventajas de la impresión con mezclas de arcilla incluyen limitaciones de altura o requisitos de espacio horizontal, costos iniciales y tamaño de la impresora no producida en masa, latencias debido a tener que dejar secar la mezcla con los procesos actuales y otros problemas relacionados con la novedad del producto como su conexión a los sistemas de plomería . [51] [52]
La impresión 3D a gran escala basada en cemento elimina la necesidad del moldeado convencional al colocar o solidificar con precisión volúmenes específicos de material en capas secuenciales mediante un proceso de posicionamiento controlado por computadora. [91] Este enfoque de impresión 3D consta de tres etapas generales: preparación de datos, preparación del hormigón e impresión de componentes. [92]
Para la generación de rutas y datos, se implementan diversos métodos para la generación de rutas de construcción robóticas. Un enfoque general es cortar una forma 3D en capas delgadas planas con un espesor constante que se pueden apilar unas sobre otras. En este método, cada capa consta de una línea de contorno y un patrón de relleno que se puede implementar como estructuras de panal o curvas que llenan el espacio . Otro método es el método de continuidad tangencial que produce rutas de construcción tridimensionales con espesores que varían localmente. Este método da como resultado la creación de superficies de contacto constantes entre dos capas, por lo tanto, se evitarán los espacios geométricos entre dos capas que a menudo limitan el proceso de impresión 3D. [93]
La etapa de preparación del material incluye la mezcla y la colocación del hormigón en el contenedor. Una vez que el hormigón fresco se ha colocado en el contenedor, se puede transportar a través del sistema de bomba-tubería- boquilla para imprimir filamentos de hormigón autocompactantes , que pueden construir componentes estructurales capa por capa. [94] En los procesos aditivos, la bombeabilidad y la estabilidad de la extrusión son importantes para las aplicaciones de morteros . Todas estas propiedades variarán según el diseño de la mezcla de hormigón, el sistema de suministro y el dispositivo de deposición. Las especificaciones generales de la impresión 3D de hormigón húmedo se clasifican en cuatro características principales: [92]
Para ejecutar el proceso de impresión, se requiere un sistema de control. Estos sistemas se pueden dividir en dos categorías: sistemas de pórtico y sistemas de brazo robótico . El sistema de pórtico acciona un manipulador montado sobre un soporte para ubicar la boquilla de impresión en coordenadas cartesianas XYZ , mientras que los brazos robóticos ofrecen grados adicionales de libertad a la boquilla, lo que permite flujos de trabajo de impresión más precisos, como la impresión con el método de continuidad tangencial. [93] Independientemente del sistema utilizado para la impresión (grúa de pórtico o brazo robótico), la coordinación entre la velocidad de desplazamiento de la boquilla y el caudal de material es crucial para el resultado del filamento impreso. [95] En algunos casos, se pueden programar varios brazos robóticos de impresión 3D para que funcionen simultáneamente, lo que reduce el tiempo de construcción. [96] Finalmente, los procedimientos automatizados de posprocesamiento también se pueden aplicar en escenarios que requieren la eliminación de estructuras de soporte o cualquier acabado de superficie. [92]
Los investigadores de la Universidad de Purdue [97] han sido pioneros en un proceso de impresión 3D conocido como Escritura con tinta directa [98] para la fabricación de materiales arquitectónicos basados en cemento por primera vez. [99] Demostraron que mediante la impresión 3D, es posible diseñar materiales basados en cemento con inspiración biológica y que se pueden lograr características de rendimiento novedosas, como tolerancia a fallas y cumplimiento.
.gif/1280px-Timelapse_of_3D-printer_construction_of_the_clay_house_%22Tecla%22_v1.0_(cropped).gif)
Behrokh Khoshnevis ha afirmado desde 2006 que puede imprimir una casa en 3D en un día [100] , y también afirma que, en teoría, completará el edificio en aproximadamente 20 horas de tiempo de "impresión". [101] En enero de 2013, las versiones funcionales de la tecnología de construcción con impresión 3D imprimían 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de material de construcción por hora, y se propuso una generación posterior de impresoras capaces de imprimir 3,5 metros (11 pies) por hora, suficiente para completar un edificio en una semana. [81]
La empresa china WinSun ha construido varias casas utilizando impresoras 3D de gran tamaño, utilizando una mezcla de cemento de secado rápido y materias primas recicladas. Según Winsun, se construyeron diez casas de demostración en 24 horas, cada una con un coste de 5.000 dólares (estructura sin incluir cimientos, servicios, puertas/ventanas ni equipamiento). [102] Sin embargo, el pionero de la impresión 3D para la construcción, el Dr. Behrokh Khoshnevis, afirma que esto fue falso y que WinSun robó su propiedad intelectual . [103]
Existen varios proyectos de investigación que abordan la impresión 3D para la construcción, como el proyecto de impresión 3D de hormigón (3DCP) de la Universidad Tecnológica de Eindhoven [ 104] o los diversos proyectos del Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña (Pylos, Mataerial y Minibuilders). La lista de proyectos de investigación se ha ampliado aún más en los últimos años, gracias al creciente interés en este campo [105] .
La mayoría de los proyectos se han centrado en la investigación de los aspectos físicos que se esconden detrás de la tecnología, como la tecnología de impresión, la tecnología de los materiales y las diversas cuestiones relacionadas con ellas. COBOD International (antes conocida como 3DPrinthuset, ahora su empresa hermana) ha liderado recientemente una investigación orientada a explorar el estado actual de la tecnología en todo el mundo, visitando más de 35 proyectos diferentes relacionados con la impresión 3D para la construcción. Para cada proyecto, se ha emitido un informe de investigación y los datos recopilados se han utilizado para unificar todas las diversas tecnologías en un primer intento de una categorización y terminología estandarizadas comunes. [ cita requerida ]
Junto con la investigación, 3DPrinthuset (ahora conocida como COBOD International) ha organizado dos conferencias internacionales sobre impresión 3D para la construcción (febrero [106] y noviembre [107] de 2017 respectivamente), destinadas a reunir a los nombres más destacados de esta industria emergente para debatir los potenciales y desafíos que se avecinan. Las conferencias fueron las primeras de este tipo y han reunido a nombres como D-Shape , Contour Crafting , CyBe Construction, la investigación 3DCP de Eindhoven, Winsun y muchos más. Junto a los especialistas en impresión 3D para la construcción, también ha habido una fuerte presencia de los actores clave de la industria de la construcción tradicional por primera vez, con nombres como Sika AG , Vinci , Royal BAM Group , NCC , MYK LATICRETE, entre otros. Surgió una idea general de que el campo de la impresión 3D para la construcción necesita una plataforma más unificada donde se puedan compartir y debatir ideas, aplicaciones, problemas y desafíos.
Aunque los primeros pasos se dieron hace casi tres décadas, la impresión 3D para la construcción ha tenido dificultades para llegar a los medios durante años. Las primeras tecnologías que lograron cierta atención de los medios fueron Contour Crafting y D-Shape , con algunos artículos esporádicos en 2008-2012 [108] [109] [110] y un reportaje televisivo en 2012. [111] D-Shape también ha aparecido en un documental independiente dedicado a su creador Enrico Dini, llamado "El hombre que imprime casas". [112]
Un avance importante [ ¿cuándo? ] se ha visto con el anuncio del primer edificio impreso en 3D, utilizando componentes prefabricados impresos en 3D fabricados por Winsun, que afirmó ser capaz de imprimir 10 casas en un día con su tecnología. [113] Aunque las afirmaciones aún estaban por confirmar, la historia ha creado una amplia tracción y un creciente interés en el campo. En cuestión de meses, comenzaron a surgir muchas nuevas empresas. Esto dio lugar a muchos nuevos esfuerzos que llegaron a los medios, como, en 2017, el primer puente peatonal impreso en 3D [114] y el primer puente ciclista impreso en 3D, [115] además de un elemento estructural temprano hecho con impresión 3D en 2016, [116] entre muchos otros.
Recientemente, COBOD International, antes conocida como 3DPrinthuset (su empresa hermana), ha obtenido una amplia atención de los medios con su primer edificio permanente impreso en 3D, el primero de su tipo en Europa. [117] [118] [119] El proyecto sentó un precedente importante al ser el primer edificio impreso en 3D con un permiso de construcción y documentación en regla, y una aprobación completa de las autoridades de la ciudad, un hito crucial para una aceptación más amplia en el campo de la construcción. La historia obtuvo una amplia cobertura, tanto en los medios nacionales como internacionales, apareciendo en la televisión en Dinamarca, Rusia, Polonia, Lituania, entre muchos otros. [ cita requerida ]
Un análisis de la construcción con impresión 3D en áreas remotas [120] como alternativa a la construcción convencional revela un potencial significativo. La impresión 3D en la construcción ofrece soluciones innovadoras a los desafíos únicos de estas ubicaciones. La capacidad de utilizar materiales locales, reducir los desechos y adaptarse a diseños complejos y personalizados son solo algunas de las ventajas que hacen que la impresión 3D sea particularmente adecuada para la construcción en áreas de difícil acceso. Además, la impresión 3D puede contribuir a la sostenibilidad ambiental y la participación de la comunidad al permitir la participación activa en el proceso de construcción y el mantenimiento de las estructuras. Este método de construcción tiene el potencial de transformar el paisaje de las viviendas remotas, proporcionando viviendas más asequibles, eficientes y culturalmente alineadas para las comunidades locales.
Sin embargo, a pesar de sus beneficios, todavía quedan varias incertidumbres y cuestiones por resolver antes de que la impresión 3D pueda adoptarse de forma generalizada. Estas incertidumbres están relacionadas con cuestiones técnicas, normativas, económicas y sociales. A pesar de los avances significativos en la tecnología de impresión 3D, su aplicación en viviendas en zonas remotas todavía se encuentra en una fase temprana de viabilidad. La investigación en este campo está en curso y debería explorarse más, en particular en lo que respecta a la robótica y los materiales que se utilizarán.
Para imprimir casas en 3D, es necesario evaluar los costos y los impactos ambientales en comparación con los métodos de construcción tradicionales.
El método de construcción convencional tuvo mayores impactos en comparación con el método de impresión 3D con un potencial de calentamiento global de 1154,20 y 608,55 kg de CO2 eq, una toxicidad no cancerígena de 675,10 y 11,9 kg de 1,4-DCB y un consumo de agua de 233,35 y 183,95 m3, respectivamente. La casa impresa en 3D también resultó ser una opción económicamente viable, con una reducción del 78% en los costos generales de capital en comparación con los métodos de construcción convencionales. El impacto ambiental general se puede reducir mediante el uso de esta tecnología. [121]
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. [122]
Carstensen [123] investigó la influencia del tamaño de la boquilla de impresión 3D en la eficiencia de impresión, centrándose en la longitud de la trayectoria de impresión del material y la superposición entre las trayectorias. Los resultados mostraron que el uso de un tamaño de boquilla grande es favorable para la impresión continua a corta distancia cuando el tamaño de la estructura es grande, lo que puede mejorar tanto la eficiencia de impresión como el rendimiento de la estructura.
Además, el estudio destaca la importancia de optimizar la velocidad de impresión en función de las estructuras monitoreadas dinámicamente para asegurar la estabilidad geométrica del elemento impreso y las propiedades mecánicas del hormigón impreso en 3D. Esto subraya la necesidad de considerar la eficiencia de la impresión 3D de hormigón en relación con la seguridad y estabilidad de las estructuras, destacando la complejidad e importancia de optimizar simultáneamente múltiples parámetros en el proceso de impresión 3D de hormigón. [124]
{{citation}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{citation}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )