Impresión de hormigón en 3D

12/11/2018

A principios de esta década, la impresión en 3D parecía una mezcla imaginaria de ciencia ficción y tecnología de nicho para unas pocas empresas seleccionadas. Pero las cosas han cambiado desde entonces... radicalmente. Nuevas aplicaciones están apareciendo en la escena casi a diario. Sin embargo, un campo en particular está demostrando ser especialmente emocionante: La impresión de hormigón en 3D, una técnica que puede ser usada para crear componentes individuales e incluso edificios enteros. El número de proyectos de investigación en esta área significa que el conocimiento de la tecnología del hormigón de MC está ahora en constante demanda.

 

 

 La construcción impresa

¿Estructuras directamente de la impresora? Aunque a primera vista parezca extraño, la impresión en 3D es uno de los principales temas tecnológicos del mañana en la industria de la construcción. Expertos, planificadores y contratistas de todo el mundo están buscando nuevos conceptos para ayudar a crear un proceso de construcción que sea lo más rápido, rentable y respetuoso con el medio ambiente como sea posible. Esto se aplica tanto a las metrópolis en expansión de las naciones industrializadas como a las florecientes megalópolis de los países en desarrollo y emergentes. En los Estados Unidos, el Reino Unido, China y, sobre todo, en Alemania, hay un número importante de proyectos de investigación y desarrollo destinados a crear un proceso de impresión de hormigón en 3D adecuado para la producción en masa. Por ejemplo, "Beton3D-Druck" [Impresión en 3D del hormigón] está explorando los fundamentos para la introducción de un nuevo proceso de construcción como parte del programa de financiación "ZukunftBau" [Futuro de la construcción] del Instituto Federal de Investigación sobre Construcción, Asuntos Urbanos y Desarrollo Espacial. Los especialistas de MC están aportando conocimientos técnicos sobre tecnología del hormigón y prestando apoyo a estos proyectos de investigación, además de destacar los desarrollos innovadores en productos como los aditivos para el hormigón, incluidos los aceleradores de endurecimiento e incluso el mortero reforzado con fibras.

 

Lecho de polvo

La técnica del lecho de pólvora está siendo avanzada en dos direcciones diferentes: O bien se une una mezcla de agregados a un compuesto mediante la aplicación local de pasta de cemento o bien se logra la consolidación mediante la aplicación selectiva de agua a una mezcla de agregados y cemento. Con ambas técnicas se pueden producir sin problemas incluso estructuras intrincadas. Sin embargo, sobre todo en el caso de los componentes de mayor tamaño, es necesario un número considerable de ciclos de estratificación, lo que hace que el proceso sea relativamente lento.

 

Extrusión

En la tecnología de extrusión, un cabezal de perforación coloca filamentos de material de diferentes formas, alturas y anchuras en capas superpuestas. También se denomina técnica aditiva. Este proceso es el más cercano a la impresión 3D convencional establecida con plásticos. Aunque el procedimiento es más rápido, también tiene un punto débil, en el sentido más verdadero de la palabra. Dado que las hebras de material se depositan individualmente una encima de la otra, la unión sólo se logra presionando cada nueva hebra contra la que está debajo de ella. Por lo tanto, esto puede dar lugar a problemas en términos de resistencia a la flexión o al cizallamiento y la cantidad de tensión mecánica que la construcción puede soportar.

 

Pulverización húmeda

El proceso de pulverización húmeda también es un proceso aditivo y es similar a la técnica de extrusión. Aquí también, el material premezclado de pulverización húmeda se bombea a una boquilla de pulverización, se acelera con aire comprimido y se aplica capa por capa al sustrato. Al ofrecer altas tasas de deposición y velocidades de proceso, esta técnica es muy adecuada para la producción de componentes de gran formato. A diferencia del proceso de extrusión, el ángulo de aplicación de la boquilla de pulverización de hormigón puede variarse vertical y horizontalmente. Esto da lugar a nuevas posibilidades en cuanto a las formas geométricas que pueden generarse. Sin embargo, la capacidad de esta técnica para producir estructuras intrincadas es muy limitada. Además, la mayor ventaja del proceso también plantea un desafío: si bien las altas presiones que se aplican durante la aplicación garantizan un nivel extraordinariamente alto de compactación del material, también dan lugar a más residuos en forma de polvo y aerosoles contaminantes que requieren un control eficaz. 

Así que las tres técnicas tienen sus fortalezas y debilidades. Razón suficiente para que dos proyectos de investigación alemanes se centren más intensamente en la optimización de procesos en la impresión de hormigón en 3D.

 

Investigación en la TU Braunschweig

Bajo la dirección del ITE, el Instituto de Diseño Estructural de la Universidad Técnica de Braunschweig, un grupo de investigación interdisciplinario en el que participan la Universidad Técnica de Braunschweig, la Universidad Técnica de Clausthal y la Universidad de Hannover, ha desarrollado una tecnología de hormigón proyectado controlada por robot para la producción sin encofrado de componentes complejos de hormigón. Desde el comienzo de la investigación se comprobó que las técnicas actuales utilizadas en la producción de piezas prefabricadas de hormigón no han evolucionado más allá de las establecidas en el mercado durante décadas. Esto contrasta con muchas otras áreas de fabricación, en las que la producción con soporte digital ya está muy avanzada. Así pues, se ha perdido mucho potencial, no sólo en lo que respecta a las posibilidades creativas y constructivas, sino especialmente en lo que respecta al progreso económico y comercial.

 

Esta nueva tecnología de fabricación permite a los arquitectos aplicar diseños completamente originales para componentes de hormigón geométricamente complejos, proporcionando un nivel de alcance creativo que no está disponible con las técnicas actualmente en uso. Sin embargo, más allá de la libertad en el diseño creativo, las ventajas se extienden a una utilización más eficiente de los materiales y las implicaciones resultantes para la sostenibilidad del proceso de producción. Y, por supuesto, la producción sin encofrado de componentes de hormigón puede reducir significativamente el coste de fabricación. Ahora, este potencial se desarrollará utilizando técnicas modernas como la impresión de hormigón en 3D controlada por ordenador.

 

El objetivo del proyecto era automatizar la tecnología de hormigón proyectado establecida desde hace mucho tiempo e incorporarla a un proceso de impresión por inyección en 3D controlado por robot llamado "Impresión de hormigón proyectado en 3D" (SC3DP). Además del desarrollo de toda la tecnología del proceso desde cero, también era necesario crear un hormigón proyectado adecuado cuyas propiedades pudieran adaptarse a los respectivos componentes y al proceso de impresión en 3D. MC participó tanto en calidad de asesor como en el suministro de los aditivos adecuados para el hormigón. La investigación del SC3DP se lleva a cabo en el "Laboratorio de Fabricación de Edificios Digitales" (DBFL) de la Universidad Técnica y Científica de Braunschweig, un centro de mecanizado controlado digitalmente que permite el funcionamiento coordinado de una fresadora de pórtico CNC de 5 ejes y un robot integrado de gran potencia con un total de nueve grados de libertad. Aquí se pueden utilizar diversas técnicas asistidas por robot para la producción de componentes de hormigón tridimensionales geométricamente complejos, como la combinación de pulverización húmeda y fresado. Esto permite un enfoque de fabricación aditivo y sustractivo y abre nuevas formas de construir componentes complejos con eficiencia automatizada.

 

El éxito del proyecto en la Universidad Técnica de Braunschweig

El profesor Viktor Mechtcherine y su equipo de ingenieros e investigadores de la Universidad Técnica de Dresde han estado desarrollando nuevas tecnologías para la impresión por extrusión en 3D desde septiembre de 2014. El título de trabajo para el primer proyecto decía: "Estudios de viabilidad para procesos de construcción continuos y sin encofrados mediante el moldeo en 3D de hormigón fresco". A diferencia de los enfoques anteriores, este proyecto de investigación se centró en la aplicación práctica directamente en la obra (construcción de hormigón in situ). Por consiguiente, la base técnica elegida para el equipo consistió en maquinaria de construcción establecida, y los materiales de construcción empleados fueron los hormigones comúnmente utilizados en la construcción sólida.

 

Así pues, estrictamente alineado con la práctica actual, el enfoque de investigación fue muy eficaz. Para el deleite de todos los participantes, el concepto ganó el premio en la categoría de investigación en la Bauma de Munich de 2016, considerada la mayor feria de maquinaria de construcción del mundo. Durante el período del proyecto, el interés de los medios de comunicación y las empresas por esta innovadora tecnología creció tanto que la TU Dresden registró una marca para el proceso denominada "CONPrint3D® - Concrete Onsite 3D Printing" en la Oficina Alemana de Patentes y Marcas con el fin de proteger los resultados de su investigación. A medida que el proyecto de investigación avanzaba, las soluciones técnicas para la entrega de hormigón, el cabezal de impresión necesario y la robótica de larga distancia se sometieron a un amplio desarrollo y evaluación. Al mismo tiempo, los hormigones se desarrollaron y optimizaron especialmente para la impresión en 3D y se sometieron a extensas investigaciones reológicas y mecánicas en sus condiciones frescas y endurecidas. El proceso de construcción en sí mismo también se analizó con miras a una optimización continua. El sitio del prototipo CONPrint3D® proporcionó datos importantes, facilitando la evaluación económica de la impresión del hormigón en 3D y la prueba de su viabilidad técnica.

 

Al imprimir un ejemplo completo de piso para un edificio de apartamentos, la velocidad de construcción de las paredes demostró ser de 4 a 6 veces más rápida que los métodos de construcción convencionales, con reducciones adicionales en el tiempo de construcción concebibles a través de un aumento en el espesor de las capas o la velocidad de colocación del hormigón. Los cálculos también revelaron un ahorro de costos de alrededor del 30% en comparación con la construcción del mismo piso mediante métodos de albañilería convencionales, sin tener en cuenta el hecho de que el armazón del edificio podía erigirse esencialmente sin andamios ni grúas de construcción.

 

El desarrollo del nuevo proceso es actualmente objeto de un proyecto de seguimiento en el marco de "ZukunftBau", que se centra en la impresión en 3D a base de hormigón espumado, con generadores de espuma MC integrados en el proceso.

 

MC - socio de investigación

La investigación también es de gran importancia en MC. De hecho, la compañía debe gran parte de su buena reputación al desarrollo continuo de soluciones químicas innovadoras para la construcción. Los químicos de MC, los mineralogistas y los especialistas en materiales de construcción trabajan mano a mano con la gestión técnica de productos y los consultores de ventas en todo el mundo. MC también participa regularmente en proyectos de investigación nacionales e internacionales y coopera con universidades e institutos de pruebas de materiales externos. Habiendo obtenido los mejores resultados después de extensas pruebas, un sistema de sustitución de hormigón de MC desarrollado especialmente para el proyecto de investigación se utilizó finalmente para la mezcla de hormigón aplicada por el equipo de la Universidad Técnica de Braunschweig.

 

El proyecto de investigación en Dresde también se basó en los conocimientos de los expertos de MC. Amplias pruebas preliminares y funcionales a las que asistió el personal universitario pertinente en los propios laboratorios de MC en Bottrop condujeron al suministro de una gama de aditivos para el hormigón, incluidos los sistemas de aceleración modificados. Además de prestar apoyo consultivo al proyecto de investigación, se pidió a los especialistas de MC que evaluaran las oportunidades comerciales de las tecnologías desarrolladas en el mercado mundial.

 

Perspectivas prometedoras

Aunque esta tecnología está todavía en sus inicios, ya ha demostrado ampliamente su idoneidad en el escenario internacional. El primer edificio de oficinas totalmente impreso del mundo abrió en Dubai en mayo de 2016. Los Emiratos Árabes Unidos incluso están llevando a cabo una "Estrategia de Impresión 3D" patrocinada por el Estado, con el objetivo de introducir la impresión 3D en una cuarta parte de todos los nuevos edificios del Estado del Golfo para 2030. La empresa china Win Sun también está utilizando ya un sistema de impresión de hormigón en 3D a escala industrial en el que las partes individuales de los edificios de apartamentos normalizados se producen en la fábrica y luego simplemente se suministran al lugar de construcción para su montaje.

 

Especialmente actual es un proyecto en Milán, Italia, que tomó la forma de un edificio de demostración de una sola planta de unos 100 metros cuadrados, construido con 35 elementos modulares producidos por robots. La flexible impresora 3D requirió sólo 60 a 90 minutos para cada uno de los elementos individuales, y el tiempo efectivo de construcción de todo el edificio fue de sólo 48 horas. Por lo tanto, la impresión de hormigón en 3D está en camino de convertirse en un factor importante en la industria de la construcción mundial.

 

 

Ilustración gráfica de la técnica CONPrint3D® desarrollada por el TU Dresden.
Ilustración gráfica de la técnica CONPrint3D® desarrollada por el TU Dresden.
© Faculty of Construction Machinery, TU Dresden
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