Tecnologia 3d Aplicada A La Ingenieria Civil

Existe en el planeta una revolución que se está desarrollando poco a poco, la cual sin duda son las impresoras en 3 dimensiones, productos novedosos de alta tecnología capaz de realizar formas increíbles en muy poco tiempo y ahorrando al máximo los recursos; observándose como obras de ingeniería que demandaban días o semanas en ser completadas, ahora se terminan solo en horas.

La innovación en impresión 3D también ha llegado al mundo de la construcción, siendo aquí donde presenta una gran perspectiva de crecimiento a un mediano plazo; es así que se observan con asombro las nuevas tendencias arquitectónicas plasmadas en un periodo de tiempo corto, por estas máquinas que varían en sus formas y tamaños.

La impresión 3D en el área de la construcción es una las tecnologías que promete revolucionar el sector en el futuro. La impresión 3D permite un uso en casi cualquier campo y ámbito, desde la arquitectura, la ingeniería, la construcción, el sector aeroespacial, la educación e incluso en la sanidad para el reemplazo de órganos humanos. Muchos expertos consideran esta tecnología como el inicio de la llamada cuarta revolución industrial por el amplio abanico de posibilidades que permite su uso.

La pregunta que surge es la siguiente: ¿sustituirá la impresión 3D a las casas realizadas por el hombre? ¿Utilizarán esta técnica los hogares del futuro? ¿Cuánto tiene de innovación y cómo afectará nuestras vidas? 

¿Cuáles son las principales ventajas de la impresión 3D en la construcción?

Lo bueno de este proceso es que las impresoras en 3D son más baratas y sencillas que usar que otro tipo de tecnologías de fabricación por adición. Permiten grandes posibilidades a los constructores y arquitectos ya que las casas y edificios se pueden imprimir por partes. Además, el uso de montajes mediante distintos materiales globaliza el proceso de construcción gracias a un sencillo proceso de ensamblaje.

El principal punto positivo es que no necesita moldes, y por ello se evitan los residuos. En definitiva, el excedente es menor, se reducen los costos y apenas no produce basura. La tecnología de impresión en 3 dimensiones se hace capa por capa, una idea que viene de la impresión en papel, la diferencia, es que en vez del papel y tinta se usan materiales más sólidos y los desplazamientos son más ligeros y van por capas que ascienden poco a poco a medida que se realiza el objeto.

Para un uso común se utilizan materiales que van desde las resinas hasta los plásticos. Sin embargo, en la impresión 3D en la construcción se pueden usan acero y hormigón e incluso plásticos sintéticos. Los ladrillos inteligentes que se usan en las casas mediante esta tecnología tienen forma de lego y están hechos de hormigón de alta resistencia. Los ladrillos se van instalando poco a poco en una placa de tierra que es la base de la casa, para hacer las paredes utiliza unas guías que sirven como rieles donde un robot coloca los ladrillos poco a poco. Para terminar las paredes, hacen unas capas de acabado que recubren distintos elementos e infraestructuras como tuberías y cables.

Otra ventaja de este tipo de ladrillos inteligentes es que reducen los costes energéticos hasta un 60% gracias a sus propiedades térmicas. Además, la construcción mediante impresión en 3D ayuda al medio ambiente. Esto es posible ya que las impresoras 3D producen materiales para casas y edificios con materiales cero emisiones de carbono. Si se combina con energías renovables como la energía solar, la futura vivienda será un edificio totalmente ecológico. Además, todos los materiales son reutilizables y renovables.

Por si fuera poco, el precio de la impresión 3D abarata el precio final de la vivienda. El costo promedio de una casa de una sola planta impresa en 3D es de unos 5.000 dólares. En el futuro, es posible que sea todavía más barato. El mayor problema es la legislación, en China, uno de los países con mayor uso de esta tecnología no permite casas de varias plantas en 3D, aunque es posible que esto cambié dentro de poco.

¿Cuál es la mayor estructura impresa en 3D y dónde se encuentra?

La estructura más grande del mundo impreso mediante la tecnología en 3D está en Beijing, China. Es una obra de arte de 1.504 m³ de material impreso en 3D y llevado a cabo por la empresa RISE Immersion Subject English (China) el 20 de agosto de 2016. La estructura impresa 3D tiene 5.370 ladrillos impresos en 3D que se combinaron mediante un sistema de conexión integral.

Sin embargo, esta obra de arte de Beijing parece que pasará a la historia ya que existe una empresa en China llamada Winsum que ha conseguido fabricar impresoras en 3D para construir casas en un solo día. Windsun ha cimentado un bloque de apartamentos de cinco alturas y unos 1.100 metros cuadrados con una mega impresora. Las impresoras en 3D utilizan la tecnología de modelado por deposición fundida para albergar todos los materiales en un proceso parecido al de una apretar la pasta de una manga pastelera.

El uso de las impresoras 3D en construcción como tecnologías emergentes en ingeniería se tratará desde un contexto histórico, para posteriormente señalar el potencial actual de estas y su aporte en la innovación. La impresión en 3D, en la ingeniería civil direcciona hacia una nueva era de innovaciones tecnológicas en el mundo.

Con la aplicación de la impresora tridimensional en el mercado de la construcción se logra redefinir las formas de ejecución de las obras que se conocen hoy en día, es decir, se da una mirada al pasado y se visualiza la necesidad del cambio y la reducción del tiempo de manejo y agotamiento de recursos económicos y ambientales; la impresión 3D viene a ser una estrategia amigable con el ambiente en cuanto muchos de sus materiales para realizar su labor, están o pueden ser constituidos por basuras generando un impacto positivo en el ambiente por el uso de reciclaje de basura como principal materia prima.

La ingeniería civil se enfoca en la proyección, el diseño, la gestión y la ejecución de construcciones, para ello los profesionales deben tener sólidos conocimientos en disciplinas como física y matemáticas para desarrollar y analizar redes eléctricas, equipos hidráulicos y de saneamiento más adecuados para cada proyecto, garantizando toda la seguridad en las construcciones, considerando aspectos como análisis de los suelos, estabilidad, influencia de temperatura y del viento. Los profesionales del área, también deben tener en cuenta materiales e infraestructura específicos para cada ocasión, por eso, son cada vez más valoradas las obras donde se consideren aspectos como la sustentabilidad, con el objetivo de causar los menores impactos posibles al medio ambiente.

Escenario del uso de las impresoras 3D en la Ingeniería Civil, avances y limitantes

Mientras que otras áreas del conocimiento le apuestan en grande a la impresión en 3D para superar obstáculos, el mercado de la construcción está todavía dando sus primeros pasos en este nuevo concepto. Pero antes de pasar a la impresión en 3D en el campo de la ingeniería civil, es importante definir qué es y para qué se utiliza para no dar margen a interpretaciones erróneas. Al hablar de impresión 3D, se puede hacer referencia al concepto de la impresión tridimensional, el cual corresponde a un método productivo cuya finalidad es la producción de objetos en tercera dimensión a través de un equipo tecnológico mediante la instalación de diferentes capas bidimensionales sobrepuestas. Este proceso se asemeja al de la impresión en dos dimensiones en la que la tinta se pone en el papel, no obstante, en la impresión en tercera dimensión se ubica un material de plástico encima de una determinada superficie que facilita la fabricación de objetos o cosas tridimensionales.

En los últimos años, los métodos de impresiones en tercera dimensión se han incrementado de forma exponencial, es decir que su crecimiento ha sido rápido. Estas máquinas de impresión son fáciles de adquirir y están presentes en las empresas, en los sectores industriales, manufactureros, en institutos de educación y de investigación y desarrollo y también se puede obtener para uso personal.

El principal propósito de la creación de la impresión tridimensional fue justamente el agilizar el proceso de ejecución y montaje de piezas y productos, tras sucesos devastadores como la caída de edificios, la inestabilidad del terreno, y otros aspectos en materia de construcción. Se busca la implementación de esta tecnología como una propuesta de calidad para revolucionar el sector de la construcción entregándole grandes beneficios que se traducen en disminución en tiempos de fabricación, reducción en costos de fabricación, menor desperdicio de material, prefabricación de piezas en concreto con geometrías complejas sin utilizar moldes y equipo de manufactura aditiva con posibilidad de operar 24 h / 7 días.

Proyecto ‘Contour Crafting’

En los Estados Unidos, el Doctor Behrock Khoshnevis y otros investigadores de la Universidad del Sur de California, desarrollaron la tecnología ‘Contour Crafting’ donde una impresora tridimensional que se mueve en una estructura de rieles es capaz de construir casas en menos de 24 horas utilizando una especie de mortero.

La tecnología “Contour Crafting” ejecuta el proceso a través de la creación de capas, con este método se presenta una alternativa para la fabricación de casa a bajos costos y generando una solución a la problemática social de las viviendas necesarias para las personas ubicadas en bajos estratos económicos.

Desarrollo del proceso «contour crafting»

Como se mencionó anteriormente, el Profesor Behrokh Khoshnevis desarrolló un proceso llamado “contour crafting” o «construcción por contornos» que fue instrumental para la construcción del interior y exterior de los muros de una casa.

En primer lugar, el profesor diseñó una impresora 3D que se utilizó para testear el proceso a pequeña escala en el laboratorio. Tras conseguir buenos resultados, se dispuso a construir una impresora 3D más grande para usarla en la obra principal. La impresora 3D se diseñó para funcionar en una losa plana en el suelo. Se instalaron raíles junto al edificio a los costados del área marcada para el edificio. Estos raíles tenían la función de soportar el puente grúa que abarcaba la longitud completa del área del edificio. La impresora 3D tenía unas toberas por las que salían las capas de hormigón. Las capas de hormigón se apilaban en la parte interior y exterior de la pared de la casa y finalmente la empresa rellenaba los huecos intermedios con un aislante o con más hormigón. 

El Doctor Khoshnevis se enfatizó en lograr desarrollar una impresora tridimensional a gran escala que facilitara obtener la impresión de grandes estructuras en especial del material hormigón en el que se incorporen los conductos necesarios para los servicios del objeto deseados como la electricidad y las unidades de aire acondicionado.

En Italia, por medio del grupo WASP (World’s Advanced Saving Project), las impresoras 3D ya producen casas populares utilizando lodo y fibras como material base. Se diseñó una impresora tridimensional que trascendiera en la historia y se nombró Big Delta, cuya finalidad es lograr impresiones a grandes dimensiones y al mismo tiempo, tener la capacidad de construir viviendas completas fabricadas a base de material de arcilla a bajos costos de inversión y de ejecución de tiempo, gracias al esquema con la que fue diseñada la máquina. Big Delta es ideal en la implementación de proyectos de vivienda a gran escala y de personas con difícil economía para la adquisición de tener un lugar propio para vivir.

Las dimensiones en que se construyó esta impresora son cercanas a los seis metros de ancho y 12 metros de largo, es una construcción del Proyecto de Ahorro Avanzado Mundial (WASP) y su capacidad está definida en la construcción de capas una a una con una mezcla formada por materiales naturales y de sostenibilidad como la arcilla, el barro, la tierra, la paja y las fibras de plantas, las cuales son sometidas al transporte de un canal por la boquilla central del equipo.

WinSun ha empleado una impresora tridimensional en la que combina algunos materiales como el cemento, un químico endurecedor especial y junto con los residuos industriales en los que se encuentra el vidrio con el fin de lograr la construcción de una edificación de cinco niveles y un entorno de 1.100 metros cuadrados. 

Ma Yihe, ha usado una impresora 3D, por un período superior a diez años en el sector de la construcción, tienen unas dimensiones aproximadas de 6.6 metros de altura, 10 metros de ancho y 40 metros de largo. Este equipo ejecuta impresiones a gran tamaño de piezas y partes en la infraestructura de la empresa y luego son ensambladas en el lugar final con capas hechas de material de acero y algunas capas de material aislante que permitan cumplir las normativas existentes del sector de la construcción. Más recientemente, la empresa norteamericana Apis Color, desarrolló una máquina de impresión 3D que contiene un brazo robótico y es capaz de imprimir una casa de 38m² por menos de 10 mil dólares y con una durabilidad superior a medio siglo.

El uso de estas nuevas tecnologías también genera límites y uno de los más contradictorios que se convierte en el mayor obstáculo del uso de la impresión 3D en la construcción es justamente el principal objetivo de su creación: velocidad en el proceso, porque la logística, instalación y mantenimiento de una impresora tridimensional en el sitio de obras, requiere una fuerte inversión en su estructura de apoyo, entrenamiento de mano de obra y estudio para su transporte y almacenamiento, que dificulta su utilización.

Hay también la limitación de altura de los emprendimientos y la necesidad de equipo de apoyo para instalación de puertas, ventanas y elementos de los proyectos de instalaciones, como electroductos y tuberías, ya que las impresoras tridimensionales imprimen la estructura con aberturas, pero aún no imprimen los demás componentes. Estas restricciones con el considerable desarrollo de las impresoras tridimensionales en el mercado de la construcción civil serán superadas redefiniendo la forma en que se construye actualmente y en el futuro.

En lo que se refiere al funcionamiento, la gran evolución está en el hecho de que a través de estas máquinas ya no es necesario realizar un proyecto para cada vista, siendo éste posteriormente confeccionado por alguien capacitado para esta función. Ahora es posible utilizar un programa de modelado 3D y enviar el proyecto directamente a la impresora, que confeccionará el objeto. A través de este sistema, se garantiza una mayor precisión en la ejecución del proyecto, pues los posibles errores que ocurren durante la fabricación son reducidos, una vez que la máquina sigue exactamente las instrucciones del material que le fue suministrado, lo que realmente ahorra tiempo, materiales y costos.

La tercera revolución industrial se ha caracterizado por la producción en serie a través de la automatización de las líneas de fabricación, la tecnología de la industria, y en especial la impresora 3D permite una producción más adaptada a las necesidades específicas de cada cliente. En la denominada cuarta revolución industrial, cada año se presenta una mayor influencia de las tecnologías emergentes, parte de las industrias están adhiriendo las tecnologías de manufactura digital y haciendo que sus fábricas sean más inteligentes y eficaces, frente a las tendencias de la industria se propende por una producción más eficiente y personalizada a partir de la unión entre robotización y tecnologías analíticas de datos.