Proyectos innovadores en el ámbito de la impresión 3D aplicada a la construcción

La aplicación de nuevas tecnologías de impresión 3D en el campo de la construcción, incipiente aún en nuestro país, permitirá junto con el desarrollo de nuevas gamas de materiales y una nueva generación de herramientas de diseño la automatización de múltiples procesos de construcción y rehabilitación de edificios. Dos ambiciosos proyectos españoles que en estos momentos están desarrollando sendos consorcios liderados por Vías y Construcciones S.A., y en los que colaboran organismos de la talla del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC) o la Fundación CIM-UPC, entre otros, están marcando el camino innovador de una nueva forma de concebir la construcción que está dando sus primeros pasos pero que, a medio plazo, podría transformar completamente el proceso productivo.

El primero, denominado 3DCONS, plantea dos tipos de impresoras: una para elementos prefabricados y otra para imprimir sobre superficies verticales ya existentes (fachadas, principalmente); el segundo, que responde al nombre de Print’n Build, representa un primer paso para la futura impresión in situ de elementos constructivos y, aún más allá, de edificios completos.

Aprobado dentro del Programa Estratégico Cien del Centro de Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI), el proyecto 3DCONS aborda el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan introducir, a escala real, la impresión 3D en la construcción. Para ello, el proyecto persigue introducir estas tecnologías para la automatización de procesos tanto en el ámbito de la obra nueva como de la rehabilitación y restauración de patrimonio. 3DCONS inició sus primeros pasos este pasado mes de enero y su finalización está prevista para el primer trimestre de 2018, cuando se habrán concluido, además de todos los desarrollos tecnológicos, los distintos demostradores y obras piloto que permitirán validar la tecnología.

Como explica a CIC Jorge Rodríguez Julián, responsable del proyecto dentro de la empresa que está liderando la investigación, Vías y Construcciones, S.A., desde hace años venimos hablando de la necesidad de “industrializar” procesos constructivos. Y aunque la industria del prefabricado y la construcción modular han avanzado mucho en las últimas décadas, siempre se enfrentan al mismo problema: son sistemas de producción muy eficientes a partir de un número determinado de repeticiones, pero ineficaces si cada elemento o pieza es distinto a los demás. “Si pretendo construir veinte bloques de viviendas iguales, puedo plantearme prefabricar los elementos constructivos o incluso módulos que contengan espacios completos, pero eso no es lo habitual en nuestro sector. Por eso la mayor parte del trabajo de obra sigue siendo ejecutado in situ en nuestros días. Sin embargo, para una impresora 3D no supone ningún problema imprimir en cada caso una pieza distinta a la anterior. El coste dependerá tan solo del volumen y coste de material a aportar, sea cual sea la forma de cada elemento”, afirma Jorge Rodríguez.

En este sentido, la impresión 3D permite contar con un sistema automatizado de alta precisión -en impresión 3D puede hablarse incluso de milímetros- que además ofrece mayor libertad de diseño que la ejecución in situ: “Conformar piezas singulares o con geometrías complejas es mucho más sencillo para una impresora 3D que para cualquier cuadrilla de obra”, apunta Jorge Rodríguez. De esta forma, la impresión 3D hace posible dos cuestiones que en construcción siempre habían sido, hasta ahora, antagónicas: la automatización, por un lado, y la híper-personalización, por otro.

El innovador concepto añadido que 3DCONS introduce en este escenario y que le diferencia claramente de otros proyectos de impresión 3D es que trabajará sobre superficies verticales existentes para la rehabilitación de fachadas y otros elementos, ofreciendo la posibilidad de restaurar elementos de patrimonio o con geometrías complejas a partir de modelados 3D de alta precisión. “Esto nos permitirá, por ejemplo, incorporar la impresión 3D en trabajos de rehabilitación de fachadas, donde existe un potencial tremendo. Hablamos de reducir el tiempo de ejecución (en un edificio de oficinas una impresora puede seguir trabajando por la noche), eliminar las molestias a los ocupantes del edificio, reproducir el estado original de elementos complejos o ejecutar una rehabilitación energética optimizada a partir de un análisis termográfico del edificio”, apunta el responsable del proyecto desde Vías y Construcciones. Igualmente, se desarrollará un sistema de impresión de prefabricados “a la carta”, sin necesidad de moldes o encofrados, en los que la “customización” de piezas en función del diseño no suponga un coste adicional.

Aplicaciones comerciales en 2018
Aunque de momento el proyecto se encuentra en una fase muy temprana y las pruebas realizadas solo han sido a escala laboratorio, está prevista la realización de prototipos y aplicaciones experimentales que permitan demostrar el potencial de la tecnología. En este sentido, el investigador de Vías y Construcciones explica que las posibilidades de aplicación que 3DCONS abre con las diversas tecnologías, materiales y sistemas de impresión que contempla son muy diversas. Y de hecho, el consorcio que está desarrollando el proyecto ha seleccionado estas posibles aplicaciones conjugando tanto opciones que requerirán un mayor plazo para su traslación al mercado (aquéllas más disruptivas o complejas) con otras que entienden que tendrán una traslación casi directa. En cualquier caso, y pese a que como afirma Jorge Rodríguez “la transferencia de tecnología al mercado de la construcción es algo compleja, sobre todo cuando se trata de novedades disruptivas como la impresión 3D”, los responsables del proyecto confían que en este caso se puedan ver aplicaciones comerciales poco tiempo después de acabar el proyecto, en 2018.

Proyecto Print´n Build
La originalidad del proyecto Print’n Build reside, por su parte, en el hecho de estar trabajando un concepto de impresora y materiales que permita en el futuro levantar un edificio in situ, un objetivo muy ambicioso que supera con creces el enfoque actual de la mayor parte de las impresoras 3D que se están desarrollando para el sector de la construcción, enfocadas a la impresión de piezas prefabricadas para su posterior colocación en obra. “Se trata de un reto tecnológico muy ambicioso y que requerirá de desarrollos adicionales hasta poder llegar a la construcción de edificios completos, pero a medio-largo plazo esta tecnología puede llegar a transformar por completo el sector de la construcción. Existe alguna otra iniciativa a nivel internacional que avanza en el mismo camino, pero Print’n Build es el único proyecto en Europa que conozcamos que está trabajando en este sentido”, asegura a CIC el investigador Jorge Rodríguez.

Y es que, al igual que en el caso del 3DCONS, Vías y Construcciones S.A. vuelve a liderar el consorcio que está llevando adelante este proyecto, más reducido que en el caso anterior, formado por el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja como experto en la parte de materiales y la Fundación CIM-UPC como experto en sistemas de impresión 3D. Igualmente, participa Javier Alonso del estudio de arquitectura Atanga, que aporta su experiencia en construcción 3D para la coordinación técnica del proyecto. Puesto en marcha en 2014, la finalización de Print’n Build está prevista para diciembre de 2016. No obstante, a lo largo de este mismo año 2015 ya se espera poder mostrar públicamente algunos ejemplos constructivos de gran tamaño impresos mediante esta nueva metodología. Para estos demostradores, se están diseñando elementos con geometrías singulares, cuya ejecución in situ por métodos tradicionales sería sumamente compleja, con objeto de demostrar las posibilidades que en materia de libertad de formas aporta esta tecnología.

Reproducir elementos constructivos in situ
Frente a la mayoría de las experiencias conocidas hasta ahora, basadas en diseños de piezas plásticas y su posterior impresión a escala de laboratorio, así como limitadas aplicaciones de soluciones prefabricadas de tamaño medio, el objetivo de Print’n Build es desarrollar un prototipo capaz de reproducir elementos constructivos in situ, como un primer paso para la futura impresión de edificios completos o elementos concretos de los mismos. Para ello se requiere el desarrollo de nuevas técnicas y materiales válidos para la impresión 3D, que puedan sustituir a los materiales utilizados actualmente en el sector de la edificación. Este desarrollo permitiría su posterior aplicación a gran escala a partir de la tecnología desarrollada. Según apunta Jorge Rodríguez desde Vías y Construcciones, “el prototipo de impresora y los materiales que se están desarrollando permitirán levantar elementos constructivos in situ de superficie de 3x3 m² y entre 2,5 y 3 m de altura, en función de la configuración final de la impresora, si bien el prototipo se ha diseñado para facilitar su escalabilidad posterior a mayores dimensiones”.

En concreto, se ha definido una estructura base para el sustento del sistema de impresión y se está diseñando una impresora (motor, inyectores, extrusor, etc.) basada en la tecnología de Modelado por Deposición de Fundido (FDM). Igualmente, se están desarrollando nuevos materiales en base a cemento capaces de permitir la impresión in situ de elementos constructivos o levantar una edificación, “si bien para la construcción de un edificio completo, será necesario el desarrollo posterior de técnicas complementarias que permitan automatizar otros procesos”, matiza Rodríguez.

Y es que el salto de escala que propugna en última instancia Print’n Build, y que será posible en el futuro a partir de los resultados de este proyecto, requerirá de desarrollos tecnológicos adicionales, que están siendo identificados y analizados dentro del proyecto, con objeto de avanzar hasta alcanzar este objetivo último. Así, “todas las ventajas inherentes a la construcción mediante impresión 3D (libertad de formas y geometría, traslación del diseño BIM directamente a órdenes de impresión/producción, estricto control de tiempos de ejecución, reducción de residuos e impactos ambientales, etc.) se podrán trasladar a la construcción in situ de nuevos edificios una vez se alcance este objetivo”, afirma el investigador.

Fase actual del proyecto
En la actualidad se ha concluido el diseño de los componentes principales de la impresora (estructura de soporte y sistema de extrusión) y se continúa trabajando en definir otros subsistemas como el de alimentación y mezclado de materiales, así como el software de control. Asimismo, se ha realizado un prediseño del espacio constructivo de 3x3x3 m3 que será impreso en los próximos meses, para su evaluación a menor escala y posterior fabricación real a escala 1:1. En cuanto al apartado de materiales se han conseguido ya mezclas que satisfacen los requerimientos mínimos para su aplicación por extrusión y se está trabajando en nuevas formulaciones que permitan mejorar algunas de sus características clave. Esto permitirá incrementar el ritmo de trabajo y mejorar las prestaciones y acabado final de las piezas.

Por otro lado, se está trabajando para desarrollar un sistema de impresión robusto y modular, que permita su aplicación en cualquier entorno constructivo. Y dado que el entorno de la obra es especialmente “agresivo” por las condiciones de trabajo a la intemperie, ambiente pulverulento etc., se está prestando especial atención en la selección de elementos móviles, electrónicos y sistemas de protección para asegurar el correcto funcionamiento del sistema en entornos de estas características.

Aunque existen iniciativas al respecto a nivel europeo y mundial, ninguna de ellas ha permitido hacer realidad este objetivo. El desarrollo de este prototipo, por tanto, capaz de desarrollar a gran escala una impresión modular de las dimensiones mencionadas, “lo convierte en una iniciativa pionera con repercusión a nivel mundial”, insiste Jorge Rodríguez, que añade que el resultado final serán “espacios constructivos habitables de grandes dimensiones, aptos para su uso y con un alto grado de adaptación a las necesidades normativas de la edificación en España”.

…
Esta información forma parte de un artículo mucho más amplio titulado “Hacia una construcción automatizada de alta precisión y a la carta”, que aparece publicado en el último número de CIC Arquitectura y Sostenibilidad (CIC523).