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La impresión 3D: una realidad en la construcción

Redacción ProfesionalesHoy17/12/2021
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El Aula Potencia ha celebrado una nueva sesión para tratar las últimas innovaciones en la construcción. La jornada, celebrada en la Escuela Técnica Superior de Edificación de la Universidad Politécnica de Madrid, se ha centrado en la impresión 3D y otras nuevas tecnologías del sector.

Texto: Adrián Megías

Presentada por el director del Foro Potencia, Ricardo Cortés, la jornada ha contado con la participación de Mercedes Valiente López, doctora Arquitecta y Catedrática de ETSEM-UPM; Sandra Moyano Sanz, doctora graduada en Edificación por ETSEM-UPM; Ignacio Rodríguez, miembro del departamento de impresión en 3D de Acciona; y Daniel Fernández Vega doctor en Innovación y Tecnológica en Edificación y máster en Organización de Empresas.

La impresión en 3D, entendida como una mezcla de robotización, construcción industrializada y prefabricación, “se configura como una realidad tanto en obras civiles como en edificación”, dice Ricardo Cortes. Una tecnología que ofrece resultados impensables con los métodos contemporáneos, tanto en velocidad de trabajo como en posibilidades arquitectónicas.

Tras la bienvenida de Alfonso Cobo Escamilla, Director de la Escuela Superior de la Edificación de la UPM, comenzó la jornada sobre impresión 3D. Una técnica que en el mundo actual tiene múltiples aplicaciones: construcción, medicina, automoción, aviación, tecnologías aeroespaciales, joyería, etc. Para Mercedes Valiente, “tenemos estas herramientas a nuestra disposición con multitud de aplicaciones”. La doctora Arquitecta y catedrática de la UPM cuenta que “en medicina hacen las operaciones primero en 3D, para reproducir el elemento, y luego llevan a cabo la cirugía sobre él. No están en el punto de generar órganos, pero están muy cerca”.

Su aplicación en la construcción comienza a convertirse en algo más plausible. Estructuras como puentes en Ámsterdam, Madrid o Venecia están construidas con esta tecnología. “Países como China empiezan a imprimir edificios y cada vez se hacen más investigaciones para que esto se pueda llevar a cabo”, añade Valiente.

Mercedes Valiente añade que “en las estaciones orbitales ya no llevan herramientas o piezas para la nave, si no que llevan impresoras en 3D para ir imprimiendo aquello que les haga falta”.
La impresión en 3D puede aplicarse de muchas formas y emplea materiales de todo tipo que van desde el hormigón hasta la goma flexible, pasando por una amplia gama de polímeros diseñados para estas funciones. “Dependiendo del material que usemos tenemos distintos elementos que nos pueden ayudar a fijarlo. En función de lo que se vaya a hacer será más factible utilizar un producto u otro dependiendo de lo que se requiera del material”, dice Valiente.

Printed Termoplastic Modular Piece

Para llevar a cabo estas grandes construcciones de módulos con hormigón fluido es necesario tener una impresora a gran escala y un proyecto STL de cada edificación. Para lograrlo, Sandra Moyano, doctora graduada en Edificación por ETSEM-UPM, ha desarrollado su proyecto de Printed Termoplastic Modular Piece (Pieza Termoplástica Modular Impresa o PTMP), “piezas pequeñas ensambladas entre sí para poder realizar cualquier tipo de edificación”.

La pieza diseñada y patentada por Sandra Moyano Sanz tiene por objetivo sustituir los ladrillos de cerámica tradicionales por otros fabricados mediante nuevas tecnologías. El desarrollo de las PTMP pasa por tres fases: diseño, fabricación, experimental.

En la fase de diseño se plantea la geometría y las dimensiones de las piezas. Además, aparecen piezas auxiliares y especiales para que puedan trabajar en conjunto. Sandra Moyano dice que, “tras estudiar distintos diseños para la pieza se optó por uno con aristas redondeadas en las uniones horizontales en forma de cola de milano”.

La impresión en 3D puede aplicarse de muchas formas y emplea materiales de todo tipo que van desde el hormigón hasta la goma flexible, pasando por una amplia gama de polímeros

“Se trata de un cuerpo prismático de 24x12x7 con uniones laterales enfrentadas en las caras opuestas, con una unión macho y una unión hembra y uniones superiores, las grapas y los machos, divididas en 4 sectores que encajan en las uniones inferiores. Esto permite que las piezas puedan colocarse a mata juntas. En cuanto al relleno interior es un relleno triangular porque es la figura geométrica más estable en 2 dimensiones”, explica Moyano.

Fabricación

El material elegido para la fabricación es el PETG, un copolímero muy utilizado en la impresión 3D. “Es un material más o menos fácil de imprimir y es el más parecido al que existe de los residuos plásticos, así podemos ver cómo se comportan las piezas si queremos utilizar esos residuos para fabricarlas”, apunta Sandra Moyano.

A la hora de imprimir la pieza, la doctora en Edificación de la UPM explica que, “para imprimir la pieza se ha utilizado una impresora de dos extrusores para minimizar el tiempo requerido. Se tarda 20h y 3 min en imprimir dos piezas, el valor de cada una es de 27,18 euros”. Unos costes bastante más altos en tiempo y precio que los que tienen las piezas tradicionales.

Una vez impresas las piezas pueden recibir una serie de procesados. Sandra Moyano explica que, “tenemos los tratamientos mecánicos, lijado, granallado, pulido o pulido con abrasivos; los tratamientos térmicos, calentamiento directo o indirecto; los tratamientos químicos que trata de exponer la pieza al disolvente hervido; o los tratamientos por recubrimiento, la pintura, hidrografía o galvanoplastia”.

En el caso de las Piezas Termoplásticas Modulares que no utilizan mortero de unión para fijarse entre ellas, “tendríamos que pulverizar cloruro de metileno -que ataca el PETG- en la fachada para conseguir que el plástico se derrita y las piezas se unan entre sí evitando la entrada de aire o fluidos”, comenta Sandra Moyano.

Por último, durante la fase experimental se llevan a cabo ensayos de laboratorio para estudiar el comportamiento de las PTMP. Para ello los ensayos se realizan no solo en estas piezas sino también en ladrillos cerámicos tradicionales para comparar resultados. Estas pruebas siguen la norma UNE EN 772 de métodos de ensayo para fabricar piezas de albañilería.

“Con la impresión 3D se abre una línea versátil capaz de producir elementos que mediante la técnica de extrusión tradicional serían imposibles”

Sandra Moyano

En conclusión, “las piezas cumplen los valores exigidos por el código técnico o Aenor. Esto demuestra que se puede conseguir un prototipo innovador para la construcción mediante la impresión 3D. Incluso estas son capaces de mejorar los resultados de las piezas tradicionales. Así se abre una línea versátil capaz de producir elementos que mediante la técnica de extrusión tradicional serían imposibles”, dice Sandra Moyano.

Sus propiedades además permiten que, “funcione bien en cuanto a aislamiento térmico por la cantidad de celdillas que tienen en el interior. El aire no tiene transmisión de calor o frio por lo que mientras esas celdillas estén cerradas se entiende que va a ser buen aislante térmico. También, se ha diseñado para que los tabiques interiores tengan distintos espesores por lo que absorbe varios grados de frecuencia, con lo que ya es más aislante acústico que un ladrillo convencional”, explica la doctora en edificación de la UPM.

Puesta en práctica

Este es un ámbito muy novedoso en el que se está trabajando para el desarrollo de estas nuevas aplicaciones. Acciona apuesta por esta tecnología que “puede suponer un antes y un después en el mundo de la construcción”. Como cuenta Ignacio Rodríguez, “la historia empieza en 2013 cuando un par de compañeros fueron a la Carlos III para ver en qué consistía esto y dentro de la casa hubo sensación. Pero no fue hasta 2016 cuando Acciona de verdad se plantea invertir en esta tecnología. En principio se decidió invertir en una tecnología que se llama D-Shape que funciona con deposición de polvo de mortero y es prácticamente en la que acciona ha estado trabajando hasta 2020. En 2018 cuando ya se tuvo suficiente experiencia la empresa decide llevarlo a negocio y se abre una célula en Dubái donde preveían iba a haber un gran nicho de mercado para la construcción con 3D”.

Tras ese periodo inicial, en 2019 se reorganiza todo y un nuevo equipo comienza a trabajar en el departamento. Éste centra más el foco en la tecnología de extrusión. Rodríguez señala que, “dentro de acciona siempre hablamos de tres parámetros fundamentales para que la impresión 3D funcione: La tecnología -la máquina-, el material y el diseño -calculo estructural ingeniería y diseño de la pieza-. Todo esto está relacionado, no puedes entender una cosa sin la otra si vas a trabajar con cierto material debes utilizar cierta maquinaria y para eso debes haber diseñado la pieza de cierta forma”.

Ejemplos de mobiliario urbano desarrollado por Acciona mediante la técnica de extrusión.

A la hora de afrontar los distintos proyectos distinguen entre gran escala, para los proyectos de mayor tamaño que suelen utilizar hormigón o algún tipo de mortero, y pequeña escala, en los cuales intervienen más los polímeros para una impresión más detallada. “Sobre todo lo que trabajamos es con una red de socios de profesionales de la impresión 3D en ciertos ámbitos, y cada vez que necesitamos piezas de ciertas características en polímeros resinas e incluso metales, hablamos con ellos para conseguir estas piezas”, aclara Ignacio Rodríguez.

Tecnología D-Shape

La tecnología D-Shape funciona gracias a una cama sobre la que se aplica una capa de mortero que mediante múltiples boquillas de agua se irriga poco a poco. Durante el proceso se añaden capas hasta conseguir la pieza deseada y luego se aspira el material restante.

“Con D-Shape la pieza hay que tenerla después en la cámara de curado cierto tiempo para que termine de absorber el agua. Este método tiene un tiempo de producción mayor que el de la extrusión, pero la parte buena es que tienes total libertad para hacer el diseño de la pieza que tengas, como el material permanece dentro de la propia pieza, permite generar voladizos y formas que en extrusión normal no serían concebibles”, explica Rodríguez.

En 2016 Acciona elabora con este método un proyecto para construir una pasarela en Alcobendas. Ignacio cuenta que “el proyecto fue elaborado junto con el instituto de arquitectura avanzada de Cataluña, la pasarela se dividió en distintas secciones ya que la cama de la impresora no es infinitamente grande, tiene 4×2 metros y 2 metros de alto. Las distintas secciones se fueron imprimiendo y curando y luego se ensamblaron”.

“Es verdad que se diseñó para trabajar a compresión, pero como de verdad funciona es con una estructura metálica que colocamos en la parte inferior para asegurar que no pasara nada con esto”, explica Ignacio Rodríguez. El objetivo del proyecto es demostrar las aplicaciones reales de esta tecnología, “pero decidimos que era más seguro así y poco a poco ir trabajando en ver cómo hacer que estas estructuras funcionen de verdad a compresión” apunta el responsable de Acciona. A día de hoy otras estructuras como el puente de Venecia antes mencionado funcionan de esta manera (a compresión) sin soportes de ningún tipo.

Otro proyecto que aplica esta tecnología es el de la primera escalera impresa en 3D generada completamente por ordenador. Esta se elabora gracias a un software de modelado generativo que efectúa un diseño a partir de los parámetros elegidos por el usuario. “Es verdad que el programa no está preparado para hormigón todavía. En este caso decidimos imprimirlo a metal y ciertos elementos estaban trabajando a flexión y a tracción, cosa que el hormigón no puede hacer. El problema es que elementos muy finos se iban rompiendo a la hora de aspirar el material sobrante. Tuvimos que aprender a armarlo a posteriori y montar los elementos que iban a estar a flexión para hacer que esta estructura funcionara de verdad”, comenta Rodríguez.

La compañía tiene otros proyectos en Dubái que conforman parte del mobiliario urbano del país, como bancos o paradas de autobús, compuestos prácticamente en su totalidad por elementos impresos en 3D. Para Ignacio Rodríguez, “hay que desmitificar esto un poco. Todo el mundo cuando habla de la impresión 3D se tira a la piscina y dice que se puede hacer todo impreso, y luego la verdad es que no hace falta. La impresión en 3D es un método de fabricación que tiene sus puntos fuertes, pero no hace falta hacerlo todo impreso; no tendría sentido”.

Una réplica del Arco de Dueñas impresa en 3D se encuentra expuesta en el museo arqueológico nacional. El proyecto desarrollado por Acciona abre la puerta a la aplicación de estas tecnologías en la conservación del patrimonio cultural, Rodríguez señala que, “este es el proyecto que más me gusta de todos los que hemos hecho”. “Puedes escanear elementos grandes arquitectónicos que están en peligro de ser destruidos, piezas que se han perdido, reproducirlas en 3D y volver a colocarlas donde estaban, algo que no tiene precedentes en cuanto a la conservación del patrimonio cultural”, explica el responsable de Acciona.

Durante el proyecto las dificultades aparecen a la hora de replicar los detalles más pequeños del arco -como pueden ser sus capiteles- “porque es una impresora de polvo a gran escala y no tiene ese detalle tan fino. Asique lo que hicimos fue utilizar una impresora de plástico para conseguir ese detalle y luego lo ensamblamos todo”, dice Ignacio Rodríguez.

Extrusión con monocomponente

Ignacio Rodríguez explica que, “la impresión mediante extrusión con monocomponente funciona gracias a una máquina de mezclado y una aglutinadora de monocapa, donde metemos nuestros morteros de fraguado rápido, se mezclan y una vez mezclados se impulsan por la manguera hasta la punta de un robot industrial que poco a poco va levantando la pieza que quieres”.

El objetivo principal de Acciona con esta nueva tecnología es crear una solución de espacios habitacionales, “que es el mayor nicho de mercado que estamos viendo”, apunta Rodríguez. La impresión en 3D permite a la construcción dar un salto en cuanto al tiempo de producción. Unos plazos que se reducen considerablemente y, “esto es completamente escalable. Tienes un robot, y una máquina de mortero que, aunque necesita mantenimiento y operarios, puede estar trabajando prácticamente las 24h. Un muro de 3,20 m x 1,50 m lo levantamos en media hora, así que imaginad la cantidad de muros que podrías generar en una jornada entera, y multiplícalo por robots máquinas y operarios”, dice Ignacio Rodríguez.

La impresión non-plana cambia la forma en la que se depositan las capas, lo que permite imprimir a distintas alturas. Algo que sin esta tecnología sería imposible de hacer con el método de extrusión ya que “tendrías que cortar en algún momento la impresión y ensamblar la otra pieza no quedaría con el mismo aspecto”, explica el responsable de Acciona.

Desde la compañía también han desarrollado una técnica de modelado automático hecho completamente por ordenador. Como dice Ignacio Rodríguez, “en este caso es un programa en el que nosotros introducimos los parámetros que queremos para nuestra solución de arcos a compresión, le decimos el ángulo máximo que queremos, las dimensiones del arco, la geometría del el mismo y dependiendo del material saca las piezas listas para imprimir”.

“La impresión 3D no va a sustituir completamente a los métodos tradicionales porque tiene su propio nicho de mercado. Necesitas gente que sea capaz de entender la tecnología, pero sobre todo su potencial y sus limitaciones”

Ignacio Rodríguez

Esta técnica tiene multitud de aplicaciones, desde módulos para viviendas o infraestructuras, hasta mobiliario urbano o decoración de fachadas. Una tecnología en la que cada vez más empresas del sector están invirtiendo y desarrollando sus propias soluciones. En palabras de Rodríguez: “Es verdad que no va a sustituir completamente a los métodos tradicionales porque tiene su propio nicho de mercado. Necesitas gente que sea capaz de entender la tecnología, pero sobre todo su potencial y sus limitaciones. Para poder aplicarlo a la obra ya sea en edificaciones, obras públicas, obras civiles, necesitas adaptar este método constructivo al terreno. Además, hay unas expectativas de crecimiento para la introducción de estas tecnologías en los negocios que son espectaculares y nosotros estamos ahí poco a poco trabajando”.

Dispositivos de medición

Daniel Ferrández fue el encargado de cerrar la sesión. Durante su intervención, mostró algunos de los productos que desarrollan en la escuela, sobre todo sistemas de bajo coste para monitorizar parámetros. “El objetivo de cualquier empresa es generar valor, obtener beneficio. Al desarrollar una nueva tecnología buscamos una ventaja competitiva con respecto a los rivales ya sea por diferenciación en producto o en la caja de costes”, dice Fernández.

Sensores capacitivos para medir la humedad; acelerómetros de bajo coste para calcular el modulo de Young dinámico; sistemas para mejorar las propiedades físicas de los morteros, mediante vibrado o electroimanes; e incluso nuevos tipos de prefabricados. Todos estos instrumentos permiten reducir costes a la hora de utilizar nuevos materiales además como parte de programa educativo, “estas son Herramientas de código libre para que todos los estudiantes tengan acceso”, explica Daniel Fernández.

La última patente que se ha desarrollado en la escuela está enfocada en las energías renovables, un sector en auge. Como explica el doctor en Innovación Tecnológica en Edificación, “este nuevo diseño sirve para evitar el efecto vela en los paneles solares, que colocados en determinada posición cuando el viento sopla por detrás vuelcan y se rompen. Diseñamos un deflector de tal manera que cuando el aire incide en la cara posterior, parte se desvía hacia abajo y parte hacia arriba. El aire que va hacia abajo pasa a través de unas toberas y con un filtro y un humidificador podemos generar ventilación natural gratuita en viviendas. Un diseño que ya tenemos en fase de comercialización”.

AULA POTENCIA | IMPRESIÓN 3D Y OTRAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LA EDIFICACIÓN
Vídeo de la jornada celebrada Escuela Técnica Superior de Edificación de la Universidad Politécnica de Madrid

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****foto grupo

****foto Acciona

****Sandra Moyano

****Ignacio Rodriguez
Miembro del departamento de impresión en 3D de Acciona.

****foto Ricardo Cortés
Ricardo Cortés, director del Foro Potencia.

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