¿Qué es la Arquitectura impresa en 3D?

La arquitectura 3D es una de las alternativas más innovadoras que nos presenta la tecnología. En este artículo conoceremos más acerca de ella.

¿Qué es?

Durante los últimos años dentro del mundo de la arquitectura, hemos sido testigos de la afirmación de que la impresión 3D transformará de manera revolucionaria el ámbito arquitectónico, haciéndolo cada vez más novedoso por completo. Sin embargo, si nos detenemos por un momento, reflexionar sobre el estado actual y retroceder en el tiempo, se hace notable que la tecnología ha venido cambiando la industria de la construcción durante un lapso bastante largo, reinventándose continuamente y dando paso a nuevas fases en los ámbitos del diseño, la construcción y la creatividad que se tiene para transformar el espacio.

La impresión 3D, que se desenvuelve como un método de fabricación aditiva, es decir, construyendo capa por capa, emplea modelos digitales para generar objetos en tres dimensiones con un nivel de precisión y eficiencia sobresalientes. Esta técnica no solo ahorra tiempo, sino que también minimiza los residuos, reduce los costos de mano de obra y abre la puerta a una creación ágil de prototipos y al diseño impresionante. En consecuencia, invita a los arquitectos para explorar oportunidades creativas y recobrar autonomía al idear elementos complejos y no estandarizados en el marco de un proceso industrial y personalizado a gran escala.

Materializar construcciones

En la actualidad, las ventajas de la impresión 3D en el ámbito arquitectónico son prácticamente inagotables. Donde anteriormente se utilizaba para materializar pequeños modelos arquitectónicos, en la actualidad la tecnología puede irse a gran escala para la construcción de viviendas y comunidades completas, haciendo uso de diversos materiales, desde el convencional y muy utilizado concreto hasta opciones tan fácilmente accesibles como la tierra.

El futuro arquitectónico se presenta aún más prometedor, con aplicaciones que abarcan desde refugios temporales y viviendas más asequibles hasta edificaciones vivientes, extensas áreas urbanas e incluso colonias en el espacio. No obstante, se tiene que comprender el recorrido que nos ha llevado hasta este punto es esencial para prepararnos de manera adecuada para los desafíos y avances que nos esperan con ayuda de la tecnología.

Antecedentes

Existe la idea de que las impresoras 3D llegaron de manera inesperada y obtuvieron popularidad de forma súbita. Sin embargo, su origen se remonta a 1939, cuando el inventor William E. Urschel dio vida al primer edificio de concreto impreso en 3D detrás de un pequeño almacén en Indiana, Estados Unidos. Su innovadora y famosa «máquina de construcción de muros» incorporaba un mecanismo de apisonamiento automático que, al comprimir el hormigón entre discos giratorios, consolidaba y aplanaba cada capa a medida que se extruía el material. Desde aquel éxito en la historia de la construcción, la evolución de la impresión 3D ha sido constante.

La historia de la tecnología asociada a la impresión 3D ha sido objeto de cuestionamientos en varias ocasiones desde la década de los 80. Es importante mencionar que ha cobrado una importancia significativa gracias a la mejora continua de la técnica que posibilita la creación de objetos tridimensionales poniendo varias capas sucesivas de material. Esta versátil metodología de construcción permite la creación de elementos específicos para un proyecto, así como estructuras más complejas completas como viviendas, espacios habitacionales, oficinas, puentes, paredes, estructuras modulares, moldes de refuerzo, columnas, mobiliario urbano y elementos decorativos, entre otros.

Información requerida

En el ámbito constructivo, la mayor parte de la información necesaria para el funcionamiento de esta tecnología viene del proceso de diseño. Dado que la industria ya cuenta con experiencia en fabricación asistida por computadora y el BIM que es el modelado de Información para la Construcción sigue en ascenso en el sector constructivo, la integración de las tecnologías de impresión 3D resulta menos complicada. A través de este tipo de programas por ejemplo, CAD que es el Diseño Asistido por Computadora o BIM, una impresora 3D obtiene la información detallada sobre lo que se requiere imprimir, y las máquinas comienzan a sobreponer los niveles de material de acuerdo con las instrucciones recibidas. Este proceso puede llevarse a cabo utilizando una variedad de materiales, siendo la mezcla de concreto, geopolímeros, fibra y arena que es la más común.

La evolución tan impresionante de la impresión 3D en la última década ha sido tan notable que se proyecta que su valor en el mercado de la construcción alcance la asombrosa cifra de $1,034,096.7 millones de dólares para el año 2028, según un estudio realizado por Research and Markets. Este pronóstico representa un incremento del 91.5% en su tasa de crecimiento anual compuesto entre 2021 y 2028.

Construcción

La impresión 3D se realiza mediante unas máquinas que cuentan con brazos robóticos, sistemas de extrusión específicos para cada tipo de material y un robot móvil que se encarga de estar montado en grúas, permitiendo la construcción en el lugar deseado o la prefabricación para un posterior ensamblado.

En el caso reciente de un bloque residencial en Alemania, se implementó la innovadora impresora BOD2, que demuestra una capacidad asombrosa al construir un metro cuadrado de pared en tan solo cinco minutos. Esta máquina requiere una única calibración inicial y está equipada con un cabezal de impresión que se desplaza en tres ejes sobre un marco metálico. El proceso de construcción se hace de manera gradual por capas, donde cada pared se incrementa en altura de forma progresiva. A pesar de que todo se realiza gracias a procesos automatizados, se necesitan operadores, y se anticipa la creación de perfiles profesionales adicionales en la industria para tareas que antes no existían en la obra, como la gestión del código, la creación de modelos 3D y la operación del robot.

Si hablamos de los materiales usados por las impresoras 3D, la versatilidad es impresionante, ya que pueden emplear diversos materiales como acero, concreto, plástico, bambú, madera, arcilla, entre otros. También, existe la posibilidad de reutilizar materiales existentes localmente, lo cual no solo contribuye a la sostenibilidad de las construcciones, sino que también mejora los índices medioambientales al reducir la dependencia de materiales provenientes de largas distancias.

Impresión 3D y sostenibilidad

Es importante resaltar que la impresión 3D sobresale por su capacidad para crear construcciones sostenibles. De acuerdo con Edouard Cabay y Alexandre Dubor, quienes son codirectores del programa de Arquitectura Impresa en 3D del IAAC (Institute for Advanced Architecture of Catalonia), mencionan que métodos como la impresión con tierra, que implica la utilización de una mezcla de arcilla y arena extraída del propio terreno de construcción, «no solo permiten el uso de un material 100% natural que no requiere energía para su aplicación en la obra (a diferencia del cemento, que consume importantes cantidades de energía), sino que también poseen excelentes propiedades térmicas y regulan la humedad en la estructura del edificio».

El IAAC hace énfasis en que, gracias a las oportunidades que brinda la impresión 3D, el diseño de una pared puede adaptarse de manera personalizada para satisfacer diversas necesidades, incluyendo las relacionadas con el clima. «Por ejemplo, el grosor o la composición de una fachada pueden variar según su orientación, permitiéndonos así generar soluciones optimizadas para su ubicación específica y su uso particular», como mencionan. Gracias a estos avances técnicos, será posible construir edificaciones que prescindan de la necesidad de sistemas de aire acondicionado.


Principales ventajas

El empleo de la impresión 3D no solo conlleva un ahorro significativo de costos y una reducción del desperdicio, lo que se traduce a una mayor eficiencia en el uso de materiales, sino que también favorece la circularidad de los edificios. Sumado a esto, esta tecnología brinda una mejor previsualización de los diseños, permitiendo una mayor personalización y la posibilidad de realizar modificaciones en el mismo momento de la construcción.

La rapidez en la edificación es otra ventaja destacada, convirtiéndola en un método especialmente idóneo para la construcción de viviendas sociales o estructuras de emergencia, como hospitales destinados a enfrentar pandemias, por ejemplo.

La historia de la arquitectura ha sido marcada por la evolución impulsada por la llegada de nuevas tecnologías y elementos constructivos, como el arco gótico y el acero. Esta sin duda es una gran innovación sobre cómo se construyen los edificios, cómo se diseñan las fachadas, las habitaciones y las estructuras en general. La arquitectura del futuro podrá estar destinada a ser impresa.

Más beneficios

La impresión 3D se presenta como una nueva forma de construcción llena beneficios para la industria de la arquitectura, impactando prácticamente todas las etapas del sector. Desde contribuciones a la sostenibilidad y un aumento en la productividad hasta la reducción de desafíos en la cadena de suministro. Sin duda, esta tecnología se presenta como una revolución en la forma en que abordamos la construcción.

La reducción de tiempos constituye uno de los logros más importantes. Mientras que los métodos de construcción convencionales pueden prolongar un proyecto durante meses, con una tendencia a superar los plazos previstos en un 20% y aumentar los costos hasta en un 80%, la impresión 3D tiene el potencial de recortar hasta un 70% del tiempo necesario. Así, proyectos de diversas magnitudes pueden completarse en cuestión de horas o días, dándoles a los contratistas la capacidad de abordar más proyectos y, por ende, ampliar sus fuentes de ingreso.

En términos de costos y sostenibilidad, la impresión 3D permite utilizar la cantidad exacta de material necesaria para erigir una estructura, lo que resulta en una reducción de hasta un 60% en los residuos generados en el lugar donde se lleve a cabo la obra. Esta precisión también elimina la necesidad de excesos en la compra y almacenamiento de materiales, traduciéndose en ahorros significativos.

Tiempos y economía

La tecnología no solo ofrece eficiencia económica, sino que también mejora la seguridad en el lugar de trabajo. La impresión 3D aporta beneficios sustanciales en la salud y seguridad de los empleados, ya que, al familiarizarse con las impresoras, los trabajadores pueden desempeñar sus tareas de manera más segura, disminuyendo el riesgo de lesiones.

Además, la flexibilidad en el diseño constituye otro punto a favor de la impresión 3D. La capacidad de personalizar la obra hasta justo antes del inicio de la impresión de la estructura elimina las complicaciones asociadas a cambios de último momento en el diseño, lo cual hace más ágil el proceso de construcción y reduciendo posibles contratiempos. En resumen, la impresión 3D redefine los estándares de eficiencia, sostenibilidad, seguridad y flexibilidad en la construcción.

Oportunidades y retos para la impresión 3D en construcción

Aunque los beneficios de la impresión 3D en la construcción continúan evolucionando a medida que más empresas exploran esta tecnología, superar los desafíos que impiden una adopción más extensa en el mercado sigue siendo un objetivo. Entre ellos podemos mencionar:

Costos de la maquinaria y falta de mano de obra capacitada

A pesar de que la impresión 3D ofrece eficiencias económicas en la construcción, la maquinaria requerida sigue siendo prohibitivamente costosa tanto en términos de adquisición como de operación. La reticencia de las grandes empresas a invertir significativamente en esta tecnología persiste debido a estas barreras financieras.

La necesidad de profesionales capacitados para manejar la tecnología detrás de la impresión 3D es evidente. Se requieren expertos que puedan diseñar modelos computarizados, operar equipos especializados y proporcionar el mantenimiento adecuado.

Regulaciones y legislación insuficientes

La falta de regulaciones y legislación específicas para la impresión 3D en la construcción es un desafío. La industria necesita directrices claras que aborden la utilización de esta tecnología y destaquen los beneficios de su implementación en nuevos proyectos de construcción.

Desafíos en el material de impresión

La selección del material o la fórmula de la mezcla para la impresión 3D es una de las principales limitaciones. El material debe tener la capacidad de impresión deseada para ser extruido correctamente, además de la resistencia necesaria para mantener su forma y estructura rápidamente. El tiempo abierto, que es el periodo en el que la impresión y la edificabilidad son consistentes, es crítico, ya que cualquier retraso puede afectar negativamente el proceso.

Tipos de impresoras 3D

Brazo Robótico

Un brazo robótico se presenta como una impresora controlada de forma automática, brindando una notable libertad de movimiento y flexibilidad para la programación de varias tareas. Este componente es capaz de llevar a cabo impresiones desde múltiples ángulos, lo que posibilita la creación de geometrías complejas y curvas. Su capacidad para imprimir en dimensiones más amplias, en comparación con otros métodos de impresión 3D, lo convierte en una herramienta especialmente versátil. La autonomía de este brazo robótico permite realizar tareas de impresión con eficacia y precisión, contribuyendo así a la materialización de diseños más intrincados y a la impresión en escalas mayores.

Sistema de Pórtico

Este método marca el inicio de la era de la impresión 3D en la construcción. Este proceso innovador implica el depósito del material de construcción para formar un modelo tridimensional, dando lugar a la creación de estructuras a gran escala con un acabado de superficie lisa y uniforme. El sistema de pórtico se rige mediante rieles estratégicamente colocados alrededor del suelo del edificio, actuando como guía precisa para dirigir el brazo robótico en la aplicación estratificada del concreto. Esta metodología permite una ejecución meticulosa capa por capa, asegurando la coherencia y la calidad en la impresión 3D de estructuras arquitectónicas.

Métodos y materiales utilizados

La técnica de impresión 3D más prevalente, la extrusión, se destaca por su versatilidad, siendo aplicable en una amplia variedad de entornos. Este método, frecuentemente empleado en modelado, prototipado y producción, construye objetos mediante la deposición de material en capas, avanzando y retrocediendo a través de una o más boquillas montadas en un brazo robótico, un sistema de pórtico o una grúa.

El método de impresión con granulado se distingue al utilizar materia prima en forma de polvo como su principal material de construcción. Se dividen en dos enfoques: «powder bed jetting» y «binder jetting». En el primero, se emplea con ayuda de un láser para fundir partículas de polvo y dar forma al objeto deseado, añadiendo una nueva capa de polvo en cada iteración. En cambio, el «binder jetting» usa un cabezal de impresión que deposita un agente adhesivo líquido en la cama de polvo. Este líquido une las partículas para formar cada capa del objeto, repitiendo el proceso capa por capa. Este último método ofrece una mayor precisión y capacidad para manejar estructuras más complejas.

Si hablamos del método de rociado, un robot autónomo proyecta material de construcción a presión en la forma deseada, repitiendo este proceso capa por capa. Esta técnica se presta para rellenar espacios en la estructura con concreto y actualmente se estudia su aplicación en áreas verticales y grandes, como fachadas o elementos decorativos de techos. Este método representa una alternativa curiosa para aplicaciones arquitectónicas específicas.

Materiales

Una vez que se ha elegido el método de construcción mediante impresión 3D, es crucial seleccionar el material que se utilizará en el proceso. Los avances recientes en la impresión 3D de construcción han ampliado significativamente la variedad de materiales disponibles. La elección del material debe adaptarse al tipo de proyecto específico, y entre los materiales más comúnmente utilizados se encuentran:

Concreto normal

Utilizado de manera convencional en construcción, el hormigón estándar es una opción robusta y confiable para proyectos impresos en 3D. Fórmulas específicas y patentadas de hormigón ofrecen opciones personalizadas que pueden adaptarse a requisitos particulares de resistencia, durabilidad u otras propiedades específicas del proyecto.

El mortero, una mezcla de cemento, arena y agua, es un material versátil que puede ser utilizado en procesos de impresión 3D para crear estructuras precisas y detalladas.

Plástico y metal

Se utilizan diversos tipos de plásticos en la impresión 3D para proyectos específicos. La flexibilidad y la capacidad de adaptación del plástico lo convierten en una opción atractiva para aplicaciones especializadas.

Para proyectos que requieren resistencia y durabilidad excepcionales, se pueden utilizar materiales metálicos en la impresión 3D. Esto es especialmente valioso en aplicaciones donde se necesitan propiedades metálicas específicas.

Materiales naturales locales

Utilizar materiales locales como piedra, arena, barro o incluso residuos de arroz representa una opción sostenible y adecuada para ciertos proyectos. Este enfoque aprovecha los recursos locales y contribuye a la sostenibilidad del proceso constructivo. La selección del material se convierte en un aspecto importante del proceso de impresión 3D de construcción. Cada opción ofrece características únicas que pueden adaptarse a las necesidades y requisitos específicos de cada proyecto.

¿Quien escribió este artículo?

Naomi Santa Olalla

Arquitecta y diseñadora de interiores.
Me gusta escribir y leer artículos relacionados con proyectos arquitectónicos y también conocer su solución en cuanto al interiorismo.


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