Impresión 3D de construcción

La impresión en 3D para la construcción (c3Dp) o la impresión en 3D para la construcción (3DCP) se refiere a varias tecnologías que utilizan la impresión en 3D como método principal para fabricar edificios o componentes de construcción. También se utilizan términos alternativos, como construcción aditiva, [1] [2] Sistema de construcción robótica autónoma (ARCS), [3] Fabricación aditiva a gran escala (LSAM) o construcción de forma libre (FC), también para referirse a sub- grupos, como "3D Concrete", que se utiliza para referirse a las tecnologías de extrusión de hormigón. Existe una variedad de métodos de impresión 3D utilizados a escala de construcción, siendo los principales la extrusión ( hormigón / cemento , cera , espuma, polímeros ), unión en polvo (unión de polímero, unión reactiva, sinterización ) y soldadura aditiva. La impresión 3D a escala de construcción tendrá una amplia variedad de aplicaciones dentro de los sectores privado, comercial, industrial y público. Las ventajas potenciales de estas tecnologías de automatización incluyen una construcción más rápida, menores costos, facilidad de construcción, permitiendo la construcción de bricolaje, mayor complejidad y / o precisión, mayor integración de funciones y menos desperdicio producido.

Hasta la fecha, se han demostrado varios enfoques diferentes, que incluyen la fabricación en el sitio y fuera del sitio de edificios y componentes de construcción, utilizando robots industriales , sistemas de pórtico y vehículos autónomos atados . Las demostraciones de tecnologías de impresión 3D para la construcción hasta la fecha han incluido la fabricación de viviendas, componentes de construcción (revestimientos y paneles y columnas estructurales), puentes e infraestructura civil, [4] [5] arrecifes artificiales , locuras y esculturas.

La tecnología ha experimentado un aumento significativo en popularidad en los últimos años con muchas empresas nuevas, incluidas algunas respaldadas por nombres destacados de la industria de la construcción y la academia. Esto llevó a varios hitos importantes, como el primer edificio impreso en 3D, el primer puente impreso en 3D, la primera pieza impresa en 3D en un edificio público, el primer edificio impreso en 3D vivo en Europa y CIS [ cita requerida ] , y el primer 3D Edificio impreso en Europa totalmente homologado por las autoridades (COBOD International), entre muchos otros.

Tecnologías de siembra 1950–1995

La albañilería robótica se conceptualizó y exploró en la década de 1950 y el desarrollo de tecnología relacionada en torno a la construcción automatizada comenzó en la década de 1960, con hormigón bombeado y espumas de isocianato. [6] El desarrollo de la fabricación automatizada de edificios enteros utilizando técnicas de formación de deslizamiento y ensamblaje robótico de componentes, similar a la impresión 3D, fue pionero en Japón para abordar los peligros de construir edificios de gran altura por Shimizu e Hitachi en las décadas de 1980 y 1990. [7] Muchos de estos primeros enfoques de la automatización in situ fracasaron debido a la "burbuja" de la construcción, su incapacidad para responder a arquitecturas novedosas y los problemas de alimentación y preparación de materiales en el sitio en áreas edificadas.

Desarrollos iniciales 1995-2000

El desarrollo y la investigación de la impresión 3D de la construcción temprana se han llevado a cabo desde 1995. Se inventaron dos métodos, uno por Joseph Pegna [8], que se centró en una técnica de formación de arena / cemento que utilizaba vapor para unir selectivamente el material en capas o partes sólidas. aunque esta técnica nunca fue demostrada.

La segunda técnica, Contour Crafting de Behrohk Khoshnevis, comenzó inicialmente como un método novedoso de extrusión y modelado de cerámica, como una alternativa a las técnicas emergentes de impresión 3D de polímeros y metales, y fue patentada en 1995. [9] Khoshnevis se dio cuenta de que esta técnica podía superar estas técnicas en las que "los métodos actuales se limitan a la fabricación de piezas con dimensiones que generalmente son inferiores a un metro en cada dimensión". Alrededor de 2000, el equipo de Khoshnevis en USC Vertibi comenzó a enfocarse en la impresión 3D a escala de construcción de pastas cementosas y cerámicas, abarcando y explorando la integración automatizada de refuerzo modular, plomería incorporada y servicios eléctricos, dentro de un proceso de construcción continuo. Esta tecnología solo se ha probado a escala de laboratorio hasta la fecha y, de manera controvertida y supuestamente, formó la base de los esfuerzos recientes en China.

Primera generación 2000-2010

En 2003, Rupert Soar obtuvo financiación y formó el grupo de construcción de forma libre en la Universidad de Loughborough, Reino Unido, para explorar el potencial de escalar las técnicas de impresión 3D existentes para aplicaciones de construcción. El trabajo inicial identificó el desafío de alcanzar cualquier punto de equilibrio realista para la tecnología a la escala de la construcción y destacó que podría haber formas de aplicación aumentando masivamente la propuesta de valor del diseño integrado (muchas funciones, un componente). En 2005, el grupo obtuvo fondos para construir una máquina de impresión 3D de construcción a gran escala utilizando componentes `` listos para usar '' (bombeo de hormigón, hormigón proyectado, sistema de pórtico) para explorar cuán complejos podrían ser dichos componentes y cumplir de manera realista las demandas de la construcción. [ cita requerida ]

En 2005, Enrico Dini, Italia, patentó la tecnología D-Shape , empleando una técnica de unión / inyección de polvo a gran escala en un área de aproximadamente 6 mx 6 mx 3 m. [10] Esta técnica, aunque desarrollada originalmente con un sistema de unión de resina epoxi, se adaptó más tarde para usar agentes de unión inorgánicos. [11] Esta tecnología se ha utilizado comercialmente para una variedad de proyectos en la construcción y otros sectores, incluidos los [arrecifes artificiales]. [12]

Uno de los avances más recientes ha sido la impresión de un puente, el primero de este tipo en el mundo, en colaboración con IaaC y Acciona . [ cita requerida ]

En 2008, la impresión de hormigón 3D comenzó en la Universidad de Loughborough , Reino Unido, dirigida por Richard Buswell y sus colegas para ampliar la investigación previa del grupo y buscar aplicaciones comerciales que pasaran de una tecnología basada en pórtico [13] a un robot industrial, que lograron licenciar la tecnología. a Skanska en 2014.

Segunda generación 2010-presente

El 18 de enero de 2015, la compañía ganó más cobertura de prensa con la inauguración de 2 edificios más, una villa estilo mansión y una torre de 5 pisos, utilizando componentes impresos en 3D. [14] Una inspección fotográfica detallada indica que los edificios fueron fabricados con componentes prefabricados e impresos en 3D. Los edificios se erigen como las primeras estructuras completas de su tipo fabricadas utilizando tecnologías de impresión 3D para la construcción. En mayo de 2016 se inauguró un nuevo 'edificio de oficinas' en Dubai. [15] El espacio de 250 metros cuadrados (2700 pies cuadrados) es lo que el proyecto del Museo del Futuro de Dubai llama el primer edificio de oficinas impreso en 3D del mundo. En 2017 se anunció un ambicioso proyecto para construir un rascacielos impreso en 3D en los Emiratos Árabes Unidos . [16] La construcción de Cazza ayudaría a construir la estructura. En la actualidad no hay detalles específicos, como la altura de los edificios o la ubicación exacta. [17]

FreeFAB Wax ™, [18] inventado por James B Gardiner y Steven Janssen en Laing O'Rourke (empresa de construcción). La tecnología patentada ha estado en desarrollo desde marzo de 2013. [19] La técnica utiliza impresión 3D a escala de construcción para imprimir grandes volúmenes de cera de ingeniería (hasta 400L / h) para fabricar un molde impreso en 3D 'rápido y sucio' para hormigón prefabricado . Hormigón reforzado con fibra de vidrio (GRC) y otros materiales pulverizables / fundibles. La superficie de fundición del molde se muele luego en 5 ejes eliminando aproximadamente 5 mm de cera para crear un molde de alta calidad (aproximadamente 20 micrones de rugosidad de la superficie). [20] Una vez que el componente se ha curado, el molde se tritura o derrite y la cera se filtra y se reutiliza, lo que reduce significativamente los desechos en comparación con las tecnologías de moldes convencionales. Los beneficios de la tecnología son velocidades rápidas de fabricación de moldes, mayor eficiencia de producción, mano de obra reducida y eliminación virtual de residuos mediante la reutilización de materiales para moldes a medida en comparación con las tecnologías de moldes convencionales. [21]

El sistema se demostró originalmente en 2014 utilizando un robot industrial. [22] El sistema se adaptó posteriormente para integrarse con un pórtico de alta velocidad de 5 ejes para lograr las tolerancias de alta velocidad y fresado de superficie requeridas para el sistema. El primer sistema industrializado se instaló en una fábrica de Laing O'Rourke en el Reino Unido y está previsto que comience la producción industrial para un destacado proyecto de Londres a finales de 2016. [ cita requerida ]

El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU., Centro de Desarrollo de Investigación de Ingenieros, dirigido por el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de Construcción (ERDC-CERL) en Champaign, IL, EE. UU., Comenzó a investigar en tecnología de impresoras 3D para construcción desplegable a partir de septiembre de 2015. El éxito de este trabajo ha el desarrollo de un programa de construcción aditiva en ERDC-CERL. El proyecto piloto, Automated Construction for Expeditionary Structures (ACES), se centró en la impresión 3D de hormigón y cubrió una amplia gama de áreas de investigación. Los temas incluyeron sistemas de impresión, materiales de hormigón imprimibles, diseño y pruebas estructurales y métodos de construcción. El proyecto ACES resultó en 3 demostraciones: un punto de control de entrada, [23] el primer cuartel de concreto reforzado construido aditivamente, [24] y la impresión de infraestructura civil y militar (barreras de Jersey, paredes en T, alcantarillas, búnkeres y posición de combate ) en los Experimentos de protección, sostenimiento y apoyo de maniobra del ejército de EE. UU. (MSSPIX). [25] En 2017, ERDC CERL comenzó a trabajar con la Infantería de Marina de los EE. UU., Lo que resultó en la primera demostración de impresión 3D de hormigón por parte del personal militar, una Barracks Hut de hormigón impreso en 3D reforzado estructuralmente mejorada, [26] [27] el primer puente impreso en 3D en América, [28] y la primera demostración de impresión con una boquilla de 3 pulgadas. [29] A través de este trabajo ERDC y los marines fueron capaces de probar el rendimiento estructural de 3D reforzada imprimen conjuntos de muro de hormigón y vigas de puente, los ciclos de resiliencia y de mantenimiento del sistema de impresión, extendieron las operaciones de impresión, la afirmación de la construcción de 24 horas publicitado, [30] y desarrollar métodos viables de refuerzo y construcción utilizando prácticas convencionalmente aceptadas. [2] El trabajo de ERDC ha superado la preparación y la solidez de la tecnología de impresión 3D desplegable en términos de capacitación del personal y operación sin asistencia, transporte y movilidad de la impresora, uso extendido del sistema, impresión para todo clima, impresión de superficie irregular, materiales disponibles localmente y prácticas de construcción.

MX3D Metal, fundada por Loris Jaarman y su equipo, ha desarrollado dos sistemas de impresión 3D robóticos de 6 ejes, el primero utiliza un termoplástico que se extruye, en particular, este sistema permite la fabricación de cuentas no planas de forma libre. El segundo es un sistema que se basa en la soldadura aditiva (esencialmente soldadura por puntos en soldaduras por puntos anteriores). La tecnología de soldadura aditiva ha sido desarrollada por varios grupos en el pasado, sin embargo, el sistema de metal MX3D es el más logrado hasta la fecha. MX3D está trabajando actualmente en la fabricación e instalación de un puente de metal en Amsterdam. [31]

BetAbram es una sencilla impresora 3D de extrusión de hormigón basada en pórtico desarrollada en Eslovenia. Este sistema está disponible comercialmente y ofrece 3 modelos (P3, P2 y P1) a los consumidores desde 2013. El P1 más grande puede imprimir objetos de hasta 16 mx 9 mx 2,5 m. [32] La impresora 3D de hormigón Total Custom desarrollada por Rudenko [33] es una tecnología de deposición de hormigón montada en una configuración de pórtico, el sistema tiene una salida similar a Winsun y otras tecnologías de impresión 3D de hormigón, sin embargo utiliza un pórtico de tipo truss ligero. La tecnología se ha utilizado para fabricar una versión a escala de patio trasero de un castillo [34] y una habitación de hotel en Filipinas [35].

La primera producción en serie de impresoras de construcción del mundo fue lanzada por la empresa SPECAVIA, con sede en Yaroslavl (Rusia). En mayo de 2015, la empresa presentó el primer modelo de impresora 3D de construcción y anunció el inicio de las ventas. A principios de 2018, el grupo de empresas "AMT-SPEСAVIA" produce 7 modelos de impresoras de construcción de portales: desde impresoras de pequeño formato (para imprimir pequeñas formas arquitectónicas) hasta impresoras de gran escala (para imprimir edificios de hasta 3 pisos). Hoy en día, las impresoras 3D de construcción de producción rusa bajo la marca "AMT" están operando en varios países, incluido, en agosto de 2017, se entregó la primera impresora de construcción a Europa, para 3DPrinthuset (Dinamarca). Esta impresora se utilizó en Copenhague para la construcción del primer edificio impreso en 3D de la UE (oficina-hotel de 50 m2).

XtreeE ha desarrollado un sistema de impresión multicomponente, montado sobre un brazo robótico de 6 ejes. El proyecto se ha iniciado en julio de 2015, y cuenta con la colaboración y las inversiones de los nombres fuertes en la industria de la construcción, tales como Saint Gobain , Vinci , [36] y LafargeHolcim . [37] 3DPrinthuset, una exitosa startup danesa de 3DPrinting, también se ha diversificado en la construcción con su empresa hermana COBOD International, que fabricó su propia impresora de pórtico en octubre de 2017. Con la colaboración de nombres importantes en la región escandinava, como NCC y Force Technology, la escisión de la compañía, ha ganado terreno rápidamente al construir la primera casa impresa en 3D en Europa. El proyecto Building on Demand (BOD), como se llama la estructura, es un pequeño hotel de oficinas en Copenhague, área de Nordhavn, con paredes y parte de los cimientos totalmente impresos, mientras que el resto de la construcción se realiza en construcción tradicional. En noviembre de 2017, el edificio se encuentra en la fase final de aplicación de accesorios y techos, mientras que todas las partes impresas en 3D se han completado por completo. [38]

SQ4D fue reconocido como el mejor constructor de viviendas en 3D de 2019 con su primer diseño de huella ilimitada en su tipo S-Squared ARCS VVS NEPTUNE con su sistema Gantry 9.1 x 4.4 x ∞ de los Estados Unidos. [39] S-Squared 3D Printers Inc es una empresa minorista y de fabricación de impresoras 3D con sede en Long Island , Nueva York. La empresa se fundó en 2014 y fabrica impresoras 3D para aficionados , bibliotecas y programas STEM . En 2017, la compañía lanzó una nueva división, S-Squared 4D Commercial, para construir casas y edificios comerciales con su plataforma de impresión 3D llamada Autonomous Robotic Construction System (ARCS) . [40] Esta empresa bootstrapped es cofundada por Robert Smith y Mario Szczepanski y tiene 13 empleados. [41] [42]

Autonomous Robotic Construction System (ARCS) es una impresora de hormigón ecológica de 20 por 40 pies que puede construir una casa de 1,490 pies cuadrados en 36 horas. [43] [44] El sistema puede construir viviendas, edificios comerciales, carreteras y puentes. [45] ARCS puede completar proyectos desde 500 pies cuadrados hasta más de un millón de pies cuadrados. [46] [47]

En 2021, Mario Cucinella Architects y los especialistas en impresión 3D WASP demostraron la primera impresión 3D de una casa hecha de una mezcla de arcilla , Tecla . [48] [49]

El arquitecto James Bruce Gardiner [50] fue pionero en el diseño arquitectónico para la impresión 3D de la construcción con dos proyectos. La primera Freefab Tower 2004 y la segunda Villa Roccia 2009-2010. FreeFAB Tower [51] se basó en el concepto original de combinar una forma híbrida de impresión 3D de construcción con una construcción modular. Este fue el primer diseño arquitectónico para un edificio centrado en el uso de la impresión 3D para la construcción. Se pueden ver influencias en varios diseños utilizados por Winsun, incluidos artículos sobre el comunicado de prensa original de Winsun [52] y la oficina del futuro. [53] El proyecto FreeFAB Tower también describe el primer uso especulativo de brazos robóticos multieje en la impresión 3D de la construcción, el uso de tales máquinas en la construcción ha crecido constantemente en los últimos años con proyectos de MX3D [54] y Branch Technology. [55]

La Villa Roccia 2009-2010 [56] llevó este trabajo pionero un paso más allá con el diseño de una Villa en Porto Rotondo, Cerdeña, Italia en colaboración con D-Shape. El diseño de la Villa se centró en el desarrollo de un lenguaje arquitectónico específico del sitio influenciado por las formaciones rocosas en el sitio y a lo largo de la costa de Cerdeña, al tiempo que se tuvo en cuenta el uso de un proceso de impresión 3D prefabricado panelado. El proyecto pasó por la creación de prototipos y no llegó a la construcción completa.

Francios Roche (R & Sie) desarrolló el proyecto de exposición y la monografía 'He oído hablar' en 2005 [57] que exploró el uso de una serpiente autopropulsada altamente especulativa como un aparato de impresión 3D autónomo y un sistema de diseño generativo para crear torres residenciales de gran altura. El proyecto, aunque imposible de poner en práctica con la tecnología actual o contemporánea, demostró una exploración profunda del futuro del diseño y la construcción. La exposición mostró el fresado CNC a gran escala de espuma y el renderizado para crear las envolventes de edificios de forma libre previstas.

El edificio de arquitectura performativa impresa en 3D del arquitecto holandés Janjaap Ruijssenaars fue planeado para ser construido por una asociación de empresas holandesas. [58] [ necesita actualización ] [59] Se planeó construir la casa a fines de 2014, pero no se cumplió este plazo. Las empresas han dicho que todavía están comprometidas con el proyecto. [60]

El Building On Demand, o BOD, un pequeño hotel de oficinas impreso en 3D por 3D Printhuset (ahora COBOD International) y diseñado por la arquitecta Ana Goidea, ha incorporado paredes curvas y efectos ondulantes en su superficie, para mostrar la libertad de diseño que permite la impresión 3D. en el plano horizontal.

Edificios impresos en 3D

La primera casa residencial impresa en 3D de Europa

La impresión 3D Canal House fue el primer proyecto de construcción a gran escala de este tipo que conseguir de la tierra. En poco tiempo, Kamermaker se ha desarrollado aún más para aumentar su velocidad de producción en un 300%. Sin embargo, el progreso no ha sido lo suficientemente rápido como para reclamar el título de 'Primera casa impresa en 3D del mundo'. [61]

El primer edificio residencial en Europa y la CEI , construido con la tecnología de construcción de impresión 3D, fue la casa en Yaroslavl (Rusia) con un área de 298,5 metros cuadrados. Las paredes del edificio fueron impresas por la empresa SPECAVIA en diciembre de 2015. Se imprimieron 600 elementos de las paredes en el taller y se ensamblaron en la obra. Después de completar la estructura del techo y la decoración interior, la empresa presentó un edificio en 3D totalmente terminado en octubre de 2017. [62]

La peculiaridad de este proyecto es que por primera vez en el mundo se ha superado todo el ciclo tecnológico de la construcción:

  1. diseño,
  2. obtener un permiso de construcción,
  3. registro del edificio,
  4. Conexión de todos los sistemas de ingeniería.

Una característica importante de la casa 3D en Yaroslavl, que también distingue este proyecto de otros implementados: esta no es una estructura de presentación, sino un edificio residencial en toda regla. Hoy es el hogar de una familia real y corriente.

Los proyectos de demostración holandeses y chinos están construyendo lentamente edificios impresos en 3D en China, [63] Dubai [64] y los Países Bajos. [65] Utilizando el esfuerzo para educar al público sobre las posibilidades de la nueva tecnología de construcción basada en plantas y para estimular una mayor innovación en la impresión 3D de edificios residenciales. [66] [67] En 2017 se imprimió en 3D una pequeña casa de hormigón. [68]

The Building on Demand (BOD), la primera casa impresa en 3D en Europa, es un proyecto liderado por COBOD International (anteriormente conocido como 3DPrinthuset, ahora su compañía hermana) para un pequeño hotel de oficinas impreso en 3D en Copenhague, área de Nordhavn. El edificio también es el primer edificio permanente impreso en 3D, con todos los permisos en vigor y totalmente aprobados por las autoridades. [69] A partir de 2018, el edificio se encuentra completamente terminado y amueblado. [70]

Puentes impresos en 3D

En España, el 14 de diciembre de 2016 se inauguró el primer puente peatonal impreso en 3D del mundo (3DBRIDGE) en el parque urbano de Castilla-La Mancha en Alcobendas, Madrid. [71] La tecnología 3DBUILD utilizada fue desarrollada por ACCIONA , quien se encargó del diseño estructural, desarrollo de materiales y fabricación de elementos impresos en 3D. [72] El puente tiene una longitud total de 12 metros y una anchura de 1,75 metros y está impreso en hormigón micro-reforzado. El diseño arquitectónico fue realizado por el Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña (IAAC).

La impresora 3D utilizada para construir la pasarela fue fabricada por D-Shape . El puente impreso en 3D refleja las complejidades de las formas de la naturaleza y fue desarrollado mediante diseño paramétrico y diseño computacional, que permite optimizar la distribución de materiales y permite maximizar el rendimiento estructural, pudiendo disponer el material solo donde se necesita, con total libertad de formas. La pasarela impresa en 3D de Alcobendas supuso un hito para el sector de la construcción a nivel internacional, ya que la tecnología de impresión 3D a gran escala se ha aplicado en este proyecto por primera vez en el campo de la ingeniería civil en un espacio público.

Formas arquitectónicas impresas en 3D

En agosto de 2018, en Palekh (casco antiguo de Rusia) se realizó la primera aplicación mundial de tecnología aditiva para crear la fuente. [73]

La fuente "Snop" (Gavilla) fue creada originalmente a mediados del siglo XX por el famoso escultor Nikolai Dydykin. Hoy en día, durante la restauración de la fuente, se cambió de forma rectangular a redonda. También se ha actualizado el sistema de retroiluminación. La fuente renovada ahora tiene 26 metros de diámetro y 2,2 metros de profundidad. El parapeto de la fuente 3D con canales de comunicación internos fue impreso por la impresora de construcción AMT producida por el grupo AMT-SPETSAVIA.

Estructuras impresas extraterrestres

La impresión de edificios se ha propuesto como una tecnología particularmente útil para construir hábitats extraterrestres, como los hábitats de la Luna o Marte . Como de 2013, la Agencia Espacial Europea estaba trabajando con Foster + Partners, con sede en Londres, para examinar el potencial de imprimir bases lunares utilizando tecnología de impresión 3D habitual. [74] La firma de arquitectos propuso una tecnología de impresora 3D para la construcción de edificios en enero de 2013 que usaría materias primas de regolito lunar para producir estructuras de edificios lunares mientras usaba hábitats inflables cerrados para albergar a los ocupantes humanos dentro de las estructuras lunares impresas de caparazón duro. En general, estos hábitats requerirían solo el diez por ciento de la masa de la estructura para ser transportada desde la Tierra, mientras que se utilizarían materiales lunares locales para el otro 90 por ciento de la masa de la estructura. [75] Las estructuras en forma de cúpula serían una forma de catenaria que soporta peso , con soporte estructural proporcionado por una estructura de celda cerrada, que recuerda a los huesos de los pájaros . [76] En esta concepción, el suelo lunar "impreso" proporcionará tanto " aislamiento de radiación y temperatura " para los ocupantes lunares. [75] La tecnología de construcción mezcla material lunar con óxido de magnesio que convertirá la "materia lunar en una pulpa que se puede rociar para formar el bloque" cuando se aplica una sal aglutinante que "convierte [este] material en un sólido similar a la piedra". " [75] También se prevé un tipo de hormigón de azufre . [76]

Se han completado las pruebas de impresión 3D de una estructura arquitectónica con material lunar simulado , utilizando una gran cámara de vacío en un laboratorio terrestre. [77] La técnica consiste en inyectar el líquido aglutinante debajo de la superficie del regolito con una boquilla de impresora 3D, que en las pruebas atrapó gotas de escala de 2 milímetros (0.079 pulgadas) debajo de la superficie a través de fuerzas capilares . [76] La impresora utilizada fue la D-Shape . [ cita requerida ]

Se han concebido una variedad de elementos de infraestructura lunar para la impresión estructural en 3D, que incluyen plataformas de aterrizaje, muros de protección contra explosiones, carreteras, hangares y almacenamiento de combustible . [76] A principios de 2014, la NASA financió un pequeño estudio en la Universidad del Sur de California para desarrollar aún más la técnica de impresión 3D Contour Crafting . Las aplicaciones potenciales de esta tecnología incluyen la construcción de estructuras lunares de un material que podría consistir en hasta un 90 por ciento de material lunar con solo el diez por ciento del material que requiere transporte desde la Tierra. [78]

La NASA también está estudiando una técnica diferente que implicaría la sinterización del polvo lunar utilizando energía de microondas de baja potencia (1500 vatios). El material lunar se uniría al calentarlo a 1.200 a 1.500 ° C (2.190 a 2.730 ° F), algo por debajo del punto de fusión, para fusionar el polvo de nanopartículas en un bloque sólido similar a la cerámica , y no requeriría el transporte de un material aglutinante desde la Tierra según lo requerido por Foster + Partners, Contour Crafting y enfoques en forma de D para la impresión de edificios extraterrestres. Uno específico plan propuesto para la construcción de una base lunar usando esta técnica sería llamado SinterHab , y utilizaría el JPL de seis patas ATLETA robot de forma autónoma o telerobotically construir estructuras lunares. [79]

La Tecla a partir de 2021.
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Video que muestra la casa ecológica y su construcción.

En abril de 2021 , se completó el primer prototipo de casa impresa en 3D hecha de arcilla , Tecla . La carcasa baja en carbono se imprimió con dos grandes brazos sincronizados de una mezcla de tierra y agua de origen local, así como fibras de cáscara de arroz y un aglutinante. [48] [80] [49] Dichos edificios podrían ser muy baratos, bien aislados , estables y resistentes a la intemperie, adaptables al clima, personalizables, producirse rápidamente, requerir muy poca mano de obra de fácil aprendizaje , mitigar las emisiones de carbono del hormigón , requerir menos energía, reducir la falta de vivienda , ayudará a que las comunidades intencionales , tales como autónomas , Autark eco-comunidades , y permitir la provisión de vivienda para las víctimas de desastres naturales, así como - a través de conocimientos y la transferencia de tecnología a la población local - para migrantes a Europa cerca sus hogares, incluso como una opción política cada vez más relevante. Fue construido en Italia por el estudio de arquitectura Mario Cucinella Architects y los especialistas en impresión 3D WASP. El nombre del edificio es un acrónimo de "tecnología" y "arcilla". [48] [49]

Los datos y las proyecciones indican una relevancia cada vez mayor de los edificios que son tanto de bajo costo como sostenibles , en particular que, según un informe de la ONU de 2020, los edificios y la construcción son responsables de ~ 38% de todas las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la energía, [81] que , en parte debido al calentamiento global , [82] [83] se espera que las crisis migratorias se intensifiquen en el futuro y que la ONU estima que para 2030, ~ 3000 millones de personas o ~ 40% de la población mundial necesitarán acceso a servicios accesibles y asequibles vivienda . [48] Las desventajas de imprimir con mezclas de arcilla incluyen limitaciones de altura o requisitos de espacio horizontal, costos iniciales y tamaño de la impresora no producida en masa, latencias debido a tener que dejar secar la mezcla con los procesos actuales y otros problemas relacionados con la novedad del producto como su conexión a sistemas de fontanería . [48] [49]

La impresión 3D a gran escala basada en cemento elimina la necesidad de moldeo convencional al colocar con precisión, o solidificar, volúmenes específicos de material en capas secuenciales mediante un proceso de posicionamiento controlado por computadora. [84] Este enfoque de impresión 3D consta de tres etapas generales: preparación de datos, preparación del hormigón e impresión de componentes. [85]

Para la generación de rutas y datos, se implementan una variedad de métodos para la generación de rutas de construcción robóticas. Un enfoque general es cortar una forma 3D en capas delgadas planas con un grosor constante que se pueden apilar unas sobre otras. En este método, cada capa consta de una línea de contorno y un patrón de relleno que se puede implementar como estructuras de panal o curvas de relleno de espacio . Otro método es el método de continuidad tangencial que produce caminos de construcción tridimensionales con espesores que varían localmente. Este método da como resultado la creación de superficies de contacto constante entre dos capas, por lo tanto, se evitarán los espacios geométricos entre dos capas que a menudo limitan el proceso de impresión 3D. [86]

La etapa de preparación del material incluye mezclar y colocar el hormigón en el recipiente. Una vez que el hormigón fresco se ha colocado en el contenedor, se puede transportar a través del sistema de bomba-tubería- boquilla para imprimir filamentos de hormigón autocompactantes , que pueden construir componentes estructurales capa por capa. [87] En los procesos aditivos, la capacidad de bombeo y la estabilidad de la extrusión es importante para las aplicaciones de morteros . Todas estas propiedades variarán dependiendo del diseño de la mezcla de concreto, el sistema de entrega y el dispositivo de deposición. Las especificaciones generales de la impresión 3D de hormigón húmedo se clasifican en cuatro características principales: [85]

  • Capacidad de bombeo: la facilidad y confiabilidad con la que el material se mueve a través del sistema de entrega
  • Imprimibilidad: la facilidad y confiabilidad de depositar material a través de un dispositivo de deposición
  • Edificabilidad: La resistencia de un material húmedo depositado a la deformación bajo carga.
  • Tiempo abierto: el período en el que las propiedades anteriores son consistentes dentro de las tolerancias aceptables.

Para ejecutar el proceso de impresión, se requiere un sistema de control. Estos sistemas se pueden dividir generalmente en dos categorías: sistemas de pórtico y sistemas de brazos robóticos . El sistema de pórtico acciona un manipulador montado en un techo para ubicar la boquilla de impresión en coordenadas cartesianas XYZ, mientras que los brazos robóticos ofrecen grados adicionales de libertad a la boquilla, lo que permite flujos de trabajo de impresión más precisos, como la impresión con el método de continuidad tangencial. [86] Independientemente del sistema utilizado para la impresión (grúa pórtico o brazo robótico), la coordinación entre la velocidad de desplazamiento de la boquilla y el caudal de material es crucial para el resultado del filamento impreso. [88] En algunos casos, se pueden programar varios brazos robóticos de impresión 3D para que funcionen simultáneamente, lo que reduce el tiempo de construcción. [89] Por último, los procedimientos de posprocesamiento automatizados también pueden aplicarse en escenarios que requieran la eliminación de estructuras de soporte o cualquier acabado superficial. [85]

Los investigadores de la Universidad de Purdue [90] han sido pioneros en un proceso de impresión 3D conocido como Escritura de tinta directa [91] para la fabricación de materiales arquitectónicos basados ​​en cemento por primera vez. [92] Demostraron que el uso de diseños bioinspirados de impresión 3D de materiales a base de cemento es factible y se pueden lograr características de rendimiento novedosas, como tolerancia a fallas y cumplimiento.

A partir de 2021, la casa de mezcla de arcilla Tecla se puede imprimir en 200 horas, mientras que la mezcla puede tardar semanas en secarse. [48] [49]

Behrokh Khoshnevis ha hecho reclamaciones desde 2006 por la impresión 3D de una casa en un día, [93] con otras afirmaciones de completar teóricamente el edificio en aproximadamente 20 horas de tiempo de "impresora". [94] En enero de 2013, las versiones de trabajo de la tecnología de construcción de impresión 3D imprimían 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de material de construcción por hora, con una generación posterior de impresoras que se propuso tener una capacidad de 3,5 metros (11 pies). por hora, suficiente para completar un edificio en una semana. [75]

La empresa china WinSun ha construido varias casas utilizando grandes impresoras 3D utilizando una mezcla de cemento de secado rápido y materias primas recicladas. Winsun dijo que diez casas de demostración se construyeron en 24 horas, cada una con un costo de US $ 5000 (sin incluir la estructura, los cimientos, los servicios, las puertas / ventanas y el equipamiento). [95] Sin embargo, el Dr. Behrokh Khoshnevis, pionero de la impresión 3D en la construcción, afirma que esto fue falso y que WinSun robó su propiedad intelectual . [96]

Hay varios proyectos de investigación relacionados con la impresión de construcción 3D, como el proyecto de impresión de hormigón 3D (3DCP) de la Universidad Tecnológica de Eindhoven , [97] o los diversos proyectos del Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña (Pylos, Mataerial y Minibuilders ). La lista de proyectos de investigación se está expandiendo aún más en los últimos años, gracias al creciente interés en el campo. [98]

Investigación de vanguardia

La mayoría de los proyectos se han centrado en investigar los aspectos físicos detrás de la tecnología, como la tecnología de impresión, la tecnología de materiales y los diversos temas relacionados con ellos. COBOD International (antes conocida como 3DPrinthuset, ahora su empresa hermana) ha dirigido recientemente una investigación orientada a explorar el estado actual de la tecnología en todo el mundo, visitando más de 35 proyectos diferentes relacionados con la impresión de la construcción 3D. Para cada proyecto, se ha emitido un informe de investigación y los datos recopilados se han utilizado para unificar todas las diversas tecnologías en un primer intento de una categorización y terminología estandarizadas comunes. [ cita requerida ]

Primera conferencia de impresión de construcción 3D

Junto con la investigación, 3DPrinthuset (ahora conocido como COBOD International) ha organizado dos conferencias internacionales sobre impresión de construcción 3D (febrero [99] y noviembre [100] de 2017 respectivamente), con el objetivo de reunir a los nombres más fuertes en esta industria emergente para discutir el potenciales y desafíos que tenemos por delante. Las conferencias fueron las primeras de este tipo y han reunido nombres como D-Shape , Contour Crafting , Cybe Construction, Eindhoven's 3DCP research, Winsun y muchos más. Junto a los especialistas en impresión 3D Construction, también ha habido una fuerte presencia de los principales actores de la industria de la construcción tradicional por primera vez, con nombres como Sika AG , Vinci , Royal BAM Group , NCC , entre otros. Surgió una idea general de que el campo de la impresión de construcción 3D necesita una plataforma más unificada donde se puedan compartir y discutir ideas, aplicaciones, problemas y desafíos.

Interés de los medios

Aunque los primeros pasos se dieron hace casi tres décadas, la impresión de construcción en 3D ha tenido problemas para llegar durante años. Las primeras tecnologías en lograr cierta atención de los medios fueron Contour Crafting y D-Shape , con algunos artículos esporádicos en 2008-2012 [101] [102] [103] y un informe de televisión de 2012. [104] D-Shape también ha aparecido en un documental independiente dedicado a su creador Enrico Dini, llamado "El hombre que imprime casas". [105]

Un avance importante [ ¿cuándo? ] se ha visto con el anuncio del primer edificio impreso en 3D, utilizando componentes prefabricados impresos en 3D fabricados por Winsun, que afirmaba poder imprimir 10 casas en un día con su tecnología. [106] Aunque las afirmaciones aún estaban por confirmar, la historia ha creado una amplia tracción y un creciente interés en el campo. En cuestión de meses, comenzaron a surgir muchas empresas nuevas. Esto llevó a muchos esfuerzos nuevos que llegaron a los medios, como, en 2017, el primer puente peatonal impreso en 3D [107] y el primer puente ciclista impreso en 3D, [108] además de un elemento estructural temprano hecho con impresión 3D en 2016, [ 109] entre muchos otros.

Recientemente, COBOD International, anteriormente conocida como 3DPrinthuset (su empresa hermana) ha ganado la atención de los medios de comunicación con su primer edificio permanente impreso en 3D, el primero de este tipo en Europa. [110] [111] [112] El proyecto sentó un precedente importante por ser el primer edificio impreso en 3D con un permiso de construcción y documentación en vigor, y una aprobación total de las autoridades de la ciudad, un hito crucial para una aceptación más amplia en la construcción. campo. La historia obtuvo una amplia cobertura, tanto en medios nacionales como internacionales, apareciendo en televisión en Dinamarca, Rusia, Polonia, Lituania, entre muchos otros. [ cita requerida ]

  • Construcción de edificio
  • Hábitat espacial
  • Impresión 3d
  • Procesos de impresión 3D
  • Aplicaciones de la impresión 3D
  • Hecho en el espacio [113]

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