Los comités de ASTM están adaptando los estándares existentes y elaborando nuevos para incluir el concreto impreso en 3D, una nueva tecnología con un gran potencial

By Jack Maxwell

Mar 06, 2021

Piense por un momento en un escenario donde se deban construir estructuras seguras y habitables de la forma más rápida posible como, por ejemplo, en medio de una crisis de refugiados, después de una catástrofe natural como una inundación o un huracán, o incluso cuando aterrice un grupo de humanos en un planeta distante.

Ahora piense en el material, en el equipo y en la mano de obra que se necesita para construir tales estructuras de la forma tradicional y en cómo la complejidad de reunir todos los elementos que las componen afecta la velocidad del proyecto. ¿No sería genial tener una tecnología que pudiera ofrecer tiempos de construcción más cortos, costos de mano de obra más bajos, la posibilidad de tener una operación de 24 horas e incluso la capacidad de crear formas únicas que armonicen con el entorno?

Existe este tipo de tecnología y es probable que usted ya esté familiarizado con ella. La fabricación aditiva (AM) comenzó como una forma rápida y económica de fabricar prototipos de productos para pruebas y ajustes antes de la producción a gran escala, que usa métodos más tradicionales. Hoy en día, no obstante, la fabricación aditiva ha avanzado hasta el punto en el que en algunas industrias se está utilizando como tecnología de producción, incluso para construir viviendas. Aunque se ha avanzado en áreas como la impresión de compuestos de piedra fraguables, la mayoría de las aplicaciones de la AM en la construcción giran actualmente alrededor del concreto.

La fabricación aditiva de concreto (también conocida como impresión tridimensional de concreto, o 3DCP) se encuentra aún en una etapa relativamente temprana de desarrollo. Hasta el momento, la mayoría de los proyectos involucran viviendas a escala más pequeña y otras estructuras, como puentes o bancas exteriores, que se están utilizando para probar y evaluar los procesos y métodos de construcción.

No obstante, muchos expertos en el campo consideran que el uso de la 3DCP puede aumentar y que tiene el potencial para resolver los problemas de vivienda que hay en los Estados Unidos y alrededor del mundo. Llegar a ese punto requerirá nuevos estándares específicos para los materiales, parámetros y procesos de impresión y características de rendimiento de la 3DCP, así como la armonización con los códigos y reglamentos de construcción vigentes. Los comités de ASTM International sobre concreto y agregados del concreto (C09) y tecnologías de fabricación aditiva (F42), entre otros, están trabajando para que esto se haga realidad.

Una tecnología prometedora

La primera iniciativa ampliamente reconocida de empleo de AM en la construcción fue cuando un profesor de la Universidad de Carolina del Sur trató de imprimir una pared con tecnología 3D en 2004. Desde ese momento hasta la construcción de una casa sobre el canal en Ámsterdam en 2014 y la fabricación de la “oficina del futuro” en Dubái en 2016, el crecimiento ha sido lento, pero constante.

Los detalles del edificio de oficinas de Dubái dan un indicio de la promesa de la 3DCP. Según Syska, una firma de ingeniería que participó en el proyecto de Dubái, se usó una gran impresora 3D, de 20 ft de alto, 120 ft de largo y 40 ft de ancho (6 m, 36 m y 12 m, respectivamente) equipada con un brazo robótico para fabricar los pisos, paredes y techo en forma de módulos bidimensionales fuera del lugar. Luego, los módulos se cortaron por la mitad y se enviaron a Dubái para su ensamble. El proceso completo, de inicio a fin, tomó 17 días y se necesitaron
18 trabajadores.

Otra estructura ubicada cerca de Zúrich, Suiza, exhibe los avances más recientes en el uso de la tecnología de impresión de concreto para la construcción. Inaugurada oficialmente en febrero de 2019, la casa DFAB se construyó en el piso superior del edificio de investigación e innovación modular de NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies). (DFAB significa fabricación digital).

La casa DFAB posee una pared de concreto curva creada por un robot de construcción, una losa de piso calculada digitalmente y optimizada estructuralmente para reducir considerablemente la cantidad de material utilizado en comparación con una losa de concreto típica y un techo de concreto vaciado en un molde impreso en 3D. “La 3DCP fue responsable de la fabricación de la losa de techo. Se utilizó una impresora 3D de proyección de aglutinante de gran formato para crear los moldes que se utilizaron para vaciar las losas de concreto”, destaca el Dr. Alex Liu, director de los programas de fabricación aditiva de ASTM en Asia.

Todas estas actividades se traducen en un panorama optimista para el crecimiento de la 3DCP. Un cálculo estimado de ResearchandMarkets.com sugiere que el mercado mundial para la nueva tecnología crecerá a USD 1.5 mil millones para 2024.

Un asunto de escala

Muchos se preguntan cómo es que la 3DCP es siquiera posible. Después de todo, gran parte de las actividades en el sector de la AM involucran el uso de polímeros o metales en polvo para fabricar objetos relativamente pequeños. ¿Cómo se puede extruir el concreto, o incluso construir una casa competa con él?

La clave es una mezcla calibrada con precisión que permita que el material fluya libremente sin obstruir la boquilla, que retenga suficiente liquidez para unirse satisfactoriamente con las nuevas capas y que se endurezca lo suficientemente rápido para garantizar la integridad estructural. Para alcanzar la consistencia adecuada se utilizan varios aditivos, como los superplastificantes, que reducen la cantidad de agua que necesita la mezcla.

A pesar de la escala diferente de los resultados finales, el proceso real es bastante similar al que se usa en los sistemas basados en metales y polímeros. Los diseños se hacen usando software de CAD y se transmiten de la computadora a la impresora en G-code, un lenguaje de programación que controla el cabezal de impresión para que deposite capas de material extruido en la configuración deseada.

La operación básica es la misma sin importar si se utiliza polvo de titanio para hacer pequeños implantes médicos o una mezcla de concreto para construir una vivienda. No obstante, la construcción de una vivienda es un emprendimiento más complicado. La flexibilidad que ofrece la 3DCP puede hacerlo más sencillo.

“La AM con concreto se divide generalmente en dos categorías: impresión en 3D de componentes de construcción en el entorno de una fábrica e impresión en 3D de estructuras en el sitio”, indica Shane Collins, vicepresidente y gerente general de Additive Industries North America y presidente del subcomité sobre aplicaciones (F42.07), que forma parte del comité sobre fabricación aditiva. “La primera ofrece una precisión superior, más opciones de colores y el control total del entorno de impresión. La impresión en 3D en el sitio no requiere el transporte de los componentes de construcción ni el levantamiento de bloques para colocarlos en su lugar”.

Escasez de mano de obra y vivienda económica

Está claro que la 3DCP ofrece ventajas valiosas, tanto en el proceso que se realiza fuera del sitio como en el lugar de construcción. Otra ventaja de la tecnología tiene que ver con la mano de obra, o la ausencia de esta.

Una encuesta de 2019 realizada por la Asociación General de Contratistas de los EE. UU. y Autodesk pone de manifiesto el problema al revelar de que el 80 % de las firmas de construcción informaron que tenían dificultades para cubrir los puestos de trabajo especializados a sueldo horario que constituyen la mayoría de la fuerza laboral.

Paul Bates es ingeniero jefe de proyectos de AM en ASTM. Las conversaciones que sostiene con personas de la industria de la construcción a menudo resaltan la escasez de trabajadores experimentados en áreas de trabajo de construcción y la forma en que la 3DCP podría ayudar a resolverla. “Al igual que con cualquier tarea que requiere grandes esfuerzos, su automatización puede ayudar no solo a eliminar labores, sino también a atender una demanda de fuerza laboral que supera la disponibilidad”, expresa.

El vertido automático de capas de concreto ayuda a los constructores a sortear la carencia de trabajadores experimentados. La flexibilidad de diseño, otro aspecto clave de la 3DCP, también ayuda a reducir los requisitos de mano de obra. Por ejemplo, programar las tuberías e instalaciones de servicios (canales) en el diseño de impresión elimina la necesidad de que un trabajador realice tales aberturas. De la misma forma se pueden incorporar los refuerzos de las paredes.

La relativa portabilidad, la operación automatizada y la velocidad del proceso de impresión de concreto hacen que sea especialmente interesante para aquellos que intentan atender la necesidad acuciante de vivienda económica en todo el mundo, explica Bates.

Bates dice: “La aplicación más prometedora de la 3DCP es proporcionar vivienda y refugio económicos a países con limitaciones de espacio y demanda creciente”. “Esto resulta especialmente importante, ya que las poblaciones urbanas están aumentando mientras que la disponibilidad de terreno continúa disminuyendo, lo que tiene como consecuencia un aumento en los costos de la vivienda. Además, la 3DCP puede ser una solución para las personas sin hogar y para dar soluciones rápidas de alojamiento a las personas desplazadas por catástrofes naturales y otros desastres”.

Un proyecto de una comunidad de 50 casas de concreto impreso que recientemente se completó en Tabasco, México, nos da una idea de cómo la 3DCP puede ayudar a aprovechar este potencial. Las estructuras de 500 pies cuadrados (46 m²) se construyeron en zonas pobres donde las personas vivían en refugios improvisados. Para terminar cada casa se necesitaron tan solo 24 horas distribuidas en un par de días.

Bates señaló que, algún día, este tipo de tecnología podría incluso usarse para construir refugios en lugares más exóticos. “Algunos teóricos de los viajes espaciales han hablado mucho sobre el uso de materiales locales”, expresó. “Si solo hay que enviar el agente aglutinante para el tipo de polvo o arena de ciertos planetas, por ejemplo, la cantidad de material que hay que transportar es mucho menor. En lugar de enviar todos los componentes uno por uno, tendría mucho más sentido utilizar lo que ya hay en el planeta, si fuera posible”.

Los estándares impulsan la aceptación

Según Alex Liu de ASTM, “Para motivar la adopción de la 3DCP en la industria de la construcción, se deben resolver diversos desafíos”. Uno de esos desafíos es de naturaleza estética.

“El término que usa ASTM para referirse a la técnica de fabricación aditiva es "extrusión de material", y esta produce una superficie de condiciones singulares que necesitará tiempo para ser aceptada de la misma forma en que se aceptan las superficies de estuco en la actualidad”, dijo Liu.

No es sorprendente que haya otros desafíos, dado lo nuevo de la tecnología. “A la fecha, existen muy pocos estándares relacionados con la impresión de concreto en 3D en lo referente a los materiales usados y los parámetros y procesos de impresión. Además, existe la necesidad de hacer comparaciones y vincular los nuevos estándares con los códigos y reglamentos de construcción que existen en la actualidad”, manifestó Liu.

Bates hace énfasis en el punto de Liu sobre aprovechar el trabajo que ya está hecho. “Uno de los aspectos que es importante entender es que, cuando se trata de construcción mediante 3DCP, muchos de los estándares existentes siguen siendo válidos”, nos dice. Un ejemplo son los métodos de prueba ampliamente aceptados que pueden usarse para determinar la resistencia al fuego de estructuras de concreto impresas en 3D: método de prueba de las características de combustión superficial de los materiales de construcción (E84) y métodos para la prueba de incendio en la construcción y materiales de edificios (E119). Otro es la resistencia a la penetración del agua con el método de prueba para penetración del agua en ventanas exteriores, tragaluces, puertas y muros cortina por diferencia de presión de aire estática uniforme (E331) y el método de prueba para la resistencia del concreto a la congelación y deshielo rápidos (C666).

Están disponibles varios métodos de prueba de ASTM bien establecidos para evaluar las propiedades mecánicas de los componentes de construcción para 3DCP en áreas como resistencia a la compresión, desempeño a flexión y fuerza de adhesión.

Dado que varios grupos de ASTM, incluido el grupo de construcción (F42.07.07) del comité de fabricación aditiva identifican la forma en que estos y otros estándares existentes pueden aplicarse para el concreto impreso, también hay iniciativas en proceso para el desarrollo de nuevos estándares que se enfoquen más específicamente en aspectos exclusivos de esta tecnología. La Conferencia Internacional sobre Fabricación Aditiva (ICAM) de ASTM ofrece un foro para que las partes interesadas hablen sobre todos los aspectos de la AM, incluidos los estándares relacionados con la impresión de concreto. La ICAM 2021 está programada para llevarse a cabo del 1 al 5 de noviembre.

ASTM también patrocinó en octubre pasado un simposio internacional que reunió (de forma virtual, por supuesto) a varios expertos del campo para hablar sobre dónde se necesitan nuevos estándares. El Dr. Scott Jones, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de los Estados Unidos, presidió el simposio, titulado “Desarrollo de estándares para cemento y concreto para uso en construcción aditiva”.

“Con respecto de los materiales, se necesitarán nuevas pruebas que caractericen la hidratación rápida de los materiales para 3DCP, con atención particular a los que tengan en cuenta la resistencia antes del fraguado inicial y los cambios rápidos en la reología”, dijo Jones. “En el aspecto estructural, ahora tenemos que enfrentarnos a una estructura cuyas cualidades se miden por capas, y probablemente a nuevos mecanismos de refuerzo. Debemos asegurarnos de que las pruebas que realicemos consideren estas características”.

En el subcomité de ASTM sobre concreto reforzado con fibra (C09.42), parte del comité sobre concreto y agregados del concreto, ya hay actividades en curso. El subcomité está trabajando en un estándar relacionado con la prueba de tensión directa que Liu cree que, una vez terminada, utilizará métodos de prueba demostrados para ayudar a evaluar las estructuras construidas con este tipo de concretos mediante 3DCP.

Algunas otras iniciativas para desarrollar nuevos estándares son de naturaleza cooperativa. Por ejemplo, ASTM forma parte del grupo de trabajo conjunto sobre impresión de concreto en 3D con ISO, la Organización Internacional de Estandarización. El trabajo del grupo de construcción del comité F42, dirigido por Sam Reuben, director de Sostenibilidad en Mighty Buildings Inc., también se esfuerza en crear nuevos estándares en esta área.

Y otra nueva metodología de evaluación de la 3DCP que se encuentra actualmente en desarrollo por parte de la organización de certificación de seguridad mundial UL complementará los trabajos en curso de varios comités de ASTM. ASTM participa como colaborador en el desarrollo de estándares de UL para la iniciativa UL 3401, "Descripción de investigación de la construcción de edificios impresos en 3D".

“El propósito de esta metodología es garantizar que el equipo, los sistemas y los materiales utilizados, así como el proceso de fabricación empleado tendrán como resultado la producción constante de elementos de construcción de estándares aceptables. Esto ayudará a los constructores a identificar el cumplimiento de códigos equivalentes a los códigos residenciales y de edificios existentes y a obtener aprobación de las estructuras impresas en 3D”, dijo Bates.

También hace énfasis en que deben abordarse los temas de control de calidad y repetibilidad a gran escala. “La confianza se gana cuando se pueden producir productos de alta calidad y precisión de forma constante”.

La aprobación de nuevos estándares y la adaptación de los existentes contribuirán al avance en el uso de una nueva tecnología que aún es desconocida por muchos en la industria de la construcción. “No hay diferencia con otras tecnologías aditivas”, concluye Bates. “Sin importar si hace una pieza metálica de titanio o una pared de concreto impreso, la pregunta es si eso funcionará de la misma manera que aquello a lo que estamos acostumbrados. Se deben establecer nuevos estándares y reglamentos, y los inspectores deben conocer estos antes de que las estructuras de concreto impresas en 3D gocen de una aceptación más amplia”.