Avances en Impresión 3D para construcción en Colombia

Ingeniero Federico Saldarriaga Ángel. Profesional de Innovación, Constructora ConConcreto. Ingeniero Fabio Luis Carmona Giraldo. Director de Planta de Prefabricados, Industrial ConConcreto.

Fotos: Cortesía Constructora ConConcreto

La impresión 3D es una tecnología emergente en muchas industrias y la construcción no es la excepción. En 2018 se anunció el primer prototipo de vivienda impreso en 3D en Colombia: la Casa Origami. Este inmueble está en Envigado, Antioquia y cimienta una nueva manera de construir. Pero, ¿qué tan viable es escalar este método de construcción?, ¿cuáles elementos adicionales se pueden fabricar mediante la manufactura aditiva en concreto?, ¿cuál es el futuro de la impresión 3D para el sector de la construcción? En este artículo se exponen los avances de esta tecnología en Colombia y el Mundo.

Muchos saben ya sobre Casa Origami, el primer prototipo de vivienda impreso en 3D en Colombia y en América Latina. Es una construcción de 24 m2 manufacturada en una impresora 3D de gran formato (foto 1). Su material es el concreto y su costo aproximado fue de 70 millones de pesos incluyendo un sistema de energía autónomo con base en paneles solares. Marca, sin duda, un hito de la impresión 3D con materiales cementicios en el país y da pie a nuevas construcciones de esta índole que se mencionarán a continuación.

Foto 1. Casa Origami, primer prototipo de vivienda en América Latina impreso en 3D.

En el Lógika Siberia

La portería del centro logístico empresarial Lógika Siberia en Bogotá, de 22 m2, fue construida en el año 2019 mediante manufactura aditiva en concreto. El tiempo total de impresión de las piezas o muros que la conforman fue de 35 horas y el tiempo total de su construcción fue inferior a 2,5 semanas. El inmueble consta de 23 piezas distintas manufacturadas en Envigado, Antioquia, y llevadas hasta Bogotá para ser ensambladas. A diferencia de Casa Origami –edificación 100% impresa– lo que se pretendía en la portería de Lógika Siberia es mezclar diversos acabados e integrar la impresión 3D a los métodos tradicionales de construcción, combinando los vaciados en obra con las piezas impresas. De esta forma se integran acabados lisos de vaciados en obra mediante formaletas con acabados texturizados de capas de 2 cm de alto entre sí. La foto 2 muestra el acabado final de la edificación.

Como ya se describió, el inmueble se conforma por piezas prefabricadas avaladas por la NSR-10 (Título C, Concreto estructural). Estas piezas o bien muros, tienen espesor de 15 cm y geometría interna calculada para ser elementos portantes y hacer parte de la estructura de la edificación. Al igual que en Casa Origami, el concreto utilizado para esta construcción tuvo las siguientes especificaciones técnicas: resistencias mayores a 40 MPa a compresión, densidad en seco de 2.200 kg/m3 y resistencias a flexión de 5 MPa. Así mismo, la mezcla también tuvo que cumplir con propiedades como bombeabilidad, extrudabilidad, apilabilidad y flujo para poder imprimir piezas con precisión.

El diseño del inmueble se realizó en torno a las condiciones de transporte de los elementos desde Envigado hasta Bogotá. Las piezas conformantes no superan los 5 m de largo y 1,5 m de alto. Para lograr la altura de la edificación (3,65 m a partir de N.E. +0.00) fue necesario ubicar unas piezas sobre otras y conectarlas mediante vaciados secundarios realizados en obra durante la instalación. Para la edificación se utilizó un acero de refuerzo galvanizado de calibre 2,4 mm dispuesto horizontalmente, embebido entre las capas de impresión. Para el acero de refuerzo vertical se implementaron varillas corrugadas de ½” de diámetro, con resistencia de 420 MPa.

Un avance significativo en el proyecto fue la incorporación de las redes eléctricas durante el proceso de impresión de los muros. La modelación BIM realizada para el inmueble permitió incorporar la tubería eléctrica en los prefabricados, disminuyendo los tiempos de fabricación y, por ende, los costos. En términos económicos, el valor ejecutado para la construcción de la portería de Lógika Siberia mediante la impresora 3D fue de 21 millones de pesos considerando los muros estructurales impresos en 3D y la cubierta en concreto vaciada en sitio. Comparando esta suma ejecutada respecto a la construcción tradicional (valor presupuestado en 21,6 millones de pesos) se evidencia una paridad entre ambos métodos de fabricación. Esto augura un buen panorama para las tecnologías de manufactura aditiva en el sector de la construcción. Contree

Además de Casa Origami (2018) y Lókiga Siberia (2019), en el año 2020 se imprimió otro edificio mediante esta tecnología de manufactura aditiva: una portería para una obra de construcciones llamada Contree. Como en sus antecesores, los muros fueron impresos en Envigado, Antioquia, y luego instalados en obra en Medellín, Antioquia. Esta portería es 100% impresa a partir de N.E. +0.00 y está conformada por 6 piezas. Su área aproximada es de 5 m2 y el tiempo de manufactura e instalación fue de una semana. La diferencia principal entre esta edificación y las anteriores radica en la mezcla utilizada para la impresión. En la portería de Contree se logró desarrollar una mezcla con propiedades mecánicas más altas que las anteriores para la manufactura de piezas en la impresora 3D. Resistencias sobre los 50 MPa a compresión, 7 MPa a flexión y mejores propiedades en cuanto a la extrudabilidad y bombeabilidad son lo mejor y más significativo de esta mezcla. Así mismo, el concreto desarrollado tiene resistencias tempranas más altas. La tabla 1 contiene los promedios de resistencias a compresión para ensayos a los días 1, 7 y 28:

DÍA DE FALLA DEL ESPÉCIMEN RESISTENCIA PROMEDIO DE ENSAYOS MPa

1

7

28 45

65

76

Tabla 1. Valores de resistencia de la mezcla de impresión 3D.

Adicionalmente, otra diferencia de la portería de Contree con sus antecesores es el acabado de la impresión. Debido a las mejoras de la mezcla en cuanto a bombeabilidad y extrudabilidad, se pudieron utilizar boquillas de diámetros más pequeños en el proceso de impresión. Mientras Casa Origami y la portería de Lógika Siberia se imprimieron usando boquillas redondas de 2 cm de diámetro para altura entre capas de 2 cm, la de Contree se imprimió con una boquilla redonda de 1 cm de diámetro y altura entre capas de 1 cm. Esto permitió un acabado más fino de los elementos conformantes de la edificación.

Desarrollos paralelos, impresión no estructural

Además de los desarrollos estructurales mencionados, la impresión 3D también permite fabricar piezas no estructurales en concreto. Elementos de mobiliario urbano para espacio público como materas, bancas, paraderos de buses, esculturas, bolardos, parqueaderos de bicicletas, basureras, bebederos y elementos símiles de concreto son piezas alternativas para ser manufacturadas. Análogamente es posible imprimir fachadas, piezas de mampostería en concreto, muros divisorios no portantes, quiebra-soles y similares. A diferencia de otros métodos de fabricación, la manufactura aditiva permite generar geometrías complejas que serían imposibles con otros métodos.

Uno de los grandes avances en esta área consiste en imprimir piezas con acabados y texturas distintas. Teniendo la reología correcta del material de impresión es posible hacer patrones diferentes con la máquina de impresión para generar piezas artísticas, únicas. De igual manera, otro avance significativo es lograr imprimir piezas de sección transversal no continua. Si bien los muros estructurales mantienen por lo general un plomo en el eje vertical, para las piezas arquitectónicas o de mobiliario urbano es posible cambiar estos parámetros. Desfasando las capas en distancias por el orden de milímetros, se pueden generar piezas con ángulos. En las fotos 3, 4 y 5 se muestran algunas piezas no estructurales con acabados y diseños particulares.

Los avances en este campo abren las puertas a los arquitectos de una manera nunca antes vista. Mediante la manufactura aditiva, los diseños virtuales de las piezas pueden pasar a diseños reales y ser tangibles en tan solo horas. La fabricación de piezas según la necesidad del cliente se vuelve un factor clave de cara a la personalización en los diseños y se potencializa la integración de los elementos de mobiliario a los espacios. Escalabilidad de la tecnología

En el Mundo esta tecnología ya se utiliza en nivel industrializado. La empresa China Winsun (Winsun, 2018) ha realizado miles de impresiones con sus máquinas e incluso ha manufacturado casas de aislamiento social perfectamente dotadas en tiempo récord de 24 horas cada una, incluyendo acabados y demás. En Japón hay plantas de prefabricados en concreto que trabajan con impresión 3D. Se calcula que para el año 2025, el 25% de la ciudad de Dubái en Emiratos Árabes sea impresa en 3D (Philipp Gerbert, 2016).

No obstante, hay un aspecto normativo que restringe este método de construcción y no lo ha dejado avanzar lo suficiente. Particularmente en Colombia, la NSR-10 no provee un capitulo donde se hable de este tipo de estructuras, por lo que el avance ha sido lento, aunque seguro. Como han demostrado las edificaciones realizadas con esta tecnología, se ha logrado una significativa disminución de costos en cada iteración. Sin duda alguna, el futuro –incluso el presente– de la construcción se refleja en las tecnologías de impresión 3D. A medida que los ensayos técnicos demuestren el cumplimiento de la norma, se irán incorporando más y más edificaciones realizadas por impresoras 3D de este tipo.

Así mismo, la tecnología también es aplicable a la construcción de piezas arquitectónicas. Elementos como fachadas, mobiliario urbano, divisiones internas, mampostería y demás se pueden fabricar con precisión y de manera personalizada mediante impresoras 3D. Particularmente en Colombia ya se empiezan a masificar este tipo de elementos no estructurales, lo cual genera conocimiento con tecnología de punta.

Foto 4. Matera para mobiliario urbano.