La fabricación aditiva como catalizador de la industrialización del sector de la construcción

Contexto

La construcción industrializada (CI) es un concepto amplio que engloba tanto la producción de sistemas, componentes o estructuras de edificios, en un entorno industrial, así como como su transporte a la obra para su posterior instalación o montaje (Razkenari et al., 2019). Por consiguiente, la CI supone transferir procesos y trabajos ejecutados in situ desde la propia obra hacia fábricas y talleres de ensamblaje, es decir, entornos con un elevado grado de control y automatización. Esto supone, entre otros beneficios, una mejora tanto en el control de la calidad como en la seguridad, como consecuencia de trasladar los trabajos a un entorno controlado como es una fábrica. De esta manera, el proceso constructivo se agiliza al evitarse retrasos debidos, por ejemplo, a inclemencias meteorológicas.

Con un estilo de producción similar al de la industria manufacturera, la CI se apoya en la automatización de procesos y en el uso de los datos como herramientas fundamentales. Esto, además de elevar la productividad, se traduce en una menor dependencia de la mano de obra, minimizándose márgenes de error y sobrecostes. Además, el concepto de CI gira en torno a la integración de formas innovadoras de gestión de procesos (LEAN, BIM, etc.) que permiten aumentar la eficiencia, optimizar los recursos y adaptarse mejor al diseño y a las necesidades del cliente, aportando flexibilidad (Alcarazo, 2020).

Figura 1. Montaje de los elementos prefabricados de una vivienda (Ottinger et al., 2020).

El despliegue de la CI requiere, entre otros, de la adopción de procesos de fabricación y montaje avanzados, que implican un salto tecnológico cualitativo y que, a su vez, permitan la obtención de productos de un mayor valor añadido. El empleo de robots en el montaje o la fabricación de elementos con geometrías singulares y customizados mediante impresión 3D, que resultarían inviables mediante técnicas más comunes como el moldeo o mecanizado, ilustran perfectamente esta componente tecnológica de la CI.

Precisamente, en los últimos años, la fabricación aditiva (FA) ha generado un enorme interés por sus aplicaciones en la industria manufacturera, aeroespacial o en medicina. En este sentido, tal y como se expone a continuación, las técnicas de FA constituyen uno de los pilares básicos en los que se apoya la industrialización de la construcción, dado el potencial de estas para impulsar las capacidades, la productividad y la competitividad del sector.

Técnicas y materiales

La American Society for Testing and Materials (ASTM) define la FA como el proceso de unión de elementos materiales para crear objetos, partiendo de un modelo 3D, habitualmente por deposición sucesiva de capas de material. Aunque comúnmente se emplean indistintamente, se trata de un concepto más amplio que el de impresión 3D, el cual se limita a la fabricación de objetos mediante el uso de cabezales de impresión. De esta manera, las máquinas de impresión 3D, son capaces de generar objetos físicos, mediante la deposición minuciosa de materiales, punto a punto, línea a línea o capa por capa, a partir de modelos 3D en archivos CAD que son digitalmente divididos en secciones transversales 2D.

Trasladándolo al sector de la construcción, el concepto de FA hace referencia, de forma simplificada, a la combinación del diseño por ordenador con procesos de extrusión y relleno, empleando habitualmente materiales en base cemento como morteros y hormigones, solos o reforzados con fibras, como por ejemplo de vidrio. Adicionalmente, también existen aplicaciones con arcilla, yeso , cerámica e incluso metal, el cual requiere de técnicas de fusión láser.

Figura 2. Impresión de los muros de hormigón de una vivienda (Montjoy, 2022).

En cuanto a la maquinaria de impresión empleada en la construcción, resulta más apropiado hablar de robots en lugar de impresoras. A este respecto, existen distintas tipologías de robots disponibles, cuya idoneidad vendrá determinada por las características geométricas del modelo a imprimir:

Delta, provistos de tres brazos dispuestos en configuración triangular que se desplazan sobre guías verticales.

Cartesianos, esféricos o cilíndricos cuyo movimiento se basa en un sistema de coordenadas cartesianas, esféricas o cilíndricas, respectivamente.

Brazos articulados con varios grados de libertad (entre 3 y 6 habitualmente).

Sistemas de cables de los que pende el cabezal de impresión.

Figura 3. Brazo robótico articulado imprimiendo estructuras de hormigón (Chui y Mischke, 2019).

Aplicaciones

Las técnicas de FA pueden aplicarse en distintas áreas de la construcción, ya sea a pie de obra, desplazando los robots y materiales, o bien, imprimiendo los distintos componentes en instalaciones especializadas (impresión prefabricada o prefab printing). A continuación, se enumeran distintas aplicaciones que ilustran el potencial de la FA en el sector de la construcción.

Edificios de oficinas. En 2019 la empresa de robótica Apis Cor, construyó un edificio administrativo de dos plantas para el Ayuntamiento de Dubai, empleando una unidad de impresión 3D móvil que imprimió las paredes y columnas de yeso, que posteriormente se reforzaron con hormigón y acero. Con una altura de 9,5 metros y una superficie de 640 metros cuadrados, es el mayor edificio impreso en 3D del mundo hasta la fecha. Costó únicamente 17 días en imprimirse y cerca de 3 meses en acondicionar su interior, requiriendo un 50% menos de mano de obra y generando un 60% menos de residuos con respecto a la construcción tradicional.

Puentes. El primer puente de hormigón, impreso íntegramente en 3D, es fruto de la colaboración entre el estudio Zaha Hadid Architects y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) y fue inaugurado este verano en Venecia. Denominado Striatus, se trata de una pasarela de 16 m de largo, formada por 53 bloques que, a su vez, constan de 500 capas de hormigón depositadas mediante un único brazo robótico de 6 ejes. Como peculiaridad, los bloques se ensamblan por compresión sin necesidad de usar mortero como elemento de refuerzo.

Fachadas. La envoltura ondulada de la nueva sucursal Southside de Tennessee Valley Federal Credit Union, inaugurada en mayo del año pasado y construida por Branch Technology, constituye un ejemplo de eficiencia. La fachada está constituida por una serie de paneles prefabricados mediante un proceso patentado que emplea 20 veces menos material que las técnicas tradicionales de deposición de capas. Los robots fresan los paneles hasta obtener el perfil final de la superficie, aplican una fina capa de hormigón reforzado con fibra de vidrio y, finalmente, un acabado hidrófugo y autolimpiable.

Viviendas. Según el informe World Cities Report (ONU), los futuros propietarios de viviendas de todo el mundo se ven obligados a ahorrar más de 5 veces sus ingresos anuales para poder costearse una vivienda estándar. Por otro lado, el 20% de la población mundial vive en viviendas inadecuadas, de los cuales 1.000 millones residen en barrios marginales. La magnitud del problema es tal que no es posible abordarlo con las técnicas y métodos de la construcción tradicionales. En este sentido, la elevada productividad propia de los procesos de FA, supone fabricar viviendas impresas en 3D 9 veces más rápido que con los métodos tradicionales. Por lo tanto, la aceleración de la adopción de casas impresas en 3D podría ser una de las mejores vías para abordar la crisis de la vivienda a nivel mundial. Alineados con esta filosofía, encontramos proyectos como el de la ONG Habitat for Humanity en colaboración con la empresa de construcción Peri y que persigue aportar soluciones sostenibles y asequibles al problema de la vivienda en Arizona (EEUU). En este tipo de viviendas, se están empleando robots cartesianos COBOD que se perfilan como una solución a la escasez de mano de obra y a las paradas durante los calurosos veranos de Arizona, cuando la construcción de viviendas suele detenerse.

Figura 4. Imágenes de la primera vivienda en Europa construida íntegramente por impresión 3D (Kennedy, 2021).

Análisis: ventajas e inconvenientes

Se ha demostrado que mediante técnicas de FA es posible construir una casa o un edificio desde cero en cuestión de días, acortándose sustancialmente los plazos con respecto a la construcción convencional. A este respecto, según el informe publicado por la Plataforma Tecnológica Española de la Construcción (PTEC), los equipos de impresión 3D empleados en la industria de la construcción se caracterizan por velocidades de proceso elevadas, contando con velocidades de avance lineal que pueden llegar hasta los 400 m/h y volúmenes de hasta 3 m³/h de capas impresas.

Paralelamente, las técnicas de FA permiten generar elementos tridimensionales sin necesidad de moldes o utillajes. De esta manera, se prescinde de una de las tareas más laboriosas y que más tiempo consumen como es el encofrado, dado que el tiempo requerido para el montaje y desmontaje de estas estructuras es muy superior al de impresión de hormigón/mortero fresco.

Por otro lado, la implantación de técnicas de FA conlleva ahorros de energía de hasta un 40%, disminuye los costes de construcción entre un 50% y un 70%, al tiempo que reduce los costes laborales entre un 50% y un 80%. Además, tal y como se ha comentado anteriormente, contribuye a minimizar la generación de residuos en hasta en un 60%. En este sentido, cuando se combina con la prefabricación o la metodología LEAN, el ansiado objetivo de generación de residuos cero parece más cercano.

Otra de las grandes ventajas de la FA es la libertad de diseño que ofrece, pudiendo así materializarse diseños complejos que, de otro modo, serían inalcanzables o demasiado caros o laboriosos para crearlos mediante los métodos de construcción convencionales.

Finalmente, el empleo de robots que funcionan de manera semiautónoma reduce en gran medida las operaciones manuales y, con ello, la siniestralidad laboral, además de permitir una distribución del personal en la realización de otras tareas, contribuyendo así al ahorro de costes del proceso global.

Sin embargo, a pesar del impacto tan positivo asociado al despliegue de la FA en el sector de la construcción, existen todavía importantes barreras que deben superarse:

• Elevado coste. A menudo resulta difícil justificar el precio de los equipos de FA frente a las ventajas de la tecnología. Esto es debido, principalmente, al elevado coste de la compra o alquiler de los robots, así como los costes logísticos para el traslado de estos equipos a pie de obra.
• Escasez de mano de obra especializada. La impresión en 3D requiere un conjunto de habilidades y conocimientos muy específicos en materia de tecnología y materiales. Con esto, si la escasez de mano de obra en el sector de la construcción ya es un problema, encontrar trabajadores cualificados para trabajar en entornos de FA resulta todavía más difícil.

Figura 5. Aspecto de muros creados mediante impresión 3D (Alderton, 2020).

• Escasez y deficiencias en los materiales imprimibles. La búsqueda de materiales específicos y robustos, que sean viables industrialmente, es uno de los campos en los que queda aún más por explorar. Así, el desarrollo de formulaciones que mejoren aspectos tales como la falta de adherencia entre capas, la aparición de defectos en el acabado de las superficies o la incorporación de aditivos de refuerzo que permitan prescindir de la colocación de las armaduras metálicas tradicionales, son algunos ejemplos. Además, la incorporación de residuos, como materias primas secundarias o la búsqueda de composiciones de bajo impacto ambiental, resultan de especial relevancia con el fin de garantizar la sostenibilidad de las técnicas de FA.
• Ausencia de normativa. Uno de los principales obstáculos para el despliegue de la FA en el sector de la construcción es la falta de una normativa que recoja las particularidades de este tipo de construcciones y que proporcione unos estándares que garanticen la seguridad de las viviendas y edificios fabricados mediante estas tecnologías. Se requiere de un marco normativo que permita la justificación de este tipo de proyectos por parte de prescriptores para que el visado y la concesión de licencias de obra sea más ágil.

Para concluir, se ha mostrado como las técnicas de FA poseen el potencial de transformar el sector de la construcción, constituyendo una herramienta fundamental para la instauración del paradigma de la CI. No obstante, su éxito dependerá de cómo el propio sector de la construcción sepa integrar los recursos tecnológicos propios de la FA, así como adoptar una visión holística y racional del diseño.

José Planelles Aragó

Unidad de Inteligencia Competitiva de ITC-AICE

Con la colaboración de:

Laura Vilalta Ibáñez

Unidad de Arquitectura ITC- AICE

Mª Pilar Gómez Tena

Responsable del Laboratorio de Caracterización Físico-Estructural de ITC-AICE