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Una nueva forma de construir

Los tecnologías a base de polímeros son una opción prometedora para la impresión tridimensional de los componentes de construcción.
POR: 
Jack Maxwell

Los proyectos de vivienda, desde México hasta California y Texas, están utilizando 3DCP (impresión de construcción tridimensional o impresión de concreto tridimensional) para erigir rápidamente casas duraderas. (Consulte el artículo en el número de marzo/abril de Standardization News). Sin embargo, aunque el uso de esta tecnología sigue expandiéndose a pasos pequeños y medidos, cada vez está más claro que las mezclas a base de concreto no son las únicas opciones para la fabricación aditiva (AM) en la industria de la construcción.

Introducción del material polimérico curado por UV (ultravioleta). Es similar a las alternativas a base de concreto en la forma en que se extruye para dar forma a las paredes y otros elementos estructurales. Sin embargo, también hay algunas diferencias importantes.

El material polimérico curado por UV podría desempeñar un papel importante para ayudar a la AM a obtener una aceptación más amplia como herramienta viable para la construcción residencial y comercial. Pero, como suele ser el caso con las nuevas tecnologías, se necesitan estándares para facilitar la evaluación de su rendimiento, seguridad y sostenibilidad. El comité de tecnologías de fabricación aditiva (F42) de ASTM International, y en particular el grupo de construcción (F42.07.07), está trabajando arduamente para satisfacer esa necesidad.

Un enfoque único

La mayor parte de la 3DCP actual se lleva a cabo con mezclas a base de cemento, aunque también se han utilizado con éxito materiales orgánicos (arcilla, por ejemplo) y metales.

Los compuestos termoestables a base de polímeros son otra opción. Alexey Dubov, director de operaciones de Mighty Buildings, cree que su firma es la única que actualmente usa este tipo de material, e indica que se han presentado patentes para el proceso de impresión 3D de Mighty Buildings. El 80 % de la producción está automatizada y se lleva a cabo en las instalaciones de Mighty Buildings; los paneles modulares de paredes y otros componentes se ensamblan después en la obra.

Pero, ¿qué es exactamente un material polimérico curado por UV? Dubov describe una mezcla que consiste en un hidrato inorgánico, un monómero de metacrilato de acrilato y un agente de polimerización inducido por la luz, que es necesario para activar la reacción térmica que comienza el proceso de polimerización. "Después de la reacción de polimerización, el material, como termoestable, forma un material sólido, similar a la piedra, perfecto para edificios", dice.

Según Dubov, los beneficios de usar polímeros en la impresión de construcción 3D incluyen la capacidad de formar geometrías más complejas, lo que puede mejorar las propiedades estructurales de los componentes finales del edificio, y una mayor eficiencia energética, ya que los polímeros ofrecen una menor conductividad térmica. También señala que los polímeros permiten a su empresa eliminar la mayoría de los materiales de impermeabilización exterior y reducir considerablemente el número de capas exteriores.

Mighty Buildings ha completado más de nueve estructuras, y tiene otras en proceso. Algunas se denominan unidades de vivienda auxiliares, similares a casas pequeñas, mientras que otras son viviendas unifamiliares de entre 80 y 133 m2 (864 y 1440 pies cuadrados). Una comunidad planificada en Rancho Mirage contará con 15 casas "ecológicas" con un llamativo diseño de mediados de siglo.

Stephan Mansour, vicepresidente de la sección F42.07.07, coincide en que la empresa está forjando su propio camino. "Son los únicos que realmente lo están llevando tan lejos y que están usando este material específico para la construcción. Los demás siguen el camino tradicional de usar materiales a base de concreto o cemento, o incluso adobe, como la arcilla o el barro, para imprimir", dice.

El componente de sostenibilidad de los materiales poliméricos podría resultar incluso más importante que su flexibilidad de diseño y otras ventajas. Mansour destaca la abundancia de material potencialmente reciclable que podría procesarse y reutilizarse en aplicaciones de impresión 3D basadas en polímeros.

"Si se trata específicamente de la construcción, no desea centrarse en un material difícil de conseguir y muy caro, en especial si tiene que enviarlo desde diferentes ubicaciones", explica Mansour. "Así que, en lo que respecta a los polímeros, podrían ser un material fácilmente disponible en el mercado y que realmente puede reciclarse y reutilizarse. Puede ser un material basado en la construcción o algo procedente de la industria manufacturera. Y esto no se trata solo de tener una solución disponible en un lugar o una región del mundo. Puede tomar esa solución e implementarla en diferentes lugares de acuerdo con las diferentes materias primas o materiales reciclados que esté disponibles de forma local".

El acceso sencillo al material local es crítico para la economía de la 3DCP. Mansour solía trabajar para Consolidated Contractors Company (CCC), una gran empresa con sede en el Medio Oriente, y dirigió la construcción a cargo de CCC de un prototipo de vivienda impresa en 3D en Arabia Saudita, que se completó en 2018. La disponibilidad de los suministros necesarios era limitada.

"Tuvimos que enviar el material desde los Países Bajos, lo que tomó alrededor de seis semanas, además de la aduana y todos los problemas logísticos con los que nos encontramos", dice. "No tiene sentido, especialmente cuando alguien desea centrarse en viviendas asequibles o soluciones que impacten el medio ambiente, que deba traer su material del extranjero".

Participación de la comunidad

Con una población mundial proyectada para acercarse a los 10 000 millones en los próximos 30 años según un informe de las Naciones Unidas de 2019, la escasez de viviendas asequibles, que ya es un problema grave en todo el mundo, solo se agravará en el futuro. A Mansour le gusta decirlo de esta manera: "Debe construirse una ciudad del tamaño de París cada año durante los próximos 40 años".

La 3DCP podría ser una solución al problema.

Un proyecto ubicado en una zona económicamente deprimida de México ilustra el potencial de la tecnología. Tabasco, un estado mexicano en el extremo suroeste de la península de Yucatán, podría parecer un lugar poco probable para un logro innovador en la construcción de viviendas. Pero gracias a los esfuerzos de varias organizaciones dedicadas y la continua evolución de la 3DCP, el pueblo de Nacajuca ya exhibe el potencial de esta singular tecnología. Hasta ahora se han construido dos casas de un solo piso de 46 m2 (500 pies cuadrados); el objetivo final es completar 50 viviendas de este tipo.

New Story es una organización sin fines de lucro que se dedica a abordar la crisis mundial de viviendas, con énfasis en el uso de innovadoras tecnologías de construcción. La organización se asoció en el proyecto de Nacajuca con Échale, un desarrollador mexicano de viviendas asequibles, e ICON, el desarrollador con sede en Texas del sistema Vulcan 3DCP. El sistema Vulcan imprime con concreto de alta resistencia patentado por ICON, que se mezcla con agua y aditivos en la obra, teniendo en cuenta las condiciones climáticas actuales para lograr un rendimiento óptimo.

Sofia Lopez es voluntaria en New Story. "Para cada comunidad, New Story desarrolla una tecnología más. El resultado integra diversos soluciones innovadoras para crear el costo más bajo y la forma más eficaz de construir viviendas asequibles. Y esa es una misión asombrosa", dice López, quien es un arquitecto con especialización en AM.

Uno de los desafíos que ha enfrentado el equipo de New Story en Nacajuca es "vender" la singular estética de las estructuras impresas en 3D a las personas para quienes se están construyendo las casas. López señala que el hecho de que una casa sea "gratuita" no significa que los posibles residentes se apresuren a aceptarla. La educación y la participación de la comunidad, así como viviendas diseñadas teniendo en cuenta la opinión de las familias que las habitarán, son aspectos críticos.

"Si le presentamos una casa impresa en 3D, no se verá como las casas que ha visto anteriormente, porque tiene las líneas", dice López. "El equipo de diseño de la comunidad debe ser muy ser consciente para explicar a las personas que estas casas son especiales y que en realidad son geniales".

Otra forma de lograr la aceptación local ha sido asegurarse de que las casas en Nacajuca se diseñen para reflejar las necesidades de la comunidad. Tienen un porche en la parte frontal, como las casas tradicionales de la zona. Este espacio crea una especie de pasillo y un interacción visual con la comunidad. Debido a que cocinar con fuego es común en el área, se incorpora una instalación tipo wok en la parte trasera de la casa.

Encontrar las brechas

Proyectos como los descritos anteriormente, y otros, como TECLA en Italia y una casa de dos pisos recientemente terminada en Alemania, brindan una visión emocionante del papel que la 3DCP podría desempeñar en la solución de la escasez mundial de viviendas. También es un recordatorio de que esta tecnología está evolucionando rápidamente, ya sea que emplee materiales a base de concreto, materiales poliméricos o incluso suelo local, como en el ejemplo de TECLA, y que los estándares deben estar actualizados de manera acorde.

El primer paso para desarrollar dichos estándares, especialmente para una nueva tecnología como la impresión de construcción tridimensional, es averiguar dónde, exactamente, es necesaria. Otra es asegurarse de que cualquier nuevo estándar esté en armonía con los existentes que operan en el mismo espacio.

"F42.07.07 es la subsección dedicada a la aplicación de la fabricación aditiva a la construcción", indica Sam Ruben, presidente de dicha sección y cofundador y director de sostenibilidad de Mighty Buildings. "Para asegurarnos de estar complementando el trabajo de estandarización de otros esfuerzos relacionados con la construcción de impresión tridimensional, hemos iniciado un análisis de brechas para comprender dónde se necesitan estándares adicionales".

Ruben explica que una vez que se complete el análisis (en unos pocos meses), el subcomité avanzará con el desarrollo de estándares que aborden una serie de materiales con potencial para uso en la construcción 3DP, incluidos polímeros, compuestos, metales y concreto. "También nos enfocaremos en materiales específicos cuando sea necesario, o identificaremos estándares u oportunidades existentes para la colaboración con otros comités", dice.

Ruben está interesado en particular en los estándares relacionados con las alternativas basadas en polímeros. También enfatiza la importancia de los estándares que su grupo tiene en progreso para ambos lados de la ecuación de la construcción.

"Por un lado, los funcionarios de la construcción necesitan estándares y especificaciones en los que puedan confiar para evaluar correctamente la seguridad y el cumplimiento del código de la construcción 3DP", dice. "Por otro lado, se necesitan estándares que permitan a los productores demostrar que están haciendo las cosas de la manera correcta. Sin dichos estándares, la adopción de esta prometedora tecnología se retrasará debido a la naturaleza conservadora de los funcionarios de la construcción".

Uno de estos estándares está en sus primeras etapas de desarrollo. La especificación propuesta para la fabricación aditiva para la especificación de construcción —características del proceso y rendimiento— para estructuras poliméricas manufacturadas con curado por UV para aplicaciones residenciales (WK74302) es el primer esfuerzo de F42.07.07 para enfocarse específicamente en materiales basados en polímeros que se utilizan en la 3DCP.

Dubov ve otras áreas que requerirán estándares, como la sostenibilidad, la seguridad y los procesos de diseño. La próxima iniciativa de su sección abordará los pasos de posprocesamiento, como el fresado, el revestimiento y la inyección de espuma de poliuretano. "Estos estándares ayudarán a garantizar la calidad del producto final: un componente de construcción impreso en 3D con revestimiento y aislamiento", afirma.

Joint Group 80

Aunque los comités de ASTM siguen trabajando en estándares relacionados con varios aspectos de la AM en la construcción, también participan en un esfuerzo paralelo para avanzar en el desarrollo internacional de estándares 3DCP.

Joint Group 80 (JG80) es una colaboración entre ASTM y la Organización Internacional para la Normalización (ISO), lanzada oficialmente en marzo de 2020. Mansour jugó un papel decisivo al reclutar a las partes interesadas relevantes del sector 3DCP para su participación, y describe una agenda que comprende diferentes opciones de materiales, a pesar de que avanza con una urgencia mesurada.

"Joint Group 80 no solo se basa en concreto, sino que también incluirá polímeros y materiales compuestos", explica Mansour. "Lo más importante ahora es que la impresión para la construcción 3D está avanzando, en especial en Norteamérica, en los últimos meses. Así que nos apresuramos a establecer estándares para asegurarnos de que los elementos impresos sean realmente seguros y que la calidad esté a la altura de los estándares".

Mansour enfatiza que JG80 es "agnóstico" en términos tanto de materiales y tecnología. "Estamos tratando de incluir a tantos diferentes participantes en el mercado como sea posible", dice. Y aunque el grupo incluye empresas que compiten por la participación en el mercado respecto de esta nueva tecnología, dichas empresas colaboran en conjunto, ya que el desarrollo de estándares sólidos basados en el consenso beneficia, en última instancia, a toda la industria.

Ruben aplaude este enfoque inclusivo. "Construir el marco de los estándares para explicar la diversidad existente de materiales de una forma que permita innovaciones, es importante para apoyar a este joven pero creciente sector".

"Joint Group 80 tiene como objetivo tender un puente entre los métodos convencionales y la 3DCP", dice Mansour. "No toca en detalle los estándares específicos cuando se trata de, por ejemplo, seguridad, manipulación de materiales, sostenibilidad, diseño arquitectónico y aprobación. Estos están fuera del alcance de los estándares existentes. Pero ahí es donde nuestra sección puede entrar en juego, para abordar realmente esos detalles de los estándares, tema por tema".

Se espera que el resultado final sea un menú de métodos de prueba, especificaciones, guías y otros estándares que facilitarán que los contratistas generales acepten y comiencen a utilizar 3DCP como otra herramienta en la construcción. "Nada sucede en la construcción sin estándares", concluye Mansour.

Jack Maxwell es un escritor independiente que reside en Westmont, Nueva Jersey, EE. UU

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