Si bien muchos sin duda sabrán que las impresoras 3D se pueden utilizar para fabricar pequeños objetos de plástico que son útiles para la creación rápida de prototipos, la tecnología se utiliza cada vez más a una escala mucho mayor y más permanente.

En la construcción, se pueden utilizar impresoras 3D de grado industrial para extrudir capa tras capa de construcción, construyendo muros de hormigón de forma rápida y precisa con una mínima intervención humana.

Actualmente, en lugar de construirse, se están imprimiendo decenas de pequeños edificios residenciales. Pero con el reciente desarrollo del primer centro de datos impreso en 3D del mundo en Alemania, ¿está la tecnología lista para el horario de máxima audiencia en el mercado industrial?

¿Por qué imprimir en 3D?

Se dice que la impresión de hormigón en 3D se originó en el Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) de Nueva York cuando Joseph Pegna aplicó la fabricación aditiva al hormigón en 1997.

Luego, Behrokh Khoshnevis, profesor de la Universidad del Sur de California, imprimió en 3D una pared entera en 2004. La primera casa impresa en 3D se construyó en 2014 en Ámsterdam, Países Bajos.

Los informes de mercado sugieren que el tamaño del mercado global de la industria de la construcción con impresión 3D fue de 3.500 millones de dólares en 2022, y se estima que crecerá hasta alrededor de 523.300 millones de dólares en 2030. Sin embargo, hasta la fecha, la mayor parte de la construcción con impresión se ha realizado en el mercado residencial.

En 2018, Icon y New Story imprimieron una casa de 32,5 m² en Austin, Texas, en aproximadamente 48 horas. La compañía dijo que pudo construir una casa por sólo 10.000 dólares, lo que generó una ola de interés por parte de los desarrolladores, aunque esa cifra fue solo para los muros de concreto en lugar de la construcción completa.

“Eso inició el fuego detrás de todo este asunto”, dice Ziyou Xu, fundador del proveedor de impresoras 3D de California RIC Technology (anteriormente Tecnología Avanzada de Construcción Inteligente). “Y luego, en los últimos años, se han permitido construcciones en América del Norte, y eso es un gran paso. La gente está empezando a aceptar y creer en la impresión 3D”.

“Esto ha aumentado el interés de novelistas, expertos y universidades hacia desarrolladores audaces. Hemos pasado la fase de novedad; Las empresas de construcción ahora están llegando y quieren probar esto y descubrir cómo hacerlo rentable y eficiente”.

Los defensores promocionan la velocidad y el costo como principales beneficios, al mismo tiempo que reducen la cantidad de trabajadores necesarios en el sitio. Muchas construcciones 3D sólo necesitan dos o tres personas para gestionar una impresora. Xu dice que la impresión 3D también garantiza que los edificios construidos se acerquen más a los diseños originales creados por los arquitectos del proyecto y los propietarios del sitio.

"Siempre he visto las cosas desde el punto de vista de un arquitecto y cada proyecto requiere una gran cantidad de comunicación, esfuerzo y compromiso", dice. "Y el resultado final nunca es lo que realmente quiere el arquitecto, sino lo que quiere el propietario o el promotor".

“Con la impresión 3D, en realidad estamos eliminando muchos de los costos de comunicación y la ineficiencia. Y el resultado final estará mucho más acorde con el diseño que desean los desarrolladores o los propietarios”.

La impresión 3D llega al sector residencial

La mayoría de las empresas de construcción con impresión 3D son nuevas empresas o subsidiarias de empresas de construcción más grandes interesadas en explorar esta tecnología. Fundada en 1969, la empresa alemana de andamios Peri comenzó a analizar la impresión 3D en la construcción y lo que podría significar para la empresa. Invirtió en Cobod en 2018, adquirió una participación minoritaria en la empresa danesa y lanzó oficialmente Peri3D en 2022. Hoy en día, Peri3D vende impresoras y servicios 3D, e imprime sus propios edificios.

Después de participar en la primera casa impresa en 3D de Alemania (una casa familiar de dos pisos en Bekum) en 2020, Peri participó en un edificio de apartamentos de cinco familias de varios pisos en Wallenhausen y una escultura de entrada en Dornstadt, Alemania; un edificio de oficinas de 125 m² en Hausleiten, Austria; y una casa unifamiliar en Tempe, Arizona.

Hoy en día, la cantidad de edificios impresos en 3D probablemente sea de unos cientos. Se han utilizado impresoras en casas de Bélgica, Sudáfrica, Nueva Zelanda, Rusia, Francia y otros países, así como en puentes y prototipos de turbinas eólicas.

Icon se ha utilizado para imprimir una "estructura de piel de vehículo" (esencialmente un garaje) en Camp Pendleton, California, y dice que ha impreso más de 100 casas. CyBe creó un laboratorio de I+D impreso en 3D para la investigación de drones en los Emiratos Árabes Unidos.

Xu de RIC señala que las unidades de vivienda accesorias (ADU, pequeños edificios secundarios en parcelas residenciales y también conocidas como cabañas en el patio trasero o residencias para mayores) son un área potencial de crecimiento para la impresión 3D.

Dice que el menor coste de entrada al mercado residencial y las limitaciones de las impresoras significan que ahí es donde se centra actualmente la mayor parte del interés en torno a la construcción con impresión 3D.

Wavehouse en Alemania es la primera vez que un promotor está dispuesto a asumir el coste y el riesgo de un edificio industrial comercial; y la primera vez que se imprime en 3D un centro de datos.

En el aspecto industrial del futuro, Xu señala que hay promesas en torno a los almacenes y las instalaciones de almacenamiento en frío, y varias organizaciones de desarrollo penitenciario se han acercado a él debido a la posible resistencia de las paredes de los proyectos impresos en 3D.

Una nueva habilidad para abordar la escasez de mano de obra

Wavehouse solo necesitó dos trabajadores de construcción mientras la impresora estaba en funcionamiento. Otros proyectos de construcción con impresión 3D reportan cantidades igualmente pequeñas de personal en el lugar.

Esta reducción de la mano de obra se anuncia como una forma de ayudar a abordar la escasez de habilidades en la industria de la construcción. Sólo en el Reino Unido, un informe del año pasado sugirió que el 83 por ciento de las empresas dentro de la industria de la construcción estaban sintiendo la presión por la falta de trabajadores cualificados.

"El sector de la construcción sufre gravemente por la escasez de mano de obra", afirma Bischofberger de Peri3D. "Es muy difícil conseguir que los jóvenes se dediquen a la construcción y es muy difícil conseguir gente buena y altamente cualificada en la construcción".

"Incorporar la automatización y la robótica de la construcción es, en nuestra opinión, una buena manera no sólo de abordar la escasez que tenemos, sino también de hacer que el trabajo sea mucho más atractivo".

Según Peri3D, se necesitan alrededor de seis semanas para aprender desde cero todas las habilidades necesarias para gestionar una construcción impresa en 3D.

“He trabajado en obras de construcción con impresión 3D y el trabajo diario es mucho más relajado y tranquilo, simplemente porque uno se encarga principalmente de supervisar el proceso de impresión”, afirma Bischofberger. “Por ejemplo, no haces el trabajo pesado de juntar piedra con piedra”.

RIC ha estado trabajando con su socio estadounidense Alquist3D para desarrollar un programa de desarrollo laboral con Aims Community College en Greeley, Colorado.

Xu, de RIC, sugiere que aunque muchos jóvenes quieran evitar el trabajo sucio de la construcción, sí quieren jugar con el robot.

“La formación ha avanzado mucho. Hace tres años, [estas impresoras] eran bastante difíciles de operar y requerían alrededor de un año de capacitación”, afirma. "Pero hemos estado desarrollando mucho software y desarrollando interfaces de usuario, y ahora solo realizamos un curso de capacitación de dos semanas para que nuestros clientes puedan usarlos".

Limitaciones y logística

Si bien la impresión de edificios en 3D puede ser más rápida y sencilla que una construcción tradicional, no es tan simple como presionar un botón y luego sentarse hasta que el edificio esté terminado.

La mayoría de las tecnologías de impresión requieren una configuración exhaustiva, que en algunos casos puede llevar días. Estos marcos sobre los que se asientan las boquillas de impresión también crean las limitaciones del edificio en el que los desarrolladores deben imprimir.

Cobod, propiedad privada de General Electric, con CEMEX, Holcim y Peri como accionistas clave, fabrica las impresoras de construcción BOD2. Es uno de los principales proveedores de máquinas de construcción con impresión 3D.

Al igual que las empresas rivales Black Buffalo, 3D Wasp o Icon, la tecnología de Cobod se basa en un sistema de pórtico, que requiere un sistema de andamios, atornillado a la losa o a bloques de hormigón, al que se fija la boquilla de impresión.

Peri3D, que utiliza impresoras Cobod, dice que las dimensiones máximas de su edificio son 13,5 m de ancho, 9 m de alto y todo el largo que se desee. Peri dice que para un área de impresión de una máquina de 13,5 m de ancho, 17 m de largo y 8 m de alto, se necesitarían ocho horas para ensamblar el sistema. Según se informa, el sistema puede imprimir a velocidades de 1 metro por segundo; las alturas de las capas pueden estar entre 1 y 4 cm y los anchos de las capas entre 3 y 10 cm.

Diferentes proveedores tienen diferentes sistemas. Icon utiliza un sistema de pórtico sobre ruedas más pequeño, conocido como Vulcan, para sus construcciones residenciales. Otros proveedores, como Vertico, CyBe o RIC, confían en sistemas de brazos robóticos. Estos pueden fijarse en un solo lugar, sobre un carril móvil o fijarse a sistemas de pórtico. Algunos tienen locomoción propia, como RIC o Constructions-3D.

Xu dice que los sistemas de pórtico que requieren marcos grandes son “engorrosos” y requieren grúas, linces y mucho tiempo y esfuerzo para instalarlos y desarmarlos, a veces hasta tres días.

“Para entonces ya habrás gastado entre 4.000 y 5.000 dólares en mano de obra y alquiler de equipos”, afirma. "Y luego estás construyendo una casa de metal gigante antes de construir la casa real y luego derribando esa casa de metal después de terminar de imprimir, que no es lo que realmente queremos lograr con esto".

RIC ofreció originalmente la RIC 0, una impresora estática que dependía de un brazo robótico de Kuka, antes de pasar a la RIC-1, una impresora que podía moverse a lo largo de rieles fijos. Pasó al RIC M1, en el que el brazo de impresión de la empresa estaba acoplado a un sistema de ruedas 4x4. El RIC-M1 Pro es una combinación de ruedas con un riel fijo adjunto. También ofrece el RIC-2, que se fija a un elevador de tijera fijado sobre rieles para estructuras más altas. La compañía afirma que sus plataformas móviles aceleran el tiempo de implementación de días a horas.

Materiales y regulación

Mientras que los objetos portátiles impresos en 3D a menudo se fabrican con plástico calentado, los edificios impresos se construyen con cemento.

“Al final del día, sigue siendo el cemento normal típico del día a día. Sigue siendo básicamente cemento”, afirma Xu de RIC. “Los aditivos que utilizan son los mismos que en la industria de la construcción normal; los aceleradores normales, los plastificantes normales”.

Si bien los materiales son los mismos, las proporciones de cada componente son diferentes. La mezcla debe ser lo suficientemente líquida para extruir limpia y rápidamente, pero lo suficientemente viscosa para permanecer donde se imprime y adherirse a la capa anterior. Varias empresas están empezando a desarrollar sus propias mezclas especialmente diseñadas para la impresión 3D.

Heidelberg Materials, que suministró el cemento para Wavehouse, afirma que su cemento para impresión 3D es 100 por cien reciclable como material de construcción mineral. Dice que su hormigón impreso también contiene un aglutinante con una reducción de CO2 de alrededor del 55 por ciento en comparación con el material de construcción mineral de cemento Portland puro.

“Hay que conseguir que muchas propiedades sean correctas para evitar que se produzcan grietas”, afirma Bischofberger de Peri3D. “Por un lado, las capas que se extruyen deben ser lo suficientemente blandas o líquidas como para que se puedan extruir sin obstruir las tuberías. Por otro lado, deben estabilizarse lo suficientemente rápido como para poder colocar la siguiente capa encima”.

"Existen limitaciones de altura, simplemente porque sólo se puede colocar el marco a una determinada altura antes de que la estabilidad llegue a un punto en el que ya no se pueda garantizar la calidad perfecta de la capa", dice Bischofberger. “Por eso ahora nos limitamos a alturas de impresión de unos 9 o 9,5 metros. Pero sé que la empresa ya está desarrollando diferentes ideas y sobre cómo crecer”.

La certificación y los permisos siguen siendo un desafío para las construcciones impresas en 3D. Xu de RIC señala que actualmente muchos edificios impresos todavía siguen los estándares de los códigos de construcción internacionales para construcciones CMU (es decir, mampostería). Pero el Consejo Internacional de Códigos está desarrollando un nuevo estándar de código de construcción para la impresión 3D, conocido como AC509.

Los reguladores de planificación han estado pecando de cautelosos en cuanto a los diseños y permisos de estos proyectos, pero una vez que en un área se construye con éxito su primer edificio impreso en 3D, los reguladores se sienten más cómodos con el concepto y es más probable (y más rápido) que aceptar propuestas.

“Se necesita un poco más de tiempo para que se complete el primer edificio en esa ciudad específica porque los funcionarios de la ciudad y sus ingenieros quieren investigar antes de otorgar el permiso para un edificio”, dice Xu. "Una vez que pasan esa fase de aprendizaje, no tienen ningún problema en continuar porque se dan cuenta de que es cualquier edificio viejo de concreto".

Por ahora, muchas construcciones están sobrediseñadas para garantizar que cumplan con los requisitos de construcción actuales que no fueron diseñados para impresiones 3D, lo que, según las empresas, significa que la tecnología no se está utilizando de manera tan eficiente o innovadora como podría ser.

“Ciertamente hay mucho potencial hacia donde se pueden desarrollar los desarrollos. Pero a partir de ahora, debido a que tenemos que comenzar por algún lado, debemos observar la estabilidad, debemos observar cómo los edificios se sostendrán a largo plazo”.

Xu dice que actualmente, el costo de los materiales también sigue siendo una barrera: sugiere que los costos de impresión rondan los 650 dólares por metro en este momento, pero la industria despegará si los proveedores llegan a un acuerdo a largo plazo para reducir ese costo en un 50 por ciento.

"Ahora mismo estamos uno a uno porque los materiales son bastante caros", afirma. "Una vez que los costes de material se reduzcan a la mitad, tendremos un ahorro de alrededor del 30 por ciento en comparación con una construcción convencional".

Si bien el hormigón impreso en 3D es muy similar al hormigón tradicional, todavía existe un pequeño número de edificios impresos en 3D con más de unos pocos años de antigüedad. Si bien la industria confía en que las estructuras impresas en 3D durarán tanto como sus primas construidas tradicionalmente, esto aún no se ha demostrado completamente a largo plazo.

"No disponemos de estudios a largo plazo", afirma Bischofberger. "Así que esa es un área en la que todavía no tenemos información sobre la vida útil. Pero hasta ahora, nada indica que la vida útil se vería afectada negativamente de alguna manera por el hecho de que la impresión 3D utilizase tecnología en la construcción".