La innovación de los procesos técnicos

Constructivos

Los métodos tradicionales de construcción actualmente son más conocidos y explorados que las nuevas técnicas, pero se desconocen los nuevos procesos de impresión 3D aplicados a la construcción; esta es la nueva revolución en el gremio que se muestra como la solución a la crisis contemporánea de la vivienda, reduciendo costos, tiempo y rendimientos, pero con la duda de ¿que tan eficiente son estos nuevos procesos en comparación a los procesos tradicionales? Y sobre todo ¿cómo comenzó todo este nuevo auge de la impresión 3D en la construcción?

Crisis De La Vivienda

En Medellín

Lo que define una vivienda digna es aquella que esté desarrollada con todos los adelantos tecnológicos que garanticen la comodidad, durabilidad y satisfacción de las necesidades esenciales de sus habitantes.

Uno de los derechos fundamentales del ser humano es poder tener una vivienda digna, lo que hace necesaria la implementación de sistemas constructivos más accesibles; como lo es la impresión 3D ya que este reduce el costo de la vivienda, mano de obra, son más rápidos a la hora de realizar el montaje, comparados con otros sistemas tradicionales.

Es por esto que los adelantos tecnológicos para construir vivienda es la impresión 3D, es una técnica implementada en el sector de la construcción hace algunos años, la cual no ha sido muy desarrollada en Medellín, debido al desconocimiento de las posibilidades de esta técnica, y por el temor de aplicar nuevos métodos constructivos, ya que estos requieren el uso de maquinarias especializadas no muy conocidas, lo que requiere que se necesite una inversión inicial en la importación de estos equipos, una inversión en capacitación del personal, pues existe una falta de profesionales especializados en el manejo de las herramientas del diseño paramétrico, insumos específicos y laboratorios de aprendizaje, para exploración de las posibilidades de estas técnicas y su elaboración

Actualmente las constructoras generan sus ingresos a través de sistemas constructivos muy específicos como la mampostería y el vaciado, contando con un gran número de personas capacitadas y eficientes en el desarrollo de estos sistemas, sea de manera empírica o por algún tipo de estudio, además la mayoría de estas empresas cuentan con muchos años de presencia en el mercado, lo que hace que conozcan los métodos más rápidos y ágiles para el desarrollo de los proyectos, sean más conocidas por la localidad y sepan muy bien qué recursos tanto humanos como materiales, se requiere en el proceso de fabricación. Cabe resaltar que aún no existe en Medellín una normativa específica que regule el uso de nuevas técnicas de la construcción, como la impresión 3D, lo cual dificulta la implementación de esta, y es otra de las razones por la que la mayoría de las constructoras no deciden invertir en ello, y no suelen generar muchas iniciativas de proyecto por falta de información y desconfianza, por factores de durabilidad, resistencia, costos y posibles imprevistos legales.

Para el año 2019 en Medellín hubo 800.723 hogares de los cuales 38.887 se categorizaron en situación de déficit cuantitativo, es decir el 4,9% del total. Se catalogaron en este déficit 2.445 hogares por materiales deficientes de las paredes exterio- res y 3.811 por el criterio de cohabitación. (Pregon,2021) es por esto que cuando se piensa en una opción de vivienda asequible, construida en un corto periodo de tiempo y económicamente rentable, como primera opción se piensa en la vivienda prefabricada, pero existen mejores alternativas como la impresión 3D, que no solo favorece en las variables de tiempo y económicas, sino que también es mejor en temas como el de la variable ambiental, en la resistencia, en la durabilidad, además permite realizar diseños más elaborados.

LA INNOVACIÓN De la impresión 3D 1.2

A través de los años, las principales técnicas constructivas tradicionales como mampostería, vaciado y adobe en la ciudad de Medellín, han evolucionado de acuerdo a las necesidades de los usuarios, y los nuevos avances tecnológicos que han llegado a la ciudad, tales como el uso de tecnologías para la visualización de proyectos en 3D, los materiales prefabricados y la impresión de vivienda en 3D que permite unir distintas técnicas, desarrollando nuevas técnicas constructivas que permiten la mixtura, la facilidad y el ahorro de tiempo en la construcción; haciendo esto mucho más rentable.

La primera impresora 3D data del año 1983 (Ver figura 8) por parte de Charles W. Hulk que fue quien abrió camino a la manufactura aditiva. En su momento eta nueva tecnología en desarrollo era muy costosa, lo que hacía que implementarla en distintos mercados no fuera viable, por el aumento del coste. La empresa pionera en impresión 3D fue 3D-Systems, quienes en un principio fabricaban objetos impresos en 3D por medio de capas con materiales en resinas líquidas que se exponían a una luz ultravioleta. En la década de los 90 en dónde la variedad de materiales era más extensa, pues sus materias provenían de plásticos, yesos, polímeros, entre otros. Pero debido a que ninguno de los materiales daba la resistencia necesaria como para ser introducidos al campo de la construcción, se vio la necesidad de iniciar estudios y avanzar en la técnica de impresión 3D en otros tipos de materiales como los metales. Pero no fue sino hasta 1997 dónde se inician las primeras exploraciones de la impresión 3D en el campo de la construcción, en dónde inicialmente se utilizaba cemento portland en una capa basada de arena. (Pegna, J. 1997).

Aunque las técnicas aún están en desarrollo, han surgido distintos factores que han provocado que cada día se busquen nuevas alternativas, en este caso la impresión 3D aplicada a la vivienda; la cual es una técnica donde los primeros avances iniciaron en Estados Unidos, pues “En 2004, el profesor Behrokh Khoshnevis de la Universidad de Carolina del Sur comenzó por primera vez a imprimir en 3D un muro de hormigón. La verdadera innovación en el campo de la construcción, su tecnología, Contour Crafting, hablar de ello: ¡crearía una casa de manera automatizada en 20 horas!”. (3D Natives, 2018, p. 1).

Este sistema de construcción por capas permitía automatizar el proceso constructivo de una vivienda y todos sus elementos constructivos, por medio de la imitación de las impresoras 3D. Gracias a este proceso se pueden hacer de forma industrializada conjuntos de vivienda bajo la misma premisa constructiva, pero con variaciones en sus resultados estéticos y de diseño. Realmente no fue una impresora 3D, sino un robot que, utilizando una técnica de capa sobre capa, lograba realizar una vivienda en menos de 24 horas. Una de sus ventajas era que permitía con facilidad la construcción de formas curvas y de muros dobles.

En el año 2007, el ingeniero italiano Enrico Dini construyó la impresora D-Shape, que, para su fecha, era la impresora 3D más grande del mundo. Los estudios realizados por el ingeniero, le permitían a esta impresora realizar su trabajo por medio de una técnica llamada Powder Feed (que había sido creada en 1993 y posteriormente mejorada por el ingeniero) lo que le permitía aglutinar materiales de construcción en polvo, pudiendo obtener como resultado objetos tridimensionales a gran escala.

Con un sistema de edificación tradicional, en dónde se deben realizar distintos procedimientos estructurales, procedimientos arquitectónicos como cerramientos, distribuciones tanto internas como externas, aplicación de distintos materiales; se generan unos tiempos establecidos para la finalización de la obra. Si se logra reducir tanto en coste de materiales como en tiempo de construcción, se verá reflejado en el coste final, implementando viviendas más asequibles. Este sistema constructivo patentado de impresión 3D tipo Contour Crafting (capa por capa) puede reducir los costes de construcción final hasta en un 35 por ciento, por su efectividad en tiempo y materialidad.

Para comenzar los principales problemas en cuanto a la construcción tradicional, se basan en lo físico; tales como humedades, grietas o fisuras, desniveles, entre otros problemas espaciales; esto queda a la vista cuando el Ministerio de Vivienda y Urbanismo del gobierno de Chile realiza un análisis en el año 2015, sobre la presencia de dichas patologías en la vivienda, y en donde se evidenció que la humedad se lleva el primer puesto, las grietas el segundo y el aislamiento del ruido el tercer lugar.

Además de esto, se suman factores económicos y de tiempo, puesto que la construcción tradicional en Medellín, requieren una mayor inversión económica y su tiempo de construcción es más elaborado y menos preciso; y estas imprecisiones causan gastos inesperados que, en el caso de no contarse con ellos, se puede parar la obra por un tiempo o incluso no concretarse, gastos excesivamente mayores y fallas recurrentes o vulnerabilidad en la obra ya terminada. (Viaplan, 2020, párr. 31)

Sabemos que cualquiera de estos errores presenta un panorama nada alentador para el inversor o propietario de la construcción y, aunque muchos de ellos pueden solucionarse, algunos implican Figura 10.

Múltiples empresas a nivel mundial se han organizado para realizar aportes al continuo desarrollo de la técnica tales como Qindago Unique Technology, Winsun Decoration Design Engineering Co, Contour Crafting, Be More 3D, Apis Cor, entre otras. A nivel mundial, China en particular, es el país con mayores avances en cuanto a la construcción aditiva, pues para el año 2017 ya habían logrado construir un edificio de 5 niveles, 10 viviendas de un tamaño pequeño y dos villas. Y en Emiratos Arabes Unidos, que han demostrado un interés por contribuir al desarrollo e implementar la técnica en sus mega construcciones, se ha estipulado que para el año 2025 “al menos un 25% de toda edificación nueva debe ser impresa con esta tecnología” (Dubai Future Foundation, 2017, p. 16).

En cuanto a América del Sur, la técnica aún está en desarrollo, sin embargo, en comparación con otros países a nivel mundial, puede verse el poco interés en implementarlo en el campo de la construcción. En países como Chile y Brasil, algunas empresas como Baumax e InnovaHouse3D son pioneras y han implementado la tecnología a la construcción. En Colombia, se han desarrollado manufacturas aditivas en la salud, la gastronomía, y empresas como Conconcreto han realizado avances en los estudios de la técnica. En 2017 esta misma empresa construyó lo que sería el primer ejemplar en Colombia La Casa Origami. Un prototipo de vivienda de una habitación, un baño, sala comedor y cocina de 23.45 m2. La cual se construyó por medio de 32 elementos impresos ensamblados. Se completó en tres meses gracias al desarrollo de la primera impresora 3D de toda Latinoamérica con tecnología Siemens.

Por ello, este estudio podría ayudar a generar mayor interés en la investigación y desarrollo de la construcción de viviendas con impresión 3D de la ciudad de Medellín, permitiendo descubrir si realmente es una técnica viable y rentable para el desarrollo de la localidad.

De los nuevos procesos constructivos 1.3

El Auge

Uno de los derechos fundamentales del ser humano es poder tener una vivienda digna, lo que hace necesaria la implementación de sistemas constructivos más accesibles; como lo son los materiales prefabricados, ya que estos reducen el costo de la vivienda, mano de obra, son más rápidos a la hora de realizar el montaje lo que hace más fácil el proceso de autoconstrucción, comparados con otros sistemas tradicionales.

En la actualidad existen diferentes impresoras y proyectos que van desde la impresión de una pequeña pieza de la vivienda contemporánea, hasta la impresión en su totalidad. Es por esto mencionar en primer lugar que tipo de impresoras 3D se utilizan para la implementación de esta técnica constructiva.

La alta gama de las impresoras 3D se pueden clasificar según su tamaño, en todas varían su tamaño y capacidad de impresión, ella va desde la impresión de un objeto de 20cm x 20cmx 20cm y en el caso de la impresión de la vivienda en 3D se podría utilizar la impresora Cincinnati printer, impresión a gran escala y tamaño reales con un costo de 100.000 euros.

Un profesor de la universidad de del Sur de california, empezó a desarrollar impresión 3D conocida como Contour Crafting, esta impresora trabaja con la impresión de hormigón reforzado, las cuales sus fibras se van endureciendo y que termine teniendo una gran capacidad portante. Es por esta impresión que la NASA se interesa en este proyecto, para que a futuro se construya en marte o la luna de la misma manera. (Ver figura 12). En Medellín con la tecnología de impresión 3D la manera de hacer muros, fachadas, cubiertas y demás elementos arquitectónicos es más rápida. Esto permite aumentar la productividad y eficiencia, además, generar beneficios para los usuarios finales. Sin duda, en el mediano y largo plazo la impresión 3D va a ser ampliamente utilizada en la construcción. (Argos-2012).

En Colombia se empezó a utilizar la impresión en campo de la construcción, a partir de los avances en la mezcla de concretos y todas las tecnologías en el diseño de impresoras 3D, más que todo en China y Europa.

La impresión 3D o manufactura aditiva es una revolución para el sector de la construcción, así como lo es en el sector salud, la cual ha tenido una participación amplia en soluciones con esta tecnología innovadora. Dentro del campo de la construcción se posibilita la fabricación de piezas con complejas formas, sin grandes desperdicios de material y con ahorros significativos en tiempo. De acuerdo con ONU Hábitat para el 2030:

Cerca de 3,000 millones de personas o el 40% de la población del mundo necesitarán tener acceso a viviendas, infraestructura básica y a otros servicios tales como sistemas de acueducto y saneamiento. Estas cifras pueden traducirse en la necesidad de construir 96.150 viviendas diarias en suelos con servicios y documentos a partir de este momento y hasta el 2030. Adicional, se calcula que hoy en día, en algunas ciudades hasta el 80% de la población vive en tugurios (ONU-Habitat,2018)

Parte de la solución a estos retos puede estar en la manufactura aditiva o impresión 3D.

La Casa Terracota, es un proyecto colombiano que empezó en 1999, que apuesta por el desarrollo de una casa utilizando técnicas y materiales tradicionales con tecnologías 3D como una manera sostenible para fabricar una vivienda. El arquitecto colombiano Octavio Mendoza se ha valido de la impresión 3D para construir la denominada ‘Casa Terracota’, en la que ha usado como materia prima arcilla, cáñamo, balas de paja, hierbas, algas y juncos. Esta de basa en el principio de las nuevas tecnologías en 3Dm es decir capa por capa, lo que se hace actualmente con las impresoras. El resultado es un hábitat resistente, ecológico, con clima autorregulado y de bajo coste. Esta vivienda que se ha construido en Villa de Leyva cuenta con una superficie de 500 m²; es así como esta vivienda se ha convertido en el principal atractivo turístico de la región, por su arquitectura atípica, de claras reminiscencias gaudinianas.

Octavio, habla de la importancia de utilizar materiales que han sido utilizados por antiguas civilizaciones, y de lo que la fabricación en 3D puede ayudar para construir cuidando al mismo tiempo del medio ambiente. La construcción por deposición fundida se ha sido utilizada por el hombre desde sus primeros tiempos de habitar este planeta, para protegerse del medio, luego de refugiarse en cuevas, y descubrir la agricultura, convirtiéndose en sedentario. La fabricación aditiva, en forma de capas, ha sido utilizada desde épocas remotas en cerámica, alfarería, construcción, es la manera lógica de erigir una obra pequeña o de gran formato. (Contreras, 2019).

Los primeros avances en Colombia en este campo, los está dando la empresa Conconcreto, firma de construcción colombiana que desarrolló la primera impresora 3D de gran formato, con la visión de imprimir viviendas de interés social de forma masiva y a un costo asequible para un mayor número de personas en Colombia. La idea surge luego de que Ana María Mesa Mejía, Gerente de Innovación, Gestión y Sostenibilidad de la constructora, estuvo en 2013 en Silicón Valley. En el viaje habló con expertos, quienes le sembraron la idea de asumir el desafío para la transformación de la construcción.

Es así como el uso de esta tecnología en Colombia es el resultado del esfuerzo conjunto de los sectores académico y empresarial. Con la información recogida y la ingeniería nacional, se da inicio al proyecto para desarrollar esta tecnología en el país.

El principal desafío consistió en lograr que la impresora pudiese elaborar piezas a escala real, para lo cual fue necesario desarrollar, perfeccionar, mejorar, avanzar e investigar. El equipo líder del proyecto afrontó la construcción y puesta en marcha de la primera impresora 3D a gran formato en el país, trabajando tanto el hardware como el software del equipo, de manera intensa para su realización.

Evaluando las alternativas técnicas y económicamente viables, finalmente se seleccionaron proveedores internacionales tanto para el sistema controlador como para el sistema de movimiento o pórtico; un grupo de investigación de carácter local desarrolló el software y un equipo de investigación externo elaboró uno de los componentes del diseño. El resultado es una tecnología que permite reconocer el software de diseño, interpretar los planos requeridos en el lenguaje de programación, enviar la señal a la máquina y ejecutar el trabajo programado “imprimiendo” dosis exactas de concreto con movimientos milimétricos. El controlador permite plasmar en un entorno digital, las formas que se quieran llevar a la producción, ya sea para altos volúmenes o para piezas individuales. (Comunidad redacción 360 en concreto, 2018).

El desarrollo del prototipo, ubicado en el campus de la Escuela de Ingenieros de Antioquia, sede Envigado cuenta con un área funcional de 23.45 metros cuadrados

(habitación, baño, sala comedor y cocina), la Casa Origami consiste en un conjunto de treinta y dos elementos impresos y ensamblados con precisión, tal y como si se tratara de una figura de origami modular en la que varias piezas idénticas forman un modelo completo. La unidad habitacional cuenta con un sistema autónomo para la generación de energía a través de paneles solares y es el primer prototipo de vivienda impresa en 3D del país. Esta vivienda se completó en tres meses y fue posible gracias al desarrollo de la primera impresora 3D de gran formato en Latinoamérica.

Con respecto a la “tinta” con la que finalmente se materializan las piezas prefabricadas, la compañía Conconcreto ha trabajado en la formulación de distintas mezclas de concreto para la impresora 3D, lo que permitió desarrollar diferentes elementos como mobiliario urbano, macetas, bancas y elementos modulares para el prototipo de vivienda.

En lo que respecta a la industria de la construcción, China y los Emiratos Árabes Unidos son dos de los países con más avances. En Colombia aún hay un largo camino por delante. Aunque se trate de una tecnología que permitiría acelerar la construcción de viviendas de interés social, con ahorro de materia prima y menos desperdicio de materiales, la impresión 3D todavía se encuentra en fase experimental en nuestro país. (Mesa, 2018)

Lo cierto es que la industria 4.0 o fábrica inteligente supondrá cada vez más para las compañías constructoras el reto de avanzar en el desarrollo de aplicaciones basadas en la automatización y digitalización, que mejoren la seguridad, reduzcan tiempos y costos, y eleven la productividad, toda vez que se convierte en una fuente de competitividad y factor diferencial para competir en los mercados locales y globales.

Las técnicas de impresión 3D actualmente se utilizan de dos maneras, la primera es la adición y la segunda es la compactación. La impresora por adiciones es la que por medio de una boquilla adicionar el material por capas, ya sea líquido, en pasta o polvo y la compacta es al que compacta los materiales para crear los objetos.

Es importante también hablar que actualmente las impresoras 3D necesitan de un software tales como inventor, AutoCAD, Revit, entre otros, para que funcionen, es decir, todo este sistema de control que requiere la máquina para funcionar. A la hora de diseñar el prototipo de vivienda se debe de tener en cuenta y es muy importante diseñar pensando en que ese elemento se va a construir a partir de la impresión 3D, ya que como todo hay parámetros y límites a la hora de imprimir los elementos de las viviendas.

A continuación, se presenta una línea del tiempo de la construcción con impresión 3D, donde se exponen las fechas y sucesos más relevantes en el desarrollo de esta tecnología tanto a nivel mundial como el contexto Colombiano.