TEMA DE PORTADA : TECNOLOGÍA / LA TECNOLOGÍA DE IMPRESIÓN 3D APLICADA A LA CONSTRUCCIÓN / VÍCTOR MANUEL LÓPEZ LÓPEZ Y ANAEL ESPINOSA RODRÍGUEZ

UNSPLASH / HATEM BOUKHIT

Figura 2. Estadio Ciudad Educación, Qatar.

requeridos para satisfacer las necesidades humanas, y b) producir y consumir productos más sustentables, lo cual implica mejorar la eficiencia de los procesos globales de producción y consumo. • Principio operacional 6. Diseñando para la economía circular. Hay un total consenso en este principio. El diseño cubre múltiples perspectivas del modelo de EC.

Por ejemplo, un producto puede ser diseñado para ser fácilmente recuperado y reciclado, para ser fácilmente reparado o para ser fácilmente desensamblado en módulos, entre muchas otras posibilidades. Estas acciones forman parte del concepto de ecodiseño, que es un elemento fundamental para la EC. • Principio operacional 7. Educando para la EC. La educación es un elemento clave para garantizar el éxito de la EC; en este sentido, algunos países, como China, han establecido como una necesidad la educación en la EC, el conocimiento científico y la cooperación internacional para su desarrollo.

Desde el punto de vista del consumidor, la EC exige una nueva cultura de consumo que se base en cubrir las necesidades básicas y evite la acumulación. En este sentido, la educación es fundamental porque permite un cambio de valores hacia la sostenibilidad y la EC. También se requiere la adopción del enfoque de análisis de ciclo de vida entre los consumidores y el fomento de ecoetiquetados que, de forma fácil pero con rigor científico, comuniquen el grado de circularidad de los productos.

Desde el punto de vista del productor, es necesario que se adopten estrategias, habilidades y conocimiento que integren la EC, considerando el ciclo de vida de los productos y todas las interconexiones con una visión holística.

La EC está ganando atención a nivel mundial porque constituye un eficiente avance hacia los patrones de producción y consumo sustentables; sin embargo, debe tenerse precaución, porque no se cuenta con un método armonizado para evaluar si una estrategia específica de EC realmente contribuye a la producción y consumo sustentables. En este sentido, el análisis de ciclo de vida es un enfoque adecuado para evaluar los impactos de las estrategias de circularidad sobre la sustentabilidad (LCI, 2020).

El análisis de ciclo de vida

De acuerdo con la norma ISO 14040/44, el análisis de ciclo de vida (ACV) se define como una metodología para determinar los impactos ambientales asociados a un producto o servicio compilando un inventario de entradas y salidas relevantes del sistema, evaluando su potencial impacto ambiental e interpretando los resultados del análisis de cada etapa de vida del producto en relación con los objetivos planteados en el estudio.

El ACV permite evaluar impactos de un producto o comparar dos o más productos o servicios diferentes, siempre y cuando tengan la misma función. Se trata de un enfoque que se ha posicionado como una metodología holística y científicamente robusta que contribuye a la economía circular.

u En 2010 entraron en el sistema económico 65,000 millones de toneladas de materiales, y en el 2017 se llegó a 90,000 millones de toneladas. En las últimas décadas ha surgido un creciente número de iniciativas internacionales, nacionales y locales que buscan superar los impactos negativos del sistema económico en la sociedad y el medio ambiente. La economía circular es una de las respuestas a esta realidad; busca mantener el valor de los productos, materiales y recursos dentro del sistema económico durante el mayor tiempo posible.

El ACV también puede aportar una perspectiva holística para la toma de decisiones, al evaluar más allá del entorno biofísico los efectos sociales y económicos de una decisión (también llamada “evaluación de la sostenibilidad del ciclo de vida” o LCSA por sus siglas en inglés).

El ACV puede resaltar situaciones en las que la estrategia circular específica no es la mejor opción desde una perspectiva ambiental o de sostenibilidad más amplia.

Cada día se reportan casos de EC; sin embargo, no todos representan mejoras ambientales. En lo que sigue se describe un caso que cuenta con un respaldo científico porque ha sido evaluado a través de ACV, ha pasado por un proceso de revisión y se ha publicado en una revista científica: el caso de un estadio de Qatar donde se llevará a cabo la Copa Mundial de Futbol 2022.

Estadio Ciudad Educación en Qatar

En unas semanas se llevará a cabo la Copa Mundial de Futbol de Qatar 2022 (véase figura 2), lo cual ha puesto a este emirato en el centro de la mira de quienes esperan que esta copa mundial de futbol (CMF) logre recortar al máximo los impactos ambientales que se generan.

Los impactos ambientales de las CMF han sido una preocupación desde el año 2006, cuando Alemania integró por primera vez indicadores de desempeño en cinco áreas principales: agua, residuos, energía, transporte y neutralidad de carbono frente al cambio climático.

En 2010, Sudáfrica lanzó una iniciativa llamada Green Goal 2010 para mitigar impactos ambientales; sin embargo, por tratarse de un país con grandes inequidades sociales, los organizadores pusieron mayor atención a aspectos socioeconómicos (como creación de empleos). Lo mismo ocurrió en 2014 en Brasil, ya que este país también tiene altos índices de marginalidad y pobreza. Por su parte, Rusia adoptó programas de sostenibilidad que consideraban de manera conjunta los impactos sociales, ambientales y económicos.

En Qatar, la sustentabilidad es un pilar fundamental, y tomando en cuenta que el sector de la construcción es responsable de la tercera parte de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (Alhorr y Elsarrag, 2015), y considerando los principios de la EC, el gobierno propuso utilizar la técnica de concreto ciclópeo (CYC) para construir los cimientos del estadio Ciudad Educación (Al-Hamrani et al., 2021), uno de los campos donde se jugará la Copa Mundial 2022. La técnica CYC consiste en incrustar las rocas excavadas en el sitio con el concreto que se va depositando, en lugar del concreto convencional (CC).

Para identificar la mejor alternativa de construcción, se desarrolló un análisis de ciclo de vida comparativo, a través del cual se evaluaron impactos potenciales para los dos sistemas de construcción tomando como referencia 18,000 m3 de cimentación (unidad funcional).

Los resultados del ACV mostraron que la cimentación con CYC representa ahorros de 5,000 t de materia prima (cemento, arena y agregados), 40,000 litros de combustible, más de 2,000 t de CO2 eq, casi 1,000 m3 de agua y un ahorro de 500,000 dólares.

Adicionalmente, el estudio puso de manifiesto la relevancia de adoptar principios de EC en la ingeniería civil y lo valioso de llevar a cabo la evaluación de los potenciales impactos por medio de ACV.

Conclusiones

La EC parece ser un concepto promisorio porque ha sido capaz de atraer a la comunidad de negocios hacia el desarrollo sostenible, ya que propone un enfoque y un lenguaje común: aprovechar al máximo el valor contenido en los recursos, lo cual implica pasar de un modelo lineal a uno circular en el que se minimice la entrada de materias primas vírgenes y la salida de emisiones.

A pesar de las ventajas de la EC, el concepto está en ciernes y debe trabajarse en diferentes ámbitos para resolver sus limitaciones.

Es importante señalar que no todas las estrategias que adoptan los principios de la EC generan una mejora ambiental, por lo cual es indispensable evaluar caso por caso las estrategias de circularidad con un enfoque holístico, como el análisis de ciclo de vida.

Los casos reportados de economía circular en la actualidad presentan diferentes niveles de compromiso y distinto grado de adopción de sus principios; ante ello, es indispensable generar métricas y evaluar impactos para evitar que este concepto se use como una estrategia comercial (green washing).

La EC será generadora de nuevas empresas y nuevos empleos. Para aprovecharlos es necesario estar preparados, ser innovadores y buscar la formación de alianzas interorganizacionales que permitan la generación de empresas circulares.

La educación es una pieza clave para hacer de la EC una estrategia de desarrollo; en este sentido, las universidades y organizaciones de la sociedad civil deben asumir un papel preponderante para promoverla y detonarla en la sociedad

Referencias

Al-Hamrani A., D. Kim, M. Kucukvar y N. Cihat Onat (2021). Circular economy application for a green stadium construction towards sustainable FIFA world cup Qatar 2022. Environmental Impact Assessment

Review 87: 106543. Alhorr, Y., y E. Elsarrag (2015). Climate change mitigation through energy benchmarking in the GCC green buildings codes. Buildings 5 (2): 700-714. Fundación Ellen MacArthur, FEM (2013). Towards a circular economy:

Economic business rationale for an accelerated transition. Ellen

MacArthur Foundation: Rethink the future. www.ellenmacarthurfoundation.org/assets/downloads/publications/Ellen-MacArthur-Foundation-Towards-the-Circular-Economy-vol.1.pdf Life Cycle Initiative, LCI (2020). Using life cycle assessment to achieve a circular economy. Position paper of the life cycle initiative. www.lifecycleinitiative.org Consultado el 2 de abril de 2021. Stahel, W.R. (2016). Circular economy. Nature 6e9.

¿Desea opinar o cuenta con mayor información sobre este tema? Escríbanos a ic@heliosmx.org

La tecnología de impresión 3D aplicada a la construcción

La impresión 3D representa una tecnología de fabricación por adición mediante la cual se crea un objeto tridimensional superponiendo capas sucesivas de material. Ya es posible utilizar esta tecnología comercialmente en el campo de la ingeniería civil para realizar construcciones rápidas y con uso racional de materiales. En este artículo se expone el inicio y la evolución de la tecnología de construcción aditiva, hasta arribar a la “impresión” real de construcciones.

VÍCTOR MANUEL LÓPEZ LÓPEZ Doctor en Ingeniería Sustentable. Profesor investigador de la Maestría en Ingeniería Civil, ESIA-IPN

ANAEL ESPINOSA RODRÍGUEZ Maestra en Ingeniería Civil. Doctorante de la Universidad de Glasgow. La llamada “cuarta revolución industrial” (4RI) integra y armoniza una multitud de descubrimientos y disciplinas diferentes entre sí que tienen en común el aprovechamiento de la digitalización, la inteligencia artificial y las tecnologías de la información. Estos impulsores de la 4RI se dividen en megatendencias digitales, biológicas y físicas, las cuales están intensamente interrelacionadas. Las megatendencias físicas se manifiestan tangiblemente a través de la robótica avanzada, los nuevos materiales, los vehículos autónomos y la impresión 3D (tercera dimensión). En estas tecnologías revolucionarias, que están propiciando algunas resistencias, exaltaciones y esfuerzos de adaptación, la ingeniería civil está teniendo un papel protagónico y de progreso.

A manera de ejemplo se pueden citar algunos nuevos materiales que no se imaginaban hace solo unos pocos años y que ya están arribando al mercado, así como muchos otros que están en avanzadas etapas de investigación: existen metales con “memoria” que se transforman, limpian o autorreparan para volver a su forma original en caso de requerirse; los polímeros termoestables son regenerativos por diseño y se inscriben en la –también emergente– economía circular; se pueden colocar ventanas inteligentes que autorregulan la cantidad de calor o luz, e incluso generan electricidad solar; el grafeno es un nanomaterial que tiene unas 200 veces más resistencia que el acero y es un conductor muy eficiente de electricidad y calor, por lo que ya está teniendo un alto impacto en la industria de la construcción. Asimismo, la impresión 3D es de interés aplicativo en la construcción civil; esta tecnología consiste en la superposición de capas sucesivas de material mediante impresoras que estampan montajes y partes de diferentes componentes que tienen propiedades heterogéneas.

Figura 1. Impresión en 3D de tanques para conservar vino.

GLOBAL CONSTRUCTION ONLINE.

La técnica de impresión 3D para crear objetos mediante la superposición de capas sucesivas de material se aplica a partir de diseños que interpretan y guían las computadoras, asistidas por sensores y otros dispositivos. En la figura 1 se muestra una idea de esa adición de capas de material.

En el campo de la industria de la construcción, a este proceso innovador se le conoce como construcción o fabricación aditiva; está integrado por tecnología y equipos acondicionados para crear piezas y sistemas constructivos ligeros, resistentes, económicos y de rápida fabricación. En otras palabras, la construcción aditiva es la creación de objetos tridimensionales mediante la superposición de capas sucesivas de material de formas geométricas precisas a partir de diseños digitales (Singh et al., 2021).

La aplicación de la tecnología, en términos genéricos, se inició en el año 1986, cuando Chuck Hull patentó el aparato de estereolitografía (SLA, sus siglas

La tecnología de impresión 3D aplicada a la construcción

en inglés). Este proceso técnico utiliza el principio de fotopolimerización para crear modelos 3D mediante resinas sensibles a los rayos ultravioleta. A partir de ese procedimiento, surgieron otras técnicas de impresión tridimensional con diferentes metodologías para crear objetos con rayos láser, haz de electrones, laminación de material y combinación de materiales en polvo con aglutinantes. El avance de la tecnología permitió no solo usar resina para la fabricación de objetos para diferentes propósitos, sino utilizar una gran variedad de materiales como polímeros termoplásticos, aleaciones de metales y compuestos basados en rocas y madera, dependiendo de las necesidades de las industrias. Como resultado de esos avances, a partir del año 2009 se distinguieron dos vertientes de la impresión 3D: una enfocada en la industria y el mercado especializado, utilizando máquinas complejas de elevado costo para los sectores del automovilismo, la medicina, la industria aeroespacial y la construcción, entre otros; y por otra parte, la destinada al público en general, para lo cual se desarrollan máquinas accesibles en precios y fáciles de utilizar.

La impresión 3D en la construcción

La impresión 3D es una de las tecnologías de aplicación masiva más representativas de la cuarta revolución industrial, debido a que está desarrollándose en muchos sectores de la industria. Destaca el sector de la construcción, que nos incluye a todos los seres humanos de diferentes maneras, pues esta industria es un componente fundamental de la economía de cualquier país, al ser la responsable de la creación de la infraestructura, la habitación y buena parte de los empleos directos e indirectos que impulsan el crecimiento económico.

De aquí se deriva el especial interés de aplicar la tecnología 3D en el sector de la construcción, a la cual se le conoce indistintamente como construcción aditiva o construcción 3D, y escuetamente se define como el proceso de unir materiales para crear construcciones a partir de un modelo digital en 3D. Este procedimiento constructivo se popularizó rápidamente en los países industrializados y ha avanzado constantemente debido al progreso comercial fácilmente comprobable, también a la mejora de la propia técnica, así como al desarrollo de las mezclas óptimas de materiales que logran aumentar las posibilidades de diseños y permiten la construcción resiliente de diversos tipos de estructuras destinadas a vivienda, oficinas, puentes y edificios de varias plantas. La aplicación de la impresión 3D en el sector de la construcción ocurrió en el año 2000, en algo que se llamó la construcción perimetral (contour crafting), que había

Figura 2. Primera aplicación real de la tecnología de impresión 3D en la construcción.

COUNTOUR CRAFTING, 2020. Figura 3. Impresora 3D con brazo robótico para aplicar el concreto capa por capa.

BOISSONNEAULT, 2020

Figura 4. Salas construidas en 3D para el aislamiento de personas contagiadas de COVID-19 en China.

sido desarrollada dos años antes por Behrohk Khoshnevis, profesor de ingeniería en la Universidad del Sur de California. La investigación aplicada la llevó a cabo el equipo de Khoshnevis; se centró en la impresión 3D a escala 1:1 con un material de fraguado rápido similar al concreto, explorando la integración automatizada del refuerzo modular, instalación eléctrica, plomería y componentes estructurales, lo cual ocurría a medida que iban aplicándose las capas del material (Hossain, 2020) (véase figura 2).

En el año 2015, un grupo de investigadores de la construcción de la Universidad de Loughborough, Reino Unido, construyó una máquina de impresión 3D formada por componentes de bombeo, extrusión de concreto y sistema de pórtico. Su objetivo era comprobar la efectividad de los componentes de manera realista, considerando todas las demandas de la construcción convencional. Llegaron a desarrollar una tecnología patentada de impresión de concreto en 3D, conocida como 3DCP, la cual destinaron a la fabricación de componentes arquitectónicos y de construcción a gran escala. Sus impresoras 3DCP controladas por computadora se instalaron en un pórtico con un brazo robótico y se depositaron con precisión capas sucesivas de concreto de alto rendimiento, especialmente formulado para crear componentes estructurales complejos (véase figura 3).

Otra tecnología relevante para la construcción por capas sucesivas es el método conocido como D-Shape, desarrollado por el ingeniero civil Enrico Dini, que se basa en el proceso convencional de impresión 3D llamado sinterización selectiva por láser (SLS, sus siglas en inglés), que consiste en utilizar cualquier material granular, como puede ser arena, grava, corcho, caucho o agregados reciclados, que se unen mediante la inyección de un aglutinante. Las características típicas del material más estudiado por D-Shape es el concreto a base de cemento pórtland 32.5 R con arena gruesa, que le concede una apariencia de piedra a las construcciones.

A partir de estas tecnologías, han surgido varios proyectos novedosos alrededor del mundo y continúa la investigación y el desarrollo de nuevas técnicas de impresión 3D en la construcción, con más variedad de combinación de materiales como geopolímeros, adobe, paja, materiales reforzados con fibra de vidrio y piedra natural, aleaciones de metales y fibras de polipropileno.

En México, una empresa cementera ya ha anunciado la introducción de la impresión 3D al mercado nacional utilizando una familia de aditivos patentada que permite que el concreto convencional se adapte de forma eficiente para la construcción con impresión 3D y ofrece la reducción de tiempos y costos.

Beneficios de la construcción aditiva

El principal objetivo del desarrollo de la tecnología de construcción perimetral fue optimizar el procedimiento constructivo para ofrecer viviendas resilientes a un menor costo. Esta metodología ha sido seguida por varias empresas, con el desarrollo y aplicación de sus propias tecnologías. En Europa y Asia se inició el desarrollo masivo de proyectos 3D para puentes y edificios para vivienda, centrándose en la optimización de materiales, componentes reciclados, polímeros y biodegradables para desarrollar viviendas de interés social destinadas a personas de bajos recursos económicos o sin hogar, edificios de departamentos para la clase media, puentes públicos y mobiliario urbano. Estos proyectos se cons-

NEW STORY, 2019.

Figura 5. Impresora de casas Vulcan II.

truyeron intencionalmente con el objetivo de investigar y poner a prueba la tecnología en países como Dinamarca, Bélgica, Francia, Países Bajos, Italia y China.

Los resultados fueron favorables y tuvieron en común la optimización del material, pues al tratarse de un procedimiento controlado por automatización, se estiman las cantidades exactas de material a utilizar, por lo que casi no hay desperdicio. Asimismo, para lograr construir por capas sucesivas, la impresora debe poder extruir los filamentos consistentes del material depositados capa por capa, sin que haya una deformación significativa o colapso por su propio peso antes del fraguado, razón por la cual la construcción se realiza en un tiempo muy breve.

En cuanto a los insumos, se propusieron mezclas alternativas con materiales locales y reciclados y con premisas sustentables importantes para disminuir el uso del cemento. Todos esos beneficios en conjunto tuvieron como resultado la disminución del trasporte de material, la mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero, así como menor requerimiento de cemento y de mano de obra –esta podrá destinarse a actividades donde el personal es insustituible–. Esos cambios en el proceso constructivo convencional dieron como resultado final la disminución del tiempo de construcción y un menor costo de los proyectos (entre 30 y 60%).

La investigación y desarrollo de estos proyectos ha contribuido al hallazgo de otras aplicaciones de la construcción aditiva. En casos de desastres naturales, cuando un sismo o un huracán destruyen las infraestructuras y dejan miles de personas sin hogar, la tecnología 3D podría ser una opción para reconstruir rápidamente puentes, edificios y hogares provisionales, así como para la construcción de viviendas de interés social a costos más accesibles, gracias a la rapidez y a la disminución de los costos. Es una alternativa que podría beneficiar a la sociedad en los casos donde no haya posibilidad de respuesta rápida ante los desastres, y evitaría que algunas comunidades pasaran periodos largos en refugios o sitios improvisados.

La tecnología de impresión 3D resultó muy útil durante la emergencia de la pandemia por COVID-19. La rápida propagación del coronavirus incrementó la demanda a los proveedores de atención médica, ya que eran urgentes los productos para el tratamiento y cuidados de los pacientes afectados. Al utilizar las tecnologías de impresión 3D pudieron producirse con rapidez hisopos nasales, piezas para equipo médico, tapabocas y ventiladores. La industria de la construcción contribuyó a la solución de la emergencia con la impresión 3D; al ser este un método constructivo más rápido, fue posible