La impresión 3D promete transformar la arquitectura para siempre

Director del Instituto de Estructuras Inteligentes, Universidad de Tennessee

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En arquitectura rara vez surgen nuevos materiales.

Durante siglos, la madera, la mampostería y el hormigón formaron la base de la mayoría de las estructuras de la Tierra.

En la década de 1880, la adopción de la estructura de acero cambió la arquitectura para siempre. El acero permitió a los arquitectos diseñar edificios más altos con ventanas más grandes, dando lugar a los rascacielos que definen el horizonte de las ciudades en la actualidad.

Desde la revolución industrial, los materiales de construcción se han limitado en gran medida a una variedad de elementos producidos en masa. Desde vigas de acero hasta paneles de madera contrachapada, este kit estandarizado de piezas ha informado el diseño y la construcción de edificios durante más de 150 años.

Eso podría cambiar pronto con los avances en lo que se llama “fabricación aditiva a gran escala”. Desde la adopción de la estructura de acero no ha habido un desarrollo con tanto potencial para transformar la forma en que se conciben y construyen los edificios.

La fabricación aditiva a gran escala, como la impresión 3D de escritorio, implica la construcción de objetos capa por capa. Ya sea arcilla, hormigón o plástico, el material de impresión se extruye en estado fluido y se endurece hasta alcanzar su forma final.

Como director del Instituto de Estructuras Inteligentes de la Universidad de Tennessee, he tenido la suerte de trabajar en una serie de proyectos que implementan esta nueva tecnología.

Si bien todavía existen algunos obstáculos para la adopción generalizada de esta tecnología, puedo prever un futuro en el que los edificios se construyan enteramente con materiales reciclados o materiales obtenidos in situ, con formas inspiradas en las geometrías de la naturaleza.

Entre ellos se encuentra el Trillium Pavilion, una estructura al aire libre impresa a partir de polímero ABS reciclado, un plástico común utilizado en una amplia gama de productos de consumo.

Las finas superficies de doble curvatura de la estructura se inspiraron en los pétalos de la flor del mismo nombre. El proyecto fue diseñado por estudiantes, impreso por Loci Robotics y construido en el Parque de Investigación de la Universidad de Tennessee en Cherokee Farm en Knoxville.

Otros ejemplos recientes de fabricación aditiva a gran escala incluyen Tecla, un prototipo de vivienda de 450 pies cuadrados (41,8 metros cuadrados) diseñado por Mario Cucinella Architects e impreso en Massa Lombarda, una pequeña ciudad de Italia.

Los arquitectos imprimieron Tecla con arcilla extraída de un río local. La combinación única de este material económico y la geometría radial creó una forma de vivienda alternativa energéticamente eficiente.

De vuelta en Estados Unidos, la firma de arquitectura Lake Flato se asoció con la firma de tecnología de la construcción ICON para imprimir paredes exteriores de concreto para una casa denominada "Casa Cero" en Austin, Texas.

La casa de 2000 pies cuadrados (185,8 metros cuadrados) demuestra la velocidad y eficiencia del hormigón impreso en 3D, y la estructura muestra un agradable contraste entre sus paredes curvilíneas y su estructura de madera expuesta.

La fabricación aditiva a gran escala involucra tres áreas de conocimiento: diseño digital, fabricación digital y ciencia de materiales.

Para empezar, los arquitectos crean modelos informáticos de todos los componentes que se imprimirán. Luego, estos diseñadores pueden usar software para probar cómo responderán los componentes a las fuerzas estructurales y ajustarlos en consecuencia. Estas herramientas también pueden ayudar al diseñador a descubrir cómo reducir el peso de los componentes y automatizar ciertos procesos de diseño, como suavizar intersecciones geométricas complejas, antes de la impresión.

Luego, un software conocido como cortadora traduce el modelo de computadora en un conjunto de instrucciones para la impresora 3D.

Se podría suponer que las impresoras 3D funcionan a una escala relativamente pequeña: piense en fundas para teléfonos móviles y soportes para cepillos de dientes.

Pero los avances en la tecnología de impresión 3D han permitido que el hardware crezca de manera importante. A veces, la impresión se realiza a través de lo que se llama un sistema basado en pórtico: un marco rectangular de rieles deslizantes similar a una impresora 3D de escritorio. Cada vez más, se utilizan brazos robóticos debido a su capacidad para imprimir en cualquier orientación.

El sitio de impresión también puede variar. Los muebles y los componentes más pequeños se pueden imprimir en las fábricas, mientras que casas enteras deben imprimirse in situ.

Se puede utilizar una variedad de materiales para la fabricación aditiva a gran escala. El hormigón es una opción popular debido a su familiaridad y durabilidad. La arcilla es una alternativa interesante porque se puede recolectar in situ, que es lo que hicieron los diseñadores de Tecla.

Pero los plásticos y los polímeros podrían tener la aplicación más amplia. Estos materiales son increíblemente versátiles y pueden formularse de manera que cumplan con una amplia gama de requisitos estructurales y estéticos específicos. También se pueden producir a partir de materiales reciclados y de origen orgánico.

Debido a que la fabricación aditiva se construye capa por capa, utilizando solo el material y la energía necesarios para fabricar un componente en particular, es un proceso de construcción mucho más eficiente que los "métodos sustractivos", que implican cortar el exceso de material (piense en fresar una viga de madera de un árbol). .

Incluso los materiales comunes como el hormigón y los plásticos se benefician de la impresión 3D, ya que no hay necesidad de encofrados ni moldes adicionales.

La mayoría de los materiales de construcción actuales se producen en masa en líneas de montaje diseñadas para producir los mismos componentes. Si bien reduce los costos, este proceso deja poco espacio para la personalización.

Dado que no se necesitan herramientas, moldes ni troqueles, la fabricación aditiva a gran escala permite que cada pieza sea única, sin penalización de tiempo por complejidad o personalización adicionales.

Otra característica interesante de la fabricación aditiva a gran escala es la capacidad de producir componentes complejos con huecos internos. Esto podría permitir algún día que las paredes se impriman con conductos o conductos ya instalados.

Además, se están llevando a cabo investigaciones para explorar las posibilidades de la impresión 3D multimaterial, una técnica que podría permitir que las ventanas, el aislamiento y el refuerzo estructural (incluso el cableado) se integren completamente en un único componente impreso.

Uno de los aspectos de la fabricación aditiva que más me entusiasma es la forma en que la construcción capa por capa, con un material que se endurece lentamente, refleja procesos naturales, como la formación de la cáscara.

Esto abre ventanas de oportunidades, permitiendo a los diseñadores implementar geometrías que son difíciles de producir usando otros métodos de construcción, pero que son comunes en la naturaleza.

Los marcos estructurales inspirados en la fina estructura de los huesos de las aves podrían crear celosías de tubos livianas, con diferentes tamaños que reflejan las fuerzas que actúan sobre ellos. Se podrían diseñar fachadas que evoquen las formas de las hojas de las plantas para dar sombra al edificio y producir energía solar simultáneamente.

A pesar de los muchos aspectos positivos de la fabricación aditiva a gran escala, existen varios impedimentos para su adopción más amplia.

Quizás el mayor problema a superar sea su novedad. Existe toda una infraestructura construida en torno a formas tradicionales de construcción como el acero, el hormigón y la madera, que incluyen cadenas de suministro y códigos de construcción. Además, el costo del hardware de fabricación digital es relativamente alto y las habilidades de diseño específicas necesarias para trabajar con estos nuevos materiales aún no se enseñan ampliamente.

Para que la impresión 3D en arquitectura se adopte más ampliamente, será necesario encontrar su nicho. De manera similar a cómo el procesamiento de textos ayudó a popularizar las computadoras de escritorio, creo que será una aplicación específica de la fabricación aditiva a gran escala la que conducirá a su uso común.

Quizás sea su capacidad para imprimir marcos estructurales altamente eficientes. También veo su promesa de crear fachadas escultóricas únicas que puedan reciclarse y reimprimirse al final de su vida útil.

De cualquier manera, parece probable que alguna combinación de factores garantice que los edificios futuros sean, en parte, impresos en 3D.