La impresión 3D ofrece un nuevo concepto para crear edificaciones

La lista de materiales que pueden reproducirse mediante la impresión 3D se han incrementado para incluir no sólo plásticos sino también metal, cristal e incluso alimentos. Ahora, investigadores del MIT están expandiendo aún más la lista, con el diseño de un sistema que puede imprimir en 3D la estructura básica de toda una edificación.

Las estructuras construidas mediante este sistema podrían ser reproducidas de forma más rápida y menos costosa en comparación con los métodos permitidos tradicionalmente por la construcción, comentaron los investigadores. Una edificación también podría ser completamente personalizada a las necesidades de un sitio en particular y a los deseos de su creador. Incluso la estructura interna podría ser modificada en nuevas formas; diferentes materiales podrían ser incorporados a medida que se avanza a lo largo del proceso, y la densidad de materiales podría ser variada para lograr combinaciones óptimas de solidez, aislamiento y otras propiedades.

Finalmente, los investigadores comentaron, este concepto podría permitir el diseño y construcción de nuevos tipos de edificaciones que no pudieran ser viables con los métodos tradicionales de edificación.

El sistema robótico fue presentado esta semana en la revista Science Robotics, en un documento publicado por Steven Keating PhD ’16, graduado de ingeniería mecánica y ex investigador afiliado en el Mediated Matter group en el Media Lab del MIT; Julian Leland and Levi Cai, ambos investigadores asistentes en el Mediated Matter group; y Neri Oxman, directora del grupo y profesora asociada de medios artísticos y ciencia.

El sistema consiste de un vehículo articulado que transporta un extenso brazo robótico industrial, el cual cuenta con un pequeño brazo robótico con movimientos de precisión en su extremo. El brazo altamente controlable puede entonces ser utilizado para dirigir cualquier boquilla convencional (o poco convencional) de construcción, tales como aquellas utilizadas para colar el concreto o para aplicar material aislante en spray, así como también actuadores adicionales para la fabricación digital en su extremo, tales como un cabezal para fresadora.

A diferencia de los sistemas convencionales de impresión 3D, la mayoría de los cuales utilizan algún tipo de estructura fija o cerrada para ofrecer soporte sus boquillas y estar limitadas a objetos de construcción que puedan caber dentro de su estructura en general, este sistema de movimiento libre puede construir un objeto de cualquier tamaño. Como una prueba del concepto, los investigadores utilizaron un prototipo para construir una estructura básica de muros de 15.2 metros de diámetro, y un domo de 3.6 metros de altura — un proyecto que fue completado en menos de 14 horas de tiempo de “impresión”.

Para estas pruebas iniciales, la espuma de aislamiento utilizada para formar un marco estructural de concreto completamente terminado. Este método de construcción, en el cual moldes de espuma de poliuretano son llenados con concreto, es similar a la tecnología de encofrados de concreto con aislamiento comercial tradicional. Siguiendo este concepto para su trabajo inicial, los investigadores demostraron que el sistema puede ser fácilmente adaptado a terrenos y equipos de construcción existentes, y que se ajustará a las normas y códigos de construcción existentes sin la necesidad de nuevas evaluaciones integrales, explicó Keating.

Finalmente, el sistema ha sido diseñado para ser autosuficiente. Está equipado con una pala que pudiera utilizarse tanto para preparar la superficie de la edificación y vaciar los materiales locales, tales como tierra para una construcción de adobe, para la propia construcción. Todo el sistema podría ser operado eléctricamente, incluso impulsado por paneles solares. La idea es que estos sistemas podrían ser implementados en regiones remotas, por ejemplo, en los países en vías de desarrollo, o en áreas para auxilio en caso de desastres después de una gran tormenta o terremoto, para proporcionar refugio sostenible de forma rápida.

La visión definitiva es “en el futuro, contar con algo totalmente autónomo, que pudieras enviar a la luna, a Marte o a la Antártida, y sería simplemente implementarlo y crear estos edificios por años,” comentó Keating, quien dirigió el desarrollo del sistema como su trabajo de tesis doctoral.

Pero mientras tanto, comentó, “también deseábamos demostrar que podemos construir algo el día de mañana que pudiera ser utilizado inmediatamente,” Eso es lo que el equipo hizo con esta plataforma móvil inicial. “Con este proceso, podemos remplazar una de las partes importantes de la creación de una edificación, ahora mismo,” agregó. “Podría ser integrado en un terreno en construcción mañana.”

“La industria de la construcción aún está creando cosas en la forma que lo ha hecho por cientos de años,” comentó Keating. “Los edificios son rectilíneos, en su mayoría construidos a base de materiales individuales, armados con sierras y clavos,” y en su mayoría construidos a partir de planes estandarizados.

Pero, Keating se preguntó, ¿qué sucedería si cada edificio pudiera ser personalizado y diseñado utilizando datos ambientales en el terreno? En el futuro, los pilares de soporte de tales edificios pudieran ser colocados en las ubicaciones óptimas basandose en el análisis de radar de penetración terrestre del terreno, y los muros pudieran contar con un espesor variable dependiendo de su orientación. Por ejemplo, una edificación pudiera contar con muros más gruesos y aislados en su lado norte en climas fríos, o muros que se estrechan de abajo hacia arriba a medida que disminuyen sus requerimientos de carga, o curvaturas que le ayuden a la estructura a resistir los fuertes vientos.

La creación de este sistema, la cual los investigadores denominan como una Plataforma de Construcción Digital (DCP), fue motivada por la visión global del Mediated Matter group de diseñar edificaciones sin partes. Tal visión incluye, por ejemplo, combinar “estructura y revestimiento”, vigas y ventanas, en un sólo proceso de construcción, y adaptar los múltiples diseños y procesos de construcción sobre la marcha.

Desde la perspectiva de la arquitectura, Oxman comentó, el proyecto “desafía las tipologías tradicionales de la construcción tales como muros, pisos, o ventanas, y propone que un sólo sistema pudiera ser fabricado utilizando la DCP que pudiera variar sus propiedades continuamente para crear elementos parecidos a los muros que continuamente se fusionan en las ventanas.”

Para esta finalidad, las boquillas del nuevo sistema de impresión 3D pueden ser adaptadas para variar la densidad del material que se vierte, e incluso la mezcla de diferentes materiales a medida que avanza. En la versión utilizada en las pruebas iniciales, el dispositivo creó una cubierta de espuma aislante que podría ser colocada en el lugar después de que el concreto sea colado; los materiales para los acabados interiores y exteriores podrían ser aplicados directamente a esa superficie de espuma.

El sistema incluso puede crear formas complejas y voladizos, los cuales el equipo demostró al incluir una amplia banca incorporada en su prototipo del domo. Cualquier cableado e instalaciones pudieran ser insertadas en el molde antes de que el concreto sea colado, al proporcionar un muro terminado todo de una vez. También puede incorporar datos sobre el terreno recolectados durante el proceso, utilizando sensores integrados para la temperatura, iluminación, y otros parámetros para realizar ajustes a la estructura a medida que se construye.

Keating comentó el análisis del equipo muestra que tales métodos constructivos podrían producir una estructura de forma más rápida y menos costosa en comparación con los métodos actuales, y también sería mucho más seguro. (La industria de la construcción es una de las ocupaciones más peligrosas, y este sistema requiere menos trabajo manual.) Adicionalmente, debido a que las formas y espesores pueden ser optimizados para lo que se requiere estructuralmente, en lugar de tener que coincidir con lo que está disponible en madera prefabricada y otros materiales, el monto total de materiales necesarios podría reducirse.

Mientras esta plataforma representa un avance de la ingeniería, Oxman destaca. “Crearlo más rápido, mejor y más asequible es una cosa. Pero la habilidad de diseñar y fabricar digitalmente estructuras multifuncionales en una sola edificación expresa un cambio desde la era de las máquinas a la era biológica — desde considerar al edificio cómo una máquina para habitar, hecha de partes estandarizadas, al edificio como un organismo, el cual se cultiva computacionalmente, fabricado de forma aditiva, y posiblemente biológicamente aumentado.”

“Así que para mí no es sólo una impresora,” ella comenta, “pero una forma totalmente nueva de pensar sobre la construcción, que facilita un cambio de paradigma en el área de la fabricación digital, pero también para el diseño arquitectónico. …Nuestro sistema señala una visión a futuro de la construcción digital que ofrece nuevas posibilidades en nuestro planeta y más allá.”

Para mayores informes, por favor visitar: matter.media.mit.edu

Photo credits: © Steven Keating, Julian Leland, Levi Cai, and Neri Oxman/Mediated Matter Group
Video: © Massachusetts Institute of Technology (MIT) YouTube Channel
Article: David L. Chandler
Information, photo and video courtesy of:

MIT Mediated Matter Group
El Media Matter group del MIT se enfoca en la Naturaleza inspirada en el Diseño y en el Diseño inspirado en la Naturaleza. Realiza una investigación entre la intersección del diseño computacional, la fabricación digital, la ciencia de los materiales y la biología sintética para aplicar estos conocimientos para diseñar a través de escalas desde la micro escala hasta la escala de la edificación. Crean diseños de herramientas, tecnologías y estructuras de fabricación inspiradas biológicamente cuyo objetivo es mejorar la relación entre el entorno natural y el creado por los seres humanos. Su área de investigación, titulada Material Ecology, integra estrategias de informática en la búsqueda de formas con la fabricación inspirada biológicamente. Este concepto de diseño permite la mediación entre objetos y el medio ambiente; entre los seres humanos y los objetos; y entre los seres humanos y el medio ambiente. Su objetivo es mejorar la relación entre el entorno natural y el hecho por los seres humanos al lograr un alto grado de personalización y versatilidad en el diseño, la integración del desempeño ambiental y la eficiencia material. Buscan establecer nuevas formas de diseño y procesos novedosos de la práctica material en la intersección de la informática, la ingeniería de materiales, el diseño y la ecología, con amplias aplicaciones a través de múltiples escalas matter.media.mit.edu.