Investigación aplicada en la Ingeniería

Impresión 3D de hormigón: experiencias existentes, limitaciones y retos

Aplicación a la fabricación de arrecifes artificiales

Elena Blanco Fernández

Dr. ingeniera de caminos, canales y puertos.

Responsable de la Línea de Impresión 3D del Grupo de Investigación de Tecnología de la Construcción (GITECO). Universidad de Cantabria

Daniel Castro Fresno

Dr. ingeniero de caminos, canales y puertos.

Director del Grupo de Investigación de Tecnología de la Construcción (GITECO). Universidad de Cantabria

La impresión 3D se está convirtiendo en una tecnología cada vez más popular para aplicaciones que precisen diseños de formas complejas y elementos únicos o bien con un número muy reducido de piezas. Su uso más habitual hoy en día en el ámbito de la construcción es la fabricación de viviendas unifamiliares, si bien su aplicación en obra civil es aún muy limitada. En este artículo se presenta un caso de estudio específico para la construcción de arrecifes artificiales y se muestran retos actuales a los que se enfrenta la tecnología de impresión 3D de hormigón.

Palabras clave: Impresión 3D de hormigón, morteros sostenibles, arrecifes artificiales, retos en impresión 3D de hormigones.

3D printing is becoming an increasingly popular technology for applications that require designs of complex shapes and unique elements or with a very small number of pieces. Its most common use today in the field of construction is the manufacture of single dwellings, although its application in civil works is still very limited. This article presents a specific case study for the construction of artificial reefs and shows current challenges that concrete 3D printing technology faces.

Keywords: Concrete 3D printing, sustainable mortars, artificial reefs, challenges in concrete 3D printing.

La fabricación aditiva, o más comúnmente conocida como impresión 3D, es una tecnología cada vez más en auge en multitud de sectores, habiendo llegado incluso hasta el usuario doméstico, dado el bajo coste de las impresoras 3D de plásticos.

Las ventajas comúnmente asociadas a esta tecnología son la reducción en el consumo de materiales, dada la potencial optimización topológica de las estructuras; el evitar usar moldes o encofrados que implican una mayor rapidez en la ejecución; y, fundamentalmente, el poder ejecutar formas complejas (El-Sayegh et al., 2020).

Existen multitud de materiales susceptibles de ser imprimidos: plástico, hormigón, arcillas, yesos, metal, resinas, alimentos, etc. En el ámbito de la construcción, el material más empleado hasta la fecha han sido los hormigones, y más concretamente los morteros o microhormigones.

Las tipologías de impresoras 3D para hormigón (morteros o microhormigones) son muy diversas, pero se podrían agrupar en dos grandes familias según la tecnología de fabricación: las impresoras de extrusión y las impresoras de inyección de aglutinante (binder jetting). La primera tecnología consiste en amasar un mortero y extruirlo por una boquilla generando cordones. Los cordones siguen un esquema predefinido en un plano horizontal, y luego posteriormente se continúa con la impresión de la pieza elaborando las siguientes capas. Este método es análogo al de las impresoras 3D de plásticos domésticas. La técnica del binder jetting consiste en el extendido de capas de 1 cm de espesor aproximadamente de mortero en seco, sobre las que posteriormente se aplican gotas de agua en los puntos donde se pretende que fragüe. La operación se repite de esta forma capa a capa hasta completar la altura total de la pieza, retirando posteriormente el mortero en seco no fraguado, el cual presenta la función adicional de cimbra provisional durante el proceso de impresión.

Actualmente, hay una variedad de campos en los cuales ya se ha introducido esta técnica. En el ámbito de la edificación, existen multitud de experiencias tanto en Asia, Europa como América, en donde se han fabricado viviendas unifamiliares u oficinas de pequeño tamaño mediante impresión 3D (Figura 1). En el campo artístico también se encuentran diversas experiencias de fabricación de esculturas mediante impresión 3D. En relación a la obra civil, las experiencias en impresión 3D se ciñen principalmente a la ejecución de pasarelas peatonales (Figura 2), siendo el récord actual en longitud de vano 26 m (Vídeo 1). Además, se ha desarrollado recientemente un prototipo de fuste de aerogenerador mediante impresión 3D, aunque tan solo de 10 m de alto (Vídeo 2). 

Figura 1. Vivienda unifamiliar construida mediante impresión 3D (tecnología de extrusión) Cortesía de BeMore3D.
Figura 2. Pasarela peatonal en Alcobendas (tecnología de binder jetting) Cortesía de Acciona.

En el ámbito de la ingeniería medioambiental, existen también algunas experiencias, aunque limitadas, relativas a la fabricación de arrecifes artificiales mediante impresión 3D de morteros; no obstante, la fabricación se limita a generar paredes verticales (Vídeo 3).

Caso específico de aplicación: proyecto 3DPare

El Grupo de Investigación de Tecnología de la Construcción (GITECO) coordina el proyecto “Artificial reefs 3D printing for the Atlantic Area (3DPare)”, financiado mediante la convocatoria europea Interreg Atlantic (EAPA_174/2016), que consiste en la fabricación, inmersión y monitorización biológica de arrecifes artificiales construidos mediante impresión 3D.

En el proyecto se han diseñado y fabricado un total de 36 arrecifes artificiales mediante una impresora 3D de mortero basada en la tecnología de extrusión. La impresora 3D se encuentra en la ETSI Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria. Los materiales empleados han sido morteros sostenibles que incorporan un cemento de bajo contenido en clínker. Además, los morteros han hecho uso de áridos reciclados, tales como lunas de coche machacadas.

Los 36 arrecifes artificiales se corresponden con cuatro conjuntos iguales de nueve piezas cada uno. Cada conjunto de nueve piezas se ha fondeado en una ubicación distinta de Europa: Santander (España), Porto (Portugal), Saint Malo (Francia) y Bournemouth (Reino Unido). Los arrecifes artificiales se sumergieron entre marzo y junio del 2020 en las cuatro localizaciones (Figura 3). Actualmente, los arrecifes están siendo monitorizados por biólogos marinos para evaluar su biorreceptividad. Las nueve piezas sumergidas en cada ubicación se corresponden a la combinación de cuatro formas distintas y dos morteros distintos, junto con una novena pieza de control que es un bloque cúbico macizo. A su vez, las cuatro formas distintas surgen de la combinación de dos variables de diseño: forma exterior (orgánica o cúbica) y protuberancias (grandes o pequeñas). De esta forma, en el proyecto se estudia de qué manera distintas formas y distintos materiales en distintas localizaciones influyen en mayor o menor medida en la colonización de arrecifes artificiales. Otro de los objetivos del proyecto es intentar sistematizar el estudio de la colonización de especies definiendo un protocolo de monitorización que cuantifique la abundancia de todos los taxones, ya sean de especies sésiles (adheridas a los arrecifes) como especies móviles (peces y otros invertebrados), dada la falta de estandarización en la evaluación de la colonización de los arrecifes artificiales (Reis et al., 2021). Después de un año y medio de inmersión, los arrecifes se comportan satisfactoriamente atrayendo vida marina al mismo nivel o más que el entorno natural, no han sufrido daños estructurales ni han sido arrastrados o volcados, ni tampoco enterrados en la arena.

El desarrollo de las formulaciones de morteros imprimibles y sostenibles se realizó en varias etapas. Se desarrollaron en primer lugar dos líneas de morteros, una empleando geopolímeros y otra con cementos Portland de bajo contenido en clínker. Para cada una de ellas se probaron distintos tipos de áridos: árido calizo, RCD, conchas marinas trituradas y vidrio machacado. Se realizó una primera preselección de 16 formulaciones que fueran imprimibles. De entre ellas, se realizó un análisis multicriterio para la selección de las seis mejores formulaciones, teniendo en cuenta su coste, facilidad de impresión e impacto ambiental. Con esas seis formulaciones (tres con geopolímero y tres con cemento), se fabricaron probetas prismáticas de 160 mm × 40 mm × 40 mm y se sumergieron en la costa de las ciudades de Santander, Porto, Bournemouth y Saint Malo. El objetivo era analizar la evolución de su resistencia a flexión y compresión al cabo de 1 mes, 3 meses, 6 meses, 12 meses y 24 meses, además de su biorreceptividad midiendo la cantidad de biomasa adherida (Ly et al., 2021). De entre esos seis morteros, se seleccionaron los dos mejores en términos de coste, biorreceptividad, facilidad de impresión e impacto ambiental (a través de un análisis de ciclo de vida, ACV). 

Figura 3. Arrecifes artificiales fabricados mediante impresión 3D fondeados en Santander, proyecto 3DPare.

Se seleccionó la resistencia a compresión de probetas sumergidas a los 3 meses como parámetro de normalización tanto para el coste como para el ACV. Las dos formulaciones de morteros óptimas emplearon cemento de bajo contenido en clínker como conglomerante. Uno de los morteros contenía el 100% de árido calizo, y el otro mortero 50% de árido calizo + 50% de vidrio machacado.

Figura 4.

Para definir el diseño de las formas han participado de forma conjunta tanto ingenieros civiles como biólogos marinos. Una vez definidos los diseños (Figura 4), los arrecifes artificiales se simularon numéricamente en Ansys-Fluent, bajo las condiciones pésimas de entre las cuatro localizaciones de inmersión.

La impresión de cada pieza se realizó de forma continua durante un tiempo que oscilaba entre las 6 y 7 horas (Vídeo 4). Para poder ejecutar agujeros, túneles y voladizos se recurrió al relleno de arena. Además, dado que tres de los cuatro lotes de piezas iban a ser enviados a Francia, Inglaterra y Portugal, el relleno de arena servía para su protección durante el transporte. Las simulaciones numéricas demostraron que con las secciones de las paredes de cada pieza no era necesario la inclusión de refuerzo. Por todo esto, el mortero no llevaba ningún tipo de armadura.

Limitaciones y retos

La impresión 3D de hormigón o morteros es una tecnología que aún se encuentra en un estado de desarrollo no del todo maduro y que presenta ciertas áreas claras de mejora.

Uno de los retos que presenta la actual tecnología de impresión 3D, y en particular mediante la técnica de extrusión, es lo que se denomina “impresión horizontal”; es decir, la impresión 3D de forjados, voladizos, bóvedas, etc. En este sentido, o bien se desarrollan morteros que fragüen de forma prácticamente inmediata una vez imprimidos (aditivando el mortero con acelerantes de fraguado justo en la salida de la impresora) o bien es necesaria la colocación de algún tipo de cimbra provisional, ya sea por medios convencionales, o bien mediante también impresión 3D. Cabe destacar que la impresión 3D de tipo binder jetting estaría dando solución a esta problemática, dado que el propio mortero seco no fraguado hace de cimbra provisional. Sin embargo, con la técnica del binder jetting se corre el riesgo de no conseguir una adecuada hidratación del cemento, dado que el mortero no se amasa con agua, sino que fragua simplemente mediante la percolación de una gota de agua al punto de la pieza donde se pretende que fragüe. Por tanto, las resistencias logradas con esta técnica suelen ser bastante menores para la misma dotación de cemento que en la impresión 3D de extrusión. Es importante indicar, además, que en la mayoría de las viviendas que se han fabricado hasta la fecha mediante impresión 3D no se ha fabricado ni el forjado ni la cubierta, solo los muros.

La introducción de armaduras de acero en la propia estructura es también un reto no del todo resuelto en la mayor parte de impresoras 3D comerciales. Si bien existe la idea un tanto generalizada de que las armaduras podrían sustituirse por fibras, estas solo son capaces de aumentar hasta un 30% (Hambach y Volkmer, 2017) la resistencia a tracción del hormigón; por tanto, no pueden ser nunca una alternativa a las armaduras de refuerzo.

En este sentido, parece bastante apropiado que los futuros desarrollos de impresoras, si de verdad se pretende un proceso totalmente automatizado, avancen por la estrategia de lo que se denomina “impresión multimaterial”. Es decir, una impresora 3D que combine la propia impresión 3D de mortero, junto con un relleno provisional de material de cimbrado provisional (tipo arena), junto con un brazo robótico que incorpore armaduras mientras se está imprimiendo.

Otra de las futuras líneas de desarrollo será la estandarización de los morteros u hormigones a usar en función de la tipología de impresora, así como de la forma y función de la pieza final. En este sentido, la mayoría de los fabricantes de impresoras 3D han desarrollado sus propias formulaciones, casi siempre secretas, de morteros que funcionan bien con sus equipos. Pero quizás esos mismos morteros no sean imprimibles para otro tipo de impresoras. Además, si un cliente demandara un determinado tipo de mortero, por ejemplo, que incorpore residuos, fibras o bien otro tipo de conglomerante, es siempre necesario realizar multitud de pruebas previas para desarrollar una formulación que sea imprimible y con una resistencia específica con un equipo concreto de impresión. Por lo tanto, parece pertinente definir unos parámetros de imprimibilidad normalizados para cada tipología o familia de impresoras 3D, con el objetivo de reducir el número de pruebas previas para el desarrollo de nuevas formulaciones. En este sentido, la definición de rangos de viscosidad del material en fresco que permitan su impresión para distintas tipologías de impresoras parece lo más adecuado.

Otro de los aspectos que claramente precisan de mejoras es la precisión geométrica de las piezas imprimidas, así como la rugosidad del acabado exterior. En relación con este punto, hay que tener en cuenta que el apilamiento de distintos cordones de extrusión del mortero en fresco suele implicar un asentamiento de las capas inferiores y, por tanto, un cierto achatamiento de la pieza. Además, el acabado superficial de la técnica de extrusión siempre conlleva, en mayor o menor medida, dependiendo del tamaño y forma de la boquilla de extrusión, que se vean los cordones de extrusión, lo que requiere en muchos casos un revoco posterior si se desea un acabado plano.

La impresión 3D de hormigón o morteros es una tecnología que aún se encuentra en un estado de desarrollo no del todo maduro y que presenta ciertas áreas claras de mejora

Otro de los grandes retos que presenta la impresión 3D es la construcción de grandes estructuras, habiendo hasta la fecha muy pocas experiencias que traten de abordar este problema. En este sentido, las tendencias futuras parece que van encaminadas a desarrollar impresoras 3D móviles que se apoyen en la propia estructura ya construida para evitar así limitaciones dimensionales.

Uno de los aspectos que también es objeto de un mayor nivel de maduración es el desarrollo no solo de normativa técnica (normas de ensayo), sino de la adecuación de la legislación vigente (CTE, EHE), para la inclusión de la tecnología de impresión 3D tanto para definir los requisitos de los materiales como en lo concerniente al diseño estructural y proceso de fabricación. Es importante tener en cuenta que la variabilidad de la resistencia en una masa de mortero imprimida es mayor que en un mortero amasado y vertido en un molde. Además, para una misma dosificación, las resistencias de probeta prismáticas extraídas mediante serrado de una placa de mortero imprimido suelen ser en torno a un 10-15% inferior que probetas vertidas directamente en molde.

En cuanto a los costes de fabricación de piezas mediante impresión 3D, estos son muy variables y dependen de la repercusión de la amortización de la propia impresora 3D, del grado de automatización de todo el proceso de impresión y del coste del mortero empleado. Cabe destacar que una característica típica de los morteros para impresión 3D es que la dotación de cemento suele ser mayor que en un hormigón estructural normal. Además, suelen tener un alto contenido de aditivos superplastificantes para poder conseguir una consistencia apta para la impresión 3D, lo cual tiende a encarecer algo más el mortero.

Finalmente, en relación a los costes de las impresoras 3D, estos son muy variables dependiendo del tamaño de piezas que se pueden imprimir, y del grado de automatización del proceso de impresión, oscilando entre los 20.000€ (para piezas de 1 m3) hasta varios cientos de miles de euros (El-Sayegh et al., 2020) para grandes estructuras tipo pórtico para la construcción de viviendas unifamiliares de una o dos plantas. Hay que tener en cuenta también los costes de transporte, ya sean de la propia impresora 3D, si se desea trasladar a la ubicación final la impresora 3D, o bien el transporte de piezas prefabricadas mediante impresión 3D. En este sentido, para el caso de un número reducido de piezas iguales, quizás la fabricación mediante impresión 3D de encofrados de formas complejas podría ser una vía para abaratar los costes de producción.

 

Conclusiones

La impresión 3D de hormigón es una tecnología prometedora, en especial para la fabricación de piezas complejas de una única tirada, en donde la fabricación de un molde puede encarecer de forma excesiva su construcción. En cualquier caso, la tecnología de impresión 3D de hormigón deberá superar ciertos retos tecnológicos como la inclusión automatizada de armaduras, la impresión horizontal y la construcción de grandes estructuras. Además, aún debe de avanzar en su grado de maduración para que los costes de fabricación sean equiparables a la construcción convencional in situ o bien mediante la prefabricación.

Referencias

1

El-Sayegh, S., Romdhane, L., Manjikian, S. (2020). A critical review of 3D printing in construction: benefits, challenges, and risks. Archives of Civil and Mechanical Engineering.

https://doi.org/10.1007/s43452-020-00038-w

2

Hambach, M. and Volkmer, D. (2017). Properties of 3D-printed fiber-reinforced Portland cement paste, Cement and Concrete Composites. Vol. 79, 62–70.

https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2017.02.001

3

Ly, O., Yoris-Nobile, A.I., Sebaibi, N., Blanco-Fernandez, E., Boutouil, M., Castro-Fresno, D., Hall, A.E., Herbert, R.J.H., Deboucha, W., Reis, B., Franco, J.N., Teresa Borges, M., Sousa-Pinto, I., van der Linden, P., Stafford, R. (2021). Optimisation of 3D printed concrete for artificial reefs: Biofouling and mechanical analysis. Construction and Building Materials.

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121649

4

Reis, B., van der Linden, P., Pinto, I.S., Almada, E., Borges, M.T., Hall, A.E., Stafford, R., Herbert, R.J.H., Lobo-Arteaga, J., Gaudêncio, M.J., Tuaty-Guerra, M., Ly, O., Georges, V., Audo, M., Sebaibi, N., Boutouil, M., Blanco-Fernandez, E., Franco, J.N. (2021). Artificial reefs in the North –East Atlantic area: Present situation, knowledge gaps and future perspectives. Ocean and Coastal Management, 213.

https://doi.org/10.1016/j.ocecoaman.2021.105854