Desarrollan elementos de construcción aislantes y ligeros fabricados con impresión 3D

Un investigador de arquitectura en ETH Zurich está utilizando la impresión 3D para producir componentes de construcción aislantes y livianos a partir de espumas minerales sin cemento derivadas de desechos industriales reciclados. Esta solución podría reducir los costes de calefacción y refrigeración de los edificios y fomentar un uso más eficiente de los materiales de construcción.

Fuente: 3D Printing Design

Como parte de su tesis doctoral, Patrick Bedarf estudió cómo se pueden fabricar elementos constructivos aislantes ligeros, especialmente formas más complejas, reduciendo los materiales. Para ello, utilizó material aislante sostenible producido por FenX, una empresa derivada de ETH, a partir de residuos industriales reciclados.

“La espuma mineral que utilizamos es un material de construcción innovador que contribuye a una industria más respetuosa con el clima“, explica Bedarf. La espuma se fabrica principalmente a partir de cenizas volantes, un producto de desecho de los altos hornos industriales. “Por lo tanto, este material ya ha pasado por el primer ciclo de material y después de su uso puede reciclarse fácilmente”, explica Bedarf y desmenuza entre sus dedos el componente aleatorio que acaba de sacar de la caja de madera. “El material ahora se puede reutilizar como una nueva espuma”.

Menos material utilizado

La producción de elementos aislantes para paredes es un proceso sostenible: el investigador doctoral utiliza la impresión 3D para reducir el desperdicio de material y las emisiones de CO2. “Ya no se necesita el encofrado necesario para el vertido del material. El encofrado requiere mucho tiempo y después sólo se puede reutilizar parcialmente”, afirma Bedarf. El desperdicio excesivo es un desafío particular cuando se producen formas geométricas más complejas.

Bedarf explica que combinar la impresión 3D con la robótica también permite una producción económica de piezas de construcción a medida. “Sin automatización, los métodos de construcción tradicionales que ahorran materiales consumen mucho tiempo y son costosos, especialmente debido a los costos de mano de obra”. El investigador muestra algunas muestras iniciales de la espuma endurecida producida con una impresora 3D. “

“Tomemos, por ejemplo, este trozo que parece una pizza”, dice y señala un disco plano. “Para empezar, imprimimos varios tipos diferentes de estas pequeñas “pizzas” y luego pasamos a piezas más grandes para ver si la espuma producida mediante impresión 3D también es adecuada para aplicaciones a gran escala.

Una impresora 3D del tamaño de toda la habitación

Quien busque una impresora 3D típica en el laboratorio de robótica, buscará en vano: toda la sala funciona como una impresora 3D. Las cámaras de mezcla flexibles garantizan la mezcla correcta de la materia prima. Los extremos de los brazos robóticos que cuelgan del techo están equipados con cabezales de impresión que aplican el material capa por capa sobre la base de impresión. “Los robots pueden navegar con precisión a cualquier punto predefinido de la habitación”, explica Bedarf. “Programamos la ruta correspondiente y especificamos dónde viajan y con qué rapidez, así como cuánto material debe fluir desde el cabezal de la impresora, y en qué momento y lugar”.

En las pruebas iniciales, Bedarf utilizó hormigón para reforzar las piezas del edificio hechas a medida. Luego logró producir componentes robustos utilizando únicamente espuma, como se muestra en el prototipo del proyecto Airlement: una columna de esquina monolítica de dos metros de altura hecha de cuatro segmentos impresos en 3D.

Las cuatro piezas individuales se pegan con mortero y luego se rocían con un revoque blanco sin cemento. Airlements, un juego de palabras que combina “aire” y “elementos”, se compone de piezas individuales ligeras que son fáciles de levantar manualmente y apilar unas encima de otras.

“Las piezas de construcción pueden simplemente imprimirse en una fábrica, transportarse al lugar de construcción y colocarse donde sea necesario”, afirma Bedarf. “Para hacer que el componente sea más robusto, el núcleo hueco se puede fundir con espuma mineral de alta densidad, lo que eventualmente lo hará lo suficientemente fuerte como para actuar como una estructura de carga”.

Hasta la fecha, los Airlements sólo se pueden utilizar como piezas aislantes para paredes interiores o exteriores.

“Como estar en una sauna”

Cada prototipo individual se imprime en menos de una hora y se endurece durante una semana dentro del entorno de fabricación con una temperatura controlada de 20 a 28 °C y una humedad relativa del 20 al 70 por ciento. Regular la humedad y la temperatura del aire es importante para garantizar que el material se endurezca correctamente y no sea propenso a fracturarse.

Bedarf ha desarrollado para ello una cámara climática especial: una gran estructura transparente similar a una tienda de campaña, en cuyo interior el robot se mueve a lo largo de una ruta de impresión predefinida. “Había niebla y polvo por todas partes y era como estar en una sauna caliente”, afirma, y ​​señala que este nuevo método de producción ya no requiere un procesamiento que consuma mucha energía. “Este es un avance con respecto a trabajos anteriores con espumas sin cemento, que tenían que endurecerse con cemento o curarse posteriormente a alta temperatura en el horno”.

La textura ondulada de Airlements aporta un extra de estabilidad durante el proceso de endurecimiento y en su estado final. Los Airlements podrían utilizarse eventualmente en la construcción sostenible: por un lado, los materiales aislantes reducen el consumo de energía del edificio. Por otro lado, la impresión 3D produce menos residuos que los métodos tradicionales de fabricación de piezas de construcción y ya no es necesario el encofrado de hormigón, que es perjudicial para el medio ambiente. Por último, Airlements no contiene cemento, lo que garantiza una construcción sostenible. “Si la pieza de construcción ya no es necesaria, se puede triturar completamente y reducirla a polvo, lista para procesarla y convertirla en nueva espuma”.

Inspirar a otros a construir con máquinas

Bedarf ahora quiere seguir desarrollando Airlements con FenX. Se construirá una línea de producción dedicada en su fábrica de Turgi. “Analizaremos en profundidad la capacidad de carga y las propiedades aislantes para determinar cómo actúa este material como elemento de pared en una habitación cerrada. Las mediciones infrarrojas nos ayudarán a determinar dónde se podría mejorar aún más el aislamiento térmico y cómo eliminar cualquier debilidad ajustando la ruta de impresión”.

“Mi trabajo con Airlements me ha enseñado mucho sobre materiales de construcción y el uso de la tecnología de la información.Y realmente disfruté probando qué formas geométricas son posibles con el nuevo proceso. Sería maravilloso si pudiera inspirar a otros también”, afirma.