Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y de la Universidad de Maine han diseñado e impreso en 3D un panel de suelo de material natural reciclable de una sola pieza cuya resistencia ha sido probada para sustituir a materiales de construcción como el acero. El proyecto forma parte del programa SM2ART (Sustainable Materials & Manufacturing Alliance for Renewable Technologies). El equipo de SM2ART construyó anteriormente BioHome3D, la primera casa del país fabricada aditivamente con materiales de origen biológico.

Fuente: AZO Materials

Los componentes de BioHome3D y el panel de suelo se expusieron recientemente durante la Muestra de Innovación en Vivienda 2024 del Departamento de Vivienda y Desarrollo Urbano de EE.UU. en el National Mall.

El panel SM2ART Nfloor se desarrolló para sustituir a los tradicionales conjuntos de superficies de acero y hormigón como paso transformador en la construcción de edificios de apartamentos y condominios. La tecnología tiene el potencial de crear secciones resistentes de base biológica que podrían hacer que los edificios de varios pisos fueran más respetuosos con el medio ambiente. También podría contribuir a aumentar el uso de estructuras sostenibles fabricadas en instalaciones de construcción modular.

La fabricación modular, o en paneles, crea secciones completas de un edificio en una fábrica externa antes de su entrega a una obra para su montaje final. Este método se está convirtiendo en una forma rentable de desarrollar estructuras residenciales sostenibles en zonas urbanas.

Katie Copenhaver, investigadora del ORNL, afirmó que este primer esfuerzo por fabricar un sólido panel de suelo para edificios a partir de recursos ecológicos supone un avance significativo en el potencial para aumentar el uso de materiales orgánicos en edificios modulares y multirresidenciales. “Utilizando la impresión 3D a gran escala y de base biológica, hemos sustituido un ensamblaje hecho de 31 piezas y tres materiales por un panel de suelo de un solo material que es respetuoso con el medio ambiente”, dijo, “y con la misma resistencia que la fabricación tradicional de suelos de acero”.

Un investigador de ORNL evaluando un proceso de construcción en una maqueta de obra.. (Crédito de la imagen: ORNL)

La robustez del cassette de suelo SM2ART procede de su exclusiva formulación de ácido poliláctico, o PLA, que es un bioplástico biodegradable termoplástico-poliéster derivado de residuos de maíz y harina de madera procedente de los desechos del procesamiento de la madera. “La mezcla de PLA y harina de madera es un material excelente para producir piezas reciclables de gran formato fabricadas de forma aditiva”, afirma Scott Tomlinson, ingeniero estructural del Centro de Estructuras y Composites Avanzados de la Universidad de Maine. “Este conjunto de suelo de una sola pieza es más rígido y proporciona una mejor experiencia al caminar en comparación con el conjunto de acero y hormigón al que sustituye”.

Para construir el panel del suelo, los investigadores utilizaron una impresora 3D a gran escala para depositar la mezcla de PLA y harina de madera en una forma precisa y geométrica. Trabajando de forma continua y autónoma, la impresora produjo el casete SM2ART Nfloor a escala, capa sobre capa, en unas 30 horas. El proceso supuso un ahorro de mano de obra de aproximadamente el 33% en comparación con el esfuerzo necesario para construir a mano un conjunto de suelo de acero similar.

Un coste significativo de un armazón de acero tradicional se debe a que los trabajadores cortan canales para conductos eléctricos, tuberías y conductos de calefacción, ventilación y aire acondicionado una vez que el montaje del suelo de acero está casi terminado. “La impresión en 3D puede ahorrar tiempo y dinero al imprimir el cassette del suelo con los recortes diseñados en el producto acabado”, explica Copenhaver. “El único trabajo humano consiste en instalar la piel acústica para la insonorización y el revestimiento de suelo deseado por el residente”.

El casete SM2ART Nfloor también es totalmente reciclable. A diferencia de los materiales de construcción que se llevan a un vertedero cuando un edificio de construcción tradicional llega al final de su vida útil, el PLA es un material renovable que puede reutilizarse para fabricar otros productos tras su demolición. Este enfoque hacia una economía más circular ofrece la posibilidad de reciclar continuamente un recurso en lugar de desecharlo como residuo.

La idea del proyecto de investigación fue sugerida al equipo de SM2ART por SHoP Architects, un estudio de diseño arquitectónico de Nueva York. “Nos preguntaron si podíamos producir en serie paneles de suelo de forma más eficiente con materiales más ecológicos y fabricación aditiva”, explica Copenhaver. “Descubrir algo nuevo teniendo en cuenta distintas variables es una de las señas de identidad del ORNL. A través de la experimentación, elaboramos las velocidades correctas e hicimos los ajustes necesarios para producir de forma fiable una pieza acabada con el aspecto y la calidad de acabado deseados.”

El proyecto Nfloor se encuentra en sus fases iniciales de desarrollo. Se seguirán investigando los retardadores de llama, la posibilidad de añadir aislantes sostenibles y la mejora de las técnicas de producción. “Los próximos pasos consistirán en hacer que el proceso de fabricación sea más rápido, eficaz y rentable, con funciones adicionales”, explica Tomlinson, de la UMaine. “Esta tecnología es muy prometedora para el futuro de los edificios sostenibles”.

La investigación para el cassette SM2ART Nfloor continúa en la Instalación de Demostración de Fabricación del DOE en ORNL, con trabajo de diseño e impresión 3D realizado en el Centro de Estructuras y Composites Avanzados de la Universidad de Maine. El ASCC es un centro interdisciplinar de investigación, educación y desarrollo económico que abarca las ciencias de los materiales, la fabricación avanzada y la ingeniería de compuestos y estructuras. El MDF, apoyado por la Oficina de Materiales Avanzados y Tecnologías de Fabricación del DOE, es un consorcio nacional de colaboradores que trabajan con ORNL para innovar, inspirar y catalizar la transformación de la fabricación estadounidense.

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