Imprimir en 3D con tierra

Los proyectos y las investigaciones sobre la impresión 3D para la construcción empiezan a utilizar materiales naturales: tierra y fibras vegetales. Gaia es el primer edificio impreso en 3D con tierra y el proyecto Mud shell investiga el uso de drones para rociar tierra sobre estructuras de madera y fibras vegetales.¿Cuáles nuevas posibilidades se abrirán y qué impacto tendrán en las dinámicas de la construcción contemporánea?

El momento ha llegado: desde hace un par de años una impresora 3D puede imprimir una casa. Un brazo gigante y móvil extrude una mezcla fluida de una boquilla, y construye los muros por capas altas unos centímetros, en un proceso continuo.

Prototipo impreso con hormigón por la startup BeMore3D, Valencia, 2018. Foto: ©BeMore3D


La idea de usar una impresora 3D en edificios no es nueva: Bherokh Khoshnevis, el fundador de la pionera Contour Crafting Corporation, presentó sus primeras patentes ya en 1996. Desde entonces, muchas compañías han entrado en el sector: Wasp y D-Shape de Italia, CyBe Construction de los Países Bajos, WinSun de China, Apis Cor de Rusia y 3D potter en USA, para mencionar solo algunos ejemplos.
Pero es únicamente en los últimos dos años que se realizaron los primeros prototipos de edificios construidos in situ, con impresoras 3D del tamaño de una grúa.
En 2016 el Institute of Advanced Architecture of Catalonia (IAAC) realizó el primer puente impreso en 3D del mundo en Alcobendas, Madrid, y el tercer edificio al mundo completamente impreso in situ fue realizado el pasado mes de marzo en el campus de la Universidad Politécnica de Valencia, por la startup BeMore3D.

Aunque la tecnología de estos prototipos sea muy avanzada, lamentablemente el material utilizado para imprimir es el “viejo” cemento. La producción del cemento es causante del 5% de las emisiones globales de CO2[1], gas responsable del efecto invernadero y del cambio climático: la fabricación de cada tonelada de cemento emite 1 tonelada de CO2 a la atmósfera.

Es importante que las innovaciones tecnológicas fomenten la transición hacia materiales más ecológicos. En el caso de la startup valenciana BeMore3D, el impulso para pasar a utilizar materias primas sostenible vino de las autoridades locales, que encaran el problema de la eliminación de los desechos del cultivo de arroz. A raíz de esto BeMore3D empezó en 2018 la investigación sobre cómo imprimir edificios con tierra y fibras de arroz, una opción sostenible que en Italia ya es realidad.

Gaia, relleno de los huecos en el muro con cascarilla de arroz para el aislamiento, Massa Lombarda, Italia, 2018. Foto: ©Wasp

Gaia, el primer edificio impreso con tierra

En octubre 2018 en Massa Lombarda, Italia, las empresas Wasp y Rice House inauguraron el primer prototipo de edificio impreso con una mezcla de tierra y fibras vegetales, bautizado Gaia, como la diosa que personifica la Tierra en la mitología griega.
Para este espacio diáfano de 30 m2, los muros fueron ejecutados en 10 días por unas máquinas que necesitan de solo 2 operadores en total. La impresión utilizó la tierra de excavación de la cimentación y fibras de arroz cedidas gratuitamente, siendo desechos agrarios, así que el único coste a nivel de materiales fue relacionado con el transporte y el picado de la fibra de arroz, por un total de 900 euros.

El diseño del prototipo integra huecos en el grosor de los muros impresos, algunos de los cuales están rellenos de fibra de arroz aislante, para proteger del frío y del ruido, mientras otros crean un sistema de ventilación natural, parecido con la hoja exterior no estanca de una fachada ventilada.
Según los cálculos de los proyectistas el diseño de los muros, cuyo grosor varía entre 45 a 35 cm, permitirá limitar la demanda energética del prototipo para climatización a 5,46 kWh/m2 año; con un valor de transmitancia térmica de 0,249 W/m2K. Actualmente se están llevando a cabo mediciones con sensores, que permitirán comprobar los valores calculados.

En el interior del muro se realizó hasta una altura de 90 cm un enlucido de arcilla y cascarilla de arroz tratado con aceites de linaza, y en la parte superior quedaron las capas de impresión vistas, “para que se entienda el principio constructivo del edificio” comenta Francesco de Fabritiis, ingeniero de la empresa Wasp. Para resistir a los agentes atmosféricos sin ser protegida por un enlucido, la tierra está estabilizada con un 7% en masa de cal hidráulica.

El diseño del prototipo sigue los principios de la arquitectura bioclimática, y aprovecha el sol con una gran ventana en el lado sur-oeste. La cimentación fue realizada con hormigón vertido al interior de un encofrado perdido impreso en 3D con hormigón.

La normativa italiana no permite la construcción de edificios con estructura en tierra imprimida en 3D, así que los muros de tierra y fibra no son estructurales, y ocho columnas de madera sujetan la cubierta. La resistencia a compresión de los muros no se ha puesto a prueba todavía.
Actualmente la impresora 3D de Wasp puede imprimir hasta 3 metros de altura, y en horizontal, consigue cubrir un diámetro de 6,6 metros. Está concebida para trabajar en paralelo con otras impresoras, para construir contemporaneamente partes diferentes de un edificio.

Gaia, proceso de impresión, Massa Lombarda, Italia, 2018. Foto: ©Wasp


El proceso de impresión es rápido en sí, pero tiene se tiene que interrumpir periódicamente para dejar secar la mezcla impresa. La altura de muro que se puede levantar antes de parar para el secado depende del clima: en la realización de Gaia, en el centro de Italia, la impresión ha parado cada 15-20 cm de muro levantado.

Las fibras de arroz son desechos agrarios que se producen en cantidad cada año, en Italia tanto como en España, siendo respectivamente el primer y segundo productor de arroz de Europa. En lugar de ser eliminadas, estas fibras pasan a tener un papel fundamental para la impresión: permiten minimizar la contracción del muro una vez seco, evitando fisuras, y le confieren resistencia mecánica.
La arquitecta Tiziana Monterisi es la fundadora de Rice House, una startup italiana que fabrica materiales para la construcción a base de fibras de arroz y que fue el partner de Wasp para la realización del prototipo. “Una hectárea de campo de arroz cultivado puede convertirse en un área construida con impresión 3D con tierra de 100 metros cuadrados” nos explica. Las mismas fibras, mezcladas con cal, han sido utilizadas para aislar la cubierta de madera y la solera.

Si la construcción del prototipo ha dado buenos resultados en términos de impacto ambiental, la impresión 3D en tierra y fibra no serà disponible en breve. Wasp està optimizando la impresora, pero se propone en un segundo momento de entrar en el mercado proponiendo servicios de impresión 3D in situ.
A largo plazo, una tercera fase serà comercializar las impresoras, para que un promotor pueda imprimir autónomamente su edificio.

La visión de Wasp está clara: desplazar únicamente la impresora, que con el modelo actual cabe en una furgoneta, y utilizar exclusivamente los materiales disponibles in situ.
“Hasta la electricidad necesaria para la impresión podría ser energía eólica o solar producida localmente, porque no se necesitan altas potencias.” explica Gianluca Pugliese, distribuidor de Wasp en la península ibérica.
La potencia de la impresora es de 1,1 kW, y la del sistema de bombeo es de 2 kW. En el caso del prototipo Gaia, la energía necesaria para imprimir los muros fue de 290 Kwh.

Gaia, el primer edificio imprimido con tierra por Wasp y RiceHouse, Massa Lombarda, Italia, 2018. Foto: ©Wasp

Más allá de la cascarilla de arroz, la impresión 3D con tierra se podría hacer con muchos tipos de fibra natural, y otras posibilidades están al estudio. Por supuesto, es importante realizar pruebas del comportamiento de las fibras con relación al paso en los conductos y en las bombas que alimentan la impresora, y con relación a la reacción al agua. Por ejemplo, la cascarilla del arroz contiene mucho silicio, que limita la absorción de agua, y esto permite que esta fibra no se hinche y no pudra.

De otra banda, Rice House, la cooperativa valenciana Okambuva y el Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC), junto con otros partner, investigan en el marco de un proyecto europeo los superfluidificantes naturales: compuestos orgánicos que permiten fluidificar la tierra y utilizar una cantidad mínima de agua, lo cual reduce las fisuras y la porosidad, aumentando la resistencia del muro impreso.

El sistema de construcción “para llevar” diseñado por Wasp está orientado a contextos de emergencia o pocos accesibles, donde es importante construir con los materiales disponibles in situ. Sin embargo, el prototipo Gaia ha despertado el interés de otros tipos de promotores también, como los propietarios de centros de bienestar y hoteles, gracias a las propiedades saludables de la tierra y a su estética agradable.

Y Wasp continua la experimentación en colaboración con el IAAC, investigando la conexión entre un muro impreso con tierra y la estructura de madera de un forjado y de una escalera, y en 2020, con la realización del segundo edificio impreso en 3D con tierra, Tecla, diseñado por el arquitecto Mario Cucinella.

Workshop del Iaac – OTF en colaboración con Wasp y RiceHouse. Prototipo de estudio de la conexión de un muro impreso con tierra con un forjado y una escalera de madera, Massa Lombarda, Italia, 2019. Foto: ©Iaac

Rociar tierra con drones

Y si imprimir una casa con tierra os parece futurista, se investiga también cómo rociar la tierra con drones sobre encofrados de tela y fibras, para crear estructuras ligeras o capas de aislamiento o de enlucido. La técnica de aplicación de tierra por rocío se utiliza ya con óptimos resultados para realizar enlucidos en los edificios de paja. Sin embargo, el utilizo de un drone con una manguera conectada a un bomba permitiría embarrar muy rápidamente estructuras o fachadas con geometrías y alturas problemáticas, eliminando las limitaciones debidas al transporte de las impresoras y a su alcance: actualmente este sistema permite ya de llegar hasta 25 metros de altura.

Stephanie Chaltiel, arquitecta, investiga las potencialidades de la tierra proyectada con drones en el marco de su doctorado en Barcelona, en colaboración entre IAAC y UPC.

El septiembre pasado esta técnica fue estrenada en Londres, en el marco del London Design Festival. Un domo geodésico revestido con sacos de juta rellenos de paja fue recubierto con una serie de capas de barro, en este caso estabilizado con cal y jabón de aceite de oliva para resistir a la lluvia.

Esta investigación no está enfocada únicamente los materiales, sino a la robótica, para crear un sistema inteligente: drones que sepan controlar el grosor de la capa de tierra que realicen, y reconocer sus fisuras para arreglarlas y aprender de sus propios errores.

Si nos pueden parecer ciencia ficción, estas tecnologías ya se utilizan en la proyección de hormigón de cemento, o shotcrete en inglés.

Workshop “Future Earthen Dwellers” (Stephanie Chaltiel + Shameel Muhammed + IAAC).
Realización de domo geodésico con sacos de yute rellenos de fibra vegetal y rociados con tierra por drones, Domaine de Boisbuchet, Francia, 2018. Foto: Stephanie Chaltiel

La impresión 3D y su posible impacto sobre la construcción

A nivel europeo, las empresas de impresión 3D se están movilizando para integrar esta técnica de construcción en las normas UNI. Si una nueva manera de construir está haciendo su entrada en la realidad de la construcción, ¿cuáles nuevas posibilidades se abrirán y qué impacto tendrá en las dinámicas de la construcción contemporánea?

A nivel estético, con la impresión 3D las formas orgánicas o fluidas de la arquitectura paramétrica se podrían difundir en la arquitectura a pequeña escala. No es casual que el primer edificio impreso con tierra sea de planta ligeramente elíptica: “Queríamos enseñar que podemos obtener cualquier forma” explica Monterisi. Y hay otros factores: por un lado, la impresión permite generar geometrías circulares, elípticas o poligonales sin que la puesta en obra sea más compleja. Por otro lado, como explica Alexandre Dubor del IAAC, “con la impresión 3D realizar un muro curvo es más fácil que uno recto, porque es más estable en la fase de secado”. Si será esta la lógica predominante para una arquitectura impresa, es posible que los ángulos rectos modernistas dejen espacio a nuevas organizaciones del espacio. Como ha dicho Marshall McLuhan, “el medio es el mensaje”: la forma de un medio, en este caso de la impresora 3D, se incrusta en cualquier mensaje que el transmita, o sea en cualquier arquitectura impresa. “Esta nueva metodología de construir llevará necesariamente a una nueva expresión arquitectónica” comenta Ronald Rael, un arquitecto y profesor de la Universidad de Berkeley que también investiga la impresión con tierra

La impresión 3D necesita de poca mano de obra, y al difundirse haría disminuir ulteriormente la intensidad del trabajo humano frente al trabajo mecanizado en el sector de la construcción, con unas implicaciones a nivel de sostenibilidad social.

El papel de albañil se convertiría en el de operador de impresoras más y más inteligentes, mientras que la figura del arquitecto, además de dominar el diseño paramétrico digital, tendría que poseer conocimientos sobre los materiales y las técnicas de impresión. El proyecto tendría que estar más controlado y diseñado en el detalle, para poder ser ejecutado automáticamente.

Y haría implicaciones también para los autoconstructores: la substitución de muchas tareas físicas pesadas por un proceso mecanizado podría hacer la construcción de la propia vivienda más accesible.

Además, la impresión 3D introduciría en el sector de la construcción una dinámica que ya está transformando el mundo del diseño: el diseño abierto o diseño libre. Como para el movimiento de código abierto en informática, se trata de desarrollar objetos, máquinas o sistemas compartiendo públicamente la información del diseño, a menudo usando la impresión 3D y a veces sin intercambios monetarios. La arquitectura responde siempre a un entorno específico, con lo cual la copia y repetición de los proyectos arquitectónicos no puede ser considerada una opción interesante en sí, pero sin duda se podrían abrir interesantes posibilidades para compartir saberes y soluciones.

En conclusión, esperamos que el ingreso de la impresión 3D en el sector de la construcción abra nuevas posibilidades para una construcción más libre en sus formas, más accesible y más ecológica en sus materiales.


Tierra de Texas: de los adobe a las impresoras 3D


La exposición “New Cities, future Ruins at the border”[1]  en la Universidad de Texas en El Paso, USA, muestra  otra cara de la impresión 3D con tierra. Expone el trabajo “Zoquetes Fronterizos” (Mud Frontiers) del despacho Rael San Fratello y de su startup de impresión 3D Emerging objects, en el cual las nuevas tecnologías de la impresión 3D y fabricación digital se encuentran con las antiguas tradiciones de artesanía y cerámica de la región fronteriza entre Estados Unidos y México, haciendo de puente entre dos generaciones. Se exponen 170 recipientes de cerámica impresos en 3D, con arcillas locales de la región de Juárez, pero el elemento principal de la exposición es un muro circular de tierra impreso en 3D a gran escala. Se trata del primer prototipo de este tipo realizado en occidente: se realizó con una innovadora impresora portátil, desarrollada por la empresa 3DPotter y por Emerging Objects para desplazarse y imprimir objetos y construcciones en cualquier lugar y utilizando los recursos naturales locales. Para los 2 m3 de muro del prototipo se utilizó la mezcla de tierra tradicionalmente utilizada para hacer adobes, compuesta por arena, arcilla y paja cortada sin ningún tipo de aditivo químico o cemento. Las obras duraron 5 días y se realizaron con solos tres trabajadores.
La investigación sobre el proyecto 3D Printing Adobe, explica Ronald Rael, nació hace once años cuando estaba escribiendo el libro “Earth Architecture”[2], sobre la arquitectura contemporánea construida con tierra en el mundo. “En el último capítulo escribí que el futuro de construir con tierra seria con impresión 3D. Aunque el camino para imprimir con tierra fue muy largo, hoy queremos realizar viviendas que sean significativas, bellas, duraderas, y que homenajeando al patrimonio reconozcan al mismo tiempo la época en la cual vivimos. Un nuevo sistema de construir para el antropoceno, donde cultura, naturaleza y tecnología sean las mismas cosas”.

Prototipo “3D Printing adobe” (Rael – San Fratello Arquitectos) en la exposición “New Cities, future Ruins at the border” en la Universidad de Texas en El Paso, USA. Foto: Olalekan Jeyifous

[1] www.utep.edu/rubin/exhibitions

[2]  Ronald Rael, Earth architecture, Princeton Architectural Press, 2008


[1] Fuente: https://www.international-climate-initiative.com

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