La impresión 3D a gran escala en la construcción: Tecnologías y tendencias

Explore el impacto transformador de la impresión 3D a gran escala en la industria de la construcción. Este completo artículo examina las impresoras de brazo robótico y de pórtico, los materiales clave y las fases del proceso de impresión, destacando las innovaciones y los retos futuros de la tecnología de la construcción.

Impresión 3D a gran escala: Innovaciones en construcción e infraestructuras

El artículo abarca varias secciones clave relacionadas con la impresión 3D a gran escala en la construcción. Comienza con una introducción que esboza la importancia y las tendencias actuales del sector. A continuación, detalla los tipos de impresoras 3D a gran escala, destacando las de brazo robótico y las de pórtico, junto con sus ventajas y limitaciones. A continuación, el debate se centra en los materiales utilizados Impresión en 3D en la construcción, incluidos diversos materiales cementosos, aleaciones metálicas para WAAM y materiales compuestos emergentes para impresión.

La impresión en 3D se perfila como una innovación progresiva en el habitualmente lento sector de la construcción. Mediante la automatización de procesos y la habilitación de nuevas perspectivas de planificación, la impresión 3D promete abreviar los plazos, disminuir los residuos y hacer que la construcción sea más productiva y sostenible en general. Este artículo pretende ofrecer un esbozo de los efectos transformadores de los procedimientos de impresión 3D a gran escala para aplicaciones de construcción. Examina el estado actual de los avances, las orientaciones para el futuro y las dificultades inherentes.

Tipos de impresoras 3D de gran tamaño en la construcción

A gran escala Impresoras 3D utilizadas en la industria de la construcción pueden ordenarse principalmente en dos clases: impresoras de brazo robótico e impresoras de pórtico. Ambos tipos utilizan la fabricación con sustancias añadidas para ensamblar los componentes de construcción capa por capa a partir de materiales cementosos.

Impresoras 3D de brazo robótico

La impresión 3D a gran escala con brazo robótico se compone de un controlador robótico multipivote equipado con un cabezal de impresión. El brazo robótico ofrece una gran aptitud y flexibilidad gracias a sus 6 niveles de oportunidad. Esto tiene en cuenta formas matemáticas más intrincadas que se pueden lograr en contraste con los marcos convencionales de pórtico de 3 cubos. Un tipo común es una máquina de construcción reequipada con una bomba de hormigón móvil que hace las veces de cabezal de impresión. El sistema de suministro de hormigón y el cabezal de impresión se montan en la máquina, y la pluma actúa como brazo robótico controlado mediante La impresión 3D en la creación de prototipos algoritmos. Varias empresas como Apis Cor también utilizan brazos robóticos instalados en una plataforma móvil.

Esto proporciona movilidad de impresión para estructuras de varias unidades. Sin embargo, el control y la calidad pueden ser problemas, ya que el robot se mueve adicionalmente durante la impresión. Para aumentar la escala, varios robots pueden colaborar, como demostraron Zhang et al. Cada plataforma montada en robot realiza tareas de impresión discretas de forma sincronizada. El movimiento sin colisiones se garantiza mediante un software de planificación de trayectorias coordinado. Un reto es la menor área imprimible confinada por el alcance del robot. Para superarlo, Keating et al. montaron un brazo en una base móvil sobre orugas, lo que permite la fabricación autónoma in situ.

Impresoras 3D de pórtico

Las impresoras de pórtico son la opción más investigada para la impresión 3D a gran escala en la construcción. Contour Crafting fue uno de los primeros pioneros, utilizando múltiples pórticos aéreos. Un diseño típico implica una viga móvil horizontal que transporta el cabezal de impresión y se desplaza a lo largo de raíles o columnas fijas en los ejes X, Y. Algunos ejemplos son las impresoras de la Universidad de Loughborough y Spetsavia, capaces de imprimir edificios completos. Las configuraciones modulares como la BOD2 de COBOD y la Crane WASP de WASP aumentan aún más la escala. Múltiples unidades intercambiables se ensamblan según sea necesario, con tamaños de construcción teóricamente ilimitados. Las impresoras de pórtico ofrecen ventajas como un control más sencillo, una mayor precisión y la posibilidad de utilizar áridos gruesos en las mezclas de hormigón. Sin embargo, su movilidad limitada requiere el montaje/desmontaje in situ en cada nueva ubicación de construcción.

Materiales para la construcción Impresión 3D

Para la construcción mediante impresión 3D a gran escala, los materiales imprimibles clave son los materiales cementosos y aleaciones metálicas. Además, las técnicas de impresión compuestas que combinan estos elementos también están ganando atención.

Materiales cementosos

Entre los materiales utilizados habitualmente para la impresión 3D de construcción con hormigón se encuentran el hormigón de cemento, el geopolímero, el hormigón reforzado con fibras, etc. El hormigón de cemento es el material más investigado para la impresión 3D a gran escala. Sin embargo, para conseguir las propiedades reológicas necesarias para la impresión, los áridos tradicionales se sustituyen a menudo por alternativas más finas como la arena. Esto reduce la susceptibilidad al agrietamiento por contracción, pero da lugar a compuestos más débiles. Los geopolímeros son aglutinantes de silicato de aluminio que pueden sustituir a una parte del cemento.

Materiales metálicos para WAAM

La impresión 3D a gran escala utiliza el proceso de fabricación de sustancias añadidas por alambre y doblado (WAAM). Los metales que se manejan habitualmente son los preparados inoxidables, las combinaciones de titanio y el aluminio. WAAM se ha aplicado para producir componentes primarios para la industria de la construcción.

Materiales compuestos para impresión 3D

La investigación explora los materiales cementosos reforzados con fibras, cables de acero o microcables. Un enfoque prometedor combina el hormigón Materiales de impresión 3D alrededor de una estructura de acero construida con brazos robóticos. Sin embargo, existen retos de integración en torno a la gestión del calor. Esta sección proporciona descripciones detalladas de los materiales clave utilizados para la impresión 3D en la construcción, desglosados en el esquema.

El proceso de impresión 3D

Cualquier proceso de impresión 3D a gran escala para la construcción consta del desarrollo del modelo, la producción/transporte del material, la deposición de capas y el control de calidad.

Creación de modelos

El modelo digital se corta en capas no planas utilizando la continuidad tangencial para una transición más suave entre capas de grosor variable, utilizando plenamente las capacidades de Imprimir metal en 3D tecnologías. Esta estrategia mantiene constantes las superficies de contacto entre capas.

Producción y transporte de materiales

Para la impresión in situ a gran escala, el hormigón suele suministrarse premezclado desde plantas de dosificación para evitar interrupciones. Sin embargo, puede ser necesaria una mezcla adicional tras el transporte y, preferiblemente, tras el bombeo para lograr una reología óptima. Los aceleradores pueden introducirse justo antes de la extrusión.

Deposición de capas

En las impresoras de pórtico, el cabezal de impresión deposita material a lo largo de las trayectorias de las herramientas según el modelo rebanado, construyendo capas sucesivas. Las impresoras robotizadas extruyen material mediante un efector final a lo largo de trayectorias programadas. Herramientas de impresión 3D La velocidad, el espesor de la capa y el flujo del material afectan a la precisión geométrica y al desarrollo de la resistencia. La retroalimentación continua permite controlar la reología en tiempo real.

Control de calidad

Esto implica controlar las propiedades en estado fresco y endurecido. La reología es crucial y se evalúa en línea, por ejemplo mediante la cuantificación de la energía de extrusión. Los sensores realizan un seguimiento de las dimensiones, la homogeneidad y el curado. Las pruebas no destructivas evalúan el rendimiento mecánico. Los datos del proceso y las simulaciones refinan los diseños y las estrategias de las mezclas. El control de calidad cierra el bucle de retroalimentación diseño-fabricación.

Consideraciones adicionales

En los proyectos a gran escala, una amplia planificación previa tiene en cuenta la logística de entrega de materiales. El montaje de los componentes puede seguir a la impresión monolítica. Los enfoques híbridos integran la impresión 3D a gran escala dentro de la construcción de encofrados. El acondicionamiento medioambiental y la dosificación de acelerantes requieren una evaluación.

Propiedades mecánicas

El comportamiento mecánico de impresión 3D sostenible Los elementos de construcción presentan anisotropía debido a la fabricación por capas. Además, las imprecisiones geométricas del proceso de impresión introducen variables adicionales.

Propiedades de resistencia

La resistencia a la compresión resulta mayor longitudinalmente a lo largo de las capas impresas debido a las presiones de consolidación. La resistencia disminuye lateralmente y se minimiza perpendicularmente a las capas que sufren un endurecimiento menos confinado. Tendencias similares afectan al comportamiento a flexión. Las pruebas muestran una resistencia mínima perpendicular a las capas impresas donde el hormigón fresco se asienta más libremente antes de solidificarse. Sin coacción lateral ni refuerzo, el asentamiento debilita la coherencia entre capas. La anisotropía de la resistencia supera los 10% en las diferentes orientaciones de la construcción. La inclusión de fibras lo mitiga, distribuyendo las tensiones uniformemente. El diseño estructural debe tener en cuenta la direccionalidad de la resistencia en lugar de presuponer la isotropía.

Impresión 3D de composites

Las mezclas reforzadas para impresión en 3D, como el hormigón microcableado, superan a las pastas cementosas simples. Los microcables frenan el agrietamiento e inhiben el desconchamiento por impacto. Los compuestos explotan la sinergia refuerzo/matriz, optimizando las propiedades para las funciones estructurales. Las pastas cargadas de fibra resisten más carga que los equivalentes fundidos o extruidos, lo que demuestra una unión interfacial superior. Los compuestos establecen la impresión 3D a gran escala para aplicaciones estructurales exigentes tradicionalmente reservadas a la construcción convencional.

Conclusión

En conclusión, este artículo ha proporcionado una revisión en profundidad del impacto y el progreso de las tecnologías de impresión 3D a gran escala en la industria de la construcción. Se ha ofrecido una visión detallada de los principales tipos de impresoras -de brazo robótico y de pórtico-, esbozando sus distintos principios de funcionamiento, ejemplos y ventajas/limitaciones. La revisión también analizó los principales materiales imprimibles en los que se centra la investigación de la impresión 3D para la construcción: composiciones cementosas para la impresión de hormigón, así como aleaciones metálicas destinadas a la fabricación aditiva por arco de alambre. También se analizaron los enfoques de refuerzo de materiales compuestos.

En general, la revisión subraya el papel influyente de la impresión 3D a gran escala en el impulso de la innovación en la construcción, ofreciendo una mayor eficiencia, personalización y potencial de prefabricación fuera de las instalaciones. Sin embargo, los retos en torno a la imprevisibilidad geométrica, la no uniformidad y la caracterización del comportamiento a largo plazo requieren esfuerzos centrados para maximizar su viabilidad y beneficios a gran escala. A medida que las tecnologías maduran, uso de la impresión 3D capacidad como catalizador de la evolución futura del entorno construido está llamada a amplificarse aún más.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuáles son los principales tipos de impresoras 3D que se utilizan en la construcción a gran escala?

R: El artículo examina que la impresión 3D a gran escala puede clasificarse principalmente en impresoras de brazo robótico o impresoras de pórtico. Las impresoras de brazo robótico utilizan un controlador robótico multicubo con un cabezal de impresión, mientras que las impresoras de pórtico implican un cabezal de impresión instalado en una barra móvil plana.

P: ¿Qué materiales pueden imprimirse en 3D para aplicaciones de construcción?

R: Los principales materiales imprimibles examinados son los materiales cementosos para la impresión sustancial, así como los compuestos metálicos manipulados mediante la fabricación de sustancias añadidas con doblado de alambre (WAAM). Además, están surgiendo enfoques de refuerzo de compuestos que combinan estos materiales.

P: ¿Cuáles son los avances normales que implica un proceso de impresión 3D a gran escala para la construcción?

R: Las principales etapas descritas son la creación de modelos informatizados, la creación/transporte de materiales, la declaración de capas y el control de calidad tanto de las propiedades nuevas como de las solidificadas.

P: ¿Qué ventajas ofrece la impresión en 3D para la construcción?

R: Entre las ventajas destacadas se incluyen la mecanización, la oportunidad de planificar, los plazos abreviados, la disminución del despilfarro, una sostenibilidad más desarrollada y la disminución potencial de los gastos frente a las técnicas habituales.

P: ¿Qué dificultades existen realmente con la impresión en 3D para la construcción a gran escala?

R: Las restricciones examinadas se refieren a las limitaciones de escala, la utilización total gruesa, las necesidades de normalización, las propiedades anisotrópicas y la caracterización de la conducta de largo recorrido.

P: ¿Qué futuro le espera a esta innovación en la construcción?

R: Se supone que su papel en el impulso de la innovación a través de una mayor eficacia, personalización y fabricación fuera de las instalaciones aumentará a medida que maduren los avances y se atiendan los retos.