La impresión 3D promete transformar la arquitectura para siempre y crear formas que harán volar por los aires los edificios actuales.

En arquitectura, rara vez surgen nuevos materiales.

Durante siglos, la madera, la mampostería y el hormigón formaron la base de la mayoría de las estructuras de la Tierra.

En la década de 1880, la adopción de la estructura de acero cambió la arquitectura para siempre. El acero permitió a los arquitectos diseñar edificios más altos con ventanas más grandes, lo que dio lugar a los rascacielos que definen el horizonte de las ciudades en la actualidad.

Desde la revolución industrial, los materiales de construcción se han limitado en gran medida a una gama de elementos producidos en masa. Desde vigas de acero hasta paneles de madera contrachapada, este juego de piezas estandarizado ha informado el diseño y la construcción de edificios durante más de 150 años.

Eso puede cambiar pronto con los avances en lo que se llama «fabricación aditiva a gran escala». Desde la adopción de la estructura de acero no ha habido un desarrollo con tanto potencial para transformar la forma en que se conciben y construyen los edificios.

La fabricación aditiva a gran escala, como la impresión 3D de escritorio, implica construir objetos capa por capa. Ya sea arcilla, hormigón o plástico, el material de impresión se extruye en un estado fluido y se endurece hasta su forma final.

Como director del Instituto de Estructuras Inteligentes de la Universidad de Tennessee, he tenido la suerte de trabajar en una serie de proyectos que implementan esta nueva tecnología.

Si bien todavía existen algunos obstáculos para la adopción generalizada de esta tecnología, puedo prever un futuro en el que los edificios se construyan completamente con materiales reciclados o materiales obtenidos en el sitio, con formas inspiradas en las geometrías de la naturaleza.

Prototipos prometedores

Entre estos se encuentra el Trillium Pavilion, una estructura al aire libre impresa con polímero ABS reciclado, un plástico común utilizado en una amplia gama de productos de consumo.

Las superficies delgadas y de doble curvatura de la estructura se inspiraron en los pétalos de la flor homónima. El proyecto fue diseñado por estudiantes, impreso por Loci Robotics y construido en el Parque de Investigación de la Universidad de Tennessee en Cherokee Farm en Knoxville.

Otros ejemplos recientes de fabricación aditiva a gran escala incluyen Tecla, un prototipo de vivienda de 450 pies cuadrados (41,8 metros cuadrados) diseñado por Mario Cucinella Architects e impreso en Massa Lombarda, una pequeña ciudad de Italia.

Los arquitectos imprimieron Tecla con arcilla procedente de un río local. La combinación única de este material económico y la geometría radial crearon una forma de vivienda alternativa de bajo consumo.

De regreso en los EE. UU., la firma de arquitectura Lake Flato se asoció con la firma de tecnología de la construcción ICON para imprimir muros exteriores de concreto para una casa llamada «Casa Cero» en Austin, Texas.

La casa de 2000 pies cuadrados (185,8 metros cuadrados) demuestra la velocidad y la eficiencia del hormigón impreso en 3D, y la estructura muestra un agradable contraste entre sus paredes curvilíneas y su estructura de madera expuesta.

El proceso de planificación

La fabricación aditiva a gran escala involucra tres áreas de conocimiento: diseño digital, fabricación digital y ciencia de materiales.

Para comenzar, los arquitectos crean modelos informáticos de todos los componentes que se imprimirán. Estos diseñadores pueden usar software para probar cómo responderán los componentes a las fuerzas estructurales y ajustar los componentes en consecuencia. Estas herramientas también pueden ayudar al diseñador a descubrir cómo reducir el peso de los componentes y automatizar ciertos procesos de diseño, como suavizar intersecciones geométricas complejas, antes de imprimir.

Una pieza de software conocida como cortadora luego traduce el modelo de computadora en un conjunto de instrucciones para la impresora 3D.

Puede suponer que las impresoras 3D funcionan a una escala relativamente pequeña: piense en fundas para teléfonos móviles y soportes para cepillos de dientes.

Pero los avances en la tecnología de impresión 3D han permitido que el hardware se amplíe de manera importante. A veces, la impresión se realiza a través de lo que se denomina un sistema basado en pórtico: un marco rectangular de rieles deslizantes similar a una impresora 3D de escritorio. Cada vez más, los brazos robóticos se utilizan debido a su capacidad para imprimir en cualquier orientación.

El sitio de impresión también puede variar. Los muebles y los componentes más pequeños se pueden imprimir en las fábricas, mientras que las casas enteras se deben imprimir en el sitio.

Se puede utilizar una gama de materiales para la fabricación aditiva a gran escala. El concreto es una opción popular debido a su familiaridad y durabilidad. La arcilla es una alternativa intrigante porque se puede cosechar en el sitio, que es lo que hicieron los diseñadores de Tecla.

Pero los plásticos y los polímeros podrían tener la aplicación más amplia. Estos materiales son increíblemente versátiles y se pueden formular de manera que cumplan con una amplia gama de requisitos estructurales y estéticos específicos. También se pueden producir a partir de materiales reciclados y de origen orgánico.

Inspiración de la naturaleza

Debido a que la fabricación aditiva construye capa por capa, utilizando solo el material y la energía necesarios para fabricar un componente en particular, es un proceso de construcción mucho más eficiente que los «métodos sustractivos», que implican cortar el exceso de material; piense en fresar una viga de madera de un árbol. .

Incluso los materiales comunes como el hormigón y los plásticos se benefician de la impresión 3D, ya que no se necesitan encofrados ni moldes adicionales.

La mayoría de los materiales de construcción de hoy en día se fabrican en masa en líneas de montaje que están diseñadas para producir los mismos componentes. Si bien reduce los costos, este proceso deja poco espacio para la personalización.

Dado que no hay necesidad de herramientas, formas o troqueles, la fabricación aditiva a gran escala permite que cada pieza sea única, sin pérdida de tiempo por complejidad o personalización adicionales.

Otra característica interesante de la fabricación aditiva a gran escala es la capacidad de producir componentes complejos con vacíos internos. Algún día, esto puede permitir que las paredes se impriman con conductos o ductos ya colocados.

Además, se están realizando investigaciones para explorar las posibilidades de la impresión 3D de múltiples materiales, una técnica que podría permitir que las ventanas, el aislamiento, el refuerzo estructural, incluso el cableado, se integren completamente en un solo componente impreso.

Uno de los aspectos de la fabricación aditiva que más me emociona es la forma en que la construcción capa por capa, con un material que se endurece lentamente, refleja los procesos naturales, como la formación de caparazones.

Esto abre ventanas de oportunidad, lo que permite a los diseñadores implementar geometrías que son difíciles de producir con otros métodos de construcción, pero que son comunes en la naturaleza.

Los marcos estructurales inspirados en la estructura fina de los huesos de las aves podrían crear entramados ligeros de tubos, con diferentes tamaños que reflejen las fuerzas que actúan sobre ellos. Las fachadas que evocan las formas de las hojas de las plantas pueden diseñarse para dar sombra al edificio y producir energía solar simultáneamente.

Superando la curva de aprendizaje

A pesar de los muchos aspectos positivos de la fabricación aditiva a gran escala, existen varios impedimentos para su adopción más amplia.

Quizás lo más grande a superar es su novedad. Existe toda una infraestructura construida en torno a formas tradicionales de construcción como el acero, el hormigón y la madera, que incluyen cadenas de suministro y códigos de construcción. Además, el costo del hardware de fabricación digital es relativamente alto y las habilidades de diseño específicas necesarias para trabajar con estos nuevos materiales aún no se enseñan ampliamente.

Para que la impresión 3D en la arquitectura se adopte más ampliamente, deberá encontrar su nicho. De manera similar a cómo el procesamiento de textos ayudó a popularizar las computadoras de escritorio, creo que será una aplicación específica de la fabricación aditiva a gran escala la que conducirá a su uso común.

Quizás sea su capacidad para imprimir marcos estructurales altamente eficientes. También veo su promesa de crear fachadas escultóricas únicas que pueden reciclarse y reimprimirse al final de su vida útil.

De cualquier manera, parece probable que alguna combinación de factores garantice que los edificios futuros, en parte, se impriman en 3D.