La construcción de edificaciones que utilizan tecnologías de impresión 3D en Colombia, a pesar de ser una práctica cada vez más aceptada dentro de la industria debido a la reducción de costos y riesgos asociados a la mano de obra y materiales todavía enfrenta grandes desafíos.
Una investigación propone solucionar esta problemática a través de un proyecto donde participan dos unidades académicas de la Facultad de Ingeniería, Ingeniería Civil e Ingeniería de Materiales, que busca llevar infraestructura a la zona rural del departamento del Cauca.
Como resultado de trabajos realizados en su época de pregrado, en el año 2022, Armando Vargas López, ingeniero civil de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle, tuvo la oportunidad de poner sus conocimientos al servicio de la comunidad al formar parte de un proyecto que buscaba llevar viviendas hechas a partir de impresión 3D a la zona rural del departamento del Cauca.
Dicho proyecto, financiado por el Sistema General de Regalías bajo el nombre de ‘Desarrollo de un sistema de impresión 3D de materiales no convencionales sostenibles para el avance de la infraestructura rural del departamento del Cauca’ y liderado por el profesor e investigador de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática, Daniel Gómez Pizano, fue la ocasión ideal para que el investigador Vargas López contribuyera desde su área de experticia en materiales compuestos, a propósito de la Maestría en Ingeniería Civil que actualmente cursa en la Universidad del Valle.
El investigador forma parte del Grupo de Investigación de Materiales Compuestos (GMC), y su investigación, que cuenta con la dirección del profesor e investigador adscrito a la Escuela de Ingeniería de Materiales, Rafael Andrés Robayo Salazar, y la codirección de la profesora e investigadora de la misma unidad, Ruby Mejía de Gutiérrez, tiene como objetivo disminuir los efectos de agrietamiento en mezclas cementicias a partir de la incorporación de agregados finos y fibras de polipropileno a una base de cemento Portland (OPC).
Esta necesidad de crear un material más resistente se debe a que los elementos construidos a partir de impresión 3D están especialmente expuestos a un fenómeno que contribuye, a su vez, a originar tales agrietamientos: la contracción-retracción. Este fenómeno se debe, principalmente, a la pérdida de humedad del concreto durante el proceso de curado, lo cual puede generar tensiones internas que resultan en grietas.
“En ambientes naturales de construcción tradicional, como la mezcla cuenta con agregados (grava, arena), estos ocupan espacio en la mezcla de concreto, reduciendo la cantidad de pasta de cemento que se contrae al secarse y actuando como refuerzos dentro de la matriz de cemento, ayudando a distribuir las tensiones internas de manera más uniforme. En cambio, con elementos impresos, al estar hechos mayoritariamente de una pasta compuesta de cemento y agua, no hay una cantidad mínima de agregados que cumpla esta función de barrera”, explica el investigador Armando Vargas López.
“El problema de los elementos impresos en 3D es que, debido a las limitaciones del diámetro de la boquilla, no se pueden utilizar agregados muy gruesos, como la grava”. El investigador agrega que la inclusión de las fibras de polipropileno tiene como objetivo ayudar en la transferencia de dicha energía, disipando la tensión producida al interior de la mezcla por la contracción del material, con lo cual se pueda controlar el fenómeno de contracción-retracción.
Abordar esta problemática resulta fundamental para el bienestar y la estabilidad de las edificaciones, pues de no contar con este tipo de refuerzos a nivel de las mezclas utilizadas para la impresión 3D, estas pueden verse comprometidas a nivel estructural.
Además de las fibras de polipropileno, la investigación ha planteado el uso de dos grupos de adiciones: el primero, del tipo suplementario, está compuesto por metacaolín (MK), microsílice (MS) y carbonato de calcio (CaCO₃), los cuales se utilizaron para mejorar las propiedades de la mezcla cementicia, de manera tal que tuviera la fluidez necesaria para ser tratada a través del sistema de impresión.
El segundo grupo utilizó residuos de construcciones (cerámicas, ladrillos y concreto), resultantes de construcciones hechas anteriormente en distintas zonas de la región, con el fin de darles un aprovechamiento. Estos se seleccionaron teniendo en cuenta que en la zona a donde va dirigido el proyecto de regalías, del cual forma parte esta investigación, que está más enfocada hacia el uso del suelo de esta región, también es común encontrar este tipo de residuos.
Comprobando la resistencia de esta nueva mezcla
El trabajo de investigación se dividió en varias fases: en la primera se realizó una revisión bibliográfica y de antecedentes de investigación, que resultó en hallazgos de 2.566 artículos relacionados con la impresión 3D de concreto, lo que es un ejemplo del creciente interés en estas experimentaciones en los últimos años.
Después de esto, se procedió a caracterizar las materias primas a trabajar. Luego, se obtuvieron las mezclas óptimas mediante ensayos en estado fresco (mini slump, índice de fluidez y edificabilidad) y en estado endurecido (resistencia a la compresión), evaluando las mezclas de pasta, microconcreto (pasta+arena) y microconcretos fibroreforzados (pasta+arena+fibra). Los porcentajes de fibra de polipropileno utilizados fueron de 0,5 %, 0,75 % y 1 % en volumen, con el fin de obtener impresiones sin que la boquilla de la impresora se obstruyera por la aglomeración de dicho material en el proceso.
Los resultados fueron prometedores. “Se notó sustancialmente que la adición de la fibra de polipropileno ayuda a disminuir los efectos de este fenómeno de retracción-contracción”, comenta el investigador Armando Vargas López, y explica que aquellas muestras que contaban con fibras no habían presentado grietas hasta el momento actual de la investigación, seis meses después de su fabricación.
Usos e impacto para la región
Para el investigador Vargas López, aunque la tecnología utilizada para la impresión de construcciones a partir de impresión 3D en Colombia es relativamente nueva, su revisión del estado del arte hasta el momento, sumada a los beneficios en términos económicos y de pérdida de materias primas, permite prever un futuro en el que este tipo de métodos sea la base para construcciones de distintas dimensiones.
Según Vargas López, el sector industrial ya empieza a dar señales de interés: “Ya se ha visto, aquí en Colombia, que empresas como Argos y Conconcreto cuentan con impresoras 3D de concreto de gran tamaño, y ya existe un prototipo, la Casa Origami, desarrollada por Conconcreto en Medellín. Por otro lado, Sika, una empresa muy importante en Colombia que fabrica aditivos, ya vende materiales para impresión 3D. Esta tecnología tiene demasiado potencial, pese a que todavía está empezando, y queda mucho camino por investigar”.
Ahora que la investigación ha dado como resultado las mezclas cementicias esperadas, queda realizar un prototipo a escala de laboratorio de una casa. Cabe anotar que otros investigadores del Grupo de Investigación GMC trabajan en otros tipos de mezclas, particularmente en suelos, arcillas y materiales no convencionales, procurando reducir al máximo el contenido de cemento Portland en el material impreso.
En la actualidad, el investigador Vargas López ha impreso elementos que le permiten ratificar el éxito de su investigación: objetos con geometrías complejas que apuntan a seguir contribuyendo a la mejora de las propiedades mecánicas de este tipo de construcciones en el futuro de la impresión 3D en Colombia.
Si le interesa conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones de la Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co .
