Desde las piezas más pequeñas hasta grandes edificios, la impresión 3D se ha convertido en una alternativa más rápida, sostenible y personalizable frente a las técnicas de construcción y fabricación tradicionales. Permite edificar casa en solo un mes. Lo que comenzó siendo una tecnología para dar rienda suelta al diseño casero se ha extendido a numerosos proyectos con los que crear material médico o nuevos accesorios deportivos en España.

Sin embargo, esta técnica no para de evolucionar. Se persiguen máquinas más precisas que se adapten a una gran variedad de entornos como la impresión 3D en el espacio. También se requieren nuevos materiales con los que mejorar la calidad del resultado, por ejemplo, en la construcción de viviendas.

El hormigón sigue siendo el rey entre los materiales de construcción, también en impresión 3D. Ahora, investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia consideran que la mezcla para construir hormigón no es la mejor solución para construir edificios y han presentado una solución novedosa a base de madera.

Hormigón de celulosa

Cada año se utilizan 30.000 millones de toneladas de hormigón, pese a su altísimo coste para el medioambiente: por cada tonelada, se liberan más de 600 kilos de CO2 a la atmósfera. Para evitarlo y, además, mejorar sus propiedades, científicos de todo el mundo están desarrollando nuevas mezclas para obtener compuestos más fuertes o que incluso sean capaces de almacenar energía.

Los últimos en presentar sus resultados son los integrantes del equipo de Osman E. Ozbulut, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. En su mezcla, han elegido fibras de base vegetal que se suelen usar para la fabricación de papel y otros elementos. En concreto han estudiado la influencia del CNF (nanofibras de celulosa) en los compuestos impresos en 3D.

El proceso utiliza una impresora especializada que dispensa la mezcla similar al cemento en capas para construir la estructura mediante un software de diseño asistido por ordenador. Así se consiguen formas más complejas en menor tiempo, evitando tener que encerrar la mezcla en moldes hasta secarla. 

Sin embargo, por ahora, las opciones de materiales imprimibles son limitadas, sin mencionar la durabilidad que ofrecen frente a las técnicas de construcción tradicionales. Tras este estudio, se confirma que las nanofibras de celulosa tienen un gran potencial para mejorar la fluidez y la resistencia de los materiales compuestos.

"Nos enfrentamos a objetivos contradictorios", afirma Ozbulut. "La mezcla tiene que fluir bien para que la fabricación sea posible, pero también tiene que endurecerse hasta convertirse en un material estable con propiedades críticas, como buena resistencia mecánica, unión entre capas y baja conductividad térmica".

El CNF se extrae de la pulpa de madera, lo que lo hace renovable y sostenible. Cuando se aplica al hormigón, aumenta la fluidez, lo que permite una impresión más uniforme. Pero eso no es todo. El CNF también aumenta la resistencia y la durabilidad del hormigón, lo que da como resultado construcciones que pueden resistir el paso del tiempo.

La celulosa es el polímero orgánico renovable más abundante en la Tierra y su pulpa es el material a base de madera que se suele utilizar en la fabricación del papel, sobre todo aquel menos resistente, como el usado en periódicos diarios. Para este fin se suelen utilizar maderas blandas como la picea, el pino o el abeto, triturando primero la madera y luego humedeciéndola.

El uso de materiales de origen biológico también puede contribuir a la sostenibilidad de las estructuras de hormigón y una menor contaminación durante su edificación. Otra ventaja que destacan estos investigadores en su estudio publicado en la revista Science es que la celulosa es un material no alergénico, que puede soportar altas temperaturas y tiene excelentes propiedades de aislamiento eléctrico.

Fluidez y resistencia

"Al igual que otros derivados de fibras vegetales, las nanofibras de celulosa, como se las conoce en la industria, muestran un gran potencial como aditivo para mejorar la reología (el término científico para las propiedades de flujo) y la resistencia mecánica de estos compuestos", explican.

Se prepararon varias mezclas de mortero con diferentes contenidos de CNF de hasta 0,5%. Las mezclas resultantes se pusieron a prueba en una impresora de hormigón 3D equipada con una boquilla de 15 mm de diámetro y una extrusión de tipo tornillo para evaluar la capacidad de impresión y edificabilidad de las mezclas de hormigón reforzadas con CNF. 

Tras las pruebas, el equipo descubrió que agregar al menos un 0,3 % de CNF mejoraba significativamente el rendimiento. El análisis microscópico de las muestras endurecidas también reveló una mejor unión del material y una mejor integridad estructural.

"Las mejoras que hemos observado tanto en la capacidad de impresión como en las medidas mecánicas sugieren que la incorporación de nanofibras de celulosa en materiales comerciales imprimibles podría conducir a prácticas de construcción más resistentes y ecológicas más temprano que tarde", dijo Osman E. Ozbulut, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. En pruebas posteriores en el laboratorio de Ozbulut, los componentes impresos en 3D mejorados con CNF también resistieron la tracción, la flexión y la compresión.