El hormigón impreso que cambiará la construcción: casas sin grietas inspirándose en un pez prehistórico

La próxima casa que se compre podría estar impresa en 3D. Esta técnica de construcción se está extendiendo en todo el mundo, también en España, por las facilidades que aporta para terminar en menos tiempo estructuras más complejas. En la Tierra esta nueva técnica ha permitido edificar casas en solo un mes, mientras que en la Luna promete crear refugios para los astronautas con menor esfuerzo y riesgo. Sin embargo, la ingeniería sigue trabajando para mejorar los resultados de estas construcciones impresas en 3D y la respuesta podría estar en la propia naturaleza.

La ciencia y la tecnología siguen inspirándose en animales y plantas para mejorar la eficiencia y resistencia de sus inventos. La clave puede estar en un pequeño detalle que ha pasado desapercibido durante millones de años como un pez con más años que los dinosaurios. 

Un grupo de ingenieros de Princeton ha publicado un estudio donde asegura haber dado con la fórmula para que las paredes de hormigón impresas en 3D tengan una resistencia a las grietas hasta en un 63% más que el hormigón fundido convencional. El artículo publicado en la revista Nature Communications se titula "Hormigón arquitectónico resistente con doble hélice gracias a la fabricación aditiva robótica". Aseguran haberse inspirado en los peces celacantos.

Escamas de pez

A muchas personas este animal prehistórico les sonará de intentar pescarlo en el videojuego Animal Crossing, pero es mucho más que eso. Se le ha considerado como el fósil viviente, por haberle catalogado como especie extinta junto a los dinosaurios, hasta que un pescador sudafricano lo pescó en 1938. La bestia marina de gruesas escamas tardó hasta cuatro horas en morir fuera del agua. 

Esta fascinante criatura es la fuente de inspiración del equipo de Princeton dirigido por Reza Moini, profesor, asistente de ingeniería civil y ambiental. Sus escamas forman una estructura de doble hélice que aporta mayor resistencia ante fracturas, por lo que los investigadores aplicaron este inteligente diseño natural en una nueva técnica de construcción con hormigón impreso en 3D.

Celacanto expuesto en el Museo de Historia Natural de Nantes Wikimedia Commons: sybarite48, CC BY 2.0 Omicrono

La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, consiste en superponer capas de material siguiendo el patrón de un modelo digital. El robot que ejerce de impresora para grandes construcciones como viviendas, agrega material hebra por hebra para crear estructuras y permite a los diseñadores explorar arquitecturas complejas que no son posibles con los métodos de fundición convencionales.

Con el objetivo de mejorar el resultado que se obtiene con esta tecnología, investigadores de todo el mundo buscan mejorar la técnica de impresión así como las mezclas del material que se imprime. El proyecto de Princeton aborda ambas necesidades. 

Para empezar, el esquema de diseño se basa en cambiar ligeramente la orientación de cada pila para crear una disposición de doble hélice o, dicho de otra forma, dos capas ortogonales retorcidas a lo largo de la altura. Esta idea se puede apreciar mejor en las imágenes compartidas por la universidad donde se puede ver al robot imprimir con formas zigzagueantes que terminan formando patrones de onda en la columna según se va elevando.

Así se crean vigas con mayor resistencia a las grietas. Si se aprecia en proyectos de impresión 3D de hormigón, la boquilla del robot va depositando el material en línea recta, una encima de otra, a diferencia de los relieves geométricos que proponen en Princeton.

Ilustración del sistema de doble hélice inspirado en los Celacantos Universidad de Princeton Omicrono

Moini, investigador principal, explica que la técnica combina una serie de mecanismos que protegen la estructura: evitando la propagación de las grietas, entrelazando las superficies fracturadas y desviando las grietas con una trayectoria recta una vez que se forman.

Secado rápido

Esos dibujos, no son la única modificación que propone el equipo de investigación. La composición del hormigón también es un aspecto clave para reforzar la estructura. En la fabricación aditiva el hormigón fresco tiene tendencia a deformarse bajo su peso. Si la forma de impresión que le da el robot es tan importante, es necesario que ese diseño de la estructura se mantenga lo más fiel al modelo virtual posible.

Brazo robótico con doble sistema de extrusión Universidad de Princeton Omicrono

Cuando un robot deposita hormigón para formar una estructura, el peso de las capas superiores puede hacer que el hormigón de abajo se deforme si aún no se ha secado, comprometiendo la precisión geométrica de la estructura arquitectónica resultante. Para abordar esto, los investigadores intentaron controlar la velocidad de endurecimiento del hormigón para evitar la distorsión durante la fabricación.

En la boquilla del robot se ha instalado un sistema doble de extrusión para fusionar dos componentes segundos antes de depositar la mezcla en la estructura. El primer elemento es el hormigón y, el segundo, un acelerador químico. Estos materiales se mezclan dentro de la boquilla, justo antes de la extrusión, para acelerar el proceso de curado del hormigón al tiempo que garantiza un control preciso sobre la estructura, minimizando la deformación.