Un simulador de impresión 3D en concreto mejora la resistencia y el diseño

La impresión 3D en concreto ha revolucionado la construcción al reducir tanto el tiempo como los costos, eliminando la necesidad de encofrados tradicionales, que son moldes temporales para el vertido. Sin embargo, la mayoría de los sistemas actuales dependen de métodos basados en extrusión, que depositan el material muy cerca de una boquilla, lo que dificulta la impresión alrededor de barras de refuerzo (rebars) sin riesgo de colisión. Esto limita tanto la flexibilidad de diseño como la integridad estructural de las construcciones.

Un equipo liderado por Kenji Shimada en el Laboratorio de Ingeniería Computacional y Robótica de la Universidad Carnegie Mellon (CERLAB) ha superado esta limitación con un nuevo simulador para la impresión 3D de concreto por pulverización. "La impresión 3D de concreto por pulverización es un nuevo proceso con fenómenos físicos complicados", explicó Shimada, profesor de ingeniería mecánica. "En este método, una mezcla de shotcrete modificada se pulveriza desde una boquilla para acumularse en una superficie, incluso alrededor de las barras de refuerzo".

La capacidad de imprimir libremente alrededor de refuerzos es especialmente importante en lugares como Japón y California, donde las amenazas sísmicas son inminentes y la resistencia estructural es crítica. "Para hacer viable esta tecnología, debemos poder predecir exactamente cómo se pulverizará y secará el concreto en la forma final", añadió Shimada. "Por eso desarrollamos un simulador para la impresión 3D de concreto por pulverización".

El nuevo simulador puede modelar los comportamientos viscoelásticos de las mezclas de shotcrete, incluyendo goteo, rebote de partículas, dispersión y tiempo de solidificación. De esta manera, los contratistas pueden evaluar múltiples trayectorias de impresión basadas en un diseño CAD con el simulador para determinar si la impresión 3D por pulverización es una técnica de fabricación viable para su estructura.

El equipo viajó a Tokio, donde la Shimizu Corporation ya opera robots de impresión 3D por pulverización para validar su modelo. En la primera prueba, el equipo se centró en la capacidad del simulador para predecir la forma basada en la velocidad de movimiento de la boquilla. Con un 90.75% de precisión, el simulador pudo predecir la altura del concreto pulverizado. La segunda prueba mostró que el simulador pudo predecir la impresión sobre las barras de refuerzo con un 92.3% y un 97.9% de precisión para el ancho y el grosor, respectivamente.

Según Soji Yamakawa, un científico investigador en el laboratorio de Shimada y autor principal del artículo de investigación del equipo publicado en IEEE Robotics and Automation Letters, una simulación de este tipo normalmente tomaría horas, si no días, en ejecutarse. "Al hacer suposiciones audaces, pudimos simplificar con éxito una simulación física supercompleja en una combinación de algoritmos y estructuras de datos eficientes y aún así logramos una salida altamente realista", comentó Yamakawa.

El trabajo futuro buscará aumentar la precisión al identificar parámetros ambientales como la humedad, optimizando el rendimiento y añadiendo simulaciones de enlucido para crear productos terminados más suaves. "Aún hay tantas aplicaciones y tecnologías que podemos desarrollar con la robótica", afirmó Kyshalee Vazquez-Santiago, coautora del artículo y candidata a doctorado en ingeniería mecánica que lidera el grupo de investigación de Manipuladores Móviles dentro de CERLAB. "Incluso en la impresión 3D de concreto, estamos trabajando con un tipo completamente nuevo de aplicación y enfoque que tiene tantas ventajas pero deja tanto espacio para un mayor desarrollo".