Impresora 3D Casa
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3D-SHAPE Y CONTOUR CRAFTING. LAS TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN APLICADAS A LA CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA: EL “RAPID BUILDING” UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Tutor: Prof. Arq. Jaume Avellaneda Estudiante: Doct. Ing. Cristina Contu LINEA: CONSTRUCCIÓN Y INOVACIÓN TECNOLÓGICA
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3D-SHAPE Y CONTOUR CRAFTING.LAS TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN APLICADASA LA CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA:
EL “RAPID BUILDING”
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
Tutor:Prof. Arq. Jaume Avellaneda
Estudiante:Doct. Ing. Cristina Contu
LINEA:
CONSTRUCCIÓN Y INOVACIÓN TECNOLÓGICA
3D-SHAPE Y CONTOUR CRAFTING. LAS TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN APLICADAS
A LA CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA: EL “RAPID BUILDING”
“Ragionare sulla costruzione delle forme complesse
significa associare alla libertà del gesto creativo una fortissima attenzione alla ricerca della tecnologia
più appropriata per realizzarle”
“Razonar sobre la construcción de formas complejas significa asociar a la libertad del acto creativo
un fuerte enfoque en la investigación sobre la tecnología más adecuada para realizarlas"
(lngrid Paoletti)
INDICE 3D-SHAPE Y CONTOUR CRAFTING. LAS TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN APLICADAS A LA CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA: EL “RAPID BUILDING”
INTRODUCCIÓN Pag. 6 OBJETIVOS Pag. 10 ESTRUCTURA DEL TRABAJO Pag. 11
PROTOTIPADO RÁPIDO Pag. 12
ANTECEDENTES DEL SISTEMA Pag. 15 CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP) Pag. 15 FASES DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP) Pag. 16
Fase 1: Creación del archivo STL Fase 2: Gestión del archivo STL Fase 3: Costrución del prototipo “Layer By Layer” Fase 4: Post-Tratamientos
TÉCNICAS PROTOTIPADO RÁPIDO (RP) Pag. 20 Estereolitografía (SLA) Polyjet Multi Jet Modelling (MJM) Drop On Demand(Selective) Laser Sintering Fused Deposition Modelling (FDM) Limitated Object Manufactoring (LOM) 3D Printing Selective Laser Melting (SLM) Electron Beam Melting
CONTOUR CRAFT Pag. 34
EL DISPOSITIVO CONTOUR CRAFT Pag. 37 El prototipo
Evolución de la máquina Contour Craft EL PROCESO CONTOUR CRAFTING Pag. 46
Los materiales El armadura Los conductos de servicio Los tratamientos superficiales
RICERCHE INFORMATICHE CORRELATE Pag. 53
D_SHAPE Pag. 57
ANÁLISIS DEL PRODUCTO: DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN Pag. 58 ANÁLISIS DEL VALOR: DESCRIPCIÓN DE LA DEMANDA Pag. 59
CONTENIDO INOVATIVO DE LA SOLUCIÓN Pag. 66 EL DISPOSITIVO D-SHAPE A4 Pag. 67
Generalidades El Proceso D-Shape Análisis de riesgo para la Tecnología de Productos Adicionales Análisis de otros factores de riesgo
DATOS CARACTERÍSTICOS DE D-SHAPE Pag. 84 Características dimensional Características electricas Características electrónicas Caterial granular Liquido de prensa Espesor de depósito Ciclo de funcionamiento y ciclo medio tiempo Resolución de impresión Productos químicos Características físicas-químicas del material de salida
ESTIMACIÓN DE DATOS DE LA PRODUCTIVIDAD DE LA MÁQUINA Pag. 89 Volumen Peso Tiempo Productividad
CONCLUSIONES Pag. 91 BIBLIOGRAFÍA Pag. 94 LIBROS Pag. 95 SITIOS WEB Pag. 95
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
7
Desde principios del siglo XX, el uso de la tecnología informática y de la
automatización ha evolucionado en muchos aspectos de la vida humana,
especialmente en la producción industrial. Diferente fue el caso en el sector de la
construcción, donde el uso de la tecnología de automatización ha sido lento
debido a:
a) la falta de adaptación de la provisión de tecnologías de fabricación
automatizada de productos a gran escala;
b) los enfoques convencionales de diseño que no son adecuados para la
automatización;
c) los límites de los materiales que puedan ser utilizados por un sistema
automatizado;
d) los gastos de las herramientas automatizadas y su gestión.
En consecuencia, la construcción de las estructuras queda una práctica manual1
1 Del: Journal of Automation in Construction – Special Issue: The best of ISARC 2002, Vol. 13, Issue 1, January 2004. (“Automated construction by contour crafting – Related robotics and information technologies”).
.
INTRODUCCIÓN
8
Un enfoque prometedor es la automatización de la producción en capas,
generalmente conocido como Rapid Prototyping (RP) o Solid Free Form
Fabrication (SFFF). Esta tecnología, ya muy desarrollada en la industria y en el
maquetismo, y permite crear objetos tridimensionales en serie a través de
procesos como:
1. Estereolitografia (STL)
2. PolyJet
3. Multi Jet Modelling (MJM)
4. Drop on Demand
5. (Selective) Laser Sintering
6. Fused Deposition Modelling (FDM)
7. Limitated Object Manufactoring (LOM)
8. 3D Printing
9. Selective Laser Melting (SLM)
10. Electron Beam Melting
Para la realización del objeto en tres dimensiones se utiliza una herramienta
clave: la impresora tridimensional2
Hay diferentes tipos de impresoras 3D en función de los materiales que se
utilizan para alcanzar el objetivo; Se pueden encontrar impresoras de yeso,
plástico, goma, resina, e incluso los polvos de metal.
.
En veinte años, el prototipado rápido ha evolucionado hasta el punto que hoy en
día permite la creación no sólo de componentes de alta calidad, empleados
directamente en implantes médicos, como piezas de maquinaria, en aplicaciones
aeroespaciales, sino también de figuras humanas a tamaño real. Por otra parte,
dado el incremento de los estudiantes universitarios que se forman en diseño
digital y que trabajan para llegar a la realización de formas complejas y de gran
escala, parece inevitable la progresión de esta tecnología en la arquitectura y
luego hacia la realización de grandes estructuras en su tamaño real.
Hoy en dia, ya se pueden hacer estructuras de hormigón de tamaño igual a 427
x 610 x 244 cm gracias aun prototipo desarrollado por el ingeniero industrial
2 Del sitio web: www.wikipedia.org
INTRODUCCIÓN
9
Behrokh Khoshnevis de la Universidad del Sur de California, EEUU, o estructuras
en piedra arenisca de 6 mx 6 m gracias a la patente desarrollada por el ingeniero
civil italiano Enrico Dini. Ambos motivan sus investigaciones con la creencia de
que la aplicación del prototipado rápido en la arquitectura es capaz de crear
proyectos complejos de forma rápida y económica, con una variedad de formas,
texturas de color y materiales.
La complejidad ya no tendrá una relación directa con el coste de obra de
momento que no se necesitará la presencia y el trabajo minucioso de mano de
obra calificada y de artesanos.
“Las estructuras impresas en varios materiales podrían incorporar elementos
caros y laboriosos como los alojamientos para los conductos [...]. Mediante la
integración de elementos como duchas, grifos, estanterías, armarios, muebles, y
mucho más, se eliminará el tiempo que a menudo se necesita para coordinar los
diferentes artesanos. El suministro de electricidad podría parecerse a los
circuitos con cables conectados a plug and play, como los que se utilizan para
ordenadores o máquinas, en calidad de una red de venas que corre debajo de la
piel del edificio, eliminando los ataques tradicionales y permitiendo de tener
energía en cualquier lugar.
Los ecologistas se alegrarán de los edificios impresos porque el 92% de los
residuos de la construcción [...]. Hay una posibilidad enorme de reducir los
residuos, porque los edificios impresos serían casi totalmente reciclables, ya que
los diferentes materiales pueden ser fácilmente desmontados y auto-ordenados
de una forma muy similar a lo que ocurre ahora a los residuos. Además, los
diseñadores podrían obtener fácilmente un análisis de los elementos
estructurales terminados, lo que permite un nuevo nivel de entendimiento y
audacia estructural, ganando en el campo la gran potencia de los ingenieros
estructurales. El óptimo para los consumidores, la duración, la cantidad de
material y el coste final de un proyecto podrán ser fácilmente conocidos de
antemano”.3
El trabajo de investigación se centrará en la comparación de estas dos nuevas
tecnologías de fabricación automatizada, la D_Shape y la Contour Crafting (CC),
3 De: “Progetto e tecnologia” de Giuseppe Morabito, Roma 1 Julio 2009.
INTRODUCCIÓN
10
aplicadas en el ámbito de la construcción. Estas técnica constructivas, basadas
en la “impresión 3D” o “Estereolitografia”, permiten crear distintos objetos
tridimensionales directamente en una base de datos digital procesada por un
CAD/CAM. Ambas utilizan máquinas especiales, equipadas con pequeñas
boquillas, mas o menos complejas, mediante las cuales se pueden inyectar
diferentes materiales en capas.
Con D_Shape pueden ser construidos edificios de piedra utilizando arena o
cualquier otro árido similar, y un aglutinante (o resina) inorgánico especial o
“tinta estructural”. Esta última, de hecho, se inyecta por las boquillas en un
plano cubierto con un granular y su composición química única le permite unir
las partículas del árido hasta formar una piedra artificial parecida al mármol.
Incluso con Contour Crafting (CC) el material se inyecta por las boquillas, con la
diferencia que este ultimo ya puede ser un mazcla de cemento.
OBJETIVOS
El objetivo principal de esta investigación es conocer el estado actual de
desarrollo y de aplicación en la arquitectura de las técnicas “Rapid Building”.
Estas técnicas contrastan con las de Control Númerico que hoy en dia se utilizan
ampliamente en diversos campos, desde la arquitectura hasta la ingeniería y la
industria; si las ultimas crean formas y elementos por sustracción de materia,
las primeras crean por adición de materia.
En la arquitectura se hace más fuerte el deseo de crear formas complejas que en
estos momentos sólo pueden obtenerse a través del trabajo de expertos
artesanos, pero a tiempo ya precios elevados.
El uso de estas nuevas tecnologías permiten:
• Una fácil creación de elementos y formas complejas;
• Un mayor nivel de precisión en la fases de proyecto y construcción;
• Investigar nuevos materiales inyectables ecosostenible;
• Una disminución en los tiempos de realización y de entrega;
• Una disminución en los costos de construcción;
• Una reducción de los residuos de la construcción y de las emisiones de
CO2;
INTRODUCCIÓN
11
• Una reducción en el gasto energético ya que existe la posibilidad de
utilizar energías alternativas para el funcionamiento de las máquinas.
ESTRUCTURA DEL TRABAJO
El trabajo se ha desarrollado en tres partes.
La primera parte se basa en la clasificación y análisis de todas las tecnologías
utilizadas hoy en día para la creación de "prototipos" y de los elementos en
serie, junto con un breve estudio histórico sobre cómo estas tecnologías han
evolucionado.
La segunda parte describe el estudio y experimentación de la tecnología
"Contour Craft", con una explicación de su evolución, del proceso de realización
de los artefactos, de los materiales y de las tecnologías informáticas
relacionadas.
La tercera parte se enfoca en la tecnología "D-Shape", ya en fase de aplicación.
Continúa con un análisis sobre la tecnología, con la descripción de los contenidos
innovadores, del dispositivo y de sus características, de los materiales
empleados, de los tiempos de producción y de los costos.
Siendo un tema nuevo y poco conocido las fuentes disponibles son limitadas. La
mayoría del material ha sido encontrado en la web, en las revistas y despues del
contacto directo con el equipo de ingenieros responsables del desarrollo de estas
tecnologías.
PROTOTIPADO RÁPIDO
PROTOTIPADO RÁPIDO
13
El prototipado rápido es un conjunto de procesos industriales que están
diseñados para crear el “prototipo” o sea “el primero objeto de una serie”.
Durante la fase de desarrollo de un producto se producen diferentes tipos
prototipos:
1. Conceptuales
2. Funcionales
3. Técnicos
4. Pre-serie.
El prototipo se puede utilizar en diversos campos de estudio para realizar
diferentes funciones. El diseño es útil para comprobar una idea, observar su
validez y eficacia; en el marketing puede ser utilizado para averiguar la
respuesta del mercado a una nueva propuesta, y en la producción puede ser útil
para averiguar un ciclo de fabricación.
En última instancia las funciones del prototipo son:
• verifica funcionalidad,
PROTOTIPADO RÁPIDO
14
• la evaluación del coste,
• la evaluación del tiempo de flujo,
• la evaluación de la respuesta del mercado.
El uso de prototipos no es sólo una necesidad sentida en los tiempos modernos,
esto se necesita desde la antigüedad, cuando su construcción fue encargada por
inventores, diseñadores y planificadores a manos de expertos artesanos y
maquetista; el uso de técnicas y materiales tradicionales como el papel y el
pergamino, simples herramientas de dibujo, ahora van a estar en conflicto con
las demandas diarias de la competencia global que se basada en la reducción de
los plazos y costos. Para responder a estas demandas del mercado, se ha estado
desarrollando una técnica especial e innovadora para la creación de un prototipo
llamado “Rapid Prototyping (RP) o Prototipado Rapido”.
El término “Prototipado Rápido” es un conjunto de procesos que realiza objetos,
modelos y componentes mediante la adicción del material layer by layer, o sea
por capas, empezando de un modelo matemático del objeto creado por un
sistema de CAD en tres dimensiones1
A diferencia de todos los métodos tradicionales de mecanizado a control
numerico que consiguen la forma deseada para sustracción de materia de un
bloque, las técnicas de RP trabajan con un concepto contrario, fabricando capas
de material que pueden ser líquidos, polvos, alambres o laminados. Capa por
capa, estas máquinas reconstruyen el objeto representado por el modelo
matemático inicial, utilizando procesos de salida rápida, flexibles y altamente
automatizados. Esta tecnología de producción es también conocida como Layer
Manufacturing y permite obtener prototipos con una amplia gama de materiales,
independientemente de la forma y complejidad geométrica, en poco tiempo y sin
utilizar herramientas. El prototipado rápido es el intento más exitoso para
transformar las ideas de los diseñadores en un objeto sólido y concreto.
.
1 Del sitio web: http://it.wikipedia.org/wiki/Stereolitografia.
PROTOTIPADO RÁPIDO
15
ANTECEDENTES DEL SISTEMA
El desarrollo de las primeras máquinas de RP se debe a la idea de Charles W.
Hull, que en el año 1982 fundó el 3D Systems Inc., empresa matriz de la
industria americana que cinco años después produjo el primer aparato para la
estereolitografía, SLA-1 (StereoLitographic Apparatus)2. Estudios posteriores por
parte de un número creciente de investigadores y usuarios, llevó, gracias a la
influencia cada vez mayor de los sistemas CAD, a la evolución de esta tecnología
y a la creación de nuevas generaciones de máquinas capaces de alcanzar objetos
a partir de máquinas SLA empezando por su definición geométrica electrónica.
La investigación ha llevado al desarrollo y consolidación de diferentes tecnologías
como el Selective Laser Sintering (o SLS), el Fused Deposition Modeling (o FDM),
el Laminated Object Manufacturing (o LOM)3
• reducir el tiempo de procesamientos y las tolerancias dimensionales;
; también han favorecido su
desarrollo prestacional a:
• mejorar el acabado superficial, la resistencia a las variables climáticas,
mecánicas, térmicas y químicas.
CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP)
El prototipado rápido es una técnica que está en constante evolución, tanto en
materiales como en maquinaria; por este motivo los fabricantes han desarrollado
y están desarrollando una técnica basada en el tipo materiales empleados. Es la
materia y, en particular su estado natural líquido, sólido o granular (polvo), que
determina la clasificación de las técnicas de RP.
Los materiales que se utilizan hoy en día son más de tipo polvos, ya que,
teóricamente, se pueden crear objetos de diferentes características mecánicas y
estéticas al cambiar el tipo de polvo, pero manteniendo la misma máquina. El
polvo puede ser de uno o dos componentes según la presencia de un ligante.
Hay técnicas que se basan en el uso de líquidos, se componen principalmente de
resinas que se hacen polimerizar, y de sólidos como alambres o laminados.
2 Idem. 3 Del sitio web: http://it.wikipedia.org/wiki/Prototipazione_rapida.
PROTOTIPADO RÁPIDO
16
FASES DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP)
El prototipado rápido puede compararse con el funcionamiento de la imprenta de
texto, en este caso el proceso se presenta un poco más complicado. Las fases
que conducen a la creación del prototipo son:
• FASE 1: Creación del archivo STL;
• FASE 2: Gestión del archivo STL;
• FASE 3: Costrucción del prototipo “layer by layer” (capa por capa);
• FASE 4: Post-tratamientos4
.
Figura 1. Fases del Prototipado Rápido.
Fase 1: Creación del archivo STL
Es la fase preliminar a la generación de prototipos reales y consiste en la
concepción del archivo STL y su verificación; el archivo STL describe el objeto
mediante la descomposición de su superficie interna y externa, en forma de
4 Del sitio web: http://www.apri-rapid.it/prot-rap.htm.
PROTOTIPADO RÁPIDO
17
triángulos, utilizando el lenguaje de programación se dice que se hace un “mesh”
(malla) de las superficies de los objetos.
El desglose de las superficies curvas en caras triangulares introduce
inevitablemente un error que se evalúa midiendo la distancia entre el centro de
gravedad del triángulo y la superficie original. Se puede densificar el número de
triángulos en presencia de una superficie curva porque mayor es el número de
estos triángulos mejor será el aproximación de la superficie.
STL es el acrónico de Standard Triangulation Language To Layer y fue
desarrollado por el “3D Systems”; en la actualidad es el estándar aceptado por
casi todos los sistemas de prototipado rápido en el mercado.
La fase de generación del archivo STL se puede descomponer en dos sub-fases:
La primera compete al proyectista y consiste en la realización del modelo
matemático en CAD, segun dos maneras:
1. Mediante el uso integral de software CAD: esta solución permite tanto de
realizar un producto que ya está definido en la cabeza del proyectista
como de modificar un producto existente del cual ya se posee el modelo
matemático. Cuando se diseña el prototipo en el CAD y se utilizan
modeladores de superficies se debe prestar especial atención al cierre y
conexión de todas las áreas, con el fin de evitar lagunas o solapamientos
que pueden afectar el resultado del trabajo de modelado.
2. Mediante el uso de técnicas de ingeniería inversa: esta solución es útil
cuando no se tiene o no existe un modelo matemático; en este caso se
debe proceder con las técnicas de ingeniería inversa (reverse
engineering), es decir, que se explora la superficie del objeto que se
desea en el modelo CAD utilizando herramientas especiales que
devuelven un número determinado de puntos, o “nube de puntos”, que
pertenece al área de escaneo. La nube es procesada por el CAD o el
softwares dedicado para obtener un modelo matemático tridimensional.
PROTOTIPADO RÁPIDO
18
Figura 2. Ejemplo del modelo 3d con la descomposición de la superficie en triangulos (“mesch”).
La segunda sub-fase es crear la extensión de archivo.STL (Standard
triangulación Language) por utility especial de exportación o directamente de los
CAD, si esta utility se integra, o previamente guardar en un formato intermedio
(Iges, Acis-Sat) y luego realizar el STL con un software dedicado. Para lograr el
archivo.STL y un modelo de buena calidad es necesario reducir al mínimo el
número de pasos sin perjudicar el modelo matemático.
Fase 2: Gestión del archivo STL
Una vez generado el archivo.STL hay que verificar que no tenga errores a través
de un software dedicado, como la “Magics RP” de Materialise; luego el archivo he
procesado por la máquina para las fases siguientes:
1. La orientación de la pieza: permite seleccionar la dirección de un
crecimiento óptimo del producto, que influye en la precisión dimensional,
en el acabado superficial, en el tiempo y coste de producción.
2. La generación de soportes: es necesaria para algunas técnicas y sirve
para soportar la pieza.
3. El slicing: prevee una ulterior elaboracion del archivo, que debe ser
seccionado con una serie de planos perpendiculares a la dirección de
crecimiento para obtener las coordenadas del contorno de cada sección.
Ejecutar el “slicing” significa generar “cortes o capas” que se superponen
entre sí para crear el sólido final.
El “slicing” es la operación más importante del proceso ya que determina las
características de la superficie acabada, y puede ser de tipo uniforme o aditivo.
PROTOTIPADO RÁPIDO
19
El slicing de tipo uniforme da lugar a capas de un espesor constante, mientras el
tipo aditivo permite de eligir el espesor en función de la curvatura de la
superficie al fin de evitar o reducir al mínimo el “efecto staircase” o efecto a
escalera que se genera cuando las superficies externas son inclinadas.
En este último caso, por lo tanto, la precisión del modelo es considerablemente
mejor, sin aumentar el peso del archivo enviado al sistema de prototipado. La
máquina RP construye las secciones en secuencia y estas tienen espesores que
van desde 0,05 hasta 0,5 mm, dependiendo de la tecnología utilizada.
Fase 3: Costrución del prototipo “Layer By Layer”
En esta fase el archivo.STL o el slice se envían a la máquina de prototipado,
dependiendo del modelo, para proceder con el depósito del material “layer by
layer” (capa por capa) hasta la realización del objeto final. En función del
tamaño del objeto y particularmente su altura, esta fase puede durar varias
horas, así que una cuidadosa elección de la orientación es importante tanto para
el acabado de la superficie cuanto para reducir el tiempo-máquina.
Fase 4: Post-tratamientos
Son operaciones manuales y su objetivo es quitar el objeto impreso desde la
máquina, librarlo de los soportes del material, el exceso y quizás agregar los
ultimos detalles. Estas operaciones pueden ser simples cuando se trata de
eliminar el exceso de polvo del prototipo, o un poco más complicadas, como es
el caso de la técnica Polyjet, que necesita el empleo de una lavadora a presión
para eliminar el líquido de soporte. En otros casos, las superficies pueden ser
mejoradas mediante tratamientos que necesitan el uso de papel de lija o barniz5
.
5 Idem.
PROTOTIPADO RÁPIDO
20
TÉCNICAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP)
Estereolitografía (SLA)
El proceso de estereolitografía o StereoLitographic Aparatos (SLA) consiste en
cuatro tecnologías diferentes: la láser, la óptica, la química de fotopolímeros y
software. Esta es la primera técnica desarrollada y también se puede considerar
el sistema de RP más importante y más difundido, que se basa en la
polimerización de un líquido como resultado de un láser.
Este proceso sigue cuatro fases principales:
1. Preparación: se predispone una estación de trabajo (workstation) donde
se posicionará la pieza final y los soportes necesarios para su apoyo
durante su realización.
2. Costrución: a través de sistemas adecuados de óptica, se localiza un rayo
láser con una potencia de decenas de mW en la superficie del tanque que
contiene un monómero epoxi líquido, y lo que hace es desencadenar una
reacción química en cadena que tiene como efecto la polimerización y la
consiguiente creación de una partícula sólida.
El movimiento del láser en el plan y el bajar del mismo plan permite la
realización de la primera sección del prototipo, que tendrá un espesor
igual a la del polímero foto-solidificado; luego un sistema de
recubrimiento de precisión cubre la sección de nueva construcción de una
película de monómero líquido y el proceso comienza de nuevo con la
PROTOTIPADO RÁPIDO
21
consolidación de un estado siguiente, que se adhiere firmemente a la
sección de abajo, hasta la realización del prototipo. Para reducir el tiempo
de construcción el láser no solidífica totalmente la sección, pero sólo cura
el contorno exterior de las superficies y las conecta con una estructura de
panal. La pieza obtenida (green part) se solidifíca, pero no del todo, en su
parte exterior y por lo tanto la consistencia física todavía no es aceptable
y se habrá que someterla a un post-tratamiento para completar el
proceso de polimerización que consiste en la exposición de la pieza a una
lámpara ultravioleta durante un período más corto o más largo
dependiendo de su tamaño. Asì se completará la polimerización de la
resina líquida que sigue atrapada en el interior de la pieza (que se llama
red part). Terminado el post-tratamiento se prevee la eliminación de los
soportes y se da el acabado de la pieza.
3. Limpieza
4. Post-tratamiento.
1) Desarrollo del modello con CAD.
2) Desarrolo del CAM para traducir el modelo en slice.
3) Líquido que polimeriza (pasa al estato solido) en presencia de luz láser.
4) Mecánica que, por medio del ordenador, baja el plan de apoyo del prototipo (tray) y ese mismo
realizando en secuencia los slice.
5) El generador de la luz láser, dirigido por el ordenador, crea el prototipo por polimerización.
Figura 3. Diagrama de funcionamiento del proceso de esterolitografía (SLA).
PROTOTIPADO RÁPIDO
22
Figura 4. Creación de un prototipo con el proceso de Estereolitografía.
Las principales características que debe tener un fotopolímero para su uso en
estereolitografía son:
• Alta reactividad a la radiación láser
• Viscosidad estable y controlable
• Limitada volatilidad
• Limitad toxicidad
• Baja contracción
• Bajo nivel de energía de activación
• Alta reactividad a la radiación láser
• Buenas propiedades mecánicas después de la polimerización.
El experimentación permitió la creación de fotopolímeros con alto rendimiento
que optimizan estas características6
.
Polyjet
En el sistema Polyjet el prototipo se realiza mediante la impresión a chorro de un
polímero o, más precisamente, por la superposición de fotopolímeros líquidos
sensibles a la luz ultravioleta.
A partir del archivo.STL, los pasos para la evolución de la aplicación son:
6 Del sitio web: http://it.wikipedia.org/wiki/Stereolitografia.
PROTOTIPADO RÁPIDO
23
1. una cabeza de impresión multi-inyector (boquillo) se mueve depositando
de manera selectiva el fotopolímero después de determinar el perfil de la
sección con la operación de corte;
2. dos lámparas ultravioleta, situada detrás del cabezal de impresión y en
solidaridad con esto, solidífica la sección (capa);
3. el plan de trabajo baja en la dirección Z de una medida igual al espesor
de la sección (capa), completado el depósito de una sección;
4. el proceso empieza otra vez hasta la finalización del prototipo.
Figura 5. Creación de un prototipo con el proceso de Polyjet.
Terminada la fase de construcción se retiran los soportes y la pieza está lista
para el acabado manual y el uso.
A diferencia de la estereolitografía no se requiere un post-tratamiento, ya que la
capa depositada es completamente solidificada por lámparas UV7
.
Multi Jet Modelling (MJM)
El procedimiento de ejecución del prototipo es similar al Polyjet, la diferencia
clave es que en este caso está presente la tercera dimensión, que se obtiene al
mover a lo largo del eje Z la plataforma de trabajo. El corazón del sistema es el
cartucho multi-inyector (boquilla) de la impresora que inyecta, cuando sea
7 Del sitio web: http://www.apri-rapid.it/prot-rap.htm.
PROTOTIPADO RÁPIDO
24
necesario, un líquido termoplástico que se solidífica y se adhiere a la capa
anterior.
Los pasos del proceso de construcción son:
1. la cabeza se coloca sobre la plataforma de trabajo para iniciar la
generación de los prototipos;
2. la cabeza genera la primera capa mediante el depósito de material
durante el movimiento en el plano XY;
3. la plataforma baja y se empieza a depositar la siguiente capa;
4. el proceso sigue, capa por capa, hasta la completa realización del modelo.
Terminada la fase de construcción se retiran los soportes y la pieza está lista
para el acabado manual y el uso.
Figura 6. Creación de un prototipo con el proceso de Multi Jet Modelling (MJM).
Drop On Demand
El procedimiento de ejecución del prototipo es similar al Multi Jet Modelado. El
centro del sistema se compone de dos cabezales independientes que expulsan,
previa solicitud, un líquido termoplástico que se solidífica y se adhiere a la capa
anterior.
Los pasos del proceso de construcción son:
1. las cabezas se colocan por encima de la plataforma de trabajo para iniciar
la generación de los prototipos;
PROTOTIPADO RÁPIDO
25
2. las cabezas durante el movimiento en el plano XY, deponen en secuencia
el material de construcción y el de soporte;
3. la plataforma baja y se empieza a depositar la siguiente capa;
4. el proceso sigue, capa por capa, hasta la completa realización del modelo.
Terminada la fase construcción se retiran los soportes y la pieza está lista para el
acabado manual y el uso8
.
Figura 7. Creación de un prototipo con el proceso de Drop on Demand.
(Selective) Laser Sintering
Con la sinterización, el prototipo se realiza mediante un láser y polvos
termoplásticos, metálicos o de sílice. El proceso se lleva a cabo en una
habitación donde la atmósfera se mantiene inerte y la temperatura está cerca de
la fusión del polvo; estas precauciones son necesarias para minimizar la energía
requerida por el láser (utilizando láser a CO2 entre 50W 200W) y reducir al
mínimo los efectos del cambio de fase. El proceso implica los siguientes pasos:
1. se deposita una capa de polvo en el elevador y luego se presiona con un
rodillo para que la superficie quede completamente plana;
8 Idem.
PROTOTIPADO RÁPIDO
26
2. se emite una radiación láser de sinterización del polvo para consolidar la
sección;
3. el elevador baja de el espesor deseado y el proceso puede empezar de
nuevo hasta completar la construcción del prototipo.
Figura 8. Creación de un prototipo con el proceso de (Selective) Laser Sintering.
En este proceso no se utilizan los soporte porque la pieza se apoya sobre el
polvo que no ha sido sinterizado.
La pieza terminada (red part) debe ser quitada y limpiada del polvo de
sinterización; las piezas de polímero generalmente no requieren tratamiento
posterior, mientras las de cerámica y de metales tienen que someterse a un
tratamiento térmico que aumenta las propiedades mecánicas. La característica
constructiva no permite el acabado de la pieza con tela de esmeril, por lo que la
porosidad de la superficie se elimina a través de operaciones de infiltración con
cera o recubrimiento con resina epoxi9
.
Fused Deposition Modelling (FDM)
Con este sistema el prototipo se realiza utilizando alambres y varillas de
diferentes materiales.
El corazón del sistema es la cabeza de extrusión que funde el material (a una
temperatura que depende de la materia, por ejemplo el ABS unos 270 ° C) y lo
9 Del sitio web: http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_laser_sintering.
PROTOTIPADO RÁPIDO
27
deposita en capas delgadas utilizando un inyector calibrado. La cabeza de
extrusión movendose en el plan crea el contorno de la sección en construcción.
La primera sección está construida sobre una base que se mueve verticalmente
y permite la construcción del prototipo. Una vez realizado el perímetro interior y
exterior de la sección, la cabeza de extrusión tendrá que llenar el espacio entre
ellos para aumentar las propiedades mecánicas del prototipo.
Figura 9. Creación de un prototipo con el proceso de Fused Deposition Modelling (FDM).
El prototipo generado por este sistema no requiere ningún post-tratamiento ni
soportes ya que son generados automáticamente por el software de gestión.
El control de temperatura del cabezal de extrusión y de la zona de trabajo es
esencial para la interpretación correcta de la pieza.
El proceso tiene la ventaja de ser “limpio” en términos de impacto ambiental y la
estación de trabajo se puede instalar junto al ordenador donde se construye el
modelo CAD.
Los materiales utilizados tienen un bajo punto de fusión y algunos de estos son
de cera, ABS, ABS-metacrílico.
PROTOTIPADO RÁPIDO
28
Las dimensiones de trabajo de los sistemas FDM varían desde 250 x 250 x 250
mm a 600 x 500 x 600 mm.
Limitated Object Manufactoring (LOM)
La Limitated Object Manufactoring, o laminación de hojas de papel, es una
técnica capaz de construir prototipos de gran tamaño en menos tiempo del que
se puede lograr con otros sistemas de creación de prototipos. Como su nombre
lo indica, el prototipo se realiza por la unión progresiva, una encima de otra, de
hojas de papel en el que posteriormente se elabora la sección de la pieza
mediante corte mecánicos o por láser.
Los pasos para la realización de la pieza son:
1. pegamento y corte de las secciones: es la fase de construcción del
prototipo controlada por ordenador que utiliza el láser para el corte de la
sección. Al final se obtiene un paralelepípedo de material laminado de la
que extraer, con mucho cuidado y con las herramientas apropiadas, la
pieza. Es un proceso similar a un post-tratamiento. La función de soporte
se realiza con el papel en exeso despues del corte;
2. acabado: la apariencia y textura de una pieza obtenida por la técnica de
estraficación de capas es similar a la madera contrachapada, pero
presenta una fuerte anisotropía en la dirección perpendicular a la
construcción con alto riesgo de delaminación. Se puede obtener un buen
acabado superficial mediante la aplicación de un tratamiento con tela de
esmeril, también debe ser tratado con una pintura impermeabilizante
para evitar la ocurrencia de deformaciónes causadas por la humedad de
la atmósfera10
10 Del sitio web: http://en.wikipedia.org/wiki/Laminated_object_manufacturing.
.
PROTOTIPADO RÁPIDO
29
Figura 10. Creación de un prototipo con el proceso de Limitated Object Manufactoring (LOM).
3d Printing
Esta tecnología creada originalmente para la producción de conchas de cerámica
y desarrollado en el MIT de Boston, y ha encontrado una aplicación considerable
en la producción de componentes de metal y en el modelado conceptual.
Como en el sinterizado por láser se utilizan polvos para crear el prototipo; la
gran diferencia entre los dos sistemas es que en el 3D Printing los polvos
cerámicos, metálicos o de celulosa, no se unen por sinterizado si no por un
adhesivo inyectado mediante la impresión de chorro de tinta. No se necesitan
soportes para la pieza, sino que esta debe ser cuidadosamente extraída del
polvo.
El sistema de unión debe tener ciertas características:
• La solución inyectada debe contener un alto porcentaje de adhesivo y
tener baja viscosidad;
• La solución debe ser ligeramente conductora para facilitar el labor del
cabezal de impresión;
• El adhesivo se debe secar con rapidez antes de poder aplicar una segunda
capa de polvo.
PROTOTIPADO RÁPIDO
30
Figura 11. Creación de un prototipo con el proceso de 3d Printing.
Se requiere un post-tratamiento de tipo termico y químico, para evitar que la
pieza se deteriore y además para mejorar las caracteristicas mecánicas del
producto; en particular, se realizan tratamientos de infiltración para asegurar
que el producto sea macizo11
.
Selective Laser Melting (SLM)
La Selective Laser Melting es una variante del clásico sinterizado selectivo por
láser. Las diferencias con respecto a este último son las siguientes:
• el uso de un polvo metálico sin la adición de elementos que tienen un
bajo punto de fusión;
• la necesidad de proporcionar una densidad de energía mucho más alta
para la fusión del polvo; es decir, se necesita una fuente láser de alta
potencia.
La ventaja es que se obtiene un elemento masivo de alta densidad, con
características metalúrgicas idénticas a las de las piezas fabricadas con procesos
de fabricación convencionales.
11 Del sitio web: http://www.apri-rapid.it/prot-rap.htm.
PROTOTIPADO RÁPIDO
31
El proceso de construcción, que se llevará a cabo en una cámara donde se pone
un gas inerte para evitar la oxidación de la materia durante su interacción con la
radiación láser, implica los siguientes pasos:
1. el polvo de metal se deposita, presionado y aplanado, encima del plan de
trabajo de la máquina;
2. la radiación láser se enfoca en el plano XY con un sistema de espejos con
el fin de fundir selectivamente las partículas metálicas logrando la seccion
deseada y, al mismo tiempo, uniendola a la anterior;
3. el elevador baja hasta el espesor deseado y el proceso empieza otra vez
para completar la construcción de la pieza.
Figura 12. Creación de un prototipo con el proceso de Selective Laser Melting (SLM).
Para extraer el prototipo de la cama de polvo no tratado hay que subir el
elevador al final de la construcción. La superficie del componente obtenido de
este modo se puede mejorar por proyección de arena o practicando un acabado
manual clásico. El prototipo aun se puede editar y personalizar mediante la
perforación mecanizada, el fresado y el roscado12
.
12 Idem.
PROTOTIPADO RÁPIDO
32
Electron Beam Melting
El Electron Beam Melting es una variación a la sinterización láser selectiva
clásica, se diferencia por:
• el uso de un polvo metálico sin la adición de elementos con un bajo punto
de fusión;
• necesidad de proporcionar una densidad de energía mucho más alta para
llevar a la fusión del polvo mediante haz de electrones.
La ventaja es obtener un elemento masivo de alta densidad, con características
metalúrgicas idénticas a las de las piezas fabricadas con procesos de fabricación
convencionales.
El proceso de construcción, que se llevará a cabo en una cámara donde se crea
un vacio para prevenir la oxidación de la materia, implica los siguientes pasos:
1. el polvo de metal se deposita, presionado y aplanado, encima del plan de
trabajo de la máquina;
2. un sistema de espejos en el plano XY enfoca el haz de electrones y funde
selectivamente las partículas de metal produciendo la sección deseada
que al mismo tiempo, se adhiere a la anterior;
3. el elevador baja hasta el espesor deseado y el proceso empieza otra vez
para completar la construcción de la pieza.
Figura 13. Creación de un prototipo con el proceso de Electron Beam Melting.
Al final de la construcción del prototipo se sube el elevador para extrarlo de la
cama de polvo no tratado. La superficie del componente obtenido de este modo
PROTOTIPADO RÁPIDO
33
se puede mejorar por proyección de arena o practicando un acabado manual
clásico. El prototipo aun se puede editar y personalizar mediante la perforación
mecanizada, el fresado y el roscado13
13 Del sitio web: http://it.wikipedia.org/wiki/Prototipazione_rapida.
.
CONTOUR CRAFTING
CONTOUR CRAFTING
35
Esta nueva tecnología de fabricación ha sido patentado por el ingeniero Behrokh
Khoshnevis, profesor de Industrial & Systems Engineering y Civil &
Environmental Engineering, director de Manufacturing Engineering Graduate
Program y del Center for Rapid Automated Fabrication Technologies (CRAFT) de
la Universidad del Sur de California (EEUU).
Su investigación deriva del deseo de crear herramientas inteligentes que puedan
realizar automáticamente las funciones y trabajos actualmente realizados de
manera convencional por los seres humanos. Por esta razón comenzó a estudiar
los sistemas CAD/CAM, la robótica y la mecatrónica, es decir, proyectos de
investigación relacionados que desarrollan el Solid Free Form o Rapid Prototyping
de los procesos de Contour Crafting y SIS, de la construcción automatizada de
estructuras civiles, de los sistemas CAD/CAM utilizados para aplicaciones
biomédicas (por ejemplo la odontología, la restauración, la rehabilitación de
ingeniería, etc), de los autómatas y robots móviles y modulares para
aplicaciones de ensamblaje en la tierra y en el espacio, de las tecnologías para el
sector del petróleo y gas.
El Contour Crafting es una tecnología de fabricación por capas (Layer by Layer),
que utiliza el control del ordenador para crear objetos grandes y pequeños,
CONTOUR CRAFTING
36
cuyas superficies lisas pueden ser planas o de forma libre y de diferentes
materiales como polímeros, mezclas de líquido de cerámica, cemento, etc
(Figura 1-2). Las ventajas del Contour Crafting es la buena calidad de las
superficies realizadas, la velocidad de fabricación y la capacidad de integrar la
máquina con otras tecnologías de robótica.
En la construcción de los edificios la maquina principal puede trabajar junta con
otras secundarias permitiendo la instalación de los componentes internos, tales
como tuberías, conductos eléctricos y módulos de potencia para la mejora de
propiedades mecánicas.
Figura 1-2. Ejemplos de objetos creados por el sistema Contour Craft
Desde los tiempos antiguos artistas y artesanos han utilizado herramientas
simples tales como paletas, cuchillos y espátulas (Figura 3), con una o más
superficies planas para modelar los materiales. Estas herramientas están ceñidas
por el uso de moldes para crear superficies y formas especificas como los de
techos y paredes de las villas del Renacimiento, del Barroco y del Art Nouveau,
que aún se pueden apreciar.
Figura 3. Herramientas comunes
CONTOUR CRAFTING
37
Con el tiempo la que eran simples herramientas para la modelación han ido
evolucionando con la intención de seguir los dictados de las nuevas
generaciones, mejorado hasta tal punto de conviertirse en pequeños dispositivos
mecánicos. Sin embargo, a pesar de los avances en el proceso de mecanización
de control numérico y de la robótica, el método de utilizar estas herramientas
simples pero potentes sigue siendo, en la mayoría de los casos, manual, y su
uso se limita a la construcción de modelos y a trabajos en yeso.
El Contour Crafting se aprovecha de la utilización de tecnologías informáticas, de
ordenadores y softwares para proyectar, diseñar y realizar los modelos; además,
el enfoque por capas permite la creación de formas libres con un menor uso de
herramientas manuales y mano de obra especializada con respecto al
requerimiento de las técnicas artesanales tradicionales.
EL DISPOSITIVO CONTOUR CRAFT
El prototipo
La característica clave del Contour Crafting es la presencia en la maquina de dos
paletas dispuestas perpendicularmente entre sí, en forma de L invertida, que
actuan como dos superficies sólidas planas. Estas dos paletas límitan el flujo
vertical y horizontal del material líquido que sale de la máquina, permitiendo la
creación del objeto deseado, cuyas superficies son excepcionalmente lisas y
precisas1
La orientación de la paleta vertical-lateral puede ser controlada dinámicamente y
puede tomar un ángulo de diferente inclinación, más o menos acentuado en
función de las características de la superficie que se quiere obtener (Figura 4-5-
6-7).
.
1 Del: Journal of Automation in Construction – Special Issue:The best of ISARC 2002, Vol 13, Issue 1, January 2004 (“Automated construction by contour crafting – Related robotics and information technologies”).
CONTOUR CRAFTING
38
Figura 4 Figura 5
Figura 4-5-6-7. Detalle de la boquilla y de las paletas
El prototipo de máquina para el proceso de Contour Craft se compone de (Figura
8-9):
− Un tanque de material;
− Una boquilla para la extrusión del material;
− Dos paletas ortogonales entre sí;
− Un sistema para el control mecánico de las paletas2
.
Figura 8. Componentes de la máquina Contour Craft
2 Del: Int. J. Industrial and Systems Engineering, Vol. 1, No. 3, 2006 (“Mega-scale fabrication by contour crafting”)
CONTOUR CRAFTING
39
Figura 9. Componentes de la máquina Contour Craft
Evolución de la máquina contour craft
Dependiendo del objeto que se desea realizar, la máquina se vuelve más
compleja y aumenta su número de componentes, convirtiéndose en un sistema
de pórtico que lleva los inyectores y el brazo para el posicionamiento de los
elementos de soporte y además se mueve sobre dos carriles paralelos instalados
en la obra (Figura 10-11).
Figura 10 Figura 11
Figura 10. Construccion convenzional de edificio por maquinas Contour Craft.
Figura 11. Construccion de edificio en adobe por maquinas Contour Craft.
CONTOUR CRAFTING
40
Este sistema permite construir una casa unifamiliar o un conjunto de casas, de
forma automática y en un único paso y se aplicaría también para la realización
de estructuras curvas que por sus características de forma no necessitan de
soportes (Figura 12-13).
Figura 12-13. Boquilla compleja para la construcción de formas sin empleo de soportes
Para la construcción de estas estructuras se aprovecha de los conocimientos de
CalEarth, (The California Institute of Earth Art and Architecture ver
www.calearth.org), sistema que utiliza un inteligente y antiguo método de
construcción manual por capas (Figura 14-15)3
.
Figura 14-15. Manual de construcción de estructuras de ladrillo de adobe (Khalili, 2000).
3 Idem.
CONTOUR CRAFTING
41
Figura 16-17. Desarrollo de máquinas Contour Craft para elaborar estructuras sin apoyo.
El uso de una estructura robótica de pórtico requiere, sin embargo, una gran
preparación del lugar debido a su tamaño. Por esta razón se está impulsando la
investigación hacia el desarrollo de pequeños robots móviles (Figura 18-19-20-
21).
Figura 18-19. Prototipos de robots móviles
Figura 20-21. Prototipos de robots móviles
Su acción coordinada sería gestionada desde una cabina de control fija, equipada
con sensores de posición que permiten al robot de posicionarse en ciertos puntos
del espacio de trabajo. A su vez, cada robot estará equipado con sensores
inteligentes que le permitan reanudar el procesamiento desde el último punto
CONTOUR CRAFTING
42
realizado, o evitar la construcción de cualquier tipo de objeto durante su
movimiento.
También, podrían ser equipados de un brazo extensible que le permitiría
impulsar la construcción de estructuras de elevación; además podría proveerse
de un sistema de recarga del material almacenado en tanques que estarían
dispuestos cerca del área de trabajo (Figura 22-23)4
.
Figura 22-23. Prototipos de robots móviles equipados de brazo extendible
Para la realización de cubiertas planas, el uso de pequeños robots sería
demasiado complicado. Por esta razón, las vigas, a la cual se les adjunta una
hoja delgada, pueden ser seleccionadas y posicionadas en la estructura por los
dos robots fijos, de tamaño mayor, situados fuera de la estructura y que
trabajan en colaboración.
Un enfoque alternativo consiste en utilizar el sistema de NIST RoboCrane que
puede ser instalado sobre una grúa convencional (Figura 24-25-26).
Figura 24. Detalle del NIST RoboCrane
4 Del sitio web: www.contourcraft.org (“Automated Construction by Contour Crafting”).
CONTOUR CRAFTING
43
Figura 25-26. Sistema NIST RoboCrane montado sobre una grúa
Además de la pinza para el movimiento de las vigas, el NIST RoboCrane puede
transportar un tanque y una especial boquilla Contour Craft para la distribución
del material en el techo (Figura 27).
CONTOUR CRAFTING
44
Figura 27. NIST RoboCrane para la costrucción del techo.
El enfoque de robótica móvil (Figura 28) tiene varias ventajas:
− la facilidad de transporte e instalación (montaje);
− la posibilidad de construcción simultánea con múltiples robots que
trabajarían en diferentes secciones de la estructura;
− la posibilidad de aumento del número de los equipos.
Figura 28. Ejemplos de construcciónes hecho por los robots móviles.
La investigación alcanzó desarrollar máquinas Contour Craft que permiten la
fabricación de objetos utilizando una gran variedad de materiales incluyendo los
termoplásticos, los termoendurecibles y varios tipos de cerámica.
CONTOUR CRAFTING
45
Estas máquinas utilizan un sistema de pórtico XYZ, una boquilla con tres
componentes de control de movimiento (extrusión, rotación y movimiento-
desviación de la paleta) y un sistema de control de movimiento coordinado en
seis ejes5
.
Las nuevas boquillas (Figura 29-30) permiten co-extruir ambos materiales para
la realización de las caras exteriores y para el relleno.
Figura 29-30. Boquilla para la co-extrusión de materiales
5 Idem.
CONTOUR CRAFTING
46
El diseño incorpora tubos rígidos doblemente coaxiales para la extrusión del
material. Su diseño además sigue la integración simultánea de los módulos de
acero reforzado, que se complementarán más adelante (Figura 31-32).
Figura 31-32. Boquilla para la extrusión del material de relleno y el posicionamiento de los refuerzo.
El estudio de los nuevos sistemas de extrusión tiene como objetivo final fabricar
en serie las secciones de varias partes de los edificios, tales como muros que en
el interior tienen conductos de servicio.
EL PROCESO CONTOUR CRAFTING
El Contour Crafting es un método de producción "híbrido" que para obtener el
objeto final necesita combinar dos procesos:
1. El proceso de extrusión
2. El proceso de llenado
El primero se utiliza para realizar la superficie del objeto. A la boquilla de
extrusión, como ya se mencionó, están vinculadas dos paletas en forma de L
invertida. Cuando el material se expulsa o se inyecta las dos paletas lo modelan
creando superficies lisas en la parte exterior y superior de la capa.
Si el objeto que se quiere realizar no tiene superficies ortogonales, es posible
cambiar la inclinación de la paleta lateral; por lo tanto, este proceso de extrusión
realiza sólo los bordes exteriores de cada capa del objeto.
CONTOUR CRAFTING
47
El segundo, sin embargo, permite realizar el verdadero núcleo del objeto;
después de la completa extrusión de cada sección cerrada de una determinada
capa, el material se vierte o se inyecta dentro del área definida por los límites de
extrusión para llenarla6
.
Los materiales
Para realizar las superficies externas y la parte entre estas se pueden utilizar
diferentes materiales; además lo que más reaccionan químicamente entre sí
pueden ser alimentados a través del sistema de boquillas y mezclados en el
tanque inmediatamente antes de la deposición. La cantidad de cada material
puede ser controlada por ordenador y correlada con las distintas geometrías de
la estructura en construcción. Esto permitirá la construcción de estructuras que
contienen cantidades variables de compuestos diferentes en diversas regiones.
De momento que la deposición del material está controlada por el ordenador, la
cantidad exacta de materiales de construcción seleccionados, como el cemento,
pueden depositarse precisamente en los lugares especificados. De esta manera,
la resistencia eléctrica de un hormigón armado con estructuras en fibra de
carbono, por ejemplo, puede ser ajustada con precisión según lo dictado por el
proyecto.
También pueden ser incorporados a la estructura, de manera integrada y
totalmente automatizada, sensores de deformación, la calefacción en las paredes
y piso, etc.
El armadura
La integración robótica de refuerzos en mallas modulares de acero se puede
preveer en cada capa e integrar por un sistema automatizado de distribución que
los depositan y ensamblan entre los dos límites de cada capa de la pared
construida, siguiendo también la geometría de la estructura. Ademám es posible
construir una malla tridimensional para las columnas (Figura 33-34).
Una vez construidos los bordes de la pared o de la columna se vierte el cemento
(Figura 35-36-37).
6 Del: Journal of Automation in Construction – Special Issue: The best of ISARC 2002, Vol. 13, Issue 1, January 2004. (“Automated construction by contour crafting – Related robotics and information technologies”).
CONTOUR CRAFTING
48
Figura 33-34. Mallas para el refurerzo de muros y columnas.
Figura 35-36-37. Procedimiento y montaje de refuerzos de muros.
Figura 38 Figura 39
Figura 40 Figura 41
Figura 38-39-40-41. Procedimiento y montaje de refuerzos de columnas.
CONTOUR CRAFTING
49
En esta configuración, los tres componentes básicos, es decir la boquilla, el
módulo de distribución del refuerzo de acero y el distribuidor de cemento de
llenado podrian ser instalados todos en el mismo sistema de pórtico. Este
sistema puede crear formas con superficies externas lisas y estructura interior
reforzada de forma automática y en una única instalación.
Como alternativa al refuerzo del metal tradicional se pueden utilizar otros
materiales como la fibra de plástico reforzado. De momento que el orificio de la
boquilla no tiene por qué ser muy pequeño, puede distribuir la fibra de carbono o
de vidrio a través de la misma boquilla y formar un refuerzo continuo
consolidado con la matriz de los materiales a depositar.
Durante el estudio sobre la manera de integrar la máquina base con otros
componentes se pensó también en la posibilidad de instalar una segunda
boquilla, paralela a la principal, desde donde se podría depositar el refuerzo de
fibra de plástico reforzado7
.
El refuerzo se puede realizar mediante el sistema de post-tensado. El proceso
de Contour Crafting puede generar conductos donde poner los refuerzos que
serán post-tensado una vez inyectados los materiales de relleno.
Para mejorar la resistencia de las grandes estructuras de vivienda, los
investigadores examinaron el uso de una variedad de refuerzo en espiral (Figura
42). Las presiones desarrolladas utilizando la tecnología de Contour Crafting son
mayores de las que desarrollan otras tecnologías; esto hace que el material que
sale se adhiere por completo al espiral sin causar discontinuidad interna8
.
Figura 42 (a-b-c). Proceso de refuerzo por Contour Craft: (a) bobina de metal colocada en un nivel
superior, (b) una nueva capa de extrusión cubre la bobina, y (c) secciones transversales de una
parte de la bobina de refuerzo que muestra la adhesión entre las capas.
7 Del Int. J. Industrial and Systems Engineering, Vol. 1, No. 3, 2006 (“Mega-scale fabrication by contour crafting”). 8 Idem.
CONTOUR CRAFTING
50
Los conductos de servicio
La capacidad del proceso de Contour Crafting de crear cavidades en las paredes
hace posible la construcción automatizada de tuberías y redes eléctricas.
En cuanto a la fontanería (Figura 43), después de la fabricación de varias capas
de la pared, un sistema de robot inserta un segmento de tubería de cobre (u
otro material) en el interior del conducto en el que ya está instalado otro
segmento de la tubería; la misma que al entrar tiene un elemento que se
calienta (en rojo) en forma de un anillo en su parte inferior. El borde interno (o
esterno) de cada segmento de la tubería está pretratados con una capa de
soldadura. El anillo rojo calentandose derrite la soldadura en el área de conexión
y, una vez que el alineamiento entre los dos se ha completado, une los
segmentos de la tubería (Figura 44-45)9
.
Los componentes necesarios se pueden predisponer en una bandeja o en un
cargador para un fácil manejo por el sistema de ensamblaje robotizado.
Utilizando estos componentes se pueden integrar automáticamente en la
estructura diversas redes hidráulicas.
Figura 43. Sistema para la conexión de tuberías
9 Del: Journal of Automation in Construction – Special Issue:The best of ISARC 2002, Vol 13, Issue 1, January 2004 (“Automated construction by contour crafting – Related robotics and information technologies”).
CONTOUR CRAFTING
51
Figura 44-45. Conexión de tuberías
En cuanto a la conexión automática de las líneas eléctricas y de comunicación,
durante la construcción de la estructura se utiliza un enfoque modular similar a
los bus-bars industriales. Los módulos (Figura 46) tienen segmentos conductores
para la integración de las líneas eléctricas y de comunicaciones en material
eléctricamente no conductor, como un polímero, y se conectan de una manera
modular muy similar al caso de la fontanaría. Todos los módulos pueden ser
distribuidos y conectados con la robótica: una simple pinza robótica puede
agarrar el componente de una bandeja o un cargador y conéctarlo al
componente específico ya instalado.
Figura 46. Módulos electricos
La construcción automatizada podría colocar adecuadamente los módulos de
acceso exteriores detrás de las correspondientes aberturas en los muros, como
lo requiere el proyecto. La única parte manual del proceso es la inserción de los
CONTOUR CRAFTING
52
enchufes a través de aberturas en la pared en la red construida
automáticamente (Figura 47)10
.
Figura 47. Ensablaje de módulos electricos
Los tratamientos superficiales
La calidad de acabado superficial se controla desde la superficie de la paleta y es
independiente del tamaño del orificio de la boquilla. En consecuencia, los
distintos aditivos tales como arena, grava, fibras de refuerzo y otros materiales
aplicables y disponibles localmente pueden ser mezclados y extruido a través de
la boquilla. Independientemente de la elección de los materiales, la calidad de la
superficie es tal que no requiere mayor preparación para la pintura.
Sin duda, un sistema automatizado de pintura puede ser integrado con la
máquina. Durante o después de la construcción estratificada de las paredes, un
brazo robótico conectado a la estructura principal, inyectará las pinturas de
acuerdo con las características deseadas. El mecanismo de pintura puede ser o
una boquilla o una cabeza de inyección de tinta, como las utilizadas para la
impresión de carteles de gran tamaño.
10 Idem.
CONTOUR CRAFTING
53
Además de la pintura también se puede realizar el revestimiento automatizado
de las paredes y de los pisos, incorporando un distribuidor de material para la
adherencia de las baldosas (Figura 48-49). Otro brazo robótico puede elegir los
azulejos de un almacén y con precisión ponerlos sobre el área tratada con
material adhesivo.
Estos brazos robóticos se pueden instalar en la misma estructura que mueve la
boquilla11
.
Figura 48. Sistema automatizado para el revestiviemto del suelo
Figura 49. Sistema automatizado para el tratamiento de las superficies
INVESTIGACIÓN INFORMATICA ACTUAL
Las componentes informáticas utilizadas por los investigadores para aplicar la
robótica móvil en el proceso de construcción Contour Crafting se puede explicar
en el siguiente diagrama (Figura 50).
El sistema de planificación de realización de una obra en principio será colocado
en un sistema virtual (simulación y animación), y posteriormente, cuando el 11 Idem.
CONTOUR CRAFTING
54
hardware necesario estará disponible, en un sistema real. Una vez conectado a
un sistema de hardware, el sistema de planificación propuesto recibirá
comentarios (feedback) durante la ejecución.
Figura 50. Componentes para la futura costrucción automatizada
Se puede explicar brevemente cada componente:
• Analysis of Contour Crafting Feasibility: Se realizan análisis sobre los
modelos, los materiales y los parámetros del proceso, para comprobar la
viabilidad de la realización del objeto por el proceso de Contour Craft. Los
requerimientos de diseño y las especificaciones del proceso se pasan
luego al sistema de planificación. Si no se comprueba la viabilidad se
informa el arquitecto responsable.
CONTOUR CRAFTING
55
• City Inspection requirements generation
•
: Las especificaciones de diseño
se comparan con los códigos de construcción locales y se genera un plan
de control de conformidad con el proceso de control de la ciudad, lo que
indica los tipos de control en diversas etapas de la construcción. Los
requisitos de control están integrados con otros requisitos del edificio y
sometidos al sistema de planificación.
High level partial plan
•
: Esta es una representación de las posibles
secuencias significativas de actividades de alto nivel (por ejemplo, la
construcción de las habitaciones de una casa). Un sistema centralizado
para la planificación de la construcción puede generar un plan total o
parcial. Si la planificación encuentra conflictos logísticos se pueden
introducir secuencias alternativas de actividades.
High level plan
Estas planificaciones de alto nivel, que especifican lo que debe hacerse en
cada lugar, también se envían al módulo de Multi-Robot Coordination.
: Estos están generados por un planificador central, cuyo
resultado incluye elementos como especificación de la ubicación de las
plataformas (es decir, los diferentes puntos estacionarios donde se anclan
los robots y desde los cuales realizan las tareas a ellos asignadas) para
las diversas etapas progresivas de la construcción, sin asignación de una
específica ubicación para los robots.
• Multi-Robot Coordination
Es una operación útil porque permite desarrollar un proceso de
fabricación de forma rápida y eficiente con la capacidad de redistribuir las
tareas si se producen acontecimientos inesperados.
: En este módulo se realiza una repartición
descentralizada de las tareas que los robots pueden cumplir teniendo en
cuenta diversos factores como el grado de idoneidad para realizar una
actividad en particular (por ejemplo, un robot equipado con una pinza
hidráulica es menos apto para la instalación de cableado eléctrico; es
necesario que cambie su pinza), el lugar donde el robot debe realizar el
trabajo, la disponibilidad de material en el depósito del robot, etc.
• Logistics Planner: Este módulo permite calcular los recursos disponibles
(tanques principales de hormigón, armadura, fontanería, módulos
eléctricos, pinturas, estaciones de carga y grandes almacenamientos de
materiales, etc), los posibles esquemas de almacenamiento, el tiempo de
entrega, etc. y trabaja en estrecha relación con el módulo dedicado a la
identificación de la localización de los robots y de las fases de
construcción que se quiere realizar en cada una de estas.
CONTOUR CRAFTING
56
• Dynamics and Control: Este módulo trata la distribución real de las tareas
y garantiza el éxito de las prestaciones. El módulo utiliza el modelado
robótico dinámico y diseña sistemas de control que incorporaran los
objetivos que van más allá del simple desarrollo de las actividades. Estos
incluyen la determinación de la mejor ubicación de las estaciones
considerando la posición del objecto que se fabricará o ensamblará, por lo
cual se necesitará un consumo mínimo de energía, el control coordinado
del robot y el sistema de distribución del material de fabricación, los
límites donde la desaceleración y la aceleración son necesarios, y así
sucesivamente12
12 Del: Journal of Automation in Construction – Special Issue: The best of ISARC 2002, Vol. 13, Issue 1, January 2004. (“Automated construction by contour crafting – Related robotics and information technologies”).
.
D-SHAPE
D-SHAPE
58
ANÁLISIS DEL PRODUCTO: DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN
La tecnología D_Shape es una técnica innovadora basada en el principio de
construcción de impresión tridimensional que utiliza el sistema de
estereolitografía.
Esta técnica constructiva permite de realizar rapidamente, de forma automática
o semiautomática y sin empleo de matrices o moldes, estructuras de
conglomerados de cualquier forma y tamaño, que sería casi imposible alcanzar
con las técnicas de construcción tradicional si no a precio elevado y en un tiempo
prohibitivo.
Los artefactos son completamente ecologicos y sostenible para el medio
ambiente porque el material químico utilizado es inorgánico, no tóxico y requiere
un bajo consumo de energía para su producción1
.
Esta tecnología se basa en dos patentes de origen italiana del ingeniero civil y
mecánico Enrico Dini. Nacido en Pontedera (Pisa - ITALIA) en 1962, procede de
una familia que tiene una larga tradición científica. Su antepasado, Ulisse Dini
fue un importante matemático y también el autor de un teorema que lleva su
nombre.
1 Del sitio web: www.dinitech.it
D-SHAPE
59
Su padre Egisto fue director del despacho de cálculos en la conocida empresa
Piaggio junto el padrino de Enrico, Corradino D'Ascanio, el inventor del
helicóptero y de la Vespa y profesor de Construcción de vehículos presentado por
Fiat2
.
La capacidad de producir estructuras huecas y porosas permite realizar
estructuras aisladas, ligeras y con un buen comportamiento en zonas sísmicas.
ANÁLISIS DE VALOR: DESCRIPCIÓN DE LA SOLICITUD
Hoy en día, la tecnología constructiva tradicional va retrasada con respecto a la
tecnología que ofrece el Computer Design.
Los nuevos softwares de CAD 3d permiten a los arquitectos el desarrollo de
diseño de formas complejas, y que son requeridas sobre todo por los
clientes/usuarios del sector público y privado.
La demanda de formas orgánicas y libres se extiende desde la realización de
pequeños artículos de mobiliario y de diseño, hasta la creación de esculturas,
objetos de mobiliario urbano, villas privadas y grandes estructuras de vivienda
pública.
Los métodos de construcción existenten impiden demostrar el potencial
alcanzado por el nuevo software con los materiales existentes, como el hormigón
y los ladrillos, que son caros y poco flexibles. Para construir un complejo de
superficies cóncavas-convexas o, en general, de doble curvatura, es necesario
proveer a la predisposición de encofrados, al montaje de andamios complejos y
al uso de personal cualificado que debe constantemente remitirse a los planes
del proyecto en papel.
Por lo tanto hay la necesidad de que fabricantes y constructores se alinien con
los medios adecuados de producción y construcción de estructuras con la
creciente demanda de formas libres propuestas cada vez más por los
diseñadores.
D_Shape permite satisfacer las dos necesidades liberando los arquitectos de las
restricciones de la construcción y ofrecendo a los constructores los medios
adecuados para su realización.
2 Del sitio web: www.d-shape.com (“D-Shape_Introduzione”)
D-SHAPE
60
De manera más general, responde a una demanda generalizada de belleza
entendida como libertad de forma.
D_Shape aporta beneficios económicos:
− al diseñador que necesita menos tiempo para la realización del proyecto;
− al fabricante que, limitando el empleo de mano de obra y el tiempo de
realizacion, reduce los gastos para crear formas complejas;
− al cliente/usuario del artefacto obtiene un elemento de alto nivel artístico
y arquitectónico.
Dentro de la gama de objetos, se pueden obtener, desde el más pequeño al más
grande, de manera casi ilimitada y direccionable a diferentes mercados:
• Interiorismo: la producción de muebles, esculturas, vigas, relieves, bajo-
relieves, columnas, capiteles, etc3
(Figura 1-2-3).
Figura 1
Figura 2
3 Del sitio web: www.dinitech.it (“Progetti”)
D-SHAPE
61
Figura 3 Figura 1-2-3. Proceso de realización de una chaise longue, desde el modelo 3d hasta la limpiadura.
• Diseño exterior: la producción de esculturas, bancos, fuentes, quioscos
para las zonas urbanas y el jardín. Un ejemplo interesante es el proyecto
que se encuentra en desarrollo en el municipio de Pontedera (Pisa -
ITALIA) y es una escultura llamada Radiolaria, diseñada por Andrea
Morgante e inspirada por un microorganismo del mismo nombre4
Figura 4
(Figura
4-5).
4 Del sitio web: www.lsdmagazine.com/edifici-stampati-la-nuova-tecnologia-costruttiva-di-d_shape (“Edifici stampati - la nuova tecnologia costruttiva di d_shape”).
D-SHAPE
62
Figura 5 Figura 4-5. Prototipo della escultura desarrollada por Andrea Morgante (Radiolaria).
• Mercado de construcción de viviendas: la construcción de bungalows y
villas en urbanizaciones turísticas de bajo impacto ambiental. Un ejemplo
es el proyecto de una vivienda de aproximadamente 1000 metros cúbicos
de realizarse en Porto Rotondo, Cerdeña, proyectada por el arquitecto
Marco Cerina (Figura 6-7-8-9-10-11-13). La ciudad de Olbia y la Facultad
de Arquitectura de Cagliari apoyan esta iniciativa que tiene como objetivo
promover una arquitectura experimental y de muy bajo impacto
ambiental5
5 Del sitio web:
.
www.dinitech.it (“Progetti”); www.d-shape.com (“D-shape”).
D-SHAPE
63
Figura 6 Figura 7
Figura 8 Figura 9
Figura 10
Figura 11
D-SHAPE
64
Figura 12 Figura 6-7-8-9-10-11-12. Desarrollo del proyecto de vivienda en Porto Rotondo (Cerdeña) en Italia.
• Mercado de construcción de viviendas sociales: la construcción de
viviendas de bajo costo.
• Mercado de construcción de edificios publicos e industriales: la realización
de grandes estructuras de forma libre hechas por partes y ensambladas.
Una carta de intención ha sido firmada por parte de SIAL-RMIT (Royal
Melbourne Institute of Technology - Spacial Information Architectural
Laboratori) y Monolite UK en Melbourne (AUSTRALIA) para crear un
programa de investigación financiado por ARC (Australian Reserach
Council).
En particular, el profesor Mark Burry, director del mismo istituto y de la
obra de la Sagrada Familia en Barcelona solicitó e hizo ensayos con
materiales hechos con la tecnología D_Shape para la realización de
ciertos elementos del santuario6
(Figura 13-14-15-16-17).
6 Del sitio web: www.dozarte.com/wordpress/2009/10/02/d_shape-costruire-tramite-stampa-3d (“D_shape: costruire tramite stampa 3d”).
D-SHAPE
65
Figura 13
Figura 14
Figura 15-16
D-SHAPE
66
Figura 17 Figura 13-14-15-16-17. Estudio para la realización del santuario en Santa Coloma de Cervelló
(Barcelona) proyectado por Gaudí.
• Otros mercados: la tecnología D_Shape puede ser aplicada en diferentes
sectores desde la Fuerzas Belicas (proyectos en curso con SegreDifesa –
Mininsterio de la Defensa) para la construcción de estructuras defensivas
en la lucha contra el terrorismo en escenarios de guerra, hasta el sector
de la Investigacione Espacial (ESA) para la construcción de edificios en la
Luna, y también hasta la construcción de estudios para la televisión, el
teatro y el cine7
CONTENIDO INOVATIVO DE LA SOLUCIÓN
.
Desde hace más de un siglo el hormigón armado, consagrado por Le Corbusier
como técnica constructiva del futuro, ha sido el sistema de construcción ganador
porque el más rápido, más barato y capaz de garantizar la vivienda a millones de
personas.
Sin embargo, en algunos casos la interpretación errónea de la idea de Le
Corbousier ha dado lugar a la distorsión del paisaje urbano, llenando las
ciudades y los suburbios con paralelepipedos fríos y rígidos en su forma.
Esta situación desde hace años nos ha acostumbrado a pensar que los edificios
no pueden asumir otra forma por lo que generaciones de ingenieros civiles han
tenido éxito con la adopción de esta tecnología constructiva, considerada la única
posible.
7 Del sitio web: www.d-shape.com (“D-Shape”)
D-SHAPE
67
D_Shape representa una innovación en la ingeniería y en la arquitectura porque
introduce un sistema de construcción automatizado en un sector donde la
manualidad sigue siendo un factor importante y limitativo para la realización de
estructuras complejas. Este sistema permite diseñar arquitecturas
completamente nuevas y libres del elemento recto y plano.
La innovación tecnológica de D_Shape no se detiene al proceso; se extiende
también al material utilizado como aglutinante o ligante. Desde hace más de un
siglo, el cemento Portland fue el aglutinante que permitió que el mismo se
propagara rápidamente porque es aparentemente económico.
En realidad, el uso de hornos rotatorios para la cocción de las margas y la
necesidad de extraer el material con palas mecánicas genera elevados costos
ambientales en términos de liberación de CO2 en la atmósfera.
El catalizador utilizado por el sistema D-Shape es de tipo natural y se puede
obtener del agua del mar mediante el proceso de desalinización, contribuyendo a
la reducción de la salinidad del mar y, teoricamente, necesitando sólo de la
energía solar para su extracción.
Este líquido no es simplemente agua sino una sal que no evapora durante el
proceso de conformación. Este proceso no genera en el conglomerado la
formación de tensiones y fracturas por la evaporación, lo que lleva también a la
formación de rocas sólidas y mucho más resistentes que un hormigón normal.
EL DISPOSITIVO D-SHAPE A4
El dispositivo D-Shape puede ser realizado en diferentes formas, tamaños y
métodos de construcción.
Entre los posibles, la Dini Engineering Inc., productor exclusivo para la Dinitech
SpA y para la Monolite UK Limited, ha diseñado y construido por primera vez el
modelo de impresora industrial llamado D-Shape A4.
D-SHAPE
68
Generalidades
Figura 18. Dispositivo D-Shape A4.
D-Shape A4 es una impresora tridimensional capaz de generar objetos de piedra
artificial del tamaño de 5 x 5,5 x 2 metros, depositando capas de material
granular de 5 mm de espesor (Figura 18).
La impresora, compuesta casi enteramente de aluminio, es como un mecano,
desmontado y vuelto a montar dentro de 8 horas con sólo el auxilio de tres
personas y de un montacargas de 1500 kg de aplicación. La modularidad de sus
componentes le permite ser fácilmente movida por los medios normales de
transporte utilizados en la construcción (Figura 19).
D-SHAPE
69
Figura 19. Detalle del mecanismo de montaje y desmontaje del dispositivo D-shape A4.
Figura 20. Dispositivo D-Shape A4.
D-SHAPE
70
Figura 21. Dispositivo D-Shape A4.
La impresora se compone principalmente de un marco plano horizontal que a
través de la acción de 4 gatos motorizados de tornillo puesto en 4 columnas le
permiten moverserse verticalmente hasta una altura de 2 metros (Figura 20-21-
22-23).
Figura 22-23. Detalle de uno de los 4 gatos motorizados.
El levantamiento está controlado por encoders incrementales con revolución de
1024 pulsos por revolución asegurando una repetibilidad de posicionamiento de
0,5 mm y puede ser activado de forma automática (por programa) o manual
(por joystick).
El marco plano y las 4 columnas constituyen una unidad rigida montada sobre
ruedas que permiten mover la máquina inmediatamente después de una sesión
de impresión.
D-SHAPE
71
Del marco plano cuelga el cabezal de impresión que es el corazón de la tecnoligía
D-Shape, mide 6 metros de largo y lleva 300 boquillas servo-conducidas vía
profibus (Figura 24-25-26-27).
Figura 24-25. Cabezal de impresión
Figura 26-27. Detalle de las 300 boquillas para la impresión.
El cabezal de impresión está montado sobre dos ejes de movimiento:
• EJE X: eje de avance con movimiento útil de 5000 mm.
• EJE Y: eje de traslación con movimiento útil de 60 mm.
Ambos ejes X e Y están controlados en su posición por medio de encoders
incrementales con 1024 pulsos por revolución.
El cabezal de impresión tiene, en su parte posterior, un espacio lineal donde se
coloca el material granular y una chapa metálica que le permite correr la arena
para formar un plan uniforme (Figura 28).
D-SHAPE
72
Figura 28. Detalle del espacio en la parte posterior del cabezal de impresión para la recogida de la
arena.
El marco plano tiene también una tolva que contiene la arena que se descarga
repetidamente en cantidad de 150 litros por ciclo (Figura 29).
Figura 29. Tolva principal para la recogida de la arena.
La dosificación de la arena en el interior del espacio lineal del cabezal de
impresión se hace mediante dispensadores temporizados puestos por debajo de
D-SHAPE
73
la tolva, que pueden funcionar de forma automática o manualmente por el
operador de comandos desde la consola (Figura 30-31-32). La tolva tiene una
capacidad de 1800 litros y puede garantizar la autonomía de la máquina para 10
ciclos o 5 cm de espesor; en la parte superior tiene un pequeño embalse de
suministro que permite la recarga automática en toda su longitud.
Figura 30. Figura 31.
Figura 32. Figura 30-31-32. Detalle del los dispensadores temporizados puesto por de bajo de la tolva.
El material granular se introduce en el embalse mediante un sistema de
aspiración a bomba; parte de este se extrae de un gran recipiente que está
D-SHAPE
74
ubicado junto a la máquina y otra parte proviene del filtrado de la arena que no
participa en la impresión de la pieza.
El marco tiene también una terraza donde alberga la caja de mando controlada
por el operador (Figura 33).
Figura 33. Terraza con el mando principal.
El operador se mueve hacia arriba con la máquina siguiendo el ciclo en todas sus
fases y la manda mediante un oredenador portatil que comunica con el PLC de la
máquina de manera inalámbrica. En el ordenador, por razones de comodidad y
protección contra el polvo, se cargan todas las aplicaciones que permiten el
mando y control de la máquina.
En la terraza también está colocada el embalse del líquido que mantiene bajo
carga toda la parte hidráulica de la impresora8
.
El proceso D-Shape
El proceso de impresión D-Shape se divide en dos fases:
8 Del sitio web: www.d-shape.com (“D-shape_Prodotto e processo”).
D-SHAPE
75
1. FASE CAD: es la fase en la que personalmente está comprometido el
diseñador/arquitecto y por esta razón se denomina “fase de planificación
y diseño”.
En primer lugar se realiza el modelo en tres dimensiones utilizando la
tecnología CAD; a continuación, se genera un archivo gráfico STL
(Standard Triangulation Language To Layer) que, como se explicó
anteriormente, permite de descomponer la superficie del modelo para
poder proceder al proceso de prototipado.
Con D-Shape es teóricamente posible crear casi cualquier objeto de
cualquier forma, libremente inspiradose en la naturaleza. Pero, para que
este sea posible es importante que el diseñador que realiza el modelo
CAD conozca perfectamente la tecnología D-Shape, sus posibilidades y
limitaciones (Figura 34-35-36-37-38).
Por lo tanto, se necesita una formación específica en la tecnología y
también tener conocimiento de los objetivos del proyecto.
Figura 34 Figura 35
Figura 36-37. Estudio del modelo 3d de la escultura Radiolaria.
D-SHAPE
76
Figura 38. Estudio de las posibles armaduras de refuerzo.
De hecho, según el modelo que se quiere realizar podria ser necesario
aligerar la pieza o, al revés, hacer más gruesas y resistentes algunas
membranas demasiado delgadas.
Figura 39. Estudio del montaje de varias piezas.
Podrian ser necesarias adiciones de elementos que impidan la ruptura de
la pieza durante la descarga de arena o durante el transporte (Figura 39).
También se debe considerar cuidadosamente el tamaño de las piezas y
sus colocación en el área de prensa debido a que la impresión de líneas
horizontales y verticales no produce la misma calidad.
D-SHAPE
77
Cada pieza que se quiere realizar requiere un análisis exhaustivo antes de
ser impresa y se necesita hacer algunos ensayos antes de obtener
resultados satisfactorios.
En conclusión, es importante un enfoque del problema desde el punto de
vista de la ingeniería9
.
Figura 40-41. Prototipos.
2. FASE CAM: es la fase que inicia el verdadero proceso de impresión D-
Shape y se lleva al cabo mediante las siguientes sub-fases:
1) Introducción de arena en la máquina: la arena, o más bien la
mezcla seca de arido, óxidos metálicos y fibras, se inserta a través
de un sistema de bomba en el interior de la tolva y después se
activan los dispensadores dispuestos por debajo de esta que,
trabajando como cajoncitos, se abren y cierran mediante un
sistema de aire, midiendo la cantidad de mezcla que va a llenar el
compartimiento lineal situado en la parte posterior de la cabeza de
impresión.
2) Deposito del la capa de arena: el avance del cabezal de impresión
permite depositar, de forma automática o bajo el control de un
operador, la arena contenida en el espacio lineal y también de
extenderla perfectamente hasta formar un plano homogéneo,
gracias a la presencia de una chapa metálica lisa (Figura 41).
3) Roladura de la capa de arena: la capa de arena se compacta por el
paso de los rodillos, asegurando la compresión de las partículas y
la reducción de la absorción del ligante (Figura 42).
9 Idem.
D-SHAPE
78
Figura 41. Capa de arena.
Figura 42. Roladura de la capa de arena.
4) Impresión sobre la capa de arena: las 300 boquillas colgadas en el
cabezal de impresión y situadas a una distancia mutua de 20 mm,
inyectan el ligante de forma automática, dejando un número de
pistas vacías en la capa de arena con un espesor igual al diámetro
de estas aberturas.
La velocidad del cabezal de impresión puede variar de 0 a 500
mm/seg. y su desplazamiento lateral puede alcanzar los 20 mm,
útil para cubrir la brecha entre las pistas, lo que significa que la
capa/sección completa de la pieza se consigue por el movimiento
D-SHAPE
79
del cabezal de impresión de ida y vuelta hasta la completa
superposición de las brechas entre las pistas.
El detalle completo de la prensa se obtiene después del segundo
recorrido de retorno del cabezal de impresión (Figura 43-44-45-
46-47).
Figura 43
Figura 44 Figura 45
D-SHAPE
80
Figura 46 Figura 47
Figura 43-44-45-46-47. Detalle del proceso de impresión.
Estas tres sub-fases se repiten varias veces hasta el final de la impresión
y la consecuente realización de la pieza.
5) Evacuación de arena sin consolidar: la arena que no participa en la
formación de la capa se elimina por evacuación mediante un
sistema de filtrado colocado en la parte inferior del plano de
impresión y se envia de nuevo al embalse de suministro. Se trata
de una fase muy delicada porque hay el riesgo de una caida de la
pieza si no se hace un cuidadoso estudio del diseño y de su
posizionamiento en el plano de impressión (Figura 48-49).
Figura 48-49. Evacuación de la arena sin consolidar.
D-SHAPE
81
6) Limpiadura de las piezas: se hace a mano o con sistemas robóticos
o equipamientos especiales cuando las piezas están aún dentro de
la impresora. Es muy importante para el operador emplear
sistemas de aspiración para evitar que inhale el polvo. El producto
no es tóxico, pero su inhalación prolongada no es recomendada.
7) Posible pulidura: requiere que el operador emplee adecuados
sistemas de aspiración y medios de protección como gafas,
mascarillas y auriculares.
8) Posible post-tratamiento de impregnación: se puede hacer para
aportar resistencia al agua a la pieza y se pueden utilizar
diferentes productos.
9) Posible pre-ensamblaje.
10) Posible montaje en situ.
Figura 50-51. Post-tratamiento.
Las últimas dos sub-fases son muy delicadas porque si las piezas no están
debidamente aseguradas pueden agrietarse o romperse (Figura 50-51).
El operador debe estar equipado con dispositivos de elevación adecuados como
grúas, montacargas, etc. Cuando la pieza impresa es una sub-parte de una
estructura más amplia, se necesita estudiar una adecuada técnica de pre-
ensamblaje y montaje que utilize sistemas de conexión y de armadura ordinaria
o postesa.
También el montaje final en el sitio representa un momento que debe ser
estudiado cuidadosamente. En la realización de estructuras de forma libre puede
D-SHAPE
82
ser necesario preveer ya en el diseño el empleo de instalaciones especiales para
permitir su montaje con precisión y seguridad10
(Figura 52-53-54-55-56-57).
Figura 52 Figura 53
Figura 54 Figura 55
Figura 56 Figura 57
Figura 52-53-54-55-56-57. Proceso de realización, transporte y ensamblaje de formas complejas.
10 Idem.
D-SHAPE
83
El proceso D-Shape será objeto de certificación ISO 9001 y 9002.
Análisis de riesgo para la tecnología de productos adicionales
La tecnología D-Shape permite la producción de monolitos armados y
desarmados. El refuerzo es necesario en el caso de estructuras sometidas a
cargas importantes de flexión o acciones sísmicas. El tipo de armadura que se
elige, fibras o barras, lleva a una discusión sobre las repercusiones en temas de
medio ambiente y dispendio de energía. Por ejemplo, el uso de fibras de vidrio
no es recomendable debidoa a la gran cantidad de energía necesaria para
producirlas y salen de las directrices del protocolo de Kyoto; el uso de barras de
acero, más baratas, también plantea problemas de corrosión; las barras de
aluminio plantean problemas de costos. La utilización de fibras textiles vegetales
es actualmente la forma más prometedora de avanzar para que la tecnología D-
Shape sea eco-compatible también en la versión armada11
Análisis de otros factores de riesgo
.
El proceso D-Shape prevee la colocación alternada de capas de arena y la
impresión por un líquido ligante.
Cada capa debe estar completamente pegada a la anterior para evitar la
delaminación horizontal del artefacto.
La arena utilizada para la construcción de las piezas no permanece inerte en el
proceso, sino en parte se involucra en la catálisis. Esto representa una
oportunidad más que un riesgo debido a que el conglomerado obtenido se
comporta como una roca más que un hormigón. Sin embargo el proceso es más
complejo de lo que se utiliza para la realización de un hormigón normal, porque
las interferencias entre el ligante y el material granular son mucho más
significativas y se espera que las características de absorción, resistencia a
heladas y transmitancia ciertamente ofrezcan una serie de datos mucho más
amplio que la del hormigón.
Durante la impresión se debe monitorizar cuidadosamente la eficiencia de las
boquillas y la calidad del ligante. El espesor de las capas y la cantidad de ligante
rociado se relacionan con el tamaño de las partículas y la composición química
del material granular.
11 Del sitio web: www.d-shape.com (“D-shape_Il materiale”)
D-SHAPE
84
La interacción entre las variables “espesor”, “cantidad del ligante”,
“granulometría del material”, “composición química de la arena” y “relación de
peso de la mezcla con el catalizador” no está sujeta a la normativa y representa
un campo de exploración teórico experimental vasto que será objeto de
investigación. Mientras tanto se resolverà el problema mediante el
establecimiento de todas las variables y la elección de un material de
construcción con sólo una configuración granulométrica, optimizando y
certificando una única “receta” operativa12
DATOS CARACTERÍSTICOS DE D-SHAPE
.
13
Características dimensional
− Medidas en plano: 7 m x 10 mt
− Maxima altura: 5.5 mt
− Carrera útil EJE X movimiento dela cabeza: 5000 mm
− Carrera útil EJE Y auxiliario: 60 mm
− Carrera útil n° 4 EJE Z dE subida: 2000 mm
D-Shape - Vista en planta
12 Idem. 13 Idem.
D-SHAPE
85
D-Shape – Vista de frente
D-Shape – Vista lateral
Características electricas
− Alimentación: 220/380 VAC 50 HZ
− Pico de consumo de energía durante la impresión: 2 kW
− Pico de consumo de energía durante la extracción de arena: 20 kW
− Predisposición bloque enchufes con n. 1 x 63 A, n° 1 per 16 A, n° 4 per
220 V
D-SHAPE
86
Características electrónicas
− Cuadro de mandos y control de Controladores Programables Siemens;
− Protocolo de transmisión Profibus;
− Cuadro de potencia que alimenta los motores mediante inverter.
Las electro-válvulas y las boquillas están conducidas a un voltaje de 24 VDC por
un transformador interior al quadro.
Material granular
El cabezal de impresión puede depositar mezclas de arena seca, fibras y
elementos reactivos con una granulometría admisible entre 0,1 y 3 mm.
El material granular se debe almacenar en lugares secos y utilizarse dentro de
un mes después de su entrega.
El primer material granular certificado es una mezcla llamada D-MIX1.
Liquido de prensa
El cabezal de impresión puede depositar cualquier tipo de líquido de baja
viscosidad.
El primer líquido certificado se llama D-INK1
Espesor de depósito
La máquina es capaz de depositar una capa uniforme de material granular de un
espesor entre 1 y 50 mm.
En la actualidad, la tecnología está optimizada para una capa de 5 mm de
espesor. De hecho, el software para el corte de los objetos se estructura para
dividir la sección en una matriz de voxels de tamaño 5 x 5 x 5 mm. Matrices con
voxels de tamaño menor o mayor determina un consiguiente cambio en el tipo
de boquillas.
Ciclo de funcionamiento y ciclo medio tiempo
El ciclo de funcionamiento de D-Shape se compone de las siguientes etapas:
D-SHAPE
87
1. Depósito de la capa de arena: operado semi-automáticamente por el
operador en un tiempo promedio de 3 minutos.
2. Impreso sobre la capa de arena: operado automáticamente por D-Shape
en un tiempo promedio de 3 minutos.
3. Roladura del la capa de arena: operado automáticamente por D-Shape en
un tiempo promedio de 2 minutos.
4. Levantamiento horizontal: operago mediante programación en un tiempo
promedio de 1 minuto.
El promedio de tiempo total del ciclo es de 10 minuntos lo que equivale a 6
capas/hora, o 3 cm/hora, equivalente a 240 mm/vuelta.
Resolución de impresión
Cuando el líquido inyectado por las boquillas tiene contacto con el material
granular se expande por capilaridad y cada gota uniendo las particulas genera
píxel de un tamaño teórico de 5 mm, sino que en realidad tendrán tamaño
mayor.
La resolución de impresión actual es de 4-6 dpi.
Productos químicos
La química básica de la tecnología D-Shape proporciona el uso de reactivos
inorgánicos a base de óxidos metálicos y cloruros con la adición de fibras
textiles, madera, etc.
Como se puede imaginar la posibilidad de cambiar las arenas, la granulomtría,
los reactivos, las proporciones en peso son casi ilimitadas.
La investigación detallada de estos temas es una cuestión de investigación y
desarrollo en los próximos años.
Por supuesto también se están estudiando las posibilidades de poder utilizar
ligantes orgánicos, inorgánicos o mezclados.
La fuerza de esta tecnología es la absoluta flexibilidad en términos de material;
el intento es unir las rocas del lugar donde se va a realizar el edificio y reducir el
impacto que este puede tener en el medio ambiente.
Los ensayos hechos con arenas diferentes y diferente granulometría han llevado
a resultados muy prometedor.
D-SHAPE
88
En general, todas las arenas pueden ser agrupadas basandose en los principios
generales de la patente y en la química de los reactivos.
Características físicas-químicas del material de salida
El tipo de roca que se obtiene de la combinación de arenas con los reactivos
patentados es similar a una piedra caliza dolomítica (carbonato de magnesio
doble) con discreta resistencia y buenas propiedades químicas y físicas que lo
certifica como material de construcción.
El marco jurídico de referencia para la construcción de edificios es lo mismo de lo
que se utiliza como referencia para la construcción de mampostería simple o
armada. Los primeros logros en la construcción de viviendas se limitará a la
realización de edificios relativamente de baja altura, de una o dos plantas.
Figura 58 Figura 59
Figura 60 Figura 61
Figura 58-59-60-61. Ensayos de los materiales.
D-SHAPE
89
Analysis and tests conducted on
MONOLITE stone specimens
STANDARD
Apparent Specific Weight UNE-EN 1936 Kg/m3 2000-2200
Dynamic modulus of elasticity
(Young's Modulus)
PrEN 14146 Kg/cm2 165.000
Compression resistance UNE-EN 1926 Kg/cm2 150-170
Bending resistance UNE-EN 12372 Kg/cm2 30-40
linear thermal expansion coefficient EN 14617-11 mm/m°C 0,0039
Knoop Microhardness EN 14205 145-160 Kg/ mm2
Absorption by capillarity UNE-EN 1925 0,2-0,4
Figura 61. Características del material.
ESTIMACIÓN DE DATOS DE LA PRODUCTIVIDAD DE LA MÁQUINA
Volumen
Se está completando la primera versión industrial de la impresora D-Shape.
El primer modelo es capaz de imprimir bloques de edificios de una superficie útil
de unos 5 x 5,5 m con una altura de 2 metros.
En consecuencia, el edificio u objeto que se puede imprimir se encuentra en este
tamaño y tiene un volumen máximo de 55 metros cúbicos.
Dependiendo de la forma y del número de elementos que se imprimen y de
cómo se distribuyen en el archivo de dibujo, se puede estimar que el volumen
impreso está entre el 15% y el 60% del total. Por lo tanto, se estima que la
producción de la máquina está entre 8,25 mc y 33 mc para cada sesión de
impresión con un valor promedio de unos 20 metros cúbicos.
D-SHAPE
90
Peso
Suponiendo un peso medio de 2 ton/mc el Output en peso medio de la máquina
es de aproximadamente 40 toneladas para cada impresión.
Tiempo
De momento la nueva impresora D-Shape está a punto de ser ensamblada y los
tiempos de producción no han sido verificados; las estimaciones están dictadas
por la experiencia adquirida en el prototipo.
D-Shape está diseñada para funcionar semi-automaticamente y los tiempos
operativos están ligados en parte a la capacidad del operador que utiliza la
máquina.
Como se describe en otro apartado, el tiempo promedio total del ciclo es de 10
minutos lo que equivale a 6 capas por hora o 3 cm por hora o 240 mm por
vuelta.
Los datos, sin embargo, son prudentes y se estima que un procedimiento en
plena operatividad, donde los operadores ya se han familiarizado con la
máquina, puede llegar a producir 400 mm por vuelta.
Para evitar cualquier discontinuidad se recomienda que D-Shape funcione si
parar, así que se pueda estimar que un ciclo de impresión se complete en una
semana de trabajo, incluso teniendo en cuenta cualquier tiempo de inactividad.
Productividad
Basándose en los datos anteriores, se puede estimar que el potencial de
producción media diaria de D-Shape es de 8 toneladas por día, o 240 toneladas
por mes.
Como medida de precaución para los cálculos de rentabilidad de la máquina se
calcula la productividad de 1000 toneladas por año con la asistencia de un
técnico y tres trabajadores empleados en la meta.
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
92
Desde siempre existe una relación entre la arquitectura y las formas que puede
tener. Estas formas se caracterizan principalmente por los materiales empleados
para realizarlas y su grado de dificultad de trabajarlos. Por esta razón, los estilos
nacian de la unión de figuras geométricas simples, a menudo dictadas por la
forma del propio material.
Pero también existe una relacion de compatibilidad entre forma y técnica
constructiva: la forma adquiere la consistencia adecuada sólo a través de una
técnica capaz de darle materialidad sin alterar su esencia; la técnica puede dar
una forma concreta sólo si esta se concibe en función de su viabilidad y además
puede incentivar la búsqueda de soluciones innovadoras.
Esta busqueda empezó sólo después de la revolución industrial, cuando se
produjo un cambio en el carácter formal y estético de los edificios por varias
razones: el cambio del contexto cultural, las nuevas fronteras tecnológicas, las
posibilidades de renovación para el diseño arquitectónico.
Estos factores condujeron a una nueva libertad para el diseñador, incitandolos a
experimentar la realización de formas cada vez más complejas utilizando los
CONCLUSIONES
93
mismos materiales y sistemas constructivos de una manera bastante inusuales e
innovadores pero disfrutando plenamente sus potencialidades.
Las tecnologías de prototipado rápido como el D-shape y el Contour Crafting
manifestan caracteristicas de una nueva calidad en los materiales y, sobre todo,
en las herramientas informaticas para el desarrollo y el control del proyecto,
permitiendo la creación de complejos modelos tridimensionales, cada vez más
repetitivo y más diversificado, indispensables para la realización de las distintas
partes de lo edificios o de edificios particulares.
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA
95
LIBROS
B. KOLAREVIC, Architecture in the digital age – Design and manufacturing. Ed.
Spon Press - Taylor & Francis Group, New York, 2003.
D. SCHODEK, M. K. GRIGGS, K. M. KAO, M. STEINBERG, Digital design and
manufacturing: CAD/CAM Applications in Architecture and Design. Ed. Wiley,
2005.
SITIOS WEB
http://www.medeaonline.net/?p=3575 (“Visto, si stampi” e la tua nuova casa è
già pronta).
http://www.dozarte.com/wordpress/2009/10/02/d_shape-costruire-tramite-
stampa-3d/ (D-shape: costruire tramite stampa 3d).
http://www.lboro.ac.uk/research/amrg/index.html.
http://architettura.supereva.com/allestimenti/20050924/index.htm (I’ve heard
about...).
http://architettura.supereva.com/files/19991100/index.htm (Kas Oosterhuis. Il
lato selvaggio dell'architettura).
http://virtualblog.splinder.com/post/10699749 (Tecnologie - Un robot per
l'edilizia, sarà in grado di costruire, da solo, edifici in 24 ore).
http://www.wired.it/magazine/archivio/2009/08/storie/come-ti-stampo-
casa.aspx?page=2 (Come ti stampo casa).
http://www.contourcrafting.org/ (Contour Crafting).
http://www.presstletter.com/articolo.asp?articolo=95 (Costruire le forme
complesse).
BIBLIOGRAFÍA
96
http://d-shape.com/
http://www.lsdmagazine.com/edifici-stampati-la-nuova-tecnologia-costruttiva-
di-d_shape/3284/ (Edifici stampati – La nuova tecnologia costruttiva di
D-shape).
http://www.building.co.uk/news/first-edition?-inventor-attempts-to-
%E2%80%98print%E2%80%99-building/3148853.article (First edition?
Inventor attempts to ‘print’ building).
http://www.contourcrafting.blogspot.com/ (Caterpillar Inc. Funds Viterbi 'Print-
a-House' Construction Technology).
http://www.technovelgy.com/ct/Science-Fiction-News.asp?NewsNum=1854
(Lunar Contour Crafting - 'Print' A Moonbase).
http://www.theregister.co.uk/2008/09/01/concrete_building_printers/
(Concrete-jet 'printers' to build houses, Moonbases in hours).
http://www.100casa.it/index.php?/archives/757-House-Building-Robot.html
(House building robots).
http://conversazioni-interattive.blogspot.com/2009/10/enrico-dini-partecipera-
alle.html (Enrico Dini parteciperà alle "Conversazioni Interattive" sulla Creatività
e Innovazione per il settore aziende).
http://www.apri-rapid.it/prot-rap.htm
http://www.kuka-robotics.com/italy/it/
http://webthesis.biblio.polito.it/935/ (Materia, geometria e forma in
architettura).
http://mediolanummarketforum.wordpress.com/2009/10/23/mediolanum-
market-forum-enrico-dini-e-la-stampante-di-costruzioni-tridimensionali/
(Mediolanum Market Forum: Enrico Dini e la “stampante” di
costruzioni tridimensionali).
BIBLIOGRAFÍA
97
http://www.thedesigncouncil.eu/2009/07/24/let-we-introduce-radiolaria-by-
andrea-morgante-shiro-studio/ (Let us introduce: Radiolaria by Andrea
Morgante).
http://it.wikipedia.org/wiki/Prototipazione_rapida (Prototipazione rapida).
http://www.reprap.org/wiki/Main_Page (Rep Rap).
http://spoiledmind-chino.blogspot.com/2009/08/contour-crafting-la-nuova-
frontiera-nel.html (Contour Crafting - La nuova frontiera nel campo dell’edilizia).
http://it.wikipedia.org/wiki/Stereolitografia (Strereolitografia).
http://www-bcf.usc.edu/~khoshnev/us-tech.htm (Quantum Leap in Rapid
Prototyping Unveiled).
http://www.dinitech.it/
http://www.dinitech.it/pdf/corrsport.pdf (Dalla stampa all’edificio).
http://www.dinitech.it/pdf/espansione_web_ridotto.pdf (La casa stampata come
vuoi tu).
http://www.dinitech.it/pdf/financial_18072009.pdf (Termite tutorial).
http://www.dinitech.it/pdf/wired_10_09_full.pdf (Mi chiamo Enrico e stampo
case).
http://www.zcorp.com/it/home.aspx
