Impresora 3D Casa

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA

3D-SHAPE Y CONTOUR CRAFTING.

LAS TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN APLICADAS A LA CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA: EL “RAPID BUILDING”

LINEA: CONSTRUCCIÓN Y INOVACIÓN TECNOLÓGICA

Tutor: Prof. Arq. Jaume Avellaneda Estudiante: Doct. Ing. Cristina Contu

3D-SHAPE Y CONTOUR CRAFTING. LAS TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN APLICADAS A LA CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA: EL “RAPID BUILDING” 

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 OBJETIVOS ESTRUCTURA DEL TRABAJO

Pag. 6 Pag. 10 Pag. 11

PROTOTIPADO RÁPIDO

Pag. 12

ANTECEDENTES DEL SISTEMA CLASIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP) FASES DE PROTOTIPADO RÁPIDO (RP)

Pag. 15 Pag. 15 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 EL DISPOSITIVO CONTOUR CRAFT

Pag. 34 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 D_SHAPE ANÁLISIS DEL PRODUCTO: DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN ANÁLISIS DEL VALOR: DESCRIPCIÓN DE LA DEMANDA

Pag. 53 Pag. 57 Pag. 58 Pag. 59

CONTENIDO INOVATIVO DE LA SOLUCIÓN EL DISPOSITIVO D-SHAPE A4

Pag. 66 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 SITIOS WEB

Pag. 95 Pag. 95

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

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 manual 1.

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”).

7

INTRODUCCIÓN

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 tridimensional 2. 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

8

INTRODUCCIÓN

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.

9

INTRODUCCIÓN

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; 10

INTRODUCCIÓN

•

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.

11

PROTOTIPADO RÁPIDO

PROTOTIPADO RÁPIDO

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, 13

PROTOTIPADO RÁPIDO

•

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 dimensiones 1. 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.

14

PROTOTIPADO RÁPIDO

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; también han favorecido su desarrollo prestacional a: •

reducir el tiempo de procesamientos y las tolerancias dimensionales;

•

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 3

Idem. Del sitio web: http://it.wikipedia.org/wiki/Prototipazione_rapida.

15

PROTOTIPADO RÁPIDO

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-tratamientos 4.

•

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.

16

PROTOTIPADO RÁPIDO

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

2.

que pueden afectar el resultado del trabajo de modelado. 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.

17

PROTOTIPADO RÁPIDO

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. 18

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 barniz 5.

5

Idem.

19

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 20

PROTOTIPADO RÁPIDO

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) 2) 3) 4)

Desarrollo del modello con CAD. Desarrolo del CAM para traducir el modelo en slice. Líquido que polimeriza (pasa al estato solido) en presencia de luz láser. 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).

21

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 características 6. 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.

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PROTOTIPADO RÁPIDO

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 UV 7. 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.

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PROTOTIPADO RÁPIDO

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; 24

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 uso 8.

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 CO 2 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.

25

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 epoxi 9. 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.

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PROTOTIPADO RÁPIDO

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. 27

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 atmósfera 10.

10

Del sitio web: http://en.wikipedia.org/wiki/Laminated_object_manufacturing.

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PROTOTIPADO RÁPIDO

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.

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PROTOTIPADO RÁPIDO

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 macizo 11. 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.

30

PROTOTIPADO RÁPIDO

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.

31

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 32

PROTOTIPADO RÁPIDO

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 roscado 13.

13

Del sitio web: http://it.wikipedia.org/wiki/Prototipazione_rapida.

33

CONTOUR CRAFTING

CONTOUR CRAFTING

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, 35

CONTOUR CRAFTING

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

36

CONTOUR CRAFTING

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 precisas 1. 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 4-56-7).

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”).

37

CONTOUR CRAFTING

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 paletas 2.

−

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”)

38

CONTOUR CRAFTING

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 .

39

CONTOUR CRAFTING

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.

40

CONTOUR CRAFTING

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 18-19-2021).

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 41

CONTOUR CRAFTING

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”).

42

CONTOUR CRAFTING

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).

43

CONTOUR CRAFTING

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. 44

CONTOUR CRAFTING

Estas máquinas utilizan un sistema de pórtico XYZ, una boquilla con tres componentes de control de movimiento (extrusión, rotación y movimientodesviación de la paleta) y un sistema de control de movimiento coordinado en seis ejes 5.

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.

45

CONTOUR CRAFTING

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.

46

CONTOUR CRAFTING

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 llenarla 6. 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”).

47

CONTOUR CRAFTING

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.

48

CONTOUR CRAFTING

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 reforzado 7. 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 interna 8.

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.

49

CONTOUR CRAFTING

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”).

50

CONTOUR CRAFTING

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

51

CONTOUR CRAFTING

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.

52

CONTOUR CRAFTING

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 boquilla 11.

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.

53

CONTOUR CRAFTING

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. 54

CONTOUR CRAFTING

•

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: 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. Estas planificaciones de alto nivel, que especifican lo que debe hacerse en cada lugar, también se envían al módulo de Multi-Robot Coordination.

•

Multi-Robot Coordination: 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. 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.

•

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. 55

CONTOUR CRAFTING

•

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”).

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D-SHAPE

D-SHAPE

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 producción 1. 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

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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 Fiat 2. 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”)

59

D-SHAPE

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, bajorelieves, columnas, capiteles, etc 3 (Figura 1-2-3).

Figura 1

Figura 2

3

Del sitio web: www.dinitech.it (“Progetti”)

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D-SHAPE

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 nombre 4 (Figura 4-5).

Figura 4

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”).

61

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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”).

62

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Figura 6

Figura 7

Figura 8

Figura 9

Figura 10

Figura 11

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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 santuario 6 (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”).

64

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Figura 13

Figura 14

Figura 15-16

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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 cine 7.

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”)

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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 CO 2 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.

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D-SHAPE

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).

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D-SHAPE

Figura 19. Detalle del mecanismo de montaje y desmontaje del dispositivo D-shape A4.

Figura 20. Dispositivo D-Shape A4.

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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 20-2122-23).

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. 70

D-SHAPE

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).

71

D-SHAPE

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 72

D-SHAPE

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

73

D-SHAPE

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 impresora 8. 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”).

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D-SHAPE

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.

75

D-SHAPE

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. 76

D-SHAPE

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 ingeniería 9.

Figura 40-41. Prototipos.

2. FASE CAM: es la fase que inicia el verdadero proceso de impresión DShape 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.

77

D-SHAPE

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 78

D-SHAPE

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 43-44-4546-47).

Figura 43

Figura 44

Figura 45

79

D-SHAPE

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.

80

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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 preensamblaje 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 81

D-SHAPE

ser necesario preveer ya en el diseño el empleo de instalaciones especiales para permitir su montaje con precisión y seguridad 10 (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.

82

D-SHAPE

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 DShape sea eco-compatible también en la versión armada 11.  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”)

83

D-SHAPE

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” operativa 12.

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 13

Idem. Idem.

84

D-SHAPE

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 85

D-SHAPE

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: 86

D-SHAPE

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. 87

D-SHAPE

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.

88

D-SHAPE

Analysis and tests conducted on

STANDARD

MONOLITE stone specimens Apparent Specific Weight Dynamic modulus of elasticity

UNE-EN 1936

Kg/m3 2000-2200

PrEN 14146

Kg/cm2 165.000

Compression resistance

UNE-EN 1926

Kg/cm2 150-170

Bending resistance

UNE-EN 12372

Kg/cm2 30-40

(Young's Modulus)

linear thermal expansion coefficient

Knoop Microhardness Absorption by capillarity

EN 14617-11

EN 14205 UNE-EN 1925

mm/m°C 0,0039

145-160 Kg/ mm2 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. 89

D-SHAPE

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.

90

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

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 92

CONCLUSIONES

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.

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