Fabricación aditiva
¿Puede el hormigón impreso en 3D salvar el medio ambiente?
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El hormigón está presente en todas partes a nuestro alrededor. Desde casas, oficinas y edificios escolares hasta tiendas, presas, puentes, aceras y carreteras, el hormigón ayuda a construir estructuras que usamos a diario.
No es un material nuevo en absoluto. De hecho, los primeros registros de estructuras de hormigón datan de 6500 a.C. en regiones de Siria y Jordania. Luego, por supuesto, están los romanos, que hicieron un uso extensivo del hormigón en sus construcciones. Y ahora, milenios después, muchas de esas estructuras siguen en pie hoy en día.
A lo largo de los años, el uso del hormigón solo ha crecido, con el mercado global de hormigón alcanzando los $687.2 billion en 2021. Se espera que continúe creciendo hasta $821.6 billion para 2026, demostrando el papel que el hormigón desempeña en nuestras vidas.
Esta expansión está impulsada por el crecimiento de la industria de la construcción, así como por la creciente inversión en nuevos proyectos de construcción en todo el mundo. El crecimiento económico y la rápida urbanización también contribuyen a la creciente demanda de complejos residenciales y comerciales en todo el planeta. A medida que las ciudades crecen, también lo hace la necesidad de infraestructura y, con ella, la necesidad de hormigón.
Aunque sabemos que la demanda de cemento sigue existiendo, y lo ha sido durante siglos, ¿por qué es tan popular en primer lugar? ¿Y es todo bueno? ¡Bueno, descubrémoslo!
Hormigón: La Necesidad Peligrosa del Mundo
Antes de entender qué hace que el hormigón sea tan valioso, veamos qué es exactamente. Es una mezcla de cemento (o cal), agua y agregados, que son un conjunto de partículas naturales o artificiales como arena, grava o roca triturada.
Aquí, el cemento, que es una mezcla fabricada de calcio, hierro, silicio y aluminio, entre otros componentes, es el material aglutinante que otorga al hormigón sus propiedades de endurecimiento, mientras el agua activa el cemento para formar un material denso.
Lo que hace que este material compuesto sea tan valioso son sus propiedades, incluida la maleabilidad — la capacidad del hormigón recién mezclado de moldearse en casi cualquier forma — y la durabilidad, lo que significa que puede durar muchos años. Este material asequible también puede adaptarse para satisfacer diferentes necesidades de construcción.
Otras propiedades atractivas del hormigón incluyen su facilidad de uso, resistencia y capacidad para soportar no solo cargas pesadas y estrés compresivo, sino también condiciones climáticas adversas y desastres naturales como terremotos y huracanes.
Luego, está la capacidad del hormigón para retener calor, ser ignífugo y fácil de reparar si ocurre algún daño. Todas estas propiedades hacen del cemento un producto de gran valor, lo que lleva a que su uso se dispare.
En cuanto a los casos de uso del hormigón, tiene diversas aplicaciones en la industria de la construcción. De hecho, el hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo después del agua. Se utiliza para construir presas, puentes, autopistas, aeropuertos, carreteras, canales, reservorios y pavimentos, junto con edificios residenciales, complejos comerciales y otras estructuras de carga.
En resumen, el hormigón es un material fundamental en la construcción, desempeñando un papel crucial en la configuración de la infraestructura que nos rodea.
Pero eso no quiere decir que el hormigón solo tenga beneficios. De hecho, es extremadamente peligroso.
Para empezar, el cemento es responsable de 1.6 mil millones de toneladas métricas de dióxido de carbono (CO2), lo que representa alrededor del 8 % de las emisiones globales de CO2. Y la extensa dependencia del sector de la construcción del cemento agrava su enorme huella de carbono.
Mientras tanto, la fabricación de cemento Portland ordinario (OPC) es responsable del 5 % al 8 % de las emisiones antropogénicas globales de CO2. Cuando se extrapola a todas las actividades relacionadas con la construcción, la última investigación muestra un panorama alarmante, con casi el 40 % de las emisiones de CO2 relacionadas con la energía provenientes de este sector, que consume el 36 % de la energía final del mundo.
Esto es extremadamente preocupante porque se proyecta que las emisiones de CO2 alcancen un récord de 37.41 GtCO2. Las emisiones de CO2 también son la causa principal del calentamiento global, y según el IPCC, se anticipa que el calentamiento global, a su ritmo actual, alcance 1,5 °C por encima de los niveles preindustriales entre 2030 y 2052.
Dadas las ramificaciones medioambientales del hormigón, mientras su tasa de consumo anual asciende a 30 mil millones de toneladas y se espera que siga aumentando de forma perpetua, es importante que todos, desde innovadores hasta organizaciones y gobiernos, aborden este problema de frente.
Avanzando la Construcción con la Impresión 3D
El hormigón, como señalamos antes, es un mal necesario porque, aunque tiene grandes beneficios y es crucial para la civilización, realmente daña al planeta, que ya está lidiando con la deforestación, el cambio climático, la pérdida de biodiversidad y mucho más.
Añadir hormigón a la mezcla, y las cosas solo empeorarán. ¿Pero qué pasaría si hubiera una forma de abordar los efectos nocivos de este popular material de construcción?
Bueno, por un lado, el hormigón está evolucionando para satisfacer las necesidades complejas y avanzadas del mundo. Como compartimos anteriormente, materiales avanzados como el grafeno y el cáñamo se están utilizando cada vez más en materiales de construcción. Incluso se produce cemento libre de carbono reemplazando la piedra caliza o utilizando piedra caliza basada en combustibles fósiles.
Hay otra solución, y es la impresión 3D. ¡Así es! El mismo método que se está utilizando para crear arte, muebles y otros productos de consumo, junto con la forense, prótesis y cirugía, también está cambiando el juego en la construcción.
La impresión 3D o fabricación aditiva, que implica crear objetos tridimensionales a partir de un archivo digital depositando capas de material, ha ganado mucho impulso gracias a sus beneficios de prototipado rápido, personalización, ahorro de costos, reducción de residuos de material, fomento de la innovación y sostenibilidad.
Esta tecnología ahora se está utilizando en la construcción, lo cual no es nada nuevo en sí mismo, ya que la impresión 3D se utilizó por primera vez en la construcción hace muchas décadas. Sin embargo, el uso de la impresión 3D ha crecido significativamente en los últimos años para acelerar el proceso de forma notable, optimizar el uso de materiales, explorar diseños intrincados y estructuras a medida, facilitar la construcción remota y mejorar la seguridad.
Los beneficios multifacéticos de la impresión 3D incluyen además cadenas de suministro más cortas gracias a la construcción in situ y una disminución sustancial de los riesgos laborales debido a la menor necesidad de mano de obra manual en operaciones de alto riesgo.
Este año, de hecho, vimos el barrio impreso en 3D más grande del mundo en Texas cerca de su finalización después de dos años de construcción. La empresa de construcción impresa en 3D ICON está detrás de este proyecto.
Una empresa privada, ICON no solo imprime viviendas residenciales, sino que también está involucrada en defensa y construcción fuera de la Tierra. Hace menos de una década, ICON recaudó un total de $451 millones, lo que ha incrementado su valoración a alrededor de $2 mil millones. La empresa está contratada por la NASA para construir plataformas de aterrizaje, refugios y otras estructuras en la Luna como parte del programa de exploración lunar Artemis de la agencia.
En 2018, construyó la primera casa impresa en 3D de 350 pies cuadrados permitida en EE. UU., que solo tomó dos días. La casa se construyó usando hormigón porque, como afirmó el CEO de ICO, Jason Ballard:
“Es uno de los materiales más resilientes de la Tierra.”
Para su comunidad en Texas, la empresa está utilizando su impresora Vulcan, que es muy similar a una impresora 3D de escritorio regular, y deposita capa por capa. La diferencia con esta impresora Vulcan es que mide 45 pies de ancho y pesa 4,75 toneladas.
En cuanto a su proceso, el polvo de hormigón se mezcla con arena, agua y otros aditivos y luego se bombea a la impresora. La mezcla de hormigón se expulsa a través de una boquilla sobre un cepillo, que construye capa por capa siguiendo una ruta preprogramada.
La impresora robótica ha construido 100 casas impresas en 3D en lo que dice ser la comunidad impresa en 3D más grande del mundo. Con la impresión 3D siendo más rápida, menos costosa, minimizando los residuos de materiales de construcción y requiriendo menos trabajadores, está aportando “muchísima eficiencia al mercado comercial”, según la empresa.
Esto es solo el comienzo, sin embargo, como se evidencia en el crecimiento que se espera para el mercado de la construcción con impresión 3D. Valorado en $5.5 mil millones el año pasado, se proyecta que el mercado global de construcción con impresión 3D crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) del 105,8 % para alcanzar la asombrosa cifra de $3.3 trillion by 2032.
Estas cifras pueden parecer asombrosas al principio, pero como compartimos en nuestro artículo anterior, la impresión 3D podría surgir como una solución potencial al grave problema de la escasez de vivienda, lo que convierte el objetivo de billones de dólares en una posibilidad real.
Dado el tremendo interés en la construcción con impresión 3D, también tiene sentido utilizar esta tecnología para mejorar el mercado de la construcción. Y eso es exactamente lo que están haciendo los científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) de Singapur.
Los investigadores fueron un paso más allá al imprimir en 3D el propio hormigón. Para ello, han desarrollado un método de impresión 3D de hormigón que captura carbono, mostrando una nueva forma de reducir el impacto medioambiental de la industria de la construcción.
Haz clic aquí para saber si la impresión 3D puede ayudarnos a abordar la escasez de vivienda.
Impresión 3D de Hormigón que Captura CO2
A principios de este mes, los científicos de NTU publicaron su investigación sobre “Captura y secuestro de carbono con impresión 3D de hormigón integrada con CO2 y vapor in situ”.
La investigación detalló el método innovador que busca reducir significativamente la huella de carbono del cemento al disminuir el uso de material, los requerimientos de mano de obra y el tiempo de construcción.
También se sugiere que el desarrollo sostenible mediante la impresión 3D de hormigón podría aportar hasta un 5 % de reducción en el consumo energético global. Estos beneficios medioambientales son potencialmente equivalentes a su capacidad para optimizar los procesos de construcción.
Sin embargo, mezclar CO2 en el hormigón, como hace el último estudio, se ha hecho antes con el objetivo de mejorar la calidad del material y ayudar a reducir el impacto ambiental negativo del cemento.
Los estudios tempranos ya han demostrado mejoras en las propiedades mecánicas del hormigón mediante la mezcla directa por lotes con CO2 y la exposición del hormigón al CO2 durante la producción en cámaras de carbonatación, debido a la formación de una “capa de carbonatación”.
Estudios previos han reportado un aumento de casi 15 veces en la resistencia a la penetración y hasta un 1,16 % de absorción de carbono en solo media hora de mezclar mortero con CO2. Ajustar el curado de carbonatación acelerada (ACC) mostró además una absorción de carbono del 1,98 % al 25,5 %.
Mientras que la investigación sobre la impresión 3D de hormigón se ha centrado en gran medida en diseñar mezclas cementicias verdes para reducir su huella de carbono, el último estudio señaló que pocos han considerado avanzar en tecnologías de procesamiento, particularmente para mejorar su capacidad de captura y almacenamiento masivo de carbono (CCS).
Los estudios sobre la carbonatación de materiales cementicios, particularmente el enfoque mínimo en las profundidades, según los investigadores, son la razón por la cual su implementación a escala genera dudas de validez. Sin mencionar que las soluciones de CCS confinadas en cámaras enfrentan limitaciones en cuanto a hardware y consumo de energía cuando se aplican con impresión 3D de hormigón (3DCP). Como resultado, los beneficios de la construcción escalable, automatizada y en sitio se ven comprometidos.
Esto crea la necesidad de desarrollar un proceso de carbonatación artificial para la impresión 3D de hormigón que vaya más allá de las técnicas tradicionales de curado.
Como resultado, los investigadores de NTU desarrollaron un nuevo proceso para estudiar su eficacia en la captura de dióxido de carbono.
La tecnología recién desarrollada implica un sistema de extrusión de dos pasos. El primer paso consiste en inyectar CO2 y vapor en el hormigón en mezcla. La mezcla incorpora y almacena directamente el CO2 en la estructura del hormigón. El CO2 y el vapor en cuestión se capturan como subproductos de procesos industriales.
Este nuevo enfoque demostró un aumento del 38,2 % en la captura de carbono a gran escala, ofreciendo otra forma de lograr una construcción descarbonizada mediante la impresión 3D de hormigón.
El diseño del accesorio de cabezal de impresión patentado, que facilita la inyección regulada de aditivos gaseosos y líquidos, busca abordar el problema crítico de las preocupaciones de sostenibilidad ambiental en la construcción automatizada. También aborda el tema de los requisitos de configuración bajo demanda, pero, lo más importante, la falta de soluciones de CCS fácilmente disponibles que sean compatibles con la impresión 3D de hormigón.
No solo este nuevo método reduce la huella de carbono del cemento, sino que también ha demostrado mejorar las propiedades mecánicas del hormigón. Esto, a su vez, brinda una gran resistencia a la estructura en comparación con el hormigón impreso en 3D tradicional.
Según el artículo de investigación, la integración de CO2 y vapor resultó en un aumento de hasta el 50 % en la imprimibilidad 3D, 45,3 % en la resistencia a la flexión y 36,8 % en la resistencia a la compresión.
Los investigadores concluyeron que las muestras que fueron expuestas a la impresión integrada de CO2‑vapor y curado al aire libre obtuvieron la mayor captura de carbono. Según los investigadores:
“La solución presentada ofrece una vía prometedora hacia la construcción descarbonizada mientras amplía opciones viables para la captura y almacenamiento de carbono (CCS) más allá de los métodos tradicionales de curado confinado.”
El equipo también señaló la optimización de configuraciones de impresión, diseños de mezcla y la inyección de gases de combustión para reducir el desperdicio de materia prima de dióxido de carbono puro como posibles áreas de investigación futura.
Empresa Invertible en el Espacio de la Impresión 3D
Ahora, echemos un vistazo a una empresa cotizada en bolsa que participa en el mercado de la impresión 3D, que se estima vale $17.5 billion in 2024 y se proyecta que crecerá a una tasa compuesta anual (CAGR) del 16,4 % hasta $37.4 billion en los próximos cinco años, lo que está impulsando avances en el sector y ayudando a cambiar el mundo para mejor.
1. Stratasys Ltd.
Stratasys es un nombre popular en el espacio de la impresión 3D, y ofrece soluciones en múltiples sectores. Las tecnologías de la empresa han contribuido a los avances en el campo de la impresión 3D.
Con una capitalización de mercado de $689,5 millones, Stratasys tiene sus acciones cotizando actualmente a $9,66, una caída del 32,35 % este año. La empresa tiene un EPS (TTM) de -1,32 y un P/E (TTM) de -7,30.
Para el tercer trimestre de 2024, Stratasys informó ingresos de $140,0 millones, frente a $162,1 millones registrados en el mismo trimestre del año pasado. Con estas cifras, los ingresos recurrentes por consumibles de la empresa han experimentado un crecimiento interanual durante ocho trimestres consecutivos, lo que la compañía declaró que “refleja una utilización continua y fuerte de las impresoras”.
SSYS Gráfico de precios
El crecimiento del margen bruto GAAP de Stratasys mejoró al 44,8 %, mientras que su pérdida neta GAAP fue de $26,6 millones, y el ingreso neto no GAAP comenzó a alcanzar la rentabilidad. Se informó que $4,5 millones de efectivo se utilizaron en operaciones, y el flujo de efectivo operativo del año hasta la fecha sigue siendo positivo.
Con estos sólidos números, Stratasys elevó sus perspectivas para el año completo 2024. Según ello, informó ingresos de $580 millones frente a $570 millones, ingreso neto no GAAP de $5 millones y gastos de capital de $20 millones.
“Hemos comenzado con éxito a transformar la empresa mediante la optimización de costos y enfocándonos en oportunidades de mayor crecimiento.”
– CEO Dr. Yoav Zeif dijo en ese momento
Además señaló que la principal plataforma F3300 de la empresa está recibiendo mucha atención mientras continúa expandiéndose en sus sectores objetivo principales, incluidos la salud, la automoción y la aeroespacial.
Según el Dr. Zeif, el plan de reestructuración de la empresa ayudará a generar ahorros de costos anuales de $40 millones a partir del próximo año.
“Estamos bien posicionados para ofrecer un mayor crecimiento de ingresos, rentabilidad y flujo de efectivo en 2025, para abordar la demanda reprimida una vez que mejoren las condiciones del mercado.”
– Dr. Zeif
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Conclusión
El hormigón ha sido una piedra angular del desarrollo humano durante siglos, pero no está exento de peligros. El impacto medioambiental del hormigón se está convirtiendo en una preocupación grave, creando una necesidad urgente de encontrar mejores soluciones. La última tecnología de los investigadores de NTU es uno de esos desarrollos que avanza en la dirección correcta. Al utilizar los principios de la fabricación aditiva, la impresión 3D de hormigón ha redefinido las operaciones tradicionales y ha promovido la sostenibilidad.
A medida que el mundo lucha contra la expansión urbana y el cambio climático, innovaciones como la impresión 3D de hormigón pueden ayudar a satisfacer las crecientes y complejas necesidades de la construcción mientras mitigan sus efectos nocivos. Y aunque persisten desafíos en la escalabilidad y estandarización, con el tiempo, a medida que la tecnología mejore y se adopte ampliamente, la impresión 3D puede desempeñar un papel clave en la configuración de la infraestructura del mañana.
