Impresión 3D a Gran Escala: Desde el Fondo del Mar a la Luna Valentina Colla, Enrico Dini

Scuola Superiore Sant’Anna, Istituto TeCIP, Laboratorio PERCRO, Pisa, Italy

colla@sssup.it

���Monolite UK Ltd., 101 Wardour Street W1F 0UN, London, UK enrico.dini@d-shape.com

Introducción

El interés de la comunidad científica y técnica sobre las tecnologías de impresión 3D a gran escala ha ido creciendo considerablemente en los últimos años debido a la amplia variedad de potenciales aplicaciones tanto en construcciones directas de partes de edificios, de edificios completos y otras estructuras complejas de prácticamente casi cualquier forma. Desde su nacimiento, que se remonta a los años 90, estas técnicas de construcción a escala, de manufactura rápida, han alcanzado su época de madurez y ahora se usan en la producción de muros, de elementos de diseño para esculturas de gran tamaño, especialmente para exteriores. La Fig. 1 nos da tres ejemplos de estos objetos y la Fig. 2 presenta una casa pequeña completa.

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Fig. 1: Una escultura para exteriores, la pieza "Radiolaria" y una tumbona para jardín.

Fig. 2: Una casa completa

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Todas las piezas presentadas en 1 y 2 se han realizado con una tecnología llamada D-shape, inventada y patentada por Enrico Dini, de Monolite UK. Esta tecnología difiere de la de sus competidores más conocidos (por ejemplo Freeform Construction1 desarrollada por el Rapid Manufacturing Research Group de Loughborough y Contour Crafting2) por la característica especial de la catalización selectiva de materiales dentro de un sustrato de arena pre-depositada por medio de la inyección ad-hoc de una “tinta” líquida, mientras que las otras técnicas proceden por la extrusión del material de construcción ya premezclado con el aglutinante asociado o catalizador. Esto le permite a D-Shape imprimir piezas de gran tamaño ya que la única dimensión limitante está dada por el tamaño de la superficie de impresión: la versión más actualizada de una impresora (un plóter gigante con un cabezal de espray lineal que se mueve entre dos marcos en el espacio de los ejes x-y) se muestra en la Fig. 3; tiene una superficie de impresión de 6x6 metros y una altura de 3 m.

Realización de piezas para armar una estación lunar

Gracias a las características especiales, la tecnología D-Shape se escogió para el proyecto titulado “Piezas para Armar Impresas en 3D Usando Suelo Lunar” fundado por la Agencia Espacial Europea (ESA, en inglés) cuyo objetivo era desarrollar conceptos para la construcción de habitaciones para la residencia estable de humanos en la luna (3).

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Fig. 3: La impresora D-Shape

El establecimiento de asentamientos humanos en la luna es de gran interés para realizar experimentos científicos, para hacer campañas de observación en alguna parte remota del espacio sin el escudo atmosférico y como base de misiones de exploración del espacio profundo.

Como cualquier otra colonización en la historia humana, también la de la luna debe explotar los materiales locales para la estructura básica de las “casas”, pero en la luna sólo se dispone de suelo arenoso y una pequeña cantidad de agua helada. La arena lunar se llama regolito y la primera parte del citado proyecto se dedicó a la búsqueda de un material adecuado que reprodujera las propiedades principales del regolito. Posteriormente, se realizaron pruebas al vacío para demostrar que la tecnología D-shape puede aplicarse en ausencia de atmósfera y con gravedad reducida, es decir, en condiciones similares a las que se pueden encontrar en la luna.

Estos experimentos se han realizado en una de las cámaras de vacío de Alta SpA. La tecnología D-shape también se ha

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adaptado a las operaciones en entornos duros con soporte limitado por parte de operadores humanos (la posibilidad de realizar operaciones remotas sin supervisión humana también se ha considerado). La Scuola Superiore Sant’Anna investigó en esta dirección: la impresora está equipada con una cámara que toma imágenes de cada capa impresa, con algoritmos de procesamiento de imagen que pueden comparar la superficie impresa con su forma ideal y encontrar defectos eventuales. La lógica de control también se adaptó para detectar de manera autónoma y reparar los defectos de impresión y de funcionamiento. Finalmente, la estructura completa de la impresora se rediseñó preliminarmente de manera de que pueda –en el futuro– ser más flexible, adaptable a la superficie irregular de la luna y, sobre todo, capaz de moverse e interactuar en cooperación con otros vehículos auto o semiautónomos que pudieran, por ejemplo, acumular regolito para las operaciones de impresión.

Fig. 4: Bloques para armar del escudo externo de la estación

lunar y su proceso de impresión.

El diseño de la estructura de la estación lunar y de sus bloques para armar han sido desarrollados por la famosa compañía de diseño londinense Fosters + Partners que fue también socia del proyecto. Las “casas” lunares deberían ser

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similares a los iglús con un escudo externo grueso hecho (o “impreso”) en regolito y una estructura interna compuesta de lo que se llama “closed foam” (es decir, cavidades internas cerradas y vacías) proporcionando así aislamiento térmico adecuado y protección anti-micrometeoritos sin que se necesite una gran cantidad de material de unión; mientras que el núcleo más interno va a estar constituido por una estructura inflable presurizada. El diámetro de la capa inferior es de unos 10 m, mientras que la altura total es de unos 5 m. La figura 3 muestra uno de los prototipos de los bloques de armar (volumen total de unos 1.5 m3 ) con una capa que se evidencia y el proceso de impresión del mismo prototipo, para que se entienda la efectividad de la tecnología D-Shape en la realización de esta estructura. La Figura 5 muestra el prototipo de la estación lunar completa.

Fig. 5: Prototipo de la estación lunar. (Cortesía de

Fosters+Partners, quienes participaron en el proyecto financiado por ESA)

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D-shape para el ambiente marino

Las propiedades porosas de los artefactos impresos con la tecnología D-Shape los hacen apropiados para su inclusión en ambientes naturales.

Por ejemplo, la vegetación trepadora puede fácilmente apoyarse en estas estructuras cubriéndolas gradualmente y generando formas únicas e inesperadas totalmente incorporadas a los escenarios naturales. De acuerdo con este mismo principio, también la vegetación submarina y la pequeña fauna marina pueden aprovechar este tipo de estructuras (cuando están diseñadas adecuadamente) como un buen hábitat para la vida y la reproducción. Por lo tanto, estos artefactos pueden emplearse con éxito en la restauración rápida del lecho marino dañado por eventos naturales o por la intervención humana (por ejemplo accidentes o construcciones anti-ambientalistas).

Conclusiones

D-Shape es una de las tecnologías de impresión 3D a gran escala que explota el uso de material arenoso mezclado con un material de unión particular que permite imprimir piezas de trabajo con una gran variedad de formas y para una amplia gama de aplicaciones, desde la arquitectura al arte, apropiadas para ambientes muy diferentes, como jardines, parques, edificios o lo profundo del mar. El trabajo futuro se dedicará por una parte, al mejoramiento de la impresora para hacerla más rápida, y capaz de autodiagnosticar fallas; por otra parte, hay aplicaciones novedosas que se están estudiando y desarrollando, especialmente dedicadas a la arquitectura compatible con el ambiente y a estructuras para la restauración de ambientes naturales.

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Agradecimientos

El trabajo sobre Piezas para Armar una Estación Lunar se ha desarrollado dentro del proyecto titulado "3D Printed Building Blocks Using Lunar Soil" (Piezas para Armar Impresas en 3D Usando Suelo Lunar) financiado por la Agencia Espacial Europea (ESA) dentro del esquema de financiación del General Studies Programme (GSP).

Los autores agradecen por su valiosa contribución a todos los socios del proyecto y, en particular, al equipo liderado por Giovanni Cesaretti de Alta S.p.A., el equipo dirigido por Xavier De Kestelier en Fosters +Partners, y a Laurent Pambaguian y Scott Hovland de ESA, quienes nutrieron al equipo global del proyecto con su amplio conocimiento de los requisitos para la exploración espacial.

Referencias

1 Buswell et al.: “Freeform Construction: mega-scale rapid manufacturing for construction”, Automat. Construct., 16 (2), pp. 224-231, 2007.

2 B. Khoshnevis, D. Hwang: “Contour Crafting, a mega scale fabrication technology”, Manufact. Sys. Eng. Series, 6 (II), pp. 221-251, 2006.

3 F. Ceccanti, E. Dini, X. De Kestelier, V. Colla, L. Pambaguian: “3D printing tecnology for a moon outpost exploiting lunar soil”, Proceedings of the 61th International Astronautical Congress IAC 2010, Prague, Czech Republic, September 27- October 1 2010.