¿Cómo la automatización robótica transforma el diseño arquitectónico?

El trabajo con robots industriales en la arquitectura ha abierto un abanico de posibilidades que, antes de su implementación, parecían casi inalcanzables. En los primeros años de la década de 2010, la combinación de modelado generativo y robótica en la fabricación arquitectónica comenzó a gestarse en contextos que, aunque eran prometedores, no estaban exentos de desafíos. El primer obstáculo fue la necesidad de realizar cortes de paneles curvados de espuma con un robot industrial de 6 ejes, utilizando un proceso de corte por hilo caliente. Si bien el corte por hilo caliente habría sido más rápido, preciso y económico, el verdadero problema radicaba en el flujo de trabajo de software disponible para controlar los dispositivos y permitir una programación eficiente del robot.

En este contexto, la falta de una interfaz de programación de aplicaciones (API) para automatizar las operaciones de la máquina CNC que se utilizaba en la fabricación hizo que los operarios tuvieran que procesar manualmente miles de trabajos. Este proceso, que tomaba al menos 20 minutos para cada tarea, podría haberse resuelto con acceso a una API o mediante el uso de otro software más eficiente. La frustración de ver cómo una pequeña solución técnica podría haber ahorrado una enorme cantidad de tiempo y recursos fue uno de los sentimientos predominantes de este período.

Sin embargo, el aprendizaje de estos contratiempos resultó en la creación de un conjunto de herramientas de software y hardware. La hipótesis era simple pero ambiciosa: automatizar completamente el proceso de corte de paneles curvados de espuma, desde el modelado hasta la fabricación, utilizando un robot industrial, y hacerlo sin perder precisión. Un proceso que antes tomaba horas podría realizarse ahora en menos de un día, gracias a una integración efectiva del diseño computacional y las herramientas robóticas.

En este camino de exploración, encontré que no estaba solo. En foros especializados, otros miembros de la comunidad de diseño computacional compartían sus propios avances y descubrimientos, lo que me permitió mejorar y ajustar mi enfoque. Finalmente, tras semanas de trabajo intenso, logré crear un prototipo funcional que podía generar instrucciones de programación para el robot directamente desde Grasshopper, un entorno de diseño paramétrico ampliamente utilizado. Esta herramienta, HAL | Robot Programming and Control, permitió no solo optimizar la programación del robot, sino también hacer más accesible el uso de robots industriales en el diseño arquitectónico.

El éxito de este enfoque se consolidó al aplicar la tecnología en la creación de moldes de espuma para la construcción de estructuras arquitectónicas. En lugar de cortar moldes de concreto, se pasó a cortar bloques de espuma, lo que permitió un proceso de fabricación más ágil, económico y flexible. Entre 2011 y 2012, los primeros paviliones experimentales se construyeron utilizando esta técnica, y las revisiones continuas del plugin HAL abrieron nuevas posibilidades para la comunidad de usuarios de robots en arquitectura.

A partir de este proyecto, se empezó a expandir el uso de herramientas como HAL en el ámbito académico y profesional. En los años siguientes, se impartieron talleres y se realizaron investigaciones en diversas partes del mundo, y el software evolucionó para incluir compatibilidad con robots de otras marcas, como KUKA y Universal Robots. Esto facilitó la enseñanza y el acceso a la robótica en arquitecturas y universidades de todo el mundo, consolidando la robótica como un componente esencial en el diseño y la fabricación arquitectónica.

Es fundamental entender que la robótica aplicada al diseño arquitectónico no solo busca mejorar la precisión y la velocidad de la fabricación, sino también transformar profundamente los métodos de diseño. La capacidad de controlar el proceso de fabricación a través de herramientas computacionales y robots industriales permite una mayor libertad en el diseño y reduce la dependencia de los métodos tradicionales de construcción. Además, abre nuevas posibilidades para la creación de formas complejas y estructuras personalizadas que serían imposibles de lograr mediante métodos convencionales. El futuro de la arquitectura está, sin duda, ligado al avance de estas tecnologías, y su integración completa en el proceso de diseño y fabricación es solo cuestión de tiempo.

¿Cómo la impresión 3D en concreto redefine la arquitectura y la ingeniería estructural?

La impresión 3D en concreto, especialmente cuando se utiliza en combinación con técnicas robóticas avanzadas, ha dado lugar a un campo emergente en la arquitectura y la ingeniería estructural que ofrece una libertad morfológica sin precedentes. Proyectos como el puente optimizado topológicamente, realizado por Vertico en colaboración con la Universidad de Gante y el Instituto de Tecnología Technion de Israel, ejemplifican cómo la tecnología de impresión 3D puede transformar la manera en que concebimos y construimos infraestructuras.

Uno de los elementos más innovadores del puente de Vertico es su capacidad para funcionar como un encofrado integrado. Este diseño no solo sigue un modelo computacional avanzado, sino que también incorpora una estructura optimizada que permite ensamblar las piezas impresas después de un proceso de curado. En este contexto, la fragmentación de las piezas impresas se convierte en una forma secundaria de fabricación, previamente integrada, que actúa como encofrado para el “puente colado”.

Sin embargo, para poder aprovechar plenamente las capacidades de la impresión 3D en concreto, los diseñadores deben tener una comprensión profunda del comportamiento de los materiales. En particular, en el caso del concreto, el ciclo de diseño y fabricación es tan interdependiente que, una vez que se domina el proceso, este conocimiento se puede estandarizar y reutilizar para futuras creaciones. En Vertico, se han centrado en desarrollar mezclas de mortero que se asienten rápidamente, lo cual es crucial para garantizar la estabilidad de cada capa en el proceso de impresión.

Otro avance significativo en la tecnología de impresión 3D de concreto es la capacidad de imprimir en direcciones no planas. En proyectos como el Pabellón HPA, Vertico ha experimentado con la impresión de capas a ángulos no horizontales, lo que permite una mayor eficiencia material. Esta propiedad también mejora las propiedades estructurales del objeto impreso, ya que las cargas compresivas se distribuyen de manera más eficiente a lo largo de las capas. La impresión de capas con altura variable y la modificación de la velocidad de impresión para controlar la cantidad de material extruido también son técnicas que permiten la creación de formas complejas sin la necesidad de un encofrado tradicional.

Sin embargo, la implementación de la impresión 3D en concreto también plantea desafíos. A diferencia del concreto tradicional, que tiene una mezcla más fluida y un tiempo de fraguado más largo gracias al encofrado que lo sostiene, el concreto impreso debe tener una mezcla diseñada específicamente para soportar la carga de cada capa sin deformarse. Además, debido a la forma en que el material se deposita capa por capa, las propiedades estructurales no son isotrópicas, lo que significa que el concreto impreso se comporta de manera diferente bajo compresión y tracción.

El uso de varilla de refuerzo y el relleno con concreto pueden mejorar las propiedades estructurales de los elementos impresos en 3D, permitiendo que soporten más tensión. Sin embargo, esto introduce nuevos desafíos, como el aumento del peso y la dificultad para reciclar el concreto, lo que complica la sostenibilidad de la construcción. A pesar de estos obstáculos, Vertico ha continuado experimentando con materiales y técnicas que permiten mejorar el rendimiento estructural sin comprometer la eficiencia o la sostenibilidad del proceso.

El potencial de la impresión 3D en concreto para transformar la construcción de infraestructuras a gran escala es innegable. La capacidad de diseñar y fabricar elementos complejos sin la necesidad de encofrados tradicionales ofrece una solución prometedora para la construcción eficiente y sostenible. No obstante, es esencial que los diseñadores y arquitectos comprendan las limitaciones y los desafíos técnicos involucrados en este proceso, incluyendo las características específicas de los materiales, las propiedades estructurales y la optimización del diseño para aprovechar al máximo las capacidades de las máquinas de impresión 3D.

¿Cómo la microcirugía microinvasiva y los dispositivos de extrusión pueden transformar la construcción de estructuras complejas?

La microcirugía microinvasiva ha dado un paso importante en la evolución de los dispositivos de fabricación de alta precisión, como el microextrusor, que permite procesar con fiabilidad y exactitud una amplia gama de polímeros termoplásticos y varios polímeros no termoplásticos. Su capacidad para trabajar en combinación con aditivos y otros materiales mediante coextrusión es esencial para crear estructuras complejas y funcionales. Un aspecto fundamental de este dispositivo es su habilidad para preservar el peso molecular de los materiales procesados y, cuando es posible desde un punto de vista físico-químico, acondicionar la cristalinidad y las propiedades derivadas de los materiales, como las mecánicas, eléctricas, ópticas e incluso en algunos casos, químicas.

Uno de los ejemplos más relevantes de esta tecnología es el sistema Superframe v1, que se originó a partir de la necesidad de desarrollar un método simple y eficaz para la construcción de recubrimientos libres de formas, como los que se encuentran en el mercado del “glamping” y en el diseño de elementos como barandillas de formas libres y particiones semi-transparentes. El sistema Superframe permite una discretización de la superficie, inicialmente utilizando curvaturas gaussianas positivas, y tres patrones subsecuentes: malla hexagonal, patrón trapezoidal en forma de “quad” plano y una malla triangular. Cada una de estas discretizaciones se traduce en módulos impresos en 3D, los cuales, al ser combinados con diferentes materiales como fibras de carbono, kevlar o madera, producen estructuras altamente funcionales.

El modelo Superframe v1 mostró su versatilidad en prototipos utilizados en diversas aplicaciones: un edificio de glamping, barandillas de formas libres y elementos de particiones semi-transparentes que sirven también como protección solar. A través de la impresión 3D de marcos de ABS con refuerzos de fibra de vidrio y laminados de alto rendimiento, los prototipos no solo ofrecieron un atractivo estético, sino que también incorporaron funcionalidades prácticas, como la inclusión de rutas conductoras de energía o señales.

El proceso de discretización geométrica para la versión 2 se basó en la triangulación de mallas, buscando siempre la máxima eficiencia en el uso del material y la distribución uniforme de tensiones a lo largo de las superficies de cada panel. La diferencia clave de Superframe v2, frente a la versión anterior, radica en el diseño de interfaces entre los paneles, que permiten una mayor estabilidad estructural y una distribución uniforme de las tensiones a lo largo de sus bordes. El diseño de estas interfaces facilita la adherencia entre paneles, aún cuando la manufactura en impresoras 3D de extrusión de pellets presenta amplias tolerancias que impiden la aplicación de adhesivos. Este enfoque innovador hace posible la fijación de los paneles en sitio mediante tornillos, lo que resulta clave para proyectos que deben ajustarse a estrictas normativas de construcción.

Es relevante comprender que la convergencia entre los avances en fabricación aditiva, el reciclaje de plásticos y la arquitectura paramétrica está marcando el inicio de una nueva era en la construcción de estructuras complejas y funcionales. Lo más importante para el lector es reconocer que, aunque estas tecnologías inicialmente puedan parecer desconectadas, su integración permite la creación de soluciones innovadoras y sostenibles en arquitectura, diseño industrial y otros campos de la ingeniería. La capacidad de manipular materiales plásticos reciclados para crear estructuras no solo visualmente atractivas sino también activas y funcionales abre nuevas posibilidades para la construcción del futuro. Las limitaciones actuales de los procesos de fabricación, como las tolerancias y la necesidad de optimización en la producción, están siendo resueltas a través de la constante investigación y adaptación de estos métodos.