2.1. Tipología de paneles

Los paneles de GRC habitualmente se fabrican con espesores que rondan los 10 mm, los cuales pueden ser trasdosados o cubiertos por su cara interior de aislante térmico o acústico para mejorar sus prestaciones. Se presentan a continuación una selección de los paneles más utilizados en el mercado de la construcción.

Panel cáscara (Fig 1a): es el más sencillo ya que consiste en una sola lámina de 10 mm de espesor, reforzada en algunos casos por nervios del mismo material que funcionan como travesaños y garantizan la rigidez del sistema. Peso medio 40 kg/m2 (7).

Panel sándwich (Fig 1b): está compuesto por dos láminas de GRC de 10 mm de espesor cada una. Se coloca aislamiento térmico en el núcleo y de acuerdo a las necesidades se puede realizar un refuerzo mediante nervios huecos. Peso medio 70 kg/m2 (7).

Panel stud-frame (Fig 1c): actualmente es el sistema más utilizado ya que se pueden construir paneles de grandes dimensiones. Mediante una estructura auxiliar de acero se conectan las láminas de GRC y puede colocarse también aislante térmico entre los montantes del bastidor. Peso medio 50 kg/m2 (7).

Otros (Fig 1d): se refieren a elementos ornamentales, de decoración, mobiliario urbano, elementos de formas complejas, como es el caso de paneles de doble curvatura o forma libre.

2.2. Tipo de moldes

Para la fabricación de los paneles de GRC, los moldes tienen una gran importancia debido a que son estos los que le dan la forma (8). A continuación, se detallarán los más importantes de acuerdo a la clasificación de Van Helvoirt, 2003 (9).

Los moldes estáticos son aquellas estructuras temporales a las cuales se vierte el GRC en estado líquido, y en el momento en que se ha conseguido la suficiente resistencia, el panel es retirado. Este tipo de molde es muy común y se fabrica normalmente en poliestireno (EPS) mediante una cortadora CNC, pero tiene el inconveniente de producir una gran cantidad de residuos. (10).

En el caso de los moldes reutilizables, se comercializaron en la primera década del siglo XX, especialmente los metálicos, los cuales fueron aprovechados para el encofrado modular de construcciones de hormigón. Este sistema evolucionó como se puede ver en el sistema Dominó de Le Corbusier, los prefabricados para el Palacio de los Deportes de los Juegos Olímpicos de Roma 1960 diseñados por Pier Luigi Nervi (11). Dichos moldes suelen ser de madera, acero o aluminio, no obstante, tienen que estar bajo constante mantenimiento, ya que con el uso continuo se deterioran, generando pequeñas deformaciones al sacar la lámina.

En el caso de los moldes estáticos y reutilizables hablamos de sistemas ortogonales o planos, ya que si se requiere de algún tipo de forma curvada se complica su fabricación, lo que conlleva el encarecimiento del molde y por lo tanto la repercusión en el precio del panel. Tradicionalmente los moldes para piezas curvadas se realizaban en madera, pero solo se puede conseguir el curvado en un sentido, limitando el proceso. En algunos casos se suelen utilizar moldes de arena, barro o goma, que permiten la fabricación de formas complejas, además no generan tantos residuos (12) y pueden ser reutilizados.

Finalmente, el molde flexible se creó con el objetivo de producir paneles de doble curvatura a partir de un dibujo digital en 3D, con una alta calidad de acabado, de manera rápida y eficaz. El sistema pretende la fabricación de elementos únicos, de forma libre y que se puedan realizar en un solo molde. Existen varios estudios sobre el molde flexible como el encofrado mediante textiles de Kok de la Universidad de Delft (13), el de la tesis de West (14) que hace un estudio muy amplio del tema. También están los moldes neumáticos para superficies de pequeño espesor (15), o los moldes adaptativos, como las propuestas de Pronk (16), el FlexiMold de Boers (17), la propuesta de Eigenraam (18), la de Schipper (19), o la de Raun con su “Adaptive Mould” (20). El más utilizado es el molde adaptativo, el cual consiste en una cama de pistones que se ajustan manual o digitalmente en altura para crear la forma deseada (21).

3.1. Procesos sustractivos

Como su propio nombre indica, este tipo de procesos se refiere a la sustracción o separación de partículas de un material en bruto mediante la utilización de distintas técnicas (eléctrica, química o mecánicamente reductiva). Dentro de los procesos sustractivos para la fabricación de moldes de doble curvatura, se encuentran el chorro de agua, hilo caliente, fresadora de dos a seis ejes y el láser multi-axial.

El método por chorro de agua consiste en someter agua a alta presión, ya sea el líquido puro o mezclado con partículas abrasivas sólidas, que pasan a través de una boquilla, provocando la rápida erosión del material a su paso, creando cortes limpios y precisos (24). Uno de los ejemplos más atractivos es del stand de la Universidad de Darmstadt para la exposición Hobbit 2008, que fue realizado por la seriación de varias planchas de cartón corrugado, el cual fue segmentado por una cortadora de chorro de agua, con una presión de más de 1.000 m/s, lo que permitió que el material no sufriera ninguna deformación ni alteración (25).

El corte por hilo caliente es otro sistema de altas prestaciones, que a pesar de tener pocos ejemplos arquitectónicos, permite la ejecución de piezas de grandes dimensiones (26). Se pueden realizar elementos de doble curvatura, una vez que después del corte inicial con el hilo caliente, se gire la pieza de espuma, lo que hace de este sistema, una opción viable para la creación de moldes de forma libre. También existe la posibilidad de incorporar el corte por hilo caliente a un robot de brazo articulado, como en la propuesta del grupo de investigadores de la Universidad de Oporto (27), el cual lo utilizan para realizar moldes de formas complejas en hormigón. Un ejemplo arquitectónico del uso del hilo caliente es el la Fundación Louis Vuitton en París, diseñado por Frank Gehry, con bloques de EPS en combinación con moldes de goma para la creación de los paneles de GRC para la envolvente de dicho edificio (19).

Las fresadoras CNC pueden realizar formas complejas, pero esto depende más de la rotación y de los ángulos que el troquel pueda realizar. Las máquinas más avanzadas (de 4 a 7 ejes) son capaces de realizar operaciones más complejas, cuantos más ejes, mayor capacidad operativa (28), (29). La posibilidad de generar mecánicamente elementos de curvaturas especiales, el bajo coste de la materia prima del molde y la fácil manipulación del mismo, le confieren una buena opción para elaborar moldes de forma libre en frío. Con esta técnica se han construido moldes para los paneles de hormigón armado de la Torre Zollhof, los paneles de metacrilato de “La Burbuja “ de BMW, o los paneles de GRC del Medienhaus K42 (19) (Fig. 2).

Los procesos sustractivos, son los métodos más utilizados en la fabricación de moldes de formas libres. También se suelen fabrican con estos métodos los contra moldes, los cuales se rellenan de goma, cera, barro, entre otros para servir como molde. Estas tecnologías tienen una gran relevancia dentro de la fabricación de moldes, gracias a la capacidad de crear formas complejas a partir de materiales típicos de la construcción (30) como madera, metales, espumas. Sin embargo, el gasto de material y la generación de residuos es un punto a tener en cuenta, ya que no parece sensato fabricar una sola pieza de un bloque de material si no aporta un valor añadido en hacerlo específicamente mediante dicho procedimiento sustractivo (23), (31).

3.2. Procesos de conformado

Los procesos por conformado utilizan la fuerza mecánica por tensión o presión sobre materiales en estado sólido o líquido, los cuales son modificados geométricamente, causando la deformación plástica del material hasta conseguir la forma deseada (3).

Los moldes de metal han sido tradicionalmente conformados a mano o en moldes por estampación o presión. El uso de los procesos por CNC ha permitido la reducción de los tiempos de producción y los costes de elaboración. Por estas razones, muchos fabricantes con maquinaria de conformado están invirtiendo en la modernización de las técnicas como por ejemplo las empresas CIG y Formtexx (32). También hay varios centros de investigación, que están haciendo grandes avances sobre procesos CNC prometedores, como Multipoint Forming (MPF), Flexible Roll Bending (FRB), Incremental Sheet Forming (ISF), y un proceso mixto denominado Multipoint Forming and Stretch Bending (MFSB) (3). La mayoría de estos proceso aún están en fase de desarrollo e investigación, pero ya hay algunos que se han comercializado como el MPF.

La producción en masa para realizar formas aerodinámicas con metal ya existe en la fabricación de automóviles, aviones o barcos, pero estos sistemas no son aplicables a la construcción de moldes para paneles de GRC de forma libre, debido a que los requerimientos de cada panel normalmente son únicos e irrepetibles. Por tanto, el precio de fabricación del molde no es rentable, dando como resultado edificios “blob” que raramente utilizan planchas de metal con doble curvatura (33).

El Multipoint Forming (MPF) es una tecnología similar al conformado tradicional de embutido con punzón, pero la diferencia es que se utilizan dos matrices de puntos contrapuestas (Fig. 3) que al acercarse presionan la chapa metálica para darle forma con una geometría particular, previamente establecida en el ordenador mediante programa de fabricación CAM. El MPF permite cambios de manera rápida y tantos paneles distintos como se requiera sin tener un molde específico (34), (35). Esta tecnología no sólo sirve para metales, ya que existen investigaciones sobre plásticos y aerogeles (36) para conseguir la doble curvatura, en la que el sistema funciona simplemente como molde, pudiendo aplicar o no presión, como podemos observar en los moldes flexibles.

Incremental sheet forming (ISF) (Fig. 4) es un proceso en el cual la lámina se modifica a partir de tensiones progresivas localizadas debido a la utilización de un punzón metálico redondeado, el cual es controlado en todos sus movimientos por un ordenador (37). Los materiales que puede deformar pueden ser tanto metales como plásticos (38). La ventaja del ISF frente a otros procesos más convencionales es que no se requieren troqueles especiales para conseguir una gran cantidad de formas diferentes, ya que estas se consiguen mediante el movimiento del punzón esférico a través de un patrón de diseño personalizado controlado por una máquina CNC.

Dentro de la industria privada, la empresa Formtexx ha desarrollado un proceso del cual poco se sabe, ya que sus propietarios lo tienen bajo secreto industrial. Dicho proceso lo definen sus creadores, como análogo al uso de las impresoras de sobremesa, pero más grande, en lugar de papel es una plancha de metal y en lugar de un cabezal de impresión conectado a una conexión USB, es una máquina controlada por ordenador con una conformadora robotizada que realiza deformaciones de doble curvatura (32). La velocidad de fabricación es constante lo que permite una nueva oportunidad para la construcción de elementos metálicos ligeros de forma libre, empleando técnicas de precisión similares a las utilizadas en la industria automotriz (3).

Por otro lado, la empresa CIG (Central Industry Group) ha desarrollado varios proyectos de arquitectura con formas libres, realizadas con planchas de metal, sobre todo mediante conformado en frío y con máquinas CNC de presión positiva, punzonadoras, estampadoras, rueda inglesa, pero con una base digital de fondo mediante la incorporación de programas CAM. Construyen sobre todo estructuras semi-monocasco como en el caso del Centro de Prensa del campo de criquet de los Lords (Future Systems), la Iglesia de Martin Luther King en Austria (Coop Himmelblau), el Pabellón Porche, Alemania (Henn Architects) o el Estudio de Dibujo de la Universidad de Bournemouth (Peter Cook y Gavin Robotham).

Existen procesos de conformado que han demostrado su fiabilidad para aplicarse en la fabricación de moldes para paneles de forma libre, no obstante, algunos de ellos aún están en fase de investigación. Si bien es cierto que la industria automotriz y la naviera tienen los medios para realizar dichos paneles, se estima probable que la incursión de esta tecnología a la construcción sea de manera gradual.

3.3. Moldes flexibles

Dentro de los moldes flexibles, los adaptativos son los que pueden tener una mayor incorporación en la industria de la construcción, ya que, si los comparamos con los paneles mediante textiles o los moldes neumáticos, vemos que éstos dos últimos no están dentro del ámbito de este artículo ya que distan de conseguir el control digital del proceso y en el caso del neumático a menos que haya una cierta repetición, no resulta económicamente viable.

Los moldes flexibles tienen la ventaja de ser reutilizados múltiples veces y cada vez con formas distintas, además de reducir los costes de la pieza en general, ya que, al eliminar la necesidad de molde para cada pieza distinta, se economiza el proceso. Esto se debe a que si comparamos la fabricación mediante técnicas convencionales, vemos que el molde puede constituir un alto porcentaje (entre 40 y 80 %) respecto al precio final del panel como bien comentan Eigensatz (39), Buswell (40), y Kolarevic (41).

El molde flexible consiste generalmente en un encofrado ajustable mediante un material plástico que puede ser modificado y adquirir cualquier forma curvada mediante el uso de pistones, barras, cama de pivotes o elementos similares (16). Renzo Piano creo en 1969 unos de los primeros moldes flexibles modernos, pero no fue hasta varias décadas después cuando se recuperó esta idea para la producción de elementos de doble curvatura en hormigón o GRC, la cual pudiera ofrecer una alternativa más económica con respecto a los métodos actuales (42).

Según Gard (43), existen cuatro tipos de moldes adaptativos: por Cama de pivotes, Capa flexible apoyada, Capa flexible tensada y Capa flexible presurizada. Un número considerable de compañías y centros de investigación han desarrollado varias propuestas que combinan la tecnología digital con los moldes flexibles o adaptativos, tales como el “FlexiMold” de Boers (17), el “Flexible Mould“ de Rietbergen y Vollers (44), el proyecto “Zero Waste Free-form Formwork” de Oesterle (31), el “Flexieble Mold“ de Schipper (19), así como el uso de dicho molde con GRC y UHPC (45), el “Flexible mold“ de Gard (43), el “Adaptive Mould” (20), el “Tailorcrete” (4), así como otras investigaciones paralelas que estudian la mejora de la técnica del sistema como la de Pronk (16) o alternativas para conseguir un mejor terminado en los bordes y contornos (1).

Uno de los proyectos más relevantes es el de Boers, denominado “FlexiMold” (Fig. 5), el cual está basado en el juego de pin-art 3D y utiliza dichos pines o pivotes para crear formas de doble curvatura. El objetivo principal era el de desarrollar un molde reconfigurable para crear láminas metálicas de forma libre. La utilización de una gran densidad de puntas permite una gran resolución, lo que hace más preciso este tipo de molde. Este ha sido uno de los principales ejemplos de moldes flexibles sobre los cuales se han desarrollado posteriormente muchos otros (17).

El proyecto de Oesterle denominado “Zero Waste Free-Form Formwork” (Encofrado de forma libre sin residuos) (Fig. 6) utiliza cera como material para el molde. La forma se consigue mediante una capa flexible que descansa sobre las barras. Las características y ajustes de las barras se crean gracias a un modelo digitalizado. La capa flexible es una hoja de espuma de plástico de poro cerrado. Por encima de dicha capa se coloca 2 mm de silicona, la cual permite quitar fácilmente la cera y evita que queden rastros o huellas. Después de haber creado los moldes de cera gracias al molde flexible, se coloca el GRC y cuando se cura se retira el encofrado. Los moldes de cera pueden ser reciclados para la producción de nuevos moldes (31).

El “Flexible Mold” de Gard está basado en el “E-mould” de Van Rooy y Schinkel. Una lámina termoplástica se usa como capa flexible la cual para manipularla se pretensa. Dicha capa se calienta en un horno, deformándose por las propiedades intrínsecas del material al aplicarle calor. Las hojas deformadas se utilizan como encofrado para el vertido de hormigón (43).

Se han llevado a cabo varios diseños del molde flexible, y creemos que tiene un potencial por desarrollar. Aún quedan temas pendientes de resolver como el tiempo de curado entre piezas, el tiempo de modificación del molde, la digitalización completa del proceso, las terminaciones de los bordes del panel, la posibilidad de realizar aberturas o huecos, las esperas para los anclajes, etc.

3.4. Procesos aditivos

De manera opuesta a los procesos sustractivos, los aditivos se caracterizan por la adhesión de capas de material para la fabricación de una pieza sin la necesidad de moldes o preformas (tool-less, sin herramientas), lo que permite geometrías con un amplio grado de libertad. Una de las principales ventajas de dicha tecnología es la posibilidad de producir componentes únicos sin incrementar el precio de producción, ya que si tratásemos de realizarlo mediante los procesos de manufactura tradicional sería inviable económicamente (23). El principio del proceso aditivo es el mismo para todos los métodos (40), y se puede imprimir en una gran cantidad de materiales como metal, yeso, bioplásticos, poliuretano, epoxi, materiales cerámicos, cemento, entre otros (3).

Existen varias máquinas de grandes dimensiones de AM por Fundido de Filamento termoplástico como la 3D Big Delta, la BigRep, la Voxeljet400 o la BAAM (Big Area Additive Manufacturing). Esta ultima creada por el Oak Ridge National Laboratory y Cincinnati Incorporated, que nace como un prototipo de trabajo, la cual ha sido capaz de imprimir un coche Shelby Cobra en 24 horas a escala 1:1. La BAAM puede producir piezas de diversos materiales plásticos, reforzadas con fibra de carbono o fibra de vidrio, las cuales les proporciona ligereza y resistencia. Esta máquina ha demostrado que no sólo se puede mejorar la velocidad, sino la precisión de impresión (46), por lo que esta tecnología puede ser fácilmente trasladada a la industria de la construcción para fabricar paneles arquitectónicos, siendo competitivos por tiempo y precios.

Desde el Departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónicas de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), se está realizando una investigación, la cual está en fase de desarrollo, para crear un nuevo proceso de fabricación de paneles mediante una malla impresa en 3D a la que posteriormente se refuerza mediante una capa proyectada de GRC (Fig. 7 y 8). Se ha realizado la malla de forma libre con la impresora M3 de Moebyus con unas dimensiones de 1m x 1m x 1m en plástico ABS, permitiendo la producción de paneles sin moldes.

La calidad del material y los acabados mediante la impresión 3D están siendo comparables con otras tecnologías. Aunque en muchos casos no se logre alcanzar tales propiedades, pero dada la rapidez con la que se está avanzando en este campo, podemos suponer con cierta seguridad que en unos años la tecnología podrá tener soluciones para este tipo de mercado (19). Tal vez no se puedan construir casa enteras, pero si podemos hablar de crear piezas a medida con formas complejas, que sirvan como molde o contramolde para realizar los paneles de GRC.

Como se ha podido comprobar, el coste de los moldes es una parte importante del coste total de los paneles de GRC de geometrías complejas. Por esta razón se muestra a continuación una tabla (Tabla 1), modificada de (1), en la cual se comparan los distintos procesos revisados en el presente documento.