Cómo la impresión 3D está transformando la infraestructura hídrica

Lo aprendiste en clase de ciencias: el agua es la fuente de la vida. A menudo damos por sentado este recurso renovable, ya que para muchos de nosotros es fácilmente accesible con solo abrir el grifo. Sin embargo, la infraestructura que suministra agua potable limpia, así como la infraestructura que se ocupa de las aguas residuales, requiere una ingeniería compleja. A nivel mundial, muchas infraestructuras hidráulicas se enfrentan al envejecimiento de los sistemas, que necesitan mantenimiento o, en algunos casos, sustitución. Estos sistemas pueden verse afectados por fugas, ineficiencias y altos costes. Además, a menudo se enfrentan a una demanda creciente debido al aumento de la población. Si a esto le sumamos los objetivos medioambientales, nos encontramos con una pregunta compleja que responder: ¿cómo puede una comunidad crear una infraestructura hidráulica eficiente, segura, asequible y sostenible?

Cada vez más, los ingenieros están explorando la impresión 3D como solución. Esta tecnología emergente resulta atractiva para la construcción y el mantenimiento de infraestructuras, ya que ofrece soluciones más rápidas, más ecológicas y más personalizables. Pero antes de profundizar en el papel de la impresión 3D en este ámbito, echemos un breve vistazo a lo que es la infraestructura hídrica.

Pozo de hormigón colocado en su posición en la planta de tratamiento de aguas residuales de Esholt (Créditos de la foto: Hyperion Robotics).

¿Qué es la infraestructura hídrica?

La infraestructura hídrica es esencial para satisfacer las necesidades básicas de la sociedad, desde el mantenimiento de la vida hasta la protección de la salud pública. La recogida y el tratamiento de las aguas residuales también son fundamentales para prevenir enfermedades y proteger el medio ambiente. Uno de los componentes vitales de la infraestructura hídrica son las plantas de tratamiento de agua. Estas instalaciones recogen agua de fuentes superficiales, como ríos o pozos subterráneos, y la tratan mediante diversos procesos químicos y físicos para hacerla potable. Una vez purificada, el agua pasa por una red de sistemas de distribución, compuesta por tuberías, bombas y depósitos de almacenamiento, que la transportan hasta su destino. Después de su uso, el agua se convierte en aguas residuales y debe ser tratada de nuevo. Esta agua se dirige a instalaciones de tratamiento de aguas residuales, donde se somete a procesos avanzados para eliminar los contaminantes, antes de ser devuelta al medio ambiente de forma segura. Otros componentes de esta vasta red son los embalses y presas, que almacenan grandes cantidades de agua. Estos pueden ser útiles para el control de inundaciones, la energía hidroeléctrica y el suministro estable de agua.

Trazar toda esta infraestructura no es tarea fácil. Requiere comprender las necesidades locales, el impacto medioambiental, la normativa y, por supuesto, el coste, entre otros factores. Entonces, ¿dónde entra en juego la fabricación aditiva?

Aplicaciones de la impresión 3D en la infraestructura hídrica

Hay varias formas de utilizar la impresión 3D para la infraestructura hídrica. A continuación, analizaremos las principales áreas de aplicación.

Componentes de infraestructura

Muchos componentes de infraestructura pueden imprimirse en 3D, y en el Reino Unido, el proyecto Water Industry Printfrastructure fue noticia por implementar con éxito muchos de ellos. El proyecto fue liderado por United Utilities en colaboración con ChangeMaker3D, PrintCity de la Universidad Metropolitana de Manchester y Scottish Water. Desde que se lanzó el proyecto en 2023, se han realizado varios estudios para probar la impresión 3D de hormigón y polímeros para infraestructuras hidráulicas. En particular, imprimieron una boquilla de chorro de aguas residuales, una placa protectora para cámaras de CCTV y una cubeta para instrumentos de control del agua. Tras rigurosas pruebas y ensayos, estos tres componentes están siendo utilizados a diario por United Utilities. También fabricaron equipos de laboratorio que están siendo utilizados por Scottish Water y United Utilities.

Una cámara de aguas residuales creada por United Utilities.

Además, el proyecto supuso la apertura de un centro de impresión 3D de hormigón en la planta de tratamiento de aguas residuales de United Utilities en Wigan en junio de 2024. Allí imprimieron cámaras de desbordamiento de alcantarillado, muros de contención, anillos de alcantarilla y cámaras de distribución, de conformidad con la Directiva sobre emisiones industriales. El proyecto Printfrastructure ilustra varios ejemplos de elementos de infraestructura hidráulica impresos en 3D, pero el potencial es mucho mayor, como lo demuestra el plan de United Utilities de ampliar el presupuesto para la impresión 3D entre 2025 y 2030.

Filtración y tratamiento

Más allá de la propia infraestructura hídrica, la impresión 3D puede utilizarse para fabricar dispositivos de filtrado y tratamiento del agua. Un proyecto que ilustra esto fue realizado por investigadores de la Universidad de Bath, que imprimieron en 3D celosías cerámicas capaces de eliminar del agua el ácido perfluorooctanoico (PFOA) y las sustancias polifluoroalquílicas (PFAS), que son tipos de sustancias químicas persistentes. En 2024, estos investigadores publicaron sus hallazgos, revelando que sus rejillas cerámicas podían eliminar al menos el 75 % del PFOA y las PFAS del agua que trataban. En la misma línea, la Armada Real de los Países Bajos ha impreso recientemente con éxito en 3D un filtro de agua de repuesto diseñado para el entorno marítimo.

La fabricación aditiva también es excelente para los sistemas de filtración basados en membranas. Según un estudio de 2023, «Materiales impresos en 3D para el tratamiento de aguas residuales», las tecnologías 3D se han utilizado para fabricar componentes de membranas avanzadas, incluidos bioportadores, sorbentes, catalizadores e incluso membranas completas. Tradicionalmente, la fabricación de membranas requiere grandes cantidades de disolventes y materiales monoméricos tóxicos, y deja una elevada huella de carbono y residuos. Por el contrario, la impresión 3D no requiere la descarga de disolventes, lo que la convierte en un método más respetuoso con el medio ambiente.

Resumen gráfico de cómo se pueden utilizar las tecnologías aditivas para el tratamiento de aguas residuales (Créditos de la imagen: Roy Barman S et al.).

Estas membranas se han utilizado para el tratamiento de residuos industriales, especialmente para la degradación de contaminantes orgánicos, aguas residuales oleosas y metales pesados producidos por las industrias manufactureras y farmacéuticas. Además, estas membranas se han utilizado para el tratamiento de aguas domésticas y aplicaciones de desalinización para reciclar y reutilizar agua no potable.

En 2016, los investigadores de la Universidad de Bath también fueron los primeros en fabricar un módulo de membrana para ultrafiltración y, desde entonces, se ha utilizado la impresión 3D para crear membranas completas (aunque esto es menos habitual) y, más comúnmente, piezas de módulos. Hay varias piezas de módulos que pueden componer una membrana completa, y la impresión 3D se ha estudiado ampliamente para crear los siguientes componentes:

• Separadores de membrana: Estos establecen un flujo continuo de fluido, evitando que la capa activa de la membrana se vea afectada y reduciendo las incrustaciones. Se han utilizado muchas tecnologías 3D, como SLS, DLP, FDM y polyjet, para diseñar separadores en diversas configuraciones, incluyendo estructuras multicapa, hélices, escaleras y más.
• Fotocatalizadores: cuando se exponen a luz de una longitud de onda específica, los fotocatalizadores generan especies reactivas de oxígeno (ROS), como radicales hidroxilo y superóxido, que oxidan y descomponen los contaminantes orgánicos. Esto los hace muy eficaces para eliminar los contaminantes del agua y otros entornos. Se han utilizado varios tipos de tecnologías 3D, como FDM, inyección de material, inyección de aglutinante y fotopolimerización en cubeta, para crear fotocatalizadores.
• Bioportadores: utilizados para degradar contaminantes orgánicos, los bioportadores son materiales porosos que proporcionan una superficie para que los microorganismos crezcan y formen biopelículas, lo que aumenta la velocidad de degradación de los contaminantes. Los investigadores han utilizado la escritura directa con tinta, SLS y polyjet para crearlos.
• Sorbentes: los sorbentes pueden adsorber selectivamente moléculas o iones de una fase líquida o gaseosa para su eliminación, incluyendo amoníaco, metales pesados y contaminantes orgánicos volátiles. A menudo se utilizan materiales naturales como sorbentes, pero los adsorbentes desarrollados son mecánicamente inestables y poseen una baja flexibilidad. Por el contrario, la impresión 3D basada en extrusión, SLS y otras tecnologías 3D pueden crear sorbentes con alta resistencia mecánica, porosidad controlable, alta estabilidad y eficiencia excepcional.

Tecnologías y materiales

Cuando se trata de tecnologías y materiales para infraestructuras hidráulicas, todo se reduce a la aplicación. Las tecnologías más comunes para las infraestructuras hidráulicas son DLP, extrusión de materiales y SLS. Pratik Gavit, del Departamento de Ingeniería de Materiales del Instituto Indio de Ciencias, fue uno de los investigadores del estudio de 2023 mencionado anteriormente. Explicó que, a la hora de elegir una tecnología, las partes interesadas del sector deben tener en cuenta el tamaño de las piezas, la precisión requerida, el rendimiento mecánico y el coste. Para componentes de alta precisión, como espaciadores de membrana o piezas con características finas, DLP o SLA suelen ser la mejor opción, ya que estas tecnologías ofrecen resoluciones inferiores a 100 micrómetros y acabados superficiales excepcionalmente lisos. Esto las hace muy adecuadas para geometrías intrincadas, canales internos complejos y aplicaciones en las que la rugosidad de la superficie afecta directamente al rendimiento y se desea un posprocesamiento mínimo.

Para componentes de infraestructura más grandes, como tuberías, tanques o elementos estructurales, la extrusión de material (FDM) destaca como la solución más rentable, ya que ofrece grandes volúmenes de construcción de hasta aproximadamente 300 × 300 × 600 milímetros y compatibilidad con una amplia gama de termoplásticos de ingeniería, lo que la hace ideal cuando el tamaño de la pieza y el presupuesto son las principales limitaciones.

Para prototipos funcionales y producción de volumen medio, SLS ofrece un buen equilibrio entre resistencia mecánica y libertad de diseño, ya que produce piezas robustas sin necesidad de estructuras de soporte. Esto hace que SLS sea especialmente atractivo para componentes con geometrías complejas que deben soportar tensiones operativas y en los que es fundamental que las propiedades del material sean uniformes.

Ventajas de la impresión 3D en infraestructuras hidráulicas

Las ventajas de la impresión 3D en infraestructuras hidráulicas son únicas para cada aplicación, pero hay algunas cualidades generales que hacen que la tecnología sea favorable. Por ejemplo, la tecnología puede permitir una mayor libertad de diseño y personalización, una rápida producción y despliegue, una mayor sostenibilidad, un mejor rendimiento y durabilidad, y un ahorro en piezas únicas y de lotes pequeños.

United Utilities compartió por correo electrónico que las ventajas más significativas que ha observado en la impresión 3D de hormigón son la velocidad, la reducción del impacto de carbono y el ahorro de costes. «Por ejemplo, la impresión de una cámara CSO fue un 60 % más rápida, supuso un ahorro de carbono del 27 % y resultó rentable. Estas cifras fueron verificadas de forma independiente por nuestro consultor de evaluación de carbono». El equipo informó de que el proyecto Printfrastructure gastó en total hasta un 50 % menos de carbono, con un ahorro basado en «la comparación del impacto de carbono incorporado del ciclo de vida de los activos impresos en 3D con el de los activos construidos de forma tradicional».

Además, United Utilities afirmó que la impresión de polímeros les permitía imprimir piezas obsoletas para prolongar la vida útil de los activos del brazo del filtro, además de ser útil para crear prototipos rápidos o diseños a medida. «Estamos explorando más a fondo el potencial de utilizar esto para crear rápidamente piezas que permitan una reparación rápida en situaciones de emergencia, por ejemplo, una rotura de tuberías mientras se espera la solución permanente», añadió United Utilities.

United Utilities utiliza boquillas de chorro de aguas residuales impresas en 3D en sus operaciones diarias. (Crédito de la foto: United Utilities).

Limitaciones de la impresión 3D en infraestructuras hidráulicas

Aunque el uso de la fabricación aditiva en obras hidráulicas puede ser ventajoso, la adopción de nuevas tecnologías nunca está exenta de retos. El equipo de United Utilities compartió que tuvieron que trabajar para que la gente se sintiera cómoda con este método de construcción y comprendiera sus posibles beneficios. «La creación de nuestro centro de impresión en Wigan para demostrar la impresión 3D en acción ayudó a mostrar la velocidad a la que se pueden imprimir las estructuras de hormigón, y compartir nuestros aprendizajes a lo largo del proyecto con otras empresas de agua, socios de distribución y proveedores ha ayudado a superar algunas de estas barreras».

Gavit, uno de los investigadores que escribió el estudio mencionado anteriormente, desglosó las principales limitaciones de la impresión 3D en infraestructuras hidráulicas en tres categorías: obstáculos técnicos, barreras económicas y obstáculos normativos.

Algunos de los obstáculos técnicos son:

• Limitaciones de resolución: las impresoras actuales tienen dificultades con los tamaños de poro finos necesarios para la filtración avanzada (la nanofiltración requiere poros de menos de 10 nm).
• Restricciones de materiales: selección limitada de materiales resistentes a los productos químicos y aptos para uso alimentario, adecuados para aplicaciones de agua potable.
• Escalado de tamaño: dificultad para imprimir láminas de membrana planas de más de 1 x 5 metros, necesarias para aplicaciones industriales.

Por su parte, las barreras económicas pueden ser las siguientes:

• Altos costes de equipamiento: las impresoras de grado industrial capaces de imprimir componentes de infraestructura hídrica cuestan entre 200 000 y más de 500 000 dólares.
• Lentas tasas de producción: la impresión 3D a menudo solo es económicamente viable para la producción de bajo volumen (<1000 piezas al año para obtener beneficios medioambientales).
• Costes de los materiales: los materiales de impresión especializados cuestan entre 100 y 500 dólares/kg, en comparación con los 10-50 dólares/kg de los materiales convencionales.

Y, por último, los obstáculos normativos incluyen:

• Certificaciones de seguridad: los componentes impresos en 3D para sistemas de agua potable deben cumplir las normas NSF/ANSI, que los materiales actuales a menudo no pueden alcanzar.
• Validación del rendimiento a largo plazo: los reguladores exigen datos sobre una vida útil de más de 20 años, pero la impresión 3D para aplicaciones hidráulicas tiene menos de 10 años de historia en el campo.
• Normas de control de calidad: falta de protocolos de ensayo estandarizados para los componentes de infraestructura hidráulica impresos en 3D.

El Dr. Joshua Pearce, de la Universidad de Western, imprimió en 3D piezas de tuberías de PETG para lograr una gestión más eficiente del agua. (Créditos de la foto: Universidad de Western)

Mirando hacia el futuro

A pesar de los retos, los fabricantes siguen explorando la fabricación aditiva para soluciones de infraestructura hídrica. En el futuro, es posible que veamos más centros de impresión 3D descentralizados para servicios de agua e integración con gemelos digitales y mantenimiento predictivo. El cambio de proyectos experimentales a la práctica cotidiana ya está aquí. Aunque todavía se encuentran en una fase inicial, estos avances apuntan hacia un futuro en el que la impresión 3D desempeñará un papel clave en el suministro de agua limpia y segura de forma más sostenible. «La clave está en gestionar las expectativas», explicó Gavit. «La impresión 3D no revolucionará las infraestructuras hidráulicas de la noche a la mañana, pero ya está creando valor en aplicaciones específicas y se expandirá a medida que los materiales y los procesos maduren».

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*Imagen de portada (izquierda): Membranas filtrantes cerámicas de Separonics. Créditos: Lithoz.