Magazine Mardi 4 septembre 2018 - 07:00

La fabrication additive peut-elle s'imposer dans le secteur du bâtiment ?

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La fabrication additive a bien investi le secteur du BTP : après la conception de maquettes et de prototypes, cette technologie permet à présent la construction de bâtiments. S'il subsiste encore un certain nombre de freins, de nouvelles voies s'ouvrent aux constructeurs et aux architectes.

La fabrication additive est une technologie souvent citée dans les industries clés comme l’automobile, l’aéronautique et le médical. Dans l’imaginaire collectif, elle vise essentiellement la production de petits objets. Les procédés les plus connus sont ceux de dépôt de matière fondue et de fusion laser sur lit de poudres. Et pourtant­ ! Depuis les cinq dernières années, la fabrication additive est également utilisée pour la réalisation de ponts ou de bâtiments, de la conception de maquettes à la construction de l'édifice. Notons, toutefois, une différence entre les techniques et procédés employés pour les projets d’architecture ou de design et celles mises en œuvre pour les bâtiments : si la fabrication additive est de plus en plus utilisée pour produire à faible coût des maquettes, elle permet également de les retoucher rapidement. De nombreuses méthodes originales ont parallèlement été développées pour la construction de bâtiments entiers et de pièces structurelles. La fabrication additive peut-elle s’imposer au secteur du BTP­?

Comment la fabrication additive a-t-elle changé le monde de l’architecture­ ?

Les sociétés d’architecture et de design d'envergure ne peuvent ignorer les avantages de la fabrication additive. Prenons l'exemple du projet «­Lightray 3D Model­ ». Principioattivo Architecture Group, une entreprise d’architecture basée à Milan, en Italie, a conçu un magnifique bâtiment qui illustre la synergie d'une forme structurelle originale et d'un système d'installations mécaniques et électriques durable. Afin de présenter ce nouveau « concept building » au public, cette entreprise a fait réaliser sa maquette par Orama Factory, une autre société milanaise. L’un des principaux défis de la conception de cette maquette était de produire une pièce finale de grandes dimensions, rapidement et avec de nombreux détails­ : Orama a imprimé le modèle de la structure sous la forme de petits éléments qu’elle a ensuite assemblés, en utilisant des techniques de fabrication additive et des éléments fabriqués par des imprimantes laser en plexiglas. Tout le processus a été conclu en une semaine.

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Une imprimante géante

Pour concevoir des bâtiments en fabrication additive, il faut nécessairement des machines de grande (voire très grande) dimension, parmi lesquelles nous trouvons notamment celle de la société italienne WASP (World’s Advanced Saving Project). Cette dernière, fondée en 2012 par Massimo Moretti avec pour objectif d'aider les pays les plus pauvres du monde, produit des imprimantes professionnelles solides pour stimuler le développement durable et l'autoproduction. En 2015, la société a réalisé son projet d’impression 3D de bâtiments avec une machine capable d’imprimer des maisons à bon prix tout en limitant l'impact environnemental. L’imprimante BigDelta WASP 12m est une imprimante géante de 12 mètres de haut et de 7 mètres de large pouvant déplacer l’extrudeuse avec une charge comprise entre 0 et 200 kg, ce qui permet de transférer de grandes quantités de matériaux (la société conseillant toutefois de limiter le poids de 40 à 50 kg afin de réduire les vibrations). Même si les matériaux qui peuvent être extrudés sont nombreux, elle a été étudiée pour travailler avec des mélanges contenant des fibres longues, afin qu’il ne soit pas nécessaire de hacher la fibre en petits morceaux. Les mélanges peuvent être composés de matériaux cimentaires à base de chaux et d’argile expansée ou de verre soufflé. La société met en avant de très bons résultats obtenus en ajoutant du polystyrène au ciment, solution rendant le mélange très léger et permettant de réduire les coûts, et souligne qu'il est plus facile d’utiliser des matériaux de synthèse ou des matériaux techniques que des mélanges naturels. WASP continue de tester des mélanges d’argile ou de paille et de chanvre ou de dérivés du chanvre, ou encore de matériaux soufflés pour créer des bulles d’air. L’utilisation des géopolymères réduit de 80 % l’impact sur l’environnement par rapport aux matériaux à base de ciment. La vitesse d’impression dépend de la qualité du matériau à l’intérieur de l’extrudeuse. L’objectif principal de BigDelta WASP 12m n’est cependant pas la vitesse, mais l’accélération qui est inversement proportionnelle au poids de l’extrudeuse. La possibilité d’augmenter cette accélération nécessite l’utilisation de pompes externes qui réinitialisent la cargaison de la machine, alimentant constamment l’extrudeuse en matériel. Celle-ci est actuellement entreposée au Shambalha Technological Village de WASP, à Massa Lombarda (Ravenne, Italie).

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Robotique, fabrication additive et BTP

Pour réaliser des bâtiments par fabrication additive, de nombreuses recherches se tournent vers les bras robotisés. Une première mondiale a eu lieu à Nantes, en septembre 2017 : la construction d’une maison par un robot imprimante 3D. Yhnova, cette maison de 95 m2, comprend cinq pièces, des murs arrondis, des fenêtres, des portes, etc. Elle constitue un ensemble de formes architecturales complexes qui a été réalisé par le biais d’une technologie révolutionnaire, sur un site proposé par Nantes Métropole Habitat. Cette innovation est portée par un consortium réunissant des scientifiques, des industriels, des acteurs publics et socio-économiques au service de l’innovation : les équipes de recherche du LS2N, laboratoire des sciences du numérique de Nantes (université de Nantes, CNRS, École Centrale, Inria, IMT Atlantique) et du GEM, l’institut de recherche en génie civil et mécanique (université de Nantes, CNRS, École Centrale), mais aussi Nantes Métropole Habitat et Nantes Métropole. L’objectif du projet est de construire rapidement des logements à prix abordable, adaptables au terrain et économes en énergie. Yhnova a vu le jour grâce à la technologie Batiprint3DTM brevetée par l’université de Nantes.

Cette maison est le premier habitat social construit, en France, en fabrication additive par un robot industriel. Batiprint3DTMreprésente une technologie de pointe qui associe la fabrication additive à des systèmes robotisés personnalisables pour l’édification de maisons individuelles et de petits bâtiments. Batiprint3DTMest une joint-venture de deux laboratoires nantais : le LS2N (spécialisé dans le développement de systèmes numériques et robotiques) et le GeM (qui étudie les matériaux et le génie civil). Cette technologie consiste à installer un triple mur de matériaux imprimés en 3D à l’aide d’un robot industriel Stäubli mobile et polyarticulé (voir encadré fin d’article). Deux couches de mousse expansive recouvrent une troisième couche de béton, permettant d'assurer une isolation interne et externe de la maison, sans pont thermique. Les performances thermiques sont de 30 à 40 % supérieures à celles obtenues dans le cadre de la construction traditionnelle actuelle. Les bâtiments sont principalement composés d'un mélange de béton et d’acier d’armature. Les trajectoires du robot suivent le modèle numérique conçu pour l’habitat : le robot est placé sur un AGV (Automated Guided Vehicle) afin qu’il puisse facilement se déplacer et imprimer les murs, tout en permettant une injection maîtrisée du matériau. Une fois le bâtiment imprimé, le robot sort par l’une des ouvertures qu’il a créées et peut ensuite être transporté sur une autre zone ou un autre site pour de nouveaux projets.

Yhnova a été soumise à différentes contraintes. Située entre deux bâtiments imposants et sur un espace protégé, l’architecte a proposé de profiter des possibilités offertes par la fabrication additive et Batiprint3Dtmpour donner à la maison de grandes formes courbées épousant l’espace disponible. Les ouvertures ont été placées de façon à ce que les locataires puissent profiter de la vue sur le jardin et les arbres.

Dans le cadre du projet Batiprint3DTM, la SATT Ouest Valorisation a investi massivement dans le programme de maturation. Elle a notamment favorisé la création de la startup 4D2B pour commercialiser les secrets de fabrication. La prochaine étape est d’aller au-delà de la construction en 3D et d’investir les technologies de conception numérique solidement ancrées aujourd’hui, au travers du BIM et de la CAO. 4D2B, incubée par l’Atlanpole technopole de Nantes, est spécialisée dans l’accompagnement et l’accélération d’entreprises innovantes dans le cadre du programme « Manufacturing Factory » et liée au développement de l’usine du futur. Des études et des évaluations de coûts sont actuellement menées pour de nouveaux projets tels qu’un bâtiment de démonstration de 350 m² ouvert au public, un complexe de 80 logements de vacances à l’île Maurice, une structure commerciale multidimensionnelle de 700 m² ou encore un quartier à la périphérie d’une grande ville composé de maisons individuelles de différentes formes et d’une micro-pépinière de 150 m². Une famille s’est récemment installée dans la maison Yhnova : il s’agit de la première famille vivant dans une maison conçue par fabrication additive.

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Une maison à 10­ 000 dollars

Les États-Unis ont également leur «­ constructeur 3D­» : Apis Cor, une start-up basée à San Francisco, devenue célèbre grâce à sa maison à 10 000 dollars pouvant être construite en une journée. L’imprimante peut être placée à l’intérieur comme à l’extérieur du bâtiment. Elle effectue des mouvements de rotation et de translation dans trois plans. La tête d’impression se déplace le long de la trajectoire préétablie et dépose séquentiellement des couches de béton, ce qui entraîne la formation de la structure du bâtiment. La machine réalise un balayage de surface à vide à l’aide d’un capteur à ultrasons, elle crée une carte des bosses de surface, qui prend en compte toutes les rugosités sur le trajet d’impression. Après cela, l’imprimante 3D commence à imprimer le coffrage de fondation. Pendant le processus, le système automatisé informe l’opérateur de la nécessité de l’installation d’inserts ; celui-ci ajoute alors des inserts de verre et, selon le projet, des barres d'armature. La machine s'arrête automatiquement si les inserts métalliques ne sont pas installés. Le processus de fabrication du coffrage est similaire à celui des murs du bâtiment, à l'exception de gabarits en plastique, qui sont installés avec des intervalles de 60 cm pour l’installation de barres d’armature métallique. Ces armatures horizontales sont prévues en liaison avec les colonnes. Pendant l’impression, des inserts horizontaux renforçant la couche de façade sont également installés, formant une chambre pour l’isolation thermique. Selon la conception du projet, des poutres de liaison peuvent également être imprimées, avant d'être renforcées et noyées dans le béton lourd. Les revêtements de sol entre les étages sont constitués de dalles de béton à âmes creuses installées directement sur les murs imprimés. Les cavités murales sont revêtues d’un matériau isolant caractérisé par de bonnes performances tant sur le plan thermique qu'acoustique.

Apis Cor a imprimé sa première maison dans une forme arrondie, en appliquant du ciment par couches. Cette maison d’environ 38 m2a été construite en 24­ heures. Il est également possible d’utiliser deux ou plusieurs imprimantes synchronisées afin d’imprimer plusieurs bâtiments et des structures 3D plus grandes. Cette technique implique des contraintes de construction, comme par exemple les dénivellations maximales du chantier d’installation de l’imprimante, qui ne doivent pas dépasser 10 cm ; de ce fait, il est difficile d'avoir une idée précise du montant globale, même si la société propose des calculs permettant d'estimer le prix de la maison.

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Une villa de 100 m2 en construction 3D

CyBe est une entreprise créée en 2013, aux Pays-Bas, dont l'objectif est de redéfinir le BTP en rendant l’impression 3D en béton accessible à tous. Elle fournit des imprimantes 3D, des logiciels et du matériel pour simplifier les processus de construction complexes. Elle utilise également des machines d’extrusion robotisées.

CyBe a été sollicité par la société milanaise CLS Architetti pour concevoir, réaliser et construire une villa de 100 m² avec quatre chambres : la « 3D HOUSING 05 ». Récemment achevée, cette villa a pu être visitée à l’occasion du Salone del Mobile et de la Milan Design Week 2018. Le processus de conception et d’ingénierie a débuté en février 2018 : CyBe a imprimé trente-cinq éléments en quarante-six heures, qui ont ensuite été assemblés ; la villa est composée d’un salon, d’une chambre à coucher, d’une cuisine, d’une salle de bain et d’un toit-terrasse.

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La coulée de béton

Après le prototypage et l’impression de bâtiment, la fabrication additive sert aussi au secteur du BTP pour la production d’outillage. Tout comme le métal ou d’autres matériaux, le béton peut être coulé dans des moules imprimés pouvant servir de coffrages réutilisables ou de coffrages perdus, en fonction de l’application et de la complexité des géométries. La coulée de béton recèle un grand potentiel d’applications dans l’architecture et la construction, par exemple pour des façades, les éléments de design intérieur ou encore l'ameublement.

En collaboration avec Dade Design Concrete works GmbH, l’un des principaux spécialistes de la conception de béton haut de gamme et de la fabrication de moules, la société Voxeljet a fabriqué son logo en béton à l’image d’une pierre sculptée. À partir d’une CAO, et afin d’exploiter pleinement les avantages des diverses technologies, Voxeljet a opté pour un coffrage hybride, une combinaison d’éléments moulés de manière traditionnelle et imprimés. Les géométries les plus simples telles que les surfaces droites ont été modélisées avec un coffrage en bois conventionnel, alors que la partie complexe de l’œuvre, qui se compose principalement de la structure en pierre comprenant le logo, qui émerge de la structure de fond, a été conçue par fabrication additive. Dans cette pièce, la fabrication additive a permis de concevoir des géométries très complexes avec des contre-dépouilles et des irrégularités intentionnelles. Voxeljet a imprimé le coffrage en une nuit sur une machine VX4 000, un grand système de fabrication additive industrielle avec une plate-forme de fabrication de 4 mètres de longueur et 2 mètres de largeur sur 1 mètre de hauteur. Cette imprimante 3D applique du sable en une couche extrêmement fine (seulement 300 microns). La tête d’impression lie le sable couche par couche avec un agent de liaison. Une fois celle-ci terminée, les opérateurs enlèvent le sable non imprimé et nettoient le moule avec de l’air comprimé. Afin de préparer le moule pour la coulée de béton, une dispersion polyuréthane (PU) est infiltrée dans le moule pour fermer les pores et sceller simultanément la surface. La société Dade Design a terminé le travail avec une étape de post-traitement et le coulage du béton. Après environ 20 heures, le béton a été complètement durci et le coffrage soigneusement enlevé. Pour le vernis final, les employés de Dade Design ont utilisé des produits cosmétiques, polissant la pierre pour obtenir une surface homogène et lisse. Le logo orne désormais l’entrée du bâtiment administratif de Voxeljet à Friedberg, en Allemagne.

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La construction 3D en mouvement

La construction 3D ou la fabrication additive de bâtiments ont de beaux jours devant elles. Des projets sont en cours et d’autres fleuriront. La technologie permettra d’imaginer les logements de demain, de construire plus vite, moins cher, et d’apporter une réponse à des problèmes humanitaires.

Constructions-3D, une société basée à Valenciennoise, travaille une solution clé en main pour la fabrication additive de bâtiments et de structures, basée sur une machine hydraulique à structure mécanique de bras télescopique. Tout en étant très compacte, cette solution d'impression permet d'imprimer de grands volumes. L'imprimante peut être transportée dans un conteneur de vingt pieds, soit un peu plus de six mètres, et être déployée rapidement sur le site. Elle est associée à un mécanisme de pompage et à un système de pilotage constitué d’un ordinateur, d’un logiciel convivial et de la boîte de conversion. Constructions-3D fournit divers services tels que la maintenance et l’assistance, la formation et la mise en service, le découpage et le pilotage de la solution logicielle. Aujourd’hui, la société travaille sur deux projets‑ : une infrastructure et une habitation, dont les certifications, pour les premières années, seront délivrées chantier par chantier.

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Contenu Encadré

Quand les robots s’invitent dans la fabrication additive

Ces dernières années, la fabrication additive a connu des changements majeurs. Alors que les matériaux d’impression se sont diversifiés, une problématique a persisté : celle de la taille des pièces, limitée par les imprimantes 3D. C’est pourquoi le numérique et la robotique sont entrés en contact avec la technologie additive : les robots rendant possible la réalisation de diverses opérations sur différents matériaux et dans différents environnements, permettant ainsi de répondre aux besoins de nombreux secteurs.

Les robots au cœur du processus de fabrication additive

De par leur conception, les robots permettent plus de liberté que les imprimantes. Ils offrent la possibilité de créer des pièces de très grandes dimensions, d’imprimer sur des supports inclinés ou des surfaces en 3D. Il est également possible d'adapter le robot au matériau utilisé : «­Cette précision et cette flexibilité permettent à Stäubli de proposer des solutions sur l’ensemble des marchés, comme le bâtiment, l’industrie ou l’agroalimentaire, pour des besoins allant de l’impression d’une maison à des pièces de prototype, en passant par la réalisation de graphisme sur des chocolats­ », comme l’indique Jacques Dupenloup, responsable des ventes France et Benelux chez Stäubli.

Les robots au service du processus de fabrication additive

Lorsque les robots n’impriment pas directement, ils sont installés autour des machines d’impression 3D classiques pour réaliser des tâches de chargement et de déchargement, ou de finition, comme le microbillage ou la peinture. Les robots peuvent compléter ou remplacer des opérateurs dans le cadre de certaines tâches pouvant se révéler pénibles, voire dangereuses pour l'homme, comme c'est le cas lors des opérations de ponçage sur du métal.

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