On prétend souvent que l'impression 3D – connue dans le métier sous le nom de « fabrication additive » – va changer notre façon de vivre. Plus récemment, une équipe de l'Université de technologie d'Eindhoven a annoncé son intention de construire les « premières » maisons imprimées en 3D habitables au monde. Mais c'est une chose de construire petit, prototypes de maisons dans un parc – c'en est une autre d'utiliser avec succès la fabrication additive pour des projets à grande échelle dans le secteur de la construction.

La fabrication additive utilise une combinaison de science des matériaux, architecture et design, calcul et robotique. Pourtant, à certains égards, ce n'est pas aussi futuriste qu'il y paraît. L'approche simple de la construction en couches - où les matériaux de construction sont superposés pour créer une façade - est déjà pratiquée depuis longtemps dans le secteur de la construction, par exemple dans les techniques classiques de stratification de briques.

La véritable nouveauté de la fabrication additive réside dans sa capacité à combiner de nouvelles, des matériaux hautement efficaces et durables avec un logiciel de conception architecturale et une technologie robotique, pour automatiser et améliorer des processus qui ont déjà fait leurs preuves manuellement. Dans ce sens, la fabrication additive présente de nombreux avantages potentiellement révolutionnaires pour le secteur de la construction.

L'impression 3D peut produire jusqu'à 30 % de déchets de matière en moins, utiliser moins d'énergie et moins de ressources, permettre la production in-situ (qui à son tour réduit les coûts de transport), offrent une plus grande liberté architecturale et génèrent moins d'émissions de CO₂ sur l'ensemble du cycle de vie du produit.

Matières premières imprimables

Mais il reste encore du chemin à parcourir avant que la technologie de fabrication additive puisse exploiter son potentiel. Il existe plusieurs composants différents de la fabrication additive, dont chacun doit être développé et affiné avant que le processus puisse être utilisé avec succès dans la construction à grande échelle.

L'un des composants est constitué de matières premières imprimables – les matériaux qui sont réellement « imprimés » pour créer le produit final. Il existe de nombreux types de matières premières imprimables, mais le plus pertinent pour la construction à grande échelle est le béton. Les matières premières imprimables sont généralement fabriquées à partir d'une combinaison de matériaux en vrac - tels que la terre, sable, Pierre concassée, argile et matériaux recyclés – mélangés à un liant tel que le ciment Portland, cendres volantes ou polymères, ainsi que d'autres additifs et agents chimiques pour permettre au béton de prendre plus rapidement et de conserver sa forme, afin que les couches puissent être déposées rapidement.

Dans un projet sur lequel je travaille actuellement à l'Université Brunel, nous nous concentrons sur la production d'une matière première de ciment imprimable. Pour créer des matériaux pour des constructions imprimées en 3D, les scientifiques doivent contrôler soigneusement le temps de prise de la pâte, la stabilité des premières couches et la liaison entre les couches. Le comportement des matériaux doit être soigneusement étudié dans une gamme de conditions, pour obtenir une structure robuste qui peut supporter des charges.

La combinaison de ciment, le sable et les autres additifs doivent être parfaits, afin que les matières premières ne se fixent pas alors qu'elles sont encore dans l'imprimante, et ne restent pas trop longtemps mouillés une fois qu'ils ont été déposés pour former une structure. Différentes qualités de matières premières doivent être formulées et développées, afin que cette technologie puisse être utilisée pour construire une gamme d'éléments structurels différents, tels que les blocs de construction porteurs et à grande échelle.

Blocs de construction

Un autre composant est l'imprimante, qui doit avoir une pompe puissante pour s'adapter à l'échelle de fabrication dans l'industrie de la construction. La pression et le débit de l'imprimante doivent être testés avec différents types de matières premières. La vitesse et la taille de l'imprimante sont essentielles pour obtenir une bonne qualité d'impression :surface lisse, bords carrés et une largeur et une hauteur cohérentes pour chaque couche.

La rapidité avec laquelle les matières premières sont déposées – généralement mesurée en centimètres par heure – peut accélérer ou ralentir la construction. La réduction du temps de prise de la matière première signifie que l'imprimante peut travailler plus rapidement, mais cela expose également la matière première à un risque de durcissement à l'intérieur du système d'impression. Le système d'impression doit être optimisé pour fournir en continu les matières premières à un débit constant, afin que les couches puissent fusionner uniformément.

La géométrie des structures produites est la dernière pièce du puzzle, lorsqu'il s'agit d'utiliser l'impression 3D dans la construction. Lorsque l'imprimante et la matière première ont été correctement configurées, ils seront en mesure de produire des blocs de construction pleine grandeur avec une géométrie intelligente qui peuvent supporter des charges sans renforts. La stabilité de forme des filaments en treillis dans ces blocs est une partie essentielle de l'impression, qui confère résistance et rigidité aux objets imprimés.

Cette approche en trois volets pour adapter la fabrication additive à la construction pourrait révolutionner l'industrie d'ici 10 à 15 ans. Mais avant que cela puisse arriver, les scientifiques doivent affiner les ratios de mélange pour les matières premières, et affiner un système d'impression qui peut faire face à la fabrication rapide de blocs de construction. Ce n'est qu'alors que le potentiel de l'impression 3D pourra être exploité pour construire plus rapidement, et plus durablement, que jamais auparavant.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.