IMPRESSION 3D DE BÂTIMENT: UNE REVOLUTION ?

Le futur de la gestion de la construction

Comment les solutions numériques vont changer la gestion de la construction en 2023 et au-delà ?

À première vue d’une impression 3D de bâtiment, l’extérieur ressemble à celui de n’importe quel autre bâtiment à moitié terminé. Pourtant, en y regardant de plus près, vous voyez qu’il n’y a pas de briques. Au lieu de cela, des couches de matériaux sont collées les unes sur les autres pour créer une structure complexe. C’est le monde futuriste de l’impression 3D dans le bâtiment, où les bras robotiques pressent automatiquement des couches de ciment, de plastique ou d’autres matériaux sur une fondation et « construisent » une structure.

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Le futur de la gestion de la construction
À l’heure actuelle, cette approche de la construction reste très spécialisée : seule une poignée de prototypes de maisons et de bureaux imprimés en 3D existent dans le monde entier. Néanmoins, cela représente un changement passionnant et probablement sans précédent dans la façon dont nous construisons.
Qu’est-ce que l’impression 3D dans la construction, où est son potentiel, et travaillerez-vous bientôt sur des projets imprimés en 3D ?

Impression 3D de bâtiment : Qu’est-ce que c’est ?

L’impression 3D de bâtiment peut impliquer soit l’utilisation d’une imprimante 3D attachée à un bras qui construit activement un projet sur place, soit l’utilisation d’imprimantes dans une usine qui créent des composants d’un projet de construction qui seront assemblés ultérieurement.

En tant que concept, l’impression 3D n’est pas nouvelle : elle a été développée pour la première fois dans les années 1980. Cependant, ce n’est qu’au cours de la dernière décennie que la technologie s’est suffisamment améliorée (et que les coûts ont suffisamment diminué) pour qu’elle commence à se généraliser.

L’imprimante 3D n’est pas différente de votre imprimante jet d’encre de bureau. Un logiciel « indique » à l’imprimante les dimensions du produit final. Celle-ci dépose ensuite un mélange sur un plateau selon les informations reçues. Les imprimantes 3D utilisent souvent des métaux liquides, des plastiques, du ciment et une variété d’autres matériaux qui refroidissent ou sèchent ensuite pour former une structure.

Dans le cas de l’impression 3D pour la construction, c’est un programme de CAO ou de BIM qui « indique » à l’imprimante 3D ce dont elle a besoin pour imprimer, elle commence ensuite à superposer les couches de matériaux.

En savoir plus :L’impression 3D est l’une des nombreuses innovations passionnantes dans le secteur de la construction à avoir émergé au cours de la dernière décennie

Impression 3D dans le BTP : comment ça marche ?

Le mode de fonctionnement d’une imprimante 3D est l’empilement de couches d’un mélange spécifique basé sur un modèle informatique tridimensionnel.
Un mélange préparé de ciment, de plastifiant et d’autres substances est placé dans la trémie de l’appareil et fourni à la tête d’impression. La « pâte » est ensuite déposée sur la surface du chantier ou sur des couches précédemment imprimées. C’est ainsi que fonctionnent la plupart des imprimantes 3D de construction. Il existe trois types d’imprimantes 3D :
- L’imprimante 3D type portique (gantry). Composée d’un cadre, de trois axes et d’une tête d’impression, elle permet d’imprimer les bâtiments en sections ou dans leur ensemble.
- L’imprimante Delta. Non limitée par le modèle tridimensionnel, et capable de produire des formes plus compliquées. La tête d’impression est suspendue à des leviers fixés à des guides disposés verticalement.
- Enfin, l’imprimante 3D à bras robotisé dispose d’un robot ou d’un réseau de robots, comme un manipulateur industriel équipé d’extrudeuses et contrôlé par un ordinateur.
CINQ EXEMPLES NOVATEURS

Jusqu’à présent, seule une poignée de projets imprimés en 3D ont été réalisés dans le secteur de la construction. Voici cinq des exemples les plus prometteurs :
1. Immeuble de bureaux de la municipalité de Dubaï, Émirats arabes unis
En décembre 2019, l’entreprise américaine Apis Cor (spécialisée en impression 3D) a annoncé qu’elle avait achevé le plus grand bâtiment imprimé en 3D au monde . L’immeuble de bureaux, construit aux Émirats arabes unis, mesure 9,5 mètres de hauteur pour une superficie de 640 m2.

L’imprimante 3D mobile d’Apis Cor a été déplacée sur le chantier en plein air par une grue afin de construire les différentes parties de la structure.
1. « L’Office of the Future », Émirats arabes unis
Un autre bâtiment impressionnant imprimé en 3D aux Émirats arabes unis est l’Office of the Future. Cette structure unique est aujourd’hui (et ce n’est pas étonnant) le siège de la Dubai Future Foundation.

Les pièces ont été imprimées en usine en 17 jours et assemblées sur place en seulement 48 h.
1. Maisons imprimées en 3D par WinSun, Chine
La société chinoise d’impression 3D WinSun autilise également cette technologie pour imprimer des bâtiments résidentiels en usine. L’entreprise a déjà réalisé plusieurs projets d’habitations, y compris un petit immeuble d’appartements. Il est ainsi possible d’imprimer rapidement et à moindre coût des logements en pièces détachées avant de les assembler sur place.

L’entreprise estime que l’un de ses bâtiments de cinq étages n’aurait ainsi coûté que 161 000 $ à imprimer.

L’impression 3D dans le secteur de la construction semble certes passionnante, mais quels sont les avantages réels ?
1. Suite imprimée en 3D au Lewis Grand Hotel, Philippines
Si vous comptez vous rendre aux Philippines, pensez à séjourner au Lewis Grand Hotel (Angeles City, Pampanga), le premier hôtel au monde à avoir construit une suite grâce à l’impression 3D. Celle-ci a été conçue par Lewis Yakich, propriétaire de l’hôtel et ingénieur en science des matériaux, en collaboration avec Anthony Rudenko, spécialiste de l’impression 3D. La massive imprimante 3D, spécialement conçue pour ce projet, utilise un sable spécifique des Philippines, composé de cendres volcaniques, afin de créer le béton nécessaire à la structure. La suite a été imprimée en 100 heures.

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Printing the first concrete model house in the Philippines
1. Maison individuelle de deux étages, Beckum, Allemagne
Le premier bâtiment résidentiel imprimé en 3D avec une superficie d’environ 80m² de surface habitable par étage est une idée originale du constructeur allemand PERI GmbH et du designer MENSE-KORTE ingenieure+architekten. Les imprimantes 3D de type BOD2 ne mettaient que 5 minutes pour réaliser 1 m2 d’un mur à double paroi. Le bâtiment est composé de murs creux à triple épaisseur remplis d’un mélange isolant. L’installation des tuyaux et des raccords vides a été effectuée manuellement pendant que l’impression était en cours.

Quels sont les avantages de l’impression 3D de bâtiment ?

Les partisans de la conception de maisons et d’immeubles de bureaux imprimés en 3D soulignent les avantages de cette nouvelle technologie :
- Construction zéro déchet
Au Royaume-Uni, près d’un tiers des déchets du pays sont générés par le secteur de la construction. Selon Transparency Market Research Group, ce secteur devrait générer 2,2 milliards de tonnes de déchets dans le monde d’ici 2025. Bien qu’une bonne partie de ces déchets provienne de la démolition, les chantiers de construction ont également tendance à être peu regardants en matière de gaspillage : il est ainsi courant de commander plus de matériaux que nécessaire, ce qui est coûteux et inefficace.

En revanche, l’impression 3D a le potentiel de réduire les déchets à presque zéro. Une imprimante 3D n’utilise que les matériaux nécessaires pour imprimer la structure, ni plus ni moins. Cela pourrait se traduire par d’énormes économies.
- Réduction de la consommation d’énergie
L’impression 3D dans la construction encourage l’utilisation de matériaux naturels et disponibles localement. Une telle pratique pourrait aider à économiser de l’énergie dans les transports, la construction et la fabrication, car la plupart des matériaux locaux sont traités et installés en utilisant moins d’énergie. Si les matériaux traditionnels contenant des produits chimiques toxiques sont remplacés par des matériaux naturels, la toxicité des lieux de construction peut être réduite. En outre, les matériaux locaux sont souvent adaptés aux conditions climatiques locales et peuvent aider à réduire les charges de chauffage et de refroidissement, ce qui permet d’économiser des coûts de construction.
- Réduction du temps et des coûts
Comme l’IA dans la construction, une imprimante 3D peut fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Cela signifie que les projets de construction pourraient être achevés beaucoup plus rapidement et que certains coûts de main-d’œuvre peu qualifiée pourraient être évités.
- Prise en charge des conceptions inhabituelles
L’une des caractéristiques les plus attrayantes de l’impression 3D est sa capacité à créer des conceptions complexes et inhabituelles, y compris des « pièces uniques ». Puisque son fonctionnement implique la superposition de couches de matériaux, l’imprimante 3D peut être programmée pour créer des formes inhabituelles qui seraient beaucoup plus difficiles à construire en utilisant des techniques traditionnelles.
- Minimisation des erreurs humaines et amélioration de la sécurité
Les statistiques sur les accidents du travail du BLS publiées en 2020 indiquaient que la construction était l’une des professions présentant le plus de risques. Chaque jour, environ 5 333 travailleurs meurent sur le chantier. L’impression 3D permettrait probablement de réduire le nombre d’accidents et de décès sur les chantiers, car elle rendrait la construction plus programmable et automatisée. La construction robotisée automatique nécessite des informations numériques standardisées, rigoureuses et complètes sur le bâtiment. L’impression 3D est ainsi plus précise et plus efficace avec un minimum de remaniement à la suite d’erreurs humaines et d’informations contradictoires. De plus, les risques d’endommager les matériaux stockés, les assemblages ou les travaux en cours sont réduits, car il n’y a pas de stockage sur le chantier ou de transport de matériaux.
- Ouverture de nouveaux marchés
L’utilisation d’une imprimante 3D permet également aux entreprises de construction d’entrer dans de nouveaux secteurs d’activité. Et, pour les nouvelles entreprises de construction, avoir une imprimante 3D à portée de main devient un avantage concurrentiel. De outre, l’impression 3D est un excellent moyen pour une entreprise de construction d’améliorer la réputation de sa marque auprès de ceux qui s’inquiètent de l’impact environnemental de la construction en béton sur la planète.

L’ESSOR DE L’IMPRESSION 3D POUR LES PIÈCES STRUCTURELLES

L’impression 3D pour renforcer la structure, les composants à micro-échelle et l’acier de construction peut révolutionner le domaine de la conception, de la construction et de l’exploration spatiale. Selon l’ESA (Agence spatiale européenne), les métaux imprimés en 3D permettent de créer des formes complexes de haute qualité à une fraction du coût, ce qui généraliserait leur utilisation.

L’ESA et la Commission européenne ont mis en place un projet visant à perfectionner l’impression de composants métalliques adaptés à l’espace. Il y a 28 partenaires industriels européens réunis dans le cadre du projet AMAZE – Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products (La fabrication additive vise le zéro déchet et la production efficace de pièces métalliques de haute technologie). Presque tout peut être conçu par un ordinateur, donc AMAZE est clair sur son désir d’installer une imprimante 3D à bord d’un vaisseau spatial, afin de permettre à un astronaute de concevoir et d’imprimer facilement un outil lorsqu’il en a besoin.

IMPRESSION 3D EN GÉNIE CIVIL

L’impression 3D en génie civil a gagné en popularité dans les industries de l’aérospatiale et du génie biomédical au cours de la dernière décennie. La promesse de cette technique de fabrication révolutionnaire réside dans sa capacité à construire n’importe quelle forme géométrique sans contraintes formelles, minimisant le gaspillage de matériaux tout en améliorant les performances et les résultats. La marche de l’industrie de la construction vers l’automatisation a récemment franchi plusieurs étapes importantes, notamment la création des premières structures utilisant des bras robotiques et la technologie d’impression 3D.
L’utilisation de méthodes d’impression 3D dans la création d’éléments structurels en matériaux polymères, en béton et en métaux devient de plus en plus courante. Ces techniques en génie civil peuvent générer des formes libres et des formes architecturales innovantes grâce à l’utilisation de logiciels intégrés de CAO (conception assistée par ordinateur). Malgré d’importants efforts de recherche en aérospatiale et en génie biomédical pour évaluer cette technologie, il y a encore un manque de compréhension des utilisations, des applications et des impacts des matériaux imprimés en 3D par rapport aux structures civiles, à la fois en termes de propriétés des matériaux et de réponse structurelle.

La première passerelle en acier imprimée en 3D de l’Imperial College London

Wiki House, Construction de maison avec imprimante 3D : derrière le concept

Wiki House est un projet d’architecture collaborative innovant créé en 2011 par une petite agence londonienne d’architecture. La plateforme propose un système de construction numérique open source qui permet aux utilisateurs de créer, de télécharger et de partager des conceptions, mais aussi d’imprimer leur propre maison. Le kit ne requiert pas de formation ou de compétences spéciales et peut être construit en une seule journée. Les composants peuvent être découpés numériquement à partir de matériaux conventionnels constitués de fines feuilles (comme le contreplaqué) à l’aide d’une machine CNC, ce qui réduit les dépenses, l’expertise et le temps requis dans la construction traditionnelle. Une maison standard de deux chambres peut être construite pour moins de 50 000 £, et des composants supplémentaires tels que le revêtement, les services, l’isolation et les fenêtres peuvent être ajoutés à la charpente. La première maison construite à l’aide de la technologie open source Wiki House était un bâtiment de deux étages imprimé en 3D. Il a été présenté au London Design Festival en 2014.

Le mouvement Wiki House est dirigé par Alastair Parvin, dont la présentation TED « Architecture for the people, by the people » (L’architecture pour le peuple, par le peuple) met en lumière les perspectives de l’impression 3D dans la construction. Les créateurs de ce projet croient que Wiki House peut aider à résoudre les problèmes de logement et est particulièrement utile dans les situations d’urgence, telles que les conditions post-tremblement de terre (il existe déjà des preuves que les maisons imprimées en 3D peuvent résister à un tremblement de terre de magnitude 8,0). À l’avenir, la plateforme pourrait devenir une solution réaliste pour fournir des maisons bon marché tout en donnant au client le contrôle de la conception.

Construction de Wiki House avec l’utilisation de l’impression 3D.

L’impression 3D, l’avenir durable du bâtiment ?

3D printing has the ability to fundamentally alter the structure of supply chains by changing the way products are designed and made. Selon la recherche, Selon la recherche, l’impression 3D peut aider le secteur de la construction à devenir plus léger, plus efficace et plus durable. Ivo Kothman et Niels Faber, chercheurs à l’Université des sciences appliquées de Saxion, affirment que la technologie d’impression 3D « change les règles du jeu ». Ils ont mené une étude sur la faisabilité de l’impression 3D de béton et leurs résultats peuvent être résumés comme suit :
- L’impression 3D raccourcit la chaîne d’approvisionnement et l’ensemble du processus de conception.Grâce à l’impression 3D sur le site de construction, plusieurs phases fastidieuses du processus de conception peuvent être éliminées. Les ingénieurs, les entrepreneurs, les clients et les dirigeants généralement tenus de contribuer au processus de conception du bâtiment ne sont plus nécessaires avec l’impression 3D, car toutes ces tâches peuvent être combinées par l’architecte qui utilise des techniques de simulation et de modélisation pour assurer l’intégrité structurelle.
- L’installation des tuyaux et de l’infrastructure électrique devient plus simple et plus efficace.Les systèmes de chauffage, l’isolation, l’eau courante et l’électricité nécessitent une installation exigeante en main-d’œuvre dans la construction traditionnelle. Cependant, certaines de ces fonctionnalités peuvent être incorporées dans le processus d’impression 3D. L’impression de murs creux nécessite moins de ressources, améliore l’isolation et peut permettre l’utilisation de canalisations imprimées en 3D pour transporter de l’eau chaude ou froide. En outre, en éliminant l’exigence de les installer sur place, les déchets peuvent être réduits.
- Meilleur processus logistique.L’impression 3D a la capacité d’éliminer trois problèmes clés liés à la logistique du transport. Tout d’abord, de nombreux composants sont souvent endommagés pendant les déplacements, ce qui peut être évité grâce à l’impression sur le chantier. Deuxièmement, pour supporter le transport, les pièces doivent être sur-conçues, ce qui entraîne des dépenses supplémentaires. Une telle sur-ingénierie serait évitée par l’impression 3D lorsqu’elle est directement employée sur les chantiers de construction.
- • Rendre les maisons construites sur mesure disponibles pour un marché plus large.Traditionnellement, la construction d’une maison avec l’aide d’un architecte est trop coûteuse pour de nombreuses personnes. L’impression 3D de béton permet la création de n’importe quelle forme et à faible coût. Cela signifie qu’à l’avenir, plus de gens pourront s’acheter des maisons sur mesure correspondant pleinement à leurs besoins.
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Un exemple de maison écodurable, baptisée TECLA, imprimée en 3D par WASP et Mario Cucinella Architects.

AU-DELÀ DU BATTAGE MÉDIATIQUE

Bien que l’impression 3D soit certainement un concept attrayant, il est important de rester critique face au battage médiatique. Les sceptiques soulignent qu’il existe plusieurs limites à cette technologie :
- Frais de R&D
La plupart des entreprises de construction fonctionnent avec des marges bénéficiaires relativement faibles. L’investissement nécessaire pour utiliser l’impression 3D à grande échelle serait énorme.
- Porte d’entrée en toc ou porte d’entrée vers l’avenir ?
Même si les maisons, les bureaux, les magasins ou d’autres structures imprimées en 3D sont souvent impressionnantes à regarder, la plupart des gens voudraient-ils vraiment y vivre ou y travailler ? De nombreuses personnes restent culturellement attachées aux bâtiments en briques. D’autres technologies telles que les maisons préfabriquées ont également attiré l’attention par le passé, mais n’ont pas réussi à s’imposer, bien qu’elles soient souvent moins chères que les constructions traditionnelles.
- Difficultés d’intégration avec d’autres composants
Les imprimantes 3D sont douées pour suivre des conceptions uniques et intéressantes. Néanmoins, si vous voulez un bâtiment qui réunit une variété de supports ou qui nécessite divers éléments ne se prêtant pas à l’impression 3D, il sera difficile d’incorporer une telle technologie dans le processus de construction.
- Pénurie de main-d’œuvre qualifiée
Alors que la pénurie de main-d’œuvre touche déjà le secteur de la construction, l’impression 3D nécessitera un ensemble de compétences encore plus spécialisées qui devront être choisies dans un bassin plus restreint de candidats potentiels. Ainsi, trouver des travailleurs qualifiés pour travailler dans le secteur de la construction utilisant l’impression 3D peut devenir un vrai défi à l’avenir.
- Contrôle de la qualité de la construction
Les conditions météorologiques sont susceptibles de ralentir le processus de construction traditionnel, mais les choses peuvent encore empirer avec l’impression 3D. Les facteurs environnementaux pourraient faire de l’impression 3D dans la construction commerciale un échec. En outre, le contrôle de la qualité dans la construction peut être une tâche difficile, nécessitant une surveillance constante par l’humain.
- Absence de codes et de règlements
Bien que l’impression 3D ait récemment fait les gros titres, elle n’a pas encore eu d’influence significative sur le secteur du bâtiment. Il faut dire qu’en utilisant des imprimantes plutôt que des travailleurs humains pour effectuer certaines tâches de construction, la question de la responsabilité se pose. Il y a actuellement beaucoup d’ambiguïtés à ce sujet dans le domaine de l’impression 3D dans la construction. Tant que les règles et les réglementations ne seront pas clairement établies, il est peu probable que l’impression 3D devienne courante dans le secteur du bâtiment.

Comment l’impression 3D pourrait-elle s’intégrer à la construction

Il existe maintenant des preuves solides montrant que l’impression 3D est crédible et applicable dans le secteur de la construction, et il est d’ailleurs probable que cette technologie commencera à se généraliser dans les années à venir. On peut se demander à présent dans quelle mesure elle sera utilisée sur les chantiers. Il est également possible qu’elle reste en grande partie un outil de préfabrication. Néanmoins, pour le bon type de projet, on peut s’attendre à ce que les imprimantes 3D rejoignent l’arsenal d’outils disponibles pour les constructeurs.

À PROPOS DE PLANRADAR

PlanRadar a été fondée en 2013 et fournit des solutions logicielles innovantes axées sur le « mobile first » dans le secteur de la construction et de l’immobilier. Notre application est disponible sur tous les appareils iOS, Android et Windows et a aidé plus de 15 000 clients dans plus de 60 pays à numériser leur flux de travail. PlanRadar a été fondée en 2013 et fournit des solutions logicielles innovantes axées sur le « mobile first » dans le secteur de la construction et de l’immobilier. Notre application est disponible sur tous les appareils iOS, Android et Windows et a aidé plus de 15 000 clients dans plus de 60 pays à numériser leur flux de travail. .
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