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Les technologies d’impression 3D redéfinissent-elles l’architecture ?

Publié le 16 novembre 2020 par Mélanie R.
impression 3D architecture

L’architecture est à la fois le processus et le produit de la planification, de la conception et de la construction de structures physiques. Un bon architecte peut souvent transformer un espace moyen en une conception esthétiquement supérieure et pratique. Il y a plusieurs années, le secteur de l’architecture et du design a commencé à utiliser les technologies d’impression 3D : en 2015, par exemple, le plus grand pavillon architectural imprimé en 3D a ouvert ses portes à l’occasion de la Semaine du design de Pékin. Aujourd’hui, il est assez naturel d’utiliser la fabrication additive pour construire les structures de demain. Il est devenu presque courant pour les studios de conception et de construction innovants de posséder une solution de bureau pour créer des modèles en 3D de leurs projets. En outre, un nombre croissant d’entreprises du monde entier choisissent d’intégrer la fabrication additive dans leurs processus de production, redéfinissant ainsi leur modèle commercial autour de l’impression 3D.

En quoi l’impression en 3D est-elle profitable aux cabinets d’architecture et de design ? Quelles sont les différentes applications de cette technologie avancée dans le secteur ? Nous avons décidé d’examiner de plus près son adoption actuelle pour comprendre pourquoi les entreprises choisissent de l’intégrer dans leur processus architectural et comment elles la gèrent.

VULCAN, le pavillon architectural imprimé en 3D révélé pendant la Semaine du design de Pékin en 2015 (crédits photo : Laboratory for creative design)

Pourquoi intégrer l’impression 3D en architecture ?

Si ces nouvelles techniques n’offraient pas d’avantages par rapport aux méthodes conventionnelles, il n’y aurait probablement pas de raison d’intégrer la technologie dans l’architecture. En effet, les bénéfices de l’impression 3D en architecture et en design sont nombreux et sont assez similaires à ceux du secteur de la construction.

Jose Aguilar, co-fondateur et PDG du studio māk, basé au Texas, nous en dit plus sur l’utilité des technologies 3D : « J’utilise l’impression 3D depuis 2008 et j’ai très vite vu les avantages de cette technologie dans les domaines de l’architecture, de la conception et de la construction. Le développement de logiciels pour l’architecture, la construction et l’industrie du meuble a toujours été bien en avance sur la capacité réelle de l’industrie manufacturière à générer des dessins géométriques très complexes. Cela est principalement dû au fait que les méthodes traditionnelles de fabrication reposent sur la traduction d’objets tridimensionnels en dessins bidimensionnels qui sont utilisés pour la fabrication, et qu’il y a ensuite le coût de la main-d’œuvre nécessaire à l’assemblage de ces pièces. L’impression en 3D contourne ce processus extensif et la technologie actuelle étant ce qu’elle est, vous pouvez presque imprimer directement à partir d’un objet en trois dimensions. Cela apporte d’énormes avantages tels que la réduction du temps de conception FAO, la précision du temps d’impression des simulations de fabrication, et une plus grande solidité et intégrité structurel de l’objet imprimé et de tous ses autres composants. »

Liberté de conception et complexité géométrique

Le plus grand avantage de l’utilisation de l’impression 3D dans les projets architecturaux est sans aucun doute la liberté de conception, car des formes auparavant inimaginables sont maintenant possibles et même faciles à fabriquer. En d’autres termes, plus la liberté de conception est grande, plus il est possible de créer de nouvelles géométries complexes. De plus, les entreprises sont désormais en mesure de réaliser des études de conception : « En utilisant une imprimante 3D, nous pouvons imprimer un grand nombre d’options de conception différentes, commente Bercy Chen Studio, un cabinet d’architecture basé aux États-Unis. Au lieu d’avoir le dessin à l’écran seulement, les modèles 3D nous aident à avoir une meilleure vue de notre conception et nous donnent la possibilité d’explorer les meilleures options. » La création de multiples itérations est en plus de cela rentable.

Lorsque l’entreprise française XtreeE a imprimé en 3D trois bancs en béton uniques présentant un motif tissé, elle a utilisé un bras robotisé à 6 axes pour créer le design complexe. Le robot pouvait déposer des couches de matériau, en se déplaçant selon un mouvement défini pour créer le motif souhaité. C’est une géométrie très complexe à obtenir avec un moule classique et qui aurait été considérablement plus coûteux. Par conséquent, la technologie d’impression 3D offrait ici aux concepteurs une plus grande liberté pour ajouter de la complexité au modèle.

Le banc en béton de XtreeE est un exemple de géométrie complexe réalisée grâce à l’impression 3D

Une durabilité écologique

La question de savoir si la fabrication additive est vraiment plus respectueuse de l’environnement que d’autres méthodes de production a fait l’objet de nombreux débats. Mais même si certains matériaux d’impression en 3D ne sont effectivement pas « verts », il existe d’autres façons de montrer que l’impression en 3D s’avère plus durable que la plupart des autres méthodes de construction traditionnelles. Selon XTreeE, la durabilité se manifeste par la réduction de la consommation de matériaux, soit considérée dans le produit lui-même, soit réduite grâce à l’optimisation géométrique, ou encore par les divers déchets associés à la fabrication comme les coffrages. « Nous croyons en un paradigme de préfabrication robotique hors site, qui permet de produire des éléments haut de gamme aux performances inédites et à l’impact réduit. Un avantage important à mentionner est l’énorme réduction des opérations sur site, apportant efficacité et durabilité. »

Selon le Studio RAP, la contribution de l’impression 3D à la durabilité est évidente dans la mesure où elle minimise clairement l’utilisation de ressources rares. En outre, cette technologie permet une fabrication décentralisée à la demande, sans besoin de stocks ni de transport (intercontinental), ce qui réduit au minimum son empreinte carbone.

3D printing architecture

Forust Corp. imprime en 3D des décors intérieurs en bois à partir de sciure recyclée (crédits photo : Forust Corp.)

La personnalisation

La capacité à offrir des produits hautement personnalisables est devenue la clé pour rester compétitif. Là encore, la personnalisation est difficile à réaliser avec les techniques traditionnelles, où chaque moule doit créer un grand nombre de produits pour justifier le coût initial de l’investissement. Jose Aguilar explique : « Un facteur important pour que nous soyons compétitifs dans ce secteur est le degré de personnalisation que nous pouvons offrir à nos clients. Nos clients sont toujours à la recherche de produits « prêts à l’emploi », mais ils veulent et ont naturellement besoin qu’ils soient personnalisés en fonction de leurs exigences spécifiques. C’est une chose difficile à réaliser avec les méthodes de fabrication traditionnelles, mais avec l’impression 3D, vous pouvez offrir une personnalisation et ne pas avoir à faire de la R&D chaque fois qu’un client souhaite un changement.« 

Les applications de l’impression 3D dans le secteur architectural

Les applications sont bien évidemment liées aux avantages de la fabrication additive. Ce qui est fascinant dans l’architecture, c’est qu’elle englobe une grande variété de projets et d’applications, allant de l’urbanisme à la décoration intérieure. En ce qui concerne le processus de création, voici quelques-unes des principales applications dans lesquelles les technologies 3D sont utilisées.

Une modélisation 3D plus efficace

La modélisation 3D est une étape clé dans le flux de travail de l’impression 3D, et la variété des logiciels de modélisation 3D disponibles sur le marché n’a cessé de croître ces dernières années. La modélisation peut être utilisée pour concevoir des prototypes d’une pièce, des structures réelles ou des modèles à l’échelle d’un projet. Certaines entreprises préfèrent utiliser plusieurs logiciels différents pour obtenir les meilleurs résultats. Romain Duballet, co-fondateur de XtreeE, explique : « Nous utilisons différents logiciels, Rhino et Grasshopper bien sûr, certains logiciels Autodesk, certains logiciels d’analyse physique et d’optimisation. Pour des applications spécifiques, nous codons nos propres programmes, ce qui nous aide à générer une géométrie plus complexe, d’une part, et à gérer facilement la production, d’autre part. » Une fois le fichier numérique prêt, les concepteurs délèguent généralement aux ingénieurs le soin de lancer l’impression 3D du prototype.

Crédits photo : Studio One Eleven

Le prototypage

Le prototypage est extrêmement important en architecture, et c’est l’étape qui est la plus touchée par les technologies d’impression 3D. Auparavant, la création de modèles 3D en carton prenait beaucoup de temps en plus de nécessiter beaucoup de travail, alors que les versions 2D n’étaient pas aussi utiles. Aujourd’hui, l’impression 3D permet de créer des prototypes tridimensionnels de haute qualité, ce qui réduit considérablement le temps et les efforts. Grâce à la flexibilité des imprimantes 3D, vous pouvez produire des modèles de bâtiments et de structures simples ou complexes en quelques heures au lieu de plusieurs semaines, voire plusieurs mois ! Une fois que vous avez votre modèle, vous pouvez entamer des discussions avec les clients, ce qui vous permet d’économiser du temps et de l’argent, de réduire le risque d’erreurs coûteuses et d’accélérer l’ensemble du processus de conception jusqu’à l’accord final.

Māk studio par exemple s’est rapidement rendu compte que l’impression 3D était idéale pour le prototypage et l’essai de modèles conceptuels. Aujourd’hui, l’entreprise utilise son imprimante 3D Gigabot pour prototyper les étapes initiales de presque tous ses projets. Jose Aguilar précise : « Il n’y a pas si longtemps, nous avons conçu un bureau d’accueil à la géométrie complexe. Une fois que nous avions un modèle, nous imprimions en 3D plusieurs petites versions qui étaient ensuite partagées avec certains de nos clients actuels pour obtenir leurs commentaires. Un petit test du produit nous aide à trouver la bonne adéquation avec le marché avant de passer à l’échelle supérieure. Certains clients nous ont d’ailleurs demandé de construire la taille réelle pour leurs projets ! Nous n’avons donc pas eu à consacrer trop de temps à la R&D au départ et nous sommes sur le point de lancer ce produit sur le marché.« 

Des infrastructures urbaines

L’impression 3D révolutionne l’urbanisme à plus d’un titre. Tout d’abord, les architectes ont la possibilité d’imprimer en 3D le modèle d’une ville entière. Cela est réalisable en quelques heures avec le bon équipement et le bon matériau d’impression. Mais ce qui est encore plus intéressant, ce sont les projets réels qui ont été réalisés ou qui sont en cours. L’impression 3D des infrastructures urbaines est souvent le fruit d’une collaboration entre un cabinet d’architecture spécialisé dans l’impression 3D et la ville ou le gouvernement, même s’il peut s’agir aussi d’un projet commercial. Les structures vont généralement des ponts imprimés en 3D aux façades décoratives des bâtiments, en passant par les arrêts de transport.

Basé aux Pays-Bas, le Studio RAP travaille sur plusieurs projets d’architecture imprimés en 3D, dont une station de taxis nautiques à Rotterdam, actuellement en construction et qui sera imprimée en 3D avec du béton. Le co-fondateur, Wessel van Beerendonk, explique : « La conception consiste en deux surfaces tissées qui se croisent et qui guident les câbles de post-tension le long de la structure. Six pièces imprimées en béton seront empilées les unes sur les autres pour assurer un porte-à-faux de 3,5 mètres. »

3D printing architecture

Le futur projet de l’entreprise hollandaise (crédits photo : Studio RAP)

La numérisation 3D en architecture

Les urbanistes communiquent souvent avec d’autres professionnels de premier plan, tels que les ingénieurs et les architectes, pour créer ou améliorer les villes. Ce faisant, ils fournissent souvent des mesures d’objets physiques, tels que des ajouts à un bâtiment. Cependant, des mesures imprécises peuvent ralentir la construction, ce qui entraîne des erreurs et des augmentations de budget. La numérisation 3D est un moyen plus rapide et plus précis de mesurer les dimensions par rapport aux méthodes traditionnelles. Un bon exemple serait la reconstruction de la gare centrale du Michigan par Ford Motor Co. Afin d’assurer la précision de la conception historique de ce bâtiment emblématique, le groupe a utilisé les scanners laser 3D de Creaform pour créer des modèles 3D précis des différents éléments de la gare, permettant aux entrepreneurs de réparer ou de reproduire les structures complexes.

Le scanner 3D de Creaform utilise 15 faisceaux laser qui capturent la forme de tout objet physique. Il mesure des détails fins, jusqu’à l’épaisseur d’un cheveu humain, et capture des formes libres pour générer des fichiers de maillage numérique. Ce type de balayage est destiné aux surfaces profilées et aux géométries complexes qui nécessitent de grandes quantités de données pour être traitées avec précision. Dans l’ensemble, la numérisation 3D rend les projets de restauration plus précis, fait gagner du temps et permet de prendre des mesures qu’il aurait été impossible d’obtenir autrement.

Ford utilise les scanners 3D de Creaform pour restaurer la gare

Les matériaux

Quels sont les matériaux les plus populaires pour les architectes et designers qui créent leurs pièces avec l’impression 3D ? La première chose qui vient à l’esprit est le béton, car c’est en effet la substance de construction la plus utilisée, tant pour la fabrication conventionnelle que pour celle en fabrication additive. Naturellement, le matériau est constamment modifié ou renforcé par presque toutes les entreprises d’impression 3D en construction qui l’utilisent, il est donc rare de voir deux fabricants extruder exactement le même type de béton avec leurs machines. Un autre matériau populaire pour l’impression 3D en architecture serait la céramique. Par exemple, pour l’un de leurs projets, le Studio RAP a imprimé en 3D 4 000 tuiles de céramique pour décorer un immeuble résidentiel.

Pour les pièces de décoration intérieure, il y a bien sûr les plastiques. Cependant, parmi les matériaux d’impression 3D moins populaires mais peut-être plus uniques, figure le bois. Il est rare de rencontrer une entreprise qui utilise le bois comme principal matériau d’impression 3D, mais Forust Corp. est l’une d’entre elles. Cette société américaine imprime en 3D avec de la sciure, qui est un sous-produit de la fabrication de meubles, pour créer de beaux objets fonctionnels pour les intérieurs des bâtiments.

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Un robot Kuka imprime une haute pièce en béton (crédits photo : Hyperion Robotics)

Est-il facile pour les entreprises d’adopter l’impression 3D dans leur flux de travail ?

« C’était facile« , affirme Jessie Ho du studio Bercy Chen. Cela fat maintenant 5 ans que le cabinet d’architecture utilise des imprimantes 3D Ultimaker 2 & 3 pour imprimer en 3D les modèles de ses projets. « Nous pouvons utiliser les logiciels que nous connaissons bien (Sketchup, Rhino, Revit) pour modéliser le projet, puis simplement l’exporter vers Cura pour l’impression 3D. Il y a quelques conseils sur les paramètres d’exportation des fichiers que nous devons apprendre, mais toutes les informations peuvent facilement être trouvées sur Internet !« 

Certaines entreprises forment quelques employés pour qu’ils soient responsables des imprimantes 3D, tandis que d’autres encouragent chaque membre de l’équipe à apprendre à utiliser les machines d’impression 3D. Le PDG de māk studio nous a confié sa stratégie : « Nous avons une équipe de concepteurs et de fabricants, donc presque tout le monde sait comment faire fonctionner l’imprimante 3D, ce qui est une nécessité car nous sommes toujours en train de faire des prototypes et plus il y a de membres de l’équipe qui peuvent aider à ce travail, mieux c’est. »

Les deux principaux défis que pose l’adoption de l’impression 3D pour une société d’architecture sont l’aspect technique du fonctionnement d’une machine, ainsi que l’optimisation des paramètres de certains matériaux. Interrogé sur les défis rencontrés lors de l’adoption de la technologie, Bercy Chen Studio a répondu que c’était « surtout des problèmes techniques, comme le blocage de la buse d’impression, la mise à niveau du plateau, le paramétrage des différents matériaux« , qu’ils ont appris à résoudre avec le temps. Jose Aguilar nous a parlé de problèmes similaires :  « Au début, nous avons eu pas mal d’erreurs, mais cela tenait plus aux problèmes techniques de l’imprimante que nous avions à l’époque qu’aux personnes qui programmaient et faisaient fonctionner la machine. Avec notre imprimante 3D actuelle (Gigabot), nous obtenons des impressions beaucoup plus précises« .

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L’impression 3D a été utilisée pour créer la forme unique de cette maison (crédits photo : Bercy Chen Studio)

L’impression 3D est-elle une méthode d’avenir pour l’architecte ?

Le co-fondateur du Studio RAP, Wessel van Beerendonk, pense que l’impression 3D contribuera à une révolution dans la façon dont les bâtiments sont conçus, construits, entretenus et réutilisés. « Cette technologie est l’un des derniers maillons manquants pour permettre une chaîne d’approvisionnement numérique complète au sein de l’industrie de la construction. Outre l’efficacité et la liberté de conception, il existe également des avantages sociaux qui contribuent à l’instauration de conditions équitables dans lesquelles les entreprises et les particuliers du monde entier peuvent contribuer et contribueront à la conception et à la création de bâtiments fabriqués localement. Cela offre des possibilités de croissance durable et inclusive dans le monde entier. Elle met en valeur de nouvelles esthétiques, nous interroge sur notre métier d’architecte, la position que nous adoptons dans le processus de construction et nos modèles commerciaux« . Les avantages de cette technologie sont très divers, une chose est claire : elle a ce qu’il faut pour bouleverser notre mode de vie !

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