Comment fonctionne une imprimante 3D béton ?

Ces dernières années, le rôle de la fabrication additive dans l’industrie de la construction est devenu de plus en plus important. Les imprimantes 3D béton n’ont cessé de gagner en popularité auprès des architectes et des entreprises de construction. Après l’eau, le béton est la substance la plus utilisée dans le monde. C’est un matériau composite fait à partir d’eau, d’un composé cimentaire et de granulats (particules fines et grossières de sable, de gravier, de pierre concassée et d’autres substances similaires). Toutes ces matières premières sont aujourd’hui largement disponibles dans le monde ce qui fait du béton un matériau peu coûteux, et donc très populaire. Cependant, les imprimantes 3D béton sont elles-mêmes assez chères alors même qu’elles présentent plusieurs avantages par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles. Une imprimante 3D béton est plus rapide, moins chère, plus sûre et plus efficace. Elle produit non seulement un minimum de déchets, mais réduit aussi considérablement le nombre de personnes nécessaires sur le chantier ainsi que la longueur des chaînes d’approvisionnement. De plus, en utilisant une imprimante 3D béton, la construction peut être réalisée avec un degré de résilience et de complexité géométrique nettement plus élevé.

Une imprimante 3D béton standard fonctionne de manière très similaire à une imprimante FDM, toutes deux basées sur un procédé d’extrusion. Un modèle numérique 3D est d’abord créé à l’aide d’un logiciel de modélisation 3D ; le modèle est ensuite découpé et traduit en G-code qui va guider la tête d’impression et déposer couche par couche le matériau pompé dans une bétonnière jusqu’à la production de la pièce finale. Une imprimante 3D béton typique est généralement  composée d’un bras robotisé, dont une extrémité est fixée à la tête d’impression et l’autre à un portique ou à un système de bras robotisé semblable à une grue. Le volume de construction, la résolution d’impression, l’aspect pratique et l’efficacité de l’imprimante 3D varient en fonction du système, de la technologie, du fabricant et des applications prévues.

Imprimante 3D béton et portique

Le terme « portique » correspond ici à la structure qui vient soutenir l’imprimante. Bien que ce type d’imprimante 3D béton soit un choix populaire pour les projets de construction commerciale, il est rarement utilisé pour les projets plus petits, en grande partie en raison de sa taille et de sa portabilité limitée, ainsi que de l’effort technique nécessaire pour le montage et le démontage. Ce type d’imprimante 3D fonctionne généralement selon un système de coordination cartésien composé des axes x, y et z. L’axe x correspond à la longueur des rails qui déplacent l’imprimante en avant et en arrière, tandis que l’axe y correspond à la longueur du rail portant la tête d’impression et reliant les piliers, qui à leur tour sont définis par l’axe z et se déplacent de haut en bas.

Par exemple, l’imprimante 3D d’ICON, Vulcan II, fonctionne sur cette base. Avec un volume de 260 x 850 x 260 cm et un poids d’environ 1,7 tonne, l’imprimante mesure environ 2,5 mètres de haut et 8,5 mètres de large. La machine utilise exclusivement le béton breveté d’ICON, le Lavacrete. Comme la plupart des imprimantes 3D béton à grande échelle, la Vulcan II est chère, avec un prix d’un peu moins de 250 000 dollars. Malgré cet investissement, sachez que la fabrication additive peut réduitre considérablement les coûts de construction – en 2019, l’imprimante d’ICON a réussi à construire une maison pour moins de 4 000 dollars, en seulement 24 heures.

Les machines basées sur des bras robotisés

Une imprimante 3D béton à bras mécanisé ou robotisé est soutenue par une structure semblable à une grue et fonctionne généralement sur 6 axes. Cela signifie qu’il est possible de créer des géométries plus complexes et des pièces à plus haute résolution qu’avec une machine à portique. Ce type d’imprimante 3D présente également l’avantage d’une portabilité et d’une compacité accrues et est donc plus facile à installer et à démonter. Historiquement, les volumes de construction de ces machines étaient limités mais les récents développements ont permis de développer des machines avec des volumes de construction plus importants, rivalisant avec ceux des imprimantes à portique. Les imprimantes à bras robotisé ont tendance à être plus chères que celles à portique.

La startup russe Apis Cor a fait la une de plusieurs journaux en 2017 après avoir réussi à construire une maison de 38 mètres carrés en 24 heures à l’aide de son imprimante 3D à bras robotisé. Le projet, réalisé à Moscou, n’aurait coûté que 10 000 dollars. Deux ans plus tard, la société a de nouveau fait la une des journaux après avoir réussi à construire à Dubaï le plus grand bâtiment imprimé en 3D au monde grâce à sa technologie de fabrication additive brevetée.

L’imprimante 3D béton, futur de la construction ?

L’une des principales idées reçues sur le marché actuel est le fait qu’on puisse construire tout un bâtiment à l’aide d’une imprimante 3D béton. Toutefois seuls les murs et les fondations sont fabriqués de manière additive ; n’oublions pas qu’un gros travail est encore nécessaire une fois la machine arrêtée. Néanmoins, on ne peut pas dire que les technologies 3D n’ont pas eu un impact énorme sur l’industrie. Au cours de la dernière décennie en particulier, plusieurs entreprises de construction spécialisées dans la fabrication additive béton ont vu le jour. La société danoise COBOD a construit le tout premier immeuble résidentiel allemand imprimé en 3D à l’aide de son imprimante 3D béton de type portique BOD2. Elle a depuis annoncé un projet d’immeuble résidentiel de trois étages, dont la construction a déjà commencé et qui aura une surface de 380 mètres carrés. Les imprimantes 3D béton ont été utilisées pour construire des logements dans plusieurs pays du monde, notamment en Allemagne, en Belgique, à Dubaï, au Maroc et en France, ainsi qu’un bureau au Danemark.

Le développement rapide de la technologie d’impression 3D béton a donné lieu à plusieurs innovations impressionnantes. Par exemple, Twente Additive Manufacturing (TAM) a combiné des systèmes de portique et de bras robotique pour construire une imprimante à 9 axes, comprenant les 6 axes standard d’une imprimante 3D ainsi que les axes cartésiens supplémentaires d’élévation et de rotation du système de portique. Plusieurs de ces avancées ont des applications importantes au niveau mondial sur des questions telles que la crise du logement et la préservation des ressources naturelles.

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