Solar Garte, une façade adaptative imprimée en 4D

Le confort intérieur des bâtiments entraîne une forte consommation d’énergie, contribuant ainsi aux émissions mondiales de carbone. En 2020, par exemple, les maisons individuelles ont utilisé en moyenne 864 pétajoules pour le chauffage, un chiffre bien trop élevé. Pour y remédier, des chercheurs des universités de Stuttgart et de Fribourg ont développé une solution: une façade intelligente imprimée en 4D, capable de s’adapter automatiquement aux variations climatiques sans nécessiter d’énergie externe. Inspiré de la nature, ce projet biomimétique pourrait transformer l’efficacité énergétique des bâtiments.

Solar Gate est le premier système d’ombrage intelligent capable de s’adapter aux conditions météorologiques sans nécessiter d’énergie. Inspiré des pommes de pin, dont les écailles s’ouvrent et se ferment naturellement en fonction de l’humidité et de la température, ce dispositif biomimétique reproduit ce mécanisme en utilisant des tissus végétaux cellulosiques imprimés en 3D.

Grâce à l’impression 4D et à des matériaux cellulosiques issus de matières premières renouvelables, l’équipe a mis au point un système qui s’adapte automatiquement aux changements climatiques (Crédits : ICD/IntCDC Université de Stuttgart).

« Les systèmes de façades architecturales sensibles aux intempéries sont généralement basés sur des dispositifs techniques complexes. Nous avons cherché à exploiter la réactivité du matériau lui-même grâce à des méthodes de conception informatisées et à la fabrication additive. Nous avons mis au point un système d’ombrage qui s’ouvre et se ferme indépendamment en fonction des conditions météorologiques, sans nécessiter d’alimentation électrique ou d’éléments mécatroniques », explique le professeur Achim Menges, directeur de l’Institut pour la conception et la construction assistées par ordinateur.

La cellulose a été choisie pour ses propriétés naturelles uniques : ce matériau renouvelable réagit aux variations d’humidité en se dilatant ou en se contractant, un phénomène appelé hydromorphisme. Présent dans la nature, notamment chez les pommes de pin, ce mécanisme a inspiré l’équipe de recherche. Grâce à l’impression 4D, ils ont conçu des fibres de cellulose biosourcées et créé une structure à deux couches, imitant les écailles des pommes de pin, capable de changer de forme de manière autonome en réponse aux conditions extérieures.

Pour concevoir Solar Gate, les chercheurs ont développé une technique de CAO permettant de contrôler l’extrusion des matériaux cellulosiques avec une imprimante 3D classique. Cette approche exploite le principe d’auto-transformation des matériaux imprimés en 4D. Ainsi, les éléments imprimés peuvent se plier ou s’ouvrir en fonction de l’humidité ambiante. Lorsque celle-ci diminue, les matériaux cellulosiques perdent leur humidité et se contractent, entraînant la fermeture et l’aplatissement des structures imprimées.

La structure bicouche est produite à partir de matériaux contenant de la cellulose (Crédits : ICD/IntCDC Université de Stuttgart).

« Inspirée par les mouvements hygroscopiques des écailles d’ananas et des bractées du chardon argenté, la Solar Gate a réussi à transférer non seulement la haute fonctionnalité et la robustesse des modèles biologiques à un système d’ombrage bio-inspiré, mais aussi l’esthétique des mouvements végétaux », déclare le professeur Thomas Speck, chef du groupe de biomécanique végétale de Fribourg et porte-parole du pôle d’excellence pour les systèmes matériels vivants, adaptatifs et autonomes sur le plan énergétique (livMatS) à l’université de Fribourg.

En hiver, les éléments s’ouvrent pour laisser entrer la lumière du soleil et réchauffer le bâtiment, tandis qu’en été, ils se referment pour limiter la surchauffe. Ce mécanisme fonctionne uniquement en réaction aux conditions météorologiques, sans nécessiter d’énergie externe. Cette approche pourrait transformer l’architecture en offrant une solution passive et durable, tout en mettant en avant le potentiel de l’impression 4D et de la cellulose comme matériau innovant. Pour en savoir plus sur Solar Gate, cliquez ICI.

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*Crédits de la photo de couverture : ICD/IntCDC University of Stuttgart