Des maisons imprimées en 3D

Dans le domaine de la construction, les technologies numériques permettent de gagner du temps et de limiter les coûts. Mais la diversité et la complexité des processus de construction freinent l’automatisation.

Par Robert Gloy

Le robot a l’allure d’un pâtissier qui, de son bras aux mouvements réguliers, recouvre de crème des parts de tarte. La matière blanche gonfle et durcit, laissant progressivement apparaître une structure ressemblant à un mur. Des chercheurs de Nantes expérimentent déjà les chantiers du futur, grâce à des robots qui impriment des maisons en 3D à partir de plans de construction numériques. La matière blanche est constituée de polyuréthane, un plastique servant notamment d’isolant dans les bâtiments.

Le plastique forme deux murs parallèles, entre lesquels du béton sera coulé sur le même principe, afin de bâtir la structure de base du bâtiment. L’intérieur des murs sera ensuite manuellement recouvert de plaques de plâtre et l’extérieur de crépi. Dès l’année prochaine, cette maison de 95 m² devrait accueillir une famille. C’est une première mondiale: des bâtiments ont déjà été imprimés en 3D en Chine et en Russie, mais ils ne sont pas habités pour l’instant.

Avantages nombreux

«Notre maison respecte le Code de la construction, indique Benoit Furet, chef de projet et chercheur à l’Université de Nantes. Dix maisons supplémentaires sont déjà prévues.» C’est que ce processus de construction numérique permet de gagner du temps et de limiter les coûts en éliminant les coffrages pour le béton et les échafaudages. En moyenne, il faut compter trois jours pour construire les murs, contre trois semaines avec des méthodes ordinaires.

«L’impression 3D facilite la réalisation d’arrondis, ce qui est important quand on sait que les angles sont la principale source de déperdition de chaleur des bâtiments. Dans les constructions traditionnelles, les arrondis sont souvent coûteux. Ils nécessitent des coffrages adaptés et sont la plupart du temps réalisés à partir de matériaux produits à la demande ou qui doivent être découpés», ajoute Benoit Furet. Grâce à une technologie inédite, la maison de Nantes n’a pas d’angles droits. Grâce à l’ajout de polyuréthane, l’isolation thermique peut dépasser de 40 % celle obtenue avec les processus classiques.

Les pionniers

L’équipe nantaise n’est pas la seule à s’intéresser à ces innovations. De nombreux projets européens exploitent la robotique et l’impression 3D dans la construction, et associent d’ailleurs souvent les deux technologies. En 2011 déjà, une équipe de quatre robots volants avait réussi à édifier une tour de 6 mètres de haut, composée de centaines de pièces de polystyrène, dans un musée d’Orléans. Tout comme Benoit Furet et son équipe, des chercheurs de l’Université technique de Dresde tentent de combiner béton et impression 3D, pour gagner du temps et limiter les coûts en supprimant les coffrages.

De son côté, la Technische Universität München (TUM) se concentre sur les caractéristiques mécaniques des robots. Dans le cadre du projet «Hephaestus», des chercheurs travaillent sur un robot câblé, utilisable sur les façades de bâtiment pour des travaux de construction ou d’entretien. Comme ce robot est dirigé par un système de câbles fixés sur le toit, il est particulièrement adapté aux interventions sur des bâtiments de grande hauteur.

Rien à voir avec la robotique automobile

Le spécialiste britannique du bâtiment Balfour Beatty prédit qu’en 2050 les robots auront remplacé les ouvriers, et feront équipe avec une armada de drones qui survoleront et surveilleront les chantiers. Des algorithmes générant des modèles 3D et 4D devraient contrôler et planifier le tout. Mais pour l’heure, le secteur de la construction s’appuie encore largement sur des processus classiques et ne peut se passer de main-d’œuvre.

Ce qui n’a rien de surprenant pour Thomas Linner, de la chaire de construction et de robotique de la construction de la TUM: «Les bâtiments comportent souvent de grands éléments complexes, pour lesquels les robots atteignent rapidement leurs limites. Par ailleurs, tout projet de construction est subordonné à des contraintes locales, comme le climat ou l’utilisation de matériaux spécifiques. Les variables sont beaucoup plus nombreuses que dans l’industrie automobile.»

L’expert remarque néanmoins un intérêt grandissant pour la construction automatisée depuis environ six ans. «C’est principalement lié aux nouvelles directives européennes en matière d’efficacité énergétique. L’impression 3D et les robots permettent de limiter les coûts et de faire des économies de matériaux.»

Enjeux

Selon Benjamin Dillenburger, professeur de technologie de construction numérique à l’Institut für Technologie in der Architektur de l’EPFZ, l’impression 3D soulève des questions fondamentales: «Il existe déjà des processus automatisés pour préfabriquer certaines pièces de bâtiments standards, pour lesquelles l’impression 3D ne serait pas forcément rentable.» Selon lui, cette technologie se prêterait particulièrement à des modèles originaux et des étapes de construction spécifiques.

Le projet «DFAB House» est un bon exemple d’utilisation ciblée de plusieurs fonctions numériques. Mené par Benjamin Dillenburger et plusieurs autres professeurs de l’EPFZ, il a pour but de construire un bâtiment de recherche (le «NEST» de l’Empa et de l’Eawag, deux laboratoires de recherche suisses) en Allemagne.

Le mur porteur du rez-de-chaussée du bâtiment de trois étages est réalisé par un robot mobile d’environ 2 mètres, suivant un processus «Mesh Mould», conçu par des chercheurs en robotique, science des matériaux et statique des constructions. Le robot commence par construire, à partir de modèles 3D, un treillis en acier dans lequel du béton sera ensuite coulé manuellement. Grâce au maillage fin du treillis, le béton ne peut pas s’écouler. L’âme métallique fait ainsi office de coffrage et d’armement.

Coins et recoins

Comme dans la maison de Nantes, le mur porteur de la DFAB House n’a pas d’angles droits; il est doublement incurvé. Le coffrage du plafond est fabriqué à l’aide d’une grande imprimante 3D à sable, puis recouvert manuellement de béton projeté. Un coffrage imprimé permet de réaliser des formes complexes en béton.

Dans le cadre du projet, la forme irrégulière du plafond est conçue pour que la répartition de matériau soit alignée sur les besoins structurels. Ce qui a permis de réduire de plus de 50 % la quantité de béton utilisée. Les constructions en bois des deux étages supérieurs constituent également une innovation: elles sont préfabriquées et assemblées dans le cadre de «Spatial Timber Assemblies», le plus grand projet au monde alliant robotique et architecture, mené par l’EPFZ. Le bâtiment de 200 m² devrait être terminé à l’été 2018. Il servira de lieu de vie et de travail à des chercheurs invités.

Assistants constructeurs

En Europe, contrairement aux pays émergents, la rénovation constitue le principal défi de l’industrie du bâtiment. D’après une étude de l’UE, elle représente plus de 57 % des activités de construction. Pour Benjamin Dillenburger, les technologies d’impression 3D conviendraient très bien pour ces tâches, puisque les travaux de post-contrainte ou d’agrandissement exigent le plus souvent des solutions sur mesure. Une rénovation plus efficace passerait également par des modèles 3D numériques performants.

Bernard Cherix de l’école polytechnique fédérale de Lausanne conçoit de tels modèles afin de répondre de façon optimale aux exigences de rénovation des bâtiments. Il a d’ailleurs adopté cette approche pour la rénovation de la Tour Bel-Air de Lausanne, le premier gratte-ciel érigé en Suisse, d’une hauteur de 78 mètres. «Pour l’installation des nouveaux systèmes d’isolation et de ventilation, il était important de commencer par une simulation numérique», explique-t-il.

Quelques limites encore

De même, certains éléments du bâtiment devant être agrandis, il a fallu simuler ces opérations, afin de ne pas altérer l’aspect extérieur du bâtiment classé. D’après le chercheur, ces modèles ont garanti l’efficacité des travaux, en limitant les erreurs et les quantités de matériaux utilisées.

«Dans quelques cas, l’impression 3D et la robotique peuvent être très utiles», ajoute-t-il. Mais selon lui, le potentiel de l’intelligence artificielle dans les modèles 3D numériques serait bien plus important. Benoit Furet souligne également que des obstacles empêchent une utilisation plus large des imprimantes 3D et des robots dans la construction: «Actuellement, nos robots ne peuvent malheureusement construire que des maisons à un étage. Pour pouvoir travailler sur plusieurs étages, il faudrait qu’ils soient plus légers.»

Selon le chercheur, il y aurait également des restrictions quant à la construction de composants horizontaux. L’automatisation complète des chantiers serait-elle un objectif trop ambitieux? Thomas Linner en est convaincu: «à long terme, les chantiers fonctionneront comme des usines. Pourtant, je ne crois pas à une automatisation complète. Je pense que les technologies numériques assisteront les hommes, qui resteront indispensables aux phases de préparation et de finition.»

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Une version de cet article est parue dans le magazine Technologist (no 13).