En architecture, il est rare que de nouveaux matériaux voient le jour.
Pendant des siècles, le bois, la maçonnerie et le béton ont constitué la base de la plupart des structures sur terre.
Dans les années 1880, l’adoption de la charpente métallique a changé l’architecture pour toujours. L’acier a permis aux architectes de concevoir des bâtiments plus hauts avec de plus grandes fenêtres, donnant naissance aux gratte-ciel qui définissent aujourd’hui l’horizon des villes.
Depuis la révolution industrielle, les matériaux de construction ont été largement limités à une gamme d’éléments produits en masse. Des poutres en acier aux panneaux de contreplaqué, ce kit de pièces standardisées a inspiré la conception et la construction des bâtiments pendant plus de 150 ans.
Cette situation pourrait bientôt changer grâce aux progrès de ce que l’on appelle la « fabrication additive à grande échelle ». Depuis l’adoption de la charpente métallique, aucun développement n’a eu autant de potentiel pour transformer la façon dont les bâtiments sont conçus et construits.
La fabrication additive à grande échelle, comme l’impression 3D de bureau, consiste à construire des objets une couche à la fois. Qu’il s’agisse d’argile, de béton ou de plastique, le matériau d’impression est extrudé à l’état fluide et durcit pour prendre sa forme finale.
En tant que directeur de l’Institut des structures intelligentes de l’université du Tennessee, j’ai eu la chance de travailler sur une série de projets déployant cette nouvelle technologie.
Bien qu’il existe encore des obstacles à l’adoption généralisée de cette technologie, j’entrevois un avenir dans lequel les bâtiments seront entièrement construits à partir de matériaux recyclés ou de matériaux provenant du site, avec des formes inspirées par les géométries de la nature.
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Des prototypes prometteurs
Parmi ces prototypes, on trouve le pavillon Trillium, une structure en plein air imprimée à partir de polymère ABS recyclé, un plastique couramment utilisé dans une large gamme de produits de consommation.
Les surfaces fines et doublement incurvées de la structure s’inspirent des pétales de la fleur qui porte son nom. Le projet a été conçu par des étudiants, imprimé par Loci Robotics et construit dans le parc de recherche de l’université du Tennessee, à Cherokee Farm, à Knoxville.
Parmi les autres exemples récents de fabrication additive à grande échelle, citons Tecla, un prototype d’habitation de 450 pieds carrés (41,8 mètres carrés) conçu par Mario Cucinella Architects et imprimé à Massa Lombarda, une petite ville d’Italie.
Les architectes ont imprimé Tecla avec de l’argile provenant d’une rivière locale. La combinaison unique de ce matériau peu coûteux et de la géométrie radiale a permis de créer une forme d’habitat alternatif économe en énergie.
Aux États-Unis, le cabinet d’architectes Lake Flato s’est associé à l’entreprise de technologie de construction ICON pour imprimer les murs extérieurs en béton d’une maison baptisée « House Zero » à Austin, au Texas.
Cette maison de 185,8 mètres carrés démontre la rapidité et l’efficacité du béton imprimé en 3D, et la structure présente un contraste agréable entre ses murs curvilignes et sa charpente en bois apparente.
Le processus de planification
La fabrication additive à grande échelle fait appel à trois domaines de connaissances : la conception numérique, la fabrication numérique et la science des matériaux.
Pour commencer, les architectes créent des modèles informatiques de tous les composants qui seront imprimés. Ces concepteurs peuvent ensuite utiliser des logiciels pour tester la façon dont les composants réagiront aux forces structurelles et les ajuster en conséquence. Ces outils peuvent également aider le concepteur à déterminer comment réduire le poids des composants et automatiser certains processus de conception, tels que le lissage des intersections géométriques complexes, avant l’impression.
Un logiciel appelé « slicer » traduit ensuite le modèle informatique en un ensemble d’instructions destinées à l’imprimante 3D.
On pourrait penser que les imprimantes 3D fonctionnent à une échelle relativement petite – pensez aux étuis de téléphone portable et aux porte-brosses à dents.
Mais les progrès de la technologie de l’impression 3D ont permis d’augmenter considérablement la taille du matériel. Parfois, l’impression est réalisée à l’aide d’un système à portique – un cadre rectangulaire de rails coulissants semblable à celui d’une imprimante 3D de bureau. De plus en plus, des bras robotisés sont utilisés en raison de leur capacité à imprimer dans n’importe quelle orientation.
Le site d’impression peut également varier. Les meubles et les petits éléments peuvent être imprimés dans des usines, tandis que des maisons entières doivent être imprimées sur place.
Divers matériaux peuvent être utilisés pour la fabrication additive à grande échelle. Le béton est un choix populaire en raison de sa familiarité et de sa durabilité. L’argile est une alternative intéressante car elle peut être récoltée sur place, comme l’ont fait les concepteurs de Tecla.
Mais ce sont les plastiques et les polymères qui pourraient avoir l’application la plus large. Ces matériaux sont incroyablement polyvalents et peuvent être formulés de manière à répondre à un large éventail d’exigences structurelles et esthétiques spécifiques. Ils peuvent également être produits à partir de matériaux recyclés ou issus de l’agriculture biologique.
L’inspiration de la nature
La fabrication additive permet de construire couche par couche, en n’utilisant que les matériaux et l’énergie nécessaires à la fabrication d’un composant particulier. Il s’agit donc d’un processus de construction beaucoup plus efficace que les « méthodes soustractives », qui impliquent de découper les matériaux excédentaires – comme le fraisage d’une poutre en bois dans un arbre.
Même des matériaux courants comme le béton et le plastique peuvent être imprimés en 3D, car il n’est pas nécessaire d’ajouter des coffrages ou des moules.
La plupart des matériaux de construction sont aujourd’hui produits en masse sur des chaînes de montage conçues pour produire les mêmes composants. Tout en réduisant les coûts, ce processus laisse peu de place à la personnalisation.
Comme il n’y a pas besoin d’outillage, de formes ou de matrices, la fabrication additive à grande échelle permet à chaque pièce d’être unique, sans pénalité de temps pour l’ajout de complexité ou de personnalisation.
Une autre caractéristique intéressante de la fabrication additive à grande échelle est la capacité de produire des composants complexes avec des vides internes. Cela pourrait un jour permettre d’imprimer des murs avec des conduits ou des canalisations déjà en place.
En outre, des recherches sont en cours pour explorer les possibilités de l’impression 3D multi-matériaux, une technique qui pourrait permettre aux fenêtres, à l’isolation, au renforcement structurel – et même au câblage – d’être entièrement intégrés dans un seul composant imprimé.
L’un des aspects de la fabrication additive qui me passionne le plus est la façon dont la construction couche par couche, avec un matériau qui durcit lentement, reflète les processus naturels, comme la formation des coquillages.
Cela ouvre de nouvelles perspectives, permettant aux concepteurs de mettre en œuvre des géométries difficiles à produire avec d’autres méthodes de construction, mais qui sont courantes dans la nature.
Des cadres structurels inspirés de la fine structure des os d’oiseaux pourraient créer des treillis légers de tubes, dont les tailles variables reflètent les forces qui s’exercent sur eux. Des façades évoquant la forme des feuilles de plantes pourraient être conçues pour ombrager le bâtiment et produire de l’énergie solaire.
Surmonter la courbe d’apprentissage
Malgré les nombreux aspects positifs de la fabrication additive à grande échelle, il existe un certain nombre d’obstacles à son adoption à plus grande échelle.
Le plus difficile à surmonter est sans doute sa nouveauté. Il existe toute une infrastructure construite autour des formes traditionnelles de construction comme l’acier, le béton et le bois, qui comprend des chaînes d’approvisionnement et des codes de construction. En outre, le coût du matériel de fabrication numérique est relativement élevé, et les compétences de conception spécifiques nécessaires pour travailler avec ces nouveaux matériaux ne sont pas encore largement enseignées.
Pour que l’impression 3D en architecture soit plus largement adoptée, elle devra trouver son créneau. Tout comme le traitement de texte a contribué à populariser les ordinateurs de bureau, je pense que c’est une application spécifique de la fabrication additive à grande échelle qui conduira à son utilisation courante.
Il s’agira peut-être de sa capacité à imprimer des cadres structurels très efficaces. Je vois aussi déjà sa promesse de créer des façades sculpturales uniques qui peuvent être recyclées et réimprimées à la fin de leur vie utile.
Quoi qu’il en soit, il est probable qu’une combinaison de facteurs fera en sorte que les bâtiments de demain seront, en partie, imprimés en 3D.
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