Fabrication de contour

Behrokh Khoshnevis de l’Institut des sciences de l’information de l’Université de Californie du Sud (au sein de la Viterbi School of Engineering) utilise une grue ou un portique contrôlé par ordinateur pour construire des édifices rapidement et efficacement avec une main-d’œuvre beaucoup moins manuelle. Il a été conçu à l’origine comme une méthode de construction de moules pour pièces industrielles. Khoshnevis a décidé d’adapter cette technologie à la reconstruction rapide de maisons après des catastrophes naturelles, comme les tremblements de terre dévastateurs qui ont dévasté son Iran natal.

En utilisant un matériau à prise rapide, de type béton, le façonnage des contours forme les murs de la maison, couche par couche, jusqu’à ce que les sols et les plafonds soient posés à la place de la grue. Le concept théorique nécessite l’insertion de composants structurels, de plomberie, de câblage, de services publics et même d’appareils grand public tels que les systèmes audiovisuels au fur et à mesure de la construction des couches.

Caractéristiques
La technologie consiste en l’extrusion (extrusion) d’une couche après une couche de béton spécial le long du chemin défini par le programme, la croissance des murs du bâtiment, d’où le nom technologique de cette technologie. En cela, elle ressemble beaucoup à l’impression 3D conventionnelle utilisant la technologie Stratasys FDM® (superposition du filament thermoplastique chauffé conformément au fichier de travail).

Une des caractéristiques de la technologie consiste à connecter un outil supplémentaire de la machine – un manipulateur qui installe dans la position de conception les éléments structurels porteurs et porteurs, les communications techniques (cavaliers, poutres de plancher / poutres de couverture, structures en treillis, cheminées, cheminées de ventilation , etc.).

Les matériaux de construction pour la construction d’éléments porteurs (murs, planchers) sont un béton en poudre à réaction à durcissement rapide, renforcé avec de la microfibre en acier ou en polymère. Une caractéristique du béton en poudre à réaction est l’absence de gros granulat sans perte du rapport liant / composant solide, ainsi que les caractéristiques de performance les plus élevées. Des types de béton moins chers peuvent également être utilisés, tels que les bétons à grain fin et les bétons sableux modifiés avec des additifs (hyperplastifiants, accélérateurs de durcissement, fibres).

La technologie de renforcement peut être appliquée à la technologie innovante des armatures de maille volumique en volume. En théorie, de tels cadres peuvent être liés à une seule structure pendant la construction.

L’avantage de la technologie réside dans la rapidité de construction. Selon la voiture, il peut construire un bâtiment résidentiel d’une superficie de 150 m². dans 24 heures.

L’inconvénient est la complexité et, dans certains cas, l’impossibilité de construire des bâtiments ouverts et des formes architecturales complexes en raison de la nécessité de créer des structures de support.

Histoire
Caterpillar Inc. a fourni des fonds pour soutenir la recherche sur le projet Viterbi à l’été 2008.

Au début des années 2000, les principes théoriques et les premiers retours d’expérience sont disponibles, et de nombreux auteurs testent ou envisagent l’avenir de systèmes de construction automatiques de bâtiments entiers à l’aide de robots ou d’un seul robot multitâche.

Entre 2002 et 2004, le développement de l’automatisation dans la construction a été plus lent que dans d’autres domaines (robotique automobile et industrielle en particulier), mais repose sur le prototypage rapide en ajoutant des matériaux utilisés dans d’autres secteurs de l’industrie, et après amélioration des têtes d’extrusion et adaptation. de matériaux (ciment, plâtre, céramique non polymérisée, utilisant le principe d’Adobe, plastique, résine, polymères ou mélanges …), il est maintenant théoriquement assez avancé pour permettre la construction additive, y compris la Lune et d’autres planètes, selon Khoshnevis de l’Université de Californie du Sud.

En 2007, une alternative au pont roulant est à l’étude: utilisation d’une tête d’impression orientée dans l’espace par les mouvements des câbles auxquels elle est suspendue, ces mouvements étant contrôlés par l’ordinateur; Cette option est à l’étude par Bosscher et ses collègues de l’Ohio et a été améliorée en 2008.

En 2008, la société Caterpillar Inc. a décidé de fournir des fonds pour soutenir les projets de recherche Viterbi (été 2008).

En 2009, des étudiants de troisième cycle de la Singularity University (une université non officielle de la Silicon Valley) ont mis en place un projet ACASA, avec Khoshnevis en tant que directeur du projet, pour commercialiser la technique du «Contour Crafting» (CC).

En 2010, Khoshnevis dit pouvoir ainsi construire un robot (maison-bot) en une journée avec une grue ou un portique électrique (peut être alimenté par une source d’énergie propre, sûre et renouvelable pour l’électricité verte) en produisant très peu déchets de matériaux de construction. Si ce défi est relevé, cette technique pourrait alors fortement limiter l’impact environnemental, l’empreinte carbone et l’empreinte écologique de la construction de maisons.

La même année 2010, Khoshnevis annonce que la NASA évalue la possibilité d’utiliser Contour Crafting pour la construction de bases sur la planète Mars et / ou la Lune, ce qui nécessite également la capacité de collecter, de transporter et de préparer le matériel lunaire à un coût raisonnable. question étudiée deux ans plus tôt par Zacny et al. et Zeng al (2007).

En 2013, sur la base de travaux antérieurs (2005) et en vue d’une éventuelle construction in situ d’un laboratoire lunaire, la NASA a mené une petite étude à l’université de Californie du Sud afin d’affiner cette technique d’impression 3D en considérant, parmi les applications potentielles, la construction. des structures ou infrastructures pouvant être construites sur la Lune en mode ISRU (utilisation des ressources in situ), c’est-à-dire avec un matériau contenant au moins 90% de matériaux lunaires et au plus 10% de matériaux importés de la Terre.

Le premier bâtiment français imprimé en 3D (YHNOVA, logement social, annoncé en mars 2017 devrait naître à Nantes, sur la base d’une technique “Batiprint3D”, brevetée par l’Université de Nantes, et conçue avec le CNRS, la School Centrale, Inria et IMT Atlantique, et breveté par l’Université de Nantes).

Khoshnevis a déclaré en 2010 que la NASA évaluait Contour Crafting pour son application à la construction de bases sur Mars et la Lune. Après trois ans, en 2013, la NASA a financé une petite étude à l’Université de Californie du Sud pour développer davantage la technique d’impression 3D Contour Crafting. Les applications potentielles de cette technologie comprennent la construction de structures lunaires en matériau pouvant être construit à 90% de matériaux lunaires avec seulement 10% du matériau transporté de la Terre.

En 2017, la société Contour Crafting Corporation (dont Khoshnevis est le PDG) a annoncé un partenariat et un investissement avec Doka Ventures. Dans le communiqué de presse, ils affirment qu’ils “commenceront à livrer les premiers imprimeurs au début de l’année prochaine”.

Principe
La maison est conçue sur l’ordinateur et les données sont ensuite transmises à l’imprimante 3D. L’imprimante 3D est un robot à portique entièrement automatique plus grand que le bâtiment; Le béton spécial à durcissement rapide et le béton normal sont alimentés par des conteneurs en béton.

Tout d’abord, le robot portique coule couche par couche à l’aide du béton spécial à durcissement rapide. Sa buse de pulvérisation commandée par ordinateur place au sol de fines traces de béton, que deux truelles latérales apportent à leur forme définitive. Ensuite, le cadre est rempli de béton normal. En outre, des armatures en acier finies ou similaires peuvent être introduites avec. Ainsi, un bâtiment est créé exactement après le dessin par ordinateur.

Ce principe de prototypage rapide a été développé par le chercheur américain Behrokh Khoshnevis, professeur à l’Université de Californie du Sud, à Los Angeles.

Les méthodes
En général, les systèmes automatisés permettent une gestion additive, formative ou soustractive du matériau. Ils peuvent également combiner – in situ – ces 3 approches.

La méthode CC (Contour Crafting) s’adapte aux besoins d’un logiciel de construction de grande taille et d’outils matériels créés pour usiner ou produire des moules afin de produire des pièces industrielles destinées aux fonderies, au verre ou au plastique, puis aux imprimantes 3D.

Depuis le milieu des années 90, Khoshnevis adapte progressivement ces technologies à un projet de construction de maisons rapide, qui pourrait être mis en œuvre, par exemple, après des catastrophes naturelles dévastatrices (tsunamis, tremblements de terre) telles que le tremblement de terre. frappé sa patrie, l’Iran) ou même sur d’autres planètes dans le contexte de l’exploration de l’espace avec la présence humaine. En Europe, l’Italien Enrico Dini a créé sa propre machine appelée D-Shape, qui dépose des couches de sable durci par un liant inorganique afin de produire des objets jusqu’à six mètres de hauteur (en 2014).

Dans le premier cas, un matériau à prise rapide tel que du béton de sable et du ciment utilisé avec une forme “d’accélérateur d’ensemble” – couche par couche – les murs et les éléments d’une maison, les sols, les plafonds et le toit montés par le pont roulant. ou grue.

Les vides nécessaires à l’insertion de matériel de plomberie, de câblage électrique et informatique, de ventilation ou de matériaux isolants sont prévus en amont dans le plan informatisé, mais le robot et son portique peuvent théoriquement également installer des tuyaux ou certains éléments secondaires de la structure, ainsi que des éléments décoratifs et de protection tels que les carrelages, les carreaux, le plâtre, les peintures, etc.

Alternatives ou variantes écologiques
Ils cherchent à utiliser des matériaux de base largement disponibles et ayant une faible empreinte écologique (sable, gravier, argile, etc.) et à utiliser une source d’énergie libre et sûre telle que l’énergie solaire (transformée en électricité et sous forme de chaleur). ) ..

Récemment (2012-2013), des expériences artistiques et / ou techniques ont utilisé des machines construisant des objets ou des décorations en sable, parfois de grande taille. C’est le cas par exemple de:

ensembles ou éléments d’architecture imprimée (ou «architecture informatique») réalisés par les architectes Michael Hansmeyer et Benjamin Dillenburger, en collaboration avec le département Architecture de l’ETH Zurich 36. Dans ce cas, l’imprimante 3D a fabriqué des objets volumineux (colonnes, murs, pièces) le sable. Les pièces ont été formées à partir d’algorithmes visant à produire rapidement des objets d’architecture complexes et décoratifs, presque impossibles à réaliser avec la sculpture classique, qui devraient être exposés en France au FRAC d’Orléans en 2014.

Sculptures ou objets utilitaires construits par un “Stone Spray Robot” contrôlé par ordinateur, capable d’imprimer dans plusieurs directions à la fois (dans deux plans, vertical et horizontal) pour produire des formes complexes, éventuellement autoportantes (meubles, murs, sculptures, etc.). Construit sur du sable aggloméré par une colle (liant écologique certifié LEEED (Leadership en énergie et conception environnementale), avec une alimentation sous forme de panneau photovoltaïque. Ce robot a été produit par Shergill, Anna Kulik et Petr Novikov, sous la direction de Jordi Portell, Marta Male Alemany et Miquel Iloveras de l’IAAC (Institut catalan d’architecture avancée (Institut d’architecture avancée de Catalogne);

Objets en sable fondu; la fusion est produite en concentrant un faisceau de lumière solaire sur une couche renouvelée de sable du désert; C’est Markus Kayser qui a mis au point le premier prototype très simple, testé avec succès dans le désert du Sahara, à l’aide d’une simple lentille de Fresnel pilotée par un ordinateur alimenté par des panneaux solaires (“Solar Sinter Project”). La lentille concentre la chaleur du soleil sur le sable ajouté dans la machine, couche par couche, la forme étant programmée comme modèle numérique.

Le Pr Behrokh Khoshnevis, en collaboration avec l’Université de Californie du Sud, ainsi que la NASA et le Cal-Earth Institute, qui ont financé le projet, testent en 2014 une “imprimante 3D géante” avec le projet de construction d’une maison en 24 heures. L’imprimante est ici un robot qui extrude du béton selon un plan stocké dans l’ordinateur qui le contrôle.

Selon les partisans de cette technique, de tels robots pourraient à l’avenir construire – avec des matériaux collectés (ou recyclés) sur le site – des bâtiments civils et militaires, des pistes d’atterrissage, des routes, des hangars ou des murs de radiation, ainsi que des structures éventuellement habitables sur la Lune, en mars ou en aval. autres environnements extraterrestres. Les tests sont effectués dans un laboratoire situé dans le désert de la NASA (D-RATS). Ce processus est ou a été testé à petite échelle (projet “Maison de l’avenir / Initiative de politique urbaine” (2004) et est considéré par l’industrie pendant plusieurs années.

Le projet “3D Print Canal House” utilise une imprimante de taille moyenne, fonctionnant dans un conteneur appelé “Kamermaker” facile à apporter sur place (test en cours aux Pays-Bas 49), d’éléments de murs faciles à assembler sur place. dans ce cas, le plastique utilisé est composé à 75% d’huile végétale, mais d’autres types de plastique sont expérimentés.

La commercialisation
Caterpillar Inc. finance le projet Viterbi School depuis 2008.

Khoshnevis indique également que la NASA évalue la construction de contours en tant que méthode de construction de bases pour la colonisation de Mars et de la Lune.

En 2009, des étudiants de premier cycle de l’Université de Singularity ont mis en place le projet ACASA avec Khoshnevis en tant que CTO pour commercialiser la construction par contours.

Antériorité
Le concept de fabrication additive existe chez les modélistes qui utilisent l’argile, la cire et l’architecture chez des artisans ou des décorateurs qui utilisent du plâtre ou du stuc. La construction de murs en pisé (banchage) consolidés ou non par de la chaux, de la paille, des fibres, etc., existe depuis l’Antiquité, mais elle serait désormais totalement automatisée, accélérée et ne nécessiterait plus de coffrage.

la mise en oeuvre
D-Shape, dont le développeur est Enrico Dini, est l’un des systèmes les plus efficaces pour la construction de contours. D-Shape vous permet de réaliser des bâtiments sans intervention humaine. Dans ce cas, D-Shape utilise une technologie spéciale pour convertir le sable en un minéral aux caractéristiques microcristallines, dont les propriétés sont supérieures au ciment Portland. Selon certaines revendications, un tel matériau ne nécessite pas de renforcement. Il est à noter que D-Shape vous permet d’accélérer jusqu’à quatre fois le processus de construction par rapport aux méthodes traditionnelles.

En 2009, le système D-Shape avait déjà construit un bâtiment de 3 mètres de haut.

En 2014, une avancée décisive dans le domaine de la construction de bâtiments utilisant l’impression 3D de contours avec du béton.

En 2014, la société de Shanghai, WinSun, a annoncé la construction de dix maisons imprimées en 3D, construites en 24 heures, puis une maison de cinq étages et un hôtel particulier.

L’université de Californie du Sud a passé avec succès les premiers tests d’une imprimante 3D géante capable d’imprimer une maison d’une superficie totale de 250 m² par jour.

Éventuel
Différents modèles plus ou moins expérimentaux ont été créés à la fin du XX e siècle et ont permis de produire progressivement des pièces de plus en plus grandes, généralement mono-matière et de même couleur.

L’imprimeur tridimensionnel était à l’origine de la science fiction (Arthur C. Clarke évoquait dans les années 1960 une “machine à reproduire”, une machine qui reproduirait des objets lorsqu’ils imprimaient des livres, ce qui aurait un effet profondément positif sur la société: “l’humanité s’adaptera le passé “ou bandes dessinées (en 1972, dans la caricature Tintin and Shark Lake, le professeur Tournesol invente un photocopieur tridimensionnel immédiatement convoité par Rastapopoulos pour la fabrication de faux en dupliquant des œuvres volées dans des grands musées).

Les solutions techniques existantes dans les années 90 suggèrent la possibilité d’une construction rapide et entièrement automatisée d’un bâtiment ou d’un ensemble de bâtiments, avec peinture automatisée, installation robotisée de tuiles et d’autres éléments décoratifs ou fonctionnels tels que conduites d’eau, gaz, climatisation, etc. aération, intégration de câbles électriques, électroniques ou à fibres optiques, etc.

En 2014, il existe des robots chirurgiens, y compris la chirurgie du cerveau. Certains robots médicaux peuvent être contrôlés à distance (télé) et les modèles en cours de développement peuvent déjà s’adapter aux mouvements respiratoires ou aux réflexes d’un patient en temps réel. Ils suggèrent que la précision de l’impression 3D appliquée à l’architecture peut encore progresser.

De même, les typologies de matériaux vont probablement augmenter à l’avenir avec le progrès technique. Les matériaux réactifs ou “intelligents” structurés pour stocker, conduire ou filtrer l’air, l’eau, l’humidité, les calories ou les frigories, les informations, etc. sont également pris en compte.

Le biomimétique pourrait inspirer ingénieurs et architectes et proposer de nouvelles idées de logement écologique à très faible empreinte environnementale, sans “empreinte eau” ni empreinte carbone, ou susceptible de rembourser leur dette écologique. De telles constructions pourraient par exemple s’inspirer du modèle constructif de certains termites, organismes bioconstructifs et / ou photosynthétiques, etc. utilisant des micro-robots capables de produire éventuellement un matériau nanotructuré présentant de nouvelles caractéristiques.