Comment l’impression 3D va révolutionner la construction

Des sols en toile d’araignée, des immeubles hypercompacts et des ponts ultra-fins : l’impression 3D annonce le BTP de demain

M. Bock a calculé que ses nouveaux sols, plus fins, ne nécessiteraient qu’un tiers des matériaux requis par une dalle traditionnelle

Au coeur de Cambridge, la chapelle du King’s College est à juste titre célèbre. Construite en style gothique, achevée en 1515, son plafond est remarquable. D’en bas, il ressemble à une toile vivante de pierres. Rares sont ceux qui savent que cette délicate maçonnerie est assez solide pour pouvoir supporter le poids d’un marcheur sur sa voûte basse, dans l’espace compris entre le plafond et les poutres du toit. De nos jours, ces structures sont passées de mode. Elles sont trop compliquées pour les méthodes du BTP contemporain, et la maind’oeuvre spécialisée nécessaire pour les réaliser est rare et coûteuse. Aujourd’hui cependant, de nouvelles technologies commencent à rendre réalisables ce type de constructions. De puissants ordinateurs permettent aux designers d’envisager des structures qui exploitent davantage le compromis entre utilité, coût et esthétique. L’impression en 3D peut transformer ces structures compliquées et sophistiquées en réalité. Dans une usine qui fabrique du béton préformé, à Doncaster, au nord de l’Angleterre, un bras robotisé pend au-dessus d’une vaste plateforme. Un soupçon de cire rose durcie coule d’un injecteur à son extrémité. Le bras est monté sur un moyeu d’acier qui lui permet d’agir sur trois dimensions : 30 mètres de long, 3,5 mètres de largeur et 1,5 mètre de profondeur. Appelé FreeFAB, ce système utilise une cire spéciale pour imprimer des moules ultraprécis qui, à leur tour, sont utilisés pour mouler des panneaux de béton. Des centaines de ces panneaux sont installées dans les tunnels des passagers de Crossrail, le plus grand chantier d’Europe, où se construit une nouvelle ligne de métro est-ouest à travers Londres. Laing O’Rourke dirige une entreprise de BTP et FreeFAB est le premier projet d’impression 3D utilisé dans un projet commercial à grande échelle. Des bureaux et des appartements témoins ont déjà été construits à Dubaï et en Chine avec des panneaux “imprimés”, mais ce sont pour l’instant juste des concepts. Le problème, explique Bill Baker, un ingénieur qui a travaillé sur la construction de la tour Burj Khalifa à Dubaï, le gratte-ciel le plus haut du monde, c’est que le béton imprimé est actuellement produit en couches, qui sont ensuite comprimées pour créer un panneau plus solide. Mais les jointures entre les couches induisent des fragilités qui ne permettent pas d’utiliser les panneaux dans de véritables immeubles. “Les couches peuvent

se dissocier” dit-il.

Casser les moules

FreeFAB contourne ce problème en imprimant les moules, au lieu d’imprimer les structures directement. Inventée par James Gardiner, un architecte australien, la méthode a de grands avantages sur les techniques traditionnelles de fabrication de moules. L’un d’eux est de produire moins de déchets. Les moules ordinaires sont faits en bois et polystyrène, et ne peuvent être utilisés que pour produire une seule forme. Quand ils ne sont plus utiles, ils sont envoyés à la décharge. La cire de FreeFAB peut être fondue et reversée dans le réservoir, prête à être extrudée à nouveau en une nouvelle forme. Il a fallu trois ans à M. Gardiner pour trouver une cire pouvant être “imprimée”, fraisée et recyclée. Le système rend aussi moins coûteuse la fabrication de moules même très complexes. La production de moules traditionnels nécessite de grandes compétences. Créer un moule pour un panneau de béton incurvé sur deux axes différents, comme ceux qui sont utilisés sur le chantier Crossrail, prendrait environ huit jours, selon Alistair O’Reilly, directeur général de GRCUK, l’entreprise dans laquelle FreeFAB est installée. FreeFAB peut en imprimer un en trois heures. Cette rapidité permet de satisfaire les exigences de constructions plus complexes. Des panneaux subtilement concaves peuvent par exemple être utilisés à l’intérieur des logements pour étouffer le bruit et préserver le calme de certaines pièces. Le faire avec des méthodes traditionnelles reviendrait trop cher. FreeFAB propre de faire baisser le coût de production de ces éléments. Et parce que le béton lui-même n’est pas “imprimé”, les panneaux sont aussi solides qu’en fabrication traditionnelle. Les pièces de FreeFAB ne se fissurent pas et ont passé avec succès deux fois le test de la résistance au souffle d’une bombe. Nous n’en sommes qu’au début. L’usine de Doncaster a eu des problèmes de croissance juvénile. Il s’est révélé compliqué d’imprimer des moules sans défauts pour les panneaux qui en sortent. Pour l’instant, l’usine fournit un mélange de moules à béton traditionnels et de moules imprimé en 3D. Mais une fois que la technologie sera à maturité suffisante, Laing O’Rourke prévoit de créer en parallèle une start-up consacrée à cette nouvelle méthode de construction. Si cela se concrétise, Philippe Block, un ingénieur architecte de l’Institut polytechnique suisse de Zurich, pourrait être l’un des premiers clients. M. Block réalise des sols qui possèdent le “look” veiné et fluide des membranes biologiques. Épaisses de quelques centimètres seulement, il s’agit de versions modernes du plafond de la chapelle de King’s College. Au lieu de construire des dalles qui reposent sur des soutiens d’acier, M. Block les construit sous compression, pour que chaque élément du sol porte la charge par une arche creuse. Chaque morceau est fait sur mesure, dessiné par un ordinateur pour répartir au mieux la charge qu’il doit porter. Ceci permet de construire des structures beaucoup plus fines, avec des matériaux plus fragiles que le béton renforcé. De tels sols sont aussi utiles que beaux. Dans les gratte-ciel par exemple, les dalles d’étage et les structures qui les portent entrent pour une bonne partie de la masse de l’immeuble. M. Bock a calculé que ses nouveaux sols, plus fins, ne nécessiteraient qu’un tiers des matériaux requis par une dalle traditionnelle. En même temps, leur finesse lui permet de récupérer assez de volume en hauteur pour loger trois étages dans l’espace normalement requis pour deux construits selon les méthodes en vigueur. M. Block a déjà testé de nombreuses versions de ses idées, comme tout récemment à la Biennale d’architecture de Venise, en 2016. Là, lui et son équipe ont construit une “tente” voûtée de quinze mètres avec 399 blocs de calcaire astucieusement formés, chacun fraisé avec précision de manière à épouser les forces nécessaires pour tenir la voûte. Appelée la “voûte d’Armadillo”, son dôme est moitié moins épais qu’une coquille d’oeuf, à échelle reportée. Le prochain test aura lieu dans un véritable immeuble, un logement témoin baptisé NEST à Zurich. Le groupe de M. Block réalisera les sols pour une nouvelle partie de l’immeuble, appelée HiLo. Le principal frein à la production des structures que réalise M. Block est la création de chaque élément. Elle coûte cher et elle est lente car il faut fraiser tous les éléments à partir des blocs de pierre, ou construire des moules traditionnels pour chaque composant. M. Block et M. Gardiner prévoient de travailler ensemble sur le projet HiLo en utilisant FreeFAB pour imprimer les moules qui produiront des composants des sols. Si tout se déroule selon les plans, le chantier devrait être achevé en 2018. Cela pourrait n’être qu’un début ; M. Gardiner et Block parlent d’utiliser du béton Ductal, renforcé par des fibres d’acier – qui le rendent plus léger que