Impression 3D d’éléments de construction en béton

Expert·e·s: Philippe Block (ETH Zürich), Benjamin Dillenburger (ETH Zürich), Moslem Shahverdi (Empa)

L’impression 3D d’éléments de construction et de bâtiments complets peut entraîner la disruption tant attendue dans le secteur de la construction et révolutionner l’avenir de la construction durable. La Suisse peut jouer un rôle précurseur grâce aux conditions avant-gardistes qu’elle propose, à ses équipes de recherche compétitives à l’échelon international et aux leaders du marché actifs dans le domaine du développement de matériaux.

Définition

L’impression 3D ne se limite plus aux petits éléments; un nombre de plus en plus élevé d’éléments de construction de grande taille sont réalisés par fabrication additive et associés les uns aux autres. Cette technologie a déjà été mise en œuvre avec succès en Chine, en Allemagne et aux Émirats arabes unis pour imprimer des bâtiments d’un ou deux étages. En Suisse, elle a été utilisée pour imprimer la passerelle Striatus, installée dans un parc à Venise. L’impression 3D convient aussi à la réalisation d’éléments de façades complexes, d’escaliers et d’objets de mobilier. Depuis peu, de plus en plus d’éléments de coffrage de grande taille et aux formes complexes sont réalisés en matériaux synthétiques par fabrication additive. L’impression 3D de grands éléments de construction englobe différents procédés au cours desquels des matériaux sont extrudés ou appliqués par couches dans un lit de poudre. Ces couches peuvent être reliées entre elles par des processus chimiques ou thermiques en fonction du matériau.

Opportunités

Les procédés de fabrication additive présentent différents avantages par rapport aux procédés classiques pour réaliser des éléments de construction de grandes dimensions. L’idée de base est simple: construire plus vite, plus efficacement et en recourant à moins de main d’œuvre. Vu les difficultés rencontrées pour recruter des personnes qualifiées, c’est un avantage non négligeable. Dans le cas de structures complexes ou non porteuses, le matériau n’est utilisé que là où il est réellement nécessaire, étant donné que des espaces creux sont plus simples à réaliser. La consommation de matériaux s’en trouve limitée et l’énergie grise réduite. Les évolutions dans le secteur du bâtiment permettent depuis peu d’utiliser du béton recyclé à la place du béton à haute résistance, qui génère beaucoup d’émissions, ce qui se répercute positivement sur la durabilité des bâtiments. Mais actuellement, cela n’est possible que pour de petites parois et des structures courbées qui ne nécessitent pas de fers d’armature. Les éléments de construction réalisés par fabrication additive peuvent en outre être fabriqués sur le lieu d’utilisation. Les trajets et la logistique s’en trouvent réduits, ce qui améliore la durabilité. L’impression 3D d’éléments de construction de grandes dimensions est peu coûteuse et relativement simple: utilisable dans le monde entier et de manière décentralisée, elle constitue une opportunité majeure afin de concrétiser rapidement des projets de construction dans les pays en voie de développement.

À l’avenir, l’impression 3D devrait être de plus en plus employée pour la construction de bâtiments et de ponts afin de réduire le poids et la quantité de matériaux. Ainsi, Dubaï s’est fixé pour objectif d’imprimer 25 pour cent de toutes les nouvelles constructions d’ici 2030. Cette technologie a aussi le potentiel de changer la donne pour la construction de bâtiments dans des lieux inhospitaliers comme les régions glaciaires ou l’espace, en assistant l’être humain dans les endroits dangereux (voir showcase Partenariat volant).

En raison de son règlement sur les constructions progressiste et propice aux innovations, la Suisse est parfaitement placée pour jouer un rôle de premier plan dans le secteur de la construction à l’échelle internationale. En revanche, le secteur de la construction se montre plutôt conservateur. Il y a des opportunités à saisir, tant au niveau de la recherche scientifique universitaire que de l’industrie. Le Pôle de recherche national «Fabrication numérique» garantit une priorisation sur le long terme de cette thématique qui s’étend bien au-delà de la recherche universitaire. En outre, les entreprises Sika et Holcim, toutes deux implantées en Suisse, dominent le développement sur le plan matériel face à la concurrence internationale.

Enjeux

Sur le plan technologique, les enjeux ne manquent pas. Le béton destiné à l’impression 3D doit être de très grande qualité, ce qui entraîne une augmentation de la teneur en ciment dans le béton et, par conséquent, une hausse de l’empreinte carbone. Pour contrer cet écueil, une collaboration entre ingénieur·e·s civil·e·s et spécialistes en science des matériaux est nécessaire. Des fers d’armature doivent être intégrés dans les structures imprimées ou substitués. Si aucune solution n’est trouvée, les applications resteront fortement limitées. Par ailleurs, tant les matériaux de construction utilisés que les procédés sont nouveaux; des études à long terme sont donc nécessaires en vue d’une commercialisation à grande échelle. De même, la réalisation par couches qui résulte de l’impression se trouve en contradiction avec la continuité nécessaire dans la même dimension, ce qui pose la question de la sécurité sismique. La question de l’entretien, de la réparation ainsi que du recyclage d’éléments de construction réalisés par fabrication additive doit également être abordée.

Sur le plan social, les avantages de cette technologie contrastent avec les réserves liées aux suppressions d’emploi dans le secteur de la construction. De nouveaux postes de travail plus captivants pourraient toutefois être créés.

Modèle commercial envisageable pour les PME

Bien qu’une imprimante 3D soit un achat onéreux, c’est un investissement intéressant pour une PME du secteur de la construction: il est notamment rentable d’imprimer des moules de coffrage, que ce soit pour son usage propre ou en vue de les vendre. Ce marché est important. À l’avenir, il sera aussi possible de réaliser des profits avec d’autres produits tels que des meubles en béton, des accessoires de jardin, des escaliers et des murs complexes. Mais pour utiliser l’imprimante efficacement, l’approche doit être adaptée au produit et à sa fabrication. Des connaissances techniques sont requises et elles sont également indispensables pour optimiser les matériaux utilisés. Une autre possibilité est d’acheter l’impression des éléments de construction en tant que prestation de service. Des prestataires sont présents en Suisse et dans le monde entier.

Un exemple d’application concret se trouve dans l’article Partenariat volant.

Autres showcases

 
Aide au parking pour la respiration artificielle

Aide au parking pour la respiration artificielle

Showcase Le monde numérique
 
Drones de plongée pour zones peu profondes ou dangereuses

Drones de plongée pour zones peu profondes ou dangereuses

Showcase Le monde numérique
 
Chausser avec passion

Chausser avec passion

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Moins de gaspillage alimentaire grâce à la reconnaissance automatique d’images

Moins de gaspillage alimentaire grâce à la reconnaissance automatique d’images

Showcase Le monde numérique
 
Les voitures électriques pour stocker l’énergie

Les voitures électriques pour stocker l’énergie

Showcase Énergie et environnement
 
Recycler des batteries au bain-marie

Recycler des batteries au bain-marie

Showcase Énergie et environnement
 
Quand les batteries s’envolent

Quand les batteries s’envolent

Showcase Énergie et environnement
 
Maintenance conditionnelle – des événements prévus et imprévus

Maintenance conditionnelle – des événements prévus et imprévus

Showcase Le monde numérique
 
Protection antisismique en quatre dimensions

Protection antisismique en quatre dimensions

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Semelles orthopédiques par impression 3D

Semelles orthopédiques par impression 3D

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Diminution du poids comme vecteur de durabilité

Diminution du poids comme vecteur de durabilité

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Implants depuis le haut-parleur

Implants depuis le haut-parleur

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Du chocolat sorti tout droit de l’imprimante

Du chocolat sorti tout droit de l’imprimante

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Partenariat volant

Partenariat volant

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Gestion de la qualité dans la fabrication additive

Gestion de la qualité dans la fabrication additive

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
La traduction automatique pour la Suisse

La traduction automatique pour la Suisse

Showcase Le monde numérique
 
Nouveaux procédés dans la fabrication additive

Nouveaux procédés dans la fabrication additive

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Impression 3D de matériaux composites et de multi-matériaux

Impression 3D de matériaux composites et de multi-matériaux

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Impression 3D de denrées alimentaires

Impression 3D de denrées alimentaires

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Impression 3D d’éléments de construction en béton

Impression 3D d’éléments de construction en béton

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Bio-impression 3D

Bio-impression 3D

Showcase Procédés de fabrication et matériaux
 
Impression 4D

Impression 4D

Showcase Procédés de fabrication et matériaux