House Zero à Austin, au Texas, est une maison de 2,000 3 pieds carrés construite avec du béton imprimé en XNUMXD. Architectes du lac Flato

En architecture, les nouveaux matériaux émergent rarement.

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 le cadre en acier 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 les horizons de la ville.

Depuis la révolution industrielle, les matériaux de construction se sont largement cantonnés à une gamme d'éléments produits en série. Des poutres en acier aux panneaux de contreplaqué, ce kit standardisé de pièces a guidé la conception et la construction de bâtiments depuis plus de 150 ans.

Cela pourrait bientôt changer avec les progrès de ce qu'on appelle "fabrication additive à grande échelle.” Jamais depuis l'adoption de la charpente en acier, il n'y a eu un développement avec 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, implique la construction d'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 dans sa forme finale.

En tant que directeur de l'Institut des structures intelligentes à l'Université du Tennessee, j'ai eu la chance de travailler sur une série de projets qui déploient cette nouvelle technologie.

Bien que certains obstacles à l'adoption généralisée de cette technologie existent encore, je peux prévoir un avenir dans lequel les bâtiments seront entièrement construits à partir de matériaux recyclés ou de matériaux provenant du site, avec des formes inspirées des géométries de la nature.

Des prototypes prometteurs

Parmi ceux-ci est le pavillon Trillium, une structure à ciel ouvert imprimée à partir de matériaux recyclés Polymère ABS, un plastique courant utilisé dans une large gamme de produits de consommation.

Les fines surfaces à double courbure de la structure s'inspirent des pétales de sa fleur homonyme. Le projet a été conçu par des étudiants, imprimé par Loci Robotics et construit sur le parc de recherche de l'Université du Tennessee à Cherokee Farm à Knoxville.

Autres exemples récents de fabrication additive à grande échelle inclure 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.

Tecla a été construit à partir d'argile d'origine locale. Architectes Mario Cucinella

Les architectes ont imprimé Tecla à partir d'argile provenant d'une rivière locale. La combinaison unique de ce matériau peu coûteux et de la géométrie radiale a créé une forme de logement alternatif économe en énergie.

De retour aux États-Unis, le cabinet d'architecture Lake Flato s'est associé à la société de technologie de construction ICON pour imprimer des murs extérieurs en béton pour une maison surnommée "Maison Zéro» à Austin, Texas.

La maison de 2,000 185.8 pieds carrés (3 mètres carrés) démontre la rapidité et l'efficacité du béton imprimé en XNUMXD, et la structure affiche un contraste agréable entre ses murs curvilignes et sa charpente en bois exposée.

Le processus de planification

La fabrication additive à grande échelle implique 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 un logiciel pour tester la façon dont les composants répondront aux forces structurelles et ajuster les composants en conséquence. Ces outils peuvent également aider le concepteur à comprendre comment réduire le poids des composants et automatiser certains processus de conception, tels que le lissage des intersections géométriques complexes, avant l'impression.

Un morceau de logiciel connu sous le nom de trancheuse traduit ensuite le modèle informatique en un ensemble d'instructions pour l'imprimante 3D.

Vous pourriez supposer que les imprimantes 3D fonctionnent à une échelle relativement petite - pensez coques de téléphone portable ainsi que porte-brosse à dents.

Mais les progrès de la technologie d'impression 3D ont permis au matériel évoluer sérieusement. Parfois, l'impression se fait via ce qu'on appelle un système basé sur un portique – un cadre rectangulaire de rails coulissants semblable à une imprimante 3D de bureau. De plus en plus, bras robotiques sont utilisés en raison de leur capacité à imprimer dans n'importe quelle orientation.

Les bras robotisés permettent une plus grande flexibilité dans le processus de construction.

Le site d'impression peut également varier. Les meubles et les petits composants peuvent être imprimés en usine, tandis que des maisons entières doivent être imprimées sur place.

Une gamme de matériaux peut être utilisée 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 intrigante car elle peut être récoltée sur place - c'est ce qu'ont fait les concepteurs de Tecla.

Mais les plastiques et les polymères 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 et d'origine organique.

Inspiration de la nature

Parce que la fabrication additive se construit couche par couche, en utilisant uniquement le matériau et l'énergie nécessaires pour fabriquer un composant particulier, c'est un processus de construction beaucoup plus efficace que "méthodes soustractives», qui impliquent de couper le matériau en excès - pensez à fraiser une poutre en bois dans un arbre.

Même les matériaux courants comme le béton et les plastiques bénéficient de l'impression 3D, car il n'y a pas besoin de coffrages ou de moules supplémentaires.

Aujourd'hui, la plupart des matériaux de construction sont produits en série 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.

Puisqu'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 une complexité ou une personnalisation accrue.

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 conduits déjà en place.

Par ailleurs, la recherche se fait explorer les possibilités de l'impression 3D multi-matériaux, une technique qui pourrait permettre d'intégrer complètement les fenêtres, l'isolation, le renforcement structurel - voire le câblage - 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 à durcissement lent, reflète les processus naturels, comme la formation de coquilles.

Une maison imprimée en 3D à Shanghai qui a été construite en moins de 24 heures à partir de déchets de construction. Groupe visuel de la Chine/Getty Images

Cela ouvre des fenêtres d'opportunité, 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.

Cadres structurels inspiré par la structure fine des os d'oiseaux pourrait créer des treillis légers de tubes, avec des tailles variables reflétant les forces agissant sur eux. Des façades qui évoquent les formes des feuilles des plantes pourrait être conçu pour ombrager simultanément 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 plus large.

Peut-être que le plus grand à surmonter est sa nouveauté. Il existe toute une infrastructure construite autour de formes traditionnelles de construction comme l'acier, le béton et le bois, qui incluent les chaînes d'approvisionnement et les codes du bâtiment. De plus, 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 sa niche. Semblable à la façon dont le traitement de texte a contribué à populariser les ordinateurs de bureau, je pense que ce sera une application spécifique de la fabrication additive à grande échelle qui conduira à son utilisation courante.

Ce sera peut-être 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 semble probable qu'une combinaison de facteurs garantira que les futurs bâtiments seront, en partie, imprimés en 3D.

A propos de l'auteur

James Rose, directeur de l'Institut des structures intelligentes, Université du Tennessee

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.