L’impression 3D du béton franchit un cap

L’impression 3D du béton connaît une évolution rapide: des pavillons et projets pilotes, elle passe à des applications structurelles évolutives qui répondent aux enjeux de l’automatisation, de la réduction des matériaux et d’une nouvelle liberté de conception. Des chercheurs comme Karsten Nefs (Université de technologie d’Eindhoven) montrent comment cette technologie s’oriente aujourd’hui vers de véritables projets de construction. Elle offre ainsi aux entrepreneurs la possibilité de mettre en œuvre des solutions plus rapides, plus légères et plus efficaces, qui aident le secteur à réduire son empreinte écologique.

Du projet pilote à la pratique de la construction

Nous avons tous entendu parler des premiers projets pilotes d’impression 3D du béton, comme le projet pilote 3CPO à Kamp C, à Westerlo, ou les concepts de ponts optimisés développés à l’UGent. Grâce à des recherches continues, notamment à l’Université de technologie d’Eindhoven, la technologie a été perfectionnée au point d’être aujourd’hui applicable commercialement. Le chercheur Karsten Nefs nous éclaire sur l’évolution de l’impression 3D du béton ces dernières années. "L’impression 3D du béton repose sur la combinaison de trois éléments: le bon matériau, un processus contrôlé et une conception qui tire parti des possibilités de l’impression. Ces trois éléments doivent être réunis de manière adéquate pour parvenir à une véritable méthode de construction industrielle."

Le matériau, le processus et la conception considérés comme un tout

L’essence de l’impression 3D du béton réside dans le renforcement mutuel du matériau, du processus et de la conception. "Alors qu’auparavant, l’accent était surtout mis sur les possibilités de la technologie d’impression, l’attention se porte désormais de plus en plus sur la fonction et la conception de la structure. Il faut d’abord réfléchir à la manière de concevoir une structure aussi efficacement que possible et aux endroits où le matériau est réellement nécessaire. On peut ensuite examiner comment l’impression 3D du béton peut contribuer à réaliser cette conception. Le processus d’impression offre d’immenses possibilités en matière de liberté de forme et d’automatisation, mais présente aussi des limites, notamment en ce qui concerne les matériaux. Il est donc essentiel d’harmoniser la conception, le matériau et le processus de production. L’objectif n’est pas d’imprimer autant de béton que possible, mais de recourir à cette technologie uniquement là où elle apporte réellement une valeur ajoutée."

Des applications ciblées pour la construction en bois

Longtemps considérée comme une technologie destinée aux structures entièrement en béton, l’impression 3D du béton fait aujourd’hui l’objet de recherches axées sur des applications plus ciblées. Au sein du groupe de recherche de l’Université de technologie d’Eindhoven, Karsten Nefs se concentre sur des éléments en béton imprimés qui s’intègrent parfaitement à la construction industrielle en bois et renforcent précisément les zones où les structures en bois présentent encore des limites. "Nous nous intéressons à des composants spécifiques du bâtiment pour lesquels le béton apporte une réelle valeur ajoutée, comme les planchers sur terre-plein, les infrastructures et les noyaux de stabilité. Nous étudions comment l’impression 3D du béton peut contribuer à une conception économe en matériaux, sans renoncer aux avantages des méthodes de construction traditionnelles. Nous développons actuellement des panneaux de plancher pour le niveau inférieur, dont environ vingt pour cent du volume de béton est imprimé, tandis que le reste est coulé de manière traditionnelle. En combinant les deux techniques, nous pouvons exploiter la liberté de forme offerte par l’impression 3D du béton afin de réaliser des structures optimisées en matériaux, difficiles ou coûteuses à fabriquer avec des méthodes de production traditionnelles. Le principe reste le même: imprimer uniquement là où cela apporte réellement une valeur ajoutée."

"L’objectif n’est pas d’imprimer autant de béton que possible, mais de recourir à cette technologie uniquement là où elle apporte réellement une valeur ajoutée" — Karsten Nefs, Université de technologie d’Eindhoven

L’optimisation du matériau lui-même constitue une étape supplémentaire dans le développement de l’impression 3D du béton. "Aujourd’hui, nous cherchons principalement à répartir le matériau aussi efficacement que possible dans une structure, mais l’impression 3D du béton permet également d’adapter localement les propriétés des matériaux. On peut par exemple ajouter des fibres de renforcement aux endroits où une résistance à la traction accrue ou une meilleure maîtrise de la fissuration sont nécessaires. Nous pouvons ainsi optimiser non seulement la forme d’une structure, mais aussi adapter les propriétés du matériau à la fonction qu’il doit remplir localement."

La qualité exige un contrôle

L’impression 3D peut avoir lieu à trois endroits: dans une usine, sur un site proche du chantier ou directement sur le chantier. "L’impression dans un environnement de production contrôlé offre le plus grand potentiel. On peut mieux y maîtriser des conditions de production et des paramètres de processus importants, tels que la qualité du mélange, le débit du matériau, la vitesse d’extrusion, la température et l’humidité de l’air."

Ce contrôle joue également un rôle important pendant le transport et le montage. Les structures imprimées sont souvent plus minces que les éléments préfabriqués traditionnels, ce qui peut les rendre plus sensibles au dessèchement et à la fissuration qui en découle. "On peut y remédier, par exemple, en les couvrant pendant le transport, mais cela montre bien à quel point il est important de maîtriser l’ensemble du processus."

L’ingénierie et la certification: des éléments clés

Le principal défi ne réside pas dans l’impression elle-même, mais dans l’ingénierie, le contrôle qualité et la certification. "L’impression du béton exige de changer de perspective. Le béton vient d’abord, puis l’armature. On peut intégrer des câbles d’armature à l’impression ou utiliser un renforcement par fibres. En combinant l’impression et le coulage, nous pouvons recourir aux méthodes d’armature existantes. L’un des principaux défis consiste toutefois à rendre ces applications économiquement viables. Si chaque projet doit être reconçu, recalculé et testé, les coûts d’ingénierie augmentent rapidement. La certification repose encore souvent sur des essais de conception ('design by testing'), mais cette méthode est inefficace. Nous visons donc à créer des familles de produits standardisées, adaptables dans certaines limites de conception et validables et certifiables dans leur ensemble à l’aide des données de processus."

Liberté de conception dans un processus industriel

Au-delà des défis techniques, l’impression 3D du béton transforme également le rôle du concepteur. "La personnalisation de masse est l’une des principales possibilités offertes par l’impression du béton. Il s’agit de développer des produits de construction qui, au sein d’un système standardisé, peuvent être adaptés aux exigences spécifiques d’un projet."

Cette liberté de conception implique également de tenir compte de l’ensemble du cycle de vie d’un bâtiment. "Il ne faut pas seulement réfléchir à la manière de construire une structure, mais aussi à la façon dont elle sera entretenue, modifiée ou finalement réutilisée. Les structures en béton peuvent avoir une très longue durée de vie, mais cela ne signifie pas que la fonction d’un bâtiment restera la même pendant tout ce temps. Nous devons donc également concevoir en anticipant les changements futurs et la réutilisation."

Des perspectives d’avenir prometteuses

À l’horizon 2035, Karsten Nefs voit l’impression 3D du béton devenir une technologie parfaitement adaptée aux processus de construction industrielle. "L’avenir réside dans des composants intelligents imprimés, intégrés à des systèmes hybrides, ainsi que dans des pôles de production locaux proches des zones de chantier. Parallèlement, le développement de liants plus durables reste un défi majeur: remplacer le ciment par des solutions plus durables afin de réduire encore l’impact environnemental du béton (imprimé)."