L'impression 3D est-elle l'avenir de la construction ?

Ces dix dernières années ont été marquées par une évolution rapide du secteur de la construction. Des innovations telles que la modélisation des données du bâtiment (BIM), les logiciels de construction basés sur le cloud et la construction hors-site ont ouvert la voie à une ère nouvelle dans le secteur. En plus de rendre le processus de construction plus efficace et collaboratif, ces innovations permettent l'avènement de nouveaux outils et de nouvelles technologies.

Un exemple concret : l'impression 3D. 

L'impression 3D (ou fabrication additive) a de nombreuses applications, notamment dans les secteurs aérospatial, automobile et médical, où elle est utilisée pour : 

  • produire des pièces géométriques complexes
  • créer des prototypes
  • fabriquer des implants et des dispositifs sur mesure


Bien qu'elle n'en soit encore qu'à ses débuts, la technologie d'impression 3D s'avère très prometteuse dans le secteur de la construction. Des structures entières ont déjà été construites de manière plus durable, avec moins de main-d'œuvre et en une fraction du temps habituel. En fait, selon une étude de SmarTech, ce secteur devrait générer un chiffre d'affaires impressionnant de 40 milliards de dollars d'ici 2027.

Dans cet article, nous allons examiner de plus près cette technologie, son fonctionnement, son histoire et sa capacité à révolutionner le secteur de l'architecture, de l'ingénierie et de la construction (AEC).

Comment l'impression 3D est-elle utilisée dans la construction ?

Les imprimantes de construction 3D fonctionnent de manière assez similaire à celle de votre imprimante de bureau. Elles sont dirigées par un programme logiciel qui donne des instructions à l'imprimante quant aux spécifications du produit final. Dans le cas de la construction par impression 3D, vous pouvez utiliser des programmes de conception assistée par ordinateur (CAO) ou de BIM à ce titre. Les machines fabriquent ensuite la structure par couches successives.  

Le processus de construction peut se dérouler de deux manières différentes :

Sur chantier

En utilisant une imprimante 3D attachée à un bras robotisé, vous pouvez construire des structures entières sur place. Dans de nombreux cas, une combinaison de processus manuels et automatisés est utilisée. L'impression 3D du béton recouvre la majeure partie de la structure.

Hors-site

Cette méthode consiste à imprimer différents éléments de construction hors-site (par exemple, dans une usine) et à les transporter sur place pour les assembler ultérieurement. 

Dans le domaine de l'impression 3D pour la construction, certains secteurs connaissent une croissance plus rapide que d'autres. Voici quelques exemples :

Les méthodes d'impression 3D pour la construction qui sont en pleine croissance

L'impression 3D par extrusion

La technologie d'impression 3D par extrusion, aussi appelée Fused Deposition Modeling (FDM), consiste à expulser du produit thermoplastique par une buse et à le superposer pour créer une structure 3D. Cette technologie est couramment utilisée dans la construction sur chantier et fonctionne avec des produits tels que le géopolymère, le béton, le ciment, l'argile et le plâtre.

L'impression 3D par liage de poudre

Cette méthode utilise de la poudre pour créer chaque couche d'une structure avec du liquide comme agent de liaison. Elle est particulièrement utile pour construire des structures durables, légères et résistantes à la chaleur, ce qui contribue sans aucun doute à sa forte demande. 

Les matériaux les plus utilisés pour l'impression 3D dans la construction

L'impression 3D béton

Ce matériau présente des avantages tels qu'une réduction des coûts, un besoin de main-d'œuvre moins important, une vitesse de construction plus élevée et une meilleure productivité. Il est facile de comprendre pourquoi l'impression 3D béton constitue une alternative intéressante aux méthodes traditionnelles. Par ailleurs, il est moins coûteux de créer des surfaces à double courbure et des géométries organiques. Ce secteur devrait à lui seul atteindre une valeur de plus de 40 millions de dollars d'ici 2027.

L'impression 3D métal (ALM)

L'utilisation du métal dans l'impression 3D permet de créer des formes plus complexes et des éléments fonctionnels grâce à un processus de réchauffement et de refroidissement contrôlé. Dans la plupart des cas, il est utilisé pour concevoir des structures de façade et d'autres assemblages.

Histoire de la construction par impression 3D

Commençons par le tout début, avant que l'on ait même imaginé que l'impression 3D puisse être utilisée dans la construction.

L'impression 3D a débuté dans les années 1980 avec l'invention de la première technologie additive : la stéréolithographie (SLA). La SLA permet de créer des pièces couche par couche, en utilisant un laser puissant pour transformer une résine liquide en produit solide. Sa première application pratique a été de fabriquer rapidement des pièces prototypes avec une grande précision. Au cours des années suivantes, plusieurs nouvelles méthodes ont fait leur apparition, notamment :

Le frittage sélectif par laser (SLS) 

Il s'agit d'un procédé d'impression 3D industriel qui crée des structures en utilisant un laser à haute puissance pour fusionner de petites particules de poudre de polymère en une seule structure solide. Cette technologie fonctionne en traçant couche par couche des modèles CAO découpés numériquement et en les fabriquant à partir de la base. 

La modélisation par dépôt de fil fondu (DDF) 

Il s'agit de la méthode d'extrusion dont nous avons parlé précédemment. Ces imprimantes créent généralement des objets 3D en chauffant un matériau (par exemple, un filament thermoplastique). Ce matériau fond et est ensuite extrudé couche par couche pour former la forme souhaitée. 

La modélisation par dépôt métallique (DMD) 

Cette technologie utilise un laser pour transformer du métal en poudre en un objet métallique solide, couche par couche. 

La technologie de l'impression 3D a évolué, tout comme ses applications. L'une de ses premières utilisations dans le secteur de l'architecture, de l'ingénierie et de la construction (AEC) a été la création de modèles réduits de bâtiments et d'autres structures. Plus tard, alors que le BIM a gagné en intérêt et en importance dans l'industrie, l'impression 3D a suivi cette même évolution. 

Dans les années 90, plusieurs organisations expérimentaient déjà avec la technologie de l'impression 3D pour créer des composants modulaires ou des projets à grande échelle. Ce n'est toutefois que dans les années 2000 que les choses ont vraiment commencé à évoluer dans le domaine de l'impression 3D pour la construction. Voici une chronologie rapide illustrant les principales avancées :

2004 - Construction du premier mur imprimé en 3D

Professor Behrokh Khoshnevis of the University of South Carolina printed an entire wall. His greater goal? To print an entire house! His efforts won him a grand prize of $20.000 from NASA Tech Briefs magazine’s “Create the Future” contest. His entry was aptly named “Robotic Building Construction by Contour Crafting.”

2014 - Construction d'une maison de canal imprimée en 3D

This was the start of a “Research & Design by Doing” project in which an international team of partners got together to work on the ambitious project of printing a full-size canal house in Amsterdam. The goal? To showcase the potential of 3D printed architecture.

2016 - Construction d'un manoir imprimé en 3D

Construit par l'entreprise chinoise HuaShang Tenda, ce manoir  de deux étages et de 400 mètres carrés a été construit en seulement 45 jours. Après avoir placé la charpente, la plomberie et le câblage, ils ont imprimé le reste du bâtiment en utilisant du béton et une imprimante commandée par ordinateur. Le manoir serait capable de résister aux tremblements de terre et est respectueux de l'environnement. Ce projet montre une fois de plus le potentiel de l'impression 3D pour la construction.

2016 - Construction d'un « bureau futuriste » imprimé en 3D

Abritant la Dubai Future Foundation, ce bâtiment de 250 mètres carrés a été construit en 17 jours à l'aide d'une imprimante 3D grande échelle mesurant 11 x 4 x 2 mètres. La réalisation de ce projet fut un véritable tournant dans l'histoire de la construction par impression 3D.

Les années suivantes n'ont montré aucun signe de ralentissement au niveau du développement de l'industrie de la construction par impression 3D. Les structures devenaient de plus en plus grandes, nombreuses et complexes. En début d'année, la ville de Nijmegen a dévoilé ce qu'elle appelle le plus long pont imprimé en 3D au monde - une structure en béton avec une longueur impressionnante de 29 mètres.

2021 a également vu l'achèvement de projets intéressants tels que :

La demande industrielle pour l'impression 3D dans le secteur de la construction va continuer à augmenter. Cette demande est stimulée par une augmentation des exigences en matière de rentabilité, de précision, de reproductibilité, de réduction des déchets et de durabilité. 

Les avantages de l'impression 3D pour la construction 

Voici quelques-uns des avantages de l'impression 3D pour la construction :

Réduction des déchets et augmentation de la rentabilité

Alors que les méthodes de construction conventionnelles nécessitent généralement plus de matériaux que ce qui est réellement nécessaire, l'impression 3D pour la construction utilise la quantité exacte de matériaux dont elle a besoin pour achever la construction. Cela rend le processus de construction plus facile à planifier et beaucoup moins gaspilleur. 

L'automatisation d'une partie du processus permet également d'économiser sur une partie des coûts de main-d'œuvre. 

Un travail plus rapide

Les imprimantes de construction 3D peuvent fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Cette technologie permet de construire des structures dans le monde entier en quelques jours seulement. C'est nettement plus rapide que les méthodes conventionnelles, qui peuvent prendre des mois, voire des années, en fonction de la taille du bâtiment. 

Durabilité

Les structures imprimées en 3D peuvent être réalisées avec des matériaux purement organiques et respectueux de l'environnement. Ces matériaux comprennent le bambou, l'argile et même des produits recyclés qui seraient normalement considérés comme des déchets. De nombreuses imprimantes 3D fonctionnent également à l'énergie solaire, ce qui permet de réduire les émissions de carbone. 

Flexibilité

L'impression 3D pour la construction donne aux architectes la liberté et la flexibilité de créer des modèles complexes qui seraient trop difficiles, trop chers ou trop exigeants en main-d'œuvre pour être réalisés avec des méthodes conventionnelles (par exemple, des murs incurvés et des façades uniques).

Réduction du nombre d'erreurs humaines

En automatisant davantage le processus de construction grâce à l'impression 3D, on pourrait réduire le nombre d'accidents et de décès qui ont lieu avec les méthodes conventionnelles. Elle réduit également le nombre d'erreurs coûteuses qui se produisent en raison d'une erreur humaine. 

Les limites de l'impression 3D pour la construction 

Comme la plupart des nouvelles technologies, l'impression 3D pour la construction présente encore de nombreuses possibilités d'amélioration. Voici quelques-unes des limites actuelles de cette technologie :

  • L'investissement initial peut être coûteux.
  • Cette technologie requiert un ensemble de compétences spécifiques, et les personnes possédant ce savoir-faire sont très en demande.
  • Les structures imprimées en 3D nécessitent toujours un travail manuel au niveau de la plomberie, de la charpente et du câblage.

Il y a encore un manque de réglementation en matière d'impression 3D pour la construction, ce qui fait que cette méthode est parfois bloquée dans les anciennes méthodes de travail. 

L'avenir de l'impression 3D pour la construction

Bien que l'impression 3D pour la construction n'en soit encore qu'à ses débuts, ce ne sera qu'une question de temps avant que les avancées et les réglementations adéquates n'entrent en jeu. Elles permettront à cette technologie de prendre un réel essor. Lorsqu'elle sera utilisée en combinaison avec le BIM, son potentiel dans l'industrie du bâtiment sera infini. 

L'intérêt, la demande et la sensibilisation pour l'impression 3D continueront sans aucun doute à être alimentés par sa capacité à réaliser des projets avec une rapidité accrue, une plus grande durabilité et une réduction des déchets. De nombreuses entreprises ont déjà commencé à expérimenter avec des structures imprimées en 3D à partir de produits comme la boue, le plastique recyclé et le bambou

Le rapport coût-efficacité est également un facteur qui suscite l'intérêt, car nombreux sont ceux qui espèrent que des maisons imprimées en 3D à prix abordable pourront contribuer à résoudre la pénurie de logements. La vitesse et l'efficacité de l'impression 3D pour la construction en font également une solution attrayante pour fournir de l'aide en cas de catastrophe, des abris pour les réfugiés et des infrastructures sociales (par exemple, des écoles) aux personnes dans le besoin.


There’s even been talk of the potential of 3D printed structures in space. In 2019, NASA awarded $2.061.023 to the winners of its 3D-Printed Habitat Challenge. A multi-phase challenge that involved creating a 3D-printed habitat for deep space exploration.

Avec tant de possibilités passionnantes à l'horizon, on peut supposer que la construction par impression 3D jouera un rôle important pour l'avenir de la construction de bâtiments.  

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Auteur :
Keith Cotter
Sales Manager