Architecture Technique Robotique

L’impression 3 D gagne le chantier

La révolution numérique débarque sur les chantiers. L’organisation des entreprises risque d’en être modifiée. Etat des lieux.

Stade avancé de la robotisation, l’impression en trois dimensions (3D) pourrait rapidement révolutionner les chantiers de BTP. Interrogées, la plupart des grandes entreprises générales comme Eiffage, Vinci GTM ou Spie Batignolles confient s’y intéresser. Mais Rabot Dutilleul et Bouy-gues sont aujourd’hui parmi les plus actifs sur ce qui pourrait transformer radicalement l’acte de construire. Un premier appel d’offres a déjà été lancé en juillet 2015 par la région Nord – Pas-de-Calais. Il concerne une construction ouverte à usage de garage à vélos de 70 à 100 m², sur le campus universitaire de Villeneuve-d’Ascq (Nord).

Le gros œuvre in situ par impression 3D.

Le chantier sera conduit « par l’application de techniques de construction additive faisant suite à un partenariat d’innovation », précise l’avis n° 15-106635 d’appel public à la concurrence (www.boamp.fr/avis/pdf/15-106635). Pratiquement, le gros œuvre sera réalisé in situ par impression 3D – ou dépôt successif de couches de matériau – depuis un injecteur piloté numériquement, comme le font déjà les petites imprimantes commercialisées aujourd’hui pour réaliser des maquettes réduites en résine. Le choix de ce test réel à l’échelle 1 sur un garage à vélos se justifie par l’absence de réglementation thermique ou structurelle pour ce type de bâtiment léger et peu contraignant.

Deux soumissionnaires ont répondu positivement en respectant le cahier des charges : Rabot Dutilleul d’un côté, associé à la start‑up Constructions-3D ; de l‘autre, Bouygues Bâtiment Nord‑Est (nouvelle appellation de Norpac et Pertuy Construction). Les deux offres dépassant le cadre budgétaire prévu par le conseil régional, le projet est pour le moment suspendu. Mais la région vient de confirmer qu’elle poursuivra la démarche engagée. Elle finance déjà, à hauteur de 750 000 euros, le programme Matrice pour le développement d’une imprimante 3D au service du bâtiment, un programme piloté par l’Ecole des mines de Douai, avec l’Ecole nationale supérieure d’architecture et de paysage de Lille et plusieurs laboratoires de recherche locaux, dont ceux de Bouygues. En parallèle, les ingénieurs de Rabot Dutilleul planchent sur un autre projet d’impression, un atelier privé cette fois, avec des matériaux issus du recyclage.

Un concept copié, repris et transformé.

L’idée date du début des années 2010 et une douzaine de solutions sont déjà en cours d’expérimentation, à l’étranger comme en France. Deux voies sont possibles. La première consiste à imprimer la construction en un seul bloc, sur le chantier. La seconde vise à imprimer des éléments, en atelier ou sur le chantier, qui seront ensuite assemblés.
L’américain Contour Crafting, qui est à l’origine du concept, se prépare déjà à commercialiser un système de portique roulant. Il a été mis au point par le professeur Behrokh Khoshnevis et ses étudiants dans les laboratoires de la University of Southern California. Idée rapidement copiée par le chinois Winsun ou le slovène BetAbram pour préfabriquer des murs, des dalles ou des fermes en béton. La préfabrication – en plastique, cette fois – est aussi exploitée par les Hollandais Dus Architects. En France, Constructions-3D propose quant à elle d’installer un robot au centre du chantier, alors que XtreeE, avec le cimentier Lafarge, se spécialise dans l’impression de murs aux formes très évoluées. Les travaux publics, enfin, ne sont pas écartés, puisque le Hollandais MX3D se prépare à imprimer un véritable pont, doté d’une structure métallique rigide.
Le challenge consiste d’abord à mettre au point un matériau malléable, solide et qui sèche en moins de 30 secondes. Béton, métal, plastique, bois ou composants issus du recyclage sont mélangés à des additifs plus ou moins secrets. Le stade ultime, et le plus économe, est de prélever ces matériaux à proximité immédiate du chantier. Pour autant, le matériau unique injecté, à prise rapide, ne remplacera pas du jour au lendemain le béton armé ou la brique creuse. Il reste donc cantonné à des petits projets. Côté technique, toutes les solutions apportent une autonomie et une liberté dans la réalisation de formes complexes. C’est un autre atout de l’impression 3D. Pour la réalisation d’ouvrages compliqués ou novateurs, la révolution devrait donc se faire à très court terme. Mais aucune entreprise générale n’envisage encore la construction de maisons individuelles standard. Même si le préfabriqué ou la construction modulaire présentent des difficultés – l’acheminement, par exemple -, ces technologies restent aujourd’hui très rentables pour construire vite et bien.

Le grutier deviendra imprimeur.

La question principale est alors de savoir où sera installée l’imprimante. Si elle est en usine, il n’y a pas vraiment de rupture par rapport à la préfabrication. En revanche, si elle est sur le chantier, ce sera une véritable rupture dans l’organisation des modes constructifs et des métiers du BTP. Antoine Rocco, directeur général adjoint de Rabot Dutilleul, le confirme : l’impression 3D révolutionnera autant les métiers du gros œuvre que du second œuvre. « D’ici à dix ans, la combinaison entre robotisation et nouveaux matériaux va changer le visage des artisans », affirme-t-il. Il en veut pour preuve la possibilité actuelle, pour un plombier, d’imprimer des canalisations en PVC, sans montage, au fur et à mesure des besoins. Ou encore, d’imprimer du métal et du béton, pour constituer des prémurs qui intègrent déjà les gaines électriques.
Nul doute, alors, que le nombre d’intervenants sur le chantier va se réduire. Les qualifications et les rôles vont évoluer. Le grutier deviendra imprimeur. Le coffreur-bancheur supervisera l’injection, au lieu de mettre en place des moules coûteux pour les pièces complexes ou uniques. A plus long terme, certains prospectivistes évoquent le « bâtiment 4.0 » avec, par exemple, la possibilité, pour un particulier ou un maître d’ouvrage, de réaliser une maison uniquement avec des robots. Comme on crée ses propres objets avec des imprimantes, sans passer par l’industrie traditionnelle. Rabot Dutilleul et Bouygues suivent de près ces évolutions. Même si l’impression de bâtiments reste encore complexe, une chose est sûre : elle sortira bientôt des laboratoires. Les prototypes actuels en attestent. 

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Ouvrage d’art - Un pont fondu à partir d’un fil d’acier

Ce n’est pas un pont, mais une passerelle piétonne d’une douzaine de mètres en une seule portée, que MX3D annonce vouloir imprimer. Le chantier, initialement prévu pour être lancé en extérieur dès septembre 2015, n’a pas encore commencé. Autodesk, Air Liquide et Arcelor Mittal sont partenaires du projet. On sait aujourd’hui que la structure sera réalisée dans le laboratoire de l’entreprise, puis posée sur l’Oudezijds Achterburg-wal, un canal central bien connu des habitants d’Amsterdam. « En fonction des impératifs de la ville et de notre planning, nous espérons terminer l’ouvrage fin 2017 », prévoit Tim Geurtjens, directeur technique de MX3D.
Le système d’impression mobile fonctionne à partir d’un bras robotisé à six degrés de liberté qui ajoute par soudage à haute température du métal fondu, créant ainsi des torsades de diamètre variable aux formes simples ou complexes. L’alimentation est assurée par une bobine de fil d’acier inoxydable, mais les tests sont aussi concluants avec l’aluminium, le bronze ou des résines à deux composants.
Le processus est piloté par un logiciel développé par MX3D avec l’application Dynamo de modélisation des géométries complexes d’Autodesk.
« La difficulté est de devoir gérer de gigantesques bases de données, soulève Tim Geurtjens, ce qui nécessite de grosses capacités de calcul et a une incidence sur le temps d’impression ». Il estime que le procédé pourrait servir à édifier des ouvrages métalliques plus importants, « mais seule l’expérience nous permettra de trouver d’autres applications dans le bâtiment et les travaux publics ».

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« De nombreuses incertitudes restent à lever »

Actuellement, nous imaginons utiliser sur les chantiers des machines à commande numérique, qui injectent immédiatement le béton ou assemblent directement des éléments préconstruits. L’impression de bâtiments en 3D est l’une de ces solutions. Mais il y en a d’autres, comme la préfabrication d’éléments en béton en usine, ou sur le chantier lui-même.
Voilà pourquoi l’impression n’est qu’une étape supplémentaire dans la recherche de processus optimisés. Il n’est pas certain qu’elle fasse gagner du temps et garantisse des économies. La préfabrication reste aujourd’hui compétitive, éprouvée et performante.
L’impression autorise en revanche, à court terme, de gagner du temps et de la souplesse de réalisation pour des formes complexes, afin de répondre aux demandes de nos clients. Mais il reste encore de nombreuses incertitudes à lever, comme la pérennité de l’ouvrage, sa résistance, ses qualités thermiques ou phoniques.

Bruno Linéatte, directeur R & D et Innovation de Bouygues Entreprises France Europe (Befe).

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Modules préfabriqués - Une vraie maison en bioplastique

Assembler une maison avec des briques en plastique : c’est l’idée originale de Dus Architectes. Lancé il y a un an et demi, l’ouvrage test, baptisé 3D Print Canal House – car implanté au bord d’un canal d’Amsterdam – devrait être terminé mi-2017. Les architectes ont décomposé la structure en treize éléments. Chacun est fondu, couche par couche, à l’aide d’une gigantesque imprimante de 6 m de haut, baptisée Kamermaker, qui fonctionne comme les petites imprimantes du marché. Le matériau de base est constitué de billes de bioplastique extraites d’huile de colza. Les briques, creuses et légères, sortent avec une couleur blanc-doré. Elles peuvent aussi être colorées en noir, par l’ajout de quelques granules de biocolorant lors de l’impression. Leur géométrie en nid-d’abeilles leur confère une grande résistance pour la portance de l’ouvrage. Puis les éléments sont assemblés tels quels, mais une meilleure rigidité pourra être assurée en les utilisant ainsi comme banches perdues, en coulant du béton dans les interstices. « Notre ambition n’est pas de réaliser une construction à bas prix, assure Tosja Backer, community manager du projet chez Dus, mais de créer de nouveaux types de bâtiments, originaux et uniques, sans surcoût, tout au moins à un prix raisonnable ». Le procédé a été mis en œuvre pour cloisonner les bureaux du bâtiment de la présidence de l’Union européenne, assurée par les Pays-Bas au premier semestre 2016.

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Béton - Vite et pas cher, mais à quel prix ?

C’est la performance dont tout le monde parle. En mars 2014, l’entreprise shangaïenne Winsun Decoration Design Engineering revendiquait la production en béton de dix maisons de 200 m² en 24 h, pour moins de 3 500 euros l’unité. En janvier 2015, Ma Yi He, président de Winsun, récidivait en annonçant l’impression d’une résidence de cinq étages et d’une villa de 1 100 m². Et il y a quelques mois, il projetait d’édifier un ensemble de bureaux à Dubaï. Info ou intox ? Winsun a copié le modèle de l’américain Contour Crafting. Son portique de 6,6 m de haut, 10 m de large et 150 m de long est installé dans une usine qui produit à la chaîne des murs, des dalles et des fermes par couches additives. Ces composants sont ensuite transportés et assemblés sur le chantier, comme dans la préfabrication classique. Winsun utilise un béton dont la composition est jalousement gardée secrète. On sait juste qu’elle associe des déchets de construction et de mine, mélangés à du ciment et à des fibres. Mais, selon plusieurs sources d’information concordantes, de l’amiante serait aussi ajouté pour assurer la coulabilité et la rigidité du mélange. Une information qui a rebuté plusieurs entreprises…

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Béton in situ - Un portique ou un bras télescopique pour construire sur place

Des solutions, plus novatrices que la préfabrication, ciblent l’impression du bâtiment directement sur le chantier. A la base, Contour Crafting et Constructions-3D utilisent le même système d’injection du béton depuis une buse, et par couches successives. Ce qui autorise des formes complexes. L’un et l’autre installent leur imprimante sur le chantier. Cette dernière réalisera automatiquement l’élévation des murs de bas en haut, laissant des réserves pour les portes et les fenêtres, ou les passages de fluides, selon un système programmé de coulage du béton par couches. Seule différence : alors que le premier suspend l’injecteur sur un portique motorisé de grande hauteur qui se déplace, le second l’installe sur un bras télescopique tournant, porté par un minirobot, placé au centre du chantier.
Pour Bruno Linéatte, directeur R & D et Innovation de Bouy-gues Entreprises France Europe, la solution de Contour Crafting est intéressante. « Mais on n’est pas très loin de la construction d’un bâtiment de grande hauteur, avec un système de coffrage glissant ou grimpant. La nouveauté, c’est d’intégrer ces techniques dans une chaîne numérisée, pour des ouvrages plus petits. » De même, la technique du bras articulé de Constructions‑3D permet de réaliser des formes encore plus complexes. « Mais, que l’injecteur soit porté par un portique ou un robot motorisé central, le processus reste le même ».
Antoine Motte, cogérant de la société Machines-3D (propriétaire de Constructions-3D), estime sa solution par robot plus légère, et donc moins prégnante notamment pour réaliser de petits ouvrages. Cet ingénieur du BTP, ancien de Vinci et de Bouygues, s’est associé au designer belge Gaël Collaro pour proposer des habitations économiques, aux formes nouvelles. Ils ont déjà testé avec succès un robot doté d’un bras de 2 m. La prochaine version atteindra au moins 10 m, soit 20 m de portée. « Mais avant de passer au stade industriel, il faut travailler la programmation du système ; entre autres, ralentir l’injection au passage dans les angles, ou supprimer les risques de porte-à-faux ».
Ces deux entreprises envisagent par ailleurs d’utiliser un matériau prélevé sur place : granulats, roche concassée, terre ou déchets recyclés. Reste à mettre au point le bon liant, comme le font déjà, pour du sable, les Anglais Concrete Printing ou Monolite UK/D-Shape. Fort de son expérience, Contour Crafting a mis au point pour la Nasa une version lunaire ou martienne de son imprimante, afin de construire des bases sur ces planètes sans importer les matériaux. L’agence spatiale européenne vise le même objectif, avec l’architecte Norman Foster et Monolite UK.

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