Dossier paru en août 2018 dans 3D ADEPT MAG, puis mis en ligne en octobre 2020. Les fonctions, projets et perspectives des intervenants reflètent la période de l’entretien. Les compléments éditoriaux précisent la portée des applications.
Le projet Landscape House d’Universe Architecture, annoncé en 2013, a contribué à attirer l’attention sur l’impression 3D dans le bâtiment. En 2018, ce dossier interrogeait les possibilités de cette technologie et les obstacles à son développement.
3D Model Print, XtreeE et Apis Cor partagent leurs expériences : de la maquette architecturale à la production d’éléments de construction. Ces usages répondent à des contraintes différentes.
1. Architecture et Construction : deux secteurs qui font bon ménage ?
« L’architecture se compose de l’ordonnance (ordo), de la disposition (dispositio), de l’eurythmie (eurythmia), de la symétrie (symetria), de la convenance (decor) et de la distribution ou économie (distributio). […] On doit faire ces travaux en tenant compte de la solidité (firmitas), de l’utilité (utilitas) et de la beauté (venustas). » Vitruve, De Architectura, livre I, chap.II, 1 et chap.III, 2.
Ce passage relie esthétique, usage et solidité : la conception architecturale doit les articuler dans un même projet.
Les plans, les modèles numériques et les maquettes permettent de représenter le projet. L’architecture organise les choix de conception ; la construction les met en œuvre avec ses contraintes techniques et de chantier. Les deux activités se complètent.
Architecture et construction : Peut-on parler de deux secteurs qui sont nécessairement complémentaires ?
Paul Mournaud, maquettiste chez 3D Model Print, décrit cette complémentarité :
« L’architecture est un art. Son but est d’imaginer, de réfléchir et de concevoir des édifices, des structures et des bâtiments. Dans ses créations, l’architecte doit avoir une réflexion esthétique, voire philosophique ainsi qu’analyser l’impact social et environnemental.
La construction quant à elle, est un ensemble de mise en œuvre permettant la fabrication de ces édifices, structures et bâtiments. L’architecture pense la construction et la construction a besoin d’une réflexion architecturale. Les deux sont indissociables pour l’élaboration complète d’un projet physique et durable. Il peut y avoir une réflexion architecturale sans construction, mais cela ne reste qu’un concept sur papier, une idée, un dessin, une esquisse. Pour réaliser une construction par contre, il y a nécessairement un peu d’architecture, aussi minime soit-elle, mais on ne peut construire sans réflexion préalable. »
Toutefois, si l’impression 3D est utilisée aussi bien dans l’architecture que la construction, Alban Mallet, Président d’XtreeE, société technologique spécialisée dans l’impression 3D pour la conception architecturale, l’ingénierie et la construction, souligne la nécessité de repenser le lien entre les deux secteurs et l’impression 3D afin d’assurer une bonne cohésion des projets :
« Il faut refaire un lien entre l’architecture et la construction et intégrer encore plus la technologie dans la conception architecturale. L’architecte doit avoir toutes les clés pour intégrer les besoins de l’impression 3D, savoir ce que peut faire l’impression 3D et l’architecte en ayant ces clés pourra faire une conception qui sera adaptée à la technologie. Grâce à ça, il va être beaucoup plus en accord avec le constructeur car il saura comment les choses seront mises en œuvre, la technologie qui sera utilisée et les limitations de celle-ci. »
2. L’impression 3D dans l’architecture
Si l’utilisation de l’impression 3D dans l’architecture peut passer par plusieurs phases de l’élaboration d’un projet, son but premier est de faciliter la compréhension d’un projet. En effet, même s’ils ne s’en rendent pas toujours compte, les schémas des architectes ne se lisent pas aussi facilement qu’un livre et nécessitent une certaine expérience pour se projeter et visualiser une idée 3D à partir d’un schéma 2D.
Paul Mournaud explique que pour fabriquer une pièce architecturale, il faut d’abord connaître le type de fabrication qui sera réalisé : prototype, maquette de concours ou encore une représentation de l’existant.
Le choix de l’échelle, de la machine, des matériaux et des finitions oriente la préparation du modèle numérique. Certains détails doivent être adaptés à la résolution et à la solidité nécessaires. Une maquette facilite la représentation et la discussion du projet ; elle n’est pas nécessairement un prototype constructif à reproduire tel quel. Selon le besoin, une imprimante de bureau ou un système industriel peut être utilisé.
3. L’impression 3D dans la construction
À l’échelle du chantier, l’impression 3D peut produire des éléments ou déposer de la matière directement sur site. Les contraintes portent alors sur le matériau, la structure, les assemblages et les conditions de fabrication.
Les voûtes et les formes complexes illustrent l’importance du savoir-faire constructif. L’impression 3D peut proposer d’autres modes de fabrication pour certaines géométries ; leur stabilité et leur réalisation doivent être étudiées, quel que soit le procédé retenu.
La feuille de route de recherche publiée en 2018 distingue notamment la fabrication de composants et l’impression de murs sur site, chacune imposant ses propres contraintes.
Quels sont les défis de l’impression 3D dans la construction ?
Pour Anna Chenintai, responsable des relations publiques et du marketing chez Apis Cor, société technologique spécialisée dans la construction 3D, les défis peuvent se résumer en 4 principaux points :
« L’impression des bâtiments dans un environnement naturel non contrôlé. Pour concurrencer la construction traditionnelle, l’impression 3D doit être effectuée directement sur le chantier de construction sans nécessité de protection supplémentaire pour le processus d’impression. La solution à ce problème réside non seulement dans la mécanique de l’imprimante, mais aussi dans le domaine des matériaux de construction, c’est-à-dire le développement de matériaux appropriés pour l’impression 3D.
L’imprimante doit être le plus autonome possible et fonctionner “en appuyant sur un seul bouton”. En ce moment, notre imprimante est un outil sophistiqué et elle ne peut être utilisée que par des personnes dûment formées. Cette approche est très difficile à mettre à l’échelle, surtout dans l’industrie de la construction.
L‘impression des surfaces horizontales. Dans l’impression 3D plastique, ce problème est résolu par l’impression des supports. Cependant, une telle méthode dans la construction 3D serait économiquement impraticable, parce qu’il faut réaliser des supports en béton, pas en plastique. L’impression de surfaces horizontales ouvre la possibilité d’imprimer des plafonds et des toits. Notre équipe y travaille et nous présenterons bientôt le premier prototype. Nous avons déjà l’expérience de l’impression de sous-sols, mais la question de l’armature automatique pour fournir la capacité portante requise reste d’actualité pour toutes les structures horizontales.
L’élaboration de normes pour la conception ainsi que l’analyse des structures et des bâtiments imprimés. Les professionnels qui s’occupent maintenant de la conception de bâtiments et de constructions ont besoin d’un cadre réglementaire et des logiciels associés pour calculer les futures structures imprimées faites de différents matériaux. De nos jours, la conception et l’adaptation de projets sous les exigences de l’impression 3D prennent beaucoup de temps dans la construction. »
Précision éditoriale : ces propos décrivent les défis évoqués en 2018. L’impression d’un mur ou d’un élément ne signifie pas qu’un bâtiment entier — fondations, planchers, toiture et équipements compris — est imprimé. Le dimensionnement et la vérification de la structure restent propres au projet.
La maîtrise du matériau, de son écoulement et de sa prise constitue donc un point central du procédé.
Les matériaux qu’on peut utiliser dans l’impression 3D pour la construction
Alban Mallet, met en évidence les points forts et les limites des matériaux qu’il est possible d’utiliser en prenant l’exemple d’XtreeE.
« XtreeE travaille principalement avec du ciment et du béton. C’est un mortier de haute résistance qui permet de faire des structures solides. On travaille aussi avec l’argile et la terre. Ce qui permet de faire des formes qu’on ne peut pas faire avec l’impression 3D béton directement. On peut réaliser des moules complexes, ensuite retirer l’argile et le remettre dans la machine afin de le réutiliser, ce qui est intéressant en termes d’impact environnemental.
Le problème de l’argile est qu’il met trop de temps à sécher et son utilisation nécessite beaucoup de temps en termes de fabrication. Des efforts de travail doivent être fournis sur l’argile afin d’avoir des temps de fabrication plus courts.
On travaille aussi avec des polymères : PE, PEHD, polyéthylène… très différents de l’argile et du béton mais qui présentent aussi des avantages et des inconvénients. En termes d’avantages, ils sont faciles à mettre en œuvre, peuvent faire des formes qu’on ne peut pas faire en argile ou en béton car ça sèche très vite. Par contre, en termes d’empreintes environnementales, ce n’est pas toujours judicieux d’utiliser le plastique et c’est important de trouver à quel endroit on va le mettre.
En termes de recherche et de développement, nous analysons la possibilité d’utiliser les aciers et les métaux. »
Précision de vocabulaire : PE désigne le polyéthylène et PEHD sa forme haute densité. Pour un thermoplastique extrudé, la solidification se fait par refroidissement, à distinguer du séchage de l’argile et de la prise d’un matériau cimentaire.
Quels sont les paramètres à prendre en compte dans le développement des matériaux ?
Ces matériaux étant définis, il reste important de savoir les paramètres à prendre en compte dans la recherche et le développement de nouveaux matériaux. Sergey Nefedov, chef du département du développement technologique chez Apis Cor prend en compte 3 paramètres dans le développement des matériaux pour l’impression 3D :
« La rhéologie. De celle-ci dépendent la mobilité, la préservation de la mobilité initiale, la durée de vie du mortier et le moment de sa prise. Ces paramètres sont déterminés par la conception de l’imprimante 3D et la longueur de l’impression d’alignement.
Les caractéristiques physiques et mécaniques qui sont définies pour un projet spécifique en fonction de la nécessité de fournir la capacité portante des structures murales et les caractéristiques géologiques de la région.
Les paramètres techniques et économiques. Puisque notre but ultime est de fournir des logements abordables au plus grand nombre de personnes possible, nous avons l’intention de développer un mélange basé sur les matières premières locales avec un coût minimum qui permet d’atteindre les caractéristiques rhéologiques et physiques. » De son côté, Apis Cor travaille aussi avec des géopolymères et a développé une gamme de matériaux à base de matières premières minérales. Sergey Nefedov précise cependant que ces matériaux « nécessitent une installation matérielle. D’autres tels que le géopolymère, nécessitent des changements dans le système de mélange. En ce moment, nous voyons d’énormes opportunités pour l’utilisation de n’importe quel matériau pour l’impression 3D, mais nous pensons que pour les utiliser, il faut améliorer l’équipement. Pour l’instant, la seule limite pour nous est la granulométrie de la charge. Bien que nous ne travaillons qu’avec des matériaux de remplissage dont la granulométrie maximale ne dépasse pas 5 mm, nous continuons à travailler sur l’élimination de toute restriction d’utilisation de différents matériaux. »
4. Qu’en est-il des perspectives de développement ?
Dans les applications évoquées, l’impression 3D offre des possibilités de géométrie et d’automatisation. Leur intérêt doit être comparé aux autres méthodes de fabrication pour le projet concerné.
Les intervenants y voient une voie possible vers une production plus industrialisée de certains éléments de construction.
Cette approche associe matériaux, architecture, ingénierie, recherche et outils numériques, dont le BIM. Elle demande une coordination entre les métiers.
D’un point de vue environnemental, Sergey Nefedov précise que l’utilisation de l’impression 3D dans la construction va « réduire de manière significative la quantité de déchets de construction. Grâce à la précision de la machine, il sera possible de construire les murs une fois dans la forme désirée sans utiliser d’excès de matériau. Il ne sera pas non plus nécessaire de couper les éléments de la pièce et d’effectuer un traitement supplémentaire des murs. »
Précision éditoriale : la réduction de déchets est un bénéfice potentiel à mesurer. Elle ne suffit pas à établir le bilan environnemental d’un ouvrage, qui dépend aussi des formulations, des quantités de matière, de l’énergie, du transport et de la durée de vie.
Toutefois, si certains envisagent l’utilisation de l’impression 3D dans la construction en prenant en compte le milieu social ou la géographie, la technologie n’est pas encore mature dans ce secteur et nécessite beaucoup d’investissements et d’essais pour pouvoir être utilisée en masse. Comme Anna Chenintai l’affirme, « chaque nouvelle technologie est toujours chère au début de son chemin. [Il faut encore beaucoup de ressources pour la mettre efficacement en œuvre]. »
Avantages et points d’attention de l’utilisation de l’impression 3D dans les deux secteurs
| Usage ou enjeu | Possibilité évoquée | Condition ou point d’attention |
|---|---|---|
| Compréhension du projet | Rendre les volumes et les espaces plus lisibles | Coordonner la représentation architecturale et les contraintes de construction |
| Maquette | Présenter la forme et l’esthétique | Adapter échelle, détails et finitions |
| Géométries complexes | Explorer d’autres formes et procédés de réalisation | Étudier faisabilité, stabilité et coûts |
| Contexte local | Adapter des solutions au site et aux ressources | Qualifier les formulations et investir en R&D |
| Environnement | Réduire certains déchets et consommations de matière | Comparer le cycle de vie complet, sans présumer un bénéfice |
| Organisation du chantier | Automatiser certaines tâches et réduire certains délais | Prévoir personnel qualifié, formation et opérations non imprimées |
Conclusion
La maquette imprimée aide à communiquer un projet, mais impose ses propres choix de résolution, d’échelle et de finition. La fabrication d’éléments destinés à un ouvrage ajoute des exigences de structure, de durabilité et d’intégration au chantier.
Le dossier de 2018 soulève ainsi une question toujours utile pour évaluer un projet : quels gains sont démontrés, pour quelles opérations et à quel coût total ? L’accès au logement ne peut être déduit du seul temps d’impression d’un mur ; il dépend de l’ensemble de la réalisation.
Ce dossier a d’abord été publié pour la première fois dans le numéro d’août de 3D ADEPT Mag (2018).
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