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Les maisons imprimées 3D seront-elles l'habitat de demain ?

architecture impression 3D
Les maisons en béton imprimées en 3D poussent comme des champignons. A la pointe de l'innovation, et au croisement de l’architecture, de la robotique et de la science des matériaux, c’est le projet Milestone, porté par l’Université de Technologie d’Eindhoven aux Pays-Bas et quatre acteurs supplémentaires dont le groupe français Saint Gobain qui fait l'actualité du secteur. Les premières maisons habitables en béton imprimée en 3D vont bientôt voir le jour dans la ville néerlandaise d'Eindhoven.
 
Dans la ville d'Eindhoven, la réalisation de la première des cinq maisons en béton imprimées en 3D commencera cette année. La municipalité d'Eindhoven, l'Université de technologie d'Eindhoven, l'entrepreneur Van Wijnen, le gestionnaire immobilier Vesteda, l'entreprise de matériaux Saint Gobain-Weber Beamix et la société d'ingénierie Witteveen+Bos sont les partenaires du projet.
 
Le projet sera réalisé dans la zone d'expansion de la ville d'Eindhoven, Meerhoven, au cours des cinq prochaines années. Les maisons seront destinées au marché de la location et la première maison, qui sera de plain-pied, devrait être prête à être occupée au cours du premier semestre 2019. Les quatre autres seront des maisons à plusieurs étages. Les structures en béton seront soumises à toutes les exigences habituelles du secteur, aux certifications nécessaires, et répondront aux besoins des occupants en matière de confort, d’agencement, de qualité et de prix. Les maisons ont été conçues par les architectes Houben et Van Mierlo, qui ont imaginé des structures originales. Les formes arrondies et asymétriques des maisons seront réalisées grâce à l’impression 3D béton qui offre la capacité de construire presque n'importe quelle forme. La conception vise un haut niveau de qualité et de durabilité. Par exemple, les maisons ne seront pas raccordées au gaz naturel, ce qui est assez rare aux Pays-Bas.
 
Impression 3D béton
 
Au cours du projet, des recherches sur l'impression sur béton seront effectuées pour de nouvelles innovations. En imprimant cinq maisons à la suite, les différents partenaires pourront apprendre de leurs erreurs au fur et à mesure du processus d’impression et l’améliorer si besoin. Les équipes du projet expliquent que les premiers éléments de la maison seront imprimés en 3D sur le campus de l’université, le but étant de déplacer l’ensemble des travaux de construction directement sur le chantier. La cinquième et dernière maison devrait en effet être imprimée en 3D sur place.
 
 
Imprimante Université de technologie Eindhoven
 
Eindhoven est un site reconnu pour l'impression 3D sur béton, grâce au groupe de recherche du professeur de technologie, Theo Salet, et son imprimante à béton. Le groupe a d’ailleurs déjà réalisé en 2017 le premier pont en béton imprimé en 3D pour cyclistes du pays, dans le village de Gemert, à une centaine de kilomètres de la capitale. Composé de 800 couches de béton, le pont de 8 mètres de long et de 3,5 mètres de large relie ainsi deux routes et peut supporter jusqu’à 5 tonnes.
 
 
 

Réinventer les limites de la construction

L'impression 3D du béton pourrait bien changer la donne dans l'industrie du bâtiment. Le procédé présente de multiples avantages : une économie de matière (60 %) par rapport à une construction traditionnelle et, par conséquent, moins de déchets, réduisant ainsi l’empreinte carbone élevée du ciment ; un gain de temps considérable puisque la durée du gros œuvre se trouve divisée par deux ou par trois et que le temps de séchage est fortement réduit ; moins de nuisances sur le chantier, ainsi qu’une pénibilité moindre pour les compagnons et moins de risques d’accidents. D’après Contour Crafting (Université de South California), le procédé de fabrication additive permettrait de réduire de 75 % les émissions de CO2 et de 50 % l’énergie grise (dépense énergétique totale évaluée en kWh/tonne, pour l’élaboration d’un matériau, tout au long de son cycle de vie, de son extraction à son recyclage en passant par sa transformation) par rapport aux techniques traditionnelles. En effet, la fabrication additive offre la possibilité de n’utiliser que les matériaux strictement nécessaires au déroulement du chantier, limitant ainsi le gaspillage, les frais de transport ou encore la matière première.
 
Cette révolution architecturale offre de nouvelles opportunités en termes d’usages et de design afin d’enrichir la valeur esthétique et de confort des bâtiments à des coûts abordables. Outre la possibilité de construire presque n'importe quelle forme, parfois plus complexes qui n’auraient pas été possible d’obtenir avec des méthodes de fabrication traditionnelles, il permet également aux architectes de concevoir des structures en béton très fines. Une autre nouvelle possibilité est d'imprimer toutes sortes, qualités et couleurs de béton, le tout dans un seul produit. Ceci permet l'intégration de toutes sortes de fonctions dans un seul et même élément de construction. En outre, il devient facile d'incorporer des souhaits individuels pour chaque maison, avec un minimum de frais supplémentaires.
 

Un marché en pleine expansion

L’impression 3D s’utilise de plus en plus le secteur de la construction. Fin 2014, le marché mondial de la fabrication additive était évalué à plus de 4 milliards de dollars en valeur par les cabinets Wohlers Associates et AT Kearney, montant qui ne prend pas en compte les investissements réalisés par les industriels, probablement cachés ou en cours. Les prévisions en ce qui concerne la croissance de la fabrication additive à l’horizon 2020 varient grandement selon les sources et oscillent entre 11,7 et 21,2 milliards de dollars. En parallèle, le cabinet d’études Canalys ou la société américaine International Data Corporation envisagent des accélérations beaucoup plus marquées avec un marché en valeur estimé à 16 et 21 milliards de dollars respectivement dès 2018. Et selon la société américaine d’études de marché, MarketsandMarket, le marché de la construction 3D pourrait générer un chiffre d’affaires de 56,4 millions de dollars, d’ici 2021. 
 
Pavillon en béton d'XtreeE
 
Déjà en 2016, la startup parisienne XtreeE, issue du projet universitaire Démocrite CNAM/ENSAPM/INRIA, lié à la fabrication additive à grande échelle, présentait son « pavillon » en béton, en forme de coquillage, entièrement imprimé en 3D. Un prototype réalisé avec le 3DExperiencelab, l’accélérateur de startup de Dassault Systèmes, conçu via les logiciels de conception 3D et de simulation de l’éditeur. 
 
DFAB House à Dübendorf
 
En Suisse, également, l’EPF de Zurich, en collaboration avec le NEST et le Laboratoire d’architecture et de technologies durables (Empa), sont en train de construire un bâtiment entier à Dübendorf grâce à l’impression 3D. Connu sous le nom de DFAB House, le chantier a commencé fin 2016 et devrait se terminer en automne 2018. Trois étages de 200 m2 sont prévus.
 
Mais aussi en France, à Reims dans l’écoquartier Rema’Vert où cinq maisons individuelles devraient commencer à sortir de terre, ou encore à Nantes où en septembre 2017 la première maison d’habitat social a été imprimée en 3D avec le procédé Bâtiprint3D, développé par l'Université de Nantes pour Nantes Métropole Habitat et sera habitable avant cet été.
 
MarketsandMarket cite quelques acteurs majeurs du marché. En Europe, Skansa, un géant suédois du BTP dont la technologie d’impression 3D béton devrait être disponible d’ici un an, l’Italien WASP et sa Big Delta, les français Construction 3D et XtreeE.
Dans le monde, le chinois Winsun Global, célèbre pour ses villas et ses bureaux imprimés en 3D, le cabinet néerlandais DUS Architects et son imprimante 3D KamerMaker ou encore le britannique Fosters+Partners et son projet de base lunaire avec l’ESA : Foster + Partners a conçu une coque porteuse « caténaire » en forme de dôme avec une paroi constituée de cellules afin d’assurer la protection contre les micrométéorites et les rayonnements cosmiques. Celle-ci abrite une structure gonflable qui sert d’habitat pour les astronautes. Une structure à cellules fermées – similaire à celle des os d’oiseaux - offre une combinaison performante de résistance et de masse.
 
Projet spatial de base lunaire habitable construite par une imprimante 3D 
 
Aux USA, le projet de Behrokh Khoshnevis, directeur du Craft (Center for Rapid Automated Fabrication Technologies) à l’Université de Californie du Sud et inventeur de la technologie d’impression 3D à très grande échelle Contour Crafting (CC), qui promet d'imprimer une maison en 24 heures, soutenu par les deux géants de la construction Caterpillar et USG.
 
Projet Contour Crafting
 
Le rapport prédit l’arrivée d’autres entreprises majeures de la construction sur ce marché telles que la multinationale suisse LafargeHolcim et les britanniques Carillion PLC et Kier Group.
 

Révolution de la fabrication additive béton

L’Institut d’Architecture Avancée de Catalogne (IAAC) cherche aujourd’hui à développer les technologies 3D dans le secteur de l’architecture afin de réaliser des projets plus innovants plus facilement. Centre de recherche et d’éducation, il a pour mission d’imaginer le futur habitat de notre société et de le construire dès maintenant. Pour ce faire, il a notamment recours aux technologies 3D et développe de nombreux projets avec un objectif : amener l’impression 3D sur site et démocratiser son usage dans le secteur architectural. L’institut, fondé suite à l’émergence des nouvelles technologies numériques et de l’information afin de préparer les “change makers”, ces professionnels capables de créer, d’inventer des processus et espaces plus adaptés à l’environnement, plus interactifs avec ses utilisateurs et plus influents par rapport aux défis sociaux et économiques.
Dans une interview au site 3dnatives.com, l’Institut explique : « Nous étudions l’impression 3D de bâtiments et structures durables avec des matériaux 100% naturels, comme de la terre brute (argile non cuite) ou bioplastiques provenant de déchets urbains organiques. La terre brute, associée avec un design personnalisé, permet la création de « habitats passifs » qui peuvent être chauffés ou refroidis avec une demande très basse en énergie. Les bioplastiques ont un potentiel important en tant que nouveaux matériaux contribuant à la réutilisation, au recyclage et à l’économie circulaire dans nos villes. Nous travaillons aussi sur l’impression 3D de composés de graphène – qui est considéré comme le matériau du futur – pour créer des éléments architecturaux avec une intelligence intégrée dans la matière. Ces composés peuvent générer de l’énergie, la stocker et la distribuer en suivant des données en temps réel et sans l’aide de câbles ou prises. Cela pourrait être une avancée très importante afin que les bâtiments du futur puissent s’échanger de l’énergie et des données et ainsi mieux se synchroniser avec les habitants et l’environnement. »
 
Pourra-t-on ainsi répondre au défi de la croissance démographique et faire face à l’augmentation de la demande d’habitation en facilitant des constructions plus rapides, personnalisées, plus écologiques et économes ?
 
 
 
Pour aller plus loin :
 
- Dossier thématique "L’impression 3D - La révolution du secteur du BTP" de Ouest Valorisation - Septembre 2017
- Livre "Le BIM éclairé par la recherche - Modélisation, collaboration & ingénierie" sous la direction de Sylvain Riss, Aurélie Talon et Régine Teulier - Edition Eyrolles, Juin 2017.

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