Éléments de construction légers et isolants fabriqués à l'aide d'une imprimante 3D

Dans le hall principal du laboratoire de recherche et de robotique Arch Tec Lab, sur le campus de Hönggerberg, plusieurs bras robotiques sont suspendus au toit, tandis que des structures courbes à moitié terminées de couleur beige, rappelant des sculptures de sable, sont disséminées sur le sol. D'un côté de la pièce, des pièces mystérieuses dépassent de caisses en bois.

Patrick Bedarf se tient devant l'une de ces caisses. Il travaille dans le groupe Digital Building Technologies du professeur Benjamin Dillenburger et a terminé son doctorat à la fin du mois de septembre. Dans le cadre de sa thèse de doctorat, il a étudié la manière dont les éléments de construction isolants légers - en particulier les formes plus complexes - pouvaient être fabriqués en réduisant les matériaux. Pour ce faire, il a utilisé un matériau d'isolation durable produit par FenX, une spin-off de l'ETH , à partir de déchets industriels recyclés. «La mousse minérale que nous utilisons est un matériau de construction innovant qui contribue à une industrie plus respectueuse du climat», explique Patrick Bedarf.

La mousse est principalement fabriquée à partir de cendres volantes, un déchet des hauts fourneaux industriels. «Ce matériau est donc déjà passé par le premier cycle et peut être simplement recyclé après utilisation», explique Patrick Bedarf en froissant entre ses doigts le composant aléatoire qu'il vient de sortir de la caisse en bois. «Le matériau peut maintenant être réutilisé sous la forme d'une nouvelle mousse.

Moins de matériel utilisé

La production d'éléments muraux isolants est un processus durable : le chercheur doctorant utilise l'impression 3D pour réduire le gaspillage de matériaux et les émissions de CO₂ . «Le coffrage nécessaire pour couler le matériau n'est plus nécessaire. Les coffrages prennent beaucoup de temps et ne peuvent être réutilisés que partiellement par la suite», explique Patrick Bedarf. Le gaspillage excessif est un défi particulier lors de la production de formes géométriques plus complexes.

Patrick Bedarf explique que la combinaison de l'impression 3D et de la robotique permet également de produire à peu de frais des éléments de construction sur mesure. «Sans automatisation, les méthodes de construction traditionnelles qui économisent les matériaux sont très longues et coûteuses, notamment en raison du coût de la main-d'œuvre.»

Le chercheur montre quelques échantillons initiaux de la mousse durcie produite à l'aide d'une imprimante 3D. «Prenez cette pièce, par exemple, qui ressemble à une pizza», dit-il en montrant un disque plat. «Nous avons d'abord imprimé plusieurs types différents de ces petites pizzas, puis nous sommes passés à des pièces plus grandes pour voir si la mousse produite par impression 3D convient également à des applications à grande échelle.

Une imprimante 3D de la taille de la pièce

Si vous cherchez une imprimante 3D typique dans le laboratoire de robotique, vous chercherez en vain : la salle entière fonctionne comme une imprimante 3D. Des chambres de mélange flexibles assurent le mélange correct des matières premières. Les extrémités des bras robotiques suspendus au toit sont équipées de têtes d'impression qui appliquent le matériau couche par couche sur le lit d'impression. «Les robots peuvent naviguer avec précision jusqu'à chaque point prédéfini de la pièce», explique Patrick Bedarf. «Nous programmons la trajectoire correspondante et spécifions où ils se déplacent et à quelle vitesse, ainsi que la quantité de matériau qui doit s'écouler de la tête d'impression, à quel moment et à quel endroit.»

Lors des premiers essais, Patrick Bedarf a utilisé du béton pour renforcer les éléments de construction sur mesure. Il a ensuite réussi à produire des éléments robustes en utilisant uniquement de la mousse, comme le montre le prototype du projet Airlement : une colonne d'angle monolithique de deux mètres de haut composée de quatre segments imprimés en 3D. Les quatre éléments sont assemblés avec du mortier, puis recouverts d'un enduit blanc sans ciment.

Les Airlements - un jeu de mots combinant air et éléments - se composent de pièces individuelles légères, faciles à soulever manuellement et à empiler les unes sur les autres. «Les éléments de construction peuvent être simplement imprimés en usine, transportés sur le chantier et placés à l'endroit voulu», explique Patrick Bedarf. «Pour rendre l'élément plus robuste, le noyau creux peut être moulé avec de la mousse minérale de haute densité, ce qui le rendra suffisamment solide pour servir de structure porteuse. À ce jour, les Airlements ne peuvent être utilisés que comme éléments isolants pour les murs intérieurs ou extérieurs.

Comme dans un sauna

Chaque prototype est imprimé en moins d'une heure et durci pendant une semaine dans l'environnement de fabrication, à une température contrôlée de 20 à 28 °C et une humidité relative de 20 à 70%. La régulation de l'humidité et de la température de l'air est importante pour garantir que le matériau durcit correctement et n'est pas susceptible de se fracturer.

Pour ce faire, Patrick Bedarf a mis au point une chambre climatique spéciale : une grande structure transparente en forme de tente à l'intérieur de laquelle le robot se déplace le long de la trajectoire d'impression prédéfinie. «Il y avait de la brume et de la poussière partout, c'était comme dans un sauna chaud», explique-t-il, en précisant que cette nouvelle méthode de production ne nécessite plus de traitement énergivore. «Il s'agit d'une avancée par rapport aux travaux antérieurs sur les mousses sans ciment, qui devaient être durcies avec du ciment ou en les faisant durcir à haute température dans un four par la suite.» La texture ondulée des éléments aériens leur confère une stabilité supplémentaire pendant le processus de durcissement et dans leur état final.

Les Airlements pourraient éventuellement être utilisés dans la construction durable : d'une part, les matériaux d'isolation réduisent la consommation d'énergie du bâtiment. D'autre part, l'impression 3D produit moins de déchets que les méthodes traditionnelles de fabrication des éléments de construction et le coffrage en béton - qui est dommageable pour l'environnement - n'est plus nécessaire. Enfin, les Airlements sont totalement exempts de ciment, ce qui garantit une construction durable. «Si l'élément de construction n'est plus nécessaire, il peut être entièrement broyé et réduit en poussière, prêt à être transformé en nouvelle mousse.»

Inspirer les autres à construire avec des machines

Patrick Bedarf souhaite à présent poursuivre le développement d'Airlements avec FenX. Une ligne de production spécifique sera construite dans son usine de Turgi. «Nous analyserons en profondeur la capacité de charge et les propriétés d'isolation afin de déterminer comment ce matériau se comporte en tant qu'élément mural dans une pièce fermée. Les mesures infrarouges nous aideront à déterminer où l'isolation thermique pourrait être encore améliorée et comment éliminer les faiblesses en ajustant le chemin d'impression.»

Après avoir obtenu son doctorat, Patrick Bedarf continue d'enseigner dans le cadre du cours de licence «Computational Design I&II». Il est enthousiaste à l'idée d'inspirer la prochaine génération d'architectes à penser géométriquement tout en étant capable de communiquer avec les machines. «Mon travail avec Airlements m'a beaucoup appris sur les matériaux de construction et l'utilisation des technologies de l'information. Et j'ai beaucoup aimé tester les formes géométriques possibles avec le nouveau procédé. Ce serait merveilleux si je pouvais inspirer d'autres personnes».