Des chercheurs du MIT ont proposé une nouvelle approche qui pourrait rendre la construction en béton imprimé en 3D bien plus efficace — et potentiellement bien plus écologique. La dernière étude de l’équipe montre que la prise en compte des limites réelles des imprimantes 3D dans le processus de conception peut réduire le gaspillage de matériau tout en produisant des structures prêtes à être imprimées avec peu ou pas de retouche manuelle, rapporte MIT News.
La recherche, publiée dans Additive Manufacturing, s’attaque à un défi de longue date dans la conception assistée par calcul. Les ingénieurs utilisent souvent l’optimisation topologique, une méthode qui calcule la structure la plus résistante possible tout en utilisant le moins de matériau. Le problème est que ces géométries idéales d’un point de vue mathématique, semblables à des toiles, sont souvent impossibles à fabriquer avec les imprimantes 3D béton grand format actuelles.
« Nous constations beaucoup de failles dans lesquelles on peut tomber lorsqu’il s’agit de traduire ces conceptions super-optimales en conceptions fabricables », a déclaré Hajin Kim-Tackowiak, coauteur principal et chercheur postdoctoral au département de génie civil et environnemental du MIT. « Ces failles étaient comme des gouffres. »
Pour combler cet écart, l’équipe du MIT a travaillé aux côtés d’ingénieurs du programme Autodesk Research Residency, identifiant trois contraintes majeures d’impression : la largeur minimale de chaque cordon de béton extrudé, le rayon de courbure que la buse d’impression peut suivre et l’exigence d’imprimer en un seul trajet continu. Ces limites ont ensuite été intégrées directement au cadre d’optimisation, ce qui lui a permis de générer des conceptions imprimables en environ deux minutes sur un ordinateur portable standard au lieu de nécessiter des jours de post-traitement.
Pour valider la méthode, les chercheurs ont conçu et imprimé en 3D un pont en béton de 2.3 mètres en utilisant un mortier standard disponible dans le commerce. L’impression du pont n’a pris que 30 minutes et, malgré un poids d’environ 900 livres, il a supporté avec succès plus de 2,000 livres de blocs de béton lors d’essais de charge, avec pratiquement aucune flexion mesurable, correspondant étroitement aux simulations de l’équipe.
La plus grande surprise est peut-être venue après les essais. Plutôt que de révéler des limites du béton lui-même, les résultats ont montré que le matériel d’impression 3D actuel constitue le véritable goulot d’étranglement.
« Nous avons constaté que notre résultat était extrêmement surdimensionné », a déclaré Kim-Tackowiak. « De zéro à 200,000 livres, votre conception est entièrement dictée par ces contraintes de “puis-je le construire ou non ?”. »
À l’aide de l’optimisation en nombres entiers mixtes, les chercheurs ont également pu mesurer dans quelle mesure chaque limite matérielle affecte l’efficacité d’utilisation des matériaux. L’auteure principale Josephine Carstensen a expliqué que, puisque le cadre identifie l’optimum global, il peut prédire exactement comment l’amélioration du matériel influencerait les conceptions futures. L’analyse a révélé que réduire la largeur du cordon imprimé de 4 centimètres à 1 centimètre pourrait diminuer l’utilisation de matériau jusqu’à 76% tout en restant largement dans les marges de sécurité.
Le pont démontre également un autre principe structurel important. Chaque composant est conçu pour rester en compression, domaine dans lequel le béton offre les meilleures performances. À l’avenir, les chercheurs prévoient d’étendre ce cadre au béton armé, en étudiant comment des armatures telles que les barres d’armature peuvent être intégrées aux structures imprimées en 3D. Si elle aboutit, cette approche pourrait contribuer à rendre la construction plus légère et plus durable, tout en fournissant aux fabricants d’imprimantes une feuille de route claire pour les améliorations matérielles susceptibles d’avoir le plus grand impact environnemental.
