L’impression 3D en génie civil

Avantages et inconvénients des techniques d’impression 3D 

La technique d’impression 3D présente plusieurs avantages on peut citer les suivantes : Forte personnalisation possible des biens et produits, à bas coût ;Design et production efficace (légèreté, résistance, complexité) ;Variété de production (capacité à produire des biens différents); Capacité de production d’objets très petits (échelles macro et nanoscopiques); Peu de déchets lors de la fabrication; Production à la demande, en volumes réduits; Production locale, proche des lieux de consommation; Production accessible à tous, peu de barrières à l’entrée; Fort potentiel d’innovation dans la distribution et la fourniture de services.
Malgré les multiples avantages que présente l’impression 3D elle possède certains inconvénients tels que:
Production non compétitive de grands volumes de produits ; Variété encore limitée des matériaux utilisés pour les impressions ; Coût potentiellement élevé des matériaux de base utilisés comme intrants ; Difficulté de combiner plusieurs matériaux (notamment dans l’électronique) ; Impression complexe d’objets de grande taille ; Qualité et durabilité limitées des biens finaux.

Classifications des technologies d’impression 

Il existe de nombreuses façons de classer les différentes technologies d’impression 3D existantes. En 2009, l’American Society for Testing and Materials (ASTM) et la Society of Manufacturing Engineers (SME) ont créé le comité F42 for Additive Manufacturing Technology, une classification des activités ASTM rassemble ces technologies dans les 6 catégories suivantes  :
Extrusion de matériaux : Le matériau est extrudé à travers une buse, pour former des modèles multicouches. La méthode est couramment utilisée pour les matériaux plastiques. C’est la technique d’impression par dépôt de matière fondue. C’est également la plus populaire et la moins chère parmi les imprimantes professionnelles de polymères.
Photopolymérisation (La stéréolithographie) : Un dépôt liquide de résine photopolymère est durci par une exposition sélective à la lumière (via un laser ou un projecteur), qui initie la polymérisation et solidifie les zones exposées. C’est l’une des méthodes les plus utilisées dans la fabrication additive.
Fusion de poudres et application directe d’énergie : Une couche de poudre est déposée. Ensuite, en fonction de la pièce à imprimer, une partie de la poudre est agglomérée en la faisant fondre grâce à une source de chaleur. L’opération utilise un outil tel qu’un laser ou un faisceau d’électrons. La poudre non fondue entourant la partie consolidée agit comme un matériau support. La forme imprimée est obtenue en répétant cette opération de dépôts successifs de couches de poudre (appelées «lits de particules»). Il est possible d’utiliser cette méthode pour des plastiques ou des métaux.
Injection de liant : Binder Jetting : Les liants liquides sont appliqués sur des couches de poudre matériau en grains pour construire les différentes pièces. Les liants peuvent être de nature organique et inorganique. L’impression tridimensionnelle 3DP utilise ce processus, qui associe des granulats et des liants. Ce procédé est utilisé pour fabriquer de nombreux composants métalliques, céramiques et polymères.
Injection de matériau : Jetting : C’est le cas de l’impression par mise en forme multi-jet qui dépose de petites gouttes de matériaux polymériques sur une plateforme en feuilles minces. Le matériau du modèle final est solidifié avec des lampes UV, tandis que le gel de support est enlevé avec des jets d’eau. Cette méthode permet la création de détails avec une finition de surface très précise  .
Lamination des feuilles : C’est une méthode par découpage et stratification. La fabrication de stratifié est un système dans lequel chaque partie est construite séquentiellement par des feuilles de matériau. Ce processus consiste en un collage thermique d’une série de pièces d’épaisseur uniforme de matériau réalisé avec découpe laser. Le système comprend une imprimante 2D située sur une table de travail qui se déplace sur l’axe vertical.
L’imprimante 2D crée des couches à partir d’une feuille de matériau, dont chacune se joint à la suivante avec des thermoadhésifs situés sur l’une des faces des feuilles. Un outil colle les feuilles en appliquant une force et de la chaleur à chacune des couches.

Vers l’impression 3D des matériaux à base cimentaire 

Pour les matériaux cimentaires, ces techniques ne sont pas applicables et il n’est pas possible d’obtenir une rigidification du matériau uniquement en comptant dans un premier temps sur la structuration du ciment pendant la période dormante (comportement dit thixotrope). Puis sur le phénomène d’hydratation du ciment.
Nous listerons par la suite l’ensemble des familles de méthodes employées dans l’impression 3D des matériaux à base cimentaire.
La méthode extrusion/dépôt : La philosophie de l’impression par extrusion/dépôt s’inspire de la méthode de l’impression 3D polymère par dépôt de matière fondue (FDM). Elle consiste à déposer successivement par extrusion des couches de matériau cimentaire pour réaliser une pièce ou une structure en suivant la maquette numérique construite sur un logiciel de conception .
Contrairement aux polymères, le comportement du béton n’est que très peu sensible à la température et il convient de régler la vitesse et la géométrie d’impression sur la vitesse de solidification du matériau cimentaire pilotée par la prise du ciment .
Méthodes d’impression par injection dans un lit de particules : La méthode d’impression par injection de fluide dans un lit de particules est une méthode d’impression s’inspirant de celles développées pour les polymères et les métaux. Il s’agit ici d’étaler une couche de particules d’épaisseur donnée, puis d’injecter aux endroits dictés par la maquette numérique un fluide permettant d’agglomérer les grains .
Méthodes d’impression alternatives : Plusieurs méthodes originales, prenant en compte les spécificités des matériaux cimentaires à l’état frais, ont aussi été récemment imaginées et testées à l’échelle du laboratoire.

Impression 3D par liaison sélective dans un lit de particules 

Dans le domaine de la fabrication additive pour la construction d’ouvrages ou de structures, deux techniques différentes sont utilisées : les procédés basés sur l’extrusion de béton frais et l’infiltration d’une encre dans un empilement de granulats ou d’un mélange matériau pulvérulent-agrégat. L’encre peut être composée d’eau et d’additifs, de matériaux cimentaires et/ou de matériaux organiques en fonction du procédé choisi. Ces procédés sont généralement regroupés sous le terme d’impression 3D par liaison sélective.
La première pièce réalisée en béton par liaison sélective date de 1995 avec une technique utilisant la vapeur d’eau pour activer le ciment.
Le principe de la technique dite de fabrication additive par activation sélective est simple: un matériau fluide est déposé par la buse de l’imprimante 3D et pénètre ensuite dans le lit de particules afin de les relier. Il s’agit ensuite de répéter ces étapes couche par couche jusqu’à obtention d’une structure en trois dimensions telle que modélisée. La matière sèche et l’encre sont donc transportées à chaque étape indépendamment, différenciant ainsi cette technique de l’extrusion simple de béton.
Il faut néanmoins utiliser deux procédés distincts de dépôt de l’encre et de la matière pulvérulente comparativement à de l’extrusion simple.
De point de vue économique, entre 30 et 50 % du coût d’une construction est fixé par le coût de la matière et de la main-d’œuvre liée à l’utilisation des coffrages. L’impression 3D par liaison sélective laisse envisager la suppression partielle de coffrages sur chantier et de moules en préfabrication. Cette technique permet en effet de concevoir un coffrage perdu ou un coffrage provisoire sans utilisation de matière plastique pour un moule, de bois pour du coffrage, et aussi d’huile de démoulage.

Les caractéristiques du béton imprimé 

Le béton d’impression peut être caractérisé par une teneur élevée en poudre, l’absence de gros granulats, une fraction de pâte plus importante et l’utilisation d’un adjuvant modifiant la viscosité (AMV). Après la conception d’un mélange initial, le respect des exigences de qualité d’impression est la première étape du processus itératif d’évaluation et de modification du mélange proposé. En ce qui concerne la qualité d’impression acceptable, trois exigences : la qualité de la surface, les bords carrés et la conformité et la cohérence des dimensions, doivent toutes être satisfaites .
Ensuite, la stabilité de la forme d’un mélange doit être examinée et les ajustements nécessaires doivent être effectués. À cette fin, une expérience de tassement des couches est proposée, dans laquelle des couches de béton sont imprimées les unes sur les autres avec le même mécanisme d’extrusion que l’imprimante à béton pleine échelle. En outre, aucune déformation visible ne doit se produire lorsque l’intervalle de temps entre les couches est utilisé.
Après, la robustesse des mélanges développés est évaluée, et l’influence des variations de matériaux sur les propriétés du mélange d’impression est étudiée. La “variation de la teneur en eau” est considérée comme la seule source de variation.
La quatrième étape des essais en laboratoire d’un mélange d’impression concerne la fenêtre d’imprimabilité d’un mélange. Deux paramètres importants liés à la fenêtre d’imprimabilité sont la limite d’imprimabilité et la limite de blocage. La limite d’imprimabilité est la période la plus longue pendant laquelle un mélange peut être imprimé avec une qualité d’impression acceptable. La limite de blocage est la période la plus longue pendant laquelle un mélange peut rester dans la buse avant que le béton ne se raidisse et ne bloque l’extrusion. Les deux limites doivent être mesurées et rapportées pour chaque mélange spécifique.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Généralités sur l’impression 3D et la fabrication additive
1.1-Introduction
1.2-Définition
1.3-Historique
1.4-Domaines d’application
1.4.1- Domaine d’architecture
1.4.2- Domaine de génie civil
1.4.3- Domaine de médicine
1.4.4- Domaine industriel
1.5- Avantages et inconvénients des techniques d’impression 3D
1.6- Les principaux concepts
1.7- Classifications des technologies d’impression
1.7.1- Extrusion de matériaux
1.7.2- Photopolymérisation (La stéréolithographie)
1.7.3- Fusion de poudres et application directe d’énergie
1.7.4- Injection de liant : Binder Jetting
1.7.5- Injection de matériau : Jetting
1.7.6- Lamination des feuilles
1.8- Vers l’impression 3D des matériaux à base cimentaire
1.8.1-La méthode extrusion/dépôt
1.8.2-Méthodes d’impression par injection dans un lit de particules
1.8.3-Méthodes d’impression alternatives
1.8.3.a) Coffrage glissant piloté : Smart Dynamic Casting
1.8.3.b) Injection imprimée Mesh Mould dans un grillage coffrage
1.8.3.c) Projection de béton sur un support mobile
1.9-Conclusion
CHAPITRE II : Les méthodes d’impression 3D en génie civil
2.1- Introduction
2.2- Méthodes d’impression par extrusion/dépôt
2.2.1- Procédé d’impression par extrusion/dépôt
2.2.2- Difficultés et limitations
2.3- Impression 3D par liaison sélective dans un lit de particules
2.3.1- Classification des procédés et stratégies d’impression sélective
2.3.1.a) Activation de ciment
2.3.1.b) Intrusion sélective
2.3.1.c) Injection de liant
2.3.2- Difficultés et limitations
2.4- Différents type robots
2.4.1- Big Delta, la plus grande imprimante 3D au monde
2.4.2- Les imprimantes 3D de bâtiments Contour Crafting
2.4.3- Apis Cor 3D printer
2.4.4- P1 BetAbram
2.4.5- BOD2 COBOD
2.4.6- MAXI PRINTER Constructions-3D
2.4.7- CyBe CyBe RC 3Dp
2.4.8- ICON Vulcan II
2.4.9- MudBots MudBots Concrete 3D Printer
2.4.10- Stroybot2
2.4.11- Batiprint3D 3D printer
2.4.12- XtreeE 3D printe
2.4.13- S-Squared ARCS VVS NEPTUN
2.5-Conclusion
CHAPITRE III : Les Béton imprimé et la conception des structures
3.1- Introduction
3.2- Compositions et propriétés des mortiers imprimables
3.3- Les caractéristiques du béton imprimé
3.4- Codes de dimensionnement
3.5- Stratégies de renforcement
3.5.1-L’utilisation de fibre
3.5.1.a) Impression 3D sur béton renforcé de fibres d’acier
3.5.1.b) Composite cimentaire à base de fibres PVA
3.5.2- Les renforts externes
3.5.3. Câble entraîné au sein du matériau extrudé
3.5.4-Les réservations
3.5.5. Envelopper des armatures préalablement mises en place
3.6. L’impression 3D et conception des structures
3.6.1- L’impression 3D béton : une aubaine pour les architectes
3.6.2- Vers des structures aux formes optimisées
3.6.3- Vers un passage du noir et blanc à la couleur pour les imprimantes 3D béton
3.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE

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