Dans le grand hall du laboratoire de recherche et de robotique Arch Tec Lab, sur le Hönggerberg : plusieurs bras robotisés sont suspendus au plafond, des structures courbes beiges à moitié terminées, qui font penser à des sculptures de sable, sont posées au sol. Sur un côté de la pièce, des éléments énigmatiques émergent de caisses en bois.
C’est devant l’une de ces boîtes que se tient Patrick Bedarf. Il travaille dans le groupe Technologies de construction numérique de Benjamin Dillenburger et a terminé son doctorat fin septembre. Dans le cadre de sa thèse, il a étudié comment fabriquer des éléments de construction légers et isolants, notamment des formes plus complexes, en économisant les matériaux. Pour ce faire, il a eu recours à un matériau isolant durable, fabriqué par FenX, une spin-off de l’EPFZ, à partir de déchets industriels. "Leur mousse minérale est un matériau de construction innovant qui contribue à une industrie plus respectueuse du climat", explique Bedarf.
La mousse est principalement fabriquée à partir de cendres volantes, un déchet de l’industrie des hauts fourneaux. "Le matériau a donc déjà accompli son premier cycle de vie. Et il peut être facilement recyclé après utilisation", explique Bedarf en émiettant entre ses doigts le petit morceau qu’il a sorti de la caisse en bois. "Le matériau peut maintenant être réutilisé pour une nouvelle mousse".
Moins d’usure des matériaux
La production des éléments de construction isolants devrait également être durable : Pour consommer moins de matériaux et réduire les émissions de CO2, le doctorant a misé sur l’impression 3D. "Contrairement au coulage du béton, il n’y a pas besoin de coffrage. La fabrication de ce dernier est très coûteuse et ne peut être réutilisée que dans une certaine mesure au final", explique Bedarf. C’est justement lors de la fabrication de géométries complexes que les déchets représentent un grand défi.
"Sans automatisation, la construction économe en ressources est très compliquée et coûteuse".
En combinant l’impression 3D et la robotique, il est possible de fabriquer des éléments de construction complexes à moindre coût, explique M. Bedarf. "Sans automatisation, la construction économe en ressources est très compliquée et coûteuse, notamment en raison des coûts salariaux".
Le chercheur montre les premiers essais de mousse imprimée et durcie. "Par exemple, ce morceau ici, qui ressemble à une pizza", dit-il en montrant un disque plat. " Au début, nous avons imprimé plusieurs petits morceaux de ce type, puis des morceaux de plus en plus grands, afin de voir si la mousse imprimée en 3D pouvait être utilisée pour des applications à grande échelle. "
Une imprimante 3D aussi grande que toute la pièce
Ceux qui s’attendent à trouver une imprimante 3D du commerce dans le laboratoire de robotique chercheront en vain - la pièce entière fonctionne comme une imprimante 3D. Des chambres de mélange flexibles assurent le bon mélange de la matière première. Au bout des bras robotisés qui pendent du plafond se trouvent des têtes d’impression à partir desquelles le matériau est déposé couche par couche sur le lit d’impression. "Les robots peuvent se diriger avec précision vers n’importe quel point de l’espace défini au préalable", explique Bedarf. "Nous programmons le chemin et leur indiquons où ils doivent passer et à quelle vitesse. Et quelle quantité de matériau doit sortir de la tête d’impression, en combien de temps et à quel endroit".Pour les premiers essais, Bedarf a stabilisé les éléments de construction spéciaux avec du béton. Par la suite, il a également réussi à fabriquer des éléments de construction stables uniquement avec de la mousse, comme le montre le prototype du projet Airlements : une pièce d’angle de deux mètres de haut composée de quatre segments imprimés en 3D. Les quatre pièces individuelles ont été collées les unes aux autres avec du mortier et pulvérisées avec un enduit blanc sans ciment.
Airlements - un jeu de mots entre air et éléments - se compose de pièces légères que l’on peut soulever à la main et empiler les unes sur les autres. "Les éléments peuvent être imprimés en usine, puis amenés sur le chantier et placés à l’endroit prévu", explique Bedarf. "Pour rendre l’élément de construction plus stable, on remplirait le noyau creux de mousse plus dense. Ainsi, l’élément de construction pourrait un jour assumer des fonctions portantes". Jusqu’à présent, Airlements ne peut être utilisé que comme paroi extérieure ou intérieure isolante.
"Comme dans un sauna "
Chaque pièce du prototype a été imprimée en moins d’une heure et a durci pendant une semaine dans l’environnement de fabrication à une température contrôlée de 20 à 28 degrés Celsius et à une humidité relative de 20 à 70 pour cent. La régulation de l’humidité et de la température était importante pour que le matériau puisse durcir sans problème et ne se déchire pas.Pour cela, Bedarf avait développé une chambre climatique spéciale : une grande tente transparente dans laquelle le robot suivait le chemin de pression prédéfini. Il y avait de la buée et de la poussière partout, et il faisait chaud comme dans un sauna", dit-il en faisant remarquer que cette méthode de production ne nécessite plus de traitement à forte consommation d’énergie. "C’est un progrès par rapport aux travaux antérieurs avec des mousses minérales sans ciment, qui étaient durcies soit avec du ciment, soit par une cuisson ultérieure au four". La texture ondulée d’Airlements apporte une résistance supplémentaire pendant le durcissement et à l’état final.
Airlements pourrait un jour contribuer à la construction durable : d’une part, les éléments isolants réduisent la consommation d’énergie d’un bâtiment. D’autre part, l’impression 3D génère beaucoup moins de déchets que la fabrication traditionnelle d’éléments de construction et ne nécessite pas de coffrage en béton nuisible au climat. Enfin, Airlements est entièrement dépourvu de ciment, ce qui permet de construire en circuit fermé. "Lorsque l’élément n’est plus utilisé, on peut le déchiqueter entièrement et le transformer à nouveau en poussière et en nouvelle mousse".
Inciter les autres à construire avec des machines
Airlements souhaite maintenant développer ses besoins en collaboration avec FenX. Pour cela, une unité de production doit être mise en place dans leur usine de Turgi. "Nous allons analyser en détail la capacité de charge et le comportement d’isolation afin de découvrir comment ce matériau se comporte comme élément de mur dans un espace fermé. Grâce à des mesures infrarouges, nous voulons découvrir où l’isolation thermique pourrait être encore meilleure. Et comment les points faibles peuvent être éliminés en adaptant le chemin de compression".Après son doctorat, Bedarf collabore au cours de Bachelor "Computational Design I&II". Il se réjouit d’inspirer la prochaine génération d’architectes à penser simultanément de manière géométrique, mais aussi à pouvoir communiquer avec des machines. "En travaillant avec Airlements, j’ai beaucoup appris sur les matériaux de construction et l’utilisation des technologies de l’information. Et j’ai pris beaucoup de plaisir à tester les géométries qu’elles permettent de réaliser. Ce serait bien si je pouvais contaminer les autres".
