A l'avenir, vivrons-nous tous dans des maisons imprimées en 3D?

Un dossier de Jessica Flament
Février 2020

Prothèses, organes, bijoux, nourriture et même armes ; on ne compte plus les objets qu’il est aujourd’hui possible d’imprimer en 3D. Grâce à ses applications aussi diverses que variées, l’impression 3D a réussi à se faire une place dans à peu près tous les secteurs. Y compris celui de la construction.

Ces dernières années, des industriels ont mis au point des machines capables d’imprimer des (parties de) maisons en 3D. Si la technologie n’en est encore qu’à ses débuts, il est clair qu’elle a le vent en poupe. SmarTech Publishing, spécialiste dans le domaine, a estimé que ce marché atteindrait 40 milliards de dollars de recettes en 2027. “C’est une technologie d’avenir”, confirme Benoît Parmentier, coordinateur “Stratégie et Innovation” au Centre scientifique et technique de la construction (CSTC).

Saisissant la balle au bond, Dubaï a annoncé qu’un quart de ses nouveaux bâtiments seraient issus de l’impression 3D d’ici 2025. Les agences spatiales, de leur côté, étudient sérieusement la possibilité d’un jour imprimer des logements sur la Lune ou sur Mars. L’Europe, elle aussi, y voit une carte à jouer. Tout comme la Belgique.

Comment imprime-t-on une maison en 3D? Quels projets ont déjà vu le jour? Où se situe notre pays dans le domaine? Tour d’horizon.

Une idée novatrice

Le premier mur réalisé à l'aide de la technologie "Contour Crafting".

Aperçu des maisons imprimées en 24 heures par WinSun.

L’impression 3D dans le secteur BTP aurait pu se résumer pendant longtemps à la création de maquettes et modèles réduits de maisons utilisés par les architectes pour présenter leurs projets de plus grande envergure. Mais c’était sans compter sur le dynamisme d’industriels qui se sont mis à construire de gigantesques imprimantes sur rails capables d’extruder le béton et non plus uniquement le plastique. Cette idée, apparue à la fin des années 90 dans le cadre de travaux académiques, a fait basculer l’impression 3D dans une toute nouvelle dimension et a ouvert la voie à la création de plus grosses structures, comme des maisons.

Mais avant même de parler "maison", il fallait d'abord arriver à construire un simple mur. En 2004, les professeurs Dooil Hwang et Behrokh Khoshnevis de l’Université de Californie du Sud sont entrés dans l’Histoire en devenant les premiers à y parvenir. Après une longue phase de recherche, ils ont mis au point une imprimante capable de déposer des couches successives de béton et de lisser l’ensemble pour obtenir une finition nette. Ils ont appelé ça le "Contour Crafting". Pour l’époque, le résultat était assez incroyable même si, en fin de compte, l’imprimante ne faisait que créer les contours d’un rectangle arrondi qu’il était nécessaire de remplir manuellement avec du ciment pour obtenir un véritable mur... Loin d'être découragés par les faiblesses de leur invention, les professeurs y ont tout de suite vu un "moyen de révolutionner l’industrie".

Behrokh Khoshnevis n’en est d’ailleurs pas resté là. Dix ans plus tard, il a annoncé avoir conçu une nouvelle imprimante capable de produire une maison entière en 24 heures. Malheureusement pour lui, il s'est fait couper l’herbe sous le pied par le chinois WinSun qui, quelques semaines plus tard, a réussi l'exploit d'imprimer… 10 maisons de 200 m² en 24 heures! Pour y arriver, l'entreprise s'est servie de quatre gigantesques imprimantes qui ont réalisé en atelier les structures des maisons à base de matériaux de construction recyclés et de déchets de construction. Ces éléments ont ensuite été transportés et assemblés sur le terrain choisi, dans ce cas-ci un district de Shanghai. Le tout pour un coût dérisoire: 3.500 euros par habitation.

Si cette annonce a eu un retentissement immédiat, il s'agissait avant tout d'un habile coup de com', puisque les habitations n'étaient pas complètement imprimées en 3D, mais bien assemblées à partir d'éléments créés séparément.

Comment ça marche?

Contour Crafting et WinSun ont misé sur la même technique pour parvenir à imprimer des maisons en 3D: la superposition de couches d'une mixture à base de béton, capable de sécher suffisamment vite pour supporter l'arrivée des autres couches sans s'effondrer. Mais ce n'est pas la seule qui existe.

Il y a quelques années, l'Université de Nantes (aidée par Bouygues Construction et Lafarge Holcim) a mis au point un robot-imprimeur dont la particularité est d'associer de la mousse polyuréthane et du béton. Concrètement, le robot Batiprint3D dépose trois couches : deux couches de mousse expansive qui servent de coffrage à une troisième couche de béton. "Une fois l’élévation des murs terminée, la mousse reste en place pour obtenir une isolation de l’habitation sans pont thermique. À la fin de l’opération, le robot mobile ressort par une ouverture prévue pour la pose des menuiseries", peut-on lire sur le site internet du projet. En 2018, ils ont testé leur invention en conditions réelles en créant à Nantes un logement social baptisé Yhnova. En quelques jours, ils sont parvenus à imprimer, sur site, les murs (arrondis) d'une maison de 5 pièces et d'une superficie totale de 95 m².

L'Italien Enrico Dini a lui aussi décidé de se lancer dans l'aventure de l'impression 3D. Mais il s'est complètement détourné du béton pour lui préférer... le sable. Avec l'aide d'industriels, il a été l'un des premiers à construire une imprimante 3D destinée aux bâtiments. Baptisée D-Shape, sa gigantesque machine composée de 300 buses injecte un liant dans de fines couches de sable pour les rendre aussi dures que de la pierre. S'il n'a pas encore permis de construire des maisons, ce procédé reste assez innovant.

Citons finalement la start-up néerlandaise MX3D (aidée par Air Liquide et ArcelorMittal) qui a, elle, choisi de se spécialiser dans l'impression... du métal. Un système à bras robotique extrude des fils métalliques et les soude couche après couche avec du gaz spécial. En 2018, l'entreprise a terminé en six mois la construction d'un pont en acier inoxydable ondulé de 12,5 mètres de long et 6,5 mètres de large. Construit en atelier pour des raisons de sécurité, ce bijou de design devrait, à terme, être installé au-dessus d'un canal dans le centre d'Amsterdam.

Dans le "contour crafting", deux truelles placées de part et d'autre de la buse servent à lisser le béton pour un rendu net et précis.

Les deux couches de mousse expansive avec, au centre, une couche de béton.

Un système à bras robotique extrude et soude des fils métalliques.

Et la Belgique?

Emirats arabes unis, Pays-Bas, France, Chine, Russie, Etats-Unis ; beaucoup de pays veulent montrer qu'ils comptent en matière d'impression 3D de bâtiments. Mais, à ce petit jeu-là, Dubaï a déjà une longueur d'avance. L'émirat, qui a le goût pour les projets novateurs ancré dans son ADN, a fait savoir que d'ici 2025 un quart de ses bâtiments seraient imprimés en 3D. Il compte bien devenir the place to be en matière d'impression de bâtiments 3D. Et la Belgique pourrait en partie l'aider à y parvenir !

Des Belges à Dubaï

"A Dubaï, ça avance vite car les autorités sont intéressées par les innovations. Et cela a le mérite de faire bouger le secteur", nous fait savoir l'entreprise belge Besix qui a ouvert Besix3D, une antenne spécialisée dans l'impression 3D à Dubaï. "On teste beaucoup de choses à Dubaï mais on mène aussi des recherches en Belgique avec l'Université de Gand". D'ici peu, l'entreprise belge devrait annoncer une première mondiale. "Généralement, ce qui est imprimé en 3D, c'est le bardage, c'est-à-dire une forme dans laquelle sont placées des barres de renforcement et dans laquelle on vient couler du béton. Nous, on veut tout imprimer, toutes les parties structurelles et tous les murs, y compris les murs porteurs", nous confie Besix qui refuse d'en dévoiler plus pour le moment. Tout ce que l'on sait, c'est que cette maison sera imprimée courant de l'année et aura une superficie d'un peu moins de 100m².

La Belgique a une carte à jouer

Les Anversois de Kamp C, une entreprise provinciale autonome qui s'intéresse au durable et à l'innovation, mettent depuis quelques années l'accent sur l'impression 3D. Ils ont ainsi développé le projet C3PO qui implique huit acteurs parmi lesquels l'Université de Gand, la Haute-Ecole Thomas More et des entreprises du BTP. Ensemble, ils veulent "réveiller le marché flamand" et lui faire prendre conscience que "l'impression 3D est un phénomène inarrêtable", nous explique Peter-Paul van den Berg, directeur de Kamp C. "Afin de convaincre de possibles partenaires en Belgique, il fallait un exemple qui frappe les esprits. Nous nous sommes donc attelés à la création d'un classique de la construction: une maison unifamiliale de deux étages", poursuit le directeur. Pour réaliser ce projet, ils ont acheté au Danemark la plus grande imprimante 3D du monde. D'abord annoncée pour 2019, la maison a finalement pris un peu de retard. "Nous nous sommes parfois trompés et avons dû recommencer. Mais cette fois, c'est la bonne. La maison devrait être imprimée à la fin du mois de mars 2020", nous révèle le directeur de Kamp C.

En Belgique toujours, le Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC) étudie également l'impression 3D. Notamment à travers le projet Build4Wal, subsidié par la Région Wallonne, avec le support de l'Agence du Numérique (AdN). "On a senti le potentiel de cette technologie, on a donc voulu y sensibiliser les entreprises", explique Benoit Parmentier, coordinateur "Stratégie et Innovation" au CSTC. "Dans notre nouveau bâtiment situé à Limelette, nous aurons un parcours de démonstration orienté vers les nouvelles technologies (réalité virtuelle/augmentée, robotique, internet des objets...). Un volet sera consacré à l'impression 3D. Nous y organiserons des démonstrations d'impression 3D afin de montrer aux acteurs de la construction le potentiel de la technologie." L'idée n'est pas de les pousser à imprimer une maison entière en 3D mais plutôt de leur faire prendre conscience de l'intérêt de ce procédé pour de nombreuses applications. "Certains entrepreneurs sont venus vers nous pour voir comment ils pourraient l'utiliser dans leurs activités. Mais, pour l'instant, ils se comptent sur les doigts d'une main. Ce qu'on essaie de faire, c'est donc de leur montrer concrètement à quoi sert l'impression 3D via le centre de démonstration. Mais aussi de discuter avec d'autres acteurs du secteur pour trouver des applications susceptibles d'améliorer leur rendement."

(c) La société russe Apis Cor a imprimé le plus grand bâtiment du monde en 3D à Dubaï. D'une superficie de 640m², cet immeuble a été créé sur site à l'aide d'une mixture à base de gypse. Seuls le toit, les fenêtres, l'isolation et le renforcement ont été faits à la main.

DECIDUOUS, une oeuvre d'art futuriste en béton entièrement imprimée par Besix3D à Dubaï. (c) Besix

Les principaux acteurs du projet C3PO (c) KampC

Le bâtiment de Limelette du CSTC.

L'impression 3D dans le bâtiment, un réel avantage?

Si plusieurs acteurs de la construction s'intéressent au marché de l'impression 3D, ce n'est pas simplement parce que c'est tendance. Moins coûteuse, plus rapide, plus libre au niveau des formes, l'impression 3D amène tout un tas d'avantages.

Des avantages...

Grâce à l'impression 3D, le gros oeuvre d'une maison peut être réalisé en quelques dizaines d'heures, là où un chantier classique aurait normalement pris plusieurs semaines.

En plus d'être rapide, "l'imprimante 3D permet de créer très facilement des formes que l'on ne pourrait pas faire de manière traditionnelle, ou alors en y mettant le prix", poursuit Benoit Parmentier. Puisqu'elle suit à la lettre les consignes de l'ordinateur et qu'elle est capable de se déplacer selon trois axes, l'imprimante peut facilement créer des murs aux formes complexes. Un bonheur pour les architectes qui peuvent pleinement laisser parler leur imagination.

Un autre avantage de l'impression 3D est de faire baisser les coûts de construction. L'ossature d'une maison peut ainsi être imprimée pour quelques milliers d'euros seulement. Toutefois, le développement d'une imprimante et sa production restent encore tellement coûteux que la facture pour le client sera sans doute bien supérieure. Il faudra donc analyser le retour sur investissement. Comme pour toutes les technologies, lorsque l'impression 3D sera bien implantée, les coûts devraient baisser de manière significative.

Mais l'impression 3D n'a pas pour seul but de réaliser des économies d'argent, elle sert aussi à limiter la production de déchets. "Grâce à l'impression 3D, on peut optimiser la matière et en consommer moins. On n’utilise de la matière que là où elle est vraiment utile, ce qui limite l'impact environnemental”, poursuit l’expert.

Enfin, là où l'imprimante passe, il n'est plus nécessaire d'avoir autant d'ouvriers qu'avant. Mais que les plus inquiets se rassurent, les ouvriers seront toujours indispensables puisque, pour l'instant, certaines étapes doivent toujours être réalisées manuellement. Des techniciens devront par exemple être présents sur le terrain pour vérifier que la machine fonctionne bien ou encore assurer sa maintenance, etc. Sans compter qu'il faudra aussi concevoir les machines, mettre au points les matériaux innovants qui serviront d'encre, développer de nouveaux types d'éléments de construction, etc. Pour cela, il est crucial d’anticiper les besoins en formation.

... aux inconvénients

On l'a vu, l'impression 3D est bénéfique à beaucoup d'égards, mais elle n'est pas pour autant une solution miracle. Il y a encore beaucoup de choses qu'elle est incapable de faire...

"La finition n'est pas du tout identique aux procédés utilisés
traditionnellement, il y a donc un travail spécifique à réaliser. Ensuite, il est très difficile à l'heure actuelle d'imprimer des éléments horizontaux avec des porte-à- faux", explique Benoit Parmentier. C'est peut-être évident à dire, mais l'impression 3D a besoin d'un support physique sur lequel déposer les différentes couches de matière. Or, le secteur de la construction réalise très souvent des porte-à-faux, c’est-à-dire des structures qui sont en partie au-dessus du vide.

"La réalisation de béton armé est également un vrai casse-tête", poursuit l'expert. Dans la construction, le béton est le plus souvent renforcé par des armatures métalliques. Ce béton dit "armé" est indispensable dans les structures demandant une résistance élevée à la flexion: poutres, planchers, voiles, certains types de poteaux, etc. Si certaines études planchent actuellement sur un renforcement par un fil d'acier déroulé en même temps que l'imprimante dépose le béton, cette solution n'est pas parfaite. Raison pour laquelle les barres en acier sont la plupart du temps ajoutées à la main dans les structures imprimées en béton.

"Enfin, l'impression 3D n'est pas encore normalisée", souligne Benoit Parmentier. Le secteur de la construction est régi par un ensemble de normes, c’est-à-dire “des conventions concernant un produit, un service ou un procédé”. Certaines sont de simples mesures appliquées volontairement par les professionnels de la branche, d’autres sont devenues obligatoires suite à des lois ou réglementations. “Pour l'instant, il n’y a pas encore de cadre autour de cette technologie. Lorsque l’on aura démontré avec des normes que les constructions imprimées en 3D ont les mêmes propriétés que les constructions traditionnelles, il y a fort à parier que la technique connaîtra un retentissement plus grand.”

Et dans le futur?

Ces dernières années, des villas, hôtels, bureaux, ponts ou balcons imprimés en 3D (ou presque) ont pullulé un peu partout dans le monde. De là à imaginer que dans quelques dizaines d'années, la plupart des maisons seront imprimées en 3D, il y a un pas que Benoit Parmentier ne franchira pas. "Je doute que l'impression 3D va, dans un futur proche, remplacer complètement la façon dont on construit des maisons. Mais je suis persuadé que cette technologie va trouver pas mal d'applications. Même si on n'en est qu'aux balbutiements et qu'il reste encore beaucoup de défis à relever, c'est une technologie d'avenir."

Les ONG commencent d'ailleurs à s'intéresser sérieusement à cette technique qui pourrait permettre de bâtir très facilement des maisons dans les zones sinistrées ou celles en voie de développement.

Les agences spatiales s'y intéressent également et veulent aller encore plus loin en s'en servant pour... créer des habitations sur la Lune ou sur Mars. Leur idée est d'utiliser les matériaux présents sur place pour imprimer des bâtiments. L'agence spatiale européenne (ESA) a déjà fait de grands progrès en la matière en parvenant à fabriquer des briques grâce à une imprimante 3D couplée à la lumière du soleil. De quoi les encourager dans leur projet de créer un village lunaire qui pourrait, à terme, remplacer la Station spatiale internationale.

La Nasa n'est pas en reste puisqu'elle a organisé en 2014 un concours visant à développer des habitats dans l'espace. Il lui a fallu cinq ans pour désigner le gagnant : l'entreprise new-yorkaise AI Spacefactory et son projet MARSHA (Mars Habitat). Celle-ci souhaite créer un "mélange innovant" à partir des matériaux présents sur Mars. Le but serait de parvenir à imprimer une maison en 3D de forme cylindrique. "Une structure optimisée pour gérer la pression atmosphérique interne et les contraintes structurelles", peut-on lire sur Futura Sciences.

Si certains projets paraissent encore un peu fous à l'heure actuelle, il est certain qu'on continuera à parler d'impression de bâtiments en 3D dans le futur.

Texte : Jessica Flament
Photos : Shutterstock, Pexels