Les ingénieurs construisent l'avenir de l'impression 3D avec du béton flexible

Armée d'une imprimante 3D à béton, d'outils de mesure précis et des ingrédients adéquats, une équipe de l'Université du Nouveau-Mexique (UNM) a travaillé dur pour concevoir les blocs de construction du futur. Aujourd'hui, leur conception de matériau en béton flexible est officiellement brevetée.

Les chercheurs du département de génie civil, de construction et d’environnement Gerald May travaillent au développement des matériaux nécessaires à l’impression 3D de structures en béton.

La construction traditionnelle repose sur l'utilisation de machines lourdes pour placer des poutres en acier ou en bois afin de créer une ossature de bâtiment, mais le processus peut être dangereux et coûteux. Ce n'est qu'un des problèmes de matériaux et de fabrication que Maryam Hojati, professeure adjointe au département de génie civil, de construction et d'environnement de Gerald May, espère résoudre.

L'entretien des infrastructures est un autre problème. Vous avez probablement déjà remarqué des fissures en marchant sur un trottoir. En effet, le béton, bien que très résistant, est également cassant. Même le béton renforcé d'acier nécessite des réparations continues, ce qui signifie un entretien régulier de tous les éléments, des bâtiments et des ponts aux trottoirs. Un matériau plus résistant pourrait rendre les infrastructures publiques plus durables et moins coûteuses à entretenir.

« Le béton en lui-même ne présente aucune propriété de traction, ce qui signifie que si vous avez un morceau de béton et que vous commencez à le déchirer, il peut facilement se briser. C'est un matériau très cassant », a déclaré Maryam Hojati.

La tendance du béton à se fracturer sous l'effet du stress est particulièrement problématique lorsqu'il s'agit de catastrophes naturelles et d'événements météorologiques tels que les tremblements de terre et les vents qui exercent une contrainte latérale, ou tension, sur les bâtiments.

« Le matériau doit résister à la fois à la tension et à la compression. Le béton est un excellent matériau pour la compression, mais lorsqu'il s'agit de tension, c'est un matériau fragile », a-t-elle précisé.

Des chercheurs du monde entier ont étudié les matériaux et les procédés susceptibles de résoudre ces problèmes. Certaines structures ont été construites en partie à l’aide d’imprimantes 3D, mais jusqu’à présent, la plupart des procédés reposent sur le placement de matériaux clés tels que des poutres ou des barres d’armature, ce qui limite l’automatisation que l’impression 3D devrait offrir. Pour imprimer quelque chose sans ces supports, le matériau doit être suffisamment solide pour se maintenir sans se coincer dans l’imprimante.

Muhammad Saeed Zafar, qui a obtenu son doctorat à l'été 2024 et a travaillé comme assistant de recherche diplômé pour Maryam Hojati, a créé une substance qui pourrait faire l'affaire.

« Si nous parlons d’impression 3D ou de fabrication additive dans le domaine des métaux et des plastiques, nous en sommes à un stade très avancé, mais l’impression de béton est encore en développement », assure Saeed Zafar. « Si nous parvenons à concevoir un matériau ultra-ductile sans utiliser de barres d’acier conventionnelles, cela résoudra le problème de l’incompatibilité des armatures avec le processus d’impression 3D. »

La substance résultante, connue sous le nom de matériau cimentaire ultra-ductile autorenforcé, a été brevetée en août dernier par UNM Rainforest Innovations au nom de Hojati, Zafar et Amir Bakhshi, qui ont travaillé sur le projet en tant qu'assistant de recherche et étudiant en master au début de son développement. Zafar a publié ses recherches sur les substances dans la construction et les matériaux de construction l'année dernière.

« L’objectif principal de ce travail était de résoudre le problème du renforcement dans l’impression 3D du béton », met en avant Saeed Zafar. « Nous affirmons que l’impression 3D du béton est un processus automatisé. » Mais les méthodes de renforcement conventionnelles compromettent l’automatisation de ce processus.

Le matériau cimentaire ultra-ductile doit contenir suffisamment de fibres pour tenir fermement tout seul tout en conservant une viscosité qui lui permet de passer à travers la buse d'impression sans se coincer. Bien que cela puisse paraître simple, trouver le bon équilibre est un défi de recherche complexe. Trop peu de fibres dans le mélange, et les formes imprimées peuvent s'effondrer sur elles-mêmes. Trop de fibres et le matériau n'ira pas très loin dans le processus d'impression.

Pour tester la viabilité des matériaux, ils doivent être mélangés, mesurés et imprimés avec précision. Même après que les motifs ont été imprimés dans plusieurs formes et motifs différents, y compris de petites structures, des prismes et des os de chien, ils doivent être testés pour leur résistance à la flexion et à la traction directe. Les chercheurs ont répété ce processus et ont exploré des mélanges composés de nombreux matériaux et fibres, comme l'alcool polyvinylique, les cendres volantes, la fumée de silice et les fibres de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé.

Le brevet résultant propose quatre mélanges différents avec une capacité de contrainte jusqu'à 11,9 % supérieure.

« En raison de l’incorporation de grandes quantités de fibres polymères courtes dans ce matériau, il peut maintenir l’ensemble du béton lorsqu’il est soumis à une charge de flexion ou de tension », a déclaré Hojati. « Si nous utilisons ce matériau à plus grande échelle, nous pouvons minimiser le besoin de renforcement externe de la structure en béton imprimé. »

Le développement d'une substance souple et imprimable semblable au béton a été financé par des subventions du Transportation Consortium of South-Central States (Tran-SET), le centre de transport universitaire de la région Six. Les subventions ont financé trois projets de recherche : le développement d'un matériau cimentaire technique imprimable en 3D, l'évaluation des propriétés du matériau à l'état frais et durci, et le développement d'un éco-béton imprimable en 3D.

Après les deux premières phases du projet et de nombreuses conceptions, les chercheurs ont réussi à concevoir le matériau que l'équipe a soumis pour brevet.

À terme, la technologie d’impression 3D du béton pourrait aider les astronautes à explorer d’autres planètes. Les contraintes des voyages spatiaux rendent la construction traditionnelle peu probable, voire carrément impossible. Les matériaux lourds comme les poutres en acier et la main-d’œuvre importante nécessaire pour les placer sont trop difficiles à transporter. La NASA et d’autres agences spatiales recherchent des méthodes de construction alternatives dans l’espoir que des robots équipés d’imprimantes 3D puissent un jour résoudre le problème. Hojati participe à plusieurs projets visant à relever les défis de la construction spatiale.

Ici sur Terre, de nouveaux matériaux comme celui développé à l’UNM pourraient éventuellement offrir des avantages tels qu’une plus grande résilience aux catastrophes naturelles, un entretien moins fréquent et une plus grande automatisation du processus de construction.

« Cette recherche a été très fructueuse. Ce matériau possède des propriétés d’impression 3D et une très grande viabilité structurelle qui pourraient être utilisées dans le secteur de la construction », a déclaré Hojati.

https://news.unm.edu/news/unm-engineers-build-the-future-of-3d-printing-with-bendable-concrete