L'impression 3D sous-marine pourrait transformer la construction maritime
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Depuis son invention dans les années 1980, l'impression 3D est passée du laboratoire à l'usine, au domicile et même à l'espace. C'est pourquoi une équipe interdisciplinaire de chercheurs de Cornell travaille actuellement à la mise au point d'une méthode permettant d'appliquer cette technologie au milieu marin. En imprimant du béton en 3D sous l'eau, cette nouvelle approche pourrait révolutionner la construction maritime et la réparation des infrastructures critiques reliant les continents.
Sriramya Nair (à gauche), chef de projet et professeure adjointe de génie civil et environnemental, et Caleb Lunsford, doctorant, font partie d'une collaboration interdisciplinaire qui a mis au point une méthode d'impression 3D de béton sous l'eau.
« Nous voulons construire sans perturber l'environnement », explique Sriramya Nair , professeure adjointe de génie civil et environnemental au sein de la faculté d'ingénierie David A. Duffield, qui dirige le projet. « Grâce à un véhicule sous-marin télécommandé qui intervient sur le site en minimisant l'impact sur l'océan, nous pouvons construire plus intelligemment et nous affranchir des pratiques terrestres actuelles. »
Le projet a débuté à l'automne 2024, lorsque la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), l'agence du département de la Défense, a lancé un appel à propositions pour concevoir du béton imprimable en 3D pouvant être déposé à plusieurs mètres de profondeur sous l'eau – et ce, dans un délai extrêmement court d'un an.
« Lorsque l’appel d’offres a été lancé, nous nous sommes dit : “Allons-y, essayons, histoire de comprendre au moins les difficultés”, a déclaré Nair, dont l’équipe travaillait déjà avec un robot industriel d’environ 2 700 kg pour imprimer en 3D des structures en béton de grande taille. « Et il s’est avéré qu’avec notre mélange, nous pouvions imprimer en 3D sous l’eau en effectuant des ajustements pour compenser l’exposition continue à l’eau. »
En mai 2025, l'équipe a reçu une subvention d'un an de 1,4 million de dollars, conditionnée à l'atteinte de certains objectifs, alors que cinq autres équipes étaient en compétition pour faire de même.
L'impression sous-marine se heurte à de nombreux obstacles. Le principal est d'éviter le lessivage, phénomène par lequel les particules de ciment ne se lient pas entre elles lors du dépôt, ce qui fragilise le matériau. La solution classique consiste à ajouter des adjuvants chimiques, mais ceux-ci engendrent leurs propres complications.
Depuis des mois, l'équipe réalise des impressions tests dans une grande cuve d'eau, en surveillant le dépôt des couches ainsi que la résistance, la forme et la texture de chaque échantillon.
« L’ajout de ces produits chimiques rend le mélange très visqueux et impossible à pomper. Il faut donc trouver un équilibre entre la pompabilité et l’utilisation d’agents anti-dégorgement », explique Nair. « Lors de l’extrusion, même sans décollement, il est essentiel que le matériau conserve sa forme et adhère bien aux autres couches. De nombreux paramètres entrent en jeu. »
La DARPA a ajouté une contrainte supplémentaire : le béton devait être composé principalement de sédiments marins et ne contenir qu’une faible quantité de ciment. L’utilisation de matériaux provenant du fond de l’océan permettrait de minimiser les difficultés logistiques liées au transport de grandes quantités de ciment par bateau.
En septembre, l'équipe de Cornell a démontré avec succès à un groupe de responsables de la DARPA en visite qu'elle était sur le point d'atteindre l'objectif de l'agence concernant la teneur élevée en sédiments. Il s'agissait d'une étape cruciale, selon Nair.
« Personne ne fait ça actuellement », a-t-elle déclaré. « Personne ne prélève de sédiments marins pour en faire des impressions. Cela ouvre de nombreuses perspectives pour réinventer l'aspect du béton. »
La complexité de l'impression 3D sous-marine exige un large éventail de connaissances spécialisées. C'est pourquoi Nair a constitué un groupe interdisciplinaire composé de deux sous-équipes : l'une dédiée à la conception des matériaux, l'autre à la fabrication. Parmi les collaborateurs figurent : Nils Napp , professeur adjoint de génie électrique et informatique ; Greg McLaskey , professeur agrégé de génie civil et environnemental ; et Uli Wiesner , professeur titulaire de la chaire Spencer T. Olin en sciences et génie des matériaux ; Jenny Sabin , professeure titulaire de la chaire Arthur L. et Isabel B. Weisenberger en architecture au sein de la Faculté d'architecture, d'art et d'urbanisme ; ainsi que des chercheurs des universités du Michigan, de Clarkson et d'Arizona.
James Strait, responsable des services techniques du laboratoire Bovay, et Andrew Sandberg '28 ajustent la buse d'un robot industriel d'environ 6 000 livres capable d'imprimer en 3D des structures en béton à grande échelle. Ryan Young/Université Cornell
La deuxième phase du concours DARPA culminera en mars avec une sorte de compétition où plusieurs équipes imprimeront en 3D une arche sous l'eau. Depuis des mois, l'équipe de Nair réalise des impressions tests dans une grande cuve d'eau – produisant souvent plusieurs échantillons par semaine – au sein du complexe de laboratoires d'infrastructures civiles de Bovay. Ce laboratoire permet aux chercheurs de contrôler précisément le dépôt des couches ainsi que la résistance, la forme et la texture de chaque arche. Mais ce type d'évaluation tactile n'est possible que sur la terre ferme.
« Imaginons que vous vouliez imprimer sous l'eau : on ne peut pas envoyer quelqu'un en scaphandre, n'est-ce pas ? Il faut donc être capable de détecter ces éléments et d'ajuster la trajectoire de l'outil en temps réel », explique Nair. « L'objectif principal est d'obtenir une impression de qualité, car si le matériau n'est pas placé correctement, la résistance ne sera pas au rendez-vous. »
Faute de plongeurs, l'équipe de fabrication s'est attelée à la conception de capteurs capables de suivre l'impression en temps réel. Les conditions marines compliquent considérablement le processus.
« Le problème, c'est que les sédiments sont extrêmement fins, et dès qu'on les remue, la visibilité peut devenir nulle », explique Napp, spécialiste de la conception et de la programmation de dispositifs mécatroniques capables de naviguer et de modifier des environnements non structurés. « Nous ignorions le degré de turbidité – ou d'opacité – de l'eau. »
L'équipe de Napp a donc conçu un boîtier de commande doté de plusieurs systèmes de détection, intégrable au bras robotisé. Ce dispositif, associé aux travaux de Sabin en robotique, permettra d'accroître l'autonomie et le contrôle de l'impression de béton sous-marine.
La démonstration finale du concours DARPA aura lieu en mars, et l'équipe s'efforce d'intégrer les progrès réalisés par l'équipe de fabrication à ceux de l'équipe des matériaux afin d'imprimer avec succès les arches.
Si le rythme effréné et la pression intense de la compétition peuvent mettre les nerfs à rude épreuve, l'urgence a permis à l'équipe d'être aussi productive que possible.
« Dès l'obtention de la subvention, nous nous sommes réunis une fois par semaine pour faire avancer le projet », a déclaré Napp. « Le calendrier est ambitieux, et c'est formidable de voir autant d'expertises différentes se conjuguer rapidement pour faire avancer les choses. »