Des rêves en béton

L'impression 3D offre des perspectives prometteuses dans le secteur de la construction. Aujourd'hui, ce procédé permet déjà de réaliser des éléments préfabriqués qui sont ensuite acheminés vers les chantiers. Une équipe de chercheurs de l'Université Technique de Liberec en République Tchèque s'est fixé comme objectif de créer un robot mobile "imprimant" des bâtiments directement sur le site de construction. Pour le contrôle de la tête d'impression, elle utilise une solution d'automatisation complète de B&R.

Les premières imprimantes 3D utilisées dans le secteur de la construction fabriquaient des maquettes en plastique à des fins de conception, présentation ou exposition. Aujourd'hui, des imprimantes 3D de plus grande taille commencent à fabriquer des éléments en béton destinés à la construction de bâtiments réels. Une équipe de chercheurs de l'Université Technique de Liberec (TUL) prépare actuellement la prochaine étape de cette évolution : des robots mobiles qui fabriqueront ces éléments par impression 3D sur le site même de construction.

L'impression 3D permet aujourd'hui de fabriquer des éléments de construction à partir d'un mélange de béton et de matériaux renforçants. Ce procédé ouvre de nouvelles possibilités de conception pour les architectes et réduit le coût de fabrication des éléments de construction. De plus, il produit moins de déchets car il ne requiert pas de grande surfaces de coffrage comme les structures monolithiques conventionnelles.

Ces nouvelles perspectives se heurtent néanmoins à quelques limitations et inconvénients. Les éléments sont fabriqués sur un site de production puis transportés jusqu'au site de construction. Les véhicules utilisés pour le transport limitent les dimensions de ces éléments, génèrent des coûts logistiques importants et impactent l'environnement. De plus, avec les systèmes actuels, l'impression 3D n'est possible que pour les éléments verticaux des bâtiments. Les éléments horizontaux pour les sols et les plafonds sont fabriqués à l'aide de méthodes conventionnelles.

Le projet de recherche 3D Star de l'université tchèque a pour objectif de surmonter les limitations et les inconvénients évoqués plus haut et de permettre l'impression 3D de bâtiments entiers, sols et plafonds inclus, directement sur le site de construction. Les chercheurs impliqués dans ce projet développent actuellement un robot mobile d'impression 3D appelé Printing Mantis (ce nom a été choisi en raison de la forme du bras du robot qui rappelle celle d'une patte de mante religieuse). Pour y parvenir, ils travaillent étroitement avec l'institut de recherche en informatique et automatismes de l'académie des sciences de République Tchèque et avec l'institut Klokner de l'université technique de Prague. Les technologies de contrôle, d'entraînement et de visualisation utilisées pour ce projet sont celles de B&R.

Jiří Suchomel, vice-doyen de la TUL, prédit que l'impression 3D réalisée avec le Printing Mantis permettra la réalisation de formes complexes avec une précision sans précédent de 2 à 3 millimètres et rendra ainsi les architectes encore plus créatifs. Avec ce robot, il sera possible de construire des bâtiments à plusieurs étages en assemblant des éléments fabriqués sur le site même de construction. "Les blocs horizontaux seront imprimés au niveau du sol puis hissés jusqu'à leur emplacement final, tandis que les murs verticaux seront directement imprimés à l'endroit qu'ils occuperont dans le bâtiment," explique J. Suchomel.

La production de ciment a un impact environnemental important. De plus, les granulats qui doivent être ajoutés au ciment pour la fabrication du béton ne peuvent être fournis qu'en quantités limitées. "Nous allons permettre la construction de structures légères et de murs amincis en utilisant des techniques de renforcement de béton non conventionnelles. "La consommation de matières sera ainsi nettement réduite."

Les imprimantes 3D que tout le monde connaît utilisent des poudres ou des matières plastiques. La construction d'un édifice par impression 3D implique que ces matériaux soient remplacés par du béton. Trouver le bon dosage en ciment est ici un réel défi. Le mélange doit être suffisamment malléable pour être travaillé, mais aussi se solidifier suffisamment vite pour supporter les couches suivantes. Le béton ordinaire sèche en 28 jours. Or la structure imprimée doit être stable et résistante immédiatement.

Le robot doit permettre aussi l'impression de murs présentant des courbures quelconques, des arrêtes avec des angles aigus, ou des ouvertures. "Tout ceci doit être possible si nous voulons que les architectes aient un maximum de libertés," explique Václav Záda, un des chefs concepteurs du projet à Institut de Mécatronique et Informatique de la TUL. Le robot est conçu de telle sorte qu'il peut continuer ses mouvements quand son effecteur stoppe brièvement l'impression pour, par exemple, laisser un espace vide destiné à une fenêtre ou une porte. "Le robot est capable de conserver son énergie cinétique, ce que ne peuvent pas faire d'autres machines," ajoute V. Záda.

Une fois sa construction achevée, le robot disposera d'un bras tournant et glissant présentant une portée horizontale de 5,6 mètres et une portée verticale de 3,3 mètres. Le projet est actuellement conduit avec deux prototypes. Le premier est un robot SCARA à l'échelle 1:4. Un camion de chantier standard transportera ensuite la version de ce robot aux dimensions réelles. Le second prototype est un robot cartésien qui se trouve à l'Institut Klokner de Prague et avec lequel les chercheurs testent et développent la tête d'impression avec différents mélanges de matériaux.

Après dix ans de coopération avec B&R, l'équipe de recherche avait la certitude que les composants d'automatisation de B&R fourniraient la performance et l'échelonnabilité nécessaires pour les différentes phases du développement. "Notre solution d'automatisation permet de relever les défis qui se présentent à nous tout au long du projet," se réjouit Tomáš Kohout, ingénieur chez B&R.

Le système d'entraînement comprend des axes avec codeurs absolus multi-tours, des servomoteurs, un système de contrôle modulaire et des fonctions de sécurité avancées. "Le système Motion Control intégré de B&R rend la solution très conviviale, tant pour les concepteurs que pour les futurs utilisateurs," rapporte Leoš Beran de l'Institut de Mécatronique et d'Informatique de la TUL. "La solution est très évolutive : un point essentiel pour un projet de recherche comme celui-ci."

L'effecteur de la tête d'impression est contrôlé par un système de contrôle de B&R. Le noyau du logiciel d'impression 3D est basé sur des composants CNC standard de B&R. L'équipe de recherche utilise également des modules préprogrammés du framework mapp de B&R pour les fonctions de base comme la gestion de recettes et la gestion d'utilisateurs. La mise en place de ces fonctions ne lui demande ainsi aucun effort de programmation.

Le logiciel contrôlant l'ensemble du robot tourne sur un PC industriel puissant de la gamme Automation PC de B&R. "En plus du logiciel de contrôle, l'application de visualisation web tourne également sur l'Automation PC", précise T. Kohout. La visualisation s'affiche sur un Automation Panel 5000 fixé sur un bras pivotant. "Cet écran opérateur offre une grande souplesse et un grand confort d'utilisation. En plus, la visualisation web peut aussi s'afficher un écran bureautique, un smartphone ou une tablette," note T. Kohout

La date et le lieu de la première utilisation du Printing Mantis pour l'impression 3D de bâtiments à plusieurs étages n'ont pas encore été déterminés. Ceci dépendra de la réglementation qui sera mise en place pour ce type de construction. Néanmoins, une chose est sûre : avec B&R, l'équipe de recherche dispose de solutions évolutives et d'un choix étendu de produits, ce qui lui permettra d'adapter le robot facilement et rapidement à chaque nouvelle situation.