Le complexe de laboratoires d’infrastructures civiles Bovay, situé au sous-sol de Thurston Hall, a un nouveau locataire : un robot industriel d’environ 2 000 kg capable d’imprimer en 3D le type de structures à grande échelle qui pourrait potentiellement transformer l’industrie de la construction, la rendant plus efficace et durable en éliminant les déchets de la fabrication traditionnelle des matériaux.
Le processus d’impression 3D – également connu sous le nom de fabrication additive – a déjà permis de réaliser des percées dans le domaine du prototypage de produits et de la biomédecine. Toutefois, lorsqu’il s’agit de grands projets de construction, de nombreuses questions subsistent quant à la manière dont les structures imprimées en 3D se comporteront dans le monde réel.
Grâce à sa capacité à tester et à valider des matériaux et des structures de tous types et de toutes tailles, le Bovay Lab est particulièrement bien placé pour soumettre l’impression 3D à grande échelle à des mouvements, des contraintes et des tensions.
Cornell est désormais l’une des rares universités des États-Unis à disposer d’un tel système. Il permettra non seulement aux professeurs du College of Engineering de mener des recherches sur la construction robotique, mais aussi aux étudiants d’acquérir une expérience pratique dans un domaine technologique en pleine expansion au sein des infrastructures civiles, selon Derek Warner, professeur de génie civil et environnemental.
“La maçonnerie (pose de briques) robotisée, l’impression avec des plastiques recyclés et l’impression avec du métal à grande échelle sont tous des domaines passionnants avec beaucoup de place pour la croissance, à la fois en termes de science et de compréhension, ainsi que de technologie et d’ingénierie”, a déclaré Warner. “L’échelle de nombreux phénomènes qui contrôlent les processus de fabrication est telle qu’ils doivent être étudiés à une échelle proche de celle à laquelle ils seront utilisés. Il en va de même pour certains des phénomènes qui contrôlent les performances. De plus, il y a toujours les surprises inconnues qui surviennent lors de la mise à l’échelle précoce d’une nouvelle technologie.”
Le système de robot industriel IRB 6650S est arrivé en février et, au cours des derniers mois, le laboratoire s’est entraîné à utiliser le système robotique – qui est essentiellement un long bras pivotant – et à réaliser un certain nombre d’impressions d’essai de taille moyenne, notamment des bancs et des jardinières, et même une grande lettre C dans la police de caractères Cornell.
“Le système robotique est polyvalent et flexible”, a déclaré Sriramya Nair, professeur adjoint de génie civil et environnemental. “L’une des façons dont nous l’utilisons est l’impression 3D du béton, mais il peut aussi être utilisé d’autres façons. Vous pouvez y fixer une soudeuse ou un système laser. Vous pouvez empiler des briques ou attacher des barres d’armature. De nombreux processus fastidieux peuvent être automatisés.”
Le robot est placé sur un rail de 12 pieds de long, avec une portée circulaire d’environ 12 pieds, pour une zone de couverture totale allant jusqu’à 8 pieds par 30 pieds, bien que le laboratoire ne prévoit pas d’imprimer quoi que ce soit d’aussi grand, selon James Strait, directeur des services techniques pour le Bovay Lab.
Le fonctionnement du système est un travail d’équipe. Un groupe de personnes mélange un mortier pré-établi et y ajoute des additifs, comme un superplastifiant qui réduit la teneur en eau du mélange et améliore son écoulement dans le tuyau. Un autre groupe actionne le contrôleur du robot pour réguler la quantité d’adjuvant passant dans le système. Lorsque l’adjuvant atteint la tête d’extrusion et la buse du robot, un additif durcisseur est introduit pour que le matériau s’épaississe lorsqu’il est versé.
Obtenir la bonne consistance peut être un défi. C’est ce qu’on appelle le dilemme Boucles d’or.
“Les couches inférieures doivent être suffisamment rigides pour maintenir la couche suivante en cours d’impression. Mais elles ne doivent pas être si rigides que lorsque vous imprimez la couche suivante sur le dessus, elle n’y adhère pas”, explique M. Strait. “Il faut que l’adhésion se fasse là, mais elle ne doit pas être si molle qu’elle s’écrase.”
Le processus demande beaucoup de travail, mais lorsqu’il est mené à bien, l’impression 3D élimine le besoin de moules de coulée et permet également de créer des formes non conventionnelles – des optimisations qui gaspillent moins de matériaux.
“Chaque fois que vous coulez du béton coulé, comme pour un trottoir, vous devez mettre en place tous les moules. Cela demande de la main-d’œuvre, des matériaux, et il faut tout fixer. Tout cela prend beaucoup de temps”, explique M. Strait. “Chaque fois que vous modifiez une structure en béton, vous devez modifier le moule ou en obtenir un nouveau et y consacrer du temps. C’est beaucoup plus difficile que d’utiliser un programme informatique et de dire : “Vous voulez cet arrondi ?”. Cliquez. Quelques heures et c’est terminé”.
Mme Nair prévoit d’intégrer le système dans un nouveau cours qu’elle donnera à l’automne, intitulé “Sustainability and Automation : The Future of Construction Industry, qui aidera à préparer les étudiants aux changements à venir dans leur domaine.
“Nous leur donnons l’occasion d’apprendre quelque chose qui est à la pointe et qui se passe en ce moment même”, a déclaré Mme Nair. “Plus ils en savent, plus ils peuvent être des champions du changement, mais aussi savoir quelles pourraient en être les limites.”
Pour l’instant, le système imprime en 3D avec du mortier, qui est techniquement une pâte contenant des agrégats d’une taille maximale de 4 millimètres. Tout ce qui est plus grand que cela pourrait bloquer et endommager le système de pompe. Cependant, l’équipe de Nair a l’intention de construire sa propre tête d’extrusion pour imprimer du béton renforcé de fibres d’acier, qui utilise des agrégats plus gros, pouvant supporter des charges plus lourdes. Cela ouvrira la voie au laboratoire pour imprimer en 3D des composants complets du pont et les tester.
Mme Nair espère également que son groupe pourra créer son propre mélange pour l’impression, plutôt que de s’en remettre aux matériaux prémélangés par les fabricants.
“L’empreinte carbone de ces matériaux est très élevée à l’heure actuelle”, a-t-elle déclaré. “C’est donc un autre objectif, celui de réduire l’empreinte carbone associée aux matériaux imprimés en 3D”.
