Cette innovation pourrait être un grand pas en avant pour l’industrie naissante de l’impression 3D. L’ASCC (Advanced Structures and Composites Center) de l’Université du Maine a réalisé un prototype de maison entièrement composé de matériaux biosourcés.
Dans 50 m², la structure, dévoilée sur le campus Orono de l’université en novembre 2022, est composée de fibres de bois et de ce que le Centre des composites a décrit comme des bio-résines, rendant le bâtiment entièrement recyclable. Tous les composants de la maison – toit, murs et sols – ont été imprimés sur ce que l’université dit être la plus grande imprimante 3D polymère au monde, le même appareil utilisé en 2019 pour produire un bateau.
Imprimé en quatre modules d’environ 5 tonnes chacun, BioHome3D a été assemblée sur une fondation à l’extérieur du Composites Center en une demi-journée environ, selon un communiqué de l’université. Le service électrique était opérationnel en moins de deux heures.
Les responsables sur place ont salué la technologie comme un moyen de fournir des logements plus abordables à une époque de pénurie de main-d’œuvre, d’approvisionnement et problèmes de chaîne. Les bâtiments imprimés se montent rapidement avec un minimum de travail sur site et pratiquement aucun gaspillage de production.
Notre État est confronté à la tempête parfaite d’une crise du logement et de pénuries de main-d’œuvre », a déclaré Mills, « mais l’Université du Maine intensifie une fois de plus pour montrer que nous pouvons relever ces graves défis avec l’ingéniosité de la marque du Maine. »
BioHome3D a été développé par l’ASCC en collaboration avec le laboratoire national d’Oak Ridge.
Ce qui rend BioHome différent
Le béton, un matériau à haute teneur en carbone incorporé et à très faible valeur R, est aujourd’hui le matériau le plus couramment utilisé pour imprimer des maisons. BioHome3D comble ces deux lacunes avec son mélange de matériaux biosourcés. La maison a peu besoin d’isolant puisqu’elle est en fait à partir de fibre de bois et cellulose soufflée. Le Composites Center indique que les valeurs R peuvent être personnalisées pour les besoins d’un site particulier.
De nombreuses technologies sont en cours de développement pour imprimer des maisons en 3D« , a déclaré le directeur exécutif de l’ASCC, le Dr Habib Dagher, « Mais contrairement à BioHome3D, la plupart sont imprimés avec du béton. »
Cependant, seuls les murs en béton sont imprimés sur une fondation en béton coulé de manière conventionnelle. Une charpente en bois traditionnelle ou des fermes en bois sont utilisées pour compléter le toit. Contrairement aux technologies existantes, l’ensemble de BioHome3D a été imprimé, y compris les sols, les murs et le toit. Les bio-matériaux utilisés sont 100 % recyclables, nos arrière-petits-enfants peuvent donc recycler entièrement BioHome3D.
Détails de construction du prototype du Maine
Dagher ajoute que l’impression BioHome3D a couronné des décennies de recherche à l’université, y compris des tests d’un matériau à base de bois extrudé dans le monde entier. Dans les régions équatoriales, il a surpassé le bois traité sous pression.
Le processus commence avec les résidus de bois laissés par les scieries, qui étaient autrefois destinés aux usines de pâtes à papier. La fibre de bois est broyée en micro et nanoparticules et combinée avec une résine qui peut être dérivée du maïs, du bois ou d’autres matériaux (le mélange exact de résine pour cette maison n’a pas été divulgué). Environ 60% du matériau est de la farine de bois en poids et le reste est de la résine.
Le matériau imprimé résiste à la pourriture grâce à la résine qui empêche l’intrusion d’eau. Lorsqu’il est temps de recycler un bâtiment, il est simplement broyé avec les résidus envoyés dans l’imprimante une autre fois.
Le Composites Center étudie actuellement ce qui arrive aux propriétés d’origine du matériau après des cycles répétés d’impression, de recyclage et de réimpression. » a déclaré Dagher.
L’un des avantages du processus d’impression est que l’épaisseur des murs et du toit, et donc la valeur R du bâtiment, peut être ajustée pour répondre aux conditions du site. Dans la maison de démonstration d’Orono, les murs ont une épaisseur d’environ 25 cm et le toit un peu plus épais que cela. Cela pourrait ne pas être suffisant pour répondre aux exigences actuelles de certains Etats, mais les rendre plus épais n’est pas un problème. Et nul besoin de se baser sur des sections de bois standards. Il est ainsi possible d’adapter la conception des murs aux performances thermiques demandées !
Les sections murales sont imprimées avec une couche intérieure et extérieure. Les deux sont reliés par un renfort en treillis et la cavité est remplie d’isolant cellulosique.
L’assemblage de matériaux biosourcés est un bien meilleur isolant que le béton, et il séquestre également le carbone. Si le processus pouvait inclure des forêts cultivées de manière durable comme source de bois, » a-t-il déclaré, « les arbres deviennent une séquestration du carbone et la maison devient une unité de stockage du carbone, et c’est ainsi que nous voyons ce processus particulier« .
Les vitesses d’impression – une clé pour rendre une structure imprimée compétitive par rapport à la construction en bâton – ont considérablement augmenté au fil du temps.
Quand on lui demande combien de temps il a fallu pour imprimer BioHome3D, Dagher répond en riant : « En ce moment, trop longtemps. Mais quand nous avons commencé à le faire il y a des années, c’était 10 kg à l’heure. Lorsque nous avons imprimé cette maison, elle était de 60 kg à l’heure, six fois plus rapide, et le mois dernier, nous avons installé une extrudeuse de 250 kg à l’heure, sur laquelle nous effectuons des tests. La clé de cette technologie est vraiment la mise à l’échelle que nous faisons en ce moment. Avec ce premier prototype on ne vise pas vraiment la vitesse, on mise sur le fonctionnement ! Peut-on le réaliser ? Est-ce que ça tient dans l’environnement ? C’est ce que nous essayons de comprendre. »
En fin de compte, explique Dagher, l’objectif est d’imprimer une maison de cette taille en 48 heures. À ce moment-là, il pense que ce serait moins cher à construire qu’un bâtiment à ossature conventionnelle.
BioHome3D est équipée d’une variété de capteurs pour mesurer la résistance thermique, les ponts thermiques, l’intégrité structurelle et d’autres valeurs essentielles pour mieux comprendre le processus. Certains des murs ont été laissés tels quels et d’autres recouverts de cloisons sèches, pour montrer aux visiteurs les différentes options possibles. Mais Dagher a déclaré que le matériau biosourcé brut avait plus de succès.
Les gens adorent son apparence », a-t-il déclaré. «Quand ils entrent, ils disent wow, je veux vivre là-dedans. Je n’ai pas vu une seule personne entrer qui ne veuille pas vivre ici. Il y a une sensation très chaleureuse. Quelqu’un est venu et m’a dit que cela ne devrait pas être une maison à faible revenu, mais plutôt une maison très haut de gamme. »
En résumé :
La première maison 100% bio au monde
- Chaque module est fabriqué à 100% de manière additive – sols, murs et toit – ce qui différencie cette maison des maisons commerciales imprimées en 3D actuelles.
- Matériaux locaux en fibre de bois et bio-résine développés par le partenariat Hub & Spoke
- Les murs, les sols et le toit sont tous imprimés, contrairement aux projets de logements imprimés en 3D existants.
Maison unifamiliale de 50 m2
- Assemblage modulaire hors site hautement automatisé
- Conçus sous forme de modules imprimés séparés pour faciliter le transport et l’assemblage.
- Conçu avec la contribution de la Maine State Housing Authority
- Les matériaux utilisés sont 100% recyclables
- La maison est isolée avec une combinaison d’isolant en fibre de bois et d’isolant en cellulose soufflée.
Efforts techniques de R&D menant à BioHome3D
- Production de nanofibres de cellulose, y compris séchage, fonctionnalisation, mélange avec des thermoplastiques
- Modélisation multi-échelle
- Traitement AM important et à haut débit
- Démonstration d’un nouveau grade de PLA biosourcé formulé pour la fabrication additive
- Analyse du cycle de vie
Plus d’infos : BioHome3D
A noter : si ce prototype de construction 3D est une première en matériaux 100% biosourcés, ce n’est pas du tout la première avec des matériaux incorporant du biosourcé ou géosourcé. Il existe déjà des prototypes réalisés en terre crue, avec de la paille (ici ou là) du chanvre, de l’écorce de riz, et d’autres avec du bois (ici ou là).
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