L'architecture asservie vers une nouvelle méthode de mise en œuvre

Charles Bouyssou R8

Introduction historique de l'utilisation des polymères en architecture

-les premières utilisations des polymères Pourquoi s'intéresser aux polymères ?

- Un nouvel intérêt pour les polymères - Une nouvelle manière de dessiner des formes-structures

Quel est l'objectif de la proposition

-Ce qui se fait déjà -La proposition

Méthodologie de la recherche

- définition des propriétés générales - définition des propriétés de l'extrusion - définition des moyens de l'extrusion

Protocole expérimental à mettre en place

- validation des hypothèses - voie de recherche

Introduction Quelle solution mêle robotique et matériaux ? Dans le but d'expérimenter une nouvelle méthode constructive, et de l'adapter à l'échelle architecturale, nous nous intéressons aux capacités qu'offre l'impression 3D. La volonté de réaliser une résille tridimensionnelle autoportante construite sans coffrage définit l'objectif de la recherche. Comme pré- requis, nous considérons que l'utilisation d'un bras six axes, nous permet d'atteindre la précision et les vitesses d'usinage désirés. C'est pourquoi nous nous intéressons particulièrement à la conception et à la détermination d'une tête d'extrusion. La définition d'un cahier des charges (cf. en pièces jointes) élaborée en partenariat avec une école d'ingénierie, a permis de borner la recherche tant sur le plan constructif que théorique. Comme critère principal, le temps d'extrusion et la quantité extrudée sont les facteurs déterminants. Car ils ont pour objectif d'atteindre la fabrication de la structure d'un pavillon d'environ 20 m² en 24 heures de manière autonome. Pour lier robotique et architecture, au sein d'une technique de construction simple, une méthode additive et préconisée dans le cahier des charges, nous avons statué sur l'utilisation d'une base

polymère. Car c'est un matériau qui présente une très vaste palette de possibilités techniques qui permettent de respecter les contraintes.

Lors de l'étude primaire des matériaux, parmi les 3 familles, métalliques, polymère et minéraux, il a paru évident : - Que les matériaux métalliques sont trop complexes à mettre en œuvre. - Que le matériau de base minérale a un temps de durcissement trop long pour atteindre une résistance satisfaisante alors, même en gérant précisément le degré de floculation de celui-ci. Même si cela a déjà été fait, mais seulement pour de l'extrusion verticale - Que Les polymères sont moins résistants, mais bien plus malléable et facile à mettre en œuvre.

Les polymères ont été nommés ainsi en 1866 par Berthelot pour la première fois. Ils se sont médiatisés au public grâce à l'invention du nylon 1938 par W. Carothers. Les polymères sont une famille de matériaux caractérisés par une longue chaîne moléculaire. Ils sont classifiés en deux, les polymères naturels et les artificiels. Chacune de ces familles regroupe trois types de polymères parmi lesquelles les élastomères (constitués d'une chaîne individuelle) les thermoplastiques (chaînes ramifiées) et les termo-dur (constitués de multiples chaînes se croisant). Nous nous intéresserons lors de cette étude principalement aux thermoplastiques qui offrant l'avantage de pouvoir changer d'état, de solide à visqueux sans trop de dégradation. Tous les polymères ont un point de transition vitreuse inférieur a 300°C ce qui les exclut de la construction sans aucun poste traitement vis-à-vis des conditions de résistance au feu .

. Photos réalisées à l'aide d'un module d’Young en fonction de température microscope à balayage d’un polymère électronique d’un ABS

Par la suite, nous nous intéressons particulièrement à l'ABS et au PLA. Le premier, car il est l'un des polymères les plus utilisés de nos jours, et donc on peut le trouver en grande quantité de manière économique, mais aussi on peut se procurer des guides sur les méthodes mises en oeuvre et des ces alliages possibles avec d'autres matériaux. Le PLA est quant à lui, est son équivalent bio-sourcer composé principalement de cellulose (éléments produits par tous les végétaux présents sur terre dans une quantité de 50 milliards de tonnes par an) et que l'on peut donc considérer comme une ressource renouvelable.

Historique de l'utilisation des polymères en architecture -les premières utilisations des polymères

Les premiers polymères étaient des plastiques composés à partir de base pétrolière.

L'utilisation de base pétrochimique n'étant pas renouvelable, ce sont davantage les propriétés techniques et esthétiques de ce matériau qui ont ete mises en avant tout au long de la culture pop-art des années 60.

C'est en avril 1955 que Ionel Schein conçoit, en collaboration avec Y. Magnant et R.A. Coulon, la première « maison tout en plastique ». Dès 1960, plusieurs architectes dont Häusermann utilisent du plastique pour différents types d'habitat le plus souvent modulaires ou transportables. Mais ces essais d’architecture resteront au stade d'expérimentation, jamais produit à grande échelle. Non pas pour des raisons économiques, mais principalement car le plastique devient un matériau de

consommation de masse, et perd sa noblesse. Ceci malgré la richesse des formes, textures et couleurs qu'il peut avoir.

Ionel Schein Maison tout en plastiques, Häusermann Cellules plastiques, 1968-1969 Salon des Arts ménagers, Paris, 1956-1997

Pourquoi s'intéresser aux polymères ? -Un nouvel intérêt pour les polymères

La considération comme matériaux non nobles des polymères est en partie du au fait

qu'ils sont assimilés dans la culture de par leurs grande diffusion comme de mauvaises qualités. Ils servent en effet pour la réalisation d'objets tels que des emballages. Mais peu à peu cette vision négative tend à disparaître, face au degré de technicité qui apparaît dans ce matériau aux yeux du grand public. En effet la démocratisation de l'impression 3D a rendu beaucoup plus visible l'intérêt que peut offrir ce genre de matériaux au grand public. Les Makers qui sont les personnes, qui ont participé au mouvement open source, qui s'est développée à la suite de la mise en libre accès des informations pour la réalisation de l'imprimante. 3D RepRap en 2006 sur des plates-formes libres ainsi que Wikipédia(partage des informations de montage) et GitHub (plate-forme de partage libre de code, 3D et autres). Cette première imprimante a seulement 8 modèles apparentés (découlant du modèle d'origine mais amélioré par les Makers) dans les deux années suivantes. Puis plus de 200 modèles différents en libre accès sur Internet seront disponibles encore deux ans plus tard.

- Une nouvelle manière de dessiner des formes-structures Un deuxième élément qui apparaît parallèlement, est qu’il devient possible d'optimiser de manière automatique la répartition des efforts dans les structures par des modèles d’optimisations par topologie. Celle-ci cherche à minimiser soit la quantité de matières, soit la déformation du modèle entré. Pour calculer ces modèles, les logiciels tels que solidthinking, ansys proposent de renseigner seulement les cas de charge, les centres de symétrie et une optimisation qui se calcule.

Quel est l'objectif de la proposition - Ce qui se fait déjà

Ici nous intéressons tout particulièrement à l'explication des deux principales technologies qui sont présentes dans l'impression 3D. La technique la plus classique est le FDM (filament deposition modeling) La tête (1) chauffe un matériau , qui se présente sous forme généralement de filament. Celui-ci est extrudé et déposé par couches. Dans cette technologie la tête sur le plateau est mobile en trois axes.

La seconde technologie, plus onéreuse, mais plus précise est la stéréolithographie. Elle fait appel à un laser dirigé, pour solidifier une résine ou un Polymère présent dans une solution. Dans ce modèle le plateau descend au fur et à mesure de la solidification. Le second facteur est l'échelle de ces imprimantes 3D .Si nous nous intéressons à la production à l échelle architecturale, il faut considérer trois échelles différentes correspondantes aux particuliers et aux professionnels, et/ou aux professionnels de très grande taille. l'échelle particuliers (RepRap) a une précision de 0.1 mm avec une dimension de production de 150 mm de coter. l'échelle professionnelle standard qui permet l' impression de matériaux diverses , ABS, résines multicolores, des céramiques, des métaux a quant à elle les dimensions de production de 800 mm de coter avec une résolution de 0,05 mm. La très grande échelle pratiquée dans des sociétés telles que voxeljet ou DShape ou les dimensions maximum des machines sont de 4 m avec des résolutions de 0.5 mm , permet d'imprimer des moules en sable maintenus en forme par des résines.

RepRap DShape

L'échelle au-dessus, résolument tourné vers une production architecturale, est celle ou là on s'intéresse à l'impression de béton grâce au procéder du contour cafting. C'est un procédé dans lequel une imprimante géante plus grande que le bâtiment à construire est mise en place et imprime directement la structure des murs porteurs. En avril 2014, la société "Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co" a réussi le défi d'imprimer 10 maisons de 200 m² chacune en 24 heures à l'aide de ce procédé. La technique du contour cafting ne permet actuellement que de l’extrusion verticale.

Chantier théorique maison imprimer chine détaille des mure

L'un des autres avancements majeurs dans le domaine de l'impression 3D à grande échelle est la maison d'Amsterdam imprimée entièrement à l'aide de polymères. Ce projet est toujours en cours de réalisation, il est réalisé par partis (au dimention de la machine faite sur mesure) et comprend 13 chambres. C'est principalement ce projet qui sert d'étalon technique tant que théorique pour cette article.

Parti du mure escalier détail d’impression

-la proposition

jusqu'ici, toutes les techniques d'imprimante reposent sur le fait que l'objet est compris à l'intérieur du volume capable de la machine. Et que cette machine, imprimer par couches successives en réalisant des supports si nécessaires

Les premières recherches pour une extrusion 3D vient du projet dans lequel est réaliser extrusion de résines polymères bi-composant, mélangez par mélangeurs statiques juste avant l'exclusion est refroidi par air, ce qui permet une extrusion totalement libérée de la gravité.

Extrusion réaliser a l’horizontale

La proposition, définie par l'exigence du cahier technique (soumis pour étude à une école d'ingénieurs) est de définir l’utilisation a l’échelle plus architecturale. En effet, l'intérêt d'imprimer tout un bâtiment d'un seul coup avec une technologie qui solutionne tout, est très complexe et coûteuse à développer.

L'idée est de proposer un élément capable de mettre en place une nouvelle typologie formelle pour la structure du bâtiment. Laquelle pourrait être obtenue par des moyens standard ou optimisé à travers des soldeurs génétiques qui viennent proposer une tout autre typologie formelle. C'est une nouvelle capacité de mise en oeuvre qui cherchait a être développée. L'emploi de cette technologie, pourrait être associé par exemple avec des bétons projetés sur un grillage mis en place sur la structure préalablement imprimer.

L'objectif technique a réaliser, est donc de parvenir à contrôler l'extrusion sans support d'un tube creux à grande échelle en 3D.

Proposition de réalisation simple proposition de réalisation complexe

optimiser à la répartition des charges

méthodologie de la recherche - définition des propriétés générales

Pour permettre de définir les moyens techniques de mise en oeuvre, nous allons définir un cas pratique des calculs. Il s'agit d'un dôme de 3 m de rayon (distance d'usinage atteignable par un robot ABB 1600-145) , dont la distance entre les couple est de 15 cm

Afin de vérifier les hypothèses constructives un calcul sur une poutre extrudée encastrée en un point, en ABS extrudé dont les dimensions sont de 3 m, est calculé.

Au sujet du matériau les informations viennent du logiciel CES EduPack soit : ABS(extruder) Masse volumique= 1.02e3 Kg/m^3 Module de rupture à la flexion = 40 - 80 Mpa avec D = 40 mm extrusion epp = 5 mm épaisseur extrusion d = D-2*epp = 30mm v : D/2, (la distance max à la fibre neutre) moment quadratique Igz: Igz =[ (D^4 - d^4) π ] / 64 Igz = 8.59e4 mm^4 moment flechissant Mfz: Mfz = (m . g )/2 . L/2 m = V*Ro ( V Volulme , Ro masse volumique) Mfz = 4,369e3 N Contrainte σ : σ = (Mfz . v ) / Igz σ= 1.017 Mpa La contrainte maximum n’est pas atteinte. Mais l'on ne sait pas encore si l'ABS a réussi à disperser l'intégralité de la chaleur, et donc obtenu sa résistance nominale.

Lors d'une visite du Laboratoire de procédés et ingénierie en mécanique et matériaux avec Justin Dirrenberger, la possibilités de mélanger l'ABS avec des composés fibrés, dans le but d'augmenter la conductivité thermique de l'ABS (qui est très faible et en même temps si possible de monter les propriétés mécaniques) ont été évoqué et semble réalisable, dans une recherche de second temps.

Une première simulation proposée est de coupler l'ABS avec des fibres quelques cuivres ou du carbone. Les propriétés techniques simulées sont de l'ordre de :

fibrage carbone : 20% 159 Mpa D = 1.13e3 kg/m^3 acier : 10% 79 Mpa D = 1.13e3 kgm^3 verre : 40% 164 Mpa D = 1.35e3 kg/m^3

Encastrement

Tubes extruder 3 m Avancement de la tête

d’extrusion

D d

fibre neutre

c'est-à-dire qu'on pourrait s'attendre à de telles propriétés techniques. Mais, la chimie des polymères qui reste un domaine très sensible, car les variations de composition peuvent provoquer de très grands écarts négatifs ou positifs dans les divers domaines de résistance du matériau (résistance mécanique, résistance chimique, porosité,…)

- définition des propriétés de l'extrusion

la première problématique, au sujet de l'extrusion à grande échelle, est le manque de vulgarisation. car l'industrie est la principale utilisatrice des polymères, l'utilisation ne documente que les principes de l'injection qui ne se réalise pas des pressions considérables 2000 bar mais il ont un contrôle total du process, car le rendement des productions est extrêmement grand.

Pour réussir à définir les domaines de variation des paramètres de base, j'ai été confronté à

des méthodes opposées mais qui se complémentent au niveau du résultat. En effet lors des tests préliminaires, le contrôle de la température lors de la transition vitreuse Tg du matériau est assez délicat. La transition vitreuse est la température à partir duquel le matériau rentre dans la phase caoutchoutique. Or après cette phase, une phase très courte en termes de Delta de température existe avant la température Td qui est la température de dégradation du polymère durant laquelle celui-ci est liquide.

Lors des tests et de l'extrusion réalisée avec la tête de première génération, dans lequel se trouvait un mélange sable colle chaude comme matériau, notre principal problème a été que nous ne contrôlions pas la température suffisamment précisément, et donc que nous dégradions le polymère. C'est pourquoi nous nous intéressons par la suite à dimensionner l'extrusion permise par un polymère connu.

La première source de renseignements à ce sujet est Christoph HELLMANN étudiant chercheur au PIMM sur le sujet «Conception d’une tête d’impression tridimensionnelle pour les pièces de grande taille »qui rejoint mon sujet. Lui, dans son étude cherche à définir quel est le meilleur type d'extrusion pour une grande échelle. Il s'intéresse donc à des extrudeuses standards. Dans son étude de faisabilité il prend en compte la dispersion thermique à l'intérieur même du matériau déposé, et calcule à l'aide de l'équation de la chaleur de D la température à avoir entre l'intérieur et l'extérieur ainsi que la section maximum de dépôt par couches. Il en conclut après une modélisation sous mathématica par l’équation du comportement de la chaleur, que l'épaisseur maximum de l'extrusion et de 5 mm et que le delta de température doit être inférieur à 70° pour permettre une reprise entre les couches.

Ces recherches vient être confirmées par les propos Adam Holloway architecte et

développeur de silkwarm, plug-in de Grasshopper qui permet de commander des imprimantes 3D. Ce plug-in ayant servi pour générer les parcours outils sur le projet de la maison d'Amsterdam lui ont permis de se forger une expérience avec extrusion plastique de manière totalement empirique. Et au final, ils ne sont jamais parvenu à extruder plus de 6 mm de diamètre. Car explique-t-il la chaleur

emmagasinée dans le coeur de la section, ne peut se dissiper, et donc conserve l'État caoutchouctique du matériau.

On peut voir qu' ils ont aussi été confrontés au chaleur cumuler des couche qui provoque des problème de brûler le polymère dans leur test. dilation de plusieurs cm entre ellement

Le second phénomène qu'il met en avant, est que la chaleur cumulée de l'ensemble de l'impression, produit des dilatations aux extrémités des pièces et induit des erreurs de plus de 5 cm. L'imprimante utilisée pour ce projet, est une imprimante conçue par les ingénieurs de makerbot, fonctionnant à l'aide d'une extrudeuse et d'un convoyage à chaud du polymère jusqu'à la tête extrusion. La composition du mélange polymères extrudée, reste confidentiele, même si son aspect de surface donne à penser qu'il y ait une base ABS. Un échantillon récupéré à Amsterdam est actuellement en cours de test pour déterminer ses propriétés mécaniques et la température de transition vitreuse. Celui-ci doit par la suite servir d'étalon test pour le reste des expérimentations puisque aucune information technique n'est divulguée actuellement sur ce projet.

Ces différents points de vue méthodologie nous permettent de conclure que le système doit intégrer une épaisseur maximum d'extrusion de 5 mm, système de refroidissement chauffe performants et adaptatifs provoquant un écoulement laminaire le long du tube extrudé.

Proposition de tette

- définition des moyens de l'extrusion Deux pistes se sont distinguées quant aux méthodes de mise en oeuvre de la machine d'extrusion. La première était de positionner l' extrudeuse en bout de bras du robot. Cette solution n'aura pas été retenue car la machinerie est généralement trop lourde et il faut tout de même convoyer les matières jusqu'à la tête.

Pour la première piste, deux hypothèses ont été explorées pour une tête en bout de robot. La

première était d’acheter une machine toute faite d’environ 2000 €, de la modifier à notre convenance (rajouter une commande moteur accouplée avec le robot, rajouter un système de refroidissement air pulsé) l'inconvénient majeur était que le débit de la machine extrusion était légèrement inférieur aux caractéristiques demandées en tant que vitesse et quantité d'extrusion par heure. Deuxième possibilité de construire nous-mêmes cette extrudeuse mais bien que moins cher, la structurée scannée est beaucoup plus lourde (il faut compter environ 500 € pour la vis à pas variable, 50 € pour les colis échauffants, 50 € pour le système d'asservissement en température et un moteur avec moto réducteur d'un couple extrêmement important)

Extrudeuse manuelle a air chaux pulser projet d’extrudeuse du PIMM

La seconde piste de recherche est d'excentrer le système d'extrusion grâce à un système de convoyage. Dans ce cas de figure, on considère avoir à disposition une machine d’extrusion industrielle ou semi industrielle. Et la principale question est comment réaliser un convoyage souple et chaud (250°C) allant de l'extruder à la tete d'extrusion. Une première expérimentation pour réaliser un convoyage souple artisanal, s'est avérée concluant, le contrôle de la température étant réalisé par l’asservissement des sondes d'éléments chauffants fixés sur un tuyau en inox tissé. À la suite, les Arts et Métiers ont éventuellement proposé de prêter du matériel, entre autre, des convoyeurs souples professionnels, bien plus adéquat pour l'opération.

Principe d’un convoyeur industrielle teste de fabrication d’un convoyeur artisanal Avec un asservissement en temps réel du circuit de puissance

2nd piste Extrudeuse excentré 1er piste Extrudeuse sur le bras

Protocole expérimental à mettre en place

- validation des hypothèses

Dans un premier temps, je voulais simplement vérifier que la distance de convoyage n'influe pas sur l'extrusion et que la machine à extrusion mise à disposition pouvait le réaliser. Ceci en faisant une extrusion simple d'un filament.

Dans un second temps, la réalisation d'une tête gérant les spécificités d'extrusion d'une section tubulaire, et enfin accoupler un système de chauffe et de refroidissement sur la tête contrôlée par le robot pour pouvoir asservir l'ensemble.

- voie de recherche

Une des voies les plus intéressantes à développer serait le contrôle de l'épaisseur des parois de la section du tube de manière dynamique le long de l'extrusion afin de pouvoir envisager de réaliser des structures optimisées avec des sections à géométrie variable.

Blibliographie

http://www.mataerial.com/ http://www.jorislaarman.com/mx3d-metal.html http://www.polymerexpert.fr/presentation/histoire-des-polymeres/

http://www.stratasys.com/ http://www.sculpteo.com/en/ http://www.voxeljet.de/

http://www.pslc.ws/french/index.htm http://perso.univ-rennes1.fr/jean-luc.audic/Cour_polym.pdf http://www.grantadesign.com/fr/education/accueil.htm

Matériaux et techniques, cours de R. Geoffrion, Cegep du vieux Montréal, 2007, http://www.cvm.qc.ca/geoffrio/index/materiau/

Introduction aux polymères, cours de T. Hamaide, Université de Lyon 1, http://spiral.univ-lyon1.fr/Files_m/M9951/WEB/index.htm

Info Plastiques, C. G’Sell, cours de l’INSIC, 2009, http://infoplastiques.blogspot.fr/

Physique des polymères vol 1 : Structure, fabrication, emploi, P. Combette, I. Ernoult, 217p. , Hermann Editeurs, Paris, 2005.

Matériaux polymères : structure, propriétés et applications, G. Ehrenstein, F. Montagne, 365 p. , Hermes, Paris, 2000.

Phase importante du projet

Visite et récupération d'échantillon pour référencement de valeur étalon : 3D Print Canal House

http://3dprintcanalhouse.com/

Visite des locaux et explication des principales techniques : d'Arts et Métiers Paris Tech http://pimm.paris.ensam.fr/