Nantes inaugure le premier logement construit avec une imprimante 3D : Rencontre avec Batiprint 3D

maison construite par impression 3D à Nantes

Ce 21 mars 2018 pourrait poser les premières pierres d’une nouvelle révolution dans le bâtiment. Dans ce secteur réputé pour être particulièrement conservateur mais aujourd’hui bousculé par le numérique et le BIM, l’innovation porte un nom : « Yhnova ». Née dans le quartier nantais de la Bottière à la pointe d’une technologie révolutionnaire d’impression 3D dénommée Batiprint3D™, cette maison imprimée en 3D est la première construction du genre en France mais aussi le premier logement 3D habitable dans le monde. Ce projet fou inauguré aujourd’hui en la présence de Johanna Rolland maire de Nantes, est le fruit d’un travail interdisciplinaire entre des équipes de recherche du Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes et de l’institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, mais aussi de la collaboration réussie entre public et privé. A l’occasion de son inauguration, Benoit Furet, chercheur et porteur du projet pour l’Université de Nantes, nous ouvre les portes de cette construction d’un nouveau genre synonyme de nouvelles perspectives passionnantes pour le bâtiment.

« L’impression 3D pour la construction et le bâtiment offre de nouvelles possibilités de réalisation de formes complexe »

Benoit Furet

Benoit bonjour, peux-tu te présenter et définir tes fonctions ? Comment devient-on responsable d’un tel projet ?

Je suis Professeur des Universités en poste à l’IUT de Nantes, chercheur au sein du laboratoire LS2N, conseiller Innovation et Relations Entreprises auprès du Président de l’Université de Nantes. J’ai fait mes études à l’IUT de Nantes puis à l’Université avant d’aller à Normale Sup préparer l’agreg que j’ai eu et qui m’a permis d’avoir mon premier poste d’enseignant à l’IUT de Nantes. En poste, j’ai travaillé en recherche pour passer un doctorat en sciences de l’ingénieur et après plusieurs années d’encadrement et de projets, j’ai obtenu l’Habilitation à Diriger des Recherches.

J’ai maintenant 55 ans, j’enseigne toujours à l’université de Nantes différentes matières telles que la conception, la fabrication, la robotique, la fabrication additive, le digital et l’usine du futur… Je suis aussi chercheur au LS2N, le Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes qui regroupe 450 personnes. J’ai participé à la rédaction d’environ 120 publications internationales, encadré plus de 20 doctorants et piloté plus de 25 projets de recherche.

J’affectionne particulièrement les travaux de recherche dont la démarche scientifique permet d’aboutir à des finalités industrielles à courts termes. Ceci m’a amené à travailler avec des grands groupes de l’industrie manufacturière de l’aéronautique, de l’automobile ou de la navale, ainsi que de la construction, mais aussi avec des entreprises de tailles beaucoup plus petites PME ou startup. Batiprint3d est donc un de mes derniers projets montés.

« Dès les années 2000, nous avons fait soutenir des premières thèses sur des sujets autour de la fabrication additive »

Dans quelles circonstances as-tu découvert l’impression 3D. Pressentais-tu déjà le caractère disruptif de cette technologie ?

Enseignant/chercheur travaillant dans le domaine de la maîtrise et l’optimisation des procédés de fabrication, c’est tout naturellement que j’ai découvert l’impression 3d depuis plusieurs décennies ; c’est au début des années 90 dans un congrès de recherche. Avec certains collègues nous avons donc commencé à approfondir nos connaissances sur ces nouveaux procédés que l’on précisait comme étant du Prototypage Rapide et nos travaux de recherche se sont portés sur le couplage de ces pratiques avec les procédés plus classiques d’usinage ou d’électro-érosion.

Dès les années 2000, nous avons fait soutenir des premières thèses sur des sujets autour de la fabrication additive avec des comparaisons de procédés ou l’aide choix de procédé. Et depuis les choses ont bien évolué !!!

« Nous avons donc conçu une imprimante 3D en taille XL pour créer des objets en 3D de plus 3 mètres… »

Présente nous Batiprint 3D et raconte nous la genèse de ce projet.

A l’origine en 2015, j’ai eu l’idée d’imprimer des objets plus grands pour répondre aux besoins de modèles de formes 3D. Nous avons donc travaillé sur la conception d’un moyen destiné à réaliser des impressions en 3D de plus grande envergure. Comme de nombreuses entreprises liées à la construction navale sont implantées dans notre région, notre projet a trouvé un débouché immédiat. En effet, ces industries ont besoin de pièces spécifiques de grande taille, qui jusqu’à présent ne pouvaient être obtenues que par usinage. Nous avons donc conçu une imprimante 3D en taille XL pour créer des objets en 3D de plus 3 mètres sur 3 mètres et le tout avec un robot. La plus part des modèles sont en mousse de type polystyrène, j’ai eu l’idée de partir d’une mousse que l’on déposerait donc de PU imprimée comme sur une imprimante 3d classique.

Alors que nous finissions la conception de notre imprimante grande taille, le Népal a connu le pire tremblement de terre de son histoire. Nous avons vu à la télévision des maisons détruites et des familles entières dans les décombres devant survivre dehors dans des conditions climatiques très difficiles. C’est de là qu’a germé l’idée de se servir de notre imprimante 3D pour construire un habitat d’urgence en mousse polymère. Cet abri est une petite maison d’environ 9 m3 peut être construit en 20 à 30 minutes par l’imprimante. Grâce à cet abri, 3 personnes pouvaient disposer d’un toit en attendant que la construction de leur nouvelle maison soit lancée. Il s’agissait du concept Innoprint3d…

« l’idée de construire de « vraie » maison de plus grande taille a donc germé »

Ce système a très bien fonctionné, l’idée de construire de « vraie » maison de plus grande taille a donc germé. J’ai alors travaillé sur la bibliographie, analysé les publications et voyagé pour étudier la technologie en impression 3D des autres pays, et voir comment ils l’avaient adapté à l’immobilier. J’ai découvert des approches très différentes. Les Chinois se servent d’une machine de grande taille placée sur un rail, qui imprime en 3D des éléments de construction. Ces derniers sont ensuite assemblés de façon traditionnelle.

Les Australiens ont conçu une machine pour imprimer et assembler 1 000 briques par heure. Cela leur permet de construire des murs parfaits en un temps record. Les Russes bâtissent, à l’aide d’une imprimante 3D de grande taille à poteau fixe et tournant à 360°, les murs en béton de formes traditionnelles rondes de 38m2. Les Danois ont plutôt développé une technologie de dépose de mortier qu’ils ont testé pour la construction de bureaux. Enfin, les Américains s’intéressent aussi à l’impression 3D XL depuis longtemps, ils ont déposé de nombreux brevets sans avoir pour le moment réalisé des constructions réelles.

« Elle imprime en 3D des banches creuses en mousse polymère au sein desquelles est coulé du béton »

Comment fonctionne votre technologie et quelles sont les capacités de votre machine ? Quels sont les avantages et les limites de Batiprint3DTM par apport aux techniques traditionnelles ?

Nous avons mis en lumière que pour imprimer une maison en 3D, il fallait résoudre deux problèmes. D’abord assurer la solidité de la structure, qui doit supporter un poids important, et ensuite réaliser l’isolation de l’habitat. Nous avons alors mis au point une nouvelle technologie pour répondre à ces contraintes. Nous avons développé une machine mobile, placée sur une plateforme à roues, avec un bras articulé.

Elle imprime en 3D des banches creuses en mousse polymère au sein desquelles est coulé, au fur et à mesure de la progression de la construction, du béton. L’ensemble robotisé pèse 1,8 tonne pour l0,85 x L2 x H2. La hauteur max réalisée pour la maison actuelle est de 4m mais nous avons développé la solution pour monter à 7,5m pour la prochaine maison qui est avec un étage.

Avec ce procédé, nous faisons d’une pierre deux coups, puisque la structure est en béton et l’isolation interne et externe de la maison est assurée par la mousse polymère. Notre logement répond aux normes RT2012 – 40%, il est donc très économe. Autre avantage de notre machine : comme elle est parfaitement mobile, elle peut imprimer des murs courbes pour répondre à toutes les contraintes architecturales.

Au final, notre imprimante XXL, dirigée par deux opérateurs, a permis d’imprimer une maison de 95 m2, avec 55 m de murs linéaires sur presque 4m de hauteur, en 54 heures. Il s’agissait d’un prototype, mais si le modèle était refait, nous estimons qu’il ne faudrait que 33 heures pour une construction identique. A ce temps d’impression, se rajoute celui de la construction de la charpente, la pose de la toiture et des huisseries et les finitions des murs intérieurs et extérieurs.

« notre dossier a obtenu auprès du CSTB toutes les certifications nécessaires »

Avant de lancer la construction, des bureaux d’études ont vérifié que notre maison répondait aux normes de construction et qu’elle était habitable. Ils ont réalisé des tests de résistance au feu, calculs de structure… Au final, notre dossier a obtenu auprès du CSTB toutes les certifications nécessaires. Nous avons bien sûr travaillé avec un architecte.

Notre machine est d’ailleurs paramétrée pour récupérer directement le fichier de conception de la maison sur l’ordinateur de l’architecte. Cela lui permet d’adapter à l’instant T l’impression 3D en modifiant ses plans jusqu’au dernier moment. Ce qui pourra s’avérer très utile si, par exemple, il faut décaler une porte ou une fenêtre pour répondre à des contraintes de vue, d’alignement sur la voie publique… Dans notre cas, l’architecte a conçu une maison avec des murs en courbe, pour l’adapter au terrain, car des arbres implantés sur la parcelle faisaient partie d’un espace boisé classé donc étaient protégés.

Enfin, nous avons travaillé avec une entreprise de maçonnerie. En effet, si notre machine imprime les murs, elle ne dispose pas, pour le moment, de la technologie suffisante pour imprimer la chape au sol et le toit. A terme, elle n’est pas destinée à remplacer les maçons, mais plutôt à faire évoluer leur travail pour en diminuer la pénibilité. Notre imprimante est autonome mais elle est programmée par un humain qui connaît le métier de la construction et a encore besoin de lui pour les changements lors du passage du polymère au béton.

« Le croisement des domaines permettent des frictions créatives propices aux innovations… »

Votre coffrage jouant également le rôle d’isolant, cela engendre certaines contraintes par apport à la formulation du béton. Que peux-tu nous dire là dessus et les autres problématiques rencontrés, je pense notamment à la précision de positionnement du robot ?

Réaliser directement une vraie maison par impression 3D sur une zone sismique de niveau 3 qui va être réellement habitée n’est pas chose facile en si peu de temps. Entre l’idée et la réalisation, nous n’avons eu que 11 mois. La réussite vient principalement d’un super travail conjoint entre le labo GeM (spécialiste du Génie Civil) et le labo LS2N (spécialiste du numérique, de robotique et des procédés) respectivement de l’IUT de St Nazaire et de l’IUT de Nantes, le tout fédéré par l’Université de Nantes. Un vrai travail d’équipe combinant les spécialistes de domaines différents ayant des compétences scientifiques et expérimentales reconnues. Le croisement des domaines permettent des frictions créatives propices aux innovations…

En parallèle, avec les moyens de ces labos de l’Université et de leurs moyens, il a été possible de simuler et tester certains aspects techniques particuliers comme : le coffrage du béton entre deux parois isolantes, la formulation du béton pour faciliter le placement tout en assurant la raideur, la gestion des ferraillages verticaux et les chainages horizontaux, le jonctionnement avec les menuiseries, la logistique des coulées de béton vis-à-vis des parois isolantes, le recalage du robot rouleur en fonction des défauts de la dalle en béton…

« nous avons imprimé une maison en courbe, une particularité très coûteuse pour la construction traditionnelle »

A combien se chiffre le coût de la construction ? Cela reste-il encore rentable dés lors que l’on sort des géométries complexes ?

Dans notre cas oui, puisque nous avons imprimé une maison en courbe, une particularité très coûteuse pour la construction traditionnelle. Au final elle revient 30% moins cher, mais pour une maison cubique classique, les coûts de construction entre impression et construction traditionnelle sont actuellement identiques.

L’impression 3D pour la construction et le bâtiment offre comme pour les autres domaines des industries manufacturières (aéro, nautisme, automobile…) de nouvelles possibilités de réalisation de formes complexe… Aujourd’hui on construit des maisons « cubiques » pour des raisons de « fabrication et de coûts » alors que d’un point de vue résistance mécanique, de performance thermique ou de confort sensoriel… les formes courbes apportent énormément. Ensuite on peut parfaitement travailler aussi en utilisant des principes de l’optimisation topologique…

« Il a fallu combiner entre innovations potentielles et possibilités de validation le tout avec un timing plutôt serré »

Le bâtiment est réputé pour être particulièrement conservateur. S’agissant d’une maison imprimée en 3D, qui plus est habitable, à quelles problématiques et réticences avez-vous été confrontés ?

D’un point de vue technique, les problèmes rencontrés ont été solutionnés au fur et à mesure avant le passage à la réalisation complète. Là où il a fallu être le plus attentionné est la réglementation. Dès lors que l’on modifie des façons de faire et que l’on sort des certifications… plus personne ne veut suivre, du fait des responsabilités et des assurances.

Nous avons travaillé conjointement entre Nantes Métropole Habitat, le bailleur social Nantais en charge du projet et le CSTB, organisme français de certification. L’Université de Nantes a donc porté ce que l’on appelle un dossier technique spécifique pour une demande d’ATEx (Appréciation Technique d’Expérimentation) qui a été expertisé et soumis en commission d’évaluation avant d’être validé pour que nous puissions commencer la construction. Il a fallu combiner entre innovations potentielles et possibilités de validation le tout avec un timing plutôt serré ; nous sommes donc allés moins loin que ce que nous imaginions au départ sur certaines innovations… ce sera pour la prochaine fois.

« un logement social de type T5 de plein pied, de 95m2 avec 4 chambres »

La maison Yhnova vient d’être livrée après seulement trois mois de construction. Présente-nous ce logement et ses équipements. Combien de personnes pourra t’elle accueillir ?

Il s’agit d’un logement social de type T5 de plein pied, de 95 m2 avec 4 chambres, 2 salles d’eau, un séjour-cuisine, un cellier… C’est ce que l’on appelle une « maison d’architecte » alors que c’est un logement HLM, des grandes courbes sur l’extérieur et dans les angles, un acrotère courbe, des baies vitrées hautes ou larges, le tout entouré d’arbres… avant il y avait « la p’tite maison dans la prairie » maintenant il y a « la grande maison de ville dans la clairière ».

A l’intérieur, en rentrant pas la porte principale, on arrive dans le séjour, avec un placard d’entrée, une vue sur une grande pièce avec deux grandes baies vitrées courbes, une de chaque côté, avec une première porte, à gauche, donnant accès à un petit couloir desservant un salle d’eau, un grand placard et une chambre spécifique PMR.

Toujours dans le séjour, on retrouve la cuisine aménagée avec de chaque côté une porte donnant chacune accès à une chambre. Et en face de la cuisine, une autre porte permet d’accéder à un second petit couloir desservant la deuxième salle d’eau, un second grand placard et donc la quatrième chambre. Des grandes courbes dans le séjour et des arrondis dans les angles des murs extérieurs des chambres, cela donne un bel aspect et des volumes « apaisés ».

Dans le séjour, les poudres apparentes sont posées non parallèles et converges vers le centre de la courbure du mur orienté sud-ouest et donc vers la grande baie vitrée ouverte sur le jardin…

Yhnova représente aussi j’imagine une formidable aventure humaine et technique, mobilisant de nombreuses compétences et expertises. Qui sont ces protagonistes ? Quel est ton bilan ?

Comme nous l’avons précisé, c’est un vrai travail d’équipe propre à l’Université de Nantes, ses IUT, ses labos LS2N et GeM, sa société de valorisation la SATT Ouest Valorisation… mais aussi une excellente collaboration avec les structures telles que Nantes Métropole et Nantes Métropole Habitat, ainsi qu’avec la Caisse des Dépôt, le cabinet d’architecture TICA, le CSTB… Les entreprises partenaires ont été indispensables à la réussite du reste de la maison, en particulier : Bouygues, Lafarge, Covestro, PRB, Carreterro-Meyer, Saunier Duval, Bouvet, Baudet, Manitou.

Un bilan super positif… et surtout une super satisfaction de l’avoir imaginé et de l’avoir fait… certains conçoivent des bateaux les fabriquent et battent des records de traversée des océans… nous nous avons fait une maison par impression 3d avec un robot, on la verra pendant plusieurs décennies, je serai mort avant elle…

« Nous imaginons avec Nantes Métropole Habitat un Yhnova 2 »

Forts de ce premier succès, quelle est votre feuille de route ? Création d’une start-up, un Yhnova 2 ? BatiPrint3DTM a semble t-il suscité l’attention de constructeurs chinois. Avez-vous déjà chiffré des solutions ?

La suite, c’est la création de la start-up BATIPRINT3D avec quatre collègues, l’Université ;la SATT Ouest Valo… et ceux qui voudront nous accompagner. Nous échangeons avec différents constructeurs pour de nouvelles réalisations, nous chiffrons déjà des interventions… Nous imaginons avec Nantes Métropole Habitat un Yhnova 2 qui serait une maison avec un étage (nous avons déjà résolue la problématique de la hauteur)…

Je rêve de réaliser un lotissement péri-urbain de nouvelle génération avec toutes les maisons différentes les unes des autres amis avec des formes adaptées aux besoins et à l’environnement… Nous travaillons aussi sur la recherche de solutions pour employer des matériaux bio-sourcés…

Pour finir comment vois-tu évoluer la construction 3D dans les années à venir ?

Elle va complètement se révolutionner comme cela a été le cas dans l’industrie manufacturière… le
numérique va accélérer drastiquement le mouvement… l’impression 3d sera une des solutions de
construction, tout comme la préfabrication, les matériaux bio-sourcés, le downsize, la modularité dans le temps, l’optimisation d’usage…

« Ouverte au public toute la journée du 7 avril prochain, la maison Yhnova accueillera également la Maison régionale d’architecture qui interviendra auprès des 3 écoles du quartier sur le thème architecture et numérique pendant 6 semaines entre avril et juin.

La maison accueillera sa première famille en juin 2018 selon les critères habituels du logement social. La maison sera en outre équipée de capteurs (qualité de l’air, humidité, température…) visant à d’évaluer et analyser l’évolution des matériaux, la qualité thermique et acoustique. Ces équipements permettront aux locataires de faire des économies sur leur facture énergétique.

Batiprint a été sollicité pour d’autres projets en dehors de la France dont une structure commerciale de 700 m2 de forme complexe et un centre de vacances de 80 logements sur l’Ile Maurice »

@crédit photos Patrick Garçon et Valéry Joncheray

Retrouvez ci-dessous un timelapse du projet

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