FR3116465A1

FR3116465A1 - Procédé de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre et système de mise en œuvre

Info

Publication number: FR3116465A1
Application number: FR2011989A
Authority: FR
Inventors: Imen GHATTASSI
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: FR3116465B1

Abstract

Procédé de fabrication d’une structure architecturale ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre et système de mise en œuvre Un aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure architecturale ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre, comportant les opérations suivantes : caractérisation d’un matériau à base de terre pour déterminer si ledit matériau à base de terre est extrudable ;lorsqu’un matériau à base de terre est déterminé comme extrudable, caractérisation de l’imprimabilité dudit matériau à base de terre ;formulation de ce matériau à base de terre pour la constructibilité ; etimpression de la structure architecturale et/ou constructive au moyen d’une imprimante 3D dans laquelle est injecté le matériau à base de terre. Un autre aspect de l’invention concerne un système de mise en œuvre de ce procédé. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 7

Description

Procédé de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre et système de mise en œuvre

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé de fabrication par impression 3D de structures architecturales et/ou constructives en matériau à base de terre dans lequel ledit matériau à base de terre est formulé pour l’extrudabilité, l’imprimabilité et la constructibilité en vue d’être imprimé en 3D. L’invention concerne également un système de mise en œuvre de ce procédé et donc de l’impression 3D du matériau à base de terre.

En effet, l’invention concerne l’impression 3D, comme par exemple la fabrication additive, d’un matériau à base de terre, dans lequel la terre est brute avec de l’eau et/ou avec un ou plusieurs additifs comme expliqué ultérieurement. Dans tout le texte, le terme « terre » désigne tout matériau à base d’une ou plusieurs argiles, les sols, les terres de terrassement, la terre excavée, la terre excavée ou de terrassement (issues des travaux de construction, d’architecture et/ou de travaux publics), les terres des sols ou des mélanges de terres, des mélanges d’argiles recomposés ou naturels, la terre recomposée ou reconstituée dont la granulométrie et/ou la composition est changée, redéfinie ou non, ainsi que les sols et terres considérés comme déchets comme, par exemple, les terres du Grand-Paris et du Grand-Paris Express.

L’invention concerne plus particulièrement le procédé de caractérisation et de formulation de ladite terre, des sols, des terres excavées, des terres excavées considérées comme déchets telles que les terres du Grand-Paris, ainsi que le système permettant la mise en œuvre de ce procédé. Le système de mise en œuvre de ce procédé, appelé aussi système d’impression 3D du matériau à base de ladite terre, concerne, par exemple, la fabrication additive des structures architecturales et/ou additive dans laquelle la terre citée ci-dessus est utilisée, par exemple recyclée. Ce système comprend notamment un système d’extrusion adéquat à ces matériaux et la tête d’impression qui leurs convient.

L’invention trouve des applications qui sont nombreuses et prometteuses dans tous les domaines de la construction, du design, de l’architecture, de l’architecture d’intérieur, de l’urbanisme, des œuvres d’art, du mobiliers (intérieur, extérieur et urbain). Elle trouve en particulier des applications dans les domaines de l’ingénierie du bâtiment et de la décoration.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

La construction en terre a récemment regagné beaucoup d'attention dans l'industrie du bâtiment en raison de son faible impact environnemental et de sa recyclabilité. Néanmoins, son développement à travers les techniques traditionnelles connues reste limité en raison du faible taux de production, des difficultés d’assurabilité et du prix élevé dû au coût cher de la main-d’œuvre et au temps nécessaire à la production manuelle. Afin de limiter les coûts, économiser la matière et réduire les déchets de la construction, ainsi que répondre aux problématiques éco-orientés dans le domaine de la construction, de l’architecture et de l’urbanisme, le recours à la technique d’impression 3D de la terre s’avère pertinent.

En effet, l’impression 3D de la terre apporte de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles manuelles ou mécaniques de construction en terre, tels que les formes et géométries complexes (par ajout de couches successives), permettant l’amélioration de l’efficacité énergétique, structurelle et thermique de la terre, ainsi que l’isolation et le fonctionnement de la ventilation et du bio climatisme lié au matériau dit terre.

L’impression 3D de la terre, comme par exemple la fabrication additive, permet aussi l’automatisation de la production de structures architecturales et de la construction, la sécurité et la rapidité de la production sur le chantier, etc…

Entre autres, le recours au matériau dit terre permet d’offrir des avantages dans la mesure où la terre est un matériau écologique et recyclable à l’infini et où il offre également de meilleures performances énergétiques (par rapport à de nombreux matériaux traditionnels) grâce à ses propriétés de régulation de la température, à son l’humidité interne et à son inertie thermique, ce qui permet l’amélioration du confort hygrothermique des structures architecturales et/ou constructives imprimées en 3D. En outre, l’ajout d’additifs (naturels et biologiques, non naturels, industriels et/ou industrialisés, etc.) permet en plus une amélioration des capacités mécaniques du matériau à base de terre, imprimé ainsi que la réduction de son retrait, de son craquage, de sa fissuration à l’état durci, de son gonflement à l’état humidifié et aussi une amélioration des capacités énergétiques d’une manière générale, thermiques, acoustiques et d’isolation.

Aussi est-il indispensable de mentionner que la durabilité et l'économie circulaire sont des enjeux importants de la construction contemporaine, et les techniques de ladite terre sont des solutions prometteuses. Certains défis sont bien connus pour les matériaux à base de terre, tels que la fissuration induite par le retrait au séchage ou une faible résistance mécanique. De plus, des mesures sur le terrain pour obtenir les propriétés rhéologiques des matériaux à base de ladite terre frais sont nécessaires dans les applications industrielles et dans l’impression 3D, mais le procédé pour le faire est encore absent. C’est une des difficultés rencontrées pour pouvoir caractériser les matériaux à base de terre sur chantier pour en faire un matériau utilisable pour la construction.

En particulier, les difficultés rencontrées pour l’impression 3D de la terre concerne l’absence de procédé scientifique pour caractériser l’extrudabilité de ladite terre, caractériser son imprimabilité et son état visqueux et visqueux élastique et formuler le matériau à base de ladite terre pour la constructibilité. La difficulté énorme concerne la détermination du bon mélange, extrudable, ensuite imprimable et enfin valable pour la construction. La définition et la formulation de l’état rhéologique de la terre incarne une difficulté majeure, la définition des paramètres et étapes qui rentrent en jeu pour déterminer la constructibilité du mélange imprimable est entre autres absente.

Il existe donc un réel besoin d’un procédé scientifique pour la formulation de l’extrudabilité, de l’imprimabilité et ensuite de la constructibilité du matériau à base de terre pour l’impression en 3D, ainsi qu’un système d’impression 3D permettant la mise en œuvre du procédé.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus, le demandeur a développé un procédé de fabrication par impression 3D de structures architecturales et/ou constructives à base de terre. Le demandeur a, en particulier, développé un procédé pour la formulation de l’extrudabilité, de l’imprimabilité 3D et de la constructibilité du matériau à base de terre pour l’impression en 3D. Il a également développé un système d’impression 3D qui permet la mise en œuvre de ce procédé.

Le procédé développé dans cette invention permet la fabrication, à petite, moyenne et grande échelles, de structures constructives et/ou architecturales par exemple pour la construction. Dans tout le texte, le terme « structure architecturale et/ou constructive » désigne à la fois des éléments de construction individuels (comme des briques, des briques et macros-éléments avec des formes complexes ou non (à l’intérieur ou à l’extérieur de la brique et du macroélément, comme des murs, des piliers, des mobiliers urbains, etc.), des briques et macros-éléments alvéolés ou non), des structures et constructions complètes (comme un bâtiment pour toutes sortes d’usages, un immeuble, une maison, etc.), des pièces (comme des œuvres artistiques, des éléments décoratifs, des sculptures, etc.), du mobilier urbain et des éléments d’aménagement intérieur et extérieur.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre, comportant les opérations suivantes :

caractérisation d’un matériau à base de terre (opération a) pour déterminer si ledit matériau à base deladite terre est extrudable ;
lorsqu’un matériau à base de la terre est déterminé comme extrudable, caractérisation de l’imprimabilité dudit matériau à base de ladite terre (opération b);
formulation de ce matériau à base de la terre pour la constructibilité, (opération c) le matériau à base de terre comportant la terre rendue imprimable et constructible ; et
impression de la structure architecturale et/ou constructive au moyen d’une imprimante 3D dans laquelle est injectée le matériau à base de terre.

Ce procédé permet la fabrication de structures à formes et géométries complexes à partir du matériau écologique et recyclable qu’est la terre.

Un autre aspect de l’invention concerne un système de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre, mettant en œuvre le procédé tel que défini ci-dessus.

De façon avantageuse, ce système comporte :

une imprimante 3D équipée d’une tête d’impression,
un fût d’alimentation en matériau à base de terre, ledit fût étant relié à la tête d’impression par un conduit de transport du matériau à base de terre, et
un dispositif d’application d’une pression pour porter le matériau à base de terre à une pression d’extrusion prédéterminée.

Ce système a l’avantage de permettre la mise en œuvre automatisée du procédé défini précédemment.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La représente schématiquement les limites d’Atterberg de la terre (non tamisée) avec la méthode du plongeur de consistance (peu importe la granulométrie et la composition de ladite terre) ;

La représente une vue schématique d’un exemple de test de compression pour un échantillon selon le protocole de l’invention ;

La représente une vue schématique d’un plongeur de consistance lors d’une mesure de hauteur de pénétration dans la terre ;

La représente un tableau montrant des exemples de contraintes d’élasticité de la terre déterminées avec le plongeur de consistance de la ;

La représente une vue schématique d’un exemple de système de fabrication par impression 3D selon l’invention ;

La représente une vue schématique en perspective d’une tête d’extrusion (dessin A) et d’un fût d’extrusion (dessin C) tels qu’utilisés dans le système de la et une vue schématique en coupe longitudinale de ladite tête d’extrusion (dessin B) ; et

La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, différentes étapes du procédé de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

Un exemple de réalisation d’un procédé de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D, dans lequel le matériau d’impression est un matériau à base de terre, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.

Pour utiliser la terre comme matériau d’impression dans un système d’impression 3D, il est nécessaire de déterminer la bonne proportion entre la terre, l’eau et/ou les divers additifs pouvant être ajoutés à la terre. Le procédé selon l’invention propose des opérations permettant de déterminer cette proportion afin de fabriquer par impression 3D une structure architecturale et/ou constructive, appelée plus simplement structure. Pour cela, le procédé comporte une opération a) pour caractériser l’extrudabilité du matériau à base de terre utilisé pour la fabrication de la structure, une opération b) pour caractériser son imprimabilité et ses états visqueux et visqueux élastiques et une opération c) pour formuler le matériau à base de terre pour la constructibilité. Le procédé comporte ensuite une opération d) d’impression de la structure au moyen d’un système d’impression 3D, comme décrit par la suite.

L’opération a) de caractérisation de l’extrudabilité de la terre propose une caractérisation physico-chimique et hydro-rhéologique de ladite terre et/ou du matériau à base de terre. Cette opération a) peut être réalisée pour la terre elle-même, par exemple de la terre brute excavée, et/ou pour un matériau à base de terre, ce matériau à base de terre pouvant comporter, en plus de ladite terre brute, un ajout d’eau et/ou d’additifs et/ou d’autres matériaux tels que définis par la suite. Cette opération est décrite indifféremment pour la terre elle-même ou pour un matériau à base de terre. Cette opération a) consiste à déterminer la nature, la composition, la physique et la chimie de la terre en établissant au moins certains des tests suivants :

Déterminer la densité sèche, humide et la densité des grains
Déterminer le poids volumique apparent et le poids volumique des grains
Déterminer les granulométrie, micro-granulométrie et sédimentologie de la terre
Déterminer la distribution granulométrique
Déterminer l’indice granulométrique
Déterminer la densité sèche et la teneur en eau naturelle de ladite terre
Déterminer la masse volumique sèche
Déterminer la porosité et l’indice des vides
Déterminer la classification de la terre
Déterminer la valeur du PH
Déterminer l’indice du bleu de méthylène
Déterminer l’indice de la densité relative
Définir l’activité des argiles pour définir leurs structures et comportements
Définir l’interaction entre feuilles d’argile et eau
Définir les interactions inter-particules
Définir les modes d’organisation des feuilles d’argile
Définir l’association face à face
Définir l’association bord/face
Définir l’association bord/bord
Définir la diffraction des rayons X
Définir les limites d’Atterberg sur la terre tamisée à 400 micro mètre et notamment définir la limite de plasticité, la limite de liquidité, l’indice de plasticité, et l’indice de consistance
Définir les limites d’Atterberg de la terre non tamisée avec un plongeur de consistance et notamment définir la limite de plasticité, la limite de liquidité, l’indice de plasticité, et l’indice de consistance.

En plus de l’ensemble des points cités ci-dessus, le point sur lequel il faut se concentrer particulièrement est la détermination des limites d’Atterberg de la terre non tamisée avec le plongeur de consistance, ce qui renseignera sur les limites de liquidité et de plasticité de ladite terre et donc sur le domaine de plasticité de ladite terre sur lequel on se concentre pour calculer la contrainte seuil ou encore la contrainte l’élasticité ou encore la contrainte d’écoulement propre à chaque mélange et teneur en eau qui y est associée dans cet intervalle. On peut aussi calculer alors l’indice de plasticité de ladite terre. Le domaine de plasticité de ladite terre dépend des critères de caractérisation cités ci-dessus (les types d’argiles, leur pourcentage, la granulométrie, la porosité…), comme représenté sur la sur laquelle l’état plastique correspond à l’état de plasticité de la terre, à la limite de plasticité de la terre correspond une teneur en eau Wp, à la limite de liquidité de la terre correspond une teneur en eau Wl, et où l’indice de plasticité est égal à Wl – Wp.

L’opération a) de caractérisation de l’extrudabilité de la terre propose en outre une mesure de la contrainte d’écoulement, appelée « The Yield stress », en termes anglo-saxons. Dans cette étape, on se concentre sur la mesure de la contrainte seuil de tous les mélanges dans l’intervalle de plasticité et donc d’ouvrabilité ou encore de « workabilité » de ladite terre. Cela nous renseigne sur la contrainte d’écoulement de la terre et aussi sur sa résistance mécanique : plus la contrainte d’écoulement ou d’élasticité ou la contrainte seuil, nommée kp, est grande plus la résistance mécanique du mélange associé est grande et donc plus la terre est valable pour la construction.

Les matériaux à base de ladite terre sont des matériaux à seuil. Déterminer la contrainte seuil de la terre revient aussi à déterminer « the yield stress », la limite élastique ou encore la contrainte d’écoulement de ce matériau. L’intervention utilise deux méthodes différentes pour mesurer cette contrainte seuil définissant l’extrudabilité de ladite terre pour l’impression 3D.

Une première méthode de laboratoire dite « analyse de texture », ou « squeeze Test » en termes anglo-saxons, qui est connue comme étant une méthode appliquée aux matériaux à base de ciments, mortier de ciments ou béton et qui est bien documentée pour ce dernier. Pour appliquer la méthode du squeeze test à la terre, il a fallu développer un certain protocole expérimental et des outils de définition de l’échantillon à cisailler de la terre dont on mesure la contrainte d’élasticité.

En effet, dans l'environnement de laboratoire, les rhéomètres peuvent être utilisés pour évaluer avec précision la fluidité du matériau étudié. Ce sont des équipements sensibles qui mesurent différents paramètres rhéologiques tels que la contrainte d'élasticité ou la viscosité. Les matériaux à base de terre sont principalement des matériaux plastiques fluides et donc la principale caractéristique rhéologique à déterminer est la limite élastique. Cependant, la taille de l'échantillon cisaillé est limitée et le couple maximal du moteur est généralement faible, limitant ainsi la mesure de la contrainte d’élasticité à moins de 1 kPa : la contrainte d’élasticité pour les matériaux à base de terre utilisés dans la construction varie généralement entre quelques unités et quelques dizaines de kPa. Pour les pâtes à plus haute contrainte d’élasticité ou les matériaux de ladite terre plus rigides, des échantillons de compression sont couramment utilisés. Ces tests sont communément utilisés pour les pâtes de ciment, l'industrie alimentaire et les matériaux à base d'argile. Des études numériques et expérimentales ont établi le lien entre les forces mesurées et la contrainte d’élasticité. Néanmoins, ce test nécessite des équipements de précision qui ne sont pas suffisamment robustes pour une utilisation en dehors du laboratoire. Cette problématique est également à l'origine du développement de nouveaux tests rhéologiques pour le béton imprimé en 3D. Des tests de cohérence et de maniabilité ont été développés pour les matériaux à base d'argile, par exemple, pour déterminer le début des glissements de terrain. Les limites d'Atterberg indiquent généralement des teneurs en eau pour les états plastique et liquide, et donc indique les limites de plasticité et de liquidité de chaque matériau à la base de ladite terre. Ils peuvent être déterminés par des tests orientés terrain (appareil de Casagrande, technique des boudins, pénétration au cône), mais ces mesures dépendent fortement de l'opérateur et la relation avec les paramètres rhéologiques n'est pas claire. En plus, ces tests-là sont seulement applicables à la terre tamisée à 400 μm.

De plus, ces limites ont été mesurées sur la fraction de sol inférieure à 400 μm, elles sont donc représentatives des particules fines dans un matériau de terre ou de sol et non sur la fraction entière du matériau. On sait que la contrainte d’élasticité est fonction de la distribution des particules.

Il n'en est donc pas de même si l'on considère uniquement les fines particules ou la fraction entière.

En outre, les limites d'Atterberg ne peuvent pas être utilisées pour quantifier finement l'ouvrabilité ou encore la « workabilité » des matériaux riches en argile et des matériaux de ladite terre.

Pour définir alors les limites d’Atterberg pour ladite terre, qui est non tamisée, l’invention propose d’utiliser un plongeur de consistance.

Les essais sur le terrain couramment utilisés dans la construction consistent à mesurer l'étalement et la hauteur des dépôts de béton après écoulement gravitationnel. Ces mesures géométriques sont liées à la contrainte d’élasticité des matériaux. L'ouvrabilité ou encore la « workabilité » du mortier peut également être évaluée avec un piston tombant et une table de choc, mais le lien avec la contrainte d’élasticité n'est alors pas établi.

Pour les nouveaux procédés, tels que les briques extrudées, la terre autocompactante, l'impression 3D de ladite terre, des sols reconstitués et de ladite terre reconstituée, les besoins en matériaux sont difficiles et ils sont principalement liés à la fluidité : pompabilité, extrudabilité et l’aspect, autoportant sans cadre ou moule ou support.

Pour ces applications exigeantes, et notamment l’impression 3D des matériaux à base de terre, les paramètres rhéologiques doivent être contrôlés avec précision. Cependant, les tests sur le terrain existants ont été conçus pour des matériaux plus fluides, et de nouveaux protocoles pour les matériaux rigides sont rarement disponibles. Ainsi, le développement de mesures de contrainte d’élasticité pour les matériaux à base de terre fraîche facilitera la mise en œuvre de nouvelles techniques de construction sur le terrain et donc l’imprimabilité (opération b) de ces matériaux, et leur imprimabilité sur terrain.

Le but principal de cette étape du procédé est de développer un test, pouvant être mis en œuvre sur le terrain (et pas uniquement en laboratoire), de la contrainte d’élasticité pour les matériaux à base de terre, suffisamment précis pour identifier de petites variations pour des applications exigeantes, entre autres, l’impression 3D. Dans le procédé selon l’invention, le test de compression est utilisé comme mesure de référence de la contrainte d’élasticité. Pour la terre et les matériaux à base de terre, nous montrons que les contraintes d'élasticité ne peuvent pas être liées à deux essais de terrain existants : les limites d'Atterberg et la chute du piston (pour ladite terre et les matériaux de ladite terre tamisée). Les limites d’Atterberg de ladite terre (non tamisée) se font avec la méthode du plongeur de consistance. Enfin, nous développons un test de plongeur de consistance pondéré, ou « Weighted plunger» en termes anglo-saxons, mesurant la contrainte d’élasticité aussi précisément que le test de compression.

L'objectif principal de cette étape est de développer un test orienté sur le terrain pour évaluer la contrainte d’élasticité pour les matériaux à base de ladite terre suffisamment précis pour identifier de petites variations pour des applications exigeantes notamment l’impression 3D.

Nous avons utilisé le test de compression comme référence pour la contrainte d’élasticité des mesures. Tout d'abord, nous avons comparé les limites d'Atterberg avec la contrainte d’élasticité obtenue avec le test de compression et montré que la contrainte d’élasticité ne peut pas être liée aux limites d'Atterberg. Ensuite, nous avons démontré que la contrainte d’élasticité ne pouvait pas être mesurée avec le plongeur de consistance standard pour nos matériaux à base de ladite terre.

Ensuite, nous avons développé un test de plongeur de consistance pondéré basé sur le même appareil que pour le test de plongeur de consistance standard. Nous avons supprimé la chute libre pour éviter la dissipation visqueuse et nous concentrer sur la contrainte d’élasticité. Le principe du test est d'augmenter progressivement le poids du piston et de mesurer sa distance de pénétration dans le matériau afin de calculer la contrainte d’élasticité du matériau à partir de la force et de la surface de contact. Sur la base de l'analyse statistique, nous avons montré que le test de plongeur de consistance pondéré « weighted plunger test » mesure la contrainte d’élasticité aussi précisément que le test de compression « squeeze test ». Nous avons ensuite discuté des limites d'utilisation et des possibilités de modifications pour augmenter la plage de mesure.

En conclusion, nous avons développé un test de contrainte d’élasticité pour les matériaux à base de ladite terre suffisamment simple pour être utilisé sur le terrain et sur chantier. Ce type de test innovant sera nécessaire pour la standardisation et l'industrialisation dans le domaine des constructions en terre notamment l'impression 3D et l'extrusion qui nécessite un contrôle précis de la fluidité.

Le « Squeeze test » : le test de compression consiste en la compression d'un échantillon entre deux plaques parallèles, comme représenté sur la . Une presse, par exemple la presse Shimadzu AUTOGRAPH AGS-X ®, équipée d'un capteur de force de 1 kN a été utilisée pour les expériences. Deux plaques cylindriques en ciment et recouvertes d'une résine brute ont été utilisées comme plaques de contact.

Avant de tester les matériaux à base de terre, les mélanges ont été stockés dans des pots hermétiques afin de garantir la teneur en eau des différents mélanges. Des échantillons ont été déposés sur la plaque inférieure du dispositif de compression à l'aide d'un moule cylindrique de même rayon (R) que les plaques de 19,3 mm. La hauteur initiale des échantillons était d'environ 20 mm. La plaque supérieure s'est déplacée à 1 mm / s sur 18 mm. La force appliquée a été mesurée en fonction de la distance entre les plaques (h). Des vérifications du non drainage du matériau ont été faites pour la définition du protocole.

La théorie du test de compression, connue pour d’autres applications, est utilisée pour calculer la contrainte d’élasticité. Ici, le matériau à base de ladite terre ne glisse pas sur les surfaces du disque et ces surfaces sont entièrement en contact avec le matériau à tout moment. Pour évaluer la contrainte d’élasticité des matériaux, la relation entre la force et la contrainte d’élasticité est donnée par l’équation Eq1 suivante :

où F est la force appliquée, h l'espacement entre les plaques et R son rayon. La contrainte d’élasticité de la partie de pente (Ka) correspond à la contrainte d’élasticité du matériau en vrac. Kb correspond au comportement du matériau à proximité des interfaces plaques, qui est moins représentant. Ainsi, nous utilisons Ka pour déterminer la contrainte d’élasticité de nos matériaux.

Comme le test de compression est notre test de référence, à des fins de comparaison, nous pouvons avoir besoin d'interpoler la valeur de la contrainte d’élasticité. Empiriquement, nous avons utilisé un ajustement exponentiel pour étendre nos mesures à la teneur en eau spécifique utilisée avec les tests de piston.

Le test du plongeur de consistance : l'essai du plongeur à consistance a été réalisé selon la norme européenne NF EN 413-2 : 2017. Ce test permet de qualifier un enduit frais ou un mortier à base de ciment. Cependant, il peut être appliqué pour les mortiers et matériaux à base de ladite terre. Le matériau remplit un récipient (70 mm de haut, 80 mm de diamètre). Un cylindre avec une extrémité hémisphérique de 25 mm de diamètre est relié à une tige graduée, et placé au centre du récipient. La somme de la tige et du cylindre a un poids de 90 g et s'appelle plongeur. Ainsi, le plongeur doit avoir une distance de pénétration de 35 mm après une chute libre de 100 mm dans un mortier de maçonnerie pour répondre à la norme, et par la suite applicable pour les mortiers et matériaux à base de ladite terre.

La distance de pénétration a été mesurée pour chaque matériau à base de ladite terre à différentes teneurs en eau.

Le test de plongeur à consistance pondéré : le même appareil que pour le test du plongeur à consistance a été utilisé pour cette expérience modifiée. Le plongeur a d'abord été placé sur la surface du matériau testé, comme représenté sur la (position initiale) et comme il était libéré dans la pâte (le matériau à base de ladite terre), il y pénètre sans énergie cinétique. En effet, cette procédure évite la dissipation visqueuse et se concentre sur la contrainte d’élasticité.

Comme le poids standard du piston est fixe, il indentera à peine le matériau rigide. Nous avons mesuré la distance de pénétration du piston à mesure que son poids augmente. Le piston pénètre dans le matériau sous son propre poids jusqu'à ce qu'il devienne immobile. Pour s'assurer que la position d'équilibre est atteinte, nous avons attendu au moins 10 minutes avant de mesurer la distance parcourue par le piston. Ensuite, le poids du plongeur a été augmenté avec des masses successives placées sur le dessus de la tige, comme représenté sur la (position finale). Des poids de 50, 100, 104, 200, 500 et 1000 grammes ont été utilisés. Pour chaque expérience, nous avons ajouté les masses successivement jusqu'à ce que la masse maximale de 2194 grammes soit atteinte ou que le piston pénètre sur 68 mm.

Enfin, la hauteur de pénétration a été mesurée en fonction du poids du piston pour les matériaux à la base de ladite terre, au moins pour toutes les teneurs en eau dans définies par les limites d’Atterberg de matériau à la base de ladite terre, comme indiqué précédemment.

Les résultats des tests sont les suivants :

Pour la méthode du « Squeeze test » : le test de compression était le test de référence pour évaluer la contrainte d’élasticité. Dans l’exemple représenté sur la , la force a été mesurée en fonction de la hauteur de l'échantillon. Au début du test, les plaques étaient en contact avec le matériau et aucune force n'a été appliquée. Lorsque la plaque supérieure se déplaçait, le contact entre le matériau et les plaques était terminé. Ensuite, le matériau était pressé entre les deux plaques et s'échappait librement par le bord : la force augmente régulièrement. Enfin, lorsque l'espace entre les plaques a été réduit, la matière s'est écrasée et ne coulait plus. La contrainte associée a été calculée à partir de l'équation Eq1. La force réduite est présentée en fonction du rapport entre la hauteur et le rayon de l'échantillon. Le graphique montre le pas de placement de h / R = 1 à 0,8 et le pas de mesure commençant à h / R = 0,8. La limite élastique a ensuite été calculée à partir de la pente formée par la courbe à l'étape de mesure.

Cela donne une valeur de contrainte d’élasticité pour chaque matériau en fonction de la teneur en eau. Chaque matériau à base de terre a ses propres gammes de teneur en eau et de limite élastique. Les valeurs les plus élevées et les plus basses de la contrainte d’élasticité des matériaux à base de ladite terre dépendent de la gamme de teneur en eau, de la granulométrie, des types d’argiles, de leur pourcentage présent dans le mélange à base de ladite terre. Plus le mélange tend vers la limite de plasticité plus la contrainte seuil est élevée.

Pour un matériau à base de terre avec une large plage de teneur en eau, les variations de la contrainte d’élasticité sont plus faciles à mesurer que pour un matériau à base de ladite terre avec une plage de teneur en eau étroite.

Pour la méthode du plongeur de consistance : dans une première tentative pour évaluer la contrainte d’élasticité sur le terrain, nous avons utilisé le test standardisé du plongeur de consistance.

La distance de pénétration du piston du plongeur en fonction de la teneur en eau a été mesurée selon la procédure standard, (comme décrit ci-dessus). Cette mesure a été effectuée pour tous les matériaux à base de ladite terre. On peut noter que la distance de pénétration augmente avec l'augmentation de la teneur en eau. La plage mesurable de profondeur de pénétration est comprise entre 2 mm et 50 mm. Pour chaque matériau, il correspond à une plage de teneur en eau spécifique. À chaque teneur en eau, une distance de pénétration est associée et donc une contrainte seuil est associée.

Pour la méthode du plongeur à consistance pondéré : pour mesurer avec précision les contraintes d'élasticité d'un matériau à base de ladite terre, nous adaptons le test de plongeur de consistance en ajoutant des poids variables. De plus, le plongeur est initialement à la surface du matériau (comme décrit ci-dessus). Ce protocole s’applique pour tous les matériaux à base de ladite terre à différentes teneurs en eau. La profondeur de la pénétration augmente avec la masse de l’échantillon pour tous les matériaux à base de ladite terre.

Pour chaque poids, les forces totales et la contrainte d’élasticité sont en équilibre, de sorte que la contrainte d’élasticité (Kp) peut être calculée avec cette expérience. On définit le rendement qui est le rapport entre les efforts totaux et les surfaces en jeu par l’équation Eq2 suivante :

où m est la masse totale du plongeur pondéré, g l'accélération de gravité, V_ple volume de la partie immergée du plongeur, S_psa surface de pénétration entre le plongeur et le matériau à l'équilibre statique, et d_earthla densité de ladite terre. Les forces impliquées, dans l'équation Eq2, sont la masse du plongeur dans la pâte et la flottabilité de la pâte contre le plongeur, comme montré sur la .

Dans la littérature, il a été montré que la géométrie de l'objet a un fort impact sur la contrainte. Il est admis, par exemple, qu'un objet horizontal imposera une contrainte plus importante qu'un objet vertical. Plusieurs coefficients de correction sont proposés pour le calcul de la surface en jeu lors de l'expérience en fonction de l'objet utilisé. Notez que ces mesures sont effectuées une fois que l'objet est dans le fluide, sans calcul aux limites.

Pour le déplacement d'une plaque verticale dans un fluide, une correction de (π + 2) correspond au coefficient du calcul de la contrainte de poinçonnage. Pour le déplacement d'une demi-sphère dans un fluide, un coefficient de 3 est proposé selon la loi de Stokes sur le déplacement d'une bille dans un fluide newtonien ou dans un fluide non newtonien. Comme notre cylindre se termine par une demi-sphère, la surface totale est définie comme la somme de la surface horizontale pondérée par 3 et de la surface verticale, comme indiqué par l’équation Eq3 suivante :

La surface de la calotte sphérique doit être prise en compte dans le calcul de la surface Sp. En effet, la distance parcourue par le plongeur est généralement du même ordre de grandeur que le rayon du plongeur.

Ainsi, nous devons considérer la profondeur de pénétration car la calotte sphérique est partiellement en contact avec le matériau, c'est-à-dire h <R. La surface de la calotte sphérique a été projetée horizontalement et verticalement.

Les composantes résultantes sont présentées dans le tableau de la . Comme h> R, cette approche est compatible avec la surface généralisée utilisée dans l’équation Eq3. Une fois que les composantes verticale et horizontale de la surface ont été calculées, la surface totale est calculée sur la base de l'équation Eq3.

Sur la base de l'équation Eq2, nous avons considéré la contrainte d’élasticité comme la pente entre les forces et la surface et l'avons mesurée par un ajustement linéaire. Nous avons utilisé cette méthode pour mesurer la contrainte d’élasticité des matériaux à base de ladite terre pour une large gamme de teneurs en eau. Les mesures de contrainte d'élasticité avec le test de compression « squeeze test » et le test de plongeur de consistance pondéré en fonction de la teneur en eau sont identiques. Les points des deux expériences se chevauchent et la contrainte d’élasticité diminue avec l'augmentation de la teneur en eau.

Ce travail a permis de développer un test simple pour évaluer la contrainte d’élasticité d'un matériau argileux suffisamment précis pour identifier de petites variations pour des applications exigeantes.

Comparaison entre la mesure de la contrainte d’élasticité ou encore de la contrainte seuil avec les limites d’Atterberg : la détermination des limites d'Atterberg est une approche courante pour les matériaux à base de ladite terre. Nous examinons d'abord la corrélation possible des limites d'Atterberg avec les contraintes d'élasticité car elles correspondent aux limites de liquidité et plasticité des matériaux à base de ladite terre et délimitent son domaine plastique.

Par conséquent, nous représentons la contrainte d’élasticité mesurée avec le test de compression en fonction des limites d'Atterberg pour ladite terre. Nous avons observé que la limite de liquidité correspond à une limite élastique inférieure à celle à la limite de plasticité. Mais nous pouvons voir que la limite de liquide n'a pas la même valeur pour les matériaux à base de ladite terre. Pour chaque matériau il y a une contrainte d’élasticité et une limite de plasticité qui définit le domaine plastique du matériau à base de ladite terre.

La contrainte seuil comparée à la méthode du plongeur de consistance : dans cette section, nous corrélons le test de plongeur de consistance standard à la contrainte d’élasticité. On représente la hauteur de pénétration en fonction de la contrainte d’élasticité pour les matériaux à base de ladite terre.

Toutes les données pour les différents matériaux à base d'argile semblent s'effondrer sur une courbe maîtresse. Cela signifie que ce test n'est pas fonction du matériau testé et peut être appliqué à toutes sortes de matériaux.

Néanmoins, la mesure précise d'une contrainte d’élasticité est difficile. En effet la pénétration a deux comportements. Premièrement, lorsque la hauteur de pénétration est supérieure à 20 mm, la contrainte d’élasticité semble fluctuer de 0 kPa à 5 kPa. Deuxièmement, lorsque la hauteur de pénétration est inférieure à 20 mm, la contrainte d’élasticité augmente fortement jusqu'à 30 kPa. Par conséquent, ce test peut être utilisé pour toutes sortes de mortiers, et c'est un excellent test pour évaluer une contrainte d’élasticité seuil de 5 kPa. Cependant, le test du plongeur n'est pas suffisamment précis pour mesurer les évolutions de la contrainte d’élasticité en fonction de la teneur en eau.

Pour conclure, nous avons développé un test pour améliorer le test du plongeur de consistance standard par l’invention d’un plongeur de consistance pondéré pour mesurer les variations du comportement des matériaux à base de ladite terre. Ce test est réalisable non seulement au laboratoire mais surtout sur le terrain et sur un chantier.

Le « Squeeze test » comparé au plongeur de consistance pondéré : pour mesurer la contrainte d’élasticité avec un test orienté sur le terrain et le chantier, nous avons modifié le test de plongeur de consistance standard. Les deux principales modifications consistent à supprimer la chute libre et à ajouter différents poids. En effet, pour le plongeur de consistance standard, en raison de la chute libre sur 100 mm, la viscosité du matériau peut contribuer à la profondeur de pénétration finale. Ainsi, la profondeur n'est pas simplement liée à la contrainte d’élasticité. Sans chute libre, le piston pénètre lentement dans le matériau, de sorte que nous avons considéré l'expérience comme quasi-statique. De plus, pour augmenter la plage de contraintes d'élasticité, le plongeur doit pénétrer de manière significative dans le matériau à base de ladite terre rigide. Cependant, la masse initiale du piston est fixée à 90 grammes. On choisit ainsi d'adapter le poids du piston à la rigidité du matériau.

Comparant l’utilisation du « squeeze test » au plongeur de consistance pondéré, on note bien la corrélation parfaite entre les deux expériences. Ainsi, nous pouvons voir que les contraintes de rendement expérimentales du test de plongeur pondéré sont en bon accord avec celles du test de compression.

Pour valider la corrélation des contraintes de rendement obtenues avec le test de pénétration pondéré (plongeur de consistance pondéré) avec celles du test de compression (squeeze test), un test t statistique basé sur la loi de Student a été utilisé. La moyenne (d = -1,38) et l'écart type (s = 3,65) des différences de contrainte d’élasticité obtenues entre le test de pénétration pondéré et le test de compression, pour des teneurs en eau égales, ont été calculés (n = six paires de résultats). Ces valeurs ont été utilisées pour calculer la variable statistique expérimentale t avec l’équation Eq4 suivante :

Sa valeur absolue (t_exp= 0,93) a été comparée à la valeur absolue de la variable tabulée correspondante (ttab = 2,02) à un niveau de confiance de 90%. L'infériorité de la valeur expérimentale devant la valeur tabulée a validé la contrainte obtenue avec la valeur pondérée.

Le test de plongeur de consistance pondéré est statistiquement égal à la contrainte d’élasticité du test de compression. La valeur de t_expindique que l'accord entre les deux tests est du même ordre que l'écart type.

Enfin, le but était de savoir si les deux tests avaient la même précision de mesure. Les écarts des deux tests ont été comparés à un test F statistique basé sur la loi de Fischer. À cet effet, la variable statistique Fexp a été calculée à partir du rapport entre les carrés des deux variances. Cette valeur a été comparée à la variable statistique F tabulée pour un niveau de confiance de 90%. Cette comparaison a été effectuée pour l’ensemble des contraintes d'élasticité obtenues avec plus de 10 poids pour la régression linéaire pour le test de plongeur de consistance pondéré. Ces comparaisons conduisent à la conclusion que pour 90% des cas, les deux tests ont la même précision.

Cette analyse statistique montre que le test du plongeur de consistance pondéré permet de calculer, de manière aussi fiable qu'avec le test de compression, la contrainte d’élasticité des matériaux à base de ladite terre.

Comme expliqué précédemment, la contrainte d’élasticité des matériaux argileux peut être mesurée avec un test de plongeur de consistance pondéré fournissant des résultats aussi précis que le test de compression (le squeeze Test). Le test de compression correspond à un test de caractérisation en laboratoire tandis que le test de plongeur de consistance pondéré permet de mesurer facilement la contrainte d’élasticité avec un équipement réduit, sur site.

Il peut être précisé qu’avec l'équipement utilisé dans cette étude, pour les valeurs extrêmes de la contrainte seuil, nous utilisons au moins trois masses différentes pour ajuster la courbe expérimentale, et une distance maximale parcourue de 50 mm. La première condition est nécessaire pour effectuer une régression linéaire. La deuxième condition est liée à la hauteur de notre conteneur.

En effet, ces limites de mesure peuvent être étendues en modifiant les géométries ou les masses.

Le paramètre le plus simple à faire varier est la force appliquée en modifiant les masses. Ainsi, et comme exemple, pour une valeur de contrainte d’élasticité inférieure à 0,2 kPa, il faudra des poids de quelques dizaines de grammes, tandis que pour une valeur de contrainte d’élasticité supérieure à 30 kPa, il faudra des kilogrammes.

Un autre effet de levier est le rayon du piston. Pour un matériau fluide, le rayon du piston doit être agrandi pour augmenter la surface de pénétration et limiter la distance parcourue par le piston.

Pour les matériaux rigides, le rayon du piston doit être diminué pour faciliter son entrée dans le matériau. Nous devons garder à l'esprit qu'il doit être supérieur au diamètre granulaire maximal pour maintenir une approche homogène. Adaptant les poids et la géométrie, le piston lesté est un test polyvalent pour mesurer avec précision une large gamme de matériaux à base de ladite terre.

Avec une méthode innovante on a élaboré toute les contraintes seuil pour l’ensemble des teneurs en eau des matériaux à base de ladite terre.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne également un système pour mettre en œuvre par le procédé tel que décrit précédemment. Un va et vient entre le procédé et le système, et entre l’extrudabilité (opération a) et l’imprimabilité de ladite terre (opération b) peut être mis en œuvre pour définir la constructibilité de ladite terre (opération c), comme expliqué par la suite.

Ce système comporte une imprimante 3D équipée d’une tête d’impression, un fût d’alimentation en terre imprimable, relié à la tête d’impression par un conduit de transport de la terre imprimable, et un dispositif d’application d’une pression pour porter la terre imprimable à une pression d’extrusion prédéterminée, comme représenté sur la .

L’inventeur s’attèle dans cette partie à définir le système d’impression 3D nécessaire à la mise en œuvre et la mise en forme de tous les mélanges extrudables. Il y a donc des paramètres limites dépendant du système d’impression 3D (dont les capacités peuvent changer) et les valeurs maximales des kp (la contrainte seuil) nécessaire à l’extrusion.

Selon un mode de réalisation, le dispositif d’application de la pression peut être une source d’alimentation en air comprimé reliée au fût d’alimentation pour porter la terre imprimable en sortie du fût à la pression d’extrusion prédéterminée. Pour chaque kp, pour chaque mélange de ladite terre, donc pour chaque teneur en eau, une valeur de pression d’air comprimée nécessaire et suffisante à l’écoulement du matériau est définie.

L’imprimante 3D comporte une tête d’impression permettant d’imprimer des cordons (de tous types de morphologies) de ladite terre par fabrication additive. Cette tête d’impression est pilotée par un robot ou une structure de bras mécanique ou mécatronique.

Le système de fabrication par impression 3D de l’invention, appelé aussi système d’impression 3D, comprend en outre un système d’extrusion tel qu’un extrudeur ou un fût d’extrusion de ladite terre, connecté au dispositif d’application de la pression comme une source d’air comprimé. Des exemples de fût d’extrusion et de tête d’extrusion sont représentés sur la .

Un conduit de transport relie la tête d’impression et l’extrudeur ou fût d’extrusion.

La tête d’impression est apte à déposer des cordons de matériau à base de terre les uns sur les autres et/ou les uns à côté des autres. Cette tête d’impression comprend une buse de sortie configurée pour former des cordons de matériau à base de terre et ajustée aux granulométries possibles de ladite terre.

Un capteur de pression et un capteur de débit, indépendants ou intégrés, sont connectés à la tête d’impression, par exemple à la buse pour permettre à une unité de commande de la tête d’impression de contrôler le cordon de matériau à base de terre généré par la tête d’impression.

Un circuit d’alimentation de la tête d’impression en matériau à base de terre, appelé aussi conduit de transport de la terre, relie le fût d’extrusion (ou extrudeur) à la tête d’impression. Ce conduit d’alimentation peut comporter un réservoir de stockage du matériau à base de terre.

Comme expliqué précédemment, pour pouvoir être imprimée par le système selon l’invention, la terre doit être extrudable, imprimable et constructible. Un diagramme fonctionnel représentant ces différentes étapes de caractérisation et de formulation de la terre est représenté sur la . Comme montré sur la , la terre sélectionnée, déterminée comme extrudable (opération a) décrite précédemment), doit être rendue imprimable pour pouvoir être utilisée dans un système d’impression 3D. Pour cela, la terre sélectionnée comme étant extrudable est mélangée à de l’eau et/ou des additifs et/ou d’autres matériaux afin de former un matériau à base de terre, pouvant être imprimé au moyen du système d’impression 3D choisi.

Dans la description, le terme « additif » désigne : tous types d’additifs, de composants, de matières, de matériaux (recyclés ou non), de la terracotta, de la terre cuite, de mélange et de composition biologique ou chimique d’origine naturelle ou non naturelle, tout additif d’origine naturelle (toute sorte possible d’additif naturel de toute sorte de famille comme par exemple : polyarachides, lignine, lipides, protéines, bactériennes…..) non naturelle, artificielle( comme de la caséïne et des tissus) non dégradable ou dégradable, industrielle, industrialisée ou non industrielle, composée ou non. Cela désigne en plus tous types d’agents dispersant de tensioactifs, de plastifiants, de superplastifiants et de surfactants, ainsi que tous les types et sortes de polymères et de biopolymères, de la cellulose et de la cellulose bactérienne, de matériaux ou mélanges obtenues par une culture bactérienne de toutes sortes, et tous autres additifs utilisés pour les minéraux colloïdaux. Ce terme « additif » désigne aussi le sable en toutes sortes de granulométrie. Cela considère aussi tous types d’additifs, de toutes familles et toute nature (naturel, non naturel, artificiel, composé, industriel ou non industriel) que ce soit pour réduire le retrait gravitationnel, le crackage, la fissuration et le gonflement, accélérer le séchage, et réduire la quantité d’eau ajoutée, pour augmenter et améliorer les capacités mécaniques et structurelles et aussi pour améliorer les propriétés thermiques et l’efficacité énergétique et acoustique. Les additifs concernent aussi toutes sortes d’additifs utilisés pour améliorer toutes les propriétés du béton imprimé en 3D.

Dans la description, l’expression « autres matériaux » désigne tous les matériaux pouvant être ajoutés à la terre, l’eau et/ou les additifs dans le but d’améliorer la constructibilité du matériau à base de terre et/ou de lui attribuer des caractéristiques spécifiques, comme par exemple des caractéristiques thermiques ou phoniques spécifiques, etc. Ces autres matériaux peuvent, par exemple, être du plâtre, de l’argile, etc.

Pour définir le « bon mélange », c'est-à-dire le mélange de terre, eau et/ou additifs et/ou autres matériaux, tels que cités ci-dessus, qui sera extrudable, imprimable et constructible, il faut définir des contraintes seuils minimale et maximale correspondant au système d’impression 3D utilisé.

Pour avoir la bonne formulation (opération c) et donc choisir le bon mélange, il faut d’abord définir la pression nécessaire à l’extrusion du mélange le plus consistant correspondant à la limite de plasticité de la terre, définie par l’équation Eq5:

P _{nécessaire max}= Kp _{de la limite de plasticité}*4*l_{longueur du cordon d’impression}

Il faut ensuite faire le lien avec le système d’impression 3D du matériau à base de terre et calculer la contrainte seuil minimale Kp min et la contrainte seuil maximale Kp max pour encadrer un intervalle de Kp possible pour l’imprimabilité et défini par :

Kp_min> densité_{du mélange de ladite terre correspondante au} _kp _{de la limite de plasticité *}g_pesanteur* h_{hauteur de la structure architecturale imprimée}

Kp_max< P_{pression du système d’impression}* S_{surface de l’extrudeur}/ π * D_{diamètre du cordon d’impression}* l_{longueur du cordon d’impression}

Et : Kp_min< Kp_{du bon mélange} _extrudable _{, imprimable}< Kp_max

Le matériau à base de terre sélectionné et rendue imprimable, comme expliqué ci-dessus, doit également être constructible. Pour cela, il est important de définir la bonne formulation et donc le bon mélange de terre, eau et/ou additifs et/ou autres matériaux. Ce mélange doit répondre aux critères suivants :

Le moins de retrait gravitationnel, linéaire et volumique ou retrait nul ou presque nul
Le moins de fissuration ou fissuration nulle ou presque nulle
La meilleure et la plus haute résistance mécanique et structurelle. Cette valeur correspond généralement au mélange associé au kp le plus haut donc le plus résistant mécaniquement.
Une viscosité adaptée à l’impression 3D et au débit d’impression 3D pour la constructibilité
Une meilleure performance et efficacité énergétique (ventilation, inertie thermique, conductivité, conduction, transfert de chaleur, isolation thermique…) et acoustique : ce critère est secondaire pour compléter la précision de la bonne Kp et donc du mélange de terre, eau et/ou additifs pour une meilleure efficacité énergétique. Il peut être utile pour une construction durable répondant à la réglementation RT 2020.

Répondre à ces critères revient à choisir le bon Kp à l’intérieur de l’intervalle défini ci-dessus (Kp_min< Kp_mélange _extrudable _{et imprimable}< Kp_max) qui correspond et répond aux critères de constructibilité cités ci-dessus avec la plus grande résistance mécanique possible.

Coupler ses critères avec les valeurs du Kp minimal et maximal autorisées par le système d’impression 3D, une matrice se définit afin de choisir le meilleur mélange associé à l’ensemble des critères et au meilleur Kp pour la constructibilité.

Dans la description précédente, la terre du mélange à base de terre choisi est une terre crue, par opposition à une terre cuite. Le procédé de l’invention peut toutefois comporter une étape supplémentaire dans laquelle le matériau à base de terre, une fois imprimé, c'est-à-dire sous forme de structure, peut être cuit par tous types de cuisson connus dans le domaine technique, la cuisson pouvant améliorer la résistance mécanique et l’efficacité énergétique dudit matériau à base de terre.

Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le procédé selon l’invention de fabrication d’une structure par impression 3D d’un matériau à base de terre, et son système de mise en œuvre, comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

Procédé de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre, comportant les opérations suivantes :
caractérisation d’un matériau à base de terre (opération a) pour déterminer si ledit matériau à base de terre est extrudable ;

lorsqu’un matériau à base de terre est déterminé comme extrudable, caractérisation de l’imprimabilité dudit matériau à base de terre (opération b);

formulation de ce matériau à base de terre pour la constructibilité (opération c); et

impression de la structure architecturale et/ou constructive au moyen d’une imprimante 3D dans laquelle est injecté le matériau à base de terre.
Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formulation du matériau à base de terre comporte une détermination d’une quantité d’eau et/ou d’au moins un additif à ajouter à la terre brute pour le rendre constructible.
Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’opération de caractérisation du matériau à base de terre est réalisée au moyen d’au moins un plongeur de consistance pondéré.
Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que au moins l’opération de caractérisation du matériau à base de terre est réalisée sur un site de construction de la structure architecturale et/ou constructive.
Système de fabrication d’une structure architecturale et/ou constructive par impression 3D d’un matériau à base de terre, caractérisé en ce qu’il met en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte :
une imprimante 3D équipée d’une tête d’impression,

un fût d’alimentation en matériau à base de terre, ledit fût étant relié à la tête d’impression par un conduit de transport du matériau à base de terre, et

un dispositif d’application d’une pression pour porter le matériau à base de terre à une pression d’extrusion prédéterminée.
Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d’application d’une pression est une source d’alimentation en air comprimé reliée au fût d’alimentation pour porter le matériau à base de terre en sortie du fût à la pression d’extrusion prédéterminée.
Système selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de mélange de la terre, de l’eau et/ou d’au moins un additif apte à remplir le fût d’alimentation.
Système selon l’une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte un plongeur de consistance adapté pour caractériser l’extrudabilité et/ou l’imprimabilité d’une terre.
Système selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l’imprimante 3D est une imprimante d’impression à extrusion, couche par couche.