L’impression 3D de béton est une technologie émergente avec pour promesse d’adresser deux enjeux actuels de l’industrie de la construction : une productivité en berne ainsi qu’un impact environnemental important. Une déposition sélective du matériau permet d’en faire un usage optimal, réduisant ainsi la quantité de matériau utilisée par rapport à la méthode traditionnelle par coffrage tout en diminuant le coût de main d’œuvre. Toutefois, cette nouvelle technologie fait face à de nombreux écueils provenant de l’absence de coffrage. Sans cette barrière mécanique empêchant le matériau cimentaire frais de couler, l’objet imprimé doit être capable de supporter son poids propre dès le très jeune âge. Le coffrage constitue également une couche protectrice vis-à-vis de l’environnement, empêchant notamment le séchage à la surface du béton. Sans lui, des problèmes de durabilité, comme la fissuration de retrait, deviennent d’importance capitale.

Le succès d’une impression à base de matériau cimentaire est jusqu’alors conditionné par le savoir pratique d’opérateurs hautement qualifiés. Afin de rendre la technologie plus fiable et l’ouvrir à un public industriel plus large, des outils de modélisation adéquates pouvant analyser la faisabilité et estimer la durabilité d’objets imprimés sont requis.

Le but de ce travail est de développer un outil numérique permettant de répondre à ces attentes. Il se focalise sur deux aspects : la modélisation du comportement à l’échelle du matériau et la simulation à l’échelle structurelle des objets imprimés.
La loi de comportement proposée ici est une extension de développements précédents sur la modélisation basé sur la poromécanique des ciments de puits pétroliers incluant les couplages thermiques, la viscoplasticité ainsi qu’un certain nombre de mécanismes additionnels d’intérêt pour l’impression 3D, comme l’interaction entre saturation partielle des pores et hydratation. Ce modèle est dérivé dans un cadre théorique thermodynamique général. Il est validé à partir de données expérimentales existantes sur le comportement hydromécanique durant l’hydratation de pâtes de ciment, et montre sa capacité à prendre en compte l’effet de l’histoire de chargement sur le comportement à un temps donné.

La simulation de l’impression 3D passe aussi par la modélisation du processus d’impression lui-même. Pour cela, un outil de simulation complet a été développé sur la base d’éléments en accès libre. Il comprend un outil produisant le maillage à partir de données du parcours robot, associé à un solveur éléments finis afin de créer un «jumeau numérique» de l’impression. Ce solveur permet de simuler la déposition continue du matériau durant l’impression en faisant évoluer la géométrie de l’objet avec le temps. Des paramètres liés au processus d’impression, comme l’écrasement des couches, sont également pris en compte.

Grâce à cet outil, la ruine d’objets à géométrie complexe durant leur impression peut être estimée, qu’elle intervienne par effondrement plastique ou par flambement. Au-delà de la phase d’impression, les couplages thermo-hydro-chimiques liés à l’évaporation peuvent également être simulés afin d’investiguer le phénomène de «joint froid» et les hétérogénéités de propriétés dans l’épaisseur du cordon. Enfin, la possibilité d’utiliser cet outil afin d’optimiser certains paramètres liés au processus, comme par exemple la vitesse d’impression, est démontrée. De fait, il est possible de moduler ces paramètres durant l’impression pour maximiser la productivité tout en assurant ne pas être en danger de ruine de l’objet.