Mur de soutènement imprimé en 3D installé au Royaume-Uni, complet avec capteurs et jumeau numérique

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Aussi impressionnantes que puissent être les maisons imprimées en 3D, la construction additive (AC) peut avoir des implications bien plus importantes au-delà du domaine du logement. Cela est particulièrement vrai compte tenu du financement de la technologie par des lois telles que la loi bipartite sur les infrastructures, ainsi que des besoins généraux en infrastructures face à des conditions météorologiques extrêmes exacerbées par le réchauffement climatique. C'est pourquoi des projets tels qu'un mur de soutènement récemment réalisé par l'Université de Cambridge au Royaume-Uni revêtent une importance particulière.

Des chercheurs de Cambridge, en collaboration avec la société d'ingénierie Versarien, ont installé un mur de tête doté de capteurs intégrés sur l'autoroute A30 à Cornwall. Ces murs de soutènement sont généralement réalisés en béton préfabriqué avec coffrage et armature en acier. Avec AC, le groupe a pu imprimer en 3D un mur creux incurvé sans coffrage, ni armature en acier, car la géométrie unique de l'élément lui permet de se renforcer. D'une hauteur de 2 m (6 pi 6 po) et d'une largeur de 3 m (9 pi 9 po), le mur a été imprimé en seulement une heure à l'aide d'une imprimante à bras robotique au siège de Versarien dans le Gloucestershire.

Le professeur Abir Al-Tabbaa du Département d'ingénierie a passé les six dernières années à développer des capteurs pour surveiller la santé des infrastructures, ainsi que des matériaux en béton auto-réparateurs. Dans ce projet, l'équipe a intégré des capteurs dans le mur qui mesurent la chaleur, l'humidité, la pression, la contrainte, la résistivité électrique et le potentiel électrochimique, ce qui informera les chercheurs sur la fiabilité, la robustesse, la précision et la longévité des capteurs.

Capteurs intégrés dans le mur lors de l'impression.

Parmi les appareils figurait un capteur piézocéramique de plomb-zirconate-titanate (PZT) permettant de mesurer la réponse d'impédance électromécanique afin d'indiquer comment le mortier imprimé en 3D durcit au fil du temps et l'état de santé global de la structure. Huit d'entre eux ont été placés dans les couches des murs à différents endroits tout au long de l'impression pour suivre la charge et la contrainte tout au long de la construction et de la durée de vie.

De plus, un système LiDAR a été utilisé pour numériser la structure lors de son impression sur un jumeau numérique du mur. Son équipe a également fourni des capteurs pour mesurer la température pendant l'impression afin de détecter d'éventuels points chauds, gradients thermiques ou anomalies. Ceci peut ensuite être comparé à un profil d’imagerie thermique pour comprendre le comportement thermique du mur. L'équipe a également développé un système d'acquisition de données sans fil pour capturer des données à distance.

« Comme il faut un ciment à prise extrêmement rapide pour l’impression 3D, il génère également une énorme quantité de chaleur. Nous avons intégré nos capteurs dans le mur pour mesurer la température pendant la construction, et maintenant nous obtenons des données pendant que le mur est sur place », a déclaré Al-Tabbaa. « Rendre le mur numérique signifie qu’il puisse parler de lui-même. Et nous pouvons utiliser nos capteurs pour mieux comprendre ces structures imprimées en 3D et accélérer leur acceptation dans l’industrie. Ce projet servira de laboratoire vivant, générant des données précieuses tout au long de sa durée de vie. Les données des capteurs et le « jumeau numérique » aideront les professionnels des infrastructures à mieux comprendre comment l'impression 3D peut être utilisée et adaptée pour imprimer des matériaux à base de ciment plus grands et plus complexes pour le réseau routier stratégique.

Bien que les jumeaux numériques pour les infrastructures imprimées en 3D aient été explorés, ils doivent encore être largement mis en œuvre. En fait, le seul exemple qui me vient à l’esprit est le pont métallique imprimé en 3D de MX3D installé à Amsterdam. Cependant, avec des initiatives telles que le programme de subventions Advanced Digital Construction Management Systems du ministère américain des Transports, nous nous attendons à un certain nombre de nouveaux projets en vain de ce que l'Université de Cambridge a développé, non seulement aux États-Unis, mais en Europe, La Chine et l’Inde également, où les sociétés de climatisation font des progrès significatifs.

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