Du modèle BIM à l’impression 3D

Mise en contexte 

Elle permet une utilisation directe des informations générées par le modèle et facilite son intégration dans l'environnement de la construction. Cependant, cette approche reste faiblement couplée à l'impression 3D car elle perd tous les avantages de l'approche embarquée ou orientée objet en utilisant le BIM. En effet, en transmettant le modèle aux outils de fabrication numérique, une discontinuité se crée dans le processus et surtout, une perte d'informations devient alors possible comme indique Anane et al. dans l’article « THE USE OF BIM FOR ROBOTIC 3D CONCRETE PRINTING ».

Les données dont nous avons le plus besoin sont les données géométriques et de géolocalisation contenues dans les objets IFC. C’est dans cet usage que la maquette BIM prend sens pour réaliser ce processus. Le schéma ci-dessous montre le passage entre le modèle numérique et le modèle imprimé.

Figure 1 Schéma de données de la maquette  numérique à la maquette physique imprimée

Définition du concept d'impression 3D

L’industrie 4.0, avec le big data, l’intelligence artificielle, la robotique, l’internet des objets, le BIM, la réalité augmentée (AR) ou encore l’impression 3D, offrent aujourd’hui de nouvelles opportunités aux entreprises concernant la qualité de leurs travaux, le respect des délais, ainsi que l’apparition de nouveaux services à leurs clients qui entendent eux accroître leur compétitivité.
Le grand changement apporté par la Construction 4.0 semble tourné vers la mise en place d’une connexion décentralisée entre l’espace physique et le cyberespace, via une connectivité ubiquitaire. Dans l’industrie de la construction, la connexion entre ces deux mondes existe déjà à travers des approches technologiques telles que le BIM. Avec l’avènement de la construction 4.0, un certain nombre de technologies vont progressivement se substituer au rôle de l’humain, de manière à réduire l’intervention humaine (exemple, AR/VR) et tendre vers une fusion décentralisée entre la réalité physique et sa représentation dans le cyberespace.
La fabrication additive (ou impression 3D) est la technologie qui permet de réaliser des formes d’objets volumiques complexes couche par couche, tout en se reposant sur les propriétés du matériau d’impression, et en optimisant la quantité de matière utilisée dans le volume de l’objet. Celle-ci est dans notre cas d’étude réalisée en suivant une démarche de validation de maquette et de données qui sont suffisantes au processus d’impression de modèles physiques. Cette démarche suivra des règles de choix de composants à imprimer et une suite de vérification de données et de paramétrages afin de pouvoir assurer la qualité désirée de l’objet fabriqué par la machine.

Analyse du besoin

Comme nous l’avons énoncé précédemment, l’intérêt de la mise en relation du BIM à la fabrication additive est d’utiliser les données géométriques pour faciliter le passage du modèle 3D BIM à un modèle imprimable, utilisable par des processus d’industrialisation de la construction notamment via des moyens automatiques et/ou robotiques. Deux besoins qui justifient l’initiative de l’impression 3D dans le milieu de la construction ont donc été identifiés :

1. Impression de maquettes miniatures comme support d’aide à la décision, à la communication et au marketing.
2. Impression à l’échelle réelle avec des matériaux de construction dédiés, ce qui constitue un pas vers l’industrialisation de la construction et le développement de la construction hors site. 

Dans un premier temps et afin d’utiliser la maquette BIM dans un processus d’impression 3D (via matière polymérique), nous avons réalisé un recensement des différentes technologies utilisées dans le domaine de la construction capables de réaliser la conversion de modèles BIM vers des modèles imprimables. Ce travail nous a permis de concentrer notre effort sur les solutions les plus adaptées (conversion de format de modèles interopérables). Par la suite, nous avons réalisé un mappage des logiciels interopérables permettant le passage d’un modèle 3D BIM à un modèle d’exécution automatisée qui tient en compte des contraintes imposées et des paramétrages de l’imprimante 3D pour la production du modèle physique.
Pour mieux comprendre la technologie d’impression 3D, notamment dans le cadre de notre démarche, nous nous concentrerons sur le processus de fabrication additive qui est largement utilisé dans la production digitale.

Figure 2 Schéma du passage d’une maquette BIM à un modèle imprimé

Schéma du passage d’une maquette BIM à un modèle imprimé

On distingue plusieurs manières de procéder parmi les technologies de fabrication additive :

• L’impression par extrusion de matière fondue comme les matériaux thermodurcissables tels que le plastique
• La technique d’injection ou de dépôt de gouttes de matériaux chimiquement durcissant comme la résine
• La liaison sélective par LASER
• La stéréo-lithographie sur les matériaux photosensibles

Dans notre démarche, nous traiterons de la technologie la plus répandue qui est l’extrusion.

Dans un second temps, nous avons déterminé qu’il était nécessaire de mettre en place et de respecter un ensemble de règles pour éviter la perte d’information stockée dans le modèle BIM.

En effet, les données d’entrée extraites depuis la maquette BIM seront différentes des données de sorties pour le modèle imprimable (voir Figure 3 ci-dessous). Un cahier des charges BIM doit donc être rédigé et suivi rigoureusement afin de respecter un ensemble d’exigences concernant la qualité des données à renseigner dans la maquette numérique, particulièrement à propos de sa géométrie ainsi que celles concernant les propriétés des matériaux.

Le respect d’un tel cahier des charges permet d’anticiper les futurs cas d’usage reliés aux jumeaux numériques. Dans ce sens, on peut à titre d’exemple citer l’intégration des consignes pour que les machines tiennent en compte du temps de durcissement du matériau d’impression 3D (mortier de ciment, terre crue, matériau composite, matériau biosourcé…etc.).

Figure 3 Schéma du passage d’une maquette BIM à un modèle optimisé pour la fabrication additive

Figure 35 Etapes de fabrication digitale béton

Afin de rendre possible l’automatisation de la construction, les exigences principales se résument dans ce qui suit :

• La prise en compte des données géométriques
• La géolocalisation fédérée du projet, et les coordonnées relatives de chaque composant par rapport au point de référence indiqué à la machine.
• Les données du processus d’impression (machine : vitesse, capacité, débit)
• Les données du matériau utilisé (Béton ordinaire, mortier, ciment bas-carbone, présence de fibres, argiles, etc.) et les propriétés associées  (rhéologiques, mécaniques, durabilité, etc.)

Pour mieux identifier ces paramètres, nous allons nous baser sur la démarche décrite par la deuxième alternative citée dans la section ‎précédente.

Cette dernière propose de partir d'un modèle développé avec des outils de modélisation. Cela présente l'avantage d'avoir une approche BIM étroitement liée puisque ces outils sont directement liés à l'API du logiciel BIM, comme Dynamo pour sa connexion avec Revit, ou encore Rhino.Inside.Revit pour la combinaison Grasshopper/Revit.

La qualité et le nombre de plugins destinés à la fabrication numérique varient selon les outils de programmation visuelle. Cette approche est par exemple possible avec Rhino.inside.Revit, car il offre les fonctionnalités nécessaires pour créer des simulations d'impression 3D (ce qui n’est pas possible directement sur Revit par exemple). Il permet de générer instantanément des scripts d'impression qui peuvent être transmis aux bras robotiques ou aux imprimantes sous forme de G-code (Le G-code est un langage de programmation qui permet à une machine de comprendre, et de réaliser les différentes étapes à suivre pour imprimer une pièce en 3D).

Ce processus offre une flexibilité de conception avec des informations centralisées, et renforce le rôle du BIM en tant que facilitateur de l'adoption du 3DCP robotique ( 3DCP  signifie « 3D Concrete Printing», qui signifie « l’impression 3D en béton »). Il fournit à la fois un modèle avec les informations nécessaires à la réalisation sur site ou hors site, mais aussi la simulation de son processus d'impression.

Le processus utilisé par Rhino.Inside.Revit permet de simplifier grandement la configuration de fichiers pour l’impression 3D. En effet, les anciens flux de travail utilisaient des exportateurs STL de Revit qui échouaient souvent en raison du manque de fonctionnalités et de contrôles personnalisés. Pour des résultats d'impression 3D optimaux, il est crucial de prendre en compte le processus d'impression 3D et les meilleures pratiques concernant le type d'imprimante dont vous disposez.