très polyvalent, léger et imprimé en 3D personnalisé

Les chiffres du secteur de la construction sont vraiment vertigineux, tant en Espagne que dans le reste du monde. Ce secteur représente, selon les données de l’Agence internationale de l’énergie (AIE), 36 % de l’utilisation finale de l’énergie et accumule près de 40 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone liées à la consommation d’énergie. Pour cela Le développement des biomatériaux est urgent, beaucoup plus durable, recyclable et polyvalentpour couvrir tous types d’applications architecturales.

Depuis quelques temps, chercheurs et architectes se tournent vers la nanocellulose, une fibre obtenue à partir du bois et déjà utilisée dans des domaines comme la biomédecine. Ses propriétés uniques en font l’un des meilleurs candidats pour remplacer des matériaux comme le plastique. Aujourd’hui, des scientifiques suédois ont démontré pour la première fois sa viabilité en tant qu’hydrogel pour fabriquer des structures légères imprimées en 3D pour la constructionutilisant beaucoup moins d’énergie que les méthodes de construction conventionnelles.

Dans un article publié dans le magazine Matériaux et Design, des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers et du Wallenberg Center for Wood Sciences, décrivent comment ils ont mélangé la nanocellulose avec de l’alginate (un élément issu des algues). Ils ont ainsi obtenu un matériau imprimable en 3D grâce à un bras robotique, et étudié différentes compositions et configurations pour obtenir des structures qui pourrait servir de base à des cloisons de séparation, des stores ou des panneaux isolants pour murs et plafonds.

Nanocellulose

« Pour la première fois, nous avons exploré une application architecturale de l’hydrogel de nanocellulose. Plus précisément, nous avons a fourni les connaissances qui manquaient jusqu’à présent sur ses caractéristiques de conception. Nous avons également montré, à l’aide de nos échantillons et prototypes, la possibilité d’ajuster ces caractéristiques grâce à une conception numérique personnalisée et à l’impression 3D robotisée », explique Malgorzata Zboinska, auteur principal de l’étude de l’Université technologique de Chalmers, dans un communiqué de presse.

Pour commencer à travailler avec ce matériau, la première étape consiste à obtenir la nanocellulose. Ce sous-produit du bois provient de la foresterie, de l’agriculture, des moulins à papier ou des déchets de paille agricole, et passe par un processus de décomposition en fragments microscopiques, de purification et de reconstruction. Le résultat a une résistance huit fois supérieure à celle de l’acier classiqueen plus d’être flexible, très léger et bon conducteur d’électricité.

Après le processus, on obtient des nanofibres de cellulose, des chaînes formées de molécules de cellulose de forme tubulaire et d’aspect cristallin. C’est quelque chose qui Il est déjà utilisé sous forme d’hydrogel dans les laboratoires biomédicaux pour imprimer en 3D des « échafaudages » pour soutenir la croissance des tissus et des cellules, mais son potentiel est immense dans d’autres secteurs.

Pour ses recherches, Zboinska a combiné des fibres de nanocellulose, de l’eau et de l’alginate, produisant un matériau imprimable en 3D appelé CNF-ALG. La différence par rapport aux autres mélanges est que ce peut sécher à température ambiante et gagner en souplesseil pourrait donc s’agir d’une ressource très polyvalente pour tous les types d’applications architecturales.

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Cette recherche unit ainsi le potentiel d’un biomatériau à celui de l’impression 3D, « une technique très efficace en termes de ressources », selon Zboinska. « Cela nous permet de fabriquer des produits sans autres éléments, comme des matrices et des moules, ce qui génère moins de déchets. C’est également très économe en énergie. » Dans ce cas, le système d’impression 3D robotique utilisé par des chercheurs suédois n’utilise pas de chaleur, seulement la pression de l’airce qui permet d’économiser une grande quantité d’énergie.

Ceci est possible grâce aux propriétés de l’hydrogel de nanocellulose : il se liquéfie si une pression est appliquée, ce qui lui permet d’être extrudé à partir d’un bras robotique 3D, mais lorsque cette pression est supprimée sèche rapidement à température ambiante et le résultat est un matériau flexible et résistant.

Preuve

Pour vérifier la viabilité de l’hydrogel et ses applications possibles en architecture, Zboinska et son équipe ont conçu différentes formes et motifs pour évaluer leurs utilisations finales possibles. Parmi les futures structures qui pourront être obtenues grâce à l’hydrogel de nanocellulose, soulignent les chercheurs Éléments autoportants tels que séparateurs de pièce légers, stores et systèmes de panneaux muraux.

Sa polyvalence ne s’arrête pas là, et certaines configurations peuvent être utiles comme base pour les revêtements de bâtiments existants, comme les carreaux de mur et de sol ou des panneaux acoustiques pour mieux isoler des bâtiments entiers.

Zboinska reconnaît les limites de ces matériaux, car lorsqu’ils sont imprimés en 3D, ils souffrent défauts tels que retrait ou déformation pendant le temps de séchage. L’étude souligne que « de petites déformations et de faibles valeurs de retrait, inférieures à 10 %, peuvent être obtenues si la conception du parcours d’outil est basée sur des filaments de matériau qui forment une construction très poreuse avec une disposition symétrique ».

Ainsi, ce qu’il cherche désormais avec son équipe, c’est de continuer à acquérir des connaissances sur le comportement et la disposition optimale du matériau, en vue de industrialiser sa production et la proposer comme alternative à celles déjà existantes en architecture. « En résumé, cette étude a montré que l’hydrogel CNF-ALG est un matériau évolutif, imprimable en 3D et personnalisable avec une application potentielle dans de nombreux produits architecturaux légers. « Les conceptions de membranes peuvent être affinées à l’aide de voies de dépôt de matériaux et de scénarios de séchage environnementaux personnalisés », conclut le document de recherche.

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