Les écrans numériques ont beau avoir remplacé les planches à dessin, les modèles architecturaux physiques jouent toujours un rôle important pour aider les architectes à visualiser leurs plans.
Les technologies d'impression 3D contribuent à faire le lien entre les mondes numérique et physique, permettant aux architectes et aux modélistes de créer rapidement et à moindre coût des modèles architecturaux très précis directement à partir de dessins numériques.
Ce guide fournit une multitude d'informations sur l'impression 3D de modèles architecturaux, les différents processus d'impression 3D pour l'architecture et le flux de travail permettant de créer des modèles imprimés en 3D à partir de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) d'architecture.
Impression 3D de modèles architecturaux : un guide sur les stratégies de modélisation et le flux de travail logiciel
Ce livre blanc traite des décisions de modélisation, depuis le choix de l’échelle pour la conception d’un assemblage au post-traitement. Il aborde aussi l’utilisation de ces stratégies dans la plupart des écosystèmes logiciels courants.
Pourquoi imprimer en 3D des modèles architecturaux ?
Depuis l'époque des pharaons, les maquettes d'architecture ont été utilisées pendant la phase de développement de bâtiments pour aider à vendre un projet, collecter des fonds ou résoudre des problèmes de construction.
Le modélisme a longtemps été manuel, exigeant de travailler avec des matériaux tels que le bois, la céramique, le carton ou l'argile, ce qui peut être extrêmement long et répétitif. Les studios et les cabinets d'architecture ont aujourd'hui accès à un plus large éventail d'outils, notamment des fraiseuses CNC, des découpeuses laser et des imprimantes 3D, qui peuvent réduire les besoins en main-d'œuvre et accélérer le flux de travail.
Les procédés modernes d'impression 3D offrent aux architectes et aux modélistes le moyen de révolutionner la fabrication de maquettes. Ils peuvent désormais :
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Accélérer le processus de création de modèles architecturaux.
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Transformer des dessins CAO directement en modèles 3D physiques très précis.
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Développer des pièces au design complexe qui seraient difficiles ou impossibles à produire à la main.
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Simplifier la communication et mettre en évidence des zones spécifiques qu'il serait difficile de rendre avec des dessins 2D classiques.
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Créer plus d'itérations de conception et réduire les coûts de production.
Par exemple, l'entreprise de modélisme Renzo Piano Building Workshop (RPBW), fondée par un architecte lauréat du prix Pritzker, a recours à une imprimante 3D SLA pour développer et fabriquer rapidement des modèles précis.
« Nos maquettes changent tous les jours, voire toutes les heures. Comme les architectes modifient les projets très rapidement, la plupart du temps nous n’avons même pas le temps d’effectuer la modification à la main. Nous devons donc trouver un moyen de le faire plus rapidement, » explique Francesco Terranova, modéliste chez RPBW.
Les imprimantes 3D peuvent créer des modèles en quelques heures et même fonctionner la nuit pour gagner du temps. « C’est bien, car nous pouvons lancer l’imprimante dans la soirée et retrouver la maquette terminée en arrivant le lendemain matin. Ainsi, nous ne perdons pas de temps pendant la journée », explique M. Terranova.
L'impression 3D est idéale pour fabriquer des pièces d'architecture complexes : les arbres de ce modèle ont été imprimés en 3D avec une imprimante 3D SLA Formlabs.
L'impression 3D peut être utilisée seule ou en combinaison avec d'autres outils et processus pour fabriquer des modèles architecturaux de bâtiments entiers. Les modélistes de RPBW peuvent utiliser l'usinage CNC ou la découpe laser pour produire les pièces de base de leurs modèles architecturaux, et une imprimante 3D pour développer des composants plus complexes tels que des escaliers, des arbres, des sphères et des surfaces courbes, qui prendraient beaucoup de temps à fabriquer à la main. Par exemple, l'équipe RPBW a imprimé en 3D les jointures complexes des colonnes de la maquette du nouveau pont autoroutier San-Giorgio à Gênes, qui a récemment remplacé le pont Morandi détruit en 2018. Cette combinaison de l'impression 3D et de solutions de fabrication traditionnelles accélère le processus de création et augmente le niveau de précision des modèles architecturaux.
L'un des principaux objectifs des maquettes 3D est de simplifier la communication entre les architectes et de faciliter la présentation des plans aux clients. Basée à Los Angeles, la compagnie de conception Laney LA travaille surtout sur des maisons particulières, et pour eux, il est particulièrement important de pouvoir rendre compte de la taille d'une maison ou d'une structure à l'aide d'une maquette. L'architecte Paul Choi et son équipe utilisent l'impression 3D pour présenter des espaces particuliers du projet qui seraient difficiles à décrire à l'aide de dessins conventionnels.
Les architectes de Laney LA utilisent l'impression 3D pour créer des modèles leur permettant de visualiser le projet sous une nouvelle perspective, et de mieux saisir l'ampleur de l'entreprise.
« C'est amusant de toujours chercher à décrire une certaine idée du projet et à l'isoler dans la maquette, que ce soit une pièce ou un espace particulier que nous cherchons à mettre en valeur en le découpant, ou encore la topographie du site », raconte Choi.
Les modélistes de RPBW utilisent une imprimante SLA Form 3 pour accélérer la production de maquettes à l’échelle.
Choisir une imprimante 3D pour créer des modèles architecturaux
Différentes méthodes existent pour imprimer des modèles architecturaux en 3D. Il est important de choisir une technologie d'impression adaptée à votre cas d'utilisation.
Les techniques d'impression 3D les plus populaires pour la fabrication de modèles d'architectures sont la stéréolithographie (SLA), le dépôt de fil fondu (FDM), le frittage sélectif par laser (SLS) et le jet de liant.
Stéréolithographie (SLA)
La stéréolithographie a été l’une des premières techniques d’impression 3D, inventée au début des années 1980. Elle reste l’une des plus utilisées par les professionnels. Les imprimantes 3D SLA utilisent un laser pour transformer de la résine liquide en plastique durci par un processus dit de photopolymérisation.
Les pièces imprimées par stéréolithographie ont l’exactitude et la résolution les plus élevées de tous les procédés d’impression 3D plastique. Les pièces SLA offrent également la finition de surface la plus lisse et la plus facile à peindre.
Les pièces imprimées en SLA présentent des arêtes vives, un fini de surface lisse et un minimum de traces des couches d'impression, ce qui est idéal pour fabriquer des modèles très détaillés. Ce modèle a été imprimé avec une imprimante SLA Form 3.
La SLA est une excellente option pour fabriquer des modèles de présentation très détaillés destinés à présenter des concepts et des idées à des clients ou au public.
Grâce à des matériaux à impression rapide comme Draft Resin, la SLA est également le procédé d'impression 3D le plus rapide pour la plupart des pièces. Alors que les imprimantes SLA de bureau offrent un volume de fabrication plus compact, les imprimantes 3D SLA grand format comme la Form 3L permettent aux architectes et aux modélistes de créer des modèles à très grande échelle.
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Dépôt de fil fondu (FDM)
Le procédé FDM, ou dépôt de fil fondu, également connu sous le nom de fabrication par filament fondu (FFF), est le procédé le plus utilisé au niveau des consommateurs, du fait de l’émergence des imprimantes 3D de loisir. Les imprimantes 3D FDM fabriquent les pièces en faisant fondre et en extrudant un filament thermoplastique fondu, qu'une buse dépose couche par couche sur la zone de fabrication.
Des quatre procédés d’impression 3D plastique présentés ici, le FDM est celui qui présente la résolution et l’exactitude les plus faibles. Il ne convient donc pas à la fabrication de modèles compliqués ou de pièces avec des parties complexes. Il est parfait pour fabriquer des modèles basiques produits au début du processus de conception, car il permet de créer des modèles relativement grands rapidement et à faible coût.
Comparées à d’autres imprimantes comme les imprimantes SLA (à droite), les imprimantes FDM conviennent moins bien aux modèles compliqués ou aux pièces avec des parties complexes (à gauche).
Frittage sélectif par laser (SLS)
Le frittage sélectif par laser est le procédé de fabrication additive le plus utilisé dans le secteur industriel. Les imprimantes 3D SLS utilisent un laser de forte puissance pour fondre de petites particules de poudre de polymère. La poudre non fondue supporte la pièce pendant l’opération, ce qui évite d’avoir à lui ajouter des structures de support.
Le procédé SLS est idéal pour des pièces à géométrie complexe, présentant des formes internes ou en creux, des contre-dépouilles ou des parois fines. Les pièces produites par les imprimantes SLS présentent d'excellentes propriétés mécaniques qui les rendent également adaptées aux pièces structurelles.
Le SLS est parfait pour imprimer des pièces élaborées ou à géométrie complexe. Les détails de ce modèle ont été imprimés avec une imprimante SLS Fuse 1.
Jet de liant
La technologie d'impression 3D par jet de liant est similaire à l’impression SLS, mais elle utilise un agent liant coloré pour lier la poudre de grès au lieu de la chaleur. Les imprimantes à jet de liant peuvent produire des maquettes 3D vives et colorées.
Les pièces produites par jet de liant ont une surface poreuse et sont très fragiles, ce qui signifie que ce procédé n'est recommandé que pour les applications statiques.
Les imprimantes à jet de liant peuvent produire des maquettes 3D vives et colorées.
Comparer les imprimantes 3D pour l'architecture
| Stéréolithographie (SLA) | Dépôt de fil fondu (FDM) | Frittage sélectif par laser (SLS) | Jet de liant | |
|---|---|---|---|---|
| Résolution | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ |
| Précision | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| Finition de surface | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ |
| Facilité d’utilisation | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★☆ |
| Modèles complexes | ★★★★☆ | ★★★☆☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| Volume d’impression | Jusqu’à 300 x 335 x 200 mm (imprimantes 3D de bureau et d’atelier) | Jusqu’à 300 x 300 x 600 mm (imprimantes 3D de bureau et d’atelier) | Jusqu’à 165 x 165 x 300 mm (imprimantes 3D d’atelier industrielles) | Jusqu'à 254 x 381 x 203 mm (imprimantes 3D industrielles) |
| Gamme de prix | Les imprimantes de bureau professionnelles commencent à 3300 €, les imprimantes d'atelier grand format à 11 000 €. | Les imprimantes et les kits d'impression 3D entrée de gamme commencent à quelques centaines d'euros. Les imprimantes de bureau milieu de gamme de meilleure qualité commencent autour de 2000 €, et les systèmes industriels sont disponibles à partir de 15 000 €. | Les systèmes industriels d'atelier commencent à 15 000 €, et les imprimantes industrielles traditionnelles sont disponibles à partir de 100 000 €. | Les imprimantes 3D à jet de liant sont des machines industrielles coûteuses, avec des prix allant de 30 000 € à 100 000+ €. |
Comment imprimer en 3D des modèles architecturaux
Une équipe de l'Institut d'architecture de la Hochschule Mainz (Université des sciences appliquées) a reconstitué les villes allemandes médiévales de Worms, Spire et Mayence à l'aide de modèles à grande échelle imprimés en 3D.
Aujourd'hui, la plupart des architectes travaillent déjà avec des outils numériques, utilisant des logiciels CAO d'architecture tels que BIM (Revit et ArchiCAD), Rhino 3D ou SketchUp pour créer des conceptions numériques. Cependant, ces fichiers numériques ne peuvent pas toujours être utilisés pour directement imprimer des maquettes en 3D.
Pour passer d'un modèle CAO à un fichier imprimable en 3D, il est nécessaire d'avoir une certaine connaissance de la conception 3D, des contraintes à prendre en compte, et de la manière de réaliser une maquette.
1. Stratégie de modélisation
Les modèles architecturaux sont généralement fabriqués avec toute une série de matériaux et de composants. Les imprimantes 3D permettent de fusionner ces composants en un nombre aussi réduit que possible de pièces individuelles, mais un assemblage est toujours nécessaire pour deux raisons :
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Les limites du volume de fabrication : à moins que vous n'utilisiez une imprimante 3D grand format telle que la Form 3L, vous devrez probablement diviser le modèle en plusieurs parties pour le faire entrer dans le volume de fabrication de l'imprimante 3D.
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La nécessité de mettre en évidence des détails intérieurs ou certains matériaux : certains modèles nécessitent des composants démontables pour révéler plus d'informations sur le design d'un projet.
La taille et la géométrie des différents composants sont des éléments clés à prendre en compte lors de la préparation d'un modèle architectural pour l'impression 3D. En général, les modèles de grande taille, les modèles à composants multiples et les modèles présentant des caractéristiques complexes sont divisés en composants imprimables en 3D. Les pièces peuvent ensuite être facilement assemblées par collage chimique ou par assemblage mécanique. La grande précision des impressions réalisées avec des technologies telles que la SLA et le SLS garantit un assemblage parfait des pièces.
Pour obtenir les meilleurs résultats, il convient d'appliquer des stratégies d'assemblage, notamment :
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Fractionnement des modèles par jointures : fractionner les modèles ou les composants par jointures permet de créer des composants plus faciles à gérer et à assembler une fois imprimés. La méthode la plus simple pour fractionner un modèle est la coupe droite. Une autre approche consiste à ajouter des éléments à votre conception qui permettront aux pièces imprimées de s'aligner d'elles-mêmes.
- Fractionnement des modèles par composants : certains modèles peuvent être fractionnés par composants ou être décomposés par un programme en un kit de pièces. Imprimez ces composants séparément, puis assemblez-les à l'aide d'éléments de couplage, ou imprimez simplement un composant de l'ensemble du bâtiment séparément du reste.
Étant donné que chaque pièce correspond au même design, il est logique d'imprimer une unité amovible pour permettre au client de comprendre la typologie générique de l'unité. Modèle de Stanley Saitowitz | Natoma Architects Inc.
2. Flux de travail logiciel
Les progrès de la technologie CAO ont radicalement simplifié le processus de développement des fichiers imprimables en 3D. Les plateformes CAO modernes disposent de modules d'impression 3D dédiés pour aider les architectes à convertir une conception CAO en un modèle imprimable. Cependant, n'oubliez pas que vous travaillez toujours à l'échelle 1:1 : certaines conversions rapides seront nécessaires pour obtenir les dimensions correctes à l'échelle d'impression.
En fonction de la plateforme CAO utilisée, il convient de tenir compte de certains éléments pour développer des modèles architecturaux. Ces éléments spécifiques à la CAO comprennent :
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Le flux de travail BIM : les modèles imprimables en 3D développés à l'aide d'un logiciel BIM utilisant la modélisation paramétrique, comme Autodesk Revit ou Graphisoft ArchiCAD, nécessitent une certaine gestion des composants. Les composants tels que les gaines, les fenêtres à double vitrage et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation ne sont pas rendus par les impressions 3D et doivent être retirés, tandis que d'autres parties telles que les portes, les fenêtres, les murs et les dalles doivent être épaissies.
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Flux de travail de modélisation de surface : ce flux de travail offre souvent une approche plus facile, car il convertit des dessins 2D pour les imprimer en 3D. Il s'agit d'exporter un dessin simplifié, de le réduire à l'échelle, puis de l'extruder et de l'ajuster jusqu'à obtenir une enveloppe extérieure.
Téléchargez notre livre blanc et découvrez les flux de travail étape par étape utilisés pour les logiciels CAO d'architecture courants.
3. Impression et post-traitement d'un modèle architectural
L'étape suivante de l'impression 3D de modèles architecturaux consiste à convertir votre modèle numérique 3D dans un langage compréhensible pour votre imprimante 3D. Pour ce faire, il convient d'utiliser un logiciel de découpage ou de préparation d'impression, tel que PreForm. Que vous soyez novice ou expérimenté, l'utilisation d'un logiciel de découpe est généralement intuitive. Le logiciel met en évidence les détails tels que les murs qui peuvent nécessiter un renforcement, les zones non soutenues et les volumes fermés qui affectent la structure de la pièce. Tous ces éléments peuvent être corrigés avant l'impression. Le logiciel vous permet également d'optimiser des paramètres tels que la résolution, la position de la plateforme de fabrication et les structures de support.
Les matériaux utilisés sont importants pour rendre tous les éléments d'un concept et permettent également une meilleure visualisation. Il n'est pas toujours nécessaire de simuler la couleur ou la texture exacte du matériau final. La division d'un modèle par composants permet de mettre les matériaux en évidence, car les pièces peuvent être produites avec différents matériaux d'impression 3D, ou peintes individuellement avec des couleurs différentes.
Le post-traitement diffère selon la technologie d'impression 3D utilisée, mais comprend généralement le ponçage, le collage et la peinture des modèles.
Voici un aperçu par procédé d'impression 3D :
| Technique de post-traitement | Stéréolithographie (SLA) | Dépôt de fil fondu (FDM) | Frittage sélectif par laser (SLS) | Jet de liant |
|---|---|---|---|---|
| Ponçage | Un léger ponçage est recommandé pour éliminer les marques de supports. | La qualité inférieure des impressions FDM rend le ponçage nécessaire pour obtenir une finition lisse. | Aucun ponçage n'est nécessaire en raison de la qualité des pièces finies. | Aucun ponçage n'est nécessaire. |
| Collage | Le collage des composants SLA se fait avec de la super-glu ou des résines liquides. | Les composants FDM peuvent être assemblés à l'aide d'adhésifs tels que de la super-glu. | Les composants SLA peuvent être assemblés à l'aide d'adhésifs tels que la super-glu. | Les composants imprimés par jet de liant peuvent être collés avec de la super-glu. |
| Apprêt et peinture | Les composants SLA peuvent être peints pour obtenir la finition souhaitée. | Les composants FDM peuvent être peints pour obtenir la finition souhaitée. | Les composants SLS peuvent être peints pour obtenir la finition souhaitée. | Aucune peinture n'est nécessaire pour les pièces en couleur. |
Se lancer dans l'impression 3D de modèles architecturaux
Les imprimantes 3D professionnelles SLA et SLS fournissent aux architectes les outils nécessaires pour créer des modèles architecturaux 3D précis et attrayants. Choisissez la Form 3 pour une solution compacte pouvant tenir sur votre bureau, la Form 3L pour des modèles grand format haute résolution et la Fuse 1 pour des pièces structurelles et des formes plus complexes.
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