Le béton imprimé en 3D peut-il sauver l’environnement ?

Le béton est omniprésent autour de nous. Des maisons, bureaux et bâtiments scolaires aux magasins, barrages, ponts, trottoirs et routes, le béton contribue à la construction des structures que nous utilisons au quotidien. 

Ce n'est pas un matériau nouveau, loin de là. En fait, les premières traces de structures en béton remontent à 6500 av. J.-C., dans des régions de Syrie et de Jordanie. Ensuite, bien sûr, les Romains ont largement utilisé le béton dans leurs constructions. Et aujourd'hui, des siècles plus tard, nombre de ces structures sont encore debout.

Au fil des années, l’utilisation du béton n’a fait que croître, le marché mondial du béton se situant à 687.2 milliards de dollars en 2021. Il est en outre attendu devrait atteindre 821.6 milliards de dollars d’ici 2026, démontrant ainsi le rôle que joue le béton dans nos vies. 

Cette extension est conduit La croissance du secteur de la construction et l'augmentation des investissements dans de nouveaux projets de construction à travers le monde contribuent également à la demande croissante de complexes résidentiels et commerciaux à travers le monde. À mesure que les villes se développent, le besoin d'infrastructures et, par conséquent, le besoin de béton augmentent également.

Bien que nous sachions que la demande de ciment est constante, et ce depuis des siècles, pourquoi est-il si populaire ? Et est-ce que tout va bien ? Eh bien, découvrons-le !

Le béton : un besoin dangereux pour le monde

Avant de comprendre ce qui rend le béton si précieux, voyons ce qu'il est exactement. Il s'agit d'un mélange de ciment (ou de chaux), d'eau et de granulats, qui sont des particules naturelles ou artificielles comme le sable, le gravier ou la pierre concassée. 

Ici, le ciment, qui est un mélange fabriqué de calcium, de fer, de silicium et d'aluminium, entre autres ingrédients, est le liant qui confère au béton des propriétés de durcissement., tandis que l'eau active le ciment pour former un matériau dense. 

Ce qui rend ce matériau composite si précieux, ce sont ses propriétés, notamment la malléabilité (la capacité du béton fraîchement mélangé à être moulé dans presque n'importe quelle forme) et la durabilité (ce qui signifie qu'il peut durer de nombreuses années). Ce matériau abordable peut encore être personnalisé pour répondre aux différents besoins de construction.

Les autres propriétés intéressantes du béton comprennent sa facilité d’utilisation, sa résistance et sa capacité à résister non seulement à de lourdes charges et à des contraintes de compression, mais également à des conditions météorologiques difficiles et à des catastrophes naturelles comme les tremblements de terre et les ouragans.

Le béton possède également la capacité de conserver la chaleur, d'être ignifuge et de se réparer facilement en cas de dommage. Toutes ces propriétés font du ciment un produit de grande valeur, ce qui explique l'essor fulgurant de son utilisation.

En ce qui concerne les cas d'utilisation du béton, il a diverses applications dans le secteur de la construction. Le béton est en fait le matériau de construction le plus utilisé au monde après l'eau. est utilisé pour la construction de barrages, de ponts, d'autoroutes, d'aéroports, de routes, de canaux, de réservoirs et de chaussées, ainsi que de bâtiments résidentiels, de complexes commerciaux et d'autres structures porteuses.

Pour le dire simplement, le béton est un matériau fondamental dans la construction, jouant un rôle crucial dans le façonnement de l’infrastructure qui nous entoure. 

Mais cela ne veut pas dire que le béton n'offre que des avantages. En réalité, il est extrêmement dangereux. 

Pour commencer, le ciment est responsable de 1.6 milliards de tonnes métriques de dioxyde de carbone (CO2), qui représente environ 8 % des émissions mondiales de CO2. La dépendance importante du secteur de la construction au ciment aggrave son immense empreinte carbone.

Parallèlement, la fabrication du ciment Portland ordinaire (OPC) est responsable de 5 à 8 % des émissions anthropiques mondiales de CO2. Si l'on extrapole à toutes les activités liées à la construction, les dernières Une étude montre un tableau alarmant, avec près de 40 % des émissions de CO2 liées à l’énergie provenant de ce secteur, qui consomme 36 % de l’énergie finale mondiale.

Ce est extrêmement préoccupant car les émissions de CO2 sont projetés pour atteindre un niveau record de 37.41 GtCO2Les émissions de CO2 sont également la principale cause du réchauffement climatique et, selon le GIEC, le réchauffement climatique à son rythme actuel est anticipé pour atteindre 1.5 °C au-dessus des niveaux préindustriels entre 2030 et 2052.

Compte tenu des répercussions environnementales du béton, alors que son taux de consommation annuel s’élève à 30 milliards de tonnes et devrait Pour que ce problème ne cesse de croître, il est important que chacun, des innovateurs aux organisations et au gouvernement, s'attaque à ce problème de front.

Faire progresser la construction grâce à l'impression 3D 

Le béton, comme nous l’avons noté plus haut, est un mal nécessaire car, bien qu’il présente de grands avantages et soit crucial pour la civilisation, il est en réalité nocif pour la planète, qui est déjà confrontée à la déforestation, au changement climatique, à la perte de biodiversité et à bien d’autres problèmes. 

Ajoutez du béton au mélange et les choses iront mieux. juste s'empirer. Mais que se passerait-il s’il existait un moyen de remédier aux effets nocifs de ce matériau de construction populaire ? 

Eh bien, pour commencer, le béton évolue pour répondre aux besoins complexes et avancés du monde. Comme nous l'avons déjà mentionné, des matériaux avancés comme le graphène et le chanvre sont étant de plus en plus utilisé dans les matériaux de construction. Le ciment sans carbone est également produit en remplaçant le calcaire ou en utilisant du calcaire issu de combustibles fossiles.

Il existe une autre solution : l’impression 3D. Eh oui ! La même méthode utilisé créer des œuvres d’art, des meubles et d’autres produits de consommation, ainsi que des techniques médico-légales, des prothèses et de la chirurgie, change également la donne dans le domaine de la construction. 

L'impression 3D ou fabrication additive, qui consiste à fabriquer des objets tridimensionnels à partir d'un fichier numérique en déposant des couches de matériaux, gagne beaucoup de terrain grâce à ses avantages en matière de prototypage rapide, de personnalisation, d'économies de coûts, de réduction du gaspillage de matériaux, de promotion de l'innovation et de durabilité. 

Cette technologie est désormais être utilisé dans la construction, ce qui n'est pas nouveau en soi, puisque l'impression 3D a été utilisée pour la première fois dans la construction il y a plusieurs décenniesCependant, l’utilisation de l’impression 3D a considérablement augmenté ces dernières années pour accélérer considérablement le processus, optimiser l’utilisation des matériaux, explorer des conceptions complexes et des structures sur mesure, faciliter la construction à distance et améliorer la sécurité.

Les avantages multiformes de l’impression 3D incluent également des chaînes d’approvisionnement plus courtes grâce à la construction sur site et une diminution substantielle des risques sur le lieu de travail en raison de la réduction du besoin de travail manuel dans les opérations à haut risque.

Cette année, nous avons vu le plus grand quartier imprimé en 3D au monde au Texas presque terminé après deux ans de construction, l'entreprise de construction imprimée en 3D ICON est à l'origine de ce projet.

Entreprise privée, ICON n'imprime pas seulement des maisons résidentielles, mais est également impliquée dans la défense et la construction hors du monde. Il y a moins de dix ans, ICON levé un total de 451 millions de dollars, ce qui a augmenté sa valorisation à environ 2 milliards de dollars. L'entreprise est en fait sous contrat avec la NASA pour construire des aires d'atterrissage, des abris et d'autres structures sur la Lune dans le cadre du programme d'exploration lunaire Artemis de l'agence.

En 2018, elle a construit la première maison imprimée en 350D de 3 pieds carrés autorisée aux États-Unis, ce qui n'a pris que deux jours. La maison a été construite en béton car, comme l'a déclaré le PDG de l'ICO, Jason Ballard :

« C’est l’un des matériaux les plus résistants de la planète. »

Pour sa communauté du Texas, l'entreprise utilise son imprimante Vulcan, qui ressemble beaucoup à une imprimante 3D de bureau classique, et qui réalise les tuyaux couche par couche. La différence avec cette imprimante Vulcan est qu'elle mesure 45 mètres de large et pèse 4.75 tonnes. 

Quant à son procédé, la poudre de béton est mélangée avec du sable, de l'eau et d'autres additifs, puis pompée dans l'imprimante. Le mélange de béton est ensuite expulsé par une buse sur une brosse, qui s'accumule couche par couche en suivant un chemin préprogrammé.

L'imprimante robotisée a construit 100 maisons imprimées en 3D au sein de ce qu'elle présente comme la plus grande communauté d'impression 3D au monde. L'impression 3D étant plus rapide, moins coûteuse, minimisant le gaspillage de matériaux de construction et nécessitant moins de main-d'œuvre, elle apporte « beaucoup d'efficacité au marché professionnel », selon l'entreprise.

Ce Ce n'est cependant qu'un début, comme en témoigne la croissance du marché de la construction par impression 3D devrait à voir. Évalué à 5.5 milliards de dollars l'année dernière, le marché mondial de la construction par impression 3D est projeté croître à un TCAC de 105.8 % pour atteindre un énorme $ 3.3 trillion par 2032. 

Ces chiffres peuvent paraître ahurissants au premier abord, mais comme nous l’avons partagé dans notre article précédent, l’impression 3D pourrait émerger comme une solution potentielle au grave problème de la pénurie de logements, ce qui fait de l’objectif d’un billion de dollars une réelle possibilité.

Compte tenu de l'intérêt considérable suscité par l'impression 3D dans la construction, il est logique d'utiliser cette technologie pour améliorer le marché de la construction. C'est précisément ce que font les scientifiques de l'Université technologique de Nanyang (NTU) de Singapour.

Les chercheurs sont allés encore plus loin en imprimant en 3D le béton lui-même. Pour cela, ils ont développé une méthode d’impression 3D du béton qui capture le carbone, montrant ainsi une nouvelle façon de réduire l’impact environnemental du secteur de la construction.

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Impression 3D de béton qui capture le CO2

Plus tôt ce mois-ci, les scientifiques de NTU ont publié leurs recherches sur « Capture et séquestration du carbone avec du CO2 in situ et impression 3D de béton intégrée à la vapeur. »

La recherche a détaillé la méthode innovante qui vise à réduire considérablement l’empreinte carbone du ciment en réduisant l’utilisation des matériaux, les besoins en main-d’œuvre et le temps de construction. 

It est également suggéré que durable Le développement de l’impression 3D de béton pourrait permettre de réduire jusqu’à 5 % la consommation énergétique mondiale. Ces avantages environnementaux sont l'éventualité égale à sa capacité à rationaliser les processus de construction. 

Cependant, le mélange de CO2 dans le béton, comme le fait la dernière étude, a déjà été réalisé dans le but d'améliorer la qualité du matériau et de contribuer à réduire l'impact environnemental négatif du ciment.

Les premières études ont déjà montré des améliorations des propriétés mécaniques du béton grâce au mélange direct par lots avec du CO2 et à l’exposition du béton au CO2 pendant la production dans des chambres de carbonatation en raison de la formation d’une « coque de carbonatation ». 

Des études antérieures ont rapporté une augmentation de près de 15 fois de la résistance à la pénétration et jusqu'à 1.16 % d'absorption de carbone en seulement une demi-heure de mélange de mortier avec du CO2. L'ajustement du durcissement par carbonatation accélérée (ACC) a également montré une absorption de carbone de 1.98 à 25.5 %.

Alors que la recherche sur l’impression 3D du béton s’est largement concentrée sur la conception de mélanges de ciment écologiques pour réduire son empreinte carbone, la dernière étude a noté que quelques-uns ont envisagé de faire progresser les technologies de traitement, notamment pour améliorer sa capacité de capture et de stockage du carbone en vrac (CCS). 

Les études sur la carbonatation des matériaux cimentaires, en particulier l'accent minimal mis sur les profondeurs, ont noté les chercheurs, expliquent pourquoi leur mise en œuvre à grande échelle soulève des problèmes de validité. Sans compter que les solutions CCS à chambre confinée sont confrontées à des limitations en termes de matériel et de consommation d'énergie lorsqu'elles sont appliquées avec 3DCP. En conséquence, les avantages d'une construction évolutive, automatisée et sur site sont compromis.

Ce crée un besoin de développer un processus de carbonatation artificielle pour l’impression 3D du béton qui va au-delà des techniques de durcissement traditionnelles.

Les chercheurs de l’Université nationale de technologie (NTU) ont ainsi développé un nouveau procédé pour étudier son efficacité à séquestrer le dioxyde de carbone.

La technologie nouvellement développée implique un système d'extrusion en deux étapes. La première étape consiste à injecter du CO2 et de la vapeur dans le béton mélangé. Le mélange incorpore et stocke ensuite directement le CO2 dans la structure en béton. Le CO2 et la vapeur en question sont capturés comme sous-produits de processus industriels. 

Cette nouvelle approche a démontré une augmentation de 38.2 % de l’absorption massive de carbone, offrant un autre moyen de parvenir à une construction décarbonée grâce à l’impression 3D du béton.

La conception de la tête d'impression brevetée, qui facilite l'injection régulée d'additifs gazeux et liquides, vise à résoudre le problème crucial des préoccupations en matière de durabilité environnementale dans le cadre de la construction automatisée. Elle répond également au problème des exigences de configuration à la demande, mais surtout au manque de solutions CCS facilement disponibles et compatibles avec l'impression 3D du béton.

Non seulement cette nouvelle méthode réduit l’empreinte carbone du ciment, mais elle améliore également les propriétés mécaniques du béton. Ce, à son tour, offre une grande résistance à la structure par rapport au béton imprimé en 3D traditionnel.

Selon le document de recherche, l’intégration du CO2 et de la vapeur a entraîné une augmentation allant jusqu’à 50 % de l’imprimabilité 3D, de 45.3 % de la résistance à la flexion et de 36.8 % de la résistance à la compression. 

Les chercheurs ont conclu que les échantillons qui ont été exposés L'impression combinée CO2-vapeur et le séchage à l'air libre ont permis d'obtenir la plus grande absorption de carbone. Selon les chercheurs :

« La solution présentée offre une voie prometteuse vers une construction décarbonée tout en élargissant les options viables pour le CCS au-delà des méthodes traditionnelles de durcissement confiné. »

L’équipe a également souligné l’optimisation des configurations d’impression, des conceptions de mélanges et l’injection de gaz de combustion pour réduire le gaspillage de matières premières en dioxyde de carbone pur comme domaines possibles de recherche future.

Entreprise investissable dans le domaine de l'impression 3D

Maintenant, examinons une société cotée en bourse impliquée dans le marché de l'impression 3D, dont la valeur est estimée à 17.5 milliards de dollars en 2024 et est projeté pour croître à un TCAC de 16.4 % pour atteindre 37.4 milliards de dollars au cours des cinq prochaines années, ce qui représente des progrès dans le secteur et contribue à changer le monde pour le mieux.

1. Stratasys Ltée. (SSYS )

Stratasys est un nom connu dans le domaine de l'impression 3D et propose des solutions dans de nombreux secteurs. Les technologies de l'entreprise ont contribué aux avancées dans le domaine de l'impression 3D. 

Avec une capitalisation boursière de 689.5 millions de dollars, les actions de Stratasys se négocient actuellement à 9.66 dollars, en baisse de 32.35 % cette année. La société affiche un BPA (TTM) de -1.32 et un PER (TTM) de -7.30.

Pour le troisième trimestre 3, Stratasys rapporté Le chiffre d'affaires s'est élevé à 140.0 millions de dollars, contre 162.1 millions de dollars au même trimestre de l'exercice précédent. Ces chiffres portent le chiffre d'affaires récurrent des consommables de l'entreprise à une croissance annuelle depuis huit trimestres consécutifs, ce qui, selon l'entreprise, « reflète une utilisation toujours soutenue des imprimantes ».

La croissance de la marge brute GAAP de Stratasys s'est améliorée à 44.8 %, tandis que sa perte nette GAAP s'est élevée à 26.6 millions de dollars et que le résultat net non GAAP a commencé à atteindre la rentabilité. 4.5 millions de dollars en espèces a été signalé à être utilisés en opérations, et le flux de trésorerie d'exploitation YTD reste positif.

Avec ces chiffres solides, Stratasys a relevé ses perspectives pour l'ensemble de l'année 2024. Selon cela, elle a déclaré un chiffre d'affaires de 580 millions de dollars, un bénéfice net non conforme aux PCGR de 570 millions de dollars et des dépenses d'investissement de 5 millions de dollars.

« Nous avons commencé avec succès à transformer l’entreprise en optimisant les coûts et en nous concentrant sur des opportunités de croissance plus importantes. »

– Le PDG Dr Yoav Zeif a déclaré à l’époque

Il a également noté que la principale plate-forme F3300 de la société suscite beaucoup d'attention alors qu'elle continue de se développer dans ses principaux secteurs cibles, notamment la santé, l'automobile et l'aérospatiale.

Selon le Dr Zeif, le plan de restructuration de l'entreprise permettra de réaliser 40 millions de dollars d'économies annuelles à partir de l'année prochaine.

« Nous sommes bien placés pour générer une croissance accrue des revenus, de la rentabilité et des flux de trésorerie en 2025, afin de répondre à la demande refoulée une fois que les conditions du marché s'amélioreront. »

– Docteur Zeif

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Conclusion

Le béton est depuis des siècles une pierre angulaire du développement humain, mais il n’est pas sans danger. L’impact environnemental du béton devient une préoccupation majeure, créant un besoin urgent de trouver de meilleures solutions. La dernière technologie des chercheurs de la NTU est l’un de ces développements qui vont dans la bonne direction. En utilisant les principes de fabrication additive, l’impression 3D du béton a redéfini les opérations traditionnelles et favorisé la durabilité. 

Alors que le monde est confronté à l'expansion urbaine et au changement climatique, des innovations comme l'impression 3D de béton peuvent aider à répondre aux besoins croissants et complexes de la construction tout en atténuant ses effets néfastes. Bien que des défis subsistent en matière de mise à l'échelle et de standardisation, l'impression 3D peut, avec le temps et l'amélioration de la technologie, jouer un rôle clé dans la conception des infrastructures de demain.

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