Impression 3D par liaison sélective de béton de chanvre

Particle bed 3D printing for hempcrete

• Auteur / Autrice : Valentine Danché
• Direction : Tien-Tung Ngo, Alexandre Pierre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 03/07/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2006-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Pierre, Sandrine Marceau, Arnaud Perrot, Laury Barnes-Davin, Emmanuel Keita, Sofiane Amziane, Khadim Ndiaye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sandrine Marceau, Arnaud Perrot

Mots clés

Mots clés libres

Impresion 3D

Poudre

Imbibition

Etalement

Biosourcé

Matériaux cimentaires

3D printing

Powder

Imbibition

Spreading

Bio-Based

Cementious materials

Résumé

L'impression 3D connaît un essor remarquable dans l'industrie de la construction, ouvrant la voie à la digitalisation attendue du secteur. Alors que de nouvelles techniques sont étudiées pour associer optimisation technique et limitation des émissions de CO2, cette étude se concentre sur l'impression 3D par lit de poudre. Encore relativement niche, cette technique pourrait permettre d'imprimer avec une forte teneur en fibres naturelles, franchissant ainsi une étape supplémentaire vers la neutralité carbone. Le processus est simple, impliquant trois étapes répétées : déposer une couche de poudre réactive - compacter - injecter de l'eau sur la surface.Par conséquent, contrôler la pénétration de l'eau dans la poudre est la clé pour améliorer la qualité d'impression. Pour confiner l'eau dans la zone désirée et permettre une hydratation optimale du liant, nous avons modifié les propriétés physiques de la poudre (compacité, perméabilité) ou celles du fluide injecté (tension superficielle, viscosité, limite d'écoulement) pour étudier leur impact sur la cinétique de propagation de l'eau en surface et dans la poudre. Nous avons donc étudié la cinétique de propagation verticale d'eau dans des échantillons de poudres cimentaires compactées. Pour mieux s'approcher des phénomènes advenant dans l'imprimante, l'imbibition verticale dans les deux sens de pénétration est suivie par analyse d'image et par IRM, bénéficiant ainsi d'informations complémentaires sur la quantité et la répartition de l'eau dans les échantillons.Après avoir développé un dispositif ambivalent, nous avons étudié des poudres pures (ciment, calcite, métakaolin, sable) et d'autres contenant des agrégats poreux (pâte de ciment recyclée ou chanvre micronisé) pour mieux comprendre leur impact sur la pénétration de l'eau dans une poudre imprimable biosourcée. En effet, cette technique apporte de nouvelles pistes de compréhension sur la saturation et, combinée à la RMN, les transferts d'eau entre la matrice et les agrégats poreux. Les agrégats poreux naturels comme le chanvre sont en effet bien connus pour interférer sur la répartition de l'eau car ils absorbent et gonflent au contact de l'eau. Les résultats indiquent que la cinétique ne ralentit pas toujours avec le temps et nous amènent à discuter de la validité de la loi de Washburn, pourtant communément utilisé pour décrire les phénomènes de propagation d'eau dans des milieux poreux.Enfin, le développement complet d'une imprimante 3D sur lit de poudre a permis d'imprimer des cubes qui permettront d'étudier l'influence du choix des paramètres d'impression (type d'injection et compacité) sur la forme des pièces. Nous pourrons ensuite envisager de considérer les matériaux biosourcés comme un outil possible pour améliorer la précision d'impression.

3D printing is experiencing a significant rise in the construction industry, paving the way for the expected digitalization of the sector. As new techniques are explored to combine technical optimization and CO2 emission reduction, this study focuses on powder-bed 3D printing. Despite still being relatively niche, this method could facilitate printing with a high natural fiber content, thus taking a further step towards carbon neutrality. The process is simple, involving three iterative steps : depositing a layer of reactive powder, compacting it, and then injecting water onto the surface.Hence, controlling water penetration into the powder is crucial to improve print quality. The objective is to confine the available water to the desired area, ensuring optimal binder hydration and preventing leaching from previous layers. Several factors may limit penetration depth, including the physical properties of the powder (compactness, permeability) and those of the injected fluid (surface tension, viscosity, yield stress) to study their impact on the kinetics of water propagation on the surface and within the powder. Consequently, we examined the vertical water propagation kinetics in compacted cementitious powder samples. To better simulate the phenomena occurring within the printer, vertical imbibition in both penetration directions was monitored through image analysis and MRI, providing additional insights into the quantity and distribution of water in the samples.Following the development of a versatile setup, we investigated pure powders (such as cement, calcite, metakaolin, sand) and those containing porous aggregates (recycled cement paste or micronized hemp shives) to better understand their impact on water penetration in a bio-sourced printable powder. Indeed, this technique sheds new light with a saturation sensibility and, when combined with MRI, water transfers between the matrix and porous aggregates. Natural porous aggregates like hemp are well-known to affect water distribution as they absorb and swell on contact with water. The results indicate that kinetics do not always slow down over time which opens discussions on the validity of Washburn's Law, commonly used to describe water propagation phenomena in porous media.Finally, the complete development of a powder-bed 3D printer has enabled the printing of cubes, which will facilitate the study of the influence of printing parameter choices (injection type and compactness) on part geometry. We will then be able to consider biobased materials as a possible tool for improving printing precision.