Le 21 novembre, l’Université du Maine Advanced Structures and Composites Center (ASCC) a dévoilé BioHome3D, la première maison imprimée en 3D entièrement réalisée avec des matériaux biosourcés. BioHome3D a été développé avec le financement du programme Hub and Spoke du département américain de l’énergie entre l’UMaine et le laboratoire national d’Oak Ridge. Les partenaires comprenaient MaineHousing et le Maine Technology Institute.
Le prototype de 55 m2 comprend des sols, des murs et un toit imprimés en 3D en fibres de bois et en bio-résines. La maison est entièrement recyclable et hautement isolée avec une isolation 100% bois et des valeurs R personnalisables. Les déchets de construction ont été presque éliminés grâce à la précision du processus d’impression.
Dans le contexte de la construction, la valeur R est une mesure de la capacité d’une barrière bidimensionnelle, telle qu’une couche d’isolant, une fenêtre ou un mur ou un plafond complet, à résister au flux de chaleur conducteur
Les États-Unis et le Maine, en particulier, connaissent une crise de pénurie de logements abordables. La National Low Income Housing Coalition rapporte qu’à l’échelle nationale, il y a un besoin de plus de 7 millions de logements abordables. Dans le Maine seulement, le déficit est de 20 000 logements et augmente chaque année, selon la Maine Affordable Housing Coalition. Près de 60 % des locataires à faible revenu du Maine consacrent plus de la moitié de leur revenu au logement. Cette situation intenable est exacerbée par le double défi d’une pénurie de main-d’œuvre et de la hausse des prix des matériaux induite par la chaîne d’approvisionnement.
La technologie est conçue pour répondre aux pénuries de main-d’œuvre et aux problèmes de chaîne d’approvisionnement qui entraînent des coûts élevés et restreignent l’offre de logements abordables. Moins de temps est nécessaire pour la construction et l’aménagement de la maison sur place grâce à l’utilisation de la fabrication automatisée et de la production hors site. L’impression à l’aide de fibres de bois abondantes, renouvelables et d’origine locale réduit la dépendance vis-à-vis d’une chaîne d’approvisionnement restreinte. Ces matériaux soutiennent la revitalisation des industries locales des produits forestiers et sont plus résistants aux perturbations de la chaîne d’approvisionnement mondiale et aux pénuries de main-d’œuvre.
En utilisant les processus de fabrication et les matériaux avancés développés à UMaine, les futures maisons à faible revenu peuvent être personnalisées pour répondre à l’espace, à l’efficacité énergétique et aux préférences esthétiques du propriétaire. Il est important de noter qu’à mesure que la technologie de fabrication et la production de matériaux augmentent, les acheteurs de maison peuvent s’attendre à des délais de livraison plus rapides.
« Nous trouvons des solutions ici à l’ASCC aux problèmes urgents auxquels notre monde est confronté et auxquels le Maine est confronté, grâce à la recherche sur la technologie éolienne offshore transformatrice, les solutions de nouvelle génération pour les infrastructures de transport, les produits forestiers avancés et l’impression 3D à grande échelle, et bien sûr , des logements abordables », a déclaré la présidente de l’UMaine, Joan Ferrini-Mundy. « Le travail qui se déroule dans ce laboratoire illustre parfaitement le travail d’une institution de concession de terres – une institution qui a été créée pour aider à résoudre les problèmes et favoriser le développement économique de l’État du Maine en partenariat avec le peuple du Maine. Je ne pourrais pas être plus fier de montrer ce laboratoire et exactement comment cela se passe ici. »
Le prototype est actuellement situé sur une fondation à l’extérieur de l’ASCC, équipé de capteurs pour la surveillance thermique, environnementale et structurelle afin de tester les performances de BioHome3D pendant un hiver dans le Maine. Les chercheurs s’attendent à utiliser les données recueillies pour améliorer les conceptions futures.
BioHome3D a été imprimé en quatre modules, puis déplacé sur le site et assemblé en une demi-journée. L’électricité fonctionnait dans les deux heures avec un seul électricien nécessaire sur place.
« De nombreuses technologies sont en cours de développement pour imprimer des maisons en 3D, mais contrairement à BioHome3D, la plupart sont imprimées avec du béton. Cependant, seuls les murs en béton sont imprimés sur une fondation en béton coulé de manière conventionnelle. Une charpente en bois traditionnelle ou des fermes en bois sont utilisées pour compléter le toit », a déclaré Dagher, directeur exécutif de l’ASCC. « Contrairement aux technologies existantes, l’ensemble de la BioHome3D a été imprimé, y compris les sols, les murs et le toit. Les biomatériaux utilisés sont 100% recyclables, nos arrière-petits-enfants peuvent donc recycler intégralement BioHome3D.
« Ce sont ces types de collaborations public-privé, soutenues par le Bureau des matériaux avancés et des technologies de fabrication du DOE, qui contribueront à stimuler l’innovation dans notre secteur manufacturier. Ces partenariats entre l’industrie, le milieu universitaire, le gouvernement et nos laboratoires nationaux ont inauguré de nouvelles technologies essentielles qui réduisent les émissions, améliorent l’efficacité et rendent notre fabrication plus solide, plus résiliente et plus durable », a déclaré Marootian, également candidat au poste de secrétaire adjoint du BICHE.
Selon le Programme des Nations Unies pour l’environnement, les bâtiments représentent près de 40 % des émissions mondiales de carbone. La fibre de bois cultivée de manière durable est une ressource renouvelable qui capte le carbone pendant le cycle de croissance des arbres. BioHome3D peut être considéré comme une unité de stockage et de séquestration du carbone pendant sa durée de vie et après son recyclage.
Ce projet est le produit de partenariats solides dans et au-delà de la communauté UMaine. Le programme Hub and Spoke financé par le DOE entre l’UMaine et le laboratoire national d’Oak Ridge dirige la recherche et le développement d’alternatives de matières premières d’impression 3D biosourcées durables et rentables, telles que le matériau utilisé pour BioHome3D. Le programme Hub and Spoke est le résultat direct d’une demande initiée en 2016 par Sens. Collins et Angus King pour qu’une équipe d’évaluation du développement économique du Département américain du commerce aide le Maine à renforcer l’économie forestière et à créer des emplois et des opportunités dans les régions rurales de l’État. suite à la fermeture de plusieurs grandes papeteries.
L’installation de démonstration de fabrication du Laboratoire national d’Oak Ridge, un chef de file de la fabrication de pointe, et l’UMaine, qui abrite l’ASCC, l’Institut de recherche sur les bioproduits forestiers et l’École des ressources forestières, sont des partenaires naturels dans le domaine de l’impression 3D biosourcée à grande échelle. Le Maine Technology Institute a soutenu la conception du prototype, et MaineHousing a été un partenaire clé dans le développement et la révision des spécifications de la maison conformément aux normes de logement pour les personnes à faible revenu.
« Ce programme montre la puissance de la collaboration scientifique pour répondre aux besoins nationaux critiques », a déclaré Sun. « En associant les capacités et les installations de l’ORNL à l’expertise et à la volonté d’innovation de l’UMaine, nous avons franchi ensemble une étape importante dans le développement de matériaux et de technologies de fabrication durables, et dans la décarbonation du secteur des bâtiments. »
Cet effort a été rendu possible par les progrès de la fabrication additive à grande échelle couplés aux innovations dans la chimie des matériaux biosourcés qui ont émergé de ces partenariats.
« Ce projet nous donne une réelle possibilité de réaliser quelque chose qui nous a échappé jusqu’à présent, et c’est la vitesse de production, pour pouvoir produire en masse des logements de manière très rapide. … L’idée que nous pouvons créer des unités de logement en une fraction du temps avec une fraction de la main-d’œuvre — c’est une efficacité que nous n’avons jamais connue auparavant. Cela va étirer nos précieuses ressources étatiques et fédérales de manière exponentielle et, surtout, fournir – rapidement – à ceux qui en ont le plus besoin dans notre État », a déclaré Daniel Brennan, directeur de MaineHousing.
L’impression réussie de BioHome3D s’appuie sur l’excellence démontrée de l’ASCC en matière de fabrication, de conception et de modélisation avancées. Le prototype a été imprimé sur la plus grande imprimante 3D polymère au monde, qui, en 2019, a produit le plus grand bateau imprimé en 3D au monde .
ASCC sera en mesure d’étendre sa recherche de fabrication de pointe dans la construction de logements avec l’ouverture de l’usine de recherche du futur en ingénierie et matériaux verts (GEM). Une fois terminé, GEM servira de plaque tournante pour la fabrication hybride numérique à grande échelle basée sur l’IA. L’usine du futur stimulera la reprise économique axée sur l’innovation dans le Maine, avec des baies dédiées à l’augmentation de la production de logements, comme BioHome3D, ainsi qu’à la construction de bateaux, une industrie importante du Maine.
Un aspect clé de l’installation GEM est de préparer la main-d’œuvre de demain grâce à des opportunités éducatives immersives de classe mondiale au carrefour de l’ingénierie et de l’informatique. Le GEM est au cœur du plan de l’université visant à créer le nouveau Maine College of Engineering, Computing and Information Science (MCECIS), qui intègre l’enseignement et la recherche en ingénierie et en informatique.
La nouvelle installation GEM sera pour l’ingénierie et l’informatique comparable à un hôpital d’enseignement dans le domaine médical, où les étudiants en génie, en informatique et en sciences de l’information apprennent en travaillant dans le laboratoire à côté de professeurs et de personnel de classe mondiale. Cet effort est soutenu par la Fondation Harold Alfond et UMS TRANSFORMS, dans le but de doubler la production d’ingénieurs et d’informaticiens et d’informaticiens pour répondre aux besoins en main-d’œuvre de l’État.
« La main-d’œuvre et le développement économique sont des éléments essentiels de la recherche de classe mondiale de l’ASCC », a déclaré le chancelier du système de l’Université du Maine, Dannel Malloy. « Nos décideurs fédéraux et étatiques savent qu’un investissement dans l’université de recherche du Maine est un investissement dans l’avenir de l’État. Nous apprécions la vision partagée et l’opportunité de continuer à montrer un retour sur investissement démontré grâce à des initiatives telles que BioHome3D et les étudiants qui acquièrent un apprentissage pratique aujourd’hui pour poursuivre le travail de demain.
Déjà, 25 millions de dollars d’investissements directs ont été obtenus pour GEM, dont 15 millions de dollars par le biais du Maine Jobs & Recovery Plan – la proposition présentée par le gouverneur Mills et soutenue par la législature du Maine pour investir la part de l’État des fonds de secours du plan de sauvetage fédéral américain – et 10 millions de dollars dans le budget fédéral de l’exercice 22 grâce au financement demandé par Sens. Collins et King. Près de 40 millions de dollars d’autres fonds fédéraux défendus par Sens. Collins et King sont en attente pour le projet.
Le Advanced Structures and Composites Center est un centre interdisciplinaire de premier plan mondial pour la recherche, l’éducation et le développement économique, englobant les sciences des matériaux, la fabrication de pointe et l’ingénierie des composites et des structures. Installé dans une installation accréditée ISO-17025 de 100 000 pieds carrés, le centre a été reconnu à l’échelle nationale et internationale pour ses programmes de recherche de pointe menant et impactant de nouvelles industries, y compris l’énergie éolienne et marine offshore, les infrastructures civiles, les composites biosourcés, les grandes l’impression 3D à grande échelle, les systèmes de protection des soldats et les applications innovantes liées à la défense.
