L'impression 3D à grande échelle combinée à la technologie de conception numérique modifie en permanence la forme de l'environnement bâti. Arup ouvre la voie avec un pont en acier imprimé par un robot, le premier du genre, qui sera installé à Amsterdam. Destiné à être installé dans le Red Light District de la ville, le pont est un chef-d'œuvre de conception numérique de 12 mètres de long, avec des balustrades courbes en acier brut qui démentent ses origines high-tech.

Le pont primé, développé par la start-up technologique néerlandaise MX3D, avec les concepteurs Joris Laarman Lab et une multitude de collaborateurs, offre un aperçu de la manière dont la conception informatique associée à une technologie de soudage robotisée de pointe pourrait façonner les villes du futur.

La conception numérique réunit la forme et la fonction

Entièrement imprimé en 3D en acier inoxydable, le pont MX3D est l'aboutissement d'un rêve de longue date : combiner la charpente métallique traditionnelle et la modélisation numérique avancée pour créer un élément d'infrastructure urbaine publique inspiré et structurellement solide. La conception computationnelle et l'impression 3D ont travaillé ensemble pour rationaliser le processus de conception et de production, permettant aux concepteurs d'explorer une plus grande liberté de forme et de réduire considérablement les délais de livraison.

Avec Arup comme ingénieur structurel principal, MX3D a créé un logiciel intelligent qui a transformé les machines à souder en robots d'impression 3D capables de produire un pont en acier entièrement fonctionnel. La modélisation paramétrique avancée - un outil permettant aux concepteurs d'explorer de nouvelles formes à l'aide de codes - a permis à nos ingénieurs d'accélérer considérablement le processus de conception initial. Le logiciel étant capable de produire des itérations en succession rapide pour atteindre une conception optimale, le système offre la meilleure solution par rapport à un ensemble de critères de référence.

S'éloignant du concept traditionnel de pont monolithique en forme de U, l'équipe a procédé à de nombreuses itérations pour progresser rapidement à travers plusieurs étapes de la conception. Le pont final, plus organique, en forme de S, allie l'intégrité structurelle et la fonctionnalité sans compromettre la pertinence esthétique.

Concevoir par l'expérimentation : le processus de conception numérique teste de nouvelles limites

Dépassant sa fonction publique de passerelle sur le canal Oudezijds Achterburgwal, MX3D sert de preuve de la façon dont les outils de conception numérique et l'impression 3D peuvent modifier à jamais l'environnement bâti. En tant qu'objet destiné à un usage public, Joris Laarman voulait que MX3D soit une œuvre d'art révolutionnaire qui explore pleinement la liberté de conception rationnelle permise par l'impression 3D pour les infrastructures à grande échelle.

La modélisation paramétrique de la conception était parfaitement adaptée à ce processus de conception qui repousse les limites. L'équipe a travaillé avec Grasshopper et Karamba, un outil permettant aux concepteurs d'explorer de nouvelles formes en utilisant des algorithmes génératifs (logiciels d'algorithmes graphiques) pour l'outil de modélisation 3D Rhino afin d'affiner la conception. Le programme fonctionne en produisant des itérations de conception successives dans le cadre d'un ensemble donné de paramètres, en passant d'une forme d'essai initiale à la forme optimale ou finale.

Un logiciel supplémentaire permet d'attribuer des propriétés matérielles précises au modèle, ce qui permet de réaliser des essais approfondis tels que l'analyse des chemins de charge avant même que le pont final ne soit construit. L'équipe a effectué des simulations numériques du pont, éliminant les matériaux excédentaires en mêlant calculs structurels et manipulations géométriques, apprenant à l'algorithme à reconnaître les parties du pont qui sont moins cruciales.

La conception au-delà des matériaux codifiés a été rendue possible grâce à des essais répétés : Les résultats des essais de matériaux en laboratoire, des essais d'éléments structurels et des essais finaux en grandeur réelle ont permis aux ingénieurs d'élaborer la conception. La séquence d'essais alimente l'évaluation structurelle, permettant aux ingénieurs de vérifier la sécurité et l'aptitude au service du pont.

L'impression 3D arrive à maturité : impression d'objets urbains à grande échelle

Après être parvenue à une conception finale, l'équipe est passée à la phase de production. La compréhension des performances des matériaux a été l'une des premières étapes du processus : les propriétés matérielles et mécaniques de l'acier autoportant imprimé en 3D diffèrent de celles de l'acier ordinaire. Pour y remédier, l'équipe a effectué plusieurs tests, notamment de viabilité des charges, afin de s'assurer que le comportement structurel du pont est conforme aux exigences de sécurité du code et de confirmer les performances de ce nouvel acier d'impression 3D.

L'impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, est une nouvelle méthode de fabrication de pièces directement à partir d'un modèle numérique en construisant couche après couche d'un matériau. Cette nouvelle technique de haute précision offre des possibilités et une liberté architecturale aux concepteurs et aux ingénieurs, tout en réduisant potentiellement la quantité de matériaux utilisés et gaspillés. L'impression a commencé en mars 2017 et le pont achevé a été exposé à la Dutch Design Week en octobre 2018.

La conception était de loin l'une des tâches les plus difficiles du projet de pont MX3D. Nous avons choisi de travailler avec Arup, car son expérience en matière
de projets innovants et de conception générative était cruciale pour le projet. Notre collaboration s'est renforcée au-delà de nos espérances. Aujourd'hui, Arup
joue un rôle clé dans le codéveloppement de la méthode de conception de notre technique d'impression 3D sur métal.

Gijs van der Velden

PDG de MX3D

MX3d Bridge printing video still
Regardez cette vidéo pour voir comment le pont a pris vie.

Jumelage numérique : des capteurs de données pour suivre les performances

Le pont sera équipé d'un réseau de capteurs pour recueillir des données qui seront utilisées pour construire un jumeau numérique afin de surveiller la santé du pont. Le jumeau numérique suivra les performances dans différentes conditions environnementales et sous des charges dynamiques changeantes, notamment en suivant l'utilisation par les piétons, en vérifiant la corrosion ou en étudiant la déflexion et les forces de soutien, ce qui permettra de poursuivre le développement d'un langage de conception centré sur les données.

Partenariat collaboratif : la clé de l'innovation dans l'environnement bâti

Pour donner vie au projet, MX3D a mis en place une collaboration innovante avec un large groupe de partenaires alliant l'expertise de plusieurs disciplines, y compris les logiciels, le matériel, la construction et le soudage. Il s'agit notamment d'Autodesk, ArcelorMittal, Arup, Force Technology, Imperial College London, Air Liquide, ABB Robotics, Heijmans, Lenovo et Lloyds Register Foundation.

Parmi les partenaires publics figurent l'Université de Delft, l'Institut AMS (Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Studies) et la municipalité d'Amsterdam. Les sponsors sont STV, Oerlikon, FARO et Plymovent, tandis que le centre d'accueil des visiteurs est soutenu par le fonds VSB.

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