Un essaim de drones d’impression 3D pour la construction et la réparation

Laboratoire fédéral pour la science et la technologie des matériaux (EMPA)

Les chercheurs ont pris les abeilles comme modèle pour développer un essaim de drones coopératifs d’impression 3D. Sous contrôle humain, ces robots volants travaillent en équipe pour imprimer des matériaux 3D pour construire ou réparer des structures en vol.

Une équipe de recherche internationale dirigée par l’expert en drones Mirko Kovac de l’Empa et de l’Imperial College de Londres a pris les abeilles comme modèle pour développer un essaim de drones coopératifs d’impression 3D. Sous contrôle humain, ces robots volants travaillent en équipe pour imprimer des matériaux 3D pour construire ou réparer des structures en vol, comme le rapportent les scientifiques dans l’article de couverture du dernier numéro de Nature .

L’impression 3D prend de l’ampleur dans le secteur de la construction. Tant sur site qu’en usine, des robots statiques et mobiles impriment des matériaux à utiliser dans des projets de construction, tels que des structures en acier et en béton.

Une nouvelle approche de l’impression 3D – menée dans son développement par l’Imperial College de Londres et l’Empa, les Laboratoires fédéraux suisses de science et technologie des matériaux – utilise des robots volants, appelés drones, qui utilisent des méthodes de construction collective inspirées par des constructeurs naturels comme les abeilles et guêpes.

Le système, appelé Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM), implique une flotte de drones travaillant ensemble à partir d’un seul plan.

Il se compose de BuilDrones, qui déposent des matériaux pendant le vol, et de ScanDrones de contrôle de la qualité, qui mesurent en permanence la production des BuilDrones et informent sur leurs prochaines étapes de fabrication.

Les chercheurs affirment que contrairement aux méthodes alternatives, l’impression 3D en vol ouvre des portes qui conduiront à la fabrication et à la construction sur site dans des endroits difficiles d’accès ou dangereux tels que la construction de secours post-catastrophe et les grands immeubles ou infrastructures.

La recherche a été dirigée par le professeur Mirko Kovac du département d’aéronautique de l’Impérial et du centre de robotique des matériaux et de la technologie de l’Empa.

Le professeur Kovac a déclaré : « Nous avons prouvé le concept selon lequel les drones peuvent fonctionner de manière autonome et en tandem pour construire et réparer des bâtiments, au moins en laboratoire. Cette solution évolutive pourrait aider à la construction et à la réparation dans des zones difficiles d’accès, comme les immeubles de grande hauteur. .”

Aerial-AM utilise à la fois un cadre d’impression 3D et de planification de trajectoire afin que les drones puissent s’adapter aux variations de géométrie de la structure au fur et à mesure de la construction.

Les drones sont entièrement autonomes en vol, mais il y a un contrôleur humain dans la boucle qui peut suivre les progrès et intervenir si nécessaire, en fonction des informations fournies par les drones.

Impression de géométries 3D

Pour tester le concept, les chercheurs ont développé quatre mélanges cimentaires avec lesquels les drones peuvent construire.

Tout au long de la construction, les drones évaluent la géométrie imprimée en temps réel et adaptent leur comportement pour s’assurer qu’ils répondent aux spécifications de construction, avec une précision de fabrication de cinq millimètres.

Les impressions de preuve de concept comprenaient un cylindre de 2,05 mètres (72 couches) avec un matériau en mousse à base de polyuréthane et un cylindre de 18 centimètres (28 couches) avec un matériau structurel de type ciment conçu sur mesure.

La technologie offre des possibilités futures pour la construction et la réparation de structures dans des endroits illimités, en hauteur ou difficiles d’accès. Ensuite, les chercheurs travailleront avec des entreprises de construction pour valider les solutions et fournir des capacités de réparation et de fabrication. Ils pensent que la technologie permettra de réaliser des économies importantes et de réduire les risques d’accès par rapport aux méthodes manuelles traditionnelles.

Les co-chercheurs incluent Robert Stuart-Smith, Stefan Leutenegger, Vijay Pawar, Richard Ball, Chris Williams et Paul Shephard, et leurs équipes de recherche à l’UCL, à l’Université de Bath, à l’Université de Pennsylvanie, à l’Université Queen Mary et à l’Université de Munich.

Ce travail a été financé par le Conseil de recherche en génie et en sciences physiques, qui fait partie de l’UKRI. Il a été lancé par le professeur adjoint Stuart-Smith et le professeur Kovac après une collaboration de recherche pilote et un prix pour une démonstration sur la réparation des pipelines. Le projet est également soutenu par Industrial Partners Skanska, Ultimaker, Burohappold et BRE.

L’impression 3D prend de l’ampleur dans le secteur de la construction. Tant sur site qu’en usine, des robots statiques et mobiles impriment des matériaux à utiliser dans des projets de construction, tels que des structures en acier et en béton.

Des chercheurs de l’institut suisse Empa, de l’Université de Pennsylvanie et de l’Imperial College de Londres ont créé un essaim de drones inspirés des abeilles qui peuvent collectivement imprimer du matériel en 3D en vol, permettant une fabrication illimitée pour la construction et la réparation de structures. Sous contrôle humain, ces robots volants , inspirés de constructeurs naturels comme les abeilles et les guêpes, travaillent en équipe pour imprimer des matériaux 3D pour construire ou réparer des structures en vol.

Le système, appelé Aerial Additive Manufacturing (Aerial-AM), intègre en fait deux types de drones quadricoptères, qui volent de manière autonome et communiquent entre eux. Les chercheurs développent des BuilDrones pour déposer des matériaux pendant le vol, et des ScanDrones de contrôle de la qualité mesurent en permanence la sortie des BuilDrones et informent leurs prochaines étapes de fabrication.

Un cadre évolutif d’impression tridimensionnelle (3D) multi-robot et de planification de trajectoire permet aux tâches du robot et à la taille de la population de s’adapter aux variations de la géométrie d’impression et de l’adaptation du comportement du robot. Les drones d’impression 3D sont entièrement autonomes en vol, mais il y a un contrôleur humain dans la boucle qui peut suivre les progrès et intervenir si nécessaire, sur la base des informations fournies par le drone.

Afin de tester le concept, les chercheurs ont développé quatre mélanges cimentaires avec lesquels les drones peuvent construire. Tout au long de la construction, les drones évaluent la géométrie imprimée en temps réel et adaptent leur comportement pour s’assurer qu’ils répondent aux spécifications de construction, avec une précision de fabrication de cinq millimètres. Les impressions de preuve de concept comprenaient un cylindre de 2,05 mètres de haut composé de 72 couches de matériau en mousse à base de polyuréthane et un cylindre de 0,18 mètre de haut composé de 28 couches d’un matériau de type ciment structurel conçu sur mesure.

« Nous avons prouvé le concept selon lequel les drones peuvent fonctionner de manière autonome et en tandem pour construire et réparer des bâtiments, du moins en laboratoire. Cette solution évolutive pourrait aider à la construction et à la réparation dans les zones difficiles d’accès, comme les immeubles de grande hauteur », a déclaré le chercheur principal Mirko Kovac .

La technologie offre des possibilités futures pour la construction et la réparation de structures dans des endroits illimités, élevés ou difficiles d’accès. Ensuite, les chercheurs travailleront avec des entreprises de construction pour valider les solutions et fournir des capacités de réparation et de fabrication. Ils pensent que la technologie permettra de réaliser des économies importantes et de réduire les risques d’accès par rapport aux méthodes manuelles traditionnelles.

Des chercheurs, dont Robert Stuart-Smith de Weitzman, ont créé un essaim de drones inspirés des abeilles qui peuvent collectivement imprimer du matériel en 3D en vol, permettant une fabrication illimitée pour la construction et la réparation de structures.

L’avènement de l’impression 3D a changé de nombreuses industries en permettant aux chercheurs, aux étudiants, aux entrepreneurs et aux grandes usines de transformer rapidement une conception numérique en un objet tangible. Grâce à une collaboration avec des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie et de l’Imperial College de Londres, les chercheurs de l’Empa ont créé un essaim de drones inspirés des abeilles qui peuvent collectivement imprimer du matériel en 3D en vol, permettant une fabrication illimitée pour la construction et la réparation de structures.

L’impression 3D est de plus en plus utilisée dans l’industrie de la construction. Cependant, les défis liés à son déploiement incluent le fait que les machines sont confinées aux capacités de construction en fonction de leur taille et de leur capacité à être transportées.

Cette nouvelle approche de l’impression 3D relève ces défis en utilisant des robots volants, également connus sous le nom de drones, et utilise des méthodes de construction collective inspirées par des constructeurs coopératifs naturels comme les abeilles et les guêpes. La flotte de drones, connue sous le nom de fabrication additive aérienne, fonctionne en coopération à partir d’un plan unique, adaptant ses techniques au fur et à mesure. Ils sont entièrement autonomes en vol mais sont surveillés par un contrôleur humain qui vérifie la progression et intervient, si nécessaire, en fonction des informations fournies par le drone.

Le projet est né d’une collaboration de longue date entre Robert Stuart-Smith de l’ Université de Pennsylvanie , professeur adjoint d’architecture à la Stuart Weitzman School of Design et Penn Engineering GRASP Lab Affiliate Faculty, et Mirko Kovac , professeur à l’Imperial College de Londres et les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux , qui avaient tous deux mené des recherches pilotes sur le sujet. Le projet du couple a été développé sur plusieurs années par une équipe interdisciplinaire de chercheurs dirigée par Kovac avec Stuart-Smith et les co-chercheurs Stefan Leutenegger, Vijay Pawar, Richard Ball, Chris Williams et Paul Shephard, ainsi que leurs équipes de recherche à Penn, Imperial College, University College London, University of Bath, Queen Mary University of London et Technical University of Munich.

« Il s’agit d’une recherche passionnante qui pourrait avoir un impact sur la façon dont nous construisons dans des zones de hauteur difficiles d’accès, dangereuses ou difficiles, comme les immeubles de grande hauteur et les ponts », déclare Stuart-Smith. “Bien que ce travail en soit à un stade précoce de validation de principe, son approche de la fabrication distribuée et adaptative s’aligne sur une tendance passionnante dans la construction et de nouvelles opportunités pour la conception de bâtiments.”

Les travaux de l’équipe font l’objet d’un article récent dans Nature , “Fabrication additive aérienne avec plusieurs robots autonomes”.

À l’avenir, les chercheurs travailleront avec des entreprises de construction pour valider leurs solutions développées et fournir des capacités de réparation et de fabrication. Ils pensent que la technologie permettra de réaliser d’importantes économies et de réduire les risques par rapport aux méthodes manuelles traditionnelles. “Chez Penn”, poursuit Stuart-Smith, “nous développons actuellement des solutions de conception de bâtiments qui tirent parti de cette approche de construction tout en continuant à collaborer avec nos collègues de Londres et de Suisse, et en dialoguant avec des partenaires industriels qui souhaitent renforcer les capacités de cette recherche.”

Robert Stuart-Smith est directeur de programme pour le Master of Science in Design: Robotics and Autonomous Systems (MSD-RAS), professeur adjoint d’architecture à la Weitzman School of Design et membre affilié du GRASP Lab de Penn Engineering. Il dirige le laboratoire de fabrication autonome du département d’architecture de Penn et codirige son laboratoire jumeau au département d’informatique de l’University College London.
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