Création d'une nouvelle méthode digitale de conception-production

La problématique

Actuellement, lors de constructions dans les zones montagneuses, l’industrie du bois exporte une grande quantité du bois brut qu’elle récolte, et importe des produits en bois transformé. Ceci n’est évidemment pas optimal par rapport à l’empreinte carbone, l’utilisation des ressources locales et renouvelables, la création de constructions économiquement compétitives, ou pour l’économie locale. Le système développé par Petras propose un nouveau processus numérique allant de la conception à la production permettant la réalisation de structures à base de bois brut local.

Alors que l’automatisation est bien établie dans la fabrication de constructions en bois brut, elle n'est pratiquement pas intégrée dans l’industrie du bois local. Quelques grandes sociétés de technologie et robotique fabriquent des structures de bois brut scié, ce qui mène à une automatisation de la fabrication à haut niveau, mais elles ne proposent pas de méthodes de conception architecturale. Dans le domaine du bois brut, l’architecte et le fabricant sont perçus comme deux entités distinctes.

L’intégration de méthodes de recherche architecturale avancées de fabrication numérique rend possible la création d’économies circulaires numérisées indépendantes de la grande industrie centralisée du bois. Malheureusement, jusqu’ici, le travail se faisait au cas par cas, sans recherche d’automatisation dans la construction, ni création de méthodes fab-lab semi-automatisées à petite échelle. Par conséquent, la thèse de Petras cherche à transformer le processus du travail menant de la conception à la production des structures de bois entier et de proposer de nouvelles techniques open-source réutilisables et applicables à tous types de projets.

Fonctionnement

D’abord, la méthode propose un algorithme facilitant l’élaboration des raccords bois-bois par paires. Ce dernier est basé sur une séparation de la modélisation et de la conception en deux algorithmes indépendants :

a) les méthodes d’élaboration (macro)

b) l’automatisation des raccords bois-bois (micro).

L’algorithme devait absolument remplir un certain nombre de critères. D’abord, les méthodes de connexion bois-bois proposées devaient être utilisables dans plus d’une étude de cas. Il devait également créer une base de données de connexions intégrées à partir de multiples projets, et assurer la génération automatique de raccords bois-bois lors de la conception des structures. Il devait aussi respecter des contraintes de fabrication et de sécurité, interconnecter des éléments linéaires (poutres) et des éléments planes (plaques), fonctionner grâce à une nouvelle méthode rapide de construction de graphiques pour le clustering point-cloud nommée ‘collision-based graph method’ et, bien sûr, intégrer l’algorithme de connexion dans un environnement de modélisation CAO interconnecté. Enfin, il devait utiliser des modèles simples afin d’assurer la rapidité des calculs.

Les irrégularités géométriques du bois brut sont résolues grâce à un balayage laser et une intégration robotique. La numérisation ouvre de nouvelles possibilités pour la fabrication de constructions en bois brut. Elle permet la création de fichiers point-cloud utilisables en CAO, rend possible la configuration robotique sans utilisation de balises, et fournit des directives d’étalonnage pour les scanners lasers. La partie robotique crée un algorithme de génération du chemin outil qui abrège la génération d’un fichier de fabrication. La méthode relie l’accessibilité du robot et la détection des collisions à la génération d’articulations en bois. De plus, la fabrication du bois entier est liée aux configurations d’usinage. Des instructions de mise en place des outils de fabrication sont fournies afin d’assurer une fabrication sûre, stable et précise.

La méthode prouve qu’il est possible de détecter les types de joints en bois sur la base d'un modèle architectural low-poly, qui sont utilisables en CAO. Le cadre de conception proposé prend en compte divers types d’éléments en bois, en accordant une attention toute particulière au bois brut scié. Une série de prototypes de raccord bois-bois à base de bois brut scié ont été créés pour valider le processus de travail. Des structures à coque utilisant des connexions latérales et des nexorades latérales et croisées ont également été construites afin de démontrer le succès du système développé, qui a également permis de réaliser un système d’armature à partir de fourches d’arbres.

Conclusion

En conclusion, Petras présente une méthode allant de la conception au produit fini qui offre une solution renouvelable et locale pour création de constructions en bois, mise en œuvre avec succès dans plusieurs prototypes. Aucun modèle de conception fixe n’est imposé, ce qui garantit une grande adaptabilité à différentes situations. La technologie point-cloud offre une solution de fabrication robotique sans marker, et la modélisation permet une planification directe du chemin outil. Enfin, la méthode est parfaitement applicable hors laboratoire, en extérieur, et utilise un logiciel accessible au public.