L’impression 3D au service de la conservation du patrimoine : le cas Notre-Dame de Paris
La recherche scientifique sur le patrimoine est de plus en plus poussée par les problèmes environnementaux, tels que les changements climatiques, qui représentent une menace croissante pour la conservation des structures emblématiques. Cela est d’autant plus notable pour les hauts monuments, comme celui de la Cathédrale de Notre-Dame de Paris. La préservation du patrimoine architectural est un enjeu majeur, lié aux valeurs fondamentales de notre environnement social et intellectuel.
Cathédrale Notre-Dame de Paris in situ dans le tunnel de vent du CRIACIV
Cette étude décrit une recherche menée dans le domaine de la conservation du patrimoine. Ce terme décrit l’activité qui vise à identifier, à protéger et à faire connaitre les éléments estimés de l’environnement bâti, soit les édifices, les structures et les sites créés tout au long de l’évolution d’un territoire.
Plusieurs projets récents témoignent de l’importante corrélation entre patrimoine architectural et culturel et changements climatiques. Paolo Vannuci, professeur des Universités de Versailles, est à l’origine de celui de la cathédrale de Notre-Dame-de-Paris. L’objectif de cette étude expérimentale, qui a réuni une équipe internationale et multidisciplinaire, porte sur les effets de la pression du vent sur la flèche de Notre-Dame-de-Paris et vise à fournir une évaluation approfondie de la charge de vent qui peut être attendue sur les différentes parties de l’édifice.
Ladite expérimentation a fait appel à l’impression 3D pour la réalisation de la maquette de la cathédrale, imprimée avec la S600D de Lynxter au sein de l’ENSAM. De manière plus générale, l’impression 3D est un véritable outil de conception de modèles dans le cadre de projets architecturaux.
Le processus de réalisation
L’investigation expérimentale est menée dans la soufflerie du CRIACIV (Inter-University Research Centre on Building Aerodynamics and Wind Engineering) sur une maquette imprimée en 3D de la cathédrale de Notre-Dame de Paris, structure emblématique de l’époque gothique, en faisant varier l’intensité du vent et sa direction. L’idée est de reproduire la cathédrale et tous les bâtiments environnants dans un rayon de 200 mètres à l’échelle 1/200 ème.
La réalisation physique à l’échelle réduite a été conditionnée par des contraintes techniques. L’une des difficultés a été de fabriquer un modèle fidèle à la réalité et qui puisse être exploitable pour les essais en soufflerie. Pour cet essai, plus d’un millier de sondes de pression sont employées qui permettent d’obtenir une cartographie des actions du vent sur la cathédrale.
Pour mener à bien ce projet, un partenariat a été monté entre l’Université de Versailles, le CRIACIV en Italie qui possède une expertise reconnue au niveau international sur les essais en soufflerie et le Campus d’Arts et Métiers de Bordeaux Talence pour la modélisation 3D de la maquette et sa réalisation en impression 3D.
Le Campus d’Arts et Métiers de Bordeaux Talence travaille depuis plusieurs années sur l’impression 3D polymères et composites. Parmi son parc de machines, l’ENSAM est doté d’une S600D avec une tête-outil FIL11 . Grâce à sa polyvalence, son ouverture et sa capacité d’impression, la machine d’impression 3D de Lynxter est la solution idéale pour les recherches de l’école qui engage des projets passionnants, innovants et impactant.
L’intérêt de l’impression 3D dans la réalisation de la maquette architecturale
La complexité de l’édifice et l’influence de son environnement nécessitent une approche expérimentale. Le travail qui a permis d’aboutir à la maquette de la cathédrale Notre-Dame-de-Paris à l’échelle 1/200ème s’est développé en deux phases :
-Définition d’un modèle 3D de la cathédrale adapté aux essais ;
-Impression du modèle en 3D et assemblage.
A gauche, les 15 parties numériques, à droite, la maquette imprimée
L’impression 3D se révèle être le seul choix possible étant donné la complexité de la maquette, non seulement en raison de la géométrie de la cathédrale mais aussi de son intégration dans le modèle 3D et des emplacements vides dans lesquels seront insérées les sondes de pression.
Un avantage non négligeable de l’impression 3D est sa capacité à jouer sur les échelles de mesure. Les possibilités sont infinies. Dans ce cas précis, treize parties ont été imprimées puis assemblées à l’aide d’aimants pour un rendu final.
Un autre intérêt conséquent de l’impression 3D est la possibilité de réaliser des objets non seulement aux formes très complexes mais également composés de différents matériaux.
Plus communément, l’impression 3D apporte un meilleur contrôle sur le rendu final et permet d’y appliquer des modifications en toute simplicité.
Exigible aux dimensions et à la complexité géométrique du modèle de la cathédrale, la technologie d’extrusion de matière MEX (ou FFF ou FDM) a été choisie. Pour les autres parties, notamment la flèche qui nécessitait une résolution spatiale, la technologie d’impression 3D SLA (Stéréolitographie) a été utilisée.
Impression de Notre-Dame de Paris avec la S600D de Lynxter
L’imprimante 3D S600D, au cœur du projet
Le modèle physique précis de la cathédrale a entièrement été imprimé en 3D.
La technologie utilisée a été l’impression 3D de filaments. Au vu de la taille du modèle, le recours à la S600D, s’est imposé comme une évidence pour Enrique Panettieri, enseignant-chercheur à l’ENSAM et responsable du ledit projet. En effet, le volume de fabrication, une meilleure qualité d’impression et une plus grande autonomie sont des arguments de taille dans la sélection de la S600D de Lynxter pour imprimer la maquette de la cathédrale de Notre-Dame-de-Paris.
« La S600D propose d’excellentes performances d’impression et un grand plateau d’impression » E. Panettieri
En plus de ces avantages, le contrôle des paramètres de la machine facilite l’impression.
E.Panettieri, enseignant-chercheur à l’ENSAM
Il a fallu environ 2 semaines pour réaliser les treize parties du modèle de la cathédrale, assemblées par la suite ensemble. La maquette a été envoyée au CRIACIV où elle a été installée sur une table pivotante. Les essais en soufflerie ont été effectués en fin d’année 2021 avec de nombreuses configurations faisant varier l’intensité du vent et son orientation. Les premiers résultats sont très prometteurs et font l’objet d’une publication scientifique en cours de parution.
Des expérimentations à engager pour le futur
La suite du projet consiste à utiliser ces données pour se pencher sur les approches de dimensionnement et validation structurales avec les approches numériques. De plus ces mêmes modèles pourraient être utilisés pour évaluer de manière plus précise les actions du vent au niveau de la flèche pour une validation plus fiable de sa structure.
L’impression 3D est une méthode innovante utilisée dans de multiples disciplines de haute technologie. Son emploi pour la recherche et le développement devrait être par son caractère personnalisable et adaptable largement pratiqué. La technique d’impression 3D pourrait être étendue sans réserve à d’autres secteurs pour enrichir les recherches et favoriser les connaissances dans des domaines spécifiques.
Références
P. Vannucci – Experimental study of the wind pressure field on the Notre Dame Cathedral in Paris, May 27, 2022 (arXiv:2205.13391).
CRIACIV – RAIUno Channel – Unomattina Estate in the CRIACIV Wind tunnel
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