Investigation des défauts générés lors de la transformation des fibres de lin du champ à l’industrie du futur des composites : une approche intégrée pour optimiser l'impression 3D à fibres longues – FLOEME

Le projet FLOEME propose une approche intégrative pour étudier la nature, l'origine et l'impact des défauts générés mécaniquement dans les fibres de lin tout au long de la chaîne de production. Une multitude de défauts peuvent être observés tout au long de la chaîne de production. Ces défauts sont classés en plusieurs catégories : morphologiques, biochimiques et ultrastructuraux [4]. L'impact de ces défauts sur le comportement des matériaux et leur aptitude à la transformation sera évalué. L'une des principales originalités et contributions de FLOEME est d'étudier le même lot de fibres, de la plante à la pièce imprimée en 3D.

Cinq tâches scientifiques corrélées sont clairement identifiées et complétées par une action de coordination (tâche 0). Le projet FLOEME a été conçu et développé pour tirer parti de la forte complémentarité entre les partenaires, grâce à une approche intégrative et itérative.
L'approche utilisée consiste à gérer l'ensemble de la chaîne de transformation. Les plantes de lin, issues du même lot fourni par VRF, ont été transformées en renfort de lin à l'aide des ressources de l'un des partenaires. L'étude des interactions entre les propriétés et la structure du lin et les paramètres du processus a été menée en étroite collaboration avec deux autres partenaires. Cette étude permet le développement de filaments initiaux prometteurs pour l'impression 3D de fibres de lin longues. La deuxième étape a consisté à optimiser ce filament afin d'obtenir des structures composites planes présentant des qualités d'impression supérieures. L'approche itérative devrait permettre de déterminer la microstructure du filament optimal en fonction de l'utilisation souhaitée.

La méthode combinée - caractérisation expérimentale multi-physique et multi-échelle couplée à une analyse numérique - a été utilisée pour obtenir une analyse approfondie de tous les éléments.

Les principaux résultats du projet FLOEME ont été publiés dans 8 articles scientifiques. Grâce aux contributions des membres du projet, plus de 20 présentations orales ont été réalisées lors de conférences nationales et internationales. Les principaux résultats peuvent être regroupés en trois catégories,
1/ Les interactions entre les paramètres du processus et l'apparition et la croissance des bandes de torsion et leur influence sur les propriétés mécaniques des fibres.
2/ Une meilleure compréhension de la morphologie et des propriétés des bandes de torsion grâce à l'imagerie haute résolution.
3/ Le développement d'un nouveau filament à fibres longues avec des fibres de lin longues et du PLA pour l'impression 3D à fibres longues, ainsi que le développement d'une stratégie d'impression 3D pour l'élaboration de composites.

La corrélation entre la présence de bandes de torsion, la méthode d'extraction des fibres et les propriétés mécaniques des fibres a été analysée. Une étude statistique multi-échelle approfondie a été menée sur 96 fibres élémentaires extraites de quatre lots distincts. Tout d'abord, les bandes de torsion ont été observées et quantifiées à l'aide d'un microscope à lumière polarisée (PLM), d'un microscope électronique à balayage (SEM) et d'une microtomographie à rayons X synchrotron. Les résultats suggèrent que les changements dans la structure des bandes de torsion sont principalement responsables des évolutions du lin, en raison à la fois de la nouvelle distribution des pores dans les régions des bandes de torsion et de la réduction de la taille des bandes de torsion, probablement induite par un réalignement local de la cellulose.

Une observation plus approfondie à l'aide de la tomographie à rayons X haute résolution sur les fibres de lin utilisées dans les projets FLOEME a révélé la présence de pores dans la paroi cellulaire des fibres élémentaires : des pores dans les bandes de torsion et des pores longitudinaux, un défaut jusqu'alors inconnu. Leur morphologie et leur organisation sont examinées, mettant en évidence une détérioration des fibres et une augmentation locale de la porosité pouvant atteindre 14,86 %. Sous tension, des fissures sont donc susceptibles de se former au niveau des défauts des bandes de torsion, de se propager à travers les pores longitudinaux vers d'autres bandes de torsion et d'entraîner la rupture des fibres et des composites.
Dans le cadre du projet FLOEME, un fil commélé guipé lin/PLA a été développé afin de pallier les inconvénients habituels des filaments d'impression 3D, à savoir une mauvaise imprégnation du cœur et un mauvais alignement des fibres. Plusieurs compositions ont été élaborées et testées en impression 3D. La stratégie d'impression 3D utilisée et développée dans le cadre du projet FLOEME est prometteuse. L'imprégnation de la fibre de lin dans le composite et l'alignement des fibres permet d'envisager des composites dont les propriétés sont meilleures que celles de la littérature.

Le projet FLOEME a démontré la faisabilité de l'élaboration d'un filament pour l'impression 3D à l'échelle du laboratoire. L'une des perspectives et des défis consistera à développer des filaments homogènes incorporant des fibres de lin provenant directement des processus industriels de rouissage. Jusqu'à présent, la préparation du filament est nécessaire avant l'impression. Le développement d'une nouvelle stratégie d'impression qui limite, voire élimine cette étape, constituerait une avancée importante vers l'optimisation des structures et permettrait l'impression de structures non planes.

Loren Morgillo, Lèna Brionne, Alessia Melelli, Pierre Ouagne, Mario Scheel, et al.. Elucidating links between the mechanical performance of flax fibres and their structural defects. Industrial Crops and Products, 2023, 206, pp.117722. ?10.1016/j.indcrop.2023.117722?. ?hal-04663657?

Delphine Quereilhac, Emmanuel de Luycker, Sofiane Guessasma, Marwa Abida, Jonathan Perrin, et al.. Synchrotron X-ray microtomography and finite element modelling to uncover flax fibre defect’s role in tensile performances. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2024, 184, pp.108276. ?10.1016/j.compositesa.2024.108276?. ?hal-05049692?

Delphine Quereilhac, Lola Pinsard, Elouan Guillou, Marina Fazzini, Emmanuel de Luycker, et al.. Exploiting synchrotron X-ray tomography for a novel insight into flax-fibre defects ultrastructure. Industrial Crops and Products, 2023, 198, pp.116655. ?10.1016/j.indcrop.2023.116655?. ?hal-04125820?

Loren Morgillo, Alessia Melelli, Mario Scheel, Raymond Wightman, Timm Weitkamp, et al.. Inside the kink-bands of archaeological flax artefacts via sub-micrometer resolution micro-CT: A comprehensive microstructural analysis to better understand degradation mechanisms of fibres. Composites Part B: Engineering, 2025, 298, pp.112347. ?10.1016/j.compositesb.2025.112347?. ?hal-05049276?

A l’heure du Green deal et du changement climatique, l’usage industriel de matériaux bio-basés innovants et performants, poussé par la pression sociétale, doit s’accélérer. Le développement de l’impression 3D de pièces composites structurales, biosourcées et/ou biodégradables, et renforcées par des fibres végétales à hautes performances, répond parfaitement à ces attentes industrielles et sociétales. Dans ce contexte, par une connaissance aboutie des procédés d’extraction et de transformation des fibres de lin, ainsi que des mécanismes de création des défauts au sein de ces fibres, le projet FLOEME a pour ambition d’optimiser les performances des composites biobasés renforcés par des fibres de lin. Ainsi, les propriétés de renforcement des fibres de lin sous forme de fils dédiés seront maximisées afin de mettre ces travaux au service des procédés d’impression 3D ; des produits à fibres longues et aux performances optimisées seront ainsi conçus et développés. Afin d’exploiter au mieux tout le potentiel mécanique des fibres de lin, nous proposons d’étudier de manière approfondie la qualité des fibres, tout au long de leur chaine de transformation, du champ à l’usine d’impression 3D, en passant par les procédés d’extraction par teillage/peignage et de transformation (de la filature spécifique à l’élaboration des composites). Le projet FLOEME propose ainsi une approche intégrative, pour étudier et identifier, par des techniques d’investigation avancées (SHG, AFM, DRX, RMN), les défauts générés mécaniquement dans les fibres de lin tout a long de leur parcours avec pour objectif majeur de limiter l’apparition de ces zones de fragilité. Ainsi, il vise à améliorer l'efficacité de la filière technique du lin en développant des connaissances sur le lien entre émergence de défauts et étapes clefs des premières (teillage) et secondes transformations (filature spécifique au renforcement composite). En optimisant les procédés de transformation, il contribuera au développement de solutions innovantes et performantes telles que l’impression 3D à fibres longues pour développer une usine du futur innovante, écoresponsable et compétitive.