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
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
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Enjeux et objectifs
Le projet FLOEME a pour ambition d’optimiser les performances des composites biobasés renforcés par des fibres de lin. Le projet FLOEME vise à améliorer l'efficacité de la filière technique du lin en développant des connaissances sur le lien entre émergence de défauts et les étapes clés des premières (teillage) et secondes transformations (filature spécifique au renforcement composite). Ainsi, les propriétés de renforcement des fibres de lin sous forme de fils dédiés seront adaptées pour permettre l’élaboration de produits à fibres longues par impression 3D. Afin d’exploiter au mieux tout le potentiel mécanique des fibres de lin, l’équipe du projet propose 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. 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.
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Les premières investigations du projet FLOEME ont permis de compléter la description détaillée de la structure interne des défauts qui sont générés lors de la transformation des fibres de lin. L’utilisation de la microtomographie synchrotron à rayons X à contraste de phase, a permis de caractériser la répartition précise des pores dans les zones de défauts. Il a été montré que les pores sont organisés de manière concentrique autour du lumen, et leur faible épaisseur suggère qu'ils sont situés à l'interface entre les couches de cellulose au sein de la couche S2 (G). Une augmentation locale de la porosité a été révélée dans les zones où les défauts peuvent être qualifiés de plus sévères. Ce résultat ouvre la voie pour comprendre les interactions entre les paramètres d’élaboration, l’apparition des défauts et le comportement mécanique des fibres de lin. A cette fin, une étude statistique multi-échelle a été menée sur 96 fibres élémentaires extraites via différentes conditions de teillage et de peignage. Une caractérisation multiphysique des défauts et du comportement mécanique des fibres a été réalisée. L’étude a montré un plus grand nombre de kink-bands pour le lot le plus intensivement peigné et un nombre moyen de kink-bands étonnamment faible pour le lot le plus intensivement peigné. L’analyse statistique a montré une corrélation de Stearman de -0,64 et -0,78 entre la résistance à la traction et le module avec la proportion de défauts, respectivement.
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Quereilhac, D.; et al. Exploiting synchrotron X-ray tomography for a novel insight into flax-fibre defects ultrastructure. Industrial Crops and Products. 2023, 198, 116655
Morgillo, L.; et al. Elucidating links between the mechanical performance of flax fibres and their structural defects. Industrial Crops and Products. 2023, 206, 117722
Morgillo, L.; et al. A multicriteria strategy to quantity contaminant shives in flax fibres industrial lots, 2024 (under review).
Quereilhac, D.; De Luycker, E.; Guessasma, S.; Abida, M.; Perrin, J.; Weitkamp, T.; Bourmaud, A.; Ouagne, P. 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, 108276.
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.
Coordination du projet
Marwa Abida (Laboratoire d'étude des microstructures et de mécanique des matériaux)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
BIA Biopolymères, Interactions Assemblages
IRDL Institut de Recherche Dupuy de Lôme
LGP LABORATOIRE GENIE DE PRODUCTION
CIMAP Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique
VRF Van Robaeys Frères / Recherche et Développement
LEM3 Laboratoire d'étude des microstructures et de mécanique des matériaux
Aide de l'ANR 461 744 euros
Début et durée du projet scientifique :
septembre 2021
- 42 Mois
