Projet ANR-12-RMNP-0004 – DEFIBREX : DEcohésion optimisée de FIBRes végétales par EXtrusion
Programme : Matériaux et Procédés pour des Produits Performants (MATETPRO)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Johnny BEAUGRAND (INRA-FARE Fractionnement des Agroressources et Environnement)
Partenaires : Centre de Mise en Forme des Matériaux; CLEXTRAL CLEXTRAL; FAURECIA INTERIEUR INDUSTRIE; FIBRES RECHERCHE DEVELOPPEMENT; Fractionnement des Agroressources et Environnement; Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux; COPERION K TRON FRANCE; SCIENCES & COMPUTERS CONSULTANTS
Montant : 652813.0 euros
Durée : 42 mois
Résumé : DEcohésion optimisée de FIBRes végétales par EXtrusionDe très nombreuses actions collaboratives ont concentré leurs objectifs sur la fibre elle-même, son traitement, sur l'intérêt du matériau composite pour telle ou telle application, … sans pour autant adresser le processus de défibrage (décrit par les phénomènes de décohésion et de fragmentation), élément essentiel du procédé de compoundage. Sa maîtrise est centrale pour la conservation des caractéristiques dimensionnelles des fibres qui constituent leur intérêt pour le renfort mécanique.
Objectifs du projet DefribrexLe projet DEFIBREX adresse ce sujet avec une ambition méthodologique et générique, centrée sur une analyse du phénomène de défibrage des fibres naturelles sous contrainte mécanique. Cette analyse doit aboutir à la définition d'un modèle comportemental du défibrage capable de décrire une grande variabilité de fibres, et de conditions mécaniques. Ce modèle sera validé par des essais présentant un large spectre de caractéristiques (origine des fibres, modifications physico-chimiques) avec l'objectif de proposer une classification la plus large possible des différentes fibres naturelles exploitées par l'industrie.
MethodologiePour répondre à ces questions, le projet DEFIBREX a organisé ses travaux en 5 lots techniques et scientifiques :Les fibres seront approvisionnées et caractérisées sous le triple point de vue morphologique, mécanique et biochimique dans le Lot 1.Le Lot 2 est dédié à l'étude phénoménologique du compoundage à l'échelle de laboratoire avec une grande variété de fibres. Les caractérisations des compound issus de ces essais constituent des entrées au Lot 3 centré sur la mise en place du modèle comportemental et à son intégration dans LUDOVIC ® outil de simulation commercial (voie de dissémination). En parallèle, une classification des fibres est proposée établissant leur potentiel dans le renfort des matrices polymères. De même, la processabilité des compound est évaluée.Le Lot 4 est centré sur le procédé à l'échelle industrielle : alimentation en fibres, fabrication d'échantillons, caractérisation des compound afin d'élargir le domaine d'application et de valider le modèle comportemental. En outre, il fournira du compound pour réaliser des pièces industrielles et évaluer le gain en performance de tels produits. Ce dernier thème est étudié dans le Lot 5.
Résumé de la soumission : Tous les acteurs industriels des polymères évoluent sous la double impulsion de la diminution des ressources fossiles à l'origine des polymères « classiques » et des incitations à la réduction de la consommation énergétique.Cette double motivation a conduit la R&D des constructeurs automobiles et leurs fournisseurs à évaluer et à utiliser les fibres naturelles comme renfort des polymères en réponse à ce double objectif : leur grande longueur constitue un renfort mécanique puissant et permet une importante diminution de la masse circulante et leur origine naturelle diminue le recours aux ressources fossiles.De très nombreuses actions collaboratives ont permis à cette initiative d'émerger en focalisant les objectifs sur la fibre elle-même, son traitement, sur l'intérêt du matériau composite pour telle ou telle application, voire sur la filière d'approvisionnement, sans pour autant adresser le processus de défibrage (décrit par les phénomènes de décohésion et de fragmentation), élément essentiel du procédé de compoundage. Sa maîtrise est centrale pour la conservation des caractéristiques dimensionnelles des fibres qui constituent leur intérêt pour le renfort mécanique.Le projet DEFIBREX adresse ce sujet avec une ambition méthodologique et générique, centrée sur une analyse du phénomène de défibrage des fibres naturelles sous contrainte mécanique. Cette analyse doit aboutir à la définition d'un modèle comportemental du défibrage capable de décrire une grande variabilité de fibres, de variantes de pré-traitement et de conditions mécaniques. Ce modèle sera validé par des essais présentant un large spectre de caractéristiques (origine des fibres, traitements physico-chimiques) avec l'objectif de proposer une classification la plus large possible des différentes fibres naturelles exploitées par l'industrie.Pour atteindre ces objectifs ambitieux, le partenariat de DEFIBREX associe des compétences scientifiques complémentaires (approvisionnement et traitement des fibres avec FRD et INRA), procédés et modélisation (INRA, CEMEF) et analyse morphologique (I2M) à des partenaires industriels (K-TRON, SCC, CLEXTRAL et FAURECIA) dont le rôle est de contribuer à atteindre ces objectifs répondant aux questions connexes telles que : Comment alimenter une extrudeuse en fibres longues sans dégrader leur potentiel ? Comment régler une extrudeuse pour mélanger de manière optimale les fibres à la matrice ? Quel est le gain à attendre sur la fonctionnalité des produits injectés ou quel gain dimensionnel peut on en espérer ? Comment rendre le modèle comportemental défini dans un cadre académique accessible aux utilisateurs industriels ?Pour répondre à ces questions, le projet a organisé ses travaux en 5 lots techniques et scientifiques :Les fibres seront approvisionnées et caractérisées sous le triple point de vue morphologique, mécanique et biochimique dans le Lot 1.Le Lot 2 est dédié à l'étude phénoménologique du compoundage à l'échelle de laboratoire avec une grande variété de fibres. Les caractérisations des compound issus de ces essais constituent des entrées au Lot 3 centré sur la mise en place du modèle comportemental et à son intégration dans Ludovic outil de simulation commercial (voie de dissémination). Une classification des fibres est proposée établissant leur potentiel dans le renfort des matrices polymères. De même, la processabilité des compound est évaluée.Le Lot 4 est centré sur le procédé à l'échelle industrielle : alimentation en fibres, fabrication d'échantillons, caractérisation des compound afin d'élargir le domaine d'application et de valider le modèle comportemental. En outre, il fournira du compound pour réaliser des pièces industrielles et évaluer le gain en performance de tels produits. Ce dernier thème est étudié dans le Lot 5.Finalement, DEFIBREX se propose de contribuer à la compréhension du mécanisme de décohésion des fibres naturelles et d'apporter à l'industrie manufacturière des éléments de percée technologique.
Résultats : Compte tenu du contexte scientifique et technique, quatre verrous principaux ont été identifiés : ils contribuent à la dimension scientifique du projet mais au delà de leur positionnement de contributeurs, ils constituent des étapes indispensables à la connaissance et la maîtrise industrielle de l'ensemble du processus. Il s'agit :
•	d'un modèle comportemental de défibrage des faisceaux de fibres naturelles sous sollicitation thermo-mécanique (description, modélisation), dans une approche générique, pour intégration dans le logiciel de simulation de procédé global Ludovic.
•	d'un système d'alimentation des extrudeuses en fibres végétales longues (supérieurs a 5 mm). Celles-ci bénéficient d'une densité apparente plutôt faible, ce qui rend leur manipulation dans les doseurs industriels délicate.
•	d'une méthode de caractérisation de la morphologie des fibres : in-situ versus extraites. Il est souvent fait référence au ratio L/D comme l'indicateur morphologique essentiel, sinon unique. Le projet DEFIBREX se propose d'évaluer les multiples indicateurs que peut fournir la µtomographie X.
•	d'optimiser le point de fonctionnement des extrudeuses bi-vis,  équipement versatile et complexe à maîtriser car de nombreux phénomènes thermiques et mécaniques couplés interviennent dans le procédé et de valider le procédé extrudeuse bivis associé aux fibres naturelles pour les applications automobiles.
Perspectives : Les perspectives d'exploitation scientifique et industrielle des résultats du projet DEFIBREX sont multiples. Il s'agit de
•	publication dans des journaux scientifiques sur des thématiques variées (matériaux naturels et synthétiques, méthodes numériques, procédés,…)
•	identification des préparations des fibres longues avant compounds
•	valorisation du logiciel Ludovic® en élargissant son domaine d'application
•	mise sur le marché d'outils de dosage de conception adaptée aux fibres longues
•	d'industrialisation de la production de compounds pour des applications automobiles
•	étendre le champ d’application des extrudeuses bivis.
•	participer à la percée des fibres naturelles dans le secteur industriel des composites thermoplastiques en facilitant la maitrise de leur utilisation
Publications et brevets : to be defined