Brevet FR2985212A1 — publié le 20130705

L'invention concerne un procédé et dispositif pour la fabrication d'un renfort pour matériau composite à base de fibres naturelles, notamment de bambou, et un renfort obtenu par un tel procédé. L'invention est plus particulièrement, mais non exclusivement, adaptée à la fabrication d'un tissu de renfort, constitué de bambou sous la forme de fibres en ruban. L'invention est également applicable à l'obtention de renforts, notamment sous la forme d'un tissu, issu de tout type de fibres ligneuses. L'utilisation de fibres naturelles pour la constitution de renforts de matériaux composites est connue de l'art antérieur. De telles fibres, notamment de bambou , sont utilisées sous la forme de copeaux dans des panneaux lamellés. Le document US 2007 0116 940 décrit un tel panneau lamellé comprenant des lanières extraites de cannes par un processus de coupe. Une telle application ne nécessite pas une grande précision ni une grande reproductibilité dans les dimensions desdites lanières ni dans l'orientation desdites lanières par rapport aux fibres du bambou. Cependant, l'utilisation de fibres naturelles pour la constitution de renforts destinés à des matériaux composites à haute performance, nécessite à la fois des fibres suffisamment longues pour constituer des renforts continus, et une constance à la fois dimensionnelle et en termes de propriétés mécaniques qui permettent de prévoir la réponse du composite au charges auxquelles il est soumis en fonction du taux de renforts et de leur orientation. Les technologies de défibrage, par explosion ou écrasement de produits ligneux, mélangent et abîment les fibres desdits produits, donc produisent des fibres de propriétés variables et qui peuvent présenter des défauts de surface susceptibles de dégrader leurs caractéristiques mécaniques. L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur et concerne à cette fin un ruban de fibres ligneuses consistant en un assemblage face contre face de lamelles de fibres calibrées en épaisseur, largeur, longueur, densité et orientation lesquelles lamelles sont extraites par un processus de coupe comprenant le déplacement d'une arête de coupe parallèlement au sens de fibrage. Ainsi le ruban de fibres objet de l'invention est parfaitement orienté par rapport au fibrage et peut atteindre une longueur infinie quelque soit la dimension des grumes dont sont extraites les lamelles. L'utilisation d'un procédé de coupe par un outil comportant une arête de coupe définie permet d'obtenir des lamelles calibrées. L'invention concerne également un procédé pour l'obtention d'une lamelle fibreuse apte à entrer dans la constitution du ruban objet de l'invention, lequel procédé comprend les étapes consistant à : a. débiter les grumes ou cannes ligneuses en avivés de longueur définie ; b. séparer la lamelle d'une surface de l'avivé par une coupe orthogonale, dont la vitesse de coupe est parallèle au fibrage de l'avivé. Ainsi l'opération de coupe permet la séparation de lamelles exemptes de vrillage et sans rupture de fibre consécurive à l'opération de coupe à l'intérieur desdites lamelles. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention lequel dispositif comprend : i. une lame de coupe comprenant une arête tranchante et des moyens pour maintenir ladite lame en position ; ii. des moyens pour déplacer ladite lame de coupe dans un mouvement de translation alternatif de direction perpendiculaire à la dite arête tranchante ; iii. des moyens pour maintenir l'avivé et s'opposer aux efforts engendrés lors de la coupe ; iv. des moyens pour déplacer, selon un mouvement dit d'engagement, la lame perpendiculairement à l'arête et perpendiculairement au mouvement de coupe. Ainsi le dispositif objet de l'invention permet par la combinaison des mouvements de coupe et d'engagement combinés à la géométrie de l'arête tranchante d'obtenir des lamelles parfaitement calibrées en largeur, longueur et épaisseur. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisation avantageux exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement, le ruban objet de l'invention constitué de fibres de bambou. Ces fibres possèdent des caractéristiques mécaniques élevée et les caractéristiques de 30 croissance rapide de la plante permettent de disposer de quantités importantes de matière première. Selon un mode de réalisation préféré du ruban objet de l'invention, son épaisseur est comprise entre 0,1 mm et 1 mm. Ainsi la rigidité dudit ruban peut être adaptée en fonction de l'application visée, ledit ruban comprenant au moins une fibre en épaisseur. Avantageusement, la largeur du ruban objet de l'invention est comprise entre 2 mm et 10 mm. Cette gamme de largeur peut être obtenue par l'extraction de lamelle 5 y compris dans des cannes de faible diamètre, de sorte que la largeur du ruban corresponde à la largeur d'une seule lamelle. Avantageusement, le procédé objet de l'invention, comprend au cours de l'étape b) une étape consistant à trier les lamelles en fonction de leur profondeur de coupe dans l'avivé. Ce tri permet d'obtenir des renforts de propriétés uniformes et 10 reproductibles. Selon un premier mode de réalisation du procédé objet de l'invention, adapté à la mise en oeuvre de lamelles de largeur supérieure à 1 mm, ledit procédé comprend à l'issue des étapes a) et b) des étapes consistant à : c. aligner les lamelles selon leur sens de fibrage ; 15 d. assembler lesdites lamelles de sorte à constituer un ruban. Ainsi ledit procédé permet de réaliser des ruban infinis et résistants, à partir de lamelles courtes, donc de propriétés uniformes à l'échelle de la lamelle. Selon un premier mode de réalisation avantageux des étapes c) et d), les lamelles étant alignées au cours de l'étape c) selon deux couche superposées, le ruban est 20 obtenu à l'étape d) en liant par leurs faces les deux couches de lamelles de sorte que, chaque lamelle d'une couche soit liée à deux lamelles, les interfaces de liaison d'une même lamelles avec les deux autres lamelles étant situées sur la même face à chaque extrémité de ladite lamelle. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un ruban particulièrement résistant. 25 Selon un deuxième mode de réalisation avantageux des étape c) et d) les lamelles sont assemblées en ruban de telle sorte qu'au sein dudit ruban chaque lamelle est assemblées à deux lamelles en superposition à chacune de ses extrémités, les interfaces de liaison d'une même lamelle avec les deux autres lamelles étant situées sur des faces opposées à chaque extrémité de ladite lamelle. Ce mode de réalisation 30 permet d'obtenir un ruban plus souple. Selon un troisième mode de réalisation des étapes c) et d) les lamelles sont alignées en juxtaposition au cours de l'étape c) et assemblées par leurs extrémités au cours de l'étape d) de sorte à obtenir le ruban. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un ruban d'épaisseur uniforme sur toute sa longueur. Selon un autre mode de réalisation avantageux permettant d'obtenir un ruban d'épaisseur sensiblement uniforme sur sa longueur, les lamelles juxtaposées sont 5 assemblées par compression à leurs extrémités superposées. Ce mode de réalisation permet également d'accroître la densité de fibres dans la zone s'assemblage. Avantageusement, le procédé objet de l'invention comprend à la suite de l'étape d), une étape consistant à : e. enrouler en bobine le ruban obtenu à l'étape d). 10 Ainsi, le dit ruban peut être utilisé sur des machines automatiques de tissage ou de fabrication de pré-imprégnés. Avantageusement, le procédé objet de l'invention comprend à la suite de l'étape e) une étape consistant à : f. tisser le ruban de sorte à obtenir un tissus de renfort. 15 Selon un deuxième mode de réalisation du procédé objet de l'invention, les lamelles ont une épaisseur et une largeur comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm et il comprend à la suite de l'étape b) une étape consistant à : g. ensimer les lamelles obtenues à l'étape b) ; h. filer les lamelles ensimées de sorte à obtenir une fibre continue. 20 Ainsi le procédé objet de l'invention permet selon ce mode de réalisation la fabrication de renforts sous la forme de fibres continues. Avantageusement, l'arête tranchante de la lame du dispositif objet de l'invention comprend une pluralité de segments de coupe parallèles. Ainsi, plusieurs lamelles peuvent être réalisées en une seule course de la lame. 25 Avantageusement, l'arête tranchante de la lame du dispositif objet de l'invention étant matérialisée par l'intersection d'une face de coupe et d'une face en dépouille, ladite face en dépouille est parallèle à la direction de la vitesse de coupe et de l'arête tranchante. Ainsi l'épaisseur de la lamelle extraite est réglée par le contact de la lame avec la surface de coupe de l'avivé indépendamment de la forme de celui-ci. 30 Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend : y. des moyens pour mesurer la somme des engagements depuis la première lamelle extraites de l'avivé ; vi. des moyens pour collecter les lamelles produites et les trier en fonction de la somme des engagements correspondant à leur production. Ainsi le dispositif permet de trier les lamelles en fonction de leur propriétés dès leur extraction de l'avivé. L'invention est exposée ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et en référence aux figures 1 à 11, dans les quelles : - la figure 1 représente un organigramme du procédé objet de l'invention ; - la figure 2 montre en perspective, une canne de bambou utilisée comme matière première selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un exemple de l'avivé (300) extrait de la matière première de la figure 2, figure 3A selon une vue de face avant la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, figure 3B selon une vue en perspective au cours de la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention ; - la figure 4 montre selon une vue en perspective un exemple d'un procédé de coupe orthogonale mis en oeuvre pour l'extraction d'une lamelle d'un avivé selon un exemple de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 5 représente selon une vue de profil et en coupe AA, définie figure 3A, un procédé de coupe orthogonale avec un mode de séparation de type I de la lamelle ; - la figure 6 montre selon une vue de profil un exemple de réalisation schématique du dispositif objet de l'invention ; - la figure 7 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une lame comprenant une pluralité d'arêtes tranchantes ; - la figure 8 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une lame adaptée à l'extraction de fibres de renfort ; - la figure 9 est en vue en perspective d'un exemple de réalisation alternatif d'une lame adaptée à l'extraction de lamelles ; - la figure 10 représente en vue de profil selon la tranche du ruban, trois modes de réalisation, figures 10A à 10C, d'un ruban à partir de lamelles assemblées par superposition, selon un exemple de réalisation du procédé objet de l'invention ; - la figure 11 montre, en vue de dessus un exemple de ruban obtenu selon un exemple de réalisation du procédé objet de l'invention, dans lequel les lamelles sont assemblées en juxtaposition ; - et la figure 12 représente, en vue de profil, un exemple de ruban obtenu selon un mode de réalisation du procédé objet de l'invention dans lequel les extrémités assemblées des lamelles sont comprimées. Figure 1, selon un exemple de déroulement global du procédé objet de l'invention, après réception (110) de la matière première, celle-ci est débitée en avivés au cours d'une étape de débit (120). Lesdits avivés, sont alors défibrés au cours d'une étape défibrage (130) mécanique consistant à en extraire des lamelles par un processus de coupe orthogonale à l'aide d'une lame à arête tranchante géométriquement définie. Selon la nature de la lame et les conditions de coupe utilisées pour ce défibrage les lamelles obtenues sont deux types : - des lamelles dont la largeur est sensiblement plus large que leur épaisseur, c'est-à-dire une largeur au moins 10 fois supérieure à l'épaisseur ; - des lamelles dont la largeur est du même ordre de grandeur que l'épaisseur. Chacun de ces deux demi-produits comprend une pluralité de fibres ligneuses de la matière première. Le premier type de lamelle est assemblé au cours d'une étape d'assemblage (142) de sorte à constituer un ruban. Selon cet exemple de réalisation, ledit ruban est alors mis en bobine, au cours d'une étape de conditionnement (160), d'autres modes de 20 conditionnement ou pouvant être utilisés. Dans le cas du second type de lamelles, celles-ci sont ensimées au cours d'une étape (141) d'ensimage. Elles sont ensuite filées, au cours d'une étape de filage (151), de sorte à constituer un renfort fibreux sous forme de fils continus ou fibres de renfort, avant d'être également conditionnées (170). 25 Les rubans et les fibres de renfort peuvent alors subir des opérations de tissage ou d'assemblage divers (180) afin de constituer des renforts adaptés à la constitution de matériaux composites. Figure 2, selon un exemple de réalisation du procédé objet de l'invention, la matière première utilisée se présente sous la forme d'une canne de bambou (200). Au 30 cours de l'étape de débit, ladite canne (200) est débitée en tronçons et fendue selon des plans (211, 212, 213) sensiblement orthogonaux de sorte à constituer des avivés Le nombre de plans de refente (212, 213) est fonction du diamètre de la canne (200). Ainsi, pour les cannes de faible diamètre celles-ci sont simplement fendues en deux. Pour les cannes de diamètre plus élevé, celles-ci peuvent être fendues en 4, 6 voire plus pour les cannes ou les grumes de diamètre très élevé. Figure 3, les lamelles sont séparées des avivés (300) par un procédé de découpe 5 mécanique en strates (310, 311, 312) successives, de sorte que la surface de coupe (315) soit sensiblement parallèle au sens de fibrage. Figure 4, les lamelles (420) sont séparées de l'avivé (300) par un processus de coupe orthogonale. Ce processus de coupe est réalisé par un outil de coupe (410), ou lame, comportant une arête tranchante (411). Ce processus de coupe est défini par son 10 orientation par rapport à la direction globale fibrage de l'avivé (300), cette orientation étant 90-0, c'est-à-dire que l'arête tranchante (411) est orientée selon un angle (415) de 90° par rapport à la direction de fibrage et que la vitesse de coupe (450), vitesse de déplacement relative entre l'outil et l'avivé, est parallèle à la direction de fibrage. La direction de fibrage désigne ici l'orientation majoritaire des fibres de la section, 15 l'avivé étant constitué d'un produit naturel les fibres ligneuses peuvent à titre individuel et local s'écarter sensiblement de la direction de fibrage. Dans tout le texte, les termes « sens de fibrage » et « direction de fibrage » ont la même signification. Les conditions cinématiques et géométriques de coupe sont fixées en fonction de la matière et notamment de son taux d'humidité, de sorte à réaliser l'extraction de la 20 lamelle (420) par un mode de séparation dit de type I. Ainsi, la lamelle ne subit pas de cisaillement selon son épaisseur, laquelle épaisseur (e2) de la lamelle (420) est égale à l'engagement (el) ) de la lame (410) dans l'avivé (300). Pour permettre ce mode de séparation de la matière, l'angle de coupe (412) mesuré par rapport à la normale à la surface de coupe est supérieur à 20° et préférentiellement supérieur à 30°. La vitesse 25 de coupe (450) est comprise entre 0,015 m.s-1 et 1 m.s-1, préférentiellement comprise entre 0,025 m.s-1 et 0,05 m.s-1. Ces conditions permettent la séparation de lamelles selon un mode de type I, sans dégrader les fibres dans lesdites lamelles, pour des engagements (e1) compris entre 0,1 mm et 1 mm, correspondants aux épaisseurs visées. Les conditions cinématiques et géométriques de coupe orthogonale permettent 30 d'obtenir un champ de vitesse d'écoulement uniforme selon la largeur (b) de la lamelle (420), laquelle lamelle est ainsi exempte de vrillage. Figure 5, selon une section perpendiculaire à l'arête tranchante (411) et parallèle à la vitesse de coupe (450), le mode de séparation de type I se réalise par la séparation de la lamelle (420) de la surface de coupe par la propagation d'une ouverture (520) devant l'arête tranchante (411) de la lame (410). L'arête tranchante (411) est définie par l'intersection de la face de coupe (512) et de la face en dépouille (511) de la lame. La face en dépouille est orientée par un angle de dépouille (515) mesurée entre la face en dépouille et la surface de coupe (315). L'angle (516) entre la face de coupe et la face en dépouille défini l'angle de tranchant de la lame. Dans chaque section perpendiculaire à l'arête tranchante, la somme de l'angle de coupe (412), de l'angle de tranchant (516) et de l'angle de dépouille (515) est égale à 90°. Selon le processus de coupe orthogonale utilisé pour l'extraction d'une lamelle (420) mis en oeuvre par le procédé objet de l'invention, les angles de coupe (412) et de dépouille (515) de la lame sont constants sur la largeur de la lamelle extraite. Figure 6, le dispositif (600) objet de l'invention, comprend un chariot (620) apte à supporter la lame (420). Des moyens (631) de motorisation et de guidage permettent de déplacer ledit chariot (620) selon un mouvement de coupe, en contrôlant la vitesse de coupe. Des moyens (632) de guidage et de motorisation permettent de communiquer au chariot (620) le mouvement d'engagement. Le cycle de coupe, comprend un mouvement (651) d'engagement, suivi d'un mouvement de coupe (661) aller-retour le long de l'avivé (300) à la vitesse de coupe définie. La lamelle est créée durant le mouvement d'aller. Le chariot (620) supportant la lame (410) étant revenu à sa position de départ, un nouveau mouvement (652) d'engagement est appliqué au chariot qui effectue un nouvel aller-retour sur l'avivé (300) de sorte à créer une nouvelle lamelle et ainsi de suite. Selon ce mode de réalisation, la longueur de lamelle créée est égale à la longueur de l'avivé. Cette longueur peut être contrôlée en réalisant un cycle carré, avec un mouvement de dégagement contraire au mouvement d'engagement (651, 652) à la fin de la course aller et avant la course retour. Le dispositif comprend également des moyens pour mesurer le cumul (650) des engagements. Les propriétés mécaniques des fibres étant variable selon leur position dans une canne de bambou, les lamelles, peuvent être triées en fonction de leur position d'extraction en utilisant cette information (650) relative au cumul des engagements. L'avivé (300) est placé dans le dispositif objet de l'invention et maintenu en position par des moyens (641) s'opposant aux efforts de coupe. Ces moyens de maintien en position ne réalisent pas une liaison complète de l'avivé (300) avec le dispositif. Selon cet exemple de réalisation, l'angle de dépouille de la lame (410) est de 0° de sorte que la face en dépouille contacte la surface de coupe selon un contact plan. L'avivé n'étant pas fixé, celui-ci s'oriente naturellement selon son sens de fibrage de sorte à ce que la coupe se réalise selon un mode 90-0 qui correspond au mode de coupe le plus facile. Un galet presseur (642) se déplaçant en même temps que le chariot porte-lame (640), coopère avec la face en dépouille et les moyens (641) de maintien en position de l'avivé pour stabiliser celui-ci au cours de la coupe. Figure 7, selon un mode de réalisation, la lame (710) du dispositif objet de l'invention, comprend une pluralité d'arêtes tranchantes (711) de sorte à extraire plusieurs lamelles parallèles par un processus de coupe orthogonale ou semi-orthogonale, au cours d'une même course de ladite lame (711) sur l'avivé. Les arêtes tranchantes (711) de la pluralité sont séparées les unes des autres par des arêtes (712) de séparation, s'étendant en protrusion de la face de coupe ou de la face en dépouille et qui découpent latéralement les lamelles, en amont de la coupe d'extraction, de sorte que cette coupe d'extraction soit toujours une coupe orthogonale. Ainsi, la largeur des lamelles est fonction de la longueur de chaque arête tranchante (711) de la pluralité. Pour la réalisation de rubans, la largeur desdites lamelles est comprise entre 1 mm et 10 mm, l'engagement étant alors choisi inférieur à 1/10' de la largeur de la lamelle. Figure 8, selon un autre mode de réalisation, la lame (810) comprend des arêtes tranchantes dont la longueur est comprise entre 0,1 mm et 0,5 mm, une telle lame (810) combinée avec des engagements du même ordre de grandeur permet d'extraire des fibres de renfort. Figure 9, selon un autre exemple de réalisation la lame (910) comprend une pluralité d'arêtes tranchantes (911) séparée par des espaces de largeur li. La coupe est alors semi-orthogonale mais l'acuité des coins d'arêtes et la symétrie de coupe de coupe permet de conserver un mode de séparation de type I et l'absence de vrillage ou de cisaillement dans l'épaisseur de la lamelle. Afin de conserver une surface de coupe plane, l'utilisation de ce type de lame (910), peut, selon un mode de réalisation, comprendre la réalisation de courses au cours desquelles la lame (910) est décalée latéralement, parallèlement aux arêtes de coupe (911) d'une valeur au moins égale à li. 2 9852 12 10 Figure 10, selon un premier exemple de réalisation, dans le cas d'extraction de lamelles larges (421, 422) celles-ci sont assemblées en deux couches face contre face de sorte à constituer des rubans (1021, 1022, 1023). Figure 10A, selon une première variante du ruban (1021) objet de l'invention, les lamelles (421, 422) des deux couches 5 sont assemblées face contre face en quinconce de sorte que l'assemblage est réalisé sur l'intégralité de la surface faciale des lamelles. Ce mode de réalisation privilégie la résistance mécanique du ruban (1021). Figure 10B selon une deuxième variante du ruban (1022) objet de l'invention, les lamelles (421, 422) sont assemblées face contre face en alternant la face d'assemblage 10 à chaque extrémité de chaque lamelle. Comparativement à la variante de réalisation précédente (figure 10A), le recouvrement des lamelles à l'interface d'assemblage est réduit mais au moins supérieur à 0,5 mm. Cette variante de réalisation privilégie la souplesse du ruban (1022). Figure 10C, selon une troisième variante de réalisation du ruban (1023) objet de 15 l'invention, les lamelles (421, 422) des deux couches sont assemblées non jointives mais de sorte que chaque lamelle soit liée à deux autres par au moins la moitié de sa surface faciale. Selon cet exemple l'interface d'assemblage est placé sur la même face d'une même lamelle à ses deux extrémités. Cette variante de réalisation offre un compromis entre la souplesse du ruban et ses propriétés mécaniques. 20 Le procédé d'assemblage des deux couches de lamelle (421, 422) est choisi en fonction de l'application visée du renfort. Des procédés d'assemblage par collage, hydroliage ou compression, sont adaptés à la réalisation d'un tel assemblage sans que cette liste ne soit limitative. Figure 11, selon un deuxième mode de réalisation du ruban (1120) objet de 25 l'invention, les lamelles (421, 422) constituant ledit ruban sont assemblées par leurs extrémités. Ce mode de réalisation permet l'obtention d'un ruban très souple et d'épaisseur réduite, ladite épaisseur étant sensiblement constante sur toute la longueur dudit ruban (1120). Cet assemblage est réalisé préférentiellement par collage. Figure 12, selon un autre exemple de réalisation du ruban (1220) objet de 30 l'invention, les lamelles (421, 422) sont assemblées par leurs extrémités selon une zone (1230) de compression, qui permet d'augmenter la densité de fibres dans la dite zone (1230) comprimée et d'obtenir un ruban d'épaisseur uniforme. Quel que soit le mode de réalisation, le ruban résultant de l'assemblage des lamelles peut être bobiné. Dans le cas de l'extraction de fibres de renfort, celles-ci peuvent être filées après ensimage au moyen de produits gras, afin de constituer une fibre de renfort continue. Les fibres de renfort et les rubans peuvent alors être utilisés pour constituer des renforts, par exemple sous la forme de tissus de matériaux composites à matrice thermodurcissable ou thermoplastique.