Brevet FR3154644A1 — publié le 20250502

L’invention se rapporte au domaine des matériaux recyclés pour impression 3D. Plus particulièrement, elle concerne un matériau de type PLA chargé en fibres de textile entières et de nature hétérogène pour impression 3D et son procédé de préparation. PROCEDE DE PREPARATION D’UN MATERIAU PLA CHARGE EN TEXTILE EN FIN DE VIE POUR IMPRESSION 3D L’invention se rapporte au domaine des matériaux recyclés. Plus particulièrement, elle concerne un matériau de type PLA chargé en fibres de textile entières et de nature hétérogène pour impression 3D et son procédé de préparation. Domaine de l’invention L’industrie de la mode est considérée comme la deuxième industrie la plus polluante au monde, après l’industrie pétrolière. Une filière très active dont les émissions de CO 2 sont plus élevées que celle des transports aériens et pétroliers confondus. Face aux conséquences environnementales de ce secteur, la filière du recyclage textile est en pleine croissance et se structure depuis quelques années pour la collecte et le tri des textiles. Toutefois, à ce jour, seule une partie minime des textiles est effectivement recyclée. Plusieurs procédés ont été développés ces dernières années pour intégrer le textile dans des matières recyclées. Le brevet WO2022/112719 décrit un procédé de fabrication d’un matériau composite sous forme de granulés à partir de fibres textiles broyées et de polymère sous forme de grains de résine. Ce procédé a pour avantage de permettre le traitement de tout type de textile, y compris les mélanges de fibres, sans qu’il soit nécessaire de connaitre la nature des fibres. Ce nouveau matériau chargé de fibres textiles est développé par la société PLAXTIL®. La technologie FDM (Fused Deposition Modeling / Dépôt de Fil / FFF) est une technique d’impression 3D qui consiste à créer des pièces par dépôt successif de fines couches de matière. Elle utilise un filament PLA qui, une fois fondu, est déposé grâce à une buse d’impression à partir d’un modèle 3D ; les couches de fondues se superposent jusqu’à ce que l’objet soit entièrement réalisé. Le diamètre de la buse d’impression d’une imprimante 3D varie généralement entre 0,2 et 1,2 mm, elle définit la précision de la dépose. Une nouvelle génération d’imprimantes 3D fait son apparition sur le marché ; ces nouvelles imprimantes n’opèrent pas à partir de filament mais directement à partir de matériau imprimable sous forme de granulés. Un fil chargé en fibres de lin et compatible avec l’impression 3D a été développé par la société Nanovia. Ce matériau est à base de PLA, un polymère issu de l’amidon. Il présente un aspect lisse et homogène. Les fibres de lin ont une taille de 500 microns maximum et sont donc sous forme de poudre. Inconvénients de l’état de l’art En l’état, il n’existe pas de fil 3D incorporant tout type de fibre textile. Les fibres de lin utilisées dans l’état de l’art pour la fabrication d’un fil pour impression 3D sont réduites en poudre pour éviter les problèmes de blocage des buses lors de l’extrusion de la matière, ce qui constitue une dépense d’énergie non négligeable. Les charges sous forme de poudre ne contribuent que peu à la résistance mécanique de la matière. Il est souhaitable de développer l’offre de filament pour impression 3D chargé en textile recyclé, notamment à partir d’autres types de fibres que le lin en poudre, et de manière plus générale un matériau PLA chargé en textile qui soit compatible avec l’impression 3D. Les inventeurs ont développé un nouveau procédé pour produire un matériau 3D, notamment sous forme de fil 3D, chargé en fibres textiles tout venant, qui soit adapté pour une utilisation dans une imprimante 3D. La présente invention concerne ainsi un procédé de préparation d’un matériau PLA chargé en fibres textile adapté à une impression 3D comprenant les étapes de : Broyer un textile Sécher ledit broyat de textile obtenu Disposer de PLA sous forme de granules Disposer d’une résine tensio-active vis-à-vis des fibres textiles et compatible avec du PLA Ajouter ladite résine au PLA Extruder à l’aide d’une extrudeuse bivis assistée par un dégazage sous vide, un mélange constitué (i) du PLA additionné de ladite résine et (ii) du broyat de textile pour obtenir des granulés chargés entre 5 et 25% en poids total du matériau de broyat textile, dans lequel : - ladite résine tensio-active est ajoutée dans une quantité équivalente en poids à celle dudit broyat de textile - ladite résine tensio-active est de type polybutylene adipate terephthalate (PBAT) - ledit broyat est constitué de fibres dont la taille est comprise entre 1 à 10 mm. Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comprend une étape additionnelle d’extrusion desdits granulés chargés en textile obtenus à l’issue de la première extrusion (compoundage), sous forme de fil pour impression 3D à l’aide d’une extrudeuse monovis couplée à une unité de tirage. L’invention concerne également un matériau à base de PLA chargé en fibres textiles sous forme de granulés ou de filament pour impression 3D ainsi que l’utilisation d’un tel matériau pour la fabrication d’objets par impression 3D. Avantages de l’invention De manière tout à fait innovante, le procédé selon l’invention permet la préparation de matériau pour impression 3D intégrant des fibres textiles d’une taille millimétrique sans que cela empêche l’extrusion, ni l’impression 3D. Son coût énergétique devrait être inférieur à celui d’un procédé nécessitant la réduction des fibres textile en poudre. Ce procédé est industrialisable. Le procédé de préparation permet d’intégrer des fibres « longues » ou « entières » (par opposition aux fibres broyées sous forme de poudre), grâce à la présence d’un additif de protection thermique. Ce dernier enrobe les fibres et les protège de la carbonisation. De ce fait, les fibres ne se replient pas sur elles-mêmes et ne créent donc pas de surépaisseur qui pourraient bloquer le passage dans les buses d’impression. De plus, de manière remarquable, il est possible d’utiliser en tant que matière première des fibres textiles « tout-venant », c’est-à-dire qui n’ont pas été triées et dont la nature n’est pas contrôlée en début de process. La matière première est donc hétérogène et cette caractéristique la différencie des procédés de l’art antérieur qui utilisent une matière textile homogène, telle que le lin. Le matériau 3D après impression est caractérisé par une certaine flexibilité. Il conserve la couleur originale du textile. Les fibres peuvent être visibles à l’œil nu. Le nouveau matériau pour impression 3D à base de matières recyclées présente des propriétés comparables à la matière PLA vierge renforcée et peut être utilisé en remplacement de ce dernier dans la plupart des imprimante 3D, qu’elles fonctionnent à partir d’un filament 3D classique ou de granulés pour la dernière génération d’imprimantes 3D. Le matériau pour impression 3D PLAXTIL® présente un aspect duveteux, visuellement et au toucher, du fait de la présence de fibres textiles broyées dans la composition du compound. Cet aspect est conservé dans les objets obtenus par impression 3D. Cette caractéristique le différencie des matériaux actuellement disponibles sur le marché, notamment des fils 3D de l’art antérieur, et participe à élargir l’offre de nouveaux matériaux pour la fabrication d’objets par impression 3D. Le matériau 3D après impression est caractérisé par une certaine flexibilité. Il conserve la couleur originale du textile. Les fibres peuvent être visibles à l’œil nu. Le matériau 3D est de plus utilisable de façon similaire à de la matière plastique standard. Les imprimantes 3D FDM sont aujourd’hui accessibles, notamment par une mise à disposition dans des espaces collaboratifs tels que les fablab. De nombreuses entreprises disposent aussi d’imprimantes 3D pour leur prototypage (Airbus, Thalès, Jaguar, Land Rover, Akwel…) Le nouveau fil 3D développé par PLAXTIL® répond aux besoins du marché. Et les granulés pour impression 3D sont adaptés à un usage dans les imprimantes 3D de nouvelle génération. Le fil 3D PLAXTIL® comme les granulés 3D PLAXTIL® s’inscrivent dans une démarche écoresponsable, participant à la baisse d’utilisation des matières vierges, via l’utilisation d’une matière basée sur le recyclage de produits textile, associés, de préférence à du PLA recyclé. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Un premier objet de l’invention concerne un procédé de préparation d’un matériau PLA chargé en fibres textile adapté à une impression 3D comprenant les étapes de : Broyer un textile Sécher ledit broyat de textile obtenu Disposer de PLA sous forme de granules Disposer d’une résine tensio-active Ajouter ladite résine au PLA Extruder à l’aide d’une extrudeuse bivis assistée par un dégazage sous vide, un mélange constitué (i) du PLA additionné de ladite résine et (ii) du broyat de textile pour obtenir des granulés chargés entre 5 et 25% en poids total du matériau de broyat textile, Dans lequel : - ladite résine tensio-active est ajoutée dans une quantité équivalente en poids à celle dudit broyat de textile - ladite résine tensio-active est de type polybutylène adipate téréphtalate (PBAT). - ledit broyat est constitué de fibres dont la taille est comprise entre 1 et 10 mm. Le textile peut être de tout type, naturel, synthétique mais plus généralement un mélange de textiles tout venant, par exemple en polycoton, coton, polyester, polyamide, viscose, La matière textile utilisée en tant que matière première peut donc être et est généralement hétérogène (elle n’a pas été triée après récupération dans les points de recyclable). Dans le cadre de l’invention qui s’inscrit dans une démarche écoresponsable, il s’agit préférentiellement de textile en fin de vie (abimé, ne pouvant plus servir) qui est ainsi recyclé en matériau pour impression 3D. Ce textile est broyé finement. Il est nécessaire que les fibres soient suffisamment finement broyées pour que le matériau 3D obtenu n’obstrue les buses des imprimantes 3D. Le broyage du textile peut être réalisé par tout moyen, de préférence avec un broyeur en utilisant une grille dont le tamis a un diamètre inférieur à 10 mm. De manière préférée, la taille des fibres broyées est supérieure à 1mm et inférieure ou égale à 10 mm, de préférence inférieure à 8 mm, voire inférieure à 5 mm. Les fibres ont une taille comprise entre 1 et 10 mm. L’additif permet l’intégration de fibres entières – pas sous forme de poudre - d’une taille supérieure à 1 mm dans un matériau pour impression 3D. Le broyat de textile est ensuite séché avant extrusion, par tout moyen connu de l’homme du métier, par exemple dans une étuve, préférablement par un dessiccateur. Le taux de charge textile est compris entre 5% et 25%. Dans des modes de réalisation particuliers, le taux de charge peut être compris entre 5% et 15%, 5% et 10%, 10% et 15%, 12% et 18%, 15% et 20% en fonction de l’effet et des résistances mécaniques recherchés. En effet, les fibres textiles apportent un aspect duveteux qui peut être plus ou moins accentué en fonction du taux de charge. De plus, la rigidité du matériau augmente avec le taux de charge. Le PLA peut être vierge ou recyclé. Il est fourni sous la forme de granulés. Ces granulés sont de préférence préalablement étuvés afin d’obtenir un matériau de bonne qualité après extrusion, ce qui est bien connu de l’homme du métier ». Le PLA est additionné d’un additif de protection thermique avant d’être injecté dans l’extrudeuse bivis avec le broyat de textile. Par « résine tensio-active », on entend un polyester aromatique ayant une bonne compatibilité avec le PLA. Ce polyester aromatique est de préférence du polybutylène adipate téréphtalate (PBAT), un polymère aléatoire biodégradable. Le PBAT est représenté par la formule (I) ci-dessous. (I) La résine tensio-active a pour rôle de protéger les fibres textiles en limitant/ évitant leur carbonation pendant l’extrusion (compoundage). Elle a aussi pour rôle de former une gaine autour de la fibre, qui reste flexible sans se replier sur elle-même. La résine joue ainsi le rôle de tensioactif en venant se mettre autour de chaque fibre et les disperse dans la matrice polymère PLA. Le phénomène peut se comparer à la mise en place de micelles dans lesquelles l’intérieur de la micelle comprend la fibre textile et l’extérieur la matrice polymère. Cette explication étant théorique, elle ne doit pas être considérée comme limitant la portée de l’invention. La présence de la résine tensioactive permet ainsi l’extrusion et l’impression 3D d’un matériau comprenant des fibres d’une taille de l’ordre millimétrique. Cette résine tensio-active assure donc le rôle de protection thermique et de gainage des fibres textiles. La bonne dispersion de la fibre permet aussi de refléter la couleur initiale du textile dans la matrice. Une dispersion de mauvaise qualité a pour effet d’assombrir le produit final. Des fibres mal dispersées limitent la propagation de la lumière en formant des boules opaques. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la résine tensio-active est à base de polyester aromatique. Cette dernière peut être fournie sous forme de poudre, granules ou de solution liquide. Lorsqu’elle est présente sous forme de granule, elle est mélangée au PLA avant mélange du PLA avec le broyat de textile. La quantité de résine tensio-active ajoutée au PLA est équivalente en poids à celle du textile broyé mélangée au PLA. La première extrusion (compoundage) est réalisée à l’aide d’une extrudeuse bivis dans laquelle est placé un mélange constitué d’une part de PLA et résine tensio-active et d’autre part d’un broyat de textile. Ce mélange est extrudé à une température comprise entre 160°C et 200°C. La présence de la résine tensio-active réduit fortement/ empêche la carbonisation des fibres textiles et permet leur gainage ; ceci est indispensable à une production stable de filament de matière apte à être utilisée dans une imprimante 3D. Cette étape permet l’obtention de granulés plastiques chargés en fibres textile millimétriques qui constituent un premier compound. De manière classique, une pompe à vide est utilisée pour effectuer un dégazage pendant le compoundage (lors de l’extrusion bivis), afin d’éliminer l’humidité et les bulles et obtenir un matériau de bonne qualité. Cela permet de créer un matériau sans bulle. Il est par ailleurs souple, ce qui est indispensable si l’on souhaite produire un filament 3D qui puisse s’enrouler sur des bobines. Si l’imprimante 3D accepte les granulés comme matière fusible, alors les granulés obtenus à l’issue de l’étape de compoundage sont directement utilisables pour impression 3D. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé comprend en outre une étape d’extrusion des granulés chargés en textile obtenus l’issue du compoundage sous forme de fil pour impression 3D à l’aide d’une extrudeuse monovis couplée à une unité de tirage. Après tirage, le filament est préférentiellement enroulé sous forme d’une bobine adaptée pour une imprimante 3D. Un deuxième objet de l’invention concerne un matériau à base de PLA chargé en fibres de textile sous forme de matière compatible pour impression 3D de type FDM (filament/granulés), caractérisé en ce que le taux de charge est compris entre 5% et 25% et en ce que le PLA contient une résine tensio-active dans une quantité équivalente en poids à celle des fibres textiles. Dans un mode de réalisation préférée de l’invention, ladite résine est à base de polyester. Ce matériau est de manière avantageuse obtenu par le procédé selon l’invention. Le matériau 3D comprend des fibres de textile dont une taille comprise entre 1 mm et 10 mm. Ces fibres sont visibles à l’œil nu et procure un aspect duveteux au toucher. Le matériau final est imprimable, stable et flexible malgré la présence de fibres. Un troisième objet de l’invention concerne l’utilisation d’un matériau tel que défini précédemment pour la fabrication d’un objet par impression 3D. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent, fournis à titre d’illustration et ne devant en aucun cas être considérés comme limitant la portée de la présente invention. DESCRIPTION DES FIGURES FIG. 1 FIG. 1 : Illustration d’éprouvettes imprimées 3D à partir de PLA chargé à 15%, 17% et 20% respectivement en allant de de gauche à droite. FIG. 2 FIG. 2 : Exemple d’objets imprimés 3D à partir de PLA chargé en textile selon l’invention EXEMPLES EXEMPLE 1 : Production de fil 3D chargé en polycoton Un textile usagé de composé de mélange de tissus (non caractérisé de type « tout venant » pouvant contenir du coton, polyester, polyamide, viscose.) est broyé en utilisant une grille de 4mm jusqu’à obtention d’un broyat homogène (absence de fibres longues ou de carré résiduel). Il est ensuite étuvé pour suppression de l’humidité. Le broyat séché est prêt à être introduit dans l’extrudeuse. Une matrice plastique de type PLA est étuvée puis on y ajoute des granulés à base de résine de polyester endossant le rôle de tensio-actif. Cette résine va venir enrober les fibres durant le compoundage. La quantité de résine tensio-active ajoutée est équivalente à la quantité de textile mélangée au PLA, soit entre 5% et 25% de la quantité en poids du PLA. La quantité de textile correspond à 5-25% du poids total de la matière finale. Ci-dessous, un exemple de formulation de fil selon l’invention : Désignation Proportion compound Proportion dans doseurs PLA (doseur 1) 70% 82,4% RESINE TENSIOACTIVE (doseur 1) 15% 17,6% TEXTILE (doseur 2) 15% 100% Tableau 1 : Exemple de formulation de fil 3D chargé en textile Un compound est réalisé à partir du mélange PLA/résine/textile grâce à une extrudeuse bivis à une température comprise entre 160° et 200°C. Puis le fil est extrudé et mis en bobine grâce à une extrudeuse monovis- banc de tirage. Procédé de préparation d’un matériau PLA chargé en fibres textile pour impression 3D comprenant les étapes de : Broyer un textile Sécher ledit broyat de textile obtenu Disposer de PLA sous forme de granulés Disposer d’une résine tensioactive Ajouter ladite résine au PLA Extruder à l’aide d’une extrudeuse bivis assistée par un dégazage sous vide, un mélange constitué (i) du PLA additionné de ladite résine et (ii) du broyat de textile, pour obtenir des granulés chargés entre 5 et 25% en poids total du matériau de broyat textile, dans lequel : - ladite résine est ajoutée dans une quantité équivalente en poids à celle dudit broyat de textile - ladite résine étant du polybutylène adipate téréphtalate - ledit broyat est constitué de fibres dont la taille est comprise entre 1 et 10 mm. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la température de l’étape d’extrusion bivis est comprise entre 160°C et 200°C. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 comprenant en outre une étape d’extrusion des granulés chargés en textile sous forme de fil pour impression 3D à l’aide d’une extrudeuse monovis couplée à une unité de tirage. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel ledit broyat de textile est de nature hétérogène. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le taux de charge est compris entre 5 et 15%. Matériau à base de PLA chargé en fibres de textile pour impression 3D, caractérisé en ce que : Les fibres textiles ont une taille comprise entre 1 et 10 mm le taux de charge est compris entre 5 % et 25% le PLA contient une résine tensio-active dans une quantité équivalente en poids à celle des fibres textiles. Matériau selon la revendication 6 dans lequel ladite résine est de type polybutylene adipate terephthalate (PBAT). Matériau selon l’une des revendications 6 ou 7 sous forme d’un filament 3D. Matériau selon l’une des revendications 6 ou 7 sous forme de granulés 3D. Utilisation d’un matériau tel que défini à l’une des revendications 6 à 9 pour la fabrication d’objets par impression 3D.