Approche numérique pour l’étude du comportement thermo-rhéologique d’un écoulement de composite polymère chargé d’anas de lin dans un procédé d’injection

Contexte et objectifs de la thèse

Les anas de lin sont des coproduits de la production des fibres de lin, aujourd'hui majoritairement utilisés comme litière animale ou comme matière première pour la fabrication de panneaux de particules. Ces coproduits représentent 50 % du tonnage de production, soit un gisement annuel de plus de 45 000 tonnes pour DEPESTELE. La valorisation à plus forte valeur ajoutée de cette bioressource est donc un enjeu industriel et de territoire. Les propriétés des anas de lin varient selon les conditions de culture et peuvent se modifier, voire se détériorer, lors de la mise en forme. Leur intégration en tant que charges dans une matrice polymère est une voie de valorisation encore peu abordée dans la littérature [1,2].

Pour fabriquer des composites techniques, l’injection est souvent considérée comme une très bonne solution parce que c’est un procédé qui combine précision, reproductibilité et coût faible en grande série. Cependant, la complexité de ce procédé nécessite une expertise technique importante et rend essentiel le maintien de la stabilité de la machine grâce à la surveillance du processus et au contrôle qualité des pièces produites [3]. Les défis du procédé de moulage par injection deviennent encore plus critiques lors de la mise en œuvre de matériaux innovants, qui présentent un comportement fortement variable.

Les modèles rhéologiques classiques de suspensions sont mis en défaut dès que les particules ne sont pas des suspensions idéales. Le projet vise à caractériser et modéliser des comportements spécifiques à ce type de charges,

L’intégrité structurelle et la morphologie des anas de lin (liées au remplissage ou à la compression de sa structure alvéolaire [1]), peut être affectée par un environnement thermo-mécanique sévère rencontré lors du moulage par injection des plastiques. La rupture des charges, due aux fortes contraintes de cisaillement pendant le procédé, a été observé [4]. La distribution spatiale non homogène des charges et l’effet de la distribution de taille des particules sur le comportement global reste à étudier.

Face à ces défis liés au matériau et au procédé, la modélisation à l’aide des outils numériques  [5] permet d’étudier des phénomènes non directement mesurables ou observables, d’extrapoler l’étude à des cas non explorés expérimentalement, ainsi que de prédire le comportement du matériau dans le procédé et les caractéristiques de la pièce produite. Cependant, ces modèles doivent être préalablement validés à partir d’observations expérimentales sur le procédé réel.

Pour faciliter le passage de ces composites chargés en anas de lin du stade de développement en laboratoire à la production industrielle, cette thèse a pour objectif de recourir à la modélisation numérique à l’échelle du milieu continu, en s’appuyant sur une approche phénoménologique, afin d’étudier le comportement de l’écoulement d’un composite polymère chargé en anas de lin lors du procédé d’injection. L'objectif est d'établir, par comparaison modèle/mesure, des éléments de preuve d'un comportement distinct des suspensions classiques, en s'appuyant sur des écarts mesurés (thermiques, observations microstructurales). De fait, cette étude repose sur les deux phases suivantes :

Phase expérimentale

• Choix d’une formulation documentée dans la littérature,
• Utilisation d’un moule instrumenté existant pour réaliser des cycles d’injection-moulage.

Le travail de l’observation et la caractérisation des échantillons produits (répartition, orientation, intégrité de charges) sera réalisé dans le cadre d’un stage de Master, et les résultats obtenus seront ensuite exploités et communiqués dans cette thèse.

Phase modélisation numérique

• Comprendre et apprendre à utiliser un code (librairies de calcul en C++) de simulation numérique existant
• Modifier le code pour l’adapter aux particularités de comportement observées
• Réaliser une analyse de sensibilité numérique par rapport aux mesurables/ interprétables physiques et adapter le code

Bibliographie

1.           Nuez, L. et al. (2020) The potential of flax shives as reinforcements for injection moulded polypropylene composites. Ind. Crops Prod. 148, 112324

2.           Nour El Dein, A. et al. (2025) Boosting the reinforcing potential of flax co-products: Biomass fractionation and composite microstructure as keys. Ind. Crops Prod. 236, 121925

3.           Jung, H. et al. (2021) Application of Machine Learning Techniques in Injection Molding Quality Prediction: Implications on Sustainable Manufacturing Industry. Sustainability 13, 4120

4.           Verstraete, S. et al. (2023) Short Flax Fibres and Shives as Reinforcements in Bio Composites: A Numerical and Experimental Study on the Mechanical Properties. Polymers 15, 2239

5.           Assaad Al Ayoubi, N. (2024) Multi-scale modeling of fiber orientation in coupled fiber-reinforced viscous polymer systems. Theses, École centrale de Nantes

La thèse sera co-dirigée par le laboratoire GEPEA (IUT de Nantes, site La Fleuriaye) et le laboratoire GeM (Centrale Nantes), et se fera en lien direct avec la société DEPESTELE.

Modélisation & simulation, méthode numérique, polymère/composite, procédé de mise en forme (injection-moulage), fibre naturelle