Analyse de la faisabilité d’éco-conception de pièces composites à base de ressources renouvelables pour applications médicales

par Julien Moothoo

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Damien Soulat et de Pierre Ouagne.

Le président du jury était Frédéric Jacquemin.

Le jury était composé de Damien Soulat, Pierre Ouagne, Frédéric Jacquemin, Moussa Gomina, Laurent Guillaumat, Dashnor Hoxha, Samir Allaoui, Karine Charlet.

Les rapporteurs étaient Moussa Gomina, Laurent Guillaumat.


  • Résumé

    La présente étude traite de l’éco-conception d’une pièce structurale, de type poutre tubulaire, en stratifié bio-composite à base de fibres de lin. A cette pièce à concevoir est associé un cas de charge mécanique combinant flexion et torsion et une tenue face aux produits détergents-décontaminant utilisés en environnement médical. Cette étude a pour objectif de montrer la faisabilité d’employer comme architecture de renfort, une mèche de lin pour la réalisation de la pièce. Ce renfort a la particularité d’être constitué de fibres alignées dont la cohésion est assurée par la présence d’un liant par opposition aux fils constituées de fibres retordues. Tout d’abord, pour établir un cahier des charges de fabrication à partir de ceux déjà en vigueur, le comportement mécanique du bio-composite à l’échelle du pli, puis à celui du stratifié et enfin à l’échelle de la poutre stratifié a été modélisé et des critères de conception et de dimensionnement portant sur la rigidité en flexion et en torsion ont été développés de façon analytique. Associée à cette approche et au choix du renfort, le procédé d’enroulement filamentaire a été retenu pour la mise en oeuvre de la pièce. Afin de montrer la compatibilité de la mèche en entrée et le procédé sélectionné, une étude du comportement en traction de la mèche visant à étudier l’effet des paramètres du procédé sur les propriétés mécaniques de la mèche a été réalisée. Cette deuxième phase a été poursuivie par la réalisation de prototypes, suivant le cahier des charges de fabrication établit, qui ont ensuite été analysés en termes de qualité et de performances mécaniques. La corrélation entre ces résultats et ceux obtenus par l’étape de dimensionnement a permis de valider l’approche. Enfin, dans le but d’intégrer l’interaction avec l’environnement opératoire dans le dimensionnement de la pièce, une étude de la durabilité a été réalisée. Celle-ci permet d’établir des stratégies de dimensionnement pour répondre à l’application.

  • Titre traduit

    Analysis of the feasibility to eco-design composite parts using renewable resources for a medical application


  • Résumé

    This study aims at eco-designing a structural part, of a hollow beam type, using a laminated flax fibre based bio-composite. The part needs to satisfy a given bending and torsion load case and show compatibility with the cleaning products used in the medical environment. The objective of the study is to investigate the potential of using a flax tow as the reinforcement input for the manufacturing of the beam. The particularity of the reinforcement is that it consists of an assembly of aligned flax fibres held together by a binder as opposed to spun yarns. First, in order to establish the required manufacturing specifications, the mechanical behaviour of the bio-composite at the ply scale, at the laminated and finally at the laminated beam scale was modelled. From this modelling, design and dimensioning criteria based on bending and torsional stiffness were developed analytically. Combining this approach with the choice of the reinforcement, the wet-filament winding process was chosen to manufacture the part. Thus, the tensile behaviour of the flax tow was studied in relation to the process parameters to demonstrate their compatibility. This second phase was followed by the manufacturing of prototypes according the established specifications which were then analysed in terms of quality and mechanical performance. The correlation between experimental results and the model predictions was used to validate the dimensioning approach. Finally and in order to incorporate the interaction of the part with the environment, a durability study was conducted. The latter allows to put forward different dimensioning strategies to meet the required specification.


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