L’impression 3D, une nouvelle dimension pour valoriser les résidus forestiers

Le Laboratoire de biomatériaux de l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue (UQAT) a vu le jour en 2008 tout près de l’usine de panneaux West Fraser, à La Sarre. Il permet aux chercheurs et aux étudiants de concevoir de nouveaux matériaux qui incorporent des fibres naturelles, surtout des résidus du bois, à des plastiques comme les polymères.

Le Laboratoire de biomatériaux de l'UQAT à La Sarre. Ce nouveau laboratoire a été inauguré le 27 octobre dernier.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

On y fait des recherches sur la valorisation du bois pour différents produits, notamment les composites bois-polymère, indique Ahmed Koubaa, professeur-chercheur à l’UQAT et titulaire de la Chaire de recherche en valorisation, caractérisation et transformation du bois.

« Comme la plupart des plastiques ne sont pas renouvelables, le fait de mettre 50, 60 ou même 70 % de fibres renouvelables diminue l’impact environnemental des matériaux qu’on développe. Leur empreinte carbone est moins importante que pour un polymère. »

Ahmed Koubaa, professeur-chercheur à l'UQAT et titulaire de la Chaire de recherche en valorisation, caractérisation et transformation du bois

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

Les biomatériaux présentent aussi d’autres avantages d'un point de vue économique, alors que les résidus forestiers sont moins coûteux que les polymères pétrochimiques. Ils permettent en effet de tirer les avantages propres aux deux matériaux mélangés, comme les propriétés mécaniques du bois et le caractère hydrophobe du polymère.

Davantage de possibilités

L’impression en trois dimensions permet maintenant aux chercheurs et aux étudiants d’explorer la possibilité de produire des pièces plus complexes avec des biomatériaux.

Une imprimante 3D procède à la confection de pièces complexes à partir du biomatériau produit à l'UQAT.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

Pour produire des composites bois-polymère, il existe plusieurs procédés. On a ici l’extrusion, l’injection, les presses à l'arrière pour la thermo-consolidation. L’impression 3D offre plusieurs avantages. On est capables de produire des matériaux avec des formes très complexes, mentionne Ahmed Koubaa.

En architecture, si on veut faire une forme quelconque pour un revêtement de mur, les procédés actuels ne sont pas en mesure de faire ce genre de produits. Donc, avec l’impression 3D, on est capables de faire des produits qu’on ne serait pas capables de faire avec les procédés actuels. Ça amène une plus grande gamme de produits qu’on peut développer ici, au laboratoire, fait valoir M. Koubaa.

Les chercheurs utilisent la technologie pour favoriser le développement durable.

Photo : Gracieuseté : Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue

Jusqu’à maintenant, les travaux ont permis d’imprimer avec un filament de composite comprenant 20 % de fibre de bois, alors que généralement, dans l’impression 3D, on voyait surtout des ratios de 10 ou 15 %.

On a imprimé jusqu’à 20 % avec des propriétés comparables à celles des matériaux qu’on obtient par d’autres procédés, comme la thermo-consolidation ou l’injection. Ça, c’est intéressant, estime Ahmed Koubaa.

L'impression 3D permet de réaliser des pièces complexes comme ces œuvres artistiques.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

Procédé innovateur

En raison de son procédé de fabrication additive, c'est-à-dire qui construit la pièce couche par couche, l’impression 3D ne produit pas de résidus. En substituant une portion du plastique par une fibre naturelle, on réduit aussi l’impact environnemental des pièces qui seront produites avec l’imprimante en trois dimensions.

C’est innovateur, puisque la majorité des imprimantes 3D qui existent partout au monde utilise généralement des plastiques seulement, souligne Asma Khouaja, doctorante en ingénierie et auxiliaire de recherche au Laboratoire de biomatériaux de l’UQAT.

Asma Khouaja et Zeineb Siala procèdent à la première extrusion du matériau composite polymère-bois.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

Le laboratoire intersectoriel d’impression 3D travaille surtout en collaboration avec le département des arts pour produire des œuvres artistiques. Les applications peuvent être très variées, selon Asma Khouaja.

L’impression 3D peut être appliquée dans plusieurs domaines. On peut faire des pièces médicales comme des prothèses, des pièces au niveau automobile. On peut même aller substituer des pièces faites en métal si on arrive vraiment à trouver les mêmes propriétés mécaniques que les pièces d’origine. L’impression 3D permet vraiment d’aller chercher des formes complexes, affirme Mme Khouaja.

Asma Khouaja, étudiante au doctorat en ingénierie à l'UQAT et auxiliaire de recherche au laboratoire de biomatériaux, explique ici le tamisage des fibres.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

Trois doctorantes

L’ajout du laboratoire intersectoriel d’impression 3D a permis de faire passer de trois à cinq le nombre de professeurs au laboratoire de biomatériaux. Déjà, deux étudiants ont produit des mémoires de maîtrise à partir de leurs travaux à ce nouveau laboratoire et trois doctorantes y poursuivent actuellement leurs travaux.

Yuchen Guo procède au broyage de la fibre de bois qui sera utilisée pour produire un biomatériau composite polymère-bois.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

L’une de ces doctorantes, Yuchen Guo, se concentre sur la production de matériaux à base d’un polymère biodégradable, le PLA, et d’un résidu forestier, le biochar. Une autre, Zeineb Siala, cherche à créer un biomatériau odorant à base de matière résiduelle forestière et de marc de café pour du design sensoriel.

Zeineb Siala, étudiante au doctorat, procède à la préparation du mélange des granules de polymère et de fibre de bois pour produire le composite.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon

Sarra Helaoui se penche quant à elle sur l’optimisation des paramètres d’impression pour avoir un matériau et des pièces imprimées de haut calibre. Elle a fait une maîtrise de recherche sur l’impression 3D en France et poursuit maintenant au doctorat à l’UQAT.

C’est génial! Ça fait déjà des années que je travaille avec l’impression 3D. C’est une technique très innovante, très prometteuse, surtout avec le développement de matériaux qui sont eco friendly, où on va résoudre des problématiques environnementales actuelles, souligne-t-elle.

Sarra Helaoui fait sécher des granules de matériau composite qui seront ensuite extrudées une deuxième fois pour former le filament qui sera utilisé lors de l'impression 3D.

Photo : Radio-Canada / Martin Guindon