Revue de projet du DIY HD : Différence entre versions

Version du 3 janvier 2017 à 15:56

Texte rédigé par Pierre Amadieu en Novembre 2016. (fichier source)

Remonter à la page Architecture et vision d'ensemble (DIYHD).

Préambule

Initiative Chanvre

Le DIY HD s’inscrit dans la dynamique Initiative Chanvre, dont il est un des piliers essentiels. Plus de détails sur l’Initiative chanvre sur www.initiativechanvre.com et dans le document « Appel Initiative Chanvre »

Background technique

Peu de choses restent à inventer, à mon sens, concernant le traitement mécanique des pailles de chanvre utilisées depuis des millénaires pour ces usages textiles, et après un arrêt de la production à des fins textiles, à son renouveau depuis 1960 en France en tant que fibre papetière, récemment réévaluée entant que fibres techniques.

Il ya donc 2 « écoles » pour la transformation des pailles de chanvre :

• Une, issue de l’héritage fibre textile, utilisant des broyeurs à rouleaux en tête de process, pour schématiser : un défibrage « doux »
• Une, issue du procédé défibrage papetier, utilisant en tête des broyeurs à marteaux : un défibrage violent mais à gros débit matière. En substitution à ces broyeurs à marteaux émergent des nouvelles lignes qui utilisent des ouvreuses textiles, outils à pointes qui dégradent moins les qualités mécaniques et textiles des fibres de chanvre

L’héritage textile du défibrage constitue les fondements du procédé du DIYHD

On peut trouver trace vivante de cette héritage au Festival « De Fibres En Musiques » 3ème week end d’Août à Montjean/Loire http://defibresenmusique.fr/

Solutions clés intégrées et constitutives

• Une alimentation pour balle rondes ou pailles en gerbes, fibres en bobines ou ruban
• Un broyeur à rouleau, pour une « déstructuration douce des pailles et des fibres »
• Bobinage des fibres : un conditionnement qui maintient l’organisation des fibres, qui limite les coûts de reprise des matières et qui facilite les phases successives de process des matières: juste une petite révolution, mais impérative pour traiter des fibres de chanvre long brin et industrialiser les procédés
• Le Lisseur-Briseur, équipement spécifique au DIY HD, encore à développer, qui selon ses réglages permet lors de la phase de défibrage de produire
  • soit des fibres long brin brutes,
  • soit des fibres pour isolation locale
• Des chènevottes de qualité bâtiment
• Une conception de type plateforme d’outils pour l’élaboration de matériaux fibrés et biosourcés :
  • afin d’évolutions ultérieures de process,
  • pour une modularité qui favorise un investissement progressif,
  • pour une appropriation plus large et plus spontanée par la communauté des usagers et des développeurs

Principes de bases de la conception du DIYHD

Le DIYHD est conçu et dessiné comme un outil low tech et low cost. Afin qu’il soit facilement et à moindre coût, constructible, opérable et maintenu. Pas besoin d’être Crésus, ingénieur, super équipé ou installé en occident pour se l’approprier.

La ligne est constituée d’une succession d’éléments mécaniques. La partie principale (la plus spécifique) de la ligne traite les pailles et les fibres, des parties dérivées, fourches, traitent les chènevottes et les poussières.

La plupart des éléments sont construits sur des supports et formes métalliques standards disponibles chez les distributeurs de fers et aciers (axes, tubes, fers plats, tôles, poutres….)

La partie électromécanique, puissance et commande, centralisée dans une armoire électrique est conçue pour une alimentation 380 V 3 phases, éventuellement couplée avec du 220V mono.

La puissance nominale de la ligne se situe aux environ de 50 à 60 kW, mais peut évoluer sensiblement avec l’ajout d’éventuelles solutions optionnelles et selon les dimensionnements des aspirations d’air et transfert pneumatique des chènevottes

Quelques vérins pneumatiques viendront intégrer la ligne.

La puissance est transmise par des motoréducteurs conventionnels, entrainement par chaine, par courroie ou directement en bout d’arbre. La puissance est parfois transmise d’un élément à un autre par chaine, ce qui limite le nombre de motoréducteurs tout en autorisant synchronisation ou désynchronisation des vitesses de travail successives.

Une régulation électronique : capteurs, lecteurs, petit automate et variateurs électroniques ; permettant de calibrer et réguler le débit des pailles constituerait, si le choix en est fait la partie la plus high tech du DIYHD. Un variateur électronique qui asservit les moteurs de l’amont de ligne piloté manuellement pourrait aussi satisfaire.

Le dimensionnement des éléments est basé sur mon expérience, des ajustements à venir appelés par les expérimentations en allure intensive ou bien calculés en amont par un ingénieur structure OSE Fr doivent être envisagés pour assurer la pérennité des équipements et la sécurité du fonctionnement. Des mesures de contraintes pourraient également être réalisées in situ sur le prototype opérationnel.

La ligne pourrait aussi être conçue avec d’autres matériaux : châssis en bois, ou en composite par exemple… La richesse des contributions de la communauté alimentera très certainement des versions ultérieures

Le DIYHD est une ligne de transformation des pailles de chanvre. Cette ligne est constituée d’une succession d’équipements liés entre eux pour la plupart du temps, à minima liés au sol. Un élément de la ligne est un ensemble mécanique, constitué de sous ensembles et d’équipements divers.

Les côtés gauche et droit d’un élément ou de la ligne elle-même sont définis par une observation orientée d’amont en aval de la ligne.

Vue du coté gauche de la ligne prototype en cours d’assemblage
L’amont est donc situé sur la droite de l’image, l’aval sur la gauche

Principes de construction mécanique retenus

Les équipements à l’atelier

Le DIYHD est conçu pour être construit et assemblé avec des moyens minima, disponibles pour la plupart dans tous les ateliers de ferme ou chez tous bons bricoleurs et professionnels de la ferronnerie et construction mécanique.

Pour les équipements les plus lourds :

• un compresseur d’atelier 100 litres (peinture, clé à chocs, riveteuse, soufflette, pistolet à peinture, vérins pneumatiques…)
• une perceuse sur colonne avec cône morse 2 ou supérieur, forêts, scies cloches, fraises….
• un poste de soudure : à l’arc, semi auto ou autre
• un solide établi équipé d’un étau
• déserte, établi pliant, tréteaux
• tronçonneuse à métaux sur châssis
• un touret fixe
• meuleuses d’angles, ø320 et ø 125
• perceuse à main et perceuse visseuse
• scie sauteuse, lime électrique…

Equipement de traçage : réglet, équerre, équerre à chapeaux, compas, pointe à tracer, pointeau, marteau, fausse équerre, mètre à ruban, pied à coulisse…

Proverbe d’ajusteur : « qui chante au traçage, déchante au montage »

Clés diverses, tournevis, pieds de biches, soit une boite à outil complète

Matériel de levage

Les prestataires à envisager

Si vous ne disposez pas en interne des équipements et savoir faire bien sur.

Un tourneur fraiseur pour réaliser essentiellement des rainures de clavettes sur arbres, des brochages pour pignons pleins usinés au diamètre de l’arbre qui le reçoit, quelques arbres spécifiques.

Votre fournisseur de fers, équipé de scie à ruban pour vos débits de matières en barre, de plieuse, rouleuse et trancheuse pour vos tôles.

Un prestataire qui fasse de l’usinage laser pour découpe des pièces en tôle épaisses : gabarits, joues de cylindres….jusqu’à l’usinage éventuels des pièces latérales de châssis, si vous ne les faites pas vous-même à la perceuse sur colonne

Un électromécanicien pour les opérations de câblage armoire, câblage ligne et moteurs. Pour les opérations de maintenance également et pour toute modification électrique sur la ligne

Pour l’automate : de solutions open source ? Raspberry pi ? Arduino ?

Un fondeur pour quelques pièces spécifiques ? ou bien une impression 3D ?

Vue de la perceuse à colonne et de ses outils
Phase usinage poutre inférieure droite

Assemblages et liaisons mécaniques des éléments et sous-ensembles

De nombreux sous éléments, les châssis notamment, sont généralement construits et assemblés par soudure.

La plupart des éléments nécessitant montages et démontages sont assemblés par visserie. Pour l’assemblage des éléments de structure j’utilise principalement de la visserie standard M12, afin de faciliter les opérations en évitant les changements trop fréquents de clés. Clé de 19 donc, parfois 18 pour les têtes de vis.

Les tôles, carters, toiles, bâches sont plus généralement fixés au châssis avec des rivets pop, vis auto-taraudeuses

Les châssis

Les châssis sont réalisés à partir de tôles pliées ou bien de tubes d’acier profilés de section le plus souvent carrée ou rectangulaire. Ce sont des éléments aux dimensions et caractéristiques relativement commune à internationalement standardisés. Des matériaux de base donc à moindre coût, car produits en grande série et largement distribués.

Les châssis sont généralement composés de 2 joues, une joue gauche et une joue droite.

Les 2 côtés, gauche et droit, d’un même châssis sont reliés entre eux par des entretoises logées dans des fourreaux et bloquées par vis, ou bien par des entretoises soudées.

Si la rigidité de la liaison entretoise/joues n’est pas suffisante, des contreventements sont alors positionnés.

Des pieds relient les châssis au sol. Ces pieds peuvent être réglables en hauteur et scellés au sol via une vis et une cheville. La ligne est assemblée sur un plan ( ex : dalle de béton )

Les châssis des éléments successifs sont reliés et immobilisés entre eux par un système de brides ajustables, gauches et droites.

Pour des équipements positionnés en hauteur ou hauts sur pied un contreventement avec des supports de génie civil peut être nécessaire (sol, mur, pilier…)

Arbres et transmissions

L’acier utilisé est du CC40 étiré à froid, ou qualité supérieure, ce qui lui donne une cote de diamètre exploitable sans usinage pour nos montages.

Les arbres d’entrainements et arbres entrainés sont positionnés et immobilisés sur les châssis avec des paliers fonte à appliques, auto-alignés munis d’un système d’immobilisation sur l’arbre ( vis pointeau, excentrique de serrage…)

La transmission de la puissance mécanique est réalisée sur les arbres par clavetage parallèle normalisé. De même, les éléments fixés sur les arbres sont immobilisés en rotation par ce même type de clavette.

La plupart des éléments de liaison ou de transmission positionnés sur les arbres (poulies, pignons, roues dentées, moyeux à visser ou à souder) le sont par l’interface de moyeux amovibles.

Les motoréducteurs peuvent être parfois directement montés sur les arbres, sinon par transmission secondaire par chaine ou courroie

Rouleaux

Dans la ligne de nombreux rouleaux sont utilisés, lisses ou cannelés ou équipés. Ils sont construits sur la base d’un cylindre coupé à longueur, de 2 joues latérales issues de découpe laser, glissant à l’intérieur du cylindre, de deux moyeux à souder et deux moyeux amovibles. L’arbre portant ce cylindre est usiné de rainure(s) de clavettes en bout pour entrainement et de rainures de clavette aux positions des moyeux des joues des cylindres pour leur immobilisation en rotation sur l’arbre. Les joues sont soudées aux moyeux à souder puis sont montées sur l’arbre, justement positionnées et enfin soudées au cylindre. Les joues ne sont pas positionnées à fleur des rouleaux mais glissées à 20 à 30 mm à l’intérieur

S’il s’agit de rouleaux cannelés, le positionnement pour soudure des barres constituant les cannelures peut se faire avantageusement à l’aide d’un gabarit dimensionné à propos, issu d’usinage laser.

Sur le chantier de construction du DIYHD

Manutention levage

Pour des équipements les plus légers et pour la plupart des sous ensembles en phase de construction ou d’assemblage on peut utiliser grue d’atelier pliable, plateau roulant, diable, transpalette, rampes, tables élévatrices, palan, cric, treuil…

Sinon utiliser tout engin de levage et de manutention approprié et homologué, avec chauffeur certifié et personnel équipé, pour les équipements les plus lourds : dérouleur balle ronde, broyeur à rouleau, bobineur, trommel…

Usage privilégié d’élingues souples, de manilles et d’anneaux de levage, et palonnier pour les éléments de plus grande dimension ( long convoyeur…)

Sécurité

Les opérateurs prendront soin de s’équiper pour chaque situation des équipements réglementaires nécessaires à leur sécurité.

DIY Hemp Decorticator et évolutions

Le DIY Hemp Decorticator est une ligne de défibrage des pailles de chanvre. Il permet à ses propriétaires et usagers de transformer les pailles de chanvre (hors sommités, feuilles et corps étrangers si présents dans les pailles) en 3 coproduits dans des proportions qui sont d’environ :

• 35 % de fibres
• 60 % de chènevottes
• 5 % de poussières

Cette première transformation sera dans la très grande majorité des cas et matières premières aboutie en un seul passage de matière, comme elle pourrait nécessiter 2 passages de matières. Le deuxième passage des fibres bénéficiera, le cas échéant, avantageusement de réglages différents.

Cette première transformation des pailles apportera aux chanvriers :

• des chènevottes marchandes pour les besoins de l’écoconstruction et isolation locale
• des fibres marchandes :
  • pour les besoins locaux d’isolants écologiques
  • pour des clients, partenaires, opérateurs fibres textiles ou fibres techniques
• des poussières :
  • éventuellement marchandes en vrac
  • qui rejoindront le cycle des matières organiques des agriculteurs producteurs pour compostage, amendement organique ou encore pour méthanisation

Diverses évolutions pourront voir le jour sur la base de la plateforme défibrage, dès lors que la communauté des développeurs et des usagers se sera familiarisée avec cette plateforme défibrage et que nombreux appréhenderont les larges potentiels et les opportunités nouvellement révélées des pailles et fibres de chanvre en tant que bio matériau.

Composition du DIY HD Module Défibrage

Partie traitement des pailles et des fibres

1- Dérouleuse de balles rondes de pailles

2- Dérouleuse de bobines de fibres

3- Batteur des pailles et fibres

4- Convoyeur pailles et fibres

5- Vis chènevottes

6- Broyeur à rouleaux

7- (Lisseur-Briseur)

8- Vis chènevottes

9- Convoyeur fibres

10- Bobineur ruban de fibres

11- Armoire électrique

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15-

16-

17-

18-

19-

Partie traitement des chènevottes et air chargé

20- Trommel pour nettoyage, calibrage et tri des chènevottes

21- Broyeur grosses chènevottes

22- X Aspirateurs pour air chargé et pour transfert des chènevottes

23- Système central de filtration air ( cyclones, écluses, armoire filtration, aspiration centrale…)

Premiers détails sur les différents éléments du DIYHD

Partie traitement des pailles et des fibres

1 Dérouleuse de balles rondes de pailles

Dans cette phase initiale, j’utilise une dérouleuse du marché, déjà testée. Nous pouvons préconiser :

• Soit d’utiliser divers type de machines disponibles sur le marché avec les conseils de customisation,
• soit dessiner notre propre dérouleuse
• tester un convoyeur à barre, s’il fait l’affaire, cela simplifierait la ligne, dans la mesure où nous utilisons déjà ce type de convoyeur

2 Dérouleuse de bobines de fibres

Pour un deuxième passage, les fibres sont alors en bobines qui sont déroulées par cet élément

3 Batteur des pailles et fibres

Positionné immédiatement après le déroulage, l’action de battage sur les pailles vise à ouvrir (décompresser, aérer) la nappe de pailles et à en éliminer divers corps étrangers et indésirables (cailloux, bois, terre, poussières, feuilles …) Lors du deuxième passage, le battage des fibres permettra d’ouvrir légèrement les rubans de fibres et d’éliminer quelques chènevottes

4 Convoyeur pailles et fibres

Élément de transfert des matières depuis le batteur vers l’alimentation du broyeur à rouleaux, il permet à l’opérateur en amont de ligne d’avoir une observation sur le flux des matières, comme il peut éventuellement autoriser un poste d’intervention pour cet opérateur qui procèdera alors à l’amélioration manuelle du flux des matières entrantes, ou à l’intégration de pailles et fibres à recycler

5 Vis chènevottes

Les premières chènevottes décantent depuis le convoyeur paille et surtout sur le fond du broyeur à rouleaux où elles glissent dans l’auge de la vis de réception des chènevottes. Ces chènevottes sont ensuite aspirées en sortie de vis pour être dirigées vers leur broyeur pour y être réduites.

Un entonnoir en bout de vis permet un chargement manuel des matières (chènevottes) perdues sur l’amont de ligne

Un système de cascade permet de séparer en bout de vis les pondéreux éventuels (bois, cailloux, mottes…) des chènevottes au moment de l’aspiration de ces dernières

6 Broyeur à rouleaux

Nous entrons ici dans le cœur du process : le broyeur à rouleaux cannelés déstructure les pailles de chanvre en les brisant : le bois des pailles est alors fractionné en menu morceaux (dès lors appelés chènevottes) alors que les fibres de l’écorce, plus souples, gardent leur longueur.

Le premier modèle prototype comporte 13 positions, soit 12 paires de rouleaux et une roue à aubes seule en position P13.

Les rouleaux supérieurs sont entrainés, chacun indépendamment par engrenage avec son rouleau inférieur. Un ressort de pression, positionné à chaque bout d’arbre, exerce sur le rouleau supérieur, mobile verticalement, l’effort pour l’écrasement de la nappe de paille. La force des ressorts varient selon les positions sur le broyeur. Les expérimentations du prototype permettront de confirmer la force des ressorts à affecter à chaque position.

Les rouleaux inférieurs sont motorisés par l’intermédiaire d’une transmission pignon/chaine de dimension 16B1, pour les positions P1 à P4 et P5 à P11+ P11/P13.

• les positions P1 à P4, motorisées communément et à vitesse très largement croissante (rapport 1 à 2/3 entre P1 et P4) éventuellement variable et calée sur la vitesse de tous les éléments amont (1 ;2 ;3;4) contribuent à la régularisation et au calibrage du flux des pailles, avec dans un même temps une première action de broyage. Le cylindre de base est de ø 220, avec une denture différemment taillée selon les positions

• Les positions P5 à P11 sont équipées de rouleaux cannelés sur une base de cylindre ø 140. Ils sont eux aussi motorisés communément et leur vitesse de travail est fixe et légèrement croissante.

• La position P12 réalise un travail d’écangage ( battage, élimination des chènevottes) grâce à une vitesse de travail très largement supérieure à la vitesse de travail P11 : 5 fois au moins. A cette position une transmission mécanique entre l’arbre inférieur et l’arbre supérieur produit l’entrainement du rouleau supérieur. Les 2 rouleaux tournants à la même vitesse, leur dentures parfaitement intercalée, donc sans jamais aucun contact entre elles.

• En position P13 la roue à aubes est entrainée par pignon chaine depuis la position P11. la roue à aube peut être déplacée longitudinalement, autorisant des réglages de position pour réceptionner au mieux les fibres éjectées depuis P12. les chènevottes décantent sous la roue, guidées vers les vis par des carters. Les fibres sont conduites vers l’aval via un toboggan

En phase prototype les bouts d’arbre de chaque rouleau cannelé comporteront plusieurs positions pour réception de pignons afin de pour pouvoir expérimenter divers choix de vitesse et de transmission

Le broyeur à rouleau est positionné sur un châssis incliné, les chènevottes qui décantent entre chaque paire de rouleaux glissent sur le fond tôlé du broyeur vers l’auge de leur vis de réception

Vue rouleaux cannelés Amont ligne Start Hemp Atelier de Défibrage Mobile