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WO2008104697A2 - Procede de realisation de panneaux en materiau renouvelable expanse et dispositif associe - Google Patents

Procede de realisation de panneaux en materiau renouvelable expanse et dispositif associe Download PDF

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WO2008104697A2
WO2008104697A2 PCT/FR2008/050212 FR2008050212W WO2008104697A2 WO 2008104697 A2 WO2008104697 A2 WO 2008104697A2 FR 2008050212 W FR2008050212 W FR 2008050212W WO 2008104697 A2 WO2008104697 A2 WO 2008104697A2
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WO
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renewable material
material according
producing panels
rod
cooling
Prior art date
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PCT/FR2008/050212
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English (en)
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WO2008104697A3 (fr
Inventor
Marc Lanciaux
Benjamin Lanciaux
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Bio Creation
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Publication date
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Priority to EP08762064A priority patent/EP2117798A2/fr
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    • B29K2003/00Use of starch or derivatives as moulding material

Definitions

  • the present invention relates to a method of producing a large panel of renewable material.
  • the invention also covers an associated device for producing this panel.
  • Sheets of foam-based material are known and are used in a great many applications, such as insulation in the building or in any other field.
  • the existing panels are based on expanded foam of synthetic chemical compounds such as polystyrenes or polyurethanes.
  • foams can be perfectly controlled in their characteristics of mechanical strength, density, pore diameter for example.
  • These panels can also be made from expanded beads and glued together in a mold that allows to obtain panels of glued balls.
  • compositions derived from biodegradable materials and especially of vegetal origin which is therefore renewable, but then the problem arises with the production of panels of large dimensions and / or of great thickness.
  • the present invention aims to provide a method of producing panels of large dimensions and / or high thicknesses from renewable materials of plant origin and biodegradable.
  • the rest of the description is based on a composition based on starch foam to illustrate the process, regardless of the origin of this starch.
  • the invention also covers any similar renewable material of vegetable origin, which is biodegradable and exhibits the same behavior.
  • a well-known way of producing a product from starch foam is to extrude the composition through a die under very high pressure by means of a screw extruder.
  • the extrusion pressure is very important, of the order of 80 to 120 bar.
  • the calibrated die must then give the foam its final shape but there is a very strong expansion at the outlet of the die when the foam is no longer subjected to atmospheric pressure, related to the vaporization of the water contained in said composition .
  • the method according to the present invention aims to remedy this problem by proposing a method for producing panels of large dimensions and / or thick in an expanded material based on a composition of renewable material, of plant origin such as starch, a process which comprises the following succession of steps:
  • Each unit element is of a suitable size to allow instantaneous evacuation of the released water vapor.
  • a composition based on potato starch a ring of three centimeters in section is adapted.
  • the small section of the unitary element thus produced requires an extruder working at acceptable pressures much lower than the pressures of 80 or even more than 100 bars of the prior art.
  • the ring must also have a section with a geometry such that it is symmetrical with respect to the center so as to avoid distortions.
  • the bonding surface In order to optimize the longitudinal bonding of the rods of the next phase of the process, the bonding surface, and therefore the bonding surface, must be optimal.
  • An optimized section and considered as a preferred embodiment of the present invention consists in making rods of hexagonal section.
  • the rods of the same layer are glued by two opposite faces so as to have two edges in the vertical plane and the superimposed layers are offset by a half-section of rod on one side and the alternatively to allow a perfect interlocking.
  • the method of producing a plate according to the present invention makes it possible to obtain all dimensions of plates A x B, these dimensions resulting from the number of rods assembled and of a thickness [chosen, the length L allowing a large choice of thicknesses .
  • the speed of a rod at the exit of the die of an extruder is about a speed of 2 m / s and the temperature for a starch-based composition is 150 ° C.
  • the method according to the present invention provides a calibration step of the rod. This calibration step consists in passing the rod at the extrusion outlet through a conformation chamber to the profile and the exact dimensions of the rod to obtain.
  • the rod in order to perfect the expansion within this conformation chamber and to avoid expansion out of this chamber, the rod is subjected to an energy field, more particularly a wave field. electromagnetic.
  • the gases thus contained in the ring quickly relax under the action of this energy supply and cause maximum and integral expansion of the rod within the shaping chamber.
  • a conformation chamber as provided in the embodiment of the device according to the present invention, there may be mentioned a chamber made of porous material obtained from polytetrafluoroethylene.
  • the rod thus shaped is still at a high temperature of the order of a hundred degrees, so flexible and deformable.
  • the method according to the present invention provides a cooling step with simultaneous calibration output of the shaping chamber.
  • This cooling step with calibration is carried out by passing the rod in a dynamic cooling shaper.
  • Such a dynamic cooling shaper is constituted in the embodiment of the device according to the present from at least one set of metal belts movable in translation along the longitudinal working axis.
  • the alignment is linked to that of the calibration chamber and that of the conformation chamber to maintain perfect straightness of the profile.
  • the speed of the strips must be adapted and very slightly less than the output speed of the rod of the calibration and conformation chambers because there is a shrinkage of the ring during the cooling, and therefore a decrease in the length.
  • a speed identical to that of the rod at the exit of the chambers could cause cracks on the surface of the rods due to differential traction.
  • the speed along a belt can not vary, it is advantageous according to a preferred embodiment of the device, to provide a succession of several sets of belts, each set having a different speed with recovery of the ring.
  • the belts are cooled in the air on their return portion since each belt face in contact with the corresponding face of the rod is directly accessible on this return portion.
  • An element of the device consists in using either laser cutting means or a hyperbaric water jet with reciprocating movement of the cutting head.
  • Such cutting means avoid disturbing the movement of the rod which does not undergo any mechanical effort.
  • the portion L of rod thus cut must be recovered and separated from the continuous rod leaving the dynamic cooling controller.
  • the process according to the present invention provides a suction separation step.
  • Suitable means for producing the device according to the invention is a set of at least two transfer tubes.
  • Each transfer tube has an internal profile identical to that of the ring, of dimensions equal to those of the ring with the necessary clearance.
  • the first tube collects a rod and positions it on the layer being formed while the second tube in masked time collects the next rod and so on either side of the middle of the layer to be produced.
  • Each tube may comprise several movable sectors such as jaws so as to release the ring contained in said tube. Thus, the sectors likely to disturb the removal are retracted.
  • the sectors that maintain the rod are equipped with suction nozzle to maintain the ring by depression.
  • the bonding of the rods prior to their application to the layer is achieved by any suitable means.
  • One way is a glue spray.
  • the rods are juxtaposed within the same layer and the layers fit perfectly with the appropriate offset as mentioned above.
  • the method thus makes it possible to constitute a block of dimensions A x B x L, which is not limiting in theory, but nevertheless of several meters in reality.
  • the block thus produced is immediately usable to be cut into slices of dimensions A ⁇ x B x _ 1 constituting plates of large size and thickness chosen up to several centimeters or tens of centimeters.
  • the extruder used only requires current pressures to generate a ring of a few cm 2 section through the die. Due to the heart close to the surface, the release of gases and more particularly of water vapor is faster and complete leading to a high homogeneity of the material obtained.
  • the block consisting of homogeneous ring is in fact also homogeneous.
  • the panels obtained can be considered as monolithic.
  • the surface state of the faces of the panels is also satisfactory since it results from cutting the block in the mass.
  • the proposed block has been defined as parallelepiped but it could take awec forms a triangular section, substantially circular or oval or diabolo since it is sufficient to provide the layering of the layers appropriately.

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Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de réalisation de panneaux en matériau renouvelable expansé et dispositif associé, notamment à base d'amidon, caractérisé en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes - réaliser par extrusion des éléments unitaires ou joncs de faible section et de grande longueur L, - assembler de façon juxtaposée par collage ces joncs ainsi fabriqués, suivant leur axe longitudinal, pour réaliser une couche de largeur A, - superposer et assembler par collage au moins deux couches de joncs pour réaliser un bloc sur une hauteur B, d'une longueur L, le bloc ayant ainsi une section avec un côté A et un côté B de dimensions liées au nombre d'éléments unitaires assemblés, et couper ce bloc transversalement par rapport l'axe longitudinal sur une longueur I, de façon à obtenir des plaques de section maximale A x B et d'épaisseur I, choisie.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN PANNEAU DE GRANDES DIMENSIONS EN MATERIAU RENOUVELABLE ET DISPOSITIF ASSOCIE
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un panneau de grandes dimensions en matériau renouvelable. L'invention couvre aussi un dispositif associé pour la réalisation de ce panneau.
On connaît des panneaux de matériau à base de mousse, utilisés dans de très nombreuses applications, comme l'isolation dans le bâtiment ou dans tout autre domaine.
Ainsi les panneaux existants sont à base de mousse expansé de composés chimiques de synthèse tels que des polystyrènes ou des polyuréthanes.
Ces mousses peuvent être parfaitement maîtrisées dans leurs caractéristiques de résistance mécanique, de densité, de diamètre de pores par exemple.
Ces panneaux peuvent aussi être réalisés à partir de billes expansées et collées entre elles au sein d'un moule qui permet l'obtention de panneaux de billes collées.
Si la production est parfaitement industrialisée, de tels panneaux présentent un inconvénient qui devient de plus en plus inacceptable : le matériau utilisé est d'origine pétrolière et donc non en matériau non renouvelable.
Par contre on connaît des compositions issues de matériaux biodégradables et surtout d'origine végétale donc renouvelable mais alors le problème se pose de la réalisation de panneaux de grandes dimensions et/ou de forte épaisseur.
La présente invention vise à proposer un procédé de réalisation de panneaux de grandes dimensions et/ou de fortes épaisseurs à partir de matériaux renouvelables, d'origine végétale et biodégradable. En l'occurrence, la suite de la description est basée sur une composition à base de mousse d'amidon pour permettre d'illustrer le procédé, ceci quelle que soit l'origine de cet amidon. L'invention couvre aussi tout matériau renouvelable analogue d'origine végétale, biodégradable et qui présenterait les mêmes comportements.
En effet, l'amidon lorsqu'il doit être mis en forme pour réaliser des produits industriels et donc en grandes quantités avec une forte reproductibilité et des constantes dimensionnelles précises pose de nombreux problèmes.
Un moyen bien connu de réalisation d'un produit à partir de mousse d'amidon consiste à extruder la composition à travers une filière sous très forte pression grâce à une extrudeuse à vis.
La pression d'extrusion est très importante, de l'ordre de 80 à 120 bars.
La filière calibrée doit donner alors à la mousse sa forme finale mais on constate une très forte expansion en sortie de filière lorsque la mousse n'est plus soumise qu'à la pression atmosphérique, liée à la vaporisation de l'eau contenue dans ladite composition.
De fait, compte tenu des pressions et compte tenu de cette expansion difficilement maîtrisable, les dimensions de produits extrudés se limitent à des rubans de quelques centimètres de large, 20 cm par exemple et de quelques centimètres d'épaisseur, 1 cm par exemple pour la largeur de 20 cm ainsi retenue.
Dès que les sections des profils extrudés augmentent, les problèmes deviennent très difficiles à résoudre :
- évacuation de la vapeur d'eau générée en sortie de filière,
- variations d'expansion sur la section par des passages préférentiels à travers la filière,
- retreints indésirables ou du moins non contrôlés induisant des profils extrudés déformés, - guidage d'un produit à déformations aléatoires, extrudé à grande vitesse, de l'ordre de 2 mètres par seconde pour donner un ordre de grandeur. A ce jour, il n'existe pas de procédés et de moyens pour extruder des panneaux de grands dimensions et/ou de forte épaisseur de façon industrielle avec une forte cadence et une reproductibilité adaptée avec des dimensions données et respectées.
Le procédé selon la présente invention vise à remédier à ce problème en proposant un procédé de réalisation de panneaux de grandes dimensions et/ou de forte épaisseur en un matériau expansé à base d'une composition de matériau renouvelable, d'origine végétale telle que de l'amidon, procédé qui comprend la succession suivante d'étapes:
- réaliser par extrusion des éléments unitaires ou joncs de faible section et de grande longueur L,
- assembler de façon juxtaposée par collage ces joncs ainsi fabriqués suivant leur axe longitudinal pour réaliser une couche de largeur A-,
- superposer et assembler par collage au moins deux couches pour réaliser un bloc sur une hauteur _B, d'une longueur L égale à la longueur des éléments unitaires, le bloc ayant ainsi une section avec un côté A^ et un côté B de dimensions liées au nombre d'éléments unitaires assemblés, et
- couper ce bloc transversalement par rapport l'axe longitudinal sur une longueur _ \, de façon à obtenir des plaques de section maximale A_ x B et d'épaisseur [, choisie.
Chaque élément unitaire est d'une dimension appropriée pour permettre une évacuation instantanée de la vapeur d'eau libérée. Par exemple pour une composition à base d'amidon de pomme de terre, un jonc de trois centimètres de section est adapté. La petite section de l'élément unitaire ainsi fabriqué nécessite une extrudeuse travaillant à des pressions acceptables très inférieures aux pressions de 80, voire plus de 100 bars de l'art antérieur.
Le jonc doit aussi présenter une section a^ec une géométrie telle qu'il est symétrique par rapport au centre de façon à éviter les distorsions.
Afin d'optimiser le collage longitudinal des joncs de la phase suivante du procédé, la surface de liaison, donc la surface de collage, doit être optimale.
Une section optimisée et considérée comme un mode de réalisation préférentiel de la présente invention consiste à réaliser des joncs de section hexagonale.
De façon avantageuse, les joncs d'une même couche sont collés par deux faces opposées de façon à disposer de deux arêtes dans le plan vertical et les couches superposées sont décalées d'une demi-section de jonc d'un côté et de l'autre alternativement afin de permettre un parfait emboîtement.
Le procédé de réalisation d'une plaque selon la présente invention permet d'obtenir toutes dimensions de plaques A x B, ces dimensions résultant du nombre de joncs assemblés et d'une épaisseur [ choisie, la longueur L autorisant un grand choix d'épaisseurs.
Par contre, il convient d'obtenir des joncs parfaitement calibrés et de dimensions précises pour un parfait assemblage des joncs entre eux dans une même couche et des couches entre elles pour réaliser un bloc, notamment dans le mode de réalisation préférentiel retenu, à savoir des joncs de section hexagonale.
La vitesse d'un jonc à la sortie de la filière d'une extrudeuse est environ une vitesse de 2 m/s et la température pour une composition à base d'amidon est de 1500C.
Lorsque le jonc ainsi extrudé sort de la filière, bien que de petites dimensions, il est nécessaire de contrôler son expansion qui a lieu quelques dixièmes de secondes après la sortie de la filière. Aussi, le procédé selon la présente invention prévoit une étape de calibrage du jonc. Cet étape de calibrage consiste à faire passer le jonc en sortie d'extrusion à travers une chambre de conformation au profil et aux dimensions exactes du jonc à obtenir.
Selon un perfectionnement du procédé selon la présente invention, afin de parfaire l'expansion au sein de cette chambre de conformation et d'éviter une expansion hors de cette chambre, on soumet le jonc à un champ énergétique, plus particulièrement un champ d'ondes électromagnétiques.
Les gaz ainsi contenus dans le jonc se détendent rapidement sous l'action de cet apport d'énergie et provoquent une expansion maximale et intégrale du jonc au sein de la chambre de conformation.
Pour donner un exemple de chambre de conformation telle que prévue dans le mode de réalisation du dispositif selon la présente invention, on peut citer une chambre réalisée en matériau poreux obtenu à partir de polytétraf luoroéthylène.
Il est aussi possible de créer une ou plusieurs zones successives le long de cette chambre de conformation, zones qui sont soumises soit à une mise en pression d'air chaud pour former un coussin d'air, soit à une mise en dépression pour retirer la vapeur d'eau émise liée à l'expansion.
Le jonc ainsi conformé est encore à une température élevée de l'ordre d'une centaine de degrés, donc souple et déformable.
Aussi, le procédé selon la présente invention prévoit une étape de refroidissement avec calibrage simultané en sortie de la chambre de conformation.
Cette étape de refroidissement avec calibrage est réalisée par passage du jonc dans un conformateur dynamique de refroidissement.
Un tel conformateur dynamique de refroidissement est constitué dans le mode de réalisation du dispositif selon la présente à partir d'au moins un jeu de courroies métalliques mobiles en translation suivant l'axe longitudinal de travail. Chaque courroie correspondant à une face du jonc en l'occurrence, il est donc prévu six courroies correspondant aux six faces du profil hexagonal.
L'alignement est lié à celui de la chambre de calibrage et à celui de la chambre de conformation pour conserver une parfaite rectitude du profil.
On note que la vitesse des bandes doit être adaptée et très légèrement inférieure à la vitesse de sortie du jonc des chambres de calibrage et de conformation car il se produit un retreint du jonc au cours du refroidissement, donc une diminution de la longueur. Une vitesse identique à celle du jonc en sortie des chambres pourrait provoquer des craquelures sur la surface des joncs du fait d'une traction différentielle.
Comme la vitesse le long d'une courroie ne peut pas varier, il est avantageux suivant une variante préférentielle de réalisation du dispositif, de prévoir une succession de plusieurs jeux de courroies, chaque jeu ayant une vitesse différente avec reprise du jonc.
Afin d'obtenir un refroidissement rapide des faces du jonc et de figer ses dimensions, les courroies sont refroidies à l'air sur leur portion retour puisque chaque face de courroie en contact avec la face correspondante du jonc est directement accessible sur cette portion retour.
Une fois refroidi, le jonc doit être découpé à la longueur L
Compte tenu de la vitesse de défilement, il convient d'assurer une coupe à la volée afin d'obtenir une coupe droite et pour que la perte soit la plus limitée possible.
Un élément du dispositif consiste à recourir soit à des moyens de coupe au laser, soit à un jet d'eau hyperbars avec un déplacement alternatif de la tête de coupe.
De tels moyens de coupe évitent de perturber le déplacement du jonc qui ne subit de fait aucun effort mécanique.
La portion L de jonc ainsi découpée doit être récupérée et séparée du jonc continu sortant du conf ormateur dynamique de refroidissement. Le procédé selon la présente invention propose une étape de séparation par aspiration.
Des moyens adaptés pour réaliser le dispositif selon l' invention autorisant une telle mise en oeuvre est un ensemble d'au moins deux tubes transfert. Chaque tube transfert dispose d'un profil interne identique à celui du jonc, de dimensions égales à celles du jonc au jeu nécessaire près.
Ainsi le premier tube recueille un jonc et le positionne sur la couche en cours de constitution tandis que le second tube en temps masqué recueille le jonc suivant et ainsi de suite de part et d'autre du milieu de la couche à réaliser.
Chaque tube peut comporter plusieurs secteurs mobiles comme des mâchoires de façon à pouvoir libérer le jonc contenu dans ledit tube. Ainsi, les secteurs susceptibles de perturber la dépose sont escamotés.
Dans ce cas, les secteurs qui assurent le maintien du jonc sont équipés de buse d'aspiration afin de maintenir le jonc par dépression.
Le collage des joncs préalablement à leur application sur la couche est réalisé par tout moyen adapté. Un moyen est une pulvérisation de colle.
Dans le mode de réalisation préférentiel retenu, les joncs se juxtaposent au sein d'une même couche et les couches s'emboîtent parfaitement moyennant le décalage adapté ainsi que mentionné ci-avant.
Le procédé permet ainsi de constituer un bloc de dimensions A x B x L, non limitative en théorie, mais néanmoins de plusieurs mètres en réalité.
Le bloc ainsi réalisé est immédiatement utilisable pour être débité en tranches de dimensions A^ x B x _ l constituant des plaques de grandes dimensions et d'épaisseur choisie pouvant atteindre plusieurs centimètres ou dizaines de centimètres.
L'extrudeuse utilisée ne nécessite que des pressions courantes pour générer un jonc de quelques cm2 de section à travers la filière. Du fait du cœur proche de la surface, la libération des gaz et plus particulièrement de la vapeur d'eau est plus rapide et complet conduisant à une forte homogénéité du matériau obtenu.
Le bloc constitué de jonc homogène est de fait lui aussi homogène.
Le collage de tels produits est parfaitement maîtrisé et la résistance mécanique entre les joncs est au moins égale à la résistance intrinsèque du matériau renouvelable, ce qui confère à l'ensemble une homogénéité mécanique.
De fait les panneaux obtenus peuvent être considérés comme monolithiques.
L'état de surface des faces des panneaux est également satisfaisant puisqu'il résulte de la coupe du bloc dans la masse.
Le bloc proposé a été défini comme parallélépipède mais il pourrait prendre des formes awec une section triangulaire, sensiblement circulaire ou ovale ou encore en diabolo puisqu'il suffit de prévoir la superposition des couches de façon adaptée.
Un tel résultat est impossible à atteindre directement à partir d'une filière d'extrusion.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable expansé, notamment à base d'amidon, caractérisé en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes
- réaliser par extrusion des éléments unitaires ou joncs de faible section et de grande longueur L,
- assembler de façon juxtaposée par collage ces joncs ainsi fabriqués, suivant leur axe longitudinal, pour réaliser une couche de largeur A_,
- superposer et assembler par collage au moins deux couches de joncs pour réaliser un bloc sur une hauteur B1 d'une longueur L, le bloc ayant ainsi une section avec un côté A_ et un côté B de dimensions liées au nombre d'éléments unitaires assemblés, et
- couper ce bloc transversalement par rapport l'axe longitudinal sur une longueur [, de façon à obtenir des plaques de section maximale A_ x B et d'épaisseur _ \, choisie.
2. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on calibre le jonc en sortie d'extrusion par passage à travers une chambre de conformation au profil et aux dimensions exactes du jonc à obtenir.
3. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on soumet le jonc à un champ énergétique, de façon à provoquer une expansion maximale et intégrale du jonc sous l'action de cet apport d'énergie.
4. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on refroidit le jonc avec un calibrage dynamique simultané en sortie de la chambre de conformation.
5. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calibrage dynamique lors du refroidissement tient compte du rétreint du jonc lié au refroidissement en diminuant la vitesse.
6. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le jonc fabriqué est découpé à la longueur L, récupéré et séparé du jonc continu après refroidissement.
7. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on procède à une coupe du jonc sans contact mécanique.
8. Procédé de réalisation de panneaux à base de matériau renouvelable selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on confère au jonc une forme hexagonale.
9. Dispositif de réalisation de panneaux en matériau renouvelable par mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la chambre de conformation en sortie de filière d'extrudeuse est au profil et aux dimensions exactes du jonc à obtenir et réalisée en matériau poreux.
10. Dispositif de réalisation de panneaux en matériau renouvelable selon la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre de conformation comprend des zones soumises soit à une mise en pression d'air chaud pour former un coussin d'air, soit à une mise en dépression pour retirer la vapeur d'eau émise liée à l'expansion.
11. Dispositif de réalisation de panneaux en matériau renouvelable selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le conformateur dynamique de refroidissement et de calibrage est constitué d'au moins un jeu de courroies métalliques, mobiles en translation suivant l'axe longitudinal de travail et en nombre correspondant aux faces du profil du jonc.
12. Dispositif de réalisation de panneaux en matériau renouvelable selon la revendication 11, caractérisé en ce que les courroies comprennent des moyens de refroidissement desdites courroies.
13. Dispositif de réalisation de panneaux en matériau renouvelable selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs jeux de courroies, la vitesse des courroies diminuant d'un jeu à l'autre pour tenir compte du rétreint du jonc lors du refroidissement.
14. Dispositif de réalisation de panneaux en matériau renouvelable selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de tubes transfert de façon à recueillir chaque jonc et à le positionner dans la couche correspondante.
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