© Alexandre Bigué Paré, 2021
Amélioration des propriétés mécaniques de surface du bois par imprégnation sous vide en continu
Mémoire
Alexandre Bigué Paré
Maîtrise en génie mécanique - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Amélioration des propriétés mécaniques de surface du bois par imprégnation sous vide en continu
Mémoire
Alexandre Bigué Paré
Sous la direction de :
André Bégin-Drolet, directeur de recherche
Pierre Blanchet, codirecteur de recherche
iii
Résumé
Ce projet de maîtrise est réalisé sous la direction d’André Bégin-Drolet et Pierre Blanchet dans le cadre de la
Chaire de recherche industrielle CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). L’objectif
principal est de fournir des connaissances permettant de guider les processus de densification et
d’augmentation de la dureté des lames de plancher d’ingénierie pour une production à l’échelle industrielle afin
de rendre les planchers plus durables et résistants. La revue de littérature a, dans un premier temps, permis de
conclure que l’imprégnation sous vide est la méthode de densification de surface la plus rapide et efficace dans
le cas du bois. Les modèles discutés, dont celui de Fito et al. [1], ainsi que des modèles de mécanique des
fluides, ont révélé les paramètres d’imprégnation optimaux. Parmi ceux-ci, il y a la viscosité de la formulation
d’imprégnation qui doit être la plus faible possible afin de maximiser la pénétration dans les pores du bois. Le
liquide s’imprègne en venant combler les pores du bois puis il se fige grâce à la polymérisation, rendant ainsi le
bois plus durable. Dans un deuxième temps, il est proposé de faire de l’imprégnation sous vide en continu et de
façon automatisée. Deux prototypes réels ont été conçus afin de confirmer les paramètres d’imprégnation
choisis ainsi que de trouver une séquence d’opération. Finalement, un prototype automatisé permettant de faire
l’imprégnation de planches de plancher d’ingénierie est présenté. Celui-ci est évalué à 125 000$ pour les coûts
totaux de fabrication et confère une cadence de production de 0.7 m2/s.
iv
Abstract
This master's project is carried out under the direction of André Bégin-Drolet and Pierre Blanchet as part of the
CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). The main objective is to provide knowledge
to guide the densification and hardness increase of engineered floorboards of industrial scale production in order
to make floors more durable and resistant. The literature review initially concluded that vacuum impregnation is
the fastest and most effective method of surface densification for wood. The models discussed, including that of
Fito et al. [1], as well as fluid mechanics models, revealed the optimal impregnation parameters. These include
the viscosity of the impregnation formulation, which should be as low as possible in order to maximize
penetration into the wood pores. The liquid impregnates by filling the pores of the wood and then sets through
polymerization, making the wood more durable. In a second step, it is proposed to carry out vacuum
impregnation continuously and automatically. Two real prototypes have been designed in order to confirm the
chosen impregnation parameters as well as to find a sequence of operation. Finally, an automated prototype
allowing the impregnation of engineering floor boards is presented. It is evaluated at $125,000 for total
manufacturing costs and gives a production rate of 0.7 m²/sec.
v
Table des matières
Résumé .............................................................................................................................................................. iii
Abstract ............................................................................................................................................................... iv
Table des matières .............................................................................................................................................. v
Liste des figures ................................................................................................................................................. vii
Liste des tableaux ................................................................................................................................................ x
Remerciements ................................................................................................................................................... xi
Avant-propos ..................................................................................................................................................... xii
Introduction ....................................................................................................................................................... 13
Chapitre 1 Revue de littérature ......................................................................................................................... 17
1.1 Résumé .................................................................................................................................................. 17
1.2 Matériaux poreux .................................................................................................................................... 17
1.3 La densification des matériaux poreux dans l’industrie .......................................................................... 18
1.3.1 Procédés difficilement applicables au bois ...................................................................... 18
1.3.2 Procédés applicables au bois ........................................................................................... 19
1.3.3 Procédés appliqués au bois .............................................................................................. 19
1.4 Mécanismes physiques de l’imprégnation sous vide .............................................................................. 23
1.4.1 Capillarité ......................................................................................................................... 24
1.4.2 Phénomène hydrodynamique .......................................................................................... 25
1.4.3 Théorème de Fito ............................................................................................................. 27
Chapitre 2 Essais de laboratoire et résultats .................................................................................................... 33
2.1 Résumé .................................................................................................................................................. 33
2.2 Validations numériques de l’écoulement de fluide dans un pore ............................................................ 33
2.3 Premier prototype, séquence d’opération ............................................................................................... 38
2.3.1 Conception ....................................................................................................................... 38
2.3.2 Méthodologie ................................................................................................................... 38
2.3.3 Résultats ........................................................................................................................... 41
2.4 Prototype 2, chambre d’imprégnation unique (CIU) ............................................................................... 49
2.4.1 Conception ....................................................................................................................... 49
2.4.2 Méthodologie ................................................................................................................... 51
2.4.3 Résultat ............................................................................................................................ 53
2.4.4 Expérience d’aplanissement des planches ....................................................................... 60
Chapitre 3 Conception d’un procédé industriel ................................................................................................. 62
3.1 Résumé .................................................................................................................................................. 62
3.2 Étapes préalables à la conception .......................................................................................................... 62
3.3 Schéma fonctionnel ................................................................................................................................ 65
3.4 Conception banc d’essai industriel ......................................................................................................... 66
3.4.1 Système de déplacement des planches ........................................................................... 68
3.4.2 Préhenseur ....................................................................................................................... 68
3.4.3 Chambre d’imprégnation ................................................................................................. 69
3.4.4 Mécanisme d’essuyage des planches............................................................................... 74
vi
3.4.5 Mécanisme de retournement des planches .................................................................... 76
3.4.6 Séquence d’opération ...................................................................................................... 77
3.5 Analyse de coût ...................................................................................................................................... 79
Conclusion ........................................................................................................................................................ 82
Retour sur la problématique et les objectifs.................................................................................................. 86
Bibliographie ..................................................................................................................................................... 88
vii
Liste des figures
Figure 1 : Lame de plancher d’ingénierie ; 1- Planchette de bois franc ; 2- Contreplaqué de bouleau baltique.
.......................................................................................................................................................................... 13
Figure 2 : Illustration schématique des trois types de pores. Dans les trois illustrations suivantes, le gris foncé
est le solide poreux et le gris pale a) : porosité débouchante, b) : porosité à passage continu, c) : Porosité non
débouchante ou fermée. ................................................................................................................................... 18
Figure 3 : Illustration schématique d’un procédé utilisé afin de densifier le bois de façon mécanique. Les zones
rouges représentent des endroits où de la chaleur est diffusée alors que la compression se fait sur toute la
ligne [23]. .......................................................................................................................................................... 22
Figure 4 : Rouleau imprégnateur de PEG [26]. ................................................................................................ 23
Figure 5 : Déformation observée sur les planches minces à la suite du séchage [26]. .................................... 23
Figure 6 : Tirée de Munson, Fundamentals of Fluid Mechanics, cette image montre la distribution de la charge
de pression entre un liquide et une interface solide d’une forme courbe quelconque [28]. .............................. 24
Figure 7 : Pore idéalisé tel que Fito l’imaginait où z est la longueur du pore, pi la pression initiale à l’intérieur du
pore, D le diamètre du pore, pe la pression externe et xv la pénétration du liquide. .......................................... 25
Figure 8 : Au temps t=0 alors que le solide est à l’extérieur d’un quelconque liquide, pi = pe = patm. ................... 26
Figure 9 : Le solide est immergé dans le liquide, pi = pe = patm = 1013 mbar........................................................ 26
Figure 10 : Il y a une pénétration de 1.8 % du liquide dans le pore seulement dû à la capillarité. ................... 26
Figure 11 : Le vide est fait dans l’autoclave et l’air contenue dans le pore s’échappe de celui-ci. ................... 26
Figure 12 : Une fois la pression pi = pe, le régime permanent est atteint. En raison des forces capillaires et
aussi parce qu’il y a moins de molécules d’air à l’intérieur du pore, la pénétration Xv est de 15 %. ................. 26
Figure 13 : Lorsque le vide est relâché, la pression atmosphérique additionnée de la pression de la hauteur du
liquide est retrouvée à l’intérieur du pore. En raison encore une fois de la loi des gaz parfaits et puisque la
pression pi augmente, le volume diminue. Ceci a pour effet de créer une pénétration de 90% à l’intérieur du
pore. .................................................................................................................................................................. 27
Figure 14 : Fraction de la pénétration xv en fonction de la pression la pression de capillarité réduite Pr, tiré de
Fito [27]. ............................................................................................................................................................ 29
Figure 15 : Diagramme des corps libres de l’écoulement, il est possible de voir la pression d’entrée, la
pression de sortie ainsi que la force de friction qui agit contre l’écoulement. ................................................... 30
Figure 16 : Tirée de S. Verkercke, S. Dechamps, et R. Gaban, « Fluides non-Newtoniens », 2016. Viscosité
en fonction de la contrainte de cisaillement de différents types de fluides, newtonien, rhéoépaississant et
rhéofluidifiant [30].............................................................................................................................................. 32
Figure 17 : Simulink complet permettant de simuler dans le temps l’équation 35. ........................................... 34
Figure 18 : Représentation du début de la simulation Simulink : la pression atmosphérique représente la valeur
d’entrée au système en boucle. La différence de pression est calculée puis entrée dans la fonction de
transfert. La valeur qui en ressort est la position. La condition d’arrêt arrive lorsque la différence de pression
entre le pore et l’extérieur est très petite (0.01). ............................................................................................... 35
Figure 19 : Représentation de la rétroaction Simulink calcule la pression à l’intérieur du pore sachant la
position du front de liquide et retourne vers le début afin de boucler et calculer la différence de pression à
chaque itération. ............................................................................................................................................... 36
Figure 20 : Fraction de pénétration du liquide dans le pore en fonction de la pression de vide appliqué dans
l’autoclave une fois l’équilibre atteint selon la simulation dans Simulink. .......................................................... 36
viii
Figure 21 : Temps pour atteindre l’équilibre de pression dans le pore en fonction de la pression de vide
appliqué dans Simulink. .................................................................................................................................... 37
Figure 22 : Fraction de pénétration du liquide dans le pore en fonction du temps, résultat d’une seule
simulation à 50 mbar......................................................................................................................................... 37
Figure 23 : Prototype permettant d’effectuer différentes séquences d’opération sur de petites planches, 1-
mécanisme de pignon et crémaillère ; 2-Structure ; 3-Préhenseur ; 4-Échantillon de lame de plancher de bois
de 4 cm par 4 cm par 4 mm. ............................................................................................................................. 38
Figure 24 : Échantillon de 4 cm par 4 cm par 4 mm recouverts de trois couches de peinture imperméables sur
5 de ses 6 faces. ............................................................................................................................................... 39
Figure 25 : Photographie de l’échantillon descendu dans la formulation et appuyé sur la butée...................... 40
Figure 26 : Représentation des dimensions mesurées sur les petites planches. ............................................. 40
Figure 27 : Pourcentage de gain de masse obtenu des différentes séquences d’imprégnation sous vide
effectuées pour l’expérience I. .......................................................................................................................... 43
Figure 28 : Pourcentage de gain de masse obtenu des différentes séquences d’imprégnation sous vide
effectuées pour l’expérience II. ......................................................................................................................... 45
Figure 29 : Pourcentage de gain de masse obtenu en fonction de différent niveau de vide pour l’expérience III.
.......................................................................................................................................................................... 47
Figure 30 : Pourcentage de gain de masse obtenu des différentes séquences d’imprégnation sous vide
effectuées pour l’expérience IV. ........................................................................................................................ 48
Figure 31 : Pourcentage de gain de masse de chaque échantillon en fonction de la densité initiale du bois. .. 49
Figure 32 : a) Conception assistée par ordinateur (CAD) du deuxième prototype, la chambre d’imprégnation
unique (CIU) en vue isométrique coupée. 1- Collecteur ; 2- Couvercle ; 3- Écrou rotule ; 4- Lame de plancher ;
5-Chambre d’imprégnation b) Vue rapprochée en coupe. 6- Pic de soutien ; 7- Lame de plancher ; 8- goupille
de positionnement ; 9- joint d’étanchéité ; 10- Escalier du niveau de liquide. ................................................... 50
Figure 33 : À gauche, une photo de la chambre d’imprégnation unique (CIU) venant d’être usinée. À droite,
couvercle de la CIU avec le collecteur contenant les différentes prises servant à brancher différents types de
manomètres, pompes ainsi qu’une valve de relâchement. ............................................................................... 51
Figure 34 : Différentes étapes lors de l’imprégnation sous vide avec le prototype de la chambre
d’imprégnation ; A : Dépôt de la planche dans le prototype de la chambre d’imprégnation, B : Planche déposée
du côté plancher vers le bas, C : Fermeture du couvercle, D : La pompe fait le vide, E : La planche est retirée
de la chambre d’imprégnation. .......................................................................................................................... 52
Figure 35 : Dureté de Brinell des échantillons de différentes espèces de lames de plancher d’ingénierie
imprégné par la CIU et polymérisés par le faisceau d’électrons de Mévex (MB10-30, Mevex, Stittsville,
Canada). Le bouleau jaune* a été imprégné par une formulation de deux monomères et polymérisé à l’air libre
par une réaction d’addition. ............................................................................................................................... 54
Figure 36 : Pourcentage de gain de masse moyen des lamelles de plancher des différentes espèces de bois
de plancher d’ingénierie des échantillons imprégné par la CIU et polymérisés par le faisceau d’électrons de
Mévex (MB10-30, Mevex, Stittsville, Canada). Le bouleau jaune* a été imprégné par une formulation de deux
monomères et polymérisé à l’air libre par une réaction d’addition. ................................................................... 55
Figure 37 : Section transversale d’un échantillon d’une lame de plancher de bois franc au micro CT-Scan (X-
ray micro computerized tomograph - Bruker model Skyscan 1272) de bouleau jaune superposée de la
moyenne de densité de 14 échantillons d’une lame de plancher de bois franc au densitomètre (X-ray
densitometer QDP-01X Quintek Measurement Systems, Knoxville, USA). ...................................................... 56
ix
Figure 38 : Profil de densité des planches de bouleau jaune imprégnées et polymérisées avec la formulation
d’acrylates. Nombre de planches : 5, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7, Nombre d’échantillons
par planche non traitée :4. Pourcentage d’augmentation de la densité : 6%. ................................................... 57
Figure 39 : Profil de densité des planches de chêne rouge imprégnées et polymérisées avec la formulation
d’acrylates. Nombre de planches : 5, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7, Nombre d’échantillons
par planche non traitée : 2. Pourcentage d’augmentation de la densité : 15%. ................................................ 57
Figure 40 : Profil de densité des planches d’érable imprégnées et polymérisées avec la formulation
d’acrylates. Nombre de planches : 1, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7, Nombre d’échantillons
par planche non traitée :2. Pourcentage d’augmentation de la densité : 4%. ................................................... 58
Figure 41 : Profil de densité des planches de bouleau jaune imprégnées et polymérisées avec la formulation à
deux composantes de monomères. Nombre de planches : 5, Nombre d’échantillons par planche imprégnée :
7, Nombre d’échantillons par planche non traitée : 4. Pourcentage d’augmentation de la densité : 4%........... 59
Figure 42 : Bouleau jaune au micro CT-Scan (X-ray micro computerized tomograph - Bruker model Skyscan
1272) effectué par Mariana Frias de Albuquerque a) Échantillon imprégné et polymérisé localisé à l’extrémité
de la planche ; b) Échantillon polymérisé et imprégné situé au milieu de la planche ; c) Échantillon témoin de
bouleau jaune au micro CT-Scan ; d) Échantillon imprégné et polymérisé localisé à l’extrémité de la planche ;
e) Échantillon polymérisé et imprégné situé au milieu de la planche ; f) Échantillon témoin de chêne rouge. . 60
Figure 43 : A) image schématisée d’une planche voilée. b) Image schématisée d’une planche aplanie à l’aide
de poids. c) Photo d’une planche bombée sur un marbre. ............................................................................... 61
Figure 44 : Schéma fonctionnel, A- Dépôt de la planche sur le convoyeur ; B- Déplacement de la planche ; C-
Déplacement de la planche vers la chambre d’imprégnation ; D- Fermeture du couvercle de la chambre
d’imprégnation ; E- Le vide est fait dans la chambre d’imprégnation ; F- Relâchement du vide et ouverture du
couvercle ; G- Déplacement de la planche de la chambre d’imprégnation à l’étape suivante ; H- Essuyage de
la planche ; I- Retournement de la planche ; J- Retour de la planche sur le convoyeur ; K- polymérisation de la
planche imprégnée ; L-Remplissage de la chambre d’imprégnation de formulation. ........................................ 66
Figure 45 : a) Vue isométrique de la solution proposée pour le prototype capable d’imprégner des planches de
bois, les sous-ensembles sont les suivants 1- Mécanisme de la chambre d’imprégnation ; 2- Convoyeurs ; 3-
Mécanisme de déplacement des planches ; 4- Mécanisme de retournement des planches ; 5- Support pour la
solution proposée. b) Vue de dessus de la solution proposée pour le prototype avec dimensions hors tout. c)
Vue de côté de la solution proposée pour le prototype avec dimensions hors tout. ......................................... 67
Figure 46 : Mécanisme de déplacement des planches : 1- Motorisation permettant le mouvement horizontal
des préhenseurs ; 2- Motorisation permettant le mouvement vertical ; 3- Structure ; 4- Mouvement horizontal
pour les préhenseurs ; 5- Mouvement horizontal pour les préhenseurs ; 6- Préhenseur de type pneumatique
mousse ; 7- Planche de bois en déplacement. ................................................................................................. 68
Figure 47 : Illustration des préhenseurs mousse pris directement sur le site internet de Joulin [33]. ............... 69
Figure 48 : Mécanisme de la chambre d’imprégnation. 1- Glissière permettant de déplacer le couvercle de
façon horizontale et dégager le dessus de la chambre d’imprégnation ; 2- Support sur lequel la planche vient
s’appuyer; 3- Mécanisme permettant le mouvement vertical du couvercle ; 4- Couvercle de la chambre
d’imprégnation ; 5- Chambre d’imprégnation ; 6- Lame de plancher de bois ; 7- Système permettant le
mouvement vertical du support. ........................................................................................................................ 70
Figure 49 : Étapes lors de l’imprégnation a) La planche se retrouve dans la chambre d’imprégnation sur le
support, le couvercle est ouvert. b) Le couvercle se referme et la planche poussoir suit. c) Le support descend
la planche dans la formulation et le poussoir descend pour aplanir la planche 1- Couvercle ; 2-Chambre
d’imprégnation ; 3- Poussoir ; 4- Formulation ; 5- Planche de bois ; 6- Support. .............................................. 71
x
Figure 50 : a) Vue de dessus avec illustration de la coupe effectué en b). b) Vue en coupe montrant le détail
des glissières et de la table de support 1-Anneau élastique permettant d’isoler l’air ; 2- Bague étanche
glissante; 3- Glissière, pièce permettant de tenir le roulement linéaire et les anneaux élastiques ; 4- Roulement
linéaire ; 5- Circlip ; 6- Barre permettant le transfert de mouvement vers le support ;7- Barre permettant le
guidage de la structure ;8- Serrage d’arbre ; 9- Mouvement de la structure ; 10- Barre de transfert c) Vue de
dessus avec illustration de la coupe effectué en d). d)11- Capteur de niveau de liquide ; 12- Collecteur
permettant de tenir le capteur 13- Ouverture permettant le passage libre de l’air et la formulation entre le
collecteur et la chambre d’imprégnation. .......................................................................................................... 73
Figure 51 : a) Analyse statique par éléments finis de la barre permettant le mouvement vertical du support de
la planche. b) Analyse statique par éléments finis de contact de la barre permettant le mouvement vertical du
support de la planche avec les guides. ............................................................................................................. 74
Figure 52 : Mécanisme d’essuyage des planches a) La planche est tenue par le préhenseur avant de passer
dans le mécanisme d’essuyage 1- Tôle permettant de récupérer l’excédent de formulation qui peut tomber
lorsque la planche est transportée entre la chambre d’imprégnation et le mécanisme 2- Bac de récupération
de formulation 3- Caoutchouc permettant l’essuyage b) La planche est déplacée par le préhenseur sur les
caoutchouc. c) Fin de l’essuyage. ..................................................................................................................... 75
Figure 53 : A-Réservoir de récupération de formulation B-Pompe C-Valve trois voies D-Chambre
d’imprégnation E-Capteur du niveau de liquide F- Valve de drainage. ............................................................. 75
Figure 54 : Schéma d’automatisation du système de remplissage de formulation de la chambre
d’imprégnation. ................................................................................................................................................. 76
Figure 55 : Étapes du mécanisme de retournement des planches, a) 1- Motorisation permettant à la plaque
d’avoir un mouvement de rotation ; 2-Plaque de retournement 3-Planche de bois ; 4-Convoyeur b) Planche en
retournement. c) Planche retournée complètement. d) La planche est déplacée par le convoyeur. ................ 77
Figure 56 : Étapes de la séquence pour le traitement d’une planche dans le prototype. Voir Tableau 8 pour la
description de chacune des étapes. ................................................................................................................. 78
Liste des tableaux
Tableau 1 : Comparaison entre les équations d’écoulement d’un fluide dans un conduit de Fito et Newton. .. 31
Tableau 2: Séquence d’opération de l’expérience I .......................................................................................... 41
Tableau 3 : Séquence d’opération de l’expérience II ........................................................................................ 44
Tableau 4 : Séquence d’opération de l’expérience III ....................................................................................... 46
Tableau 5 : Séquence d’opération de l’expérience IV ....................................................................................... 48
Tableau 6 : Caractéristiques techniques visées pour les intrants du prototype. ............................................... 62
Tableau 7 : Cahier des charges du prototype. .................................................................................................. 63
Tableau 8 : Étapes de la séquence d’opération pour le traitement d’une planche dans le prototype. .............. 79
Tableau 9 : Analyse de coût du prototype de la solution proposée. ................................................................. 80
Tableau 10 : Précisions du coût des matériaux et de l’usinage qui ont été utilisés pour l’analyse de coût....... 81
Tableau 11 : Cahier des charges du prototype avec validation des caractéristiques obtenues. ....................... 84
xi
Remerciements
J’aimerai remercier premièrement mon directeur, André Bégin Drolet, qui a su me diriger et surtout m’orienter
tout au long de ce projet. Ses conseils judicieux et sa passion pour la conception, l’innovation technologique et
l’ingénierie m’ont permis de pousser mes limites et d’apprendre beaucoup au terme de ce projet. Je souhaite
également remercier mon codirecteur Pierre Blanchet pour son support tout au long du projet et dont la
connaissance du milieu de la construction de matériau de bois a été grandement utile. Je souhaite aussi
remercier Véronic Landry ainsi que tous les gens de la Chaire de recherche industrielle CRSNG – Canlak en
finition des produits du bois d’intérieur qui ont travaillé avec moi sur les projets de densification. L’aboutissement
d’un projet aussi multidisciplinaire demande la collaboration de chacun et j’ai adoré travailler avec une équipe
aussi dynamique et passionnée que celle de Véronic. Je souhaite par ailleurs remercier les étudiants du groupe
de densification avec qui j’ai collaboré étroitement au cours de ces deux années et qui ont permis d’apporter
une aide précieuse au projet.
Je veux aussi remercier les professionnels de recherche Marc-André Plourde-Campagna, Alexandre Winter,
Olivier Fortin-Moreau et les techniciens de laboratoire Michel Dominique, Frédéric Morin, Jonathan Talbot,
Pierre Carrier et Jean-Claude Garyépy qui ont offert une collaboration exceptionnelle par leur partage de
connaissances et judicieux conseils lors des différentes étapes de conception et d’usinage.
Je souhaite remercier les partenaires industriels avec qui j’ai travaillé étroitement afin de faire avancer ce projet,
Étienne Poulin, François Roy, Charles Dubois et Jonathan Cloutier de Boa Franc, ainsi que Romain Lemay de
Canadel.
Finalement, merci à mes parents David Paré et Brigitte Bigué et ma sœur Anaïs, qui ont su, dès mon plus jeune
âge, m’inculquer leur passion pour la science et qui m’ont toujours encouragé et supporté dans mon parcours
académique pour le moins éclectique.
xii
Avant-propos
Ce projet a été possible grâce à la collaboration de différentes instances universitaires et industrielles. Le Centre
de recherche sur les matériaux renouvelables, CRMR, dirigé entre autres par Alexis Achim. Le centre de
recherche a pour mission de soutenir la recherche et la formation pour une utilisation responsable de la
ressource forestière en tenant compte des enjeux environnementaux et économiques. Il a été possible d’utiliser
de nombreuses ressources se trouvant au pavillon Gene-H Kruger. Parmi les nombreux appareils, il y a le micro
CT-Scan, le densitomètre de masse, le duromètre de Brinell (Universal testing machine QTest /5 Elite Controller
(MTS, Eden Prairie,USA) bille de 10 mm) ainsi que de l’espace de laboratoire et d’entreposage pour les
nombreux essais mécaniques, expériences et analyses faites durant le projet.
La chaire industrielle de recherche sur la construction écoresponsable de bois, CIRCERB, fait partie des projets
majeurs du CRMR. La collaboration a été essentielle et le titulaire du CIRCERB, Pierre Blanchet est également
le codirecteur du projet.
Le projet a également été possible grâce à la Chaire de recherche industrielle CRSNG – Canlak en finition des
produits du bois d’intérieur, CRIF, dirigée par Véronic Landry. Cette chaire de recherche a permis de me fournir
un salaire ainsi que les ressources nécessaires afin d’avancer durant le projet. La branche de densification de
cette chaire de recherche a été le noyau du projet et collaboration avec les étudiants provenant de différents
domaines a permis d’apporter beaucoup au projet. Il va sans dire que les partenaires industriels, Canlak,
Inortech EMCO, Boa-Franc et Canadel, qui ont offert une collaboration sans bornes ont permis de mener ce
projet à terme.
Finalement, l’excellente collaboration de l’atelier de fabrication mécanique du département de génie mécanique,
situé au pavillon Adrien-Pouliot, ont permis d’usiner de nombreuses pièces afin de fabriquer des prototypes.
13
Introduction
Les lames de planchers de bois franc sont largement utilisées dans le monde commercial et résidentiel. Ils sont
appréciés pour leur durée de vie et leur apparence. Cependant, le bois est moins dense que d’autres matériaux
de planchers tels que la tuile de céramique, le granit, et même le terrazzo. La densité d’un matériau de plancher
est très importante, car elle est intimement liée à sa dureté et donc sa résistance aux impacts [2, 3]. C’est
pourquoi dans les endroits très achalandés, le bois est moins souvent privilégié [4, 5] puisque cela nécessiterait
un entretien régulier et des coûts additionnels. Cependant, le marché des revêtements de planchers en bois est
en forte croissance depuis une vingtaine d’années en Europe comme en Amérique du Nord en raison
notamment de l’amélioration de la qualité des planchers et de l’apparition de produits plus polyvalents, tel que
le plancher d’ingénierie [2]. En effet, depuis plus de 60 ans, ce sont les planchers de bois franc qui ont la cote
pour la qualité et la durabilité [7, 8].
Depuis longtemps, des chercheurs et des industriels tentent de trouver une solution afin de pouvoir intégrer des
planchers de bois dans des lieux publics de façon plus convenable [3]. De plus, contrairement à beaucoup
d’alternatives de produits de planchers, le bois est un matériau écologique [4]. En plus d’être récupérables et
renouvelables, de récentes études suggèrent que les constructions en bois réduisent les émissions de gaz à
effet de serre [11-13]. Avec le réchauffement climatique planétaire, il sera d’autant plus important de choisir des
matériaux éthiques et bons pour l’environnement dans le futur [5], [6].
Figure 1 : Lame de plancher d’ingénierie ; 1- Planchette de bois franc ; 2- Contreplaqué de bouleau baltique.
Le plancher d’ingénierie, Figure 1, est un produit de qualité équivalente à un plancher de bois franc standard. Il
compote également certains avantages, comme celui de pouvoir être dimensionnellement stable et à ne pas se
déformer ni fendre en raison des changements d’humidité et de température [7]. De plus, le plancher d’ingénierie
peut être installé sur la plupart des sous-planchers contrairement au plancher de bois franc traditionnel.
14
Maintenant, comment adapter ce matériau aux contraintes de performance de dureté et de densité imposées
par les lieux achalandés ? La densification fait partie des pistes de solution envisagées et elle peut se faire de
plusieurs façons. Parmi celles-ci, l’imprégnation est un procédé de densification qui sera étudié dans ce
mémoire. À l’université Laval, des équipes de recherche en génie du bois et en chimie faisant parti du CRMR
travaillent à créer une formulation pouvant bien s’imprégner dans le bois afin de le densifier. Le liquide
s’imprègne en venant combler les pores du bois puis il se fige grâce à la polymérisation. Cela rend le bois
beaucoup plus durable, dans le but de le rendre plus compétitif face aux autres matériaux disponibles sur le
marché.
À ce jour, plusieurs techniques d’imprégnation existent, comme par exemple : imprégnation sous vide,
imprégnation à l’aide d’un rouleau applicateur ou imprégnation par submersion [8]. Cependant, aucune d’entre
elles n’existe à l’échelle industrielle et de façon efficace dans le contexte de la production de lames de plancher
de bois franc.
Problématique
Ainsi, il existe un besoin concernant le développement d’une façon efficace d’intégrer un procédé de
densification du bois par imprégnation en continu. Celui-ci pourrait éventuellement s’intégrer dans une chaîne
de production d’une usine de plancher de bois franc traditionnelle.
Objectif
L’objectif de cette maîtrise est de faire la conception d’un procédé mécanique pouvant s’intégrer dans une
chaîne de production industrielle et capable de faire de l’imprégnation en continu. Le premier objectif spécifique
est de prendre en considération les différentes techniques d’imprégnation et de déterminer celles qui auront le
plus grand potentiel d’être transposées à l’échelle industrielle. Le second objectif spécifique de ce projet consiste
en l’élaboration de plusieurs solutions et preuves de concept.
Méthodologie
Le projet s’inscrit dans le cadre de la chaire industrielle CRSNG – Canlak en finition des produits du bois
d’intérieur (CRIF) dans laquelle un consortium d’entreprises participe. Dans le cadre spécifique de ce projet, le
partenaire industriel principal est le manufacturier de plancher Boa Franc situé à St-George de Beauce. De plus,
l’entreprise Canlak, qui est un fabricant de revêtements industriels pour le bois et Canadel, un manufacturier de
tables, ont également intervenu. La chaire de recherche CRIF compte une quinzaine d’étudiants gradués. Une
rencontre avec le partenaire industriel principal a eu lieu au début du projet. La visite de l’usine et les discussions
15
avec les gens impliqués dans la compagnie ont permis d’établir les balises et objectifs du projet. La revue de
littérature a donc été la première étape et elle a permis de comprendre les différents modes de densification des
matériaux poreux et les mécanismes physiques lors de l’imprégnation sous vide. Ensuite, il était donc nécessaire
d’effectuer des tests et essais en laboratoire afin d’arriver à une séquence d’opérations et un procédé industriel
qui fonctionne. De ce fait, plusieurs prototypes ont été réalisés afin de mener à la conception de la première
chambre d’imprégnation à échelle réduite, la chambre d’imprégnation unique (CIU). Avec cette chambre, il a été
possible de faire des essais de polymérisation avec différentes formulations et espèces de bois. Les résultats
de tests ont permis d’orienter la conception d’un procédé à l’échelle industrielle. Finalement, la conception d’un
procédé industriel capable de s’intégrer dans une ligne de finition de l’usine de Boa Franc est présenté au dernier
chapitre.
Contraintes générales
Le projet fait partie d’une chaire de recherche industrielle (CRIF) parmi laquelle il est important de respecter les
demandes et attentes des différents partenaires et collaborateurs. Les partenaires industriels ont chacun des
contraintes à l’intérieur même de leurs usines. Ces contraintes peuvent être de nature physique, comme l’espace
disponible dans l’usine pour une nouvelle cellule automatisée. Alors que d’autres contraintes peuvent être
reliées directement à la production telles que la cadence de production ou la dimension du produit à traiter. Dès
le début du projet, certaines balises ont été établies afin d’orienter le projet. Premièrement, il a été décidé que
ce ne serait que le produit de lames de plancher d’ingénierie qui subirait de l’imprégnation et non d’autre type
de planchers. Pour quelle raison? Parce que le plancher d’ingénierie est le produit le plus cher parmi les produits
vendus par cette entreprise. Il était donc logique de vouloir améliorer le produit le plus haut de gamme. De plus,
il a été déterminé que s’il fallait installer une machine capable de faire de l’imprégnation sous vide de façon
continue, celle-ci se trouverait sur la ligne de finition. À cet endroit de la production, les lame de plancher sont
prêtes à être emboîtées. Cette ligne permet souvent un dernier sablage de la surface des planches ainsi que
l’ajout de produits vernissant ou teinture afin d’améliorer la durabilité du bois et de le colorer. Il n’a cependant
pas été déterminé à quel endroit précis une cellule automatisée permettant l’imprégnation sous vide serait
installée à l’intérieur même de cette ligne de finition.
Le projet, effectué en collaboration avec la chaire de recherche CRIF, a demandé la collaboration de nombreux
étudiants gradués provenant de différentes formations académiques. Une partie très importante du projet, la
formulation de polymère qui a servi à être imprégné dans le bois était conçue par des étudiants ayant une
formation en chimie. Il va donc sans dire que les propriétés chimiques, physiques ainsi que le mode de
polymérisation ont eu une influence capitale dans la prise de décision des choix de conception pour ce projet.
De plus, les performances obtenues pour les essais mécaniques et autres analyses effectués sur le bois
16
imprégné et polymérisé sont dépendant de la nature de la formulation elle-même. Ainsi, il est important de
mentionner qu’il était impossible d’avoir le contrôle sur la nature, les propriétés physiques et chimiques ainsi
que le mode de polymérisation de la formulation. En somme, bien qu’il était impossible de contrôler la nature de
cette formulation, cette contrainte a permis d’orienter la conception du projet sur ce qu’il serait possible de faire
ou non. À titre d’exemple, comme il existe plusieurs façons de polymériser les formulations, la polymérisation a
été exclue des exigences de conception.
Finalement, d’autres contraintes ont pu être adressées et exigées de la part des différents collaborateurs au
projet, que ce soit l’équipe de direction, la titulaire de la chaire de recherche, les étudiants gradués faisant partie
du projet ou les partenaires industriels. Afin d’établir des balises claires et de satisfaire au maximum de
collaborateur, le chapitre 3 présente un cahier des charges détaillé permettant de comprendre les critères exigés
par le concept imaginé dans ce projet.
Structure du mémoire
Le mémoire se divise en trois chapitres. Le premier est celui de la revue de littérature qui comprend un sommaire
des différentes méthodes de densification des matériaux poreux en général ainsi que pour le bois. De plus,
l’imprégnation sous vide dans l’industrie y est abordée. Ensuite, le Chapitre 2 parle premièrement de la validation
de certaines équations et théorèmes permettant de comprendre la dynamique entre la formulation et le matériau
solide qu’est le bois dans le contexte de l’imprégnation sous vide. Le premier prototype fait avait pour but
d’évaluer l’efficacité de différentes séquences d’opérations. Le deuxième prototype permettait de faire
l’imprégnation d’une réelle lame de plancher de bois franc qui était ensuite polymérisée. L’analyse par un
densitomètre de masse, micro CT-Scan (X-ray micro computerized tomograph - Bruker model Skyscan 1272)
ainsi que des essais de dureté de Brinell 500 N (Universal testing machine QTest /5 Elite Controller (MTS, Eden
Prairie,USA) bille de 10 mm) ont permis de préciser les différentes étapes nécessaires. Finalement, le chapitre
3 présente une proposition d’un concept détaillée de cellule automatisée permettant l’imprégnation sous vide
en continu.
17
Chapitre 1 Revue de littérature
1.1 Résumé
Il existe différents types de porosité, débouchant, à passage continu et non débouchant. En général, chaque
matériau poreux possède les trois types de pores. La nature du matériau poreux permet de déterminer une
technique de densification en particulier. Par exemple, les métaux peuvent être densifiés par des méthodes
chimiques telles que l’imprégnation par vapeur chimique tandis que la nourriture ou le carton peut simplement
être trempé dans une solution quelconque. Pour le bois, il existe différentes façons de densifier; imprégnation
axiale, imprégnation par pression, compaction et traitement thermique, imprégnation par capillarité et
imprégnation sous vide font partie de celles-ci. Bien que toutes ces techniques permettent d’obtenir un gain de
densité, certaines présentent des défis techniques et des contraintes importantes. À la lumière des différentes
techniques de densification des matériaux poreux étudiés, l’imprégnation sous vide est celle qui semble la moins
coûteuse en temps et énergie pour obtenir un gain significatif de densité pour le matériau du bois. Ainsi, lors de
l’imprégnation sous vide, plusieurs mécanismes physiques et chimiques entrent en jeu. Parmi ceux-ci il y a la
capillarité, le phénomène hydrodynamique ainsi que des phénomènes pouvant être expliqués par la mécanique
des fluides. Fito [9] a développé des équations pouvant expliquer et prédire le comportement d’un liquide lors
de l’imprégnation sous vide d’un matériau poreux.
1.2 Matériaux poreux
Un pore, selon le dictionnaire Larousse [10], est un canal microscopique existant au sein d’une matière solide
compacte. Par le fait même, la porosité est l’ensemble des pores d’un même matériau solide [11]. Il existe trois
types de porosités, Figure 2. Le premier type est une porosité débouchante c’est-à-dire une porosité qui est
accessible d’un côté du matériau seulement. Le second type est la porosité avec passage continu, celle-ci
traverse le matériau d’une surface externe à une autre. Finalement, le troisième type est la porosité non
débouchante qui n’est pas accessible par les surfaces du matériau [19, 20]. Dans le cas de l’imprégnation sous
vide, le type de porosité encouru aura une influence sur la pénétration du liquide dans le matériau.
18
Figure 2 : Illustration schématique des trois types de pores. Dans les trois illustrations suivantes, le gris foncé est
le solide poreux et le gris pale a) : porosité débouchante, b) : porosité à passage continu, c) : Porosité non
débouchante ou fermée.
1.3 La densification des matériaux poreux dans l’industrie
1.3.1 Procédés difficilement applicables au bois
Compaction de poudre d’aluminium
La compaction de poudre d’aluminium à l’aide de lasers est une technique qui permet de densifier le matériau
en surface, soit sur quelques centaines de microns [12]. La profondeur de la densification dépend des conditions
d’irradiation et de la nature du matériau initial. Dans le cadre de la densification du bois, cette technique serait
difficilement applicable, car le bois n’agit pas comme le métal. En effet, le métal fond ou se déforme lorsqu’il est
chauffé tandis que le bois change de propriété, s’assèche et peut même entrer en combustion facilement.
Imprégnation par vapeur chimique
L’imprégnation par vapeur chimique est une technique qui a émergé dans les années 1980 et a pour but
d’imprégner de la vapeur avant de condenser celle-ci une fois à l’intérieur du matériau. Une première étude [13]
avait pour but d’explorer les avantages de la densification par vapeur chimique. Un matériau a été infiltré à l’aide
d’un composé chimique (BF3-NH3). Le procédé doit être effectué à basse température et sous basse pression.
Des tests de compression ont été effectués. Les résultats ont montré que les propriétés en compression ne sont
pas significativement affectées par le procédé. Cependant, la résistance à l’oxydation a été améliorée. Le
composé chimique protégeait le contact entre la surface du matériau et l’air. Il existe également un brevet sur
le sujet [14]. Dans un premier temps, les matériaux poreux solides sont densifiés à l’aide de dépôt de vapeur
19
établissant un gradient thermique dans le matériau. Pour densifier, des radiations électromagnétiques sont
envoyées à une fréquence spécifique permettant la consolidation des couches déposées et du matériau. Ce
procédé est destiné à tous les matériaux poreux. Dans le cas de ce brevet, les patins de freins sont donnés en
exemple. Bien que cette technique puisse sembler prometteuse pour le bois, il semble qu’elle ne soit pas tout à
fait au point. En effet, les articles portant sur le sujet ne permettent pas de conclure que la technique fonctionne
de façon convenable.
1.3.2 Procédés applicables au bois
Nourriture
L’imprégnation sous vide a beaucoup été étudiée et testée dans différents aliments pour différentes raisons. En
général, les aliments sont des matériaux poreux et il y a un intérêt à imprégner certains aliments afin d’ajouter
des saveurs et des textures ou pour changer leurs propriétés [15]. Des phénomènes tels que le mécanisme
hydrodynamique, la déshydratation osmotique et la déformation de la matrice solide ont lieu durant
l’imprégnation sous vide. Ce sont ces phénomènes qui seront utilisés pour comprendre les mécanismes qui ont
lieu durant l’imprégnation dans les matériaux de bois plus loin dans ce mémoire [1, 23].
Carton
Le carton subit parfois de nombreux traitements qui permettent d’en améliorer les différentes propriétés [16].
Ces propriétés sont par exemple l’imperméabilité, les propriétés mécaniques, la résistance à l’humidité ou les
propriétés antibactériennes. Il y a principalement trois techniques communes. La première est l’imprégnation, le
but étant de saturer le produit à l’aide de cire, sel dissous ou autre, créant ainsi une surface protectrice. Cela
permet en général de rendre le produit imperméable. La seconde est l’enrobage. Le but est de rendre le carton
résistant à l’humidité et au gras. C’est généralement du plastique ou de la cire appliquée à l’aide d’une brosse
directement sur le carton. Finalement, il y a la lamination qui est l’application de plusieurs couches de différents
produits. Ces méthodes sont toutes applicables au bois en théorie. Cependant, il reste maintenant à savoir si
elles peuvent s’avérer efficaces dans le contexte de la densification surfacique.
1.3.3 Procédés appliqués au bois
Imprégnation axiale
Il existe une technique d'imprégnation qui consiste à pousser le liquide à l’intérieur du bois dans le sens axial
des fibres du bois à l’aide d’une force motrice comme une pompe [17]. Dans une étude effectuée par Damay
(2015) [13], le produit d’imprégnation pénètre par les pores du bois dans le sens longitudinal de la fibre à l’aide
d’une basse pression, environ 1 bar. La durée de l’imprégnation est de 24 heures et le temps de séchage
nécessaire de 14 jours. Ensuite, les troncs sont coupés en planches qui sont mises à sécher pour 30 jours. Afin
d’analyser la performance de l’imprégnation, les échantillons de bois ont été passé dans un spectromètre de
20
masse afin de savoir la concentration du liquide d’imprégnation. Plusieurs espèces de bois ont été testées et
celles qui ont bien répondu au traitement sont le hêtre, le charme et le bouleau tandis que les traitements sur le
frêne n’ont pas été concluants. Aucune évaluation des propriétés mécaniques a été faite suite à l’imprégnation.
Ce procédé ne serait pas souhaitable dans le cas de la densification surfacique de lames de planchers de bois
franc pour plusieurs raisons. Premièrement, le temps d’imprégnation et de séchage s’avère long pour espérer
être réaliste dans le cadre d’une production de lames plancher de bois franc. De plus, il serait donc difficile de
concevoir d’avoir ce procédé dans une ligne de production parce que cela impliquerait un long temps d’attente.
Finalement, selon cette étude, les bois plus durs n’ont pas obtenu de bons résultats.
Imprégnation sous vide
Afin d’imprégner le bois, il est possible d’utiliser des méthodes actives ou passives. Les méthodes actives
requièrent un travail ou une force mécanique afin de faire rentrer un liquide dans le bois, les méthodes passives
consistent à laisser le temps agir sans pour autant interagir avec la réaction. L’imprégnation par capillarité
consiste à tremper une extrémité d’un morceau de bois afin que celui-ci s'imprègne [18] et est une méthode
passive. Il existe aussi l’imprégnation par diffusion qui consiste à appliquer des couches d’un liquide afin que
celui-ci pénètre dans le bois. À l’heure actuelle, la technologie qui semble la plus prometteuse et efficace dans
le contexte de la densification du bois est l’imprégnation sous vide. Cepandant, cette technique n’est pas encore
tout à fait au point, c’est pourquoi elle sera étudiée en détail dans ce mémoire. Parmi les défis, il y a la
quantification de la performance de l’imprégnation. Pour l’instant, la méthode la plus utilisée est le gain de masse
après imprégnation. Cependant, la masse n’est pas toujours corrélée avec la dureté. De plus, certaines
variables, comme la précision du niveau de vide atteint, sont difficiles à contrôler et une répétabilité peut être
difficile à atteindre.
L’entreprise Godfrey & Wings [11] effectue de l’imprégnation sous vide afin d’imperméabiliser, de rendre
étanches et d’uniformiser le fini de surface de pièces d’aéronautique en métal. Leur technique la plus robuste
consiste à mettre les pièces dans une chambre d’imprégnation et de descendre la pression à 31 mbar. Ensuite,
lorsque le 31 mbar est atteint, une valve de transfert ouvre afin de remplir la chambre de scellant. Le vide est
par la suite relâché puis une surpression de 5000 mbar est appliquée immédiatement afin de pousser encore
plus le scellant au fond des pores.
Compression mécanique et chaleur
Plusieurs études ont été conduites afin de densifier le bois à l’aide de procédés mécaniques et de la chaleur
[28-30]. La plus grande problématique de ces techniques est que le bois retrouve partiellement sa forme initiale
même après avoir été compressé. Cet effet s’appelle en anglais le « springback » ou encore le « set recovery ».
En français, TERMIUM Plus® [19], la banque de données terminologique et linguistique du gouvernement du
Canada traduit comme étant le retour élastique. C’est en réalité le retour élastique qui cause le plus de
21
problèmes aux chercheurs parce que toute la force et l’énergie déployée à compresser le bois est partiellement
ou totalement perdue parce qu’il retrouve sa forme initiale une fois le traitement terminé. Le défi ici est donc de
trouver des façons de réduire le retour élastique lors de la compression mécanique.
Le traitement le plus efficace pour réduire le retour élastique est de faire chauffer le bois après l’avoir compressé
[20]. L’effet élastique du bois est donné entre autres par l’humidité qu’il contient. Lorsque chauffé, le bois perd
de son taux d’humidité et donc une partie de son effet élastique ; ce qui explique pourquoi les traitements de
chaleur sont efficaces pour réduire l’effet ressort.
Dans une première étude effectuée par Esteves (2009) [21], un traitement de chaleur et une compression
mécanique ont été effectués sur des échantillons de pins provenant du Portugal. Le traitement de chauffage a
été fait dans un four à 190°C durant 4 à 6 heures. La compression s’est faite à l’aide d’une presse à une pression
de 48 bars durant 30 minutes. Les résultats obtenus par cette étude ont permis d’atteindre une compression de
46% de l’épaisseur initiale de 2 mm avec un retour élastique de 15%. Ainsi, la dureté a été augmentée de 50%
à 220% selon les traitements et les autres propriétés mécaniques ont aussi été améliorées.
Bien que les propriétés physiques du bois aient été améliorées, les temps de traitement sont longs et il serait
difficile d’espérer rencontrer la cadence d’une ligne de finition dans une usine de fabrication de lames de
plancher de bois franc. La température et la compression requièrent aussi beaucoup d’énergie ; ce qui pourrait
éventuellement s’avérer très coûteux. Finalement, dans l’optique de densifier les planchers de bois franc, il est
important de garder l’esthétisme. Or, les traitements de chaleur viennent souvent modifier l’aspect visuel
macroscopique du bois [33, 34]. Le fait d’appliquer de la chaleur a souvent un effet sur l’apparence du bois et il
est important de ne pas trop l’altérer afin que le produit soit attrayant pour le client. De plus, différentes études
viennent mettre en évidence le fait que les traitements de chaleur réduisent la résistance à la compression du
bois et qu’il serait peu recommandable d’utiliser du bois traité thermiquement comme un matériau de
construction [34, 35].
Une seconde étude porte sur la densification du bois pour des espèces ayant une densité faible [22]. Afin de
réduire le retour élastique, un traitement chimique a été appliqué avant le traitement d’imprégnation. Dans cette
étude de Ahmed (2013) [22], ce sont des bois mous tels que le tremble et le bouleau qui utilisés. En plus de
subir un traitement thermique, le bois a été imprégné à l’aide d’une pression positive par du méthyle
méthacrylate. Ensuite, la densification a été faite à l’aide de rouleau compresseur. Finalement, le monomère est
polymérisé dans un four à 100°C. La conclusion de cette étude est que les traitements n’ont pas eu d’effet
significatif sur le rétablissement du retour élastique, probablement dû à une pénétration insuffisante selon les
auteurs de l’article. De plus, l’imprégnation dans ces bois de faible densité a eu pour effet de créer des craques
dans le bois.
D’autres recherches comme celles de Sandberg (2012) [23] et Neyses (2012) [24] portent sur la densification
d’espèces de bois peu denses à l’aide de méthodes de traitement thermique et de compression mécanique.
22
Comme il a été démontré précédemment, la densification de surface est un procédé qui est très coûteux en
temps et en énergie et qui fonctionne généralement par lot, ce qui réduit considérablement les bénéfices.
L’intérêt est donc de faire de la compression en continu pour contrer les problématiques entourant le coût et le
temps. La Figure 3 montre une schématisation du système utilisé dans l’étude.
Figure 3 : Illustration schématique d’un procédé utilisé afin de densifier le bois de façon mécanique. Les zones
rouges représentent des endroits où de la chaleur est diffusée alors que la compression se fait sur toute la ligne
[23].
Les articles de Sandberg et Neyses [25] se concentrent sur l’utilisation d’un procédé de compression en continu
à des températures allant de 185°C à 235°C. Les propriétés étudiées sont la densité, le retour élastique et la
morphologie. Le plus petit retour élastique atteint, a été de 44% après trois cycles. Ce qui est considérablement
moins intéressant que l’étude de Esteves et al. (2017) qui avait atteint 15% [21]. Il est cependant important de
rappeler que les traitements de Esteves et al. étaient beaucoup plus longs. Comme dans le projet actuel, l’étude
de Sandberg et al. (2012) fait de la densification en continu. C’est ce qui se rapproche de ce qui est recherché
dans le cadre de ce projet. Cependant, le processus demande plusieurs cycles et semble coûteux en énergie.
Rouleau mécanique
Une étude réalisée par Meints et al. (2017) [26] porte sur la densification à l’aide d’une presse en continu et de
l’imprégnation de polyéthylène glycol (PEG). Le PEG améliore la stabilité dimensionnelle tout en modifiant le
taux d’humidité du bois. Pour cette expérience, un rouleau imprégné de PEG compresse les planches de bois
telles que montré à la Figure 4.
23
Figure 4 : Rouleau imprégnateur de PEG [26].
L’expérience a été effectuée sur plusieurs épaisseurs de planches variant de 2 à 20 mm. Les planches plus
minces étaient plus imprégnées que les planches plus épaisses relativement au rapport de poids avant et après.
Puisque le PEG a été appliqué seulement sur un côté de la planche, il ne s’est pas diffusé de façon homogène
à travers la section transversale. De plus, une grande déformation des planches minces a eu lieu, Figure 5.
Figure 5 : Déformation observée sur les planches minces à la suite du séchage [26].
L’article en question ne mentionne aucun test mécanique effectué pour évaluer si les propriétés mécaniques
en sont réellement améliorées. De plus, il n’est pas mentionné à quelle profondeur le PEG s’est imprégné ce
qui aurait été une donnée intéressante.
1.4 Mécanismes physiques de l’imprégnation sous vide
Plusieurs mécanismes internes permettent d’expliquer les phénomènes se produisant à l’intérieur de l’autoclave.
Fito et al., dans différents papiers publiés au milieu des années 90 concernant l’imprégnation de pommes granny
smith [1, 23, 38, 39]. Fito et al. ont proposé un nombre de phénomènes qui se retrouvent dans les opérations
solides liquides sous vide, c’est-à-dire tous les procédés qui font intervenir les opérations sous vide avec des
liquides et des solides. Parmi ces procédés, il y a le mécanisme hydrodynamique (HDM), la déshydratation
24
osmotique (OD) et le phénomène de déformation et relaxation (DRM). Pour débuter, une explication de l’action
de la capillarité dans les matériaux poreux est présentée parce que le phénomène de HDM implique des forces
capillaires.
1.4.1 Capillarité
La capillarité est un résultat de la tension de surface entre les molécules d’eau et de leur contact avec une
surface ou un orifice et qui permet au liquide de monter ou descendre sans l’aide d’une force externe comme la
pression ou la gravité.
Dans un liquide, les molécules qui se trouvent au fond vont se repousser en raison de la pression due au poids
et les molécules en surface, qui sont moins denses, vont s’attirer. Cet effet s’appelle la tension de surface. Le
coefficient de tension de surface γ est exprimé en Newton par mètre (N/m) et il varie de façon inversement
proportionnelle à la température. Lorsque l’interface solide en contact avec le liquide est courbée, il y a une
différence de pression à l’interface du liquide. Le cas général de la charge de pression d’une surface quelconque
est illustré à la Figure 6.
Figure 6 : Tirée de Munson, Fundamentals of Fluid Mechanics, cette image montre la distribution de la charge de
pression entre un liquide et une interface solide d’une forme courbe quelconque [28].
La capillarité est un phénomène qui permet à un liquide de s’écouler dans un espace très petit sans l’aide d’une
force externe ou encore de la gravité. Le phénomène peut être observé dans les matériaux poreux, par exemple
lorsqu’une feuille de papier est trempée dans un liquide, celui-ci monte à l’intérieur de la feuille à l’aide des
forces capillaires. Si le diamètre du tube ou de la porosité est suffisamment petit, la combinaison de la tension
de surface et la force adhésive entre le liquide et le matériau du tube agissent de façon à propulser le liquide.
La formule qui permet de calculer la hauteur capillaire atteignable dans un tube est la suivante :
𝒉 =𝟐𝛄 𝐜𝐨𝐬 𝛉
𝛒𝐠𝐫 1
25
Dans cette équation, h est la hauteur du liquide dans le tube circulaire, γ le coefficient de tension de surface, Θ
l’angle de contact entre la surface du liquide et l’intérieur du tube, ρ la masse volumique du liquide, g
l’accélération gravitationnelle puis r le rayon du petit tube. Il est donc possible de voir que la hauteur de liquide
varie de façon inversement proportionnelle avec le rayon. De plus, il est possible de constater que le coefficient
de tension de surface est directement proportionnel avec la hauteur atteinte par le liquide. Concrètement, il y a
deux implications dans le contexte de l’imprégnation de lames de plancher de bois franc. Premièrement,
l’espèce du bois choisi aura une grande influence sur le taux d’imprégnation, car la porosité varie selon l’espèce.
De plus, la formulation choisie aura avantage à avoir une tension de surface plus élevée afin que la pénétration
puisse être plus grande. Finalement, sachant que le γ augmente avec la température, il sera pertinent d’avoir
une température élevée lors de l’imprégnation. De cette façon, le liquide ayant une plus grande tension de
surface aurait une propension à pénétrer dans les pores par capillarité.
1.4.2 Phénomène hydrodynamique
Le phénomène hydrodynamique (HDM) est un phénomène de transfert de masse qui survient lors de
l’imprégnation et qui a été étudié par Fito [8]. Ce phénomène représente un modèle physique appuyé de preuves
mathématiques pour décrire les mécanismes internes qui se produisent lors de l’imprégnation sous vide sur des
fruits. Bien que la structure des fruits ne soit pas la même que celle du bois, les phénomènes décrits dans les
études conduites par Fito sont facilement transposables au bois. La première étape qui a mené à la proposition
du HDM est l’étude du taux de transfert de liquide dans des aliments lors de l’imprégnation sous vide. Les
auteurs ont remarqué que plus la pression était basse, plus le taux de transfert était élevé [27]. La modélisation
de la Figure 7 à la Figure 13 montre le premier modèle proposé en 1993.
Figure 7 : Pore idéalisé tel que Fito l’imaginait où z est la longueur du pore, pi la pression initiale à l’intérieur du
pore, D le diamètre du pore, pe la pression externe et xv la pénétration du liquide.
26
Figure 8 : Au temps t=0 alors que le solide est à l’extérieur d’un quelconque liquide, pi = pe = patm.
Figure 9 : Le solide est immergé dans le liquide, pi = pe = patm = 1013 mbar.
Figure 10 : Il y a une pénétration de 1.8 % du liquide dans le pore seulement dû à la capillarité.
Figure 11 : Le vide est fait dans l’autoclave et l’air contenue dans le pore s’échappe de celui-ci.
Figure 12 : Une fois la pression pi = pe, le régime permanent est atteint. En raison des forces capillaires et aussi
parce qu’il y a moins de molécules d’air à l’intérieur du pore, la pénétration Xv est de 15 %.
27
Figure 13 : Lorsque le vide est relâché, la pression atmosphérique additionnée de la pression de la hauteur du
liquide est retrouvée à l’intérieur du pore. En raison encore une fois de la loi des gaz parfaits et puisque la pression
pi augmente, le volume diminue. Ceci a pour effet de créer une pénétration de 90% à l’intérieur du pore.
Les Figure 8 à Figure 13 présentent les différentes étapes vues par Fito [9] lors de l’imprégnation sous vide.
Dans le cas des expériences conduites par Fito, ce sont des pommes vertes qui ont été utilisées. Cependant,
la représentation schématique montre un pore idéal et son comportement lors de l’imprégnation sous vide. À la
Figure 7, il est possible de voir les différents paramètres du pore : Z est la longueur totale du pore, xv la fraction
de pénétration du liquide dans le pore sur 1, D le diamètre du pore, pi pression à l’intérieur du pore et pe la
pression à l’extérieur du pore.
À la Figure 8, au temps 0, le pore est à l’air libre, ce qui signifie que pi = pe = patm = 1013 mbar. Ensuite, la
pomme est plongée dans le liquide à la Figure 9. À la Figure 10, les forces capillaires, telles que vues
précédemment, forcent la pénétration du liquide à l’intérieur. Puisque le volume d’air à l’intérieur du pore est
comprimé en raison de la pénétration de liquide, la pression augmente nécessairement. Cependant, puisque
cette augmentation est minime, on considère que pi = pe. Selon Fito, à ce moment, xv=0.018. Ensuite, à la Figure
11, le vide est fait dans l’autoclave, la pression externe au pore pe descend à 50 mbar. La pression à l’intérieur
du pore pi est alors beaucoup plus grande de façon momentanée que la pression externe. Afin d’arriver à
l’équilibre, la pression à l’intérieur du pore pi descend pour atteindre le 50 mbar de pression. Puisque l’on
considère que l’air agit en fonction de la loi des gaz parfaits, pi1Vi1 = pi2Vi2 (où pi1 est la pression à l’intérieur du
pore au temps 1 et Vi1 est le volume au temps 1 et de même pour pi2 et Vi2, au temps 2) le volume Vi augmente.
Ce qui fait que l’air s’échappe du pore vers l’extérieur. Lorsque l’équilibre est atteint, puisqu’il y a moins de
molécule d’air à l’intérieur du pore, la pénétration est de 15% [9] dans l’expérience effectué par Fito. Finalement
lorsque le vide est relâché à la Figure 13, le volume à l’intérieur du pore diminue respectant ainsi la loi des gaz
parfaits et donnant une pénétration estimée de 90%.
1.4.3 Théorème de Fito
Voici les formules qui décrivent l’imprégnation sous vide telle que vue par Fito [27].
La différence de pression entre l’intérieur du pore et l’extérieur du pore est décrite comme suit :
−∆𝒑 = 𝒑𝒆 −𝒑𝒊𝟎
𝟏−𝒙𝒗2
28
Dans l’équation 1, Δp représente la différence de pression entre pe et pi0.. La fonction suivante présente
l’écoulement général dans un pore selon :
−∆𝒑 +𝟑𝟐𝝁𝒛𝟐
𝑫𝟐 𝒙𝒗𝒅𝒙𝒗
𝒅𝒕 = 𝟎 3
pe = Pression externe
pio = Pression interne au temps zéro
𝜇 = Viscosité du liquide
D = Diamètre du pore
t = Temps
xv = Pourcentage de pénétration du liquide dans le pore
En remplaçant le Δp de l’équation 1 dans l’équation 2, on obtient l’équation différentielle suivante :
𝒑𝒆 −𝒑𝒊𝟎
𝟏−𝒙𝒗+
𝟑𝟐𝝁𝒛𝟐
𝑫𝟐 𝒙𝒗𝒅𝒙𝒗
𝒅𝒕= 𝟎 4
Ainsi, lorsque le taux de transfert de liquide est égal à zéro, soit lorsque le système est en régime permanent : 𝒅𝒙𝒗
𝒅𝒕= 𝟎 5
Dans ces conditions, l’équation 3 peut être réécrite comme suit :
𝒑𝒆 −𝒑𝒊𝟎
𝟏 − 𝒙𝒗
= 𝟎 6
En isolant xv :
𝒙𝒗 =𝒑𝒆 − 𝒑𝒊𝟎
𝒑𝒆
7
De plus, sachant que pc est la pression capillaire qui agit sur le liquide dans le pore, la pression externe du
liquide (pe) est :
𝒑𝒆 = 𝒑𝟐 + 𝒑𝒄 8
Si l’on est au temps zéro, l’égalité suivante prévaut :
𝒑𝒊𝟎 = 𝒑𝟏 9
En substituant, l’équation suivante est obtenue :
𝒙𝒗 =(𝒑𝟐 + 𝒑𝒆 − 𝒑𝟏)
(𝒑𝟐 − 𝒑𝒆) 10
Donc, lorsqu’il n’y a pas de pression imposée au système, p1 = p2 =patm :
𝒙𝒗 =𝒑𝒆
(𝒑𝟐 − 𝒑𝒆) 11
De plus, la pression de capillarité réduite (pr) est représentée par la pression capillaire sur la pression interne
du pore à un moment donné (pi):
29
𝒑𝒓 =𝒑𝒄
𝒑𝒊
12
Et le ratio de compression apparent est défini comme suit :
𝑹 =𝒑𝟐
𝒑𝒊
13
Figure 14 : Fraction de la pénétration xv en fonction de la pression la pression de capillarité réduite Pr, tiré de Fito
[27].
La Figure 14 présente la pénétration du liquide xv lors du processus d’imprégnation sous vide présenté dans
l’article de Fito [9]. Lorsque R = 1, il n’y a pas d’imprégnation sous vide, car le ratio de pression appliquée à
l’extérieur p2 et la pression interne p1 est de 1, donc à pression atmosphérique. La courbe du bas représente
donc uniquement les effets de la capillarité lorsqu’un solide, dans le cas présent un fruit, est immergé dans un
liquide. À R = 2, la pression appliquée dans l’autoclave est la moitié de la pression interne du solide. Il est ainsi
possible de remarquer que plus la pression dans l’autoclave est petite, plus la fraction de pénétration du liquide
est grande. Ainsi, il est possible de remarquer que xv = 1-1/R.
L’explication ci-dessus montre un pore débouchant. Dans un pore non débouchant, absolument rien ne se
produirait puisqu’il n’y a pas d’ouverture qui pourrait avoir une interaction avec l’extérieur du solide. Dans un
pore à passage continu, il est logique de penser que le même phénomène qu’un pore débouchant se produirait,
c’est-à-dire que la pénétration serait de l’ordre de 90% et qu’il reste un peu de gaz au centre du pore.
Afin de comprendre d’où proviennent les équations de Fito, il est nécessaire de voir les équations d’écoulement
de fluides d’un écoulement développé en régime permanent.
30
Figure 15 : Diagramme des corps libres de l’écoulement, il est possible de voir la pression d’entrée, la pression de
sortie ainsi que la force de friction qui agit contre l’écoulement.
La Figure 15 présente un diagramme des corps libres d’un écoulement de fluide dans un conduit circulaire. Afin
de pouvoir écrire l’équation de l’écoulement tel que la loi de conservation de mouvement la décrit, il est important
de poser plusieurs hypothèses. Ces équations sont valides que l’écoulement soit laminaire ou turbulent,
cependant, l’écoulement doit être complètement développé et le fluide, newtonien. De plus, la pression doit être
constante tout au long du conduit. Finalement, l’accélération doit être nulle. Les variables de cette équation sont
les suivantes : p1 représente la pression en amont, r le rayon de la section circulaire, 𝜏 le cisaillement, l la
longueur de la section circulaire et finalement Δp la perte de pression dans le conduit.
La formule à l’équilibre de la Figure 15 est donc :
(𝒑𝟏)𝝅𝒓𝟐 − (𝒑𝟏 − ∆𝒑)𝝅𝒓𝟐 − (𝝉)𝟐𝝅𝒓𝒍 = 𝟎 14
En simplifiant et en isolant τ :
𝝉 =∆𝒑𝒓
𝟐𝒍15
De plus, dans un écoulement laminaire d’un fluide newtonien, µ est inversement proportionnel au profil de
gradient de vitesse :
𝝉
𝝁= −
𝒅𝒖
𝒅𝒓 16
En remplaçant 𝜏 dans l’équation 16 :
𝒅𝒖
𝒅𝒓=
−∆𝒑𝒓
𝟐𝒍𝝁 17
En intégrant :
31
∫𝒅𝒖
𝒅𝒓= ∫
−∆𝒑𝒓
𝟐𝒍𝝁 18
𝒖 =−∆𝒑𝒓𝟐
𝟒𝒍𝝁+ 𝑪𝟏 19
Ainsi, si l’on pose l’hypothèse que la vitesse est nulle, u=0 à r=D/2, donc à la paroi interne du tube circulaire, il
est possible de trouver la valeur de la constante :
𝟎 =−∆𝒑𝒓𝟐
𝟒𝒍𝝁+ 𝑪 20
𝑪 =∆𝒑𝒓𝟐
𝟒𝒍𝝁 21
𝑪 =−∆𝒑𝑫𝟐
𝟏𝟔𝒍𝝁 22
Ainsi :
𝒖 =−∆𝒑𝒓𝟐
𝟒𝒍𝝁+
∆𝒑𝑫𝟐
𝟏𝟔𝒍𝝁 23
𝒖 =∆𝒑𝑫𝟐
𝟏𝟔𝒍𝝁[𝟏 − (
𝟐𝒓
𝑫)
𝟐
] 24
Où la vitesse au centre du tube circulaire est :
𝑽𝒄 =∆𝒑𝑫𝟐
𝟏𝟔𝒍𝝁 25
Puisque la vitesse moyenne est égale à la Vc divisée par deux :
𝑽 =𝑽𝒄
𝟐=
∆𝒑𝑫𝟐
𝟑𝟐𝒍𝝁 26
En isolant la vitesse dans l’équation 2, provenant de Fito on obtient :
𝒅𝒙𝒗
𝒅𝒕=
∆𝒑𝑫𝟐
𝟑𝟐𝝁𝒙𝒗𝒛𝟐27
Cette équation ressemble beaucoup à une équation classique de mécanique des fluide provenant de Newton.
Voir Tableau 1.
Tableau 1 : Comparaison entre les équations d’écoulement d’un fluide dans un conduit de Fito et Newton.
Fito Équation de Newton
𝑑𝑥𝑣
𝑑𝑡=
∆𝑝𝐷2
32𝜇𝑥𝑣𝑧2 𝑉 =
∆𝑝𝐷2
32𝑙𝜇
32
Au Tableau 1, il est possible de voir que les équations de Fito et Newton sont presque semblables. Cependant,
il est important de noter que xv est sans unité, car c’est la fraction de pénétration dans le pore. La variable z est
quant à elle la longueur du pore. Il est possible de vérifier les unités de l’équation (18) :
[𝟏
𝒔] =
[𝒌𝒈
𝒎𝒔𝟐] [𝒎𝟐]
[𝒌𝒈𝒎𝒔
] [𝒎𝟐] 28
Toutes ces explications sont valides si et seulement si le fluide est dit newtonien. Dans un fluide newtonien, tel
que décrit à l’équation (17), la viscosité est constante peu importe la force de cisaillement subi. Cependant,
certains polymères ne sont pas des fluides Newtoniens [29]. Cela signifie que lorsqu’une force de cisaillement
est appliquée sur le liquide, comme l’effet de faire du vide dans un environnement fermé en présence d’un solide
poreux, la viscosité peut augmenter ou diminuer. Si la viscosité augmente avec la force de cisaillement, le liquide
est appelé rhéoépaississant tandis que si elle diminue, le liquide est rhéofluidifiant, voir Figure 16 [30]. Dans le
contexte de l’imprégnation sous-vide, il serait avantageux d’avoir un fluide rhéofluidifiant puisque plus la
viscosité est basse, plus la vitesse est grande pour un même cisaillement. Donc, l’imprégnation serait plus
rapide.
Figure 16 : Tirée de S. Verkercke, S. Dechamps, et R. Gaban, « Fluides non-Newtoniens », 2016. Viscosité en
fonction de la contrainte de cisaillement de différents types de fluides, newtonien, rhéoépaississant et
rhéofluidifiant [30].
33
Chapitre 2 Essais de laboratoire et résultats
2.1 Résumé
Des expériences effectuées en laboratoire ont permis d’établir un protocole afin de pouvoir imprégner des lames
de plancher de bois franc. Pour ce faire, différentes séquences d’imprégnation ont été faites sur de petits
échantillons de lame de plancher de 4 par 4 centimètres par 4 millimètres d’épaisseur. Le gain de masse moyen
obtenu a permis de conclure quelle était la méthode la plus efficace. En résumé, celle-ci consiste à faire le vide
lorsque l’échantillon est complètement en dehors de la formulation, de mettre le solide en contact avec la
formulation une fois le vide atteint, puis de relâcher le vide à ce moment. Le second prototype, la chambre
d’imprégnation unique (CIU), permettant de traiter une réelle lame de plancher d’ingénierie, a permis d’établir
chacune des étapes qui ont ensuite pu être insérées dans la proposition d’un prototype automatisé. De plus, les
planches imprégnées ont pu être polymérisées par faisceau d’électrons (MB10-30, Mevex, Stittsville, Canada)
grâce à la collaboration de Mevex, une entreprise située en Ontatio. Des essais de dureté de Brinell (Universal
testing machine QTest /5 Elite Controller (MTS, Eden Prairie,USA) bille de 10 mm) ont permis de confirmer une
amélioration de la dureté de l’ordre de 20 à 30% dépendamment des conditions d’imprégnation et de la nature
du bois traité avec une formulation d’acrylates. De plus, le densitomètre de masse ainsi que le micro CT-Scan
(X-ray micro computerized tomograph - Bruker model Skyscan 1272) ont permis d’observer l’effet de la nature
du bois sur le gradient de densité observé en surface ainsi que la diffusion de l’imprégnation. Finalement, il a
été possible d’observer que le résultat de dureté est dépendant de la formulation utilisée.
2.2 Validations numériques de l’écoulement de fluide dans un
pore
Tel que vu au chapitre 1, la formule 1 caractérise l’écoulement de fluide dans un pore lorsqu’il y a de
l’imprégnation sous vide selon Fito. Dans cette formule, Δp est la différence de pression entre l’intérieur et
l’extérieur du pore séparé par le liquide, µ est la viscosité dynamique du liquide, D le diamètre du pore, z est la
longueur du pore, xv est la proportion de pénétration du liquide dans le pore, dxv/dt est la vitesse de pénétration
du liquide, pe la pression extérieure et pi la pression à l’intérieur du pore. La différence de pression est calculée
de la façon suivante : Δp = pe – pi. La progression du liquide à l’intérieur du pore arrête lorsque la pression
interne est égale à la pression externe, donc lorsque le Δp = 0. En somme, la vitesse de pénétration du liquide
est directement proportionnelle à la différence de pression. C’est pourquoi, plus le vide effectué dans l’autoclave
est petit, plus la vitesse de pénétration sera grande. Cependant, la pression de vide effectuée dans l’autoclave
ne peut être plus petite que la pression de vapeur de la formulation ce qui provoquerait l’évaporation de celle-
ci. Ensuite, en simplifiant puis en transformant dans le domaine de Laplace il est possible d’obtenir les équations
suivantes :
34
𝒅𝒙𝒗
𝒅𝒕=
∆𝒑𝑫𝟐
𝟑𝟐𝝁𝒙𝒗𝒛𝟐29
𝒙𝒗𝒔 =∆𝒑𝑫𝟐
𝟑𝟐𝝁𝒙𝒗𝒛𝟐30
𝒙𝒗𝟐 =
∆𝒑𝑫𝟐
𝟑𝟐𝝁𝒛𝟐𝒔31
𝒙𝒗 = √∆𝒑𝑫𝟐
𝟑𝟐𝝁𝒛𝟐𝒔32
Cette fonction de transfert peut être intégrée directement dans simulink. La simulation prend l’hypothèse qu’au
temps zéro, la pression dans le pore est égale à la pression atmosphérique et que la pression externe de vide
est atteinte immédiatement. Les paramètres choisis pour la simulation sont un diamètre de pore D de 16 µm,
une profondeur de pore de 10 mm et une viscosité de formulation de 18.5 Cp. Les paramètres physiques ont
été choisis en fonction de la grosseur moyenne des pores de bouleau jaune ainsi que des propriétés [31] de la
formulation utilisée. L’hypothèse que le pore a un diamètre constant sur toute sa longueur est aussi faite, l’idée
ici n’est pas d’avoir un portrait idéal d’une planche de bois, mais bien de représenter le comportement de
l’interaction liquide solide lors du vide sur un pore idéalisé.
Il est ensuite possible d’observer comment le front de liquide se comporte dans le temps et selon les paramètres
physiques de la substance liquide et du solide. Le Simulink complet est visible à la Figure 17.
Figure 17 : Simulink complet permettant de simuler dans le temps l’équation 35.
Dans cette simulation, il faut assumer que le vide a déjà été fait et la simulation commence au moment où le
vide est relâché dans la chambre d’imprégnation. C’est pourquoi la pression atmosphérique est une constante;
c’est la pression dans la chambre d’imprégnation. La première étape de la simulation est de calculer le Δp, la
35
simulation arrête lorsque la différence de pression est inférieure à 0.01 bar. Ensuite, la fonction de transfert est
insérée dans le système et la résultante est la position du front de liquide tel que vu à la Figure 18.
Figure 18 : Représentation du début de la simulation Simulink : la pression atmosphérique représente la valeur
d’entrée au système en boucle. La différence de pression est calculée puis entrée dans la fonction de transfert. La
valeur qui en ressort est la position. La condition d’arrêt arrive lorsque la différence de pression entre le pore et
l’extérieur est très petite (0.01).
Une vue rapprochée des conditions de départ de la simulation est visible à la Figure 19. Par la suite, c’est la
loi des gaz parfaits qui permet de calculer l’évolution de la pression dans le pore, voir équation 36.
𝑷𝟏𝑽𝟏 = 𝑷𝟐𝑽𝟐 33
36
Figure 19 : Représentation de la rétroaction Simulink calcule la pression à l’intérieur du pore sachant la position
du front de liquide et retourne vers le début afin de boucler et calculer la différence de pression à chaque itération.
La Figure 19 montre la boucle permettant de calculer la pression qui se trouve à l’intérieur du pore. En
effectuant la simulation en boucle avec différentes pressions, il est possible de voir l’influence de certains
paramètres physiques et expérimentaux sur le comportement de l’imprégnation.
Figure 20 : Fraction de pénétration du liquide dans le pore en fonction de la pression de vide appliqué dans
l’autoclave une fois l’équilibre atteint selon la simulation dans Simulink.
37
Figure 21 : Temps pour atteindre l’équilibre de pression dans le pore en fonction de la pression de vide appliqué
dans Simulink.
Figure 22 : Fraction de pénétration du liquide dans le pore en fonction du temps, résultat d’une seule simulation à
50 mbar.
Les Figure 20 à Figure 22 montrent l’influence du niveau de vide sur certains paramètres. La relation linéaire
inversement proportionnelle entre la fraction de pénétration finale sur un pore idéalisé selon les différentes
pressions de vide appliqué montré à la Figure 20 permet de constater que plus la pression de vide dans
l’autoclave est basse, plus la pénétration sera grande. Il sera important de considérer le niveau de vide dans les
expériences futures afin de voir l’influence réelle de celle-ci sur les résultats d’imprégnation. La Figure 21 montre
la relation entre le temps pour atteindre l’équilibre une fois le vide relâché dans l’autoclave. Il est possible de
constater la forme de la parabole ainsi que le temps qui, peu importe le niveau de vide, est en dessous d’une
seconde avec les paramètres choisis. Finalement, la Figure 22 montre de quelle façon le front de liquide
38
progresse dans le temps. Il est possible de constater que la pénétration de liquide se stabilise rapidement, après
environ 0.035 secondes.
2.3 Premier prototype, séquence d’opération
2.3.1 Conception
La conception d’un prototype d’un banc d’essai miniature a été nécessaire afin de valider les concepts
théoriques ainsi que des séquences d’opérations qui peuvent être optimales. Le premier prototype créé dans le
cadre de cette maîtrise est un bras permettant d’accueillir des petites planches de bois de largeur de 4 cm par
4 cm par 4 mm de hauteur. Le mécanisme motorisé avec un pignon et une crémaillère permet de prendre des
petites planches et de les faire entrer dans le liquide d’imprégnation, Figure 23.
Figure 23 : Prototype permettant d’effectuer différentes séquences d’opération sur de petites planches, 1-
mécanisme de pignon et crémaillère ; 2-Structure ; 3-Préhenseur ; 4-Échantillon de lame de plancher de bois de 4
cm par 4 cm par 4 mm.
2.3.2 Méthodologie
Pour ce prototype, 4 expériences différentes ont été effectuées numérotés en chiffres romains de I à IV. Chaque
expérience avait pour but de faire varier un ou des paramètres particuliers afin d’en tirer différentes conclusions.
De plus, à l’exception de l’expérience II, une peinture imperméable était appliquée sur 5 des 6 faces de
l’échantillon, voir Figure 24. La raison étant que l’on cherche à minimiser l’erreur, puisque l’échantillon est
seulement de 4 mm de haut, lorsqu’il est mis en contact avec la formulation, une petite vague peut se créer et
ainsi mouiller d’autres surfaces de l’échantillon. De plus, lorsque le vide est fait, le mouvement d’air de la pompe
39
peut créer de la turbulence dans la formulation et ainsi mouiller d’autres surfaces de l’échantillon. À la fin de
chaque essai, les échantillons sont essuyés afin que le gain de masse mesuré ne prenne pas en compte les
surplus de formulation accumulés à la surface. Cette façon de faire permet de savoir quel est le gain de
formulation par surface imprégnée. Cette donnée s’appelle le grammage et elle est utilisée dans l’industrie du
bois. L’erreur sur le gain de masse est aussi moins grande, car il ne peut y avoir d’imprégnation par le côté ou
le dessus de l’échantillon.
Il y a cependant deux nuances à apporter, la première étant que dans le but de faire de l’imprégnation de lame
de plancher d’ingénierie, le plancher ne sera pas peinturé avant d’être imprégné, cet essai ne représente donc
pas la réalité. Dans un deuxième temps, certains pores peuvent traverser l’échantillon au complet, cela fait en
sorte qu’ils ont deux ouvertures. Cela permet au pore de faire circuler la formulation plus facilement lorsque
l’imprégnation est faite parce que le liquide n’a pas à combattre la pression d’air provenant de l’intérieur de la
cavité du pore.
Figure 24 : Échantillon de 4 cm par 4 cm par 4 mm recouverts de trois couches de peinture imperméables sur 5 de
ses 6 faces.
40
Figure 25 : Photographie de l’échantillon descendu dans la formulation et appuyé sur la butée.
Pour chaque expérience, cinq planches différentes étaient découpées afin de faire les essais. Afin de minimiser
le risque d’erreur, chaque échantillon était mesuré à l’aide d’un pied à coulisse, ainsi que pesé afin d’en
déterminer la densité. Puisque l’hypothèse que la densité a un effet direct avec l’imprégnation est posée, un
échantillon de chaque planche se retrouve dans chaque séquence. De plus, les échantillons ont été distribués
de sorte que chaque séquence ait sensiblement la même moyenne de densité.
Voici la méthodologie utilisée pour les expériences avec le premier prototype du banc d’essai,
1. 48 heures dans la salle de conditionnement à 80 % d’humidité et 21°C.
2. Mesurer au pied à coulisse 2 dimensions de chaque côté de chacun des échantillons, voir Figure 26 :
Figure 26 : Représentation des dimensions mesurées sur les petites planches.
3. Peser chacun des échantillons avec une balance.
4. Si cela s’applique : mettre les 3 couches de peinture imperméables sur 5 des 6 faces et laisser
sécher.
5. Peser les échantillons avec la peinture imperméable.
41
Les étapes du post traitement suite à l’imprégnation sont les suivantes :
1. Essuyer de tous les côtés jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de formulation liquide en surface.
2. Peser les échantillons.
2.3.3 Résultats
La section suivante présente quatre expériences. La première procédure de chaque expérience est l’essai
témoin puisque le vide n’est pas effectué, c’est seulement l’échantillon qui est plongé dans la formulation pour
un temps variable selon l’expérience, puis retiré.
Expérience I (A B C D E)
L’expérience I est effectuée avec de la peinture imperméable sur toutes les faces sauf une. Cela a permis
d’essayer différentes séquences afin de savoir si une séquence particulière peut mener à un gain de masse
supérieur, voir Tableau 2. La première expérience, telle que mentionnée plus haut, n’implique pas de vide.
L’échantillon est descendu dans la formulation pour une durée de 60 secondes. Cela permet de donner un
indicateur du gain de masse obtenu seulement avec la capillarité. Dans le cas présent, le gain de masse est
nul.
Tableau 2: Séquence d’opération de l’expérience I
Étapes
Procédure Nombre d’essais
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
A 3 ↓ 60s ↑ - - - - - - - -
B 6 ↓ □ 60s ▣ ↑ - - - - - -
C 6 ↑ □ ↓ 10s ▣ ↑ - - - - -
D 6 ↑ □ ↓ 10s ▣ ↑ Vide ↓ 10s ▣ ↑
E 3 ↓↓ □ 60s ▣ ↑* - - - - - - ↓ : Descendre l’échantillon en surface de la formulation, ↓↓ : Descendre l’échantillon complètement submergé dans la
formulation, ↑ : Remonter l’échantillon hors de la formulation, □ : Faire le vide dans l’autoclave à 20 mBar, , ▣ : Relâcher le
vide.
La séquence B est la même que l’expérience A à l’exception qu’elle implique que le vide est fait dans l’autoclave.
Dans ce cas, le gain de masse obtenu est de 8% ce qui permet déjà de confirmer que le vide a un effet
considérable sur l’imprégnation.
Les séquences C et D, voir Figure 27, font respectivement un et deux cycles de vide avec un contact de
l’échantillon avec la formulation de 10 secondes par cycle. Dans le cas de ces séquences, le vide est fait avant
que l’échantillon soit plongé dans la formulation puis relâché lorsque l’échantillon est dans la formulation. Cela
permet en premier lieu de comparer si cette séquence et le nombre de cycles ont un effet particulier sur
l’imprégnation. Il est ainsi possible de remarquer, à la lumière des résultats obtenus, que le fait de faire plusieurs
cycles de vide n’ajoute pas de gain significatif du gain de masse. Dans le cas de cette expérience, le gain de
42
masse a même diminué. Cela peut être attribué à plusieurs facteurs. Premièrement, le bois est un matériau très
hétérogène et il n’est pas rare d’avoir une grande variabilité dans densité même et la grosseur des pores de
chaque échantillon. Cela peut bien évidemment modifier la façon dont la formulation s’imprègne à l’intérieur du
bois lorsque le vide est fait. Cependant, l’explication la plus probable reste la suivante; il a été discuté au chapitre
1 comment un pore idéal se comporte en présence de vide à l’intérieur d’un liquide. Lorsque le vide est fait, l’air
contenu dans le pore cherche à s’échapper. Ainsi, lors du deuxième cycle de vide, lorsque l’échantillon est hors
de la formulation, l’air contenu dans le pore vient pousser la formulation à l’extérieur. Ce qui fait en sorte que le
premier cycle imprégnation ne sert à rien puisque le liquide qui s’est imprégné est par la suite expulsé.
Il est également possible de remarquer que la séquence C a permis un gain de masse supérieur à la séquence
B malgré le fait que la séquence C a seulement été dans la formulation pour un temps de 10 secondes par
rapport à l’échantillon B qui a été un total de 60 secondes. Ce qui semble expliquer la différence de gain de
masse entre les deux séquences est le moment quand le vide a été fait dans la séquence. En effet, dans la
séquence B, l’échantillon est mis en contact avec la formulation puis le vide est fait. En contrepartie, dans la
séquence C, le vide est fait avant que l’échantillon soit mis en contact avec la formulation puis relâché lorsque
l’échantillon est dans celle-ci. Tel qu’expliqué plus tôt, lorsque le vide est fait, l’air à l’intérieur du pore s’échappe.
Il est donc possible de supposer que lorsque le vide est fait quand l’échantillon est dans la formulation, celle-ci
vient créer une résistance et ce n’est pas tout le volume d’air qui est dans le pore qui peut s’échapper. Ainsi, le
gain de masse s’en trouve réduit.
Finalement, lors de la séquence F, l’échantillon était plongé complètement dans la formulation. Tel qu’expliqué
dans le paragraphe précédent, l’ordre de la séquence d’opération fait en sorte que l’imprégnation est limitée par
le fait que l’échantillon est plongé dans le liquide lorsque le vide est fait.
43
Figure 27 : Pourcentage de gain de masse obtenu des différentes séquences d’imprégnation sous vide effectuées
pour l’expérience I.
En conclusion, certains éléments sont à retenir afin de pouvoir maximiser l’imprégnation sous vide, selon les
observations faites à la suite de cette expérience :
Il est important de faire le vide avant que l’échantillon touche à la formulation et de relâcher le vide
lorsque l’échantillon se trouve dans la formulation.
Il n’est pas nécessaire de faire plusieurs cycles de vide, un seul suffit.
Le temps que l’échantillon se trouve dans la formulation n’a pas d’importance. En d’autres mots, il n’est
pas nécessaire de faire tremper l’échantillon durant une longue période de temps.
Expérience II (F G H I J)
L’expérience II , Tableau 3, subissait le même protocole que l’expérience I, la seule différence entre les deux
est que dans l’expérience II, les échantillons n’étaient pas recouverts de peinture imperméable.
La procédure F n’impliquait pas de vide. Il est possible d’observer que son gain de masse est plus faible que
les autres procédures qui impliquaient toutes du vide. Les résultats des procédures G et H sont pratiquement
semblables. La seule différence est que la procédure G implique de l’imprégnation sur une seule surface tandis
que la J est complètement submergée dans la formulation. Il est donc logique d’observer un gain de masse
supérieur dans le cas de la procédure E du Tableau 2. En effet, la surface en contact avec la formulation est
plus grande. En revanche, dans le but d’effectuer un procédé industriel d’imprégnation sous vide pour des lames
de plancher de bois franc, il serait inutile d’immerger complètement le bois, car le plancher a seulement une
surface exposée.
0%
8%
25%
12%
4%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
A B C D E
Po
urc
enta
ge d
e ga
in d
e m
asse
Séquence d'essai
44
Tableau 3 : Séquence d’opération de l’expérience II
Étapes
Procédure Nombre d’essais
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
F 3 ↓ 60s ↑ - - - - - - - -
G 6 ↓ □ 60s ▣ ↑ - - - - - -
H 6 ↑ □ ↓ 10s ▣ ↑ - - - - -
I 6 ↑ □ ↓ 10s ▣ ↑ Vide ↓ 10s ▣ ↑
J 3 ↓↓ □ 60s ▣ ↑ - - - - - - ↓ : Descendre l’échantillon en surface de la formulation, ↓↓ : Descendre l’échantillon complètement submergé dans la
formulation, ↑ : Remonter l’échantillon hors de la formulation, □ : Faire le vide dans l’autoclave à 20 mBar, □X : Faire le vide
dans l’autoclave à X mbar, ▣ : Relâcher le vide.
Les procédures G à I inclusivement impliquaient de l’imprégnation de surface, car l’échantillon n’était trempé
qu’à la moitié de son épaisseur, voir Figure 25. Parmi ces essais, c’est la procédure G qui a obtenu les gains
de masse moyens les plus importants avec un gain de masse de 25%, voir Figure 28. Cependant, il est important
de noter que la densité moyenne des échantillons ayant subi cette procédure était la plus faible avant traitement.
Des expériences effectuées précédemment ont démontré qu’il y a une relation inversement proportionnelle entre
la densité et le gain de masse. En effet, moins un échantillon est dense, plus il y a d’espace pour laisser entrer
la formulation. Il est donc impossible d’affirmer hors de tout doute que la procédure G est celle qu’il faudra
privilégier.
Ensuite, en comparant les procédures H et I, il est possible de tirer des conclusions intéressantes. La procédure
I est la procédure H répétée deux fois. Cependant, les gains de masses ne sont pas significativement différents
entre ces deux procédures, 18% pour H et 19% pour I. Il est donc possible d’éliminer la procédure I puisqu’elle
prend deux fois plus de temps que la procédure H et ne permet pas d’obtenir des gains de masses
significativement supérieurs.
Dans le but d’industrialiser un procédé dans une usine de planchers de bois franc, ce sont les méthodes G et H
qui s’avèrent les plus intéressantes. Tandis que la méthode G permet le gain de masse le plus important avec
25%. La méthode H permet un gain de masse qui s’en rapproche avec 18%, mais un temps de cycle six fois
moins long. Ce sera donc aux industriels de choisir le compromis qu’ils seront prêts à faire entre le gain de
masse et le temps de cycle.
45
Figure 28 : Pourcentage de gain de masse obtenu des différentes séquences d’imprégnation sous vide effectuées
pour l’expérience II.
Pour le moment, ces résultats permettent d’obtenir une bonne idée des procédures qui semblent efficaces dans
le but d’effectuer un procédé industriel de densification de lames de plancher de bois franc.
Selon les résultats obtenus lors de cette expérience, l’élément le plus important à retenir de cette expérience :
Le temps de contact et d’attente de l’échantillon dans la formulation n’a pas une influence significative
sur la maximisation du gain de masse.
7%
25%
15%
19%
33%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
F G H I J
Po
urc
enta
ge d
e ga
in d
e m
asse
Séquence d'essai
46
Expérience III (K L M N O)
L’expérience III, Tableau 4, avait pour but de déterminer si le niveau de vide créé dans l’autoclave lors de
l’imprégnation a une influence sur le gain de masse. Tel que vu au chapitre 1, le théorème de Fito ainsi que les
simulations faites sur Simulink du chapitre 2 suggèrent que plus le niveau de vide est bas, plus l’imprégnation
est grande. C’est pour cette raison que le protocole de chaque échantillon testé était le même à l‘exception du
niveau de vide utilisé.
Tableau 4 : Séquence d’opération de l’expérience III
Étapes
Procédure Nombre d’essais
1 2 3 4 5
K 8 ↓ 40s ↑ - -
L 8 ↓ □500 40s ▣ ↑
M 8 ↓ □750 40s ▣ ↑
N 8 ↓ □250 40s ▣ ↑
O 8 ↓ □ 40s ▣ ↑ ↓ : Descendre l’échantillon en surface de la formulation, ↑ : Remonter l’échantillon hors de la formulation, □ : Faire le vide dans
l’autoclave à 20 mBar, □X : Faire le vide dans l’autoclave à X mbar, ▣ : Relâcher le vide, Xs : Attendre le nombre de secondes
indiquées.
Les résultats obtenus semblent aller en ce sens malgré le fait que le peu de tests fait pour chacune des
séquences et que, de ce fait, l’écart type est grand. En effet, la première séquence effectuée à 1000 mbar, soit
la pression atmosphérique a obtenu un gain de masse presque nul, Figure 29. Ensuite, les gains de masses
sont de plus en plus élevés plus le niveau de vide est bas jusqu’à la dernière séquence où celui-ci est de 5%.
Dans le cas de l’expérience III, c’est probablement le nombre d’expérience effectué qui n’est pas assez suffisant
pour obtenir un résultat précis et répétable. Cependant, il est possible d’émettre une hypothèse quant à la
diminution du gain de masse pour cet essai. La formulation a une pression de vapeur qui a été possible d’estimer
en effectuant le vide le plus bas possible dans l’autoclave et de constater qu’elle est atteinte à environ 5 mbar.
En s’approchant de la pression de vapeur de la formulation avec la dernière séquence à 22 mbar, il est possible
que les propriétés physiques telles que la viscosité et la tension de surface changent et affectent ainsi
l’interaction solide liquide qui a lieu entre l’échantillon et la formulation lors de l’imprégnation.
47
Figure 29 : Pourcentage de gain de masse obtenu en fonction de différent niveau de vide pour l’expérience III.
Finalement les éléments à retenir sont les suivants :
Le niveau de vide a une influence significative sur le gain de masse de l’échantillon traité. Plus il est
bas, plus l’imprégnation est grande.
Il est important de prendre en compte la pression de vapeur de la formulation utilisée pour
l’imprégnation.
Expérience IV (P Q R S T)
L’expérience IV, où la séquence s’opération est montré au Tableau 5 avait pour objectif de déterminer si le
temps d’attente dans la formulation avait une influence sur le pourcentage de gain de masse lors de
l’imprégnation sous vide. Il est donc possible de remarquer au Tableau 2 qu’à l’exception de P et T, toutes les
procédures sont semblables, ce n’est que le temps dans la formulation qui varie. P est la procédure témoin qui
n’implique pas de vide tandis que T est une procédure dans laquelle l’échantillon était plongé en totalité dans la
formulation. Les essais Q, R et S avaient un temps de contact avec la formulation qui était respectivement de 2
secondes, 10 secondes et 100 secondes.
0.3%
4.7%
2.0%
7.0%
5.0%
0.0%
2.0%
4.0%
6.0%
8.0%
10.0%
12.0%
0 200 400 600 800 1000 1200
Pou
rcen
tage
de
gain
de
mas
se
Pression dans l'autoclave lors de l'imprégnation [mbar]
48
Tableau 5 : Séquence d’opération de l’expérience IV
Étapes
Procédure Nombre d’essais
1 2 3 4 5 6
P 4 ↓ 10s ↑ - - -
Q 10 ↑ □ ↓ 2s ▣ ↑
R 10 ↑ □ ↓ 10s ▣ ↑
S 10 ↑ □ ↓ 100s ▣ ↑
T 4 ↓↓ □ 10s ▣ ↑ - ↓ : Descendre l’échantillon en surface de la formulation, ↓↓ : Descendre l’échantillon complètement submergé dans la
formulation, ↑ : Remonter l’échantillon hors de la formulation, □ : Faire le vide dans l’autoclave à 20 mBar, ▣ : Relâcher le
vide.
Malgré tout, les résultats présentés à la Figure 30 montrent qu’il ne semble pas y avoir de différence significative
sur le gain de masse et l’imprégnation. Il est possible de remarquer que l’ordre de grandeur des résultats est
pratiquement le même et l’écart type des trois essais se trouve entre 12 % et 18 % de gain de masse. Encore
une fois, la nature du matériau a probablement eu un impact sur la grande erreur que l’on retrouve dans les
résultats.
Figure 30 : Pourcentage de gain de masse obtenu des différentes séquences d’imprégnation sous vide effectuées
pour l’expérience IV.
Finalement, à la lumière des résultats obtenus dans cette expérience, l’élément à retenir est le suivant :
Il est raisonnable d’affirmer que le temps de contact avec la formulation n’a pas d’impact significatif
sur le gain de masse.
La Figure 31 montre le pourcentage de gain de masse en fonction de la densité pour tous les échantillons testés
dans les expériences I à IV. Bien que les échantillons n’aient pas tous subi la même séquence lors des essais,
et que la plage de résultats est variable, il est tout de même possible d’observer que la densité tend à avoir un
0%
15%
12%
16%
18%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
P Q R S T
Po
urc
enta
ge d
e ga
in d
e m
asse
Séquence d'essai
49
effet sur le pourcentage de gain de masse. En effet, plus la densité de l’échantillon est faible, plus le pourcentage
de gain de masse tend à être élevé. En toute logique, plus la densité du matériau est faible, plus il y a de vide à
l’intérieur de celui-ci, donc plus d’espace pour être imprégné.
Figure 31 : Pourcentage de gain de masse de chaque échantillon en fonction de la densité initiale du bois.
2.4 Prototype 2, chambre d’imprégnation unique (CIU)
2.4.1 Conception
Suite aux expériences effectuées sur des échantillons de 4 cm par 4 cm provenant de lame de plancher de bois
franc, un banc d’essai à l’échelle d’une lame de plancher de bois franc a été imaginé et conçu. Ce banc d’essai
est visible en version virtuelle à la Figure 32. Pour le reste du mémoire, son nom de ce banc d’essai sera la
chambre d’imprégnation unique (CIU), car elle permet d’accueillir et de traiter une seule lamelle de plancher.
50
Figure 32 : a) Conception assistée par ordinateur (CAD) du deuxième prototype, la chambre d’imprégnation unique
(CIU) en vue isométrique coupée. 1- Collecteur ; 2- Couvercle ; 3- Écrou rotule ; 4- Lame de plancher ; 5-Chambre
d’imprégnation b) Vue rapprochée en coupe. 6- Pic de soutien ; 7- Lame de plancher ; 8- goupille de
positionnement ; 9- joint d’étanchéité ; 10- Escalier du niveau de liquide.
La CIU comporte une chambre, identifiée par la bulle 5 ainsi qu’un couvercle (2). Sur ce couvercle se trouve un
collecteur (1) qui permet d’accueillir différents types de manomètres ainsi que différents raccords pour des
tuyaux de toute sorte. Cela permet d’améliorer la versatilité de la CIU en pouvant raccorder différentes pompes
sans avoir à utiliser un adaptateur. Un joint d’étanchéité (9) permet d’éviter que l’air entre à l’intérieur lorsque le
vide est fait dans la CIU. Un écrou rotule (3) a été installé afin de tenir le couvercle en place solidement. Lorsque
la planche est imprégnée, elle est toujours à l’envers, car la formulation se trouve au fond de la chambre et c’est
la lame de plancher qui est imprégné. C’est pourquoi, pour ne pas bloquer le contact entre la formulation et la
lame de plancher, des pics de soutiens (6) ont été installés au fond de la chambre. Les petits escaliers (10)
permettent d’ajuster précisément le niveau de formulation dans la chambre, la troisième marche est à égalité
avec les pics de soutiens. La Figure 33 montre la CIU en version finale et réelle. Il est possible de voir sur la
Figure 33 b) la valve de relâchement connectée au collecteur. Lorsque l’imprégnation sous vide est terminée, il
51
est nécessaire d’activer la valve de relâchement afin de rétablir la pression atmosphérique à l’intérieur de la
chambre et ainsi être capable d’ouvrir le couvercle.
Figure 33 : À gauche, une photo de la chambre d’imprégnation unique (CIU) venant d’être usinée. À droite,
couvercle de la CIU avec le collecteur contenant les différentes prises servant à brancher différents types de
manomètres, pompes ainsi qu’une valve de relâchement.
2.4.2 Méthodologie
L’expérience effectuée avec la CIU avait plusieurs objectifs. Le premier était d’établir un protocole afin d’être
capable d’effectuer de l’imprégnation sous vide de façon répétable. Puisqu’il y avait différentes séquences
possibles pour l’imprégnation sous vide, il est nécessaire d’observer s’il est possible d’effectuer une séquence
et d’obtenir des résultats similaires. Ensuite, comme l’objectif final du projet est d’automatiser l’imprégnation
sous vide, chaque étape du protocole doit pouvoir être facilement transposable à un système automatisé.
Finalement, puisque l’équipe de recherche a eu accès à un faisceau d’électrons (MB10-30, Mevex, Stittsville,
Canada) permettant de polymériser le une formulation d’acrylates, il a été possible d’analyser les résultats
d’essais mécaniques de planches de bois imprégnés et polymérisés. La formulation est un système à deux
composantes, un triacrylate ainsi qu’un diacrylate, polymérisé par une réaction radicalaire.
52
Figure 34 : Différentes étapes lors de l’imprégnation sous vide avec le prototype de la chambre d’imprégnation ;
A : Dépôt de la planche dans le prototype de la chambre d’imprégnation, B : Planche déposée du côté plancher
vers le bas, C : Fermeture du couvercle, D : La pompe fait le vide, E : La planche est retirée de la chambre
d’imprégnation.
Les planches utilisées étaient des lames de plancher d’ingénierie de différentes espèces, érable, bouleau jaune,
chêne rouge et jatoba. Avant de commencer l’expérience, chaque planche était sciée en deux et l’indicatif A et
B était marqué sur chaque partie de la planche. La partie A est la planche qui subira le traitement d’imprégnation
puis de polymérisation. La partie B servira d’échantillon témoin à des fins de comparaison.
Les étapes principales de l’expérience conduite avec la CIU sont présentées en image à la Figure 34. En premier
lieu, de la formulation était versée dans la chambre d’imprégnation tout juste au-dessus du dessus des pics de
soutien afin que le plancher soit en contact avec la formulation. Ensuite une planche était déposée à l’envers
dans la chambre d’imprégnation. Le couvercle était par la suite refermé et l’opérateur démarrait la pompe. La
pompe utilisée (Buchi Vacuum Pump V-700) permettait de choisir un niveau de vide précis. Pour cette
expérience, le vide utilisé était toujours le même et il était de 30 mbar. Une fois le vide atteint, l’opérateur arrêtait
la pompe immédiatement et la pression était relâchée. Finalement, la planche était retirée et essuyée à l’aide
d’une raclette. Selon la rapidité de l’opérateur, toutes les étapes énumérées précédemment prennaient entre 30
secondes et une minute.
53
Ensuite, les échantillons de bois ont été conservés dans une chambre tempérée à 20°C et 80% d’humidité
jusqu’à leur départ pour Ottawa où se trouve le faisceau d’électron (MB10-30, Mevex, Stittsville, Canada). C’est
Juliette Triquet, une étudiante au doctorat en chimie faisant parti du CRMR qui a fait le voyage chez Mevex afin
de polymériser les différents échantillons. Les paramètres suivants ont été utilisés pour le faisceau d’électron :
fréquence de 600 Hz et 300 mA de courant de faisceau moyen. Une fois la formulation contenue dans les
planches polymérisée à l’aide du faisceau d’électrons, celles-ci étaient coupées en carrés de 4 cm par 4 cm afin
d’être testées mécaniquement à l’aide d’une presse hydraulique de Brinell 500N (Universal testing machine
QTest /5 Elite Controller (MTS, Eden Prairie,USA) bille de 10 mm). Un profil de densité a également été fait à
l’aide d’un densitomètre (X-ray densitometer QDP-01X Quintek Measurement Systems, Knoxville, USA) afin de
pouvoir observer le gradient de densité qui résulte de l’imprégnation. Finalement, un micro CT-Scan (X-ray micro
computerized tomograph - Bruker model Skyscan 1272) a été utilisé sur quelques échantillons afin d’observer
les pores du bois imprégné.
2.4.3 Résultat
La Figure 35 montre les résultats obtenus de dureté de Brinell 500N (Universal testing machine QTest /5 Elite
Controller (MTS, Eden Prairie,USA) bille de 10 mm) effectué sur les différents échantillons de lames de plancher
de bois d’ingénierie. À gauche de chaque espèce, la barre signifie que c’est l’échantillon B, soit celui qui n’a pas
subi de traitement et à droite celui qui a subi l’expérience de l’imprégnation sous vide dans la CIU ainsi que la
polymérisation. Il y a certaines exceptions, le Jatoba n’a pas été traité parce qu’il constituait une référence. En
effet, le Jatoba, comme d’autres espèces exotiques, est souvent considéré comme une référence en termes de
dureté. Cependant, l’approvisionnement de cette espèce est souvent difficile, car elle se trouve en Amérique
centrale principalement [32]. De plus, le bois décolore avec le temps. C’est donc simplement pour comparaison
qu’une seule planche de jatoba a été testée. Ensuite, le bouleau jaune* est une autre exception, il s’agit d’une
lame de plancher qui a été imprégné à l’aide d’une formulation différente comprenant deux composantes de
monomères. Cette formulation polymérisait en séchant à l’air libre par une réaction d’addition. Il n’était alors pas
nécessaire d’envoyer les planches à Ottawa afin de les passer dans un faisceau d’électron.
L’essai de dureté consiste en l’essai mécanique le plus important dans le processus de recherche de ce projet.
En effet, l’objectif principal de ce projet est d’obtenir un plancher qui est plus durable et cela se traduit
mécaniquement par un plancher qui est plus dense donc plus dur. Cependant, il faut noter que la formulation
utilisée a une grande importance dans les résultats. En effet, tel que vu précédemment, les propriétés physiques
de la formulation telles que sa viscosité, la tension de surface, la densité et la pression de vapeur peuvent
influencer grandement les résultats d’imprégnation. Une formulation moins visqueuse s’imprégnera plus
facilement dans les pores et une formulation avec une faible pression de vapeur pourra être imprégnée à un
vide plus grand, donc une force mécanique plus grande. De plus, la dureté de la formulation une fois polymérisée
54
aura un impact direct sur la dureté du bois final. Les résultats exprimés ici dépendent de façon importante de la
nature de la formulation utilisée et sur laquelle l’étudiant qui travaille sur ce projet n’a aucun contrôle.
Figure 35 : Dureté de Brinell des échantillons de différentes espèces de lames de plancher d’ingénierie imprégné
par la CIU et polymérisés par le faisceau d’électrons de Mévex (MB10-30, Mevex, Stittsville, Canada). Le bouleau
jaune* a été imprégné par une formulation de deux monomères et polymérisé à l’air libre par une réaction
d’addition.
Les résultats obtenus à la Figure 35 montrent qu’avec la formulation d’acrylates, il y a toujours un gain de dureté
significatif malgré l’erreur observée. Le bouleau jaune ainsi que le chêne rouge possèdent tous deux une dureté
initiale semblable à 5.1 et 5 respectivement. Cependant, la diffusion des pores dans ces deux espèces est
complètement différente. La Figure 42 a) et d) montrent une vue macroscopique d’échantillons de bouleau jaune
et chêne rouge respectivement. Le bouleau jaune a de plus petits pores, mais la distribution dans la matrice est
relativement homogène. Le chêne comporte une distribution des pores qui est plus hétérogène que celle du
bouleau jaune, comprenant à la fois des rangées de pores de plus grandes tailles et des rangées pores de plus
petites tailles, voir Figure 42. Ceux-ci semblent être diffusés en couches. Cette différence dans l’anatomie du
bois de ces deux espèces a certainement un impact sur l’imprégnation.
Le gain de dureté obtenu par le traitement d’imprégnation et de polymérisation avec la formulation d’acrylates
est pratiquement le même pour le bouleau jaune (33%) et le chêne rouge (39%). Le résultat final sur l’échelle
de dureté de Brinell est aussi dans le même ordre de grandeur si on considère les barres d’erreur. Il est
également possible de noter que l’érable obtient un résultat similaire en termes de dureté avec traitement avec
7.6, mais le pourcentage d’augmentation (11%) est plus faible. Cela s’explique probablement par le fait que
5.15.0 6.8
6.8
11.5
7.68.1
7.66.5
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
Bouleau jaune Chêne rouge Érable Bouleau jaune* Jatoba
Du
reté
de
Bri
nel
l 50
0N
Non-Traité Imprégné
55
l’érable est un bois qui est beaucoup plus dense que les autres espèces utilisées et qu’il y a moins de volume
libre à l’intérieur afin de laisser entrer la formulation. Le fait que les trois espèces de lames de planchers traitées
avec la formulation d’acrylates ont sensiblement le même résultat de dureté de Brinell final vient appuyer
l’hypothèse selon laquelle la dureté après traitement est dépendante des propriétés de la formulation une fois
polymérisée.
La Figure 36 illustre le gain de masse moyen obtenu pour les différentes espèces de bois. Il est à noter que le
bouleau jaune qui a été traité avec la formulation de deux monomères, a le plus grand gain de masse de tous.
Cependant, en se référant à la Figure 35, c’est également cette formulation qui obtient le plus faible gain de
dureté puisqu’il est négatif. Ce qu’il faut retenir c’est que le gain de masse n’est pas un bon indicateur du résultat
sur les propriétés mécaniques puisqu’ils ne sont pas corrélés. En effet, le gain de masse permet de savoir si la
formulation a pénétré dans le bois et à quelle échelle. Deuxièmement, cela vient encore une fois confirmer que
les propriétés de la formulation une fois polymérisée ont un impact important sur le résultat de dureté finale du
bois et ce, peu importe le gain de masse obtenu lors de l’imprégnation.
Figure 36 : Pourcentage de gain de masse moyen des lamelles de plancher des différentes espèces de bois de
plancher d’ingénierie des échantillons imprégné par la CIU et polymérisés par le faisceau d’électrons de Mévex
(MB10-30, Mevex, Stittsville, Canada). Le bouleau jaune* a été imprégné par une formulation de deux monomères
et polymérisé à l’air libre par une réaction d’addition.
Les échantillons ont pu être analysés de deux différentes façon suite à leur imprégnation. La Figure 37 montre
une vue de côté d’un même échantillon sur le micro CT-Scan (MB10-30, Mevex, Stittsville, Canada) en a) et le
densitomètre (X-ray densitometer QDP-01X Quintek Measurement Systems, Knoxville, USA) en b). Il est
possible d’y observer que les quatre premiers millimètres de l’échantillon consistent en le bois franc. Ensuite, le
reste de l’échantillon allant de 4 à 11 millimètres, représente les différentes couches de contreplaqués
composant les lames de plancher d’ingénierie.
5.2%
6.3%
5.3%
7.21%
0.0%
1.0%
2.0%
3.0%
4.0%
5.0%
6.0%
7.0%
8.0%
9.0%
Bouleau jaune Chêne rouge Érable Bouleau Jaune*
Po
urc
enta
ge d
e ga
in d
e m
asse
56
Figure 37 : Section transversale d’un échantillon d’une lame de plancher de bois franc au micro CT-Scan (X-ray
micro computerized tomograph - Bruker model Skyscan 1272) de bouleau jaune superposée de la moyenne de
densité de 14 échantillons d’une lame de plancher de bois franc au densitomètre (X-ray densitometer QDP-01X
Quintek Measurement Systems, Knoxville, USA).
Pour chacun des graphiques du profil de densité des Figure 38 à Figure 40, la partie importante représente les
quatre premiers millimètres. D’emblée, le bouleau jaune non traité, Figure 38, et l’érable, Figure 40 ont une
densité moyenne avoisinant les 700 g/cm3 tandis que le chêne rouge se situe autour de 600 g/cm3.
57
Figure 38 : Profil de densité des planches de bouleau jaune imprégnées et polymérisées avec la formulation
d’acrylates. Nombre de planches : 5, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7, Nombre d’échantillons par
planche non traitée :4. Pourcentage d’augmentation de la densité : 6%.
De plus, le chêne rouge non traité a une courbe de densité irrégulière, Figure 39, tout au long de sa profondeur.
Cela est dû à la façon dont la porosité est diffusée dans le bois, voir Figure 42.
Figure 39 : Profil de densité des planches de chêne rouge imprégnées et polymérisées avec la formulation
d’acrylates. Nombre de planches : 5, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7, Nombre d’échantillons par
planche non traitée : 2. Pourcentage d’augmentation de la densité : 15%.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Den
sité
[g/
cm3
]
Distance [mm]
Planches avectraitement
Planches témoin
0100200300400500600700800900
1000110012001300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Den
sité
[g/
cm3]
Distance [mm]
Planches avectraitement
Planches témoin
58
En ce qui concerne le profil de densité une fois les échantillons traités, le maximum se situe à 900 g/cm3 à la
fois pour le bouleau jaune et le chêne rouge imprégné par la formulation d’acrylates. Cependant, la profondeur
de l’imprégnation et le volume est plus grand chez le chêne rouge. Cela n’a pourtant pas affecté les résultats
de dureté. En effet, il n’est pas possible de voir une relation entre le pourcentage d’augmentation de la densité
en surface et la dureté. Il est également possible de remarquer que la courbe de densité des échantillons de
bouleau jaune est généralement plus constante que celle des échantillons de chêne rouge. Cela vient du fait
que la distribution des pores dans le bouleau jaune est plus uniforme et homogène que celle du chêne rouge,
voir Figure 42. De plus, le bouleau jaune a subi une augmentation moyenne de sa densité de 6% dans les quatre
premiers millimètres par rapport au chêne rouge qui a subi une moyenne de 15%. Cela s’explique probablement
par le fait que le bouleau jaune est initialement beaucoup plus dense, 700 g/cm3 par rapport à 600 g/cm3 pour
le chêne rouge. Il y a donc plus d’espaces disponible pour faire entrer la formulation. De plus, le chêne rouge
possède des pores ayant un diamètre supérieur au bouleau jaune. Ce qui facilite probablement l’écoulement de
la formulation lors de l’opération sous-vide.
Le profil de densité de l’érable, présenté à la Figure 40, permet de mettre en évidence que bois est de nature
plus dense puisque la moyenne se situe à environ 700 g/cm3. Il est possible de remarquer que l’augmentation
de la densité de 4% est plus faible que pour le bouleau jaune et le chêne rouge. Cela est probablement dû au
fait qu’il y a moins d’espace à l’intérieur pour que la formulation puisse s’imprégner.
Figure 40 : Profil de densité des planches d’érable imprégnées et polymérisées avec la formulation d’acrylates.
Nombre de planches : 1, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7, Nombre d’échantillons par planche non
traitée :2. Pourcentage d’augmentation de la densité : 4%.
La Figure 41 montre le profil de densité moyen de planches de bouleau jaune imprégné et polymérisé avec une
formulation à deux composantes de monomères. Malgré le fait que la formulation ce soit imprégné causant une
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Den
sité
[g/
cm3]
Distance [mm]
Planches avectraitement
Planches témoin
59
augmentation de la densité de l’ordre de 4% dans les 4 premiers millimètres, la dureté n’a pas augmenté, Figure
35. Cela permet de mettre en évidence l’importance des propriétés de la formulation une fois polymérisée afin
d’obtenir un gain de dureté. La formulation à deux monomères n’a pas amélioré les propriétés mécaniques de
surface du bois malgré le fait qu’elle se soit imprégné et ait causé une augmentation de la densité de surface
Figure 41 : Profil de densité des planches de bouleau jaune imprégnées et polymérisées avec la formulation à
deux composantes de monomères. Nombre de planches : 5, Nombre d’échantillons par planche imprégnée : 7,
Nombre d’échantillons par planche non traitée : 4. Pourcentage d’augmentation de la densité : 4%.
À la Figure 42, les échantillons sont positionnés de la même façon que dans le densitomètre. Pour le bouleau
jaune, l’échantillon b) qui se trouve au milieu de la lame de plancher, il est possible de remarquer que les pores
sont beaucoup remplis en surface. Cela contraste avec l’échantillon de bout a), sur lequel une plus petite
quantité de pores semble avoir été remplie de formulation. Ce qui suggère que la lame était probablement voilée
et que ce n’est pas toute la surface de celle-ci qui était en contact de façon constante avec la formulation. Pour
ce qui est du chêne rouge, il ne semble pas y avoir de différence significative entre l’échantillon de bout d) et
celui du milieu e).
Pour les deux espèces de bois, il est possible de remarquer que la densité de pores remplis par la formulation
est plus grande en surface et diminue avec la profondeur. Cependant, ce ne sont pas tous les pores qui sont
remplis proche de la surface. Il est également possible de constater que l’angle des fibres du bois n’est jamais
la même. Il se peut que cela ait un effet sur le résultat de l’imprégnation si un angle donné expose plus de pores
à la formulation.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Den
sité
[g/
cm3]
Distance [mm]
Planches avectraitement
Planches témoin
60
Figure 42 : Bouleau jaune au micro CT-Scan (X-ray micro computerized tomograph - Bruker model Skyscan 1272)
effectué par Mariana Frias de Albuquerque a) Échantillon imprégné et polymérisé localisé à l’extrémité de la
planche ; b) Échantillon polymérisé et imprégné situé au milieu de la planche ; c) Échantillon témoin de bouleau
jaune au micro CT-Scan ; d) Échantillon imprégné et polymérisé localisé à l’extrémité de la planche ; e) Échantillon
polymérisé et imprégné situé au milieu de la planche ; f) Échantillon témoin de chêne rouge.
2.4.4 Expérience d’aplanissement des planches
Avec le temps, les changements d’humidité et de température, les déplacements et autres contraintes, les lames
de plancher peuvent gondoler ou encore bomber dans un sens comme dans l’autre. Cela peut occasionner des
problèmes à l’imprégnation. En effet, lors de l’imprégnation dans la CIU, si la planche est voilée, ce n’est pas
toute la surface du bois de la planche qui est nécessairement en contact avec la formulation. Cela peut donc
affecter grandement la qualité de l’imprégnation. C’est pourquoi une petite expérience avec des poids a été mise
sur place afin de savoir quelle serait la force nécessaire afin d’aplanir les planches, voir Figure 43 b).
61
Figure 43 : A) image schématisée d’une planche voilée. b) Image schématisée d’une planche aplanie à l’aide de
poids. c) Photo d’une planche bombée sur un marbre.
Pour cette expérience, quatre planches ont été mises sur un marbre et des poids ont été ajoutés jusqu’à ce qu’il
ne soit plus possible de voir en dessous de la planche de l’autre côté. Une moyenne de 190 kPa a été obtenue
afin d’arriver à ce résultat. Il sera important de considérer cette particularité lors de la conception industrielle
d’un procédé d’imprégnation sous vide.
62
Chapitre 3 Conception d’un procédé industriel
3.1 Résumé
Une conception assistée par ordinateur d’un prototype d’une cellule automatisée permettant l’imprégnation en
continu de lames de plancher de bois franc a été réalisée. Ce prototype permet d’imprégner une lame à la fois
et a un temps de cycle de 9 secondes atteignant une cadence de production de 0.714 m2/s, ce qui représente
environ un quinzième de la cadence de production de la ligne de finition dans l’usine de planchers de Boa Franc.
De plus, l’estimation de coût détaillée a permis d’évaluer la fabrication d’une telle unité à environ 125 000 $.
Ainsi, ce projet fait la démonstration qu’il est possible d’imprégner en continu des lames de plancher de bois
franc et d’en améliorer les propriétés mécaniques de dureté et densité de surface 10 à 30%. De plus, il sera
toujours possible d’agrandir le prototype proposer pour s’adapter à différents besoins, que ce soit pour traiter
d’autre matériaux que des planchers ou pour avoir une plus grande cadence de production.
3.2 Étapes préalables à la conception
Le développement d’un cahier des charges est une première étape dans l’élaboration de la création d’un
concept. Dans le cadre de ce projet de maîtrise, le but général est de faire la conception d’un procédé industriel
permettant l’imprégnation sous vide de façon automatisée. Cependant, cela peut être fait de beaucoup de façon.
De plus, certains intervenants tels que les partenaires industriels qui contribuent au projet sont en droit de savoir
ainsi que de contribuer à ce que sera le produit fini. En d’autres mots, le cahier des charges permet d’établir des
balises claires sur ce que la machine fera et ne fera pas et de quelle façon cela sera atteignable. Le Tableau 6
présente les caractéristiques techniques visés pour les intrants du prototype. Cela inclut entre autres le matériau
traité, les lames de plancher de bois franc d’ingénierie ainsi que le produit qui permettra l’imprégnation, la
formulation.
Tableau 6 : Caractéristiques techniques visées pour les intrants du prototype.
Données techniques Valeurs
Dimensions des planches 1160 mm de longueur 100 mm largeur 18 mm hauteur
(Planche de longueur moyenne)
Espèces de bois Bouleau jaune, chêne rouge, chêne blanc, érable
Viscosité de la formulation 1 N*s/m2
Densité du liquide 1000 kg/m3
Pression de vapeur du liquide d’imprégnation 10 mbar
Légende :
1- Dimensions des planches : Dimensions hors-tout des planches traitées.
2- Espèces de bois: Espèces des planches traitées.
3- Viscosité de la formulation : Viscosité visée pour la formulation.
4- Densité de la formulation: Densité visée pour la formulation.
5- Pression de vapeur de la formulation : Pression de vapeur visée pour la formulation.
63
Le Tableau 7 présente le cahier des charges permettant d’établir de balises claires avant de commencer la
conception du prototype. Plusieurs éléments ont permis d’en arriver à cette version finale. Premièrement, les
nombreuses expériences effectuées précédemment ont permis d’orienter le fonctionnement. De plus, les
collaborateurs au projet, le directeur André Bégin-Drolet, le codirecteur Pierre Blanchet ainsi que le partenaire
industriel principal Boa Franc, ont tous collaboré afin d’établir les limitations et objectifs du prototype.
Tableau 7 : Cahier des charges du prototype.
# Caractéristique Valeur visée Valeur minimale
Valeur maximale
1 Nombre de planche(s) 1 1 -
2 Vitesse du convoyeur 17 m/min modulables -
3 Cadence 1 planche par min - -
4 Nombre d’interventions humaines 3 - 6
5 Actionnement du convoyeur Motorisé/automatisé - -
6 Entrée dans la chambre d’imprégnation Motorisé/automatisé - -
7 Actionnement du vide Motorisé/automatisé - -
8 Possibilité de pouvoir être agrandie à l’échelle industrielle
Oui, objectif de cadence : 0.55 m2/s
- -
9 Temps entre les planches 1 minute - -
10 Pression minimale dans la chambre d’imprégnation 50 mbar 20 mbar 100 mbar
11 Pression maximale dans la chambre d’imprégnation 90 non -
12 Temps pour atteindre le vide 1 seconde - 2 secondes
13 Temps maximum dans la chambre d’imprégnation 5 secondes - -
14 Nombre de chambre d’imprégnation 1 - 5
15 Hauteur du bâti de la machine excluant les pattes 1 m - 1.5 m
16 Espace au sol nécessaire pour le bâti de machine 1.5 m par 1 m - -
17 Mobilité de la machine nulle - -
18 Longueur de la machine 1.5 m - -
19 Largeur de la machine 1 m - -
20 Vitesse minimum de la planche dans la machine 17 0 -
21 Emplacement du système d’application de la formulation d’imprégnation sur la planche
Avant d’entrer dans la machine
- -
22 Emplacement de la polymérisation Après avoir passé dans la
machine - -
23 Temps total minimal pour imprégner une planche 6 secondes - 15 secondes
24 Type d’imprégnation En surface - -
25 Coût 8 000 $ - 15 000 $
26 Préhensoin de la planche Succion - -
27 Indication du niveau de liquide Capteur électronique - -
28 Récupération de la formulation Système de récupération par
pompage - -
29
Essuyage de la planche après imprégnation Système d’essuyage automatisé de l’excédent de
formulation présent
- -
30 Système de retournement des planches Système de retournement des
planches présent - -
Légende :
1- Nombre de planche(s): Lors de la mise en marche de la machine, celle-ci pourra traiter le nombre de planches indiquées.
2- Vitesse du convoyeur : Vitesse d’avance du convoyeur visée en mètres par seconde.
3- Cadence : Le nombre de planches par minute qui pourra être traité lors de la mise en marche.
64
4- Nombre d’interventions humaines : Le nombre d’interventions humaines pour traiter une seule planche par imprégnation
avec la machine. Les interventions humaines comprennent entre autres de déposer la planche sur la machine, de démarrer
la machine puis de récupérer la planche une fois le traitement terminé.
5- Actionnement du convoyeur : De quelle façon l’avance du convoyeur se fera (manuelle ou motorisée) et de quelle façon elle
sera actionnée (manuelle ou automatisée).
6- Entrée dans la chambre d’imprégnation : De quelle façon l’entrée dans la chambre d’imprégnation se fera (manuelle ou
motorisée) et de quelle façon elle sera actionnée (manuelle ou automatisée).
7- Actionnement du vide : De quelle façon l’actionnement du vide se fera (manuelle ou motorisée) et de quelle façon elle sera
actionnée (manuelle ou automatisée).
8- Possibilité de pouvoir être agrandie à l’échelle industrielle : La machine doit pouvoir être grossie à l’échelle industrielle. Ce
qui signifie qu’il sera possible de garder le même fonctionnement pour que celle-ci puisse être installée de façon
fonctionnelle dans une usine. De plus, il sera possible de grossir certaines pièces afin qu’elle puisse répondre à une plus
grande demande. Par exemple, il sera possible de grossir la chambre d’imprégnation, les pompes et les moteurs, mais le
principe doit rester le même.
9- Temps entre les panneaux : Temps de cycle avant de pouvoir mettre une 2e planche dans le prototype une fois la première
planche a été insérée.
10- Pression minimale dans la chambre d’imprégnation : Pression minimale visée dans la chambre d’imprégnation, celle-ci est
dépendante de la pression de vapeur de la formulation utilisée.
11- Pression maximale dans la chambre d’imprégnation : Pression maximale qui pourra être effectuée dans la chambre
d’imprégnation et que le système pourra supporter.
12- Temps pour atteindre le vide : Une fois la chambre fermée, temps total afin d’atteindre le vide visé.
13- Temps maximum dans la chambre d’imprégnation : Le temps minimum total que la planche devra rester dans la chambre
d’imprégnation.
14- Nombre de chambres d’imprégnation : Le nombre de chambres d’imprégnation que la machine aura afin d’effectuer son
traitement. Une chambre d’imprégnation est un autoclave fermé dans lequel il est possible de contrôler la pression interne.
15- Hauteur du bâti de la machine excluant les pattes : Hauteur hors tout du prototype comprenant les éléments permettant
l’automatisation.
16- Espace au sol nécessaire pour le bâti de la machine : La machine devra avoir un espace disponible au sol afin qu’elle
puisse être en opération et qu’il soit possible de circuler et actionner celle-ci.
17- Mobilité de la machine : Est-ce que la machine sera mobile.
18- Longueur de la machine : Longueur en dimensions hors-tout de la machine.
19- Largeur de la machine : Largeur en dimensions hors-tout de la machine.
20- Vitesse minimum de la planche dans la machine : Puisque la vitesse minimale spécifiée est de 0 m/min, cela signifie que la
vitesse du convoyeur à l’entrée et à la sortie ne sera pas nécessairement constante. Il se peut que, selon le concept choisi,
les convoyeurs s’arrêtent de temps à autre le temps que le bois soit traité dans les chambres d’imprégnations.
21- Emplacement du système d’application de la formulation d’imprégnation sur la planche : La machine appliquera la
formulation durant le procédé.
22- Emplacement de la polymérisation : La machine ne fera pas la polymérisation. Celle-ci devra être faite après avoir récupéré
la planche à la sortie du traitement.
23- Temps total minimal pour imprégner une planche.
24- Type d’imprégnation : Il existe différent type d’imprégnation : axiale, pression, surface et submergé.
25- Coût : Coût total de fabrication et équipement acheté nécessaire au fonctionnement
65
26- Préhension de la planche : De quelle façon la planche sera déplacée entre les différentes étapes du traitement par
imprégnation.
27- Temps total minimal pour imprégner une planche : Le temps de traitement total du traitement à partir du moment où
l’utilisateur
28- Récupération de la formulation : L’excédent de formulation devra être récupéré par un système.
29- Essuyage de la planche après imprégnation : De quelle façon la planche sera essuyée de son excédent de formulation une
fois sorti de la chambre d’imprégnation
30- Système de retournement des planches : La planche est à l’envers lorsqu’elle est imprégnée, il est nécessaire d’avoir un
système de retournement des planches afin de remettre la planche dans le bon sens pour qu’elle poursuive vers une autre
opération.
3.3 Schéma fonctionnel
À la suite du cahier des charges, Tableau 7, un schéma fonctionnel a été effectué afin de déterminer les
différentes étapes du prototype, Figure 44. Les étapes sont divisées en sous-systèmes visibles à la Figure 44.
Les étapes choisies sont inspirées de l’expérience décrite à l’expérience 2.5. Le but est de reproduire le plus
fidèlement possible les manipulations humaines de façon automatisée afin que le procédé soit répétable et
rapide.
66
Figure 44 : Schéma fonctionnel, A- Dépôt de la planche sur le convoyeur ; B- Déplacement de la planche ; C-
Déplacement de la planche vers la chambre d’imprégnation ; D- Fermeture du couvercle de la chambre
d’imprégnation ; E- Le vide est fait dans la chambre d’imprégnation ; F- Relâchement du vide et ouverture du
couvercle ; G- Déplacement de la planche de la chambre d’imprégnation à l’étape suivante ; H- Essuyage de la
planche ; I- Retournement de la planche ; J- Retour de la planche sur le convoyeur ; K- polymérisation de la planche
imprégnée ; L-Remplissage de la chambre d’imprégnation de formulation.
3.4 Conception banc d’essai industriel
Le concept de solution proposé pour ce projet est illustré en vue isométrique à la Figure 45 a). Il peut rentrer sur
une table de 3.7 mètres par 2.4 mètres et possède une hauteur de 1.4 mètre telle qu’illustrée à la Figure 45 b)
et c). Plusieurs itérations ont été nécessaires afin d’arriver à ce concept de solution. Bien qu’illustré sur une
table dans ce mémoire, celui-ci pourrait être intégré directement dans une ligne de production directe ou
parallèle dans une ligne de finition de planchers de bois franc. De plus, comme le partenaire principal du projet
est une compagnie de planchers de bois franc, le prototype est optimisé pour traiter une planche de bois d’une
dimension de 1160 millimètres de longueur par 100 millimètres de largeur par 10 millimètres de haut. Cependant,
il serait possible d’utiliser n’importe quel matériau poreux qui dispose des mêmes dimensions. De plus, le
concept pourrait être modifié pour accueillir des surfaces plus grandes ou plus épaisses afin d’imprégner
d’autres matériaux. Par exemple, un autre partenaire industriel du projet, Canadel, construit des meubles de
67
bois comme des tables. Il pourrait être pertinent pour cette entreprise d’avoir un système qui permettrait de
densifier la surface et ainsi réduire le risque d’égratignure sur la surface. Pour ce faire, il suffirait d’avoir des
convoyeurs plus larges et plus longs, des préhenseurs plus puissants et une chambre d’imprégnation de
dimensions adéquate. Dans le prototype de la solution proposée, certaines pièces sont achetées, d’autres
usinés. Toutes ces pièces achetées sont indiquées dans un fichier et le résumé se trouve à l’analyse de coût.
De plus une estimation de chacune est pièce usinée y est également présente.
Figure 45 : a) Vue isométrique de la solution proposée pour le prototype capable d’imprégner des planches de
bois, les sous-ensembles sont les suivants 1- Mécanisme de la chambre d’imprégnation ; 2- Convoyeurs ; 3-
Mécanisme de déplacement des planches ; 4- Mécanisme de retournement des planches ; 5- Support pour la
solution proposée. b) Vue de dessus de la solution proposée pour le prototype avec dimensions hors tout. c) Vue
de côté de la solution proposée pour le prototype avec dimensions hors tout.
a)
b) c)
68
3.4.1 Système de déplacement des planches
La Figure 46 illustre le système de déplacement des planches. Il s’agit de ce qui est communément appelé dans
l’industrie un « gantry robot ». Cela représente une structure constituée d’extrusions d’aluminium comprenant
une motorisation permettant un mouvement horizontal et vertical de préhenseurs. Les préhenseurs sont
appuyés sur une structure comprenant des blocs de glisse. La transmission de puissance se fait à l’aide de
courroie crantée.
Figure 46 : Mécanisme de déplacement des planches : 1- Motorisation permettant le mouvement horizontal des
préhenseurs ; 2- Motorisation permettant le mouvement vertical ; 3- Structure ; 4- Mouvement horizontal pour les
préhenseurs ; 5- Mouvement horizontal pour les préhenseurs ; 6- Préhenseur de type pneumatique mousse ; 7-
Planche de bois en déplacement.
3.4.2 Préhenseur
Les préhenseur mousse illustrés à la Figure 47 ont été choisis pour déplacer les planches d’une étape du
traitement à une autre. Ces préhenseurs permettent entre autres de manipuler des surfaces irrégulières de
façon solide sans risquer de les échapper. Comme les planches sont toujours déplacées à l’envers, donc de la
surface du plancher vers le bas, le préhenseur doit être capable de prendre celle-ci malgré les craques qui se
trouvent à la surface, Figure 34. À la Figure 46, trois préhenseur mousse sont illustrés afin d’être capable de
soulever la planche d’une longueur de 1160 mm et de 100 mm de large. Des essais ont été faits avec un
69
représentant de la compagnie ICS qui est un fournisseur des préhenseurs Joulin afin de dimensionner ceux-ci.
Un autre avantage que possède ce type de préhenseur est que si un utilisateur souhaite procéder à
l’imprégnation d’une plus petite planche et qu’un seul des préhenseurs mousse est sollicité, les deux autres se
referment automatiquement, de façon à ne pas tirer de l’air dans le vide et ainsi ne pas dépenser inutilement de
l’énergie.
Il est aussi possible de remarquer la présence de deux préhenseurs mousse, le premier, celui de gauche sur la
Figure 46 apporte la planche du convoyeur d’entrée jusqu’à la chambre. Le second apporte la planche de la
chambre d’imprégnation à travers le mécanisme d’essuyage puis le dépose sur le système de retournement des
planches. Ces étapes seront discutées plus loin.
Figure 47 : Illustration des préhenseurs mousse pris directement sur le site internet de Joulin [33].
3.4.3 Chambre d’imprégnation
La chambre d’imprégnation est l’assemblage le plus complexe de tous, car c’est là que le traitement des
planches se fait. Elle comporte beaucoup de particularités et détails qui ont été imaginés à partir des besoins et
objectifs à atteindre. De plus, toutes les expériences et analyses effectuées au chapitre 2 ont permis d’orienter
les choix de conception pour cet assemblage. La Figure 48 montre une vue isométrique de la chambre
d’imprégnation ainsi que le détail de plusieurs éléments principaux. Premièrement, il est possible de constater
que système comprenant le couvercle est assis sur des glissières permettant un mouvement horizontal. Cela
permet de dégager complètement le dessus de la chambre pour qu’un préhenseur puisse y déposer la planche.
Le système mécanique est actionné par des pistons pneumatiques qui ont été dimensionnés adéquatement et
qui possèdent un système d’amortissement afin d’éviter les coups lorsqu’ils sont à la fin ou au début de leur
course. Il sera facile d’augmenter les dimensions de ce système dans des itérations futures si le but est de traiter
des planches plus grosses ou autres types de matériaux.
70
Figure 48 : Mécanisme de la chambre d’imprégnation. 1- Glissière permettant de déplacer le couvercle de façon
horizontale et dégager le dessus de la chambre d’imprégnation ; 2- Support sur lequel la planche vient s’appuyer;
3- Mécanisme permettant le mouvement vertical du couvercle ; 4- Couvercle de la chambre d’imprégnation ; 5-
Chambre d’imprégnation ; 6- Lame de plancher de bois ; 7- Système permettant le mouvement vertical du support.
Le mécanisme de couvercle comporte également deux types d’actuateurs, tous pneumatiques. Le premier
permet d’effectuer un mouvement vertical du couvercle donc d’ouvrir et de fermer la chambre d’imprégnation
lorsque le mécanisme est au-dessus de celle-ci. Le second actuateur est un système qui permet de déplacer
une plaque à la verticale. Cette plaque s’appuie sur la planche sur toute sa surface et une force constante est
appliquée afin d’aplanir la planche au maximum. L’expérience d’aplanissement des planches effectué au
chapitre 2.3.4 a permis de déterminer les forces nécessaires pour aplanir la planche de bois et l’utilité d’avoir
un tel système. Le nom donné à cette plaque est la plaque d’appui.
Le troisième système mécanique se trouvant dans l’ensemble de la chambre d’imprégnation est le support
mobile. À la Figure 48 il s’agit de l’élément identifié par la bulle 2 et le système mécanique qui permet son
mouvement vertical est identifié par la bulle 7. Le détail des trois actuations possibles pour le mécanisme est
illustré à la Figure 49. En a) la planche vient d’être déposée sur le support qui se trouve en dehors de la
formulation. En b) le couvercle est refermé et la plaque d’appui descend également, mais ne s’appuie pas encore
sur la planche. La plaque d’appui est actionnée par des pistons pneumatique avec un interrupteur de type Reed
71
permettant au piston d’être libre dans leurs courses lorsqu’ils ne sont pas actionnés. En d’autres mots, lorsque
le piston qui pousse le couvercle se referme, celui-ci s’appuie sur la plaque d’appui et la pousse jusqu’à l’intérieur
de la chambre d’imprégnation. Sans toutefois que la plaque d’appui soit appuyée sur la planche de bois à cet
instant.
Finalement en c), le support descend la planche de bois à la surface de la formulation. Le déclanchement du
mouvement du support est effectuée par un moteur linéaire très précis et non par des pistons pneumatiques
comme le reste des composantes. Cela permet de descendre la planche à l’interface de la formulation. Afin de
savoir exactement le niveau de liquide de formulation dans la chambre, un capteur optique est utilisé. Ensuite,
la plaque d’appuis vient appuyer sur la planche afin de l’aplanir le plus possible pour imprégner l’entièreté de la
surface.
Figure 49 : Étapes lors de l’imprégnation a) La planche se retrouve dans la chambre d’imprégnation sur le support,
le couvercle est ouvert. b) Le couvercle se referme et la planche poussoir suit. c) Le support descend la planche
dans la formulation et le poussoir descend pour aplanir la planche 1- Couvercle ; 2-Chambre d’imprégnation ; 3-
Poussoir ; 4- Formulation ; 5- Planche de bois ; 6- Support.
72
La Figure 50 montre deux vues en coupe permettant de comprendre différents détails et subtilités de la chambre
d’imprégnation. En b) il est possible de voir les détails du système de support. Le transfert de mouvement vertical
du support est effectué par la barre identifiée par la bulle 10 et l’arbre identifié par la bulle 6. Cette barre est
guidée par deux arbres fixes identifiés par la bulle 8. Tous les arbres sont guidés par des roulements linéaires
identifiés par les bulles 4. Pour la barre mobile 6, la pièce 3 permet de tenir le roulement ainsi qu’une bague
étanche glissante afin d’éviter que la formulation s’échappe par cet endroit. Il est à noter qu’aucune preuve de
concept n’a été effectuée pour le système de glissière puisque le projet n’est pas à l’étape de fabrication. Il est
donc possible que le système de transfert de mouvement et l’étanchéité ne soit pas adéquate pour l’utilisation
prévue. Cependant, le dimensionnement des éléments mécaniques a été conçu en fonction des forces
engendrées par le système et s’avère adéquat pour que chaque pièce puisse supporter les contraintes. Les
éléments qui pourraient ne pas fonctionner dans le système présenté sont les suivants; premièrement,
l’étanchéité de la bague étanche glissante n’est pas garantie. Il serait nécessaire de faire des essais d’étanchéité
à long terme et de s’ajuster selon les résultats. De plus, le guidage par des barres fixes est un élément qui
permet de réduire les contraintes engendrées dans la barre et de réduire minimalement la déflexion de celle-ci.
Cependant, il est possible que le fait d’avoir quatre arbres guidés, deux pour le transfert de mouvement et deux
pour le guidage, provoque un effet tiroir et par le fait même un état hyper-statique dans la barre de transfert. Il
serait donc nécessaire de faire des essais afin de confirmer ou d’infirmer cette hypothèse. Dans le cas où de
l’effet tiroir serait observé, la solution pourrait être d’ajouter des joints rotule aux extrémités afin de permettre un
mouvement libre.
73
Figure 50 : a) Vue de dessus avec illustration de la coupe effectué en b). b) Vue en coupe montrant le détail des
glissières et de la table de support 1-Anneau élastique permettant d’isoler l’air ; 2- Bague étanche glissante;
3- Glissière, pièce permettant de tenir le roulement linéaire et les anneaux élastiques ; 4- Roulement linéaire ; 5-
Circlip ; 6- Barre permettant le transfert de mouvement vers le support ;7- Barre permettant le guidage de la
structure ;8- Serrage d’arbre ; 9- Mouvement de la structure ; 10- Barre de transfert c) Vue de dessus avec
illustration de la coupe effectué en d). d)11- Capteur de niveau de liquide ; 12- Collecteur permettant de tenir le
capteur 13- Ouverture permettant le passage libre de l’air et la formulation entre le collecteur et la chambre
d’imprégnation.
Analyse par éléments finis
Le guidage par des arbres fixe est un choix de conception qui a été fait pour plusieurs raisons. La Figure 51 a)
montre une analyse statique par éléments finis de la barre de transfert sans le guidage et le b) avec les arbres
guidant. Dans les deux cas, l’image montre la déflexion initiale en transparent et la déflexion finale avec une
échelle de 15 000%. Les flèches représentent la pression appliquée par les arbres qui transfèrent le mouvement
et chaque arbre transmet 1000 N. En réalité, la force maximale appliquée sera environ de 100 N, mais pour
l’analyse il était pertinent de choisir une force plus grande afin de voir où se situe la contrainte maximale ainsi
que la déflexion. Le premier avantage du guidage est que la contrainte maximale de von-Mises est grandement
diminuée. En effet, en a) elle est de 151 MPa et en b) de 111 MPa, ce qui représente une diminution de 26%.
74
De plus, la déflexion de la barre est amoindrie d’environ 8%. Tel qu’expliqué au paragraphe précédent, il est
possible que les tiges de guidage puissent induire un état hyperstatique dans la barre en raison de l’effet tiroir,
c’est pourquoi il sera important d’effectuer une preuve de concept avant de faire le produit final et de s’ajuster
en cas de besoin.
Figure 51 : a) Analyse statique par éléments finis de la barre permettant le mouvement vertical du support de la
planche. b) Analyse statique par éléments finis de contact de la barre permettant le mouvement vertical du support
de la planche avec les guides.
3.4.4 Mécanisme d’essuyage des planches
Le mécanisme d’essuyage des planches a été conçu pour imiter la façon dont les planches étaient essuyées
lors de l’expérience de la chambre d’imprégnation au chapitre 2. Une fois l’expérience d’imprégnation sous vide
complétée, l’excédent de formulation était essuyé à l’aide d’une raclette avec une lame en caoutchouc. La Figure
52 montre le mécanisme d’essuyage qui est proposé pour le prototype automatisé. Il est constitué d’un bac de
récupération de formulation identifiée par la bulle 2, de lames de caoutchouc identifié par la bulle 3 ainsi que
d’une tôle d’acier, identifié par la bulle 1, qui permet de récupérer la formulation qui pourrait couler lorsque la
planche passe de la chambre d’imprégnation au mécanisme d’essuyage. Le principe est simple, le préhenseur
vient frotter la planche sur les lames de caoutchouc et la formulation tombe dans le bac.
75
Figure 52 : Mécanisme d’essuyage des planches a) La planche est tenue par le préhenseur avant de passer dans
le mécanisme d’essuyage 1- Tôle permettant de récupérer l’excédent de formulation qui peut tomber lorsque la
planche est transportée entre la chambre d’imprégnation et le mécanisme 2- Bac de récupération de formulation
3- Caoutchouc permettant l’essuyage b) La planche est déplacée par le préhenseur sur les caoutchouc. c) Fin de
l’essuyage.
Ensuite, la Figure 53 montre de façon schématique comment la formulation est récupérée à partir du réservoir
de récupération jusqu’à la chambre d’imprégnation. À l’aide du capteur optique E, il est possible de savoir si le
niveau de liquide de formulation dans la chambre est adéquat, trop élevé ou pas assez élevé. Si le niveau est
trop élevé, c’est la valve 2 voies F qui ouvre afin d’abaisser le niveau. Si le niveau de liquide de formulation est
trop bas, la pompe B démarre et la valve C ouvre tranquillement afin de faire monter le liquide dans la chambre
graduellement. Toutes les étapes sont décrites dans le schéma d’automatisation présenté à la Figure 54.
Figure 53 : A-Réservoir de récupération de formulation B-Pompe C-Valve trois voies D-Chambre d’imprégnation
E-Capteur du niveau de liquide F- Valve de drainage.
76
Figure 54 : Schéma d’automatisation du système de remplissage de formulation de la chambre d’imprégnation.
3.4.5 Mécanisme de retournement des planches
Le mécanisme de retournement des planches est la dernière étape avant que la planche ne retourne à
l’utilisateur. Tout au long du processus de traitement dans le prototype, les planches sont à l’envers, il est plus
facile d’imprégner la lame de plancher de cette façon, car celle-ci peut tremper à l’interface de la formulation
liquide. Cependant, dans une usine de bois franc, les planches circulent généralement à l’endroit. C’est pourquoi
avant de rendre la planche à l’utilisateur les planches sont retournées. La Figure 55 présente les étapes du
retournement de la planche.
77
Figure 55 : Étapes du mécanisme de retournement des planches, a) 1- Motorisation permettant à la plaque d’avoir
un mouvement de rotation ; 2-Plaque de retournement 3-Planche de bois ; 4-Convoyeur b) Planche en
retournement. c) Planche retournée complètement. d) La planche est déplacée par le convoyeur.
3.4.6 Séquence d’opération
La Figure 56 illustre les différentes étapes de l’imprégnation. Il est possible de se référer au Tableau 8 afin de
voir chacune des étapes pour chaque planche en cours de traitement. Le principe pour la solution proposée
pour ce prototype est le suivant : un utilisateur dépose la planche à l’envers et démarre le prototype qui fait
ensuite tout le travail sans qu’il n’y ait de manipulations humaines par la suite. Une fois le traitement effectué,
après 20 secondes, l’utilisateur peut récupérer la planche, celle-ci sera retournée à l’endroit, imprégnée et
polymérisée. À la Figure 56 plusieurs planches se trouvent en traitement à différents moments, mais c’est la
planche entourée ou indiquée par des flèches blanches qui est la principale. La planche jaune est déjà en cours
de traitement lorsque la planche blanche se fait déposer sur le convoyeur à l’étape 1. Les planches bleu et verte
sont ajoutés au système par la suite. À l’étape 1, la planche blanche est déposée par l’utilisateur et l’opération
commence, puis à la dernière étape, la 14, après 20 secondes, la planche a terminé son traitement et elle est
prête à être récupérée par un utilisateur. À l’étape 7, après 9 secondes, une seconde planche peut être déposée
sur le convoyeur afin d’être traitée et ainsi de suite. Cela signifie que le système a un temps de cycle de 9
secondes. Puisque les planches traitées ont une dimension de 1190 par 90 mm, la cadence obtenue est de
0.714 m2/min.
78
Figure 56 : Étapes de la séquence pour le traitement d’une planche dans le prototype. Voir Tableau 8 pour la
description de chacune des étapes.
79
Tableau 8 : Étapes de la séquence d’opération pour le traitement d’une planche dans le prototype.
Étape JAUNE BLANC BLEU VERT Temps pour
l’étape
Temps depuis le
début
1 G A - - - 0
2 H B - - +2 2
3 I C - - +1 3
4 J D - - +1 4
5 K E - - +2 6
6 L F - - +2 8
7 M G A - +1 9
8 N H B - +2 11
9 - I C - +1 12
10 - J D - +1 13
11 - K E - +2 15
12 - L F - +2 17
13 - M G A +1 18
14 - N H B +2 20 Légende :
A. La planche est déposée sur le convoyeur par un utilisateur
B. Le convoyeur déplace la planche vis-à-vis la zone de travail
C. Le préhenseur 1 prend la planche et se dirige vers la chambre
D. Le préhenseur 1 se dirige vers la chambre avec la planche
E. Le préhenseur 1 passe par-dessus le couvercle avec la planche
F. Le préhenseur 1 dépose la planche dans la chambre, se retire, puis le couvercle se referme
G. Le vide est fait dans la chambre, la planche est descendue dans la formulation
H. Le vide est relâché
I. Le couvercle ouvre et dégage la chambre
J. Le préhenseur 2 récupère la planche et se dirige vers le mécanisme d’essuyage
K. La planche est en processus d’essuyage
L. Le préhenseur 2 déplace la planche vers le mécanisme de retournement
M. Le préhenseur 2 dépose la planche sur le mécanisme de retournement et se retire
N. Le mécanisme de retournement dépose la planche sur le convoyeur 2 et celui-ci déplace la planche vers son extrémité
3.5 Analyse de coût
Suite à la conception du prototype, une analyse de coût détaillée a été faite. Le résumé de cette analyse,
présentée au Tableau 9 a été séparé en catégories, qui sont présentées à la première colonne. Les catégories
sont généralement des sous-ensembles du prototype ou des groupes d’éléments qui s’apparentent. Pour
chacune des catégories, il y a trois sous-ensembles qui ont été ventilés.
Le premier est le coût des composantes électriques et mécaniques achetées. Ce sous-ensemble comprend
tous les éléments qui devront être achetés afin d’arriver au prototype final en excluant les bruts de métal qui
serviront à fabriquer des pièces sur mesure. Afin d’obtenir un résultat détaillé des coûts, chaque composante
80
achetée a été trouvée dans des catalogues en ligne ou encore auprès de fournisseurs. Il est donc possible de
retracer le coût de chacune des pièces incluant les frais associés à chacune de celle-ci comme la livraison ou
encore les taxes.
Le deuxième sous-ensemble est le coût du brut. Pour chacune des pièces conçues dans le prototype, il est
possible de savoir le volume à l’aide du logiciel PTC Creo qui est utilisé. Pour l’analyse de coût, le volume de
chaque pièce a été multiplié par 3 afin d’obtenir le volume du brut comprenant les pertes. Le Tableau 10 indique
la densité ainsi que le prix des métaux qui ont été calculés afin d’obtenir le coût final.
Finalement le dernier sous-ensemble, les coûts de fabrication, comprend le temps que le technicien doit passer
à programmer la pièce puis le temps d’usinage. Le taux horaire est indiqué au Tableau 10. Pour ce faire,
l’estimation du temps de programmation et d’usinage est faite à l’aide du jugement du concepteur, car il n’y a
pas de façon d’estimer exactement le temps requis. Afin d’avoir une marge de manœuvre, le temps est multiplié
par trois.
Tableau 9 : Analyse de coût du prototype de la solution proposée.
Catégorie Coût des composantes
électriques et mécaniques
achetées
Coût du brut Coût de fabrication TOTAL
Bras du gantry 6 783.80 $ 763.96 $ 7 200.00 $ 14 747.76 $
Structure du gantry 7 814.79 $ 330.29 $ 3 528.00 $ 11 673.08 $
Chambre d'imprégnation
5 169.78 $ 334.50 $ 4 605.00 $ 10 109.28 $
Mécanisme de couvercle
5 974.00 $ 364.38 $ 7 860.00 $ 14 198.39 $
Mécanisme de retournement
229.56 $ 37.70 $ 840.00 $ 1 107.26 $
Mécanisme d'essuyage
297.53 $ 388.55 $ 2 280.00 $ 2 966.08 $
Pneumaqique 6 996.20 $ - $ - $ 6 996.20 $
Autre (Tables, Convoyeur,
Automate, Remplissage,
Capteurs, Pompe à vide)
27 973.98 $ - $ - $ 27 973.98 $
TOTAL 61 239.64 $ 2 219.38 $ 26 313.00 $ 89 772.03 $
Total avec imprévus (+40%)
125 680.84 $
81
Tableau 10 : Précisions du coût des matériaux et de l’usinage qui ont été utilisés pour l’analyse de coût.
En somme, la majorité des coûts se trouve dans la catégorie des composantes électriques et mécaniques
achetées puisque le total estimé excède 60 000 $. Ensuite ce sont les coûts de fabrication avec environ 25 000$
puis les coûts du brut qui sont négligeables. En regardant l’analyse de coût par catégories, c’est la catégorie
¨Autre¨, comprenant les gros équipements mécaniques et électroniques ainsi que d’autres éléments essentiels
achetés qui possède la plus grande part. Le total s’élève à environ 90 000$. Cependant, le projet comprend un
risque technologique très grand. En effet plusieurs éléments, par exemple les tiges qui transfèrent la force ou
encore le pompage de la formulation de liquide n’ont jamais fait l’objet de preuve de concept. C’est pourquoi
une contingence de 40% a été ajoutée afin de s’assurer que le prix s’approche le plus de la réalité.
Coût Élément
2.20 $/kg Acier
15.40 $/kg Aluminium
8 g/cm3 Acier
2.7 g/cm3 Aluminium
60 Usinage taux horaire [$/h]
82
Conclusion
La faible dureté du bois de surface constitue un frein à l’utilisation du matériaux bois dans les planchers d’édifices
commerciaux. Des processus permettant d’augmenter la densité et la dureté du bois sont connus mais
l’utilisation de ces processus à l’échelle industrielle est encore embryonnaire. La revue de littérature réalisée
dans ce mémoire a permis de tirer plusieurs conclusions : tout d'abord, la densification des matériaux poreux,
quels qu'ils soient, a révélé que l’imprégnation sous vide est le procédé le plus utilisé. En effet, que ce soit dans
les matériaux très dur comme les roches ou le métal, ou encore dans les matériaux plus malléables comme la
nourriture, l’imprégnation vient toujours en tête de liste. Les méthodes alternatives de densification telle que la
compression mécanique sont rarement préférables. Les raisons sont multiples, mais particulièrement parce que
les matériaux ont généralement des propriétés élastiques et qu’ils reprennent leur forme initiale une fois
compressée s’ils ne subissent pas de traitement particulier. De plus, la compression ou encore le traitement par
différents procédés chimiques et thermique peuvent s’avérer inefficaces et surtout très coûteux en énergie et
en temps. À la lumière des résultats obtenus par Fito et al.(1993) et à l’aide des équations classiques de
mécanique des fluides, il est possible de constater que l’imprégnation sous vide permet une pénétration
beaucoup plus grande qu’une simple immersion dans le liquide. Lorsqu’un solide est submergé dans un liquide
à pression atmosphérique, ce sont uniquement les pressions capillaires qui ont un effet sur la pénétration du
liquide dans le solide. Ceux-ci sont très faibles et ne permettent une pénétration qui n’est généralement pas
significative. Lorsque le solide subit un procédé d’imprégnation sous vide, les effets sont amplifiés de 450 fois
dans le cas de l’étude de la pomme menée par Fito et al.[8] en raison du mécanisme hydrodynamique (HDM).
Les simulations permettant de valider le théorème de Fito ainsi que les équations générales d’écoulement de
fluide ont permis de bien comprendre l’influence de la grosseur des pores, du niveau de vide, du temps passé
dans l’autoclave ainsi que de la température et de la viscosité du fluide. La connaissance de l’influence de ces
propriétés a permis d’orienter les expériences effectuées par la suite. En résumé, selon les équations analysées,
moins le liquide utilisé comme formulation est visqueux, mieux il s’imprègne. De plus, plus la force mécanique
est grande, plus le vide sera petit, et donc plus l’imprégnation sera grande.
Le premier prototype de séquence d’opération a permis d’obtenir certaines précisions quant au protocole à
utiliser. En premier lieu, le temps dans l’autoclave n’a pas d’influence sur l’imprégnation. De plus, Il a aussi été
possible de confirmer qu’il n’est pas nécessaire d’effectuer plusieurs cycles de vide, car cela n’améliore pas les
résultats de l’imprégnation. En effet, lors du deuxième cycle de vide, l’air contenu à l’intérieur des pores sort et
pousse la formulation qui a pu entrer à l’intérieur lors du premier cycle venant ainsi annuler la première
imprégnation.
La chambre d’imprégnation unique (CIU) est l’expérience qui se rapproche le plus de ce qui pourra être fait de
façon automatisée et à l’échelle industrielle. Le fait d’utiliser de vraies lames de plancher d’ingénierie a permis
83
de déterminer des manipulations pouvant être transposées à plus grande échelle. De plus, dans cette
expérience, il a été possible de faire polymériser plusieurs échantillons et de les tester mécaniquement puis de
les analyser. Les étapes de l’expérience prenaient entre 30 secondes et 1 minute, il est donc possible d’imaginer
qu’une machine à l’échelle industrielle pourra aller à une vitesse beaucoup plus grande. Les résultats obtenus
suite aux essais mécaniques de dureté de Brinell 500 N (Universal testing machine QTest /5 Elite Controller
(MTS, Eden Prairie,USA) bille de 10 mm) ont permis de montrer l’influence de la formulation sur le résultat final
des propriétés mécaniques. En effet, peu importe la quantité de formulation imprégnée dans le bois, si celle-ci
n’est pas dure une fois polymérisée, les propriétés mécaniques ne seront pas améliorées. Il est possible
d’affirmer cela en constatant la dureté de la formulation de deux composantes de monomères dans le bouleau
jaune qui n’a pas augmenté malgré un gain de masse important.
De plus, il a été possible d’observer que la formulation d’acrylates a amélioré la dureté de trois espèces de
plancher en atteignant environ la même dureté finale. Cela permet de postuler que les propriétés de la
formulation jouent un rôle important dans les résultats de dureté.
Le Tableau 8 présente à nouveau le cahier des charges avec deux nouvelles colonnes montrant les valeurs
estimées obtenues pour la proposition du prototype final puis une dernière colonne indique si la caractéristique
a été atteinte totalement, indiqué par un « Oui », en partie, indiqué par un « En partie » ou non atteint, indiqué
par un « Non ». Sur les 30 caractéristiques initiales, 20 ont obtenu la mention « oui », 4 « En partie » et 6
« Non ». La majorité des caractéristiques visés initialement ont été rencontrés. En somme, les caractéristiques
importantes concernant la performance, telle que la cadence et vitesse de l’imprégnation, le mode
d’imprégnation et l’automatisation du système ont pu être rencontrés. Les caractéristiques qui ont obtenu la
mention « En partie » sont principalement des éléments qui ont été modifiés ou qui ne s’appliquent plus. La
vitesse visée pour le convoyeur n’est pas rencontrée mais celle-ci est futile puisque la cadence visée est
rencontrée. De plus, le capteur de niveau de liquide n’est plus électronique mais il est tout de même présent.
Les dimensions finales obtenus sont légèrement plus grandes que celles visées au départ, de ce fait, toutes les
caractéristiques visées pour les dimensions n’ont pas pu être rencontrées. Cependant, la cadence de production
estimée est supérieure à celle qui était visée et les dimensions finales obtenues ne demandent pas un espace
énorme à l’échelle d’une usine.
L’analyse de coût a démontré que le coût envisagé initialement était beaucoup trop faible. En effet, l’objectif visé
initialement était d’obtenir des coûts variant entre 8000 $ et 15 000 $. Toutefois analyse de coût détaillée a
permis d’estimer un coût total de fabrication dépassant les 125 000$. En revanche, il serait difficile de baisser
le coût du projet sans en altérer les performances de la cellule automatisée.
84
Tableau 11 : Cahier des charges du prototype avec validation des caractéristiques obtenues.
# Caractéristique Valeur visée Valeur minimale
Valeur maximale
Valeur estimée obtenue
Résultat *
1 Nombre de planche(s) 1 1 - 1-3 Oui
2
Vitesse du convoyeur 17 m/min modulables - La vitesse du convoyeur est
variable
En partie
3 Cadence 1 planche par min - - 1 planche toute les 9
secondes Oui
4 Nombre d’interventions humaines
3 - 6 2 Oui
5 Actionnement du convoyeur
Motorisé/automatisé - - Motorisé/automatisé Oui
6 Entrée dans la chambre d’imprégnation
Motorisé/automatisé - - Motorisé/automatisé Oui
7 Actionnement du vide Motorisé/automatisé - - Motorisé/automatisé Oui
8
Possibilité de pouvoir être agrandie à l’échelle industrielle
Oui, objectif de cadence : 0.55 m2/s
- - Cadence obtenue : 0.714 m2/s
Oui
9 Temps entre les planches 1 minute - - 9 secondes Oui
10 Pression minimale dans la chambre d’imprégnation
50 mbar 20 mbar 100 mbar Variable selon la formulation
En partie
11 Pression maximale dans la chambre d’imprégnation
90 non - Variable selon la formulation
En partie
12 Temps pour atteindre le vide
1 seconde - 2 secondes 0.5 seconde Oui
13 Temps maximum dans la chambre d’imprégnation
5 secondes - - 3 secondes Oui
14 Nombre de chambre d’imprégnation
1 - 5 1 Oui
15
Hauteur du bâti de la machine excluant les pattes
1 m - 1.5 m 1.4 m Oui
16 Espace au sol nécessaire pour le bâti de machine
1.5 m par 1 m - - 2.5 m par 3.7 m Non
17 Mobilité de la machine nulle - - nulle Oui
18 Longueur de la machine 1.5 m - - 3.7 m Non
19 Largeur de la machine 1 m - - 2.5 m Non
20 Vitesse minimum de la planche dans la machine
17 m/min 0 - Vitesse variable Non
21
Emplacement du système d’application de la formulation d’imprégnation sur la planche
Avant d’entrer dans la machine
- - Pendant le traitement
Non
Résultat* : Il est indiqué « Oui » si la caractéristique est égale ou supérieure à la caractéristique visée, « Non » si la caractéristique est
inférieure ou ne correspond plus à la caractéristique visée et « En partie » si la caractéristique a évolué et ne correspond plus
nécessairement à la caractéristique visée initiale.
85
Tableau 11 (suite) : Cahier des charges du prototype avec validation des caractéristiques obtenues.
# Caractéristique Valeur visée Valeur minimale
Valeur maximale
Valeur estimée obtenue
Résultat *
22 Emplacement de la polymérisation
Après avoir passé dans la machine
- - Après avoir passé dans la machine
Oui
23 Temps total minimal pour imprégner une planche
6 secondes - 15 secondes 9 secondes Oui
24 Type d’imprégnation En surface - - En surface Oui
25 Coût 8 000 $ - 15 000 $ 125 680.84 $ Non
26 Préhensoin de la planche Succion - - Succion avec
préhenseur mousse Oui
27 Indication du niveau de liquide
Capteur électronique - - Capteur optique En partie
28
Récupération de la formulation
Système de récupération par
pompage
- - Système de récupération par
pompage
Oui
29
Essuyage de la planche après imprégnation
Système d’essuyage automatisé de l’excédent de
formulation présent
- - Système d’essuyage automatisé de l’excédent de
formulation présent
Oui
30
Système de retournement des planches
Système de retournement des planches présent
- - Système de retournement des planches présent
Oui
Résultat* : Il est indiqué « Oui » si la caractéristique est égale ou supérieure à la caractéristique visée, « Non » si la caractéristique est
inférieure ou ne correspond plus à la caractéristique visée et « En partie » si la caractéristique a évolué et ne correspond plus
nécessairement à la caractéristique visée initiale.
La proposition d’un prototype automatisé capable de faire de l’imprégnation sous vide présenté montre une
première itération d’une machine capable de faire de l’imprégnation sous vide de façon automatisée. Le temps
de cycle de 9 secondes avec des planches de 1190 mm par 90 mm permet d’obtenir une cadence 0.714 m2/min.
À titre de comparaison, l’usine de plancher de bois franc Boa Franc a une cadence de 12.5 m2/min sur leur ligne
de finition. Afin d’atteindre cette cadence, il serait nécessaire d’avoir 17.5 fois ce prototype en parallèle, ce qui
est peu souhaitable dans un contexte d’optimisation d’espace dans une usine. Il est possible d’imaginer d’autres
pistes de solution afin d’améliorer la cadence. Par exemple, au lieu de traiter une seule planche à la fois, la
cellule automatisée pourrait traiter un assemblage de lames de plancher de bois franc, communément appelé
« panneau ». De plus, dans son état actuel, la cellule automatisée peut traiter des planches de différentes
longueurs. Il serait beaucoup plus optimal de traiter un seul panneau à la fois et que celui-ci soit toujours de la
même dimension. Toutefois, cela imposerait probablement des contraintes dans une ligne de finition d’une usine
et nécessiterait de l’ajustement de la part de l’entreprise. En contrepartie, le résultat serait d’avoir une cadence
d’imprégnation plus rapide. Afin de pouvoir traiter des panneaux plus larges et plus longs que la planche actuelle,
il sera nécessaire de grossir certains éléments. Chacun des sous-ensembles devra être adapté en fonction du
panneau, mais il est possible d’imaginer une cellule capable d’effectuer une cadence de 6 m2/min. Pour cela, il
serait nécessaire d’avoir 8 planches assemblées ensemble pour former un panneau. Dans une ligne de finition
comme celle de Boa Franc, ce ne sont pas toutes les planches qui sont de la même longueur et tel qu’expliqué,
86
traiter des planches ou des panneaux de différentes longueurs serait inefficace. Par conséquent, comme
l’amélioration de la dureté par l’imprégnation sous vide est une plus-value, il est possible de considérer que
seulement certaines planches seront traitées. Le consommateur pourrait avoir l’option de payer un supplément
afin d’avoir un plancher plus durable ou simplement choisir un plancher d’ingénierie.
Un critère important qui n’a pas été respecté est celui du coût final du prototype. En effet, au départ, l’idée était
de faire un prototype de l’ordre de 8000 $ à 15 000 $, cependant l’analyse de coût a démontré que celui-ci
couterait environ 8 à 10 fois plus cher. Plusieurs raisons peuvent expliquer une telle différence. Premièrement,
le coût estimé initialement était largement sous-évalué. Deuxièmement, aucun aspect fonctionnel ou de la
performance n’a été délaissé. Cela a entrainé de la complexité dans le produit final, permettant d’avoir un
prototype fonctionnel et clé en main. Finalement, une discussion a eu lieu avec les partenaires concernant la
possibilité d’investir afin de fabriquer un tel prototype et de l’intégrer dans une ligne de finition de leurs usines.
Les partenaires, Boa Franc, seraient éventuellement intéressés à investir pour intégrer un prototype semblable
dans leur usine. Cependant, certaines limitations sont présentes à l’heure actuelle et celle-ci proviennent de la
performance de la formulation. En effet, les formulations créés et utilisés à l’heure actuelle ne permettent pas
de rendre les espèces tel que le bouleau jaune et le chêne rouge aussi dense que des espèces exotiques
comme le jatoba. En d’autre mots, avant qu’une compagnie investisse afin d’intégrer un système semblable
dans leur usine, il manque encore du développement du côté de la chimie de la formulation afin de la rentre plus
performante en terme de densité et dureté une fois polymérisée.
Retour sur la problématique et les objectifs
La problématique initiale est la suivante : « il est nécessaire de trouver une façon d’intégrer un procédé de
densification du bois par imprégnation en continu dans une chaîne de production d’une usine de plancher de
bois franc traditionnelle ». Cette problématique a pu être examinée au cours de ce projet et les nouvelles
connaissances qui en émergent permettent de mieux comprendre les possibilités et les défis permettant de
réaliser un tel procédé dans une chaine de production industrielle. La revue de littérature ainsi que les
expériences et analyses ont permis de proposer une solution pouvant s’intégrer dans une usine de plancher de
bois franc traditionnelle. Malheureusement, les contraintes de temps et d’argent n’ont pas permis de fabriquer
la machine et d’en faire l’essai réel dans une usine.
L’objectif principal qui était de faire la conception d’un procédé mécanique pouvant s’intégrer dans une chaîne
de production industrielle et capable de faire de l’imprégnation en continue, a pu être rencontré en totalité. La
proposition du prototype, présentée au chapitre 3, montre la conception d’un tel procédé mécanique. Les deux
autres objectifs spécifiques ont également été rencontrés. Dans le cas du premier objectif spécifique, qui est de
prendre en considération les différentes techniques d’imprégnation et de déterminer celles qui auront le plus
grand potentiel d’être transposées à l’échelle industrielle, la revue de littérature permet de montrer les différentes
87
techniques de densification des matériaux poreux et de conclure que l’imprégnation sous-vide s’avère la plus
viable en raison de son faible coût et de son efficacité. Finalement, le deuxième objectif spécifique, qui consistait
à l’élaboration de diverses solutions et preuve de concept a largement été rencontré. Effectivement, le chapitre
2 montre les différents prototypes qui ont été conçu, fabriqué et mis à l’épreuve avant d’être analysés. Les
conclusions des analyses et test effectués sur ces prototypes ont permis d’orienter la conception de la
proposition du prototype final pouvant s’intégrer dans une ligne de production d’une usine de plancher de bois
franc.
Finalement, la suite du projet serait de faire la fabrication de la proposition finale du prototype et de le mettre à
l’essai dans des conditions réelles. De plus, il serait intéressant de faire une proposition 2.0 du prototype et de
revoir certains critères afin d’élargir les possibilités. Par exemple, l’imprégnation en surface de d’autres types de
surfaces tel que des tables, ou encore l’atteinte d’une cadence de production capable de rencontrer les
standards de l’industrie actuelle pourraient être testés.
88
Bibliographie
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89
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