© 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

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