IBTS-77-RP-1000
Matériau bois
Le bois est un matériau aux caractéristiques variables à cause de son origine naturelle. On distingue deux grandes familles : la famille des conifères (résineux) et celle des feuillus. Il existe une vingtaine de milliers d’espèces d’arbres susceptibles de fournir du bois en dimensions et en quantité pouvant permettre un emploi industriel ou artisanal [COLLARDET et BESSET a et b, 1988] et [PLASSAT, 1992]. A cause de la croissance de l’arbre en hauteur et de l’augmentation annuelle de son diamètre, le bois présente trois directions privilégiées distinctes et perpendiculaires entre elles : la direction longitudinale L dans le sens des fibres, la direction radiale R correspondant à la direction de croissance en diamètre et la direction tangentielle T tangente aux cernes d’accroissement annuels. On distingue donc trois plans de symétries : LT correspondant à un débit dit « débit sur dosse », le plan LR qui correspond à un « débit sur quartier » et TR correspondant à une utilisation dite « en bois de bout ». Le bois est de composition chimique hétérogène : fibres cellulosiques et d’hémicelluloses dans une matrice de lignine. A ces trois constituants principaux viennent s’ajouter des substances mineures telles que les extractibles (résines, sèves et tannins) de nature organique et des composés minéraux (principalement : potassium, calcium, magnésium et de la silice) [TROUY-TRIBOULOT et TRIBOULOT a, 2001]. Le matériau bois est par conséquence souvent défini comme un composite naturel, rugueux, microporeux et hygroscopique (échange très facilement de l’eau avec le milieu extérieur).
Usinage du bois
Dans les métiers de la transformation du bois, la mise en œuvre par enlèvement de matière est de très loin la plus répandue [PETITPAS, 1923], [KIVIMAA, 1950], [JUAN, 1992], [JUAN, 1993]. Il existe quatre grands modes d’usinage du bois que sont :
Par coupe (avec outil tranchant : tournant (défonçage, rabotage), fixe (déroulage, tournage); sans outil tranchant (jet d’eau)) ; Par abrasion (ponçage, modelage); Par déformation (cintrage, estampage); Par combustion (laser).
Dans une très grande majorité des cas, l’objet d’une opération d’usinage est d’obtenir un état de surface «acceptable», en respectant les dimensions imposées dans le cahier des charges. Au cours de cet usinage, la trajectoire de la dent par rapport à la pièce est la combinaison de deux mouvements : le mouvement de coupe de l’outil (dans la majorité des cas est circulaire) et le mouvement d’avance rectiligne de la pièce. Les conditions de pénétration de l’outil de coupe dans le bois dépendent des paramètres liés au matériau (essence, densité, dureté, humidité), des paramètres liés aux conditions de travail (direction de coupe, profondeur de passe, largeur de passe, épaisseur du copeau, vitesse de coupe et d’avance) et des paramètres liés à l’outil (angle de coupe, de dépouille, acuité de l’arête). Un usinage de qualité nécessite une bonne adéquation de ces paramètres [COSTES, 2001].
Modes de coupe
[McKENZIE, 1960] a proposé une nomenclature à deux nombres pour décrire les principales situations qui peuvent se présenter en coupe orthogonale. Le premier nombre représente l’angle entre l’arête tranchante de l’outil et le fil du bois tandis que le deuxième indique l’angle entre la direction de coupe et celle du fil . On retrouve ainsi trois coupes de base, soit les coupes 90°-0°, 90°-90° et 0°-90° [HOADLEY, 1980], [KOCH, 1985]. La coupe orthogonale en direction 90°-0° est présente dans plusieurs procédés de transformation du bois tels que le tranchage longitudinal, le rabotage manuel, c’est-à-dire dans tout travail du bois effectué suivant la direction parallèle au fil. Dans le cas des outils tournants, le mode de coupe n’est jamais à 100% en 90°-0°, mais cela peut s’y apparenter notamment en rabotage, toupillage, corroyage, fraisage longitudinal (défonçage périphérique ou « contournage »). La formation du copeau en coupe orthogonale 90°-0° représente ainsi la situation d’usinage la plus fréquente, ce qui explique le fait qu’elle ait été étudiée plus en détail. Il est connu que les efforts impliqués lors de l’usinage varient selon la direction de coupe [KIVIMAA, 1950]. Les efforts sont plus importants en mode 90°-90° qu’en mode 90°-0°. La direction 0°-90° exige des énergies de coupe plus faibles, la fibre n’étant pas sectionnée [FRANZ, 1958], [HOADLEY, 2000]. Notre plan d’expérience mettra en œuvre le mode de coupe 90°-0° correspondant aux plus importants métrages usinés dans les industries du bois. Le copeau en mode 90°-0° ne peut se former que par trois façons : par fendage, compression ou flambage.
Types de Copeau en usinage longitudinal et circulaire
Le type de copeau 1 se forme lorsque les conditions de coupe sont telles que le bois fend devant le tranchant du couteau formant un copeau qui est ensuite séparé tel une poutre encastrée en porte-à-faux. Ce type de copeau provoque des défauts du type fil arraché (voir annexe 3) et se produit de façon cyclique.
En effet, l’outil applique initialement une compression parallèle au fil jusqu’à ce qu’un fendage survienne devant l’arête tranchante de l’outil et ainsi de suite. Les conditions qui favorisent la formation de ce type de copeau sont entre autres l’emploi d’un angle d’attaque élevé (supérieur à environ 25°) de même qu’une épaisseur de copeau trop grande. D’autre part, étant donné que la résistance du bois au fendage longitudinal est faible, la production de copeaux de type 1 est associée à une faible consommation d’énergie de la machine-outil. Par contre les variations d’efforts de coupe sont importantes [DE MOURA, 2006].
Le copeau de type 2 se forme par compression. Le mouvement de l’outil déforme le bois devant l’arête tranchante en compression longitudinale et provoque des contraintes de cisaillement transversales. La rupture du bois se produit le long de l’arête tranchante de l’outil formant un copeau en continu. Le copeau de type 2 représente l’idéal du point de vue de la qualité de surface et des efforts de coupe qui sont peu variables . Les principaux facteurs qui permettent la formation de ce type de copeau sont l’emploi d’un angle d’attaque intermédiaire (en général entre 10° et 25°) et de faibles épaisseurs de coupe. En général, le copeau de type 2 est obtenu lorsque la force normale de coupe est proche de zéro ou légèrement négative [FRANZ, 1958]. [STEWART, 1977] proposa ainsi une méthode pour estimer un angle d’attaque susceptible de favoriser la formation de copeaux de type 2, à partir des valeurs moyennes des forces normales et parallèles de coupe [DE MOURA, 2006]. Le copeau de type 3 est également formé de façon cyclique. Le bois supporte initialement une compression longitudinale dans des conditions telles que les ruptures se produisent par compression et cisaillement longitudinal devant l’arête tranchante de l’outil de coupe. Le copeau obtenu est sans forme précise et a de la difficulté à s’échapper de la face d’attaque du couteau, se faisant compacter contre cette face [KOCH, 1964] .
Caractérisation topographique des surfaces bois
Les paramètres d’usinage susceptibles d’avoir une influence sur l’état de surface (en plus des propriétés intrinsèques du bois : singularités, contre-fil, densité, etc.) sont :
l’essence du bois [NEPVEU et TRAN NGOC, 1984], [SANDAK et TANAKA, 2003] ; le régime de coupe (vitesse de coupe, profondeur de passe, etc.) [SALONI et al. 2005] et [KILIC et al. 2006] ; la géométrie de l’outil [LAVERY et al. 1995] ; la qualité de l’arête tranchante et de la face d’attaque [PETITPAS, 1923] ; l’usure de l’outil [TRIBOULOT, 1984] ; la température [TRIBOULOT, 1984] ; la rigidité des éléments des machines [TRIBOULOT, 1984].
L’état de surface est un des critères essentiels servant à définir la qualité dans les industries du bois [NEPVEU et TRAN NGOC, 1984], [TAYLOR et al. 1999], [RATNASINGAM et SCHOLZ, 2004] et [SALONI et al. 2005]. La notion de qualité des produits est devenue une préoccupation majeure de tous les responsables de production. Ce souci est formalisé après l’analyse du besoin dans le cahier des charges fonctionnel où le produit est décrit par ses dimensions, sa forme et ses propriétés physiques/mécaniques [LEBAN et TRIBOULOT, 1994]. L’état de surface englobe selon [TRIBOULOT, 1984], l’état géométrique de la surface et son état physico-chimique. Afin de qualifier correctement une surface bois, on se doit donc de la caractériser sur le plan topographique et physico-chimique ; la topographie en évaluant sa rugosité, la physico-chimie en qualifiant son aptitude à recevoir un traitement (film de protection ou colle) et en évaluant par la suite la tenue mécanique du traitement appliqué préalablement.
Les irrégularités des surfaces – dans une plage de dimensions de 0.1 à 100 µm – ont une incidence considérable sur la tenue des collages [EBEWELE et al. 1980]. Leurs effets positifs ou négatifs justifient l’importance qu’on accorde à la qualification et à la maîtrise de la rugosité des matériaux. Il en est de même pour la porosité, caractéristique du volume du matériau. Cette dernière a des incidences favorables comme la facilitation de la diffusion des adhésifs, et défavorables telle que l’absorption excessive des adhésifs (films protecteurs ou colles) en solution [VILLENAVE, 2005].
Caractérisation physico-chimique des surfaces bois
La mouillabilité (ou le mouillage) est l’étude de l’affinité d’un liquide déposé sur un substrat solide ou liquide. Ce phénomène est étudié dans de nombreux domaines des industries chimiques (peintures, encres, colorants, colles, insecticides), automobiles (préparation des surfaces à peindre, traitements des pneus pour adhérer par temps de pluie ou de neige), du verre (traitements anti-salissures, antigivre ou anti-rayure), alimentaires (mise en solution de poudres comme le lait ou le cacao), du sol (imbibition de roches poreuses), bâtiment (hydrofugation des bétons, protection des monuments, traitement « hydrophilisant » du plastique des serres). Il joue aussi un rôle important en sciences de la vie : ainsi le gonflement des poumons à la naissance est rendu possible par des molécules dites « tensioactives » qui abaissent l’énergie de surface. Citons aussi l’exemple de la montée de la sève dans les plantes en général et dans les arbres en particulier [DE GENNES et al, 2002]. Il existe trois types de mouillage : partiel, total et nul. Dans ce qui suit, nous résumons les critères qui permettent de prévoir le mouillage d’un substrat.
|
Table des matières
Introduction générale
1. Etat de l’art
1.1. Matériau bois
1.1.1. Le Douglas en France
1.1.2. Qualité du Douglas
1.1.3. Usinabilité du Douglas
1.2. Usinage du bois
1.2.1. Modes de coupe
1.2.2. Types de Copeau en usinage longitudinal et circulaire
1.2.3. Défonçage
1.2.3.1. Définitions
1.2.3.2. Choix des paramètres du défonçage
1.2.4. Ponçage (Usinage par abrasion)
1.2.4.1. Définitions
1.2.4.2. Abrasion deux et trois corps
1.3. Caractérisation topographique des surfaces bois
1.3.1. Etat de surface
1.3.2. Moyens de la caractérisation
1.3.3. Observations microscopiques (Microstructure du bois)
1.4. Caractérisation physico-chimique des surfaces bois
1.4.1. Définition
1.4.2. Angle de contact
1.4.3. Théorie du mouillage
1.4.4. Détermination de la tension superficielle et des composantes polaires et dispersives
1.4.5. Détermination de l’énergie libre de surface
1.4.6. Méthode de la goutte posée
1.4.6.1. Angles de contact statiques issus d’une dynamique
1.4.6.2. Surfaces rugueuses et hystérèse de mouillage
1.4.7. Effet de la gravité
1.4.8. Mouillabilité des surfaces bois – Facteurs d’influence
1.5. Finition et Collage
1.5.1. Modèles théoriques de l’adhésion
1.5.1.1. Modèles macroscopiques
1.5.1.2. Modèle des interactions élémentaires
1.5.2. Finition du bois
1.5.2.1. Produits de finition dans le bois
1.5.2.2. Evaluation de l’adhérence des finitions
1.5.3. Colles
1.5.4. Essais mécaniques de la tenue des colles
1.6. Conclusions et stratégie des essais
2. Première partie expérimentale : analyse des surfaces défoncées
2.1. Matériels et méthodes
2.1.1. Matériaux bois : échantillonnage global
2.1.1.1. Description de l’arbre du Douglas choisi
2.1.1.2. Analyse densitométrique
2.1.1.3. Mesure de l’angle des microfibrilles
2.1.1.4. Humidité globale de travail
2.1.2. Défonçage
2.1.2.1. Défonceuse RECORD1
2.1.2.2. Choix des paramètres de défonçage
2.1.3. Caractérisation topographique et physico-chimique des surfaces
2.1.3.1. Mesures physico-chimiques : goniomètre DSA 100®
2.1.3.2. Choix des paramètres de mesure de la mouillabilité
2.1.3.3. Mesures topographiques : rugosimètre laser Mahr®
2.1.3.4. Choix des paramètres de mesure de la rugosité
2.1.3.5. Observation Microscopique : MEB JEOL JSM-5900LV ®
2.1.4. Echantillonnage
2.1.4.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée »
2.1.4.2. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul »
2.1.4.3. Campagne de mesure de la rugosité
2.1.4.4. Campagne des observations MEB
2.2. Résultats et discussions
2.2.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée »
2.2.1.1. Facteurs influençant la mouillabilité
2.2.1.1.1. Influence du temps de stockage
2.2.1.1.2. Influence du type du bois : aubier duramen
2.2.1.1.3. Influence de la position en hauteur dans l’arbre
2.2.1.1.4. Effet de la vitesse de coupe
2.2.1.2. Analyse du travail d’adhésion Wa
2.2.1.3. Analyse de l’énergie de surface γs
2.2.1.3.1. Analyse des composantes polaire et dispersive de γs calculées avec le modèle de Wu
2.2.1.3.2. Analyse des composantes acide et basique de γs
2.2.1.4. Conclusions : campagne de mesure de la mouillabilité statique
2.2.2. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul »
2.2.2.1. Hystérèse de mouillage
2.2.2.2. Energie de surface (mouillabilité angle à l’avancée et au recul)
2.2.3. Campagne de mesure de la rugosité
2.2.3.1. Analyse du critère SRa
2.2.3.2. Interaction mouillabilité/rugosité
2.2.4. Campagne d’observations au MEB
2.2.4.1. Influence de la vitesse de coupe sur la microstructure des surfaces bois
2.2.4.2. Influence du mouillage sur la microstructure des surfaces bois
2.3. Conclusions sur les essais de défonçage
3. Deuxième partie expérimentale : analyse des surfaces poncées
3.1. Ponçage
3.1.1. Montage expérimental
3.1.2. Choix des paramètres de ponçage
3.1.2.1. Pression du ponçage
3.1.2.2. Orientation du ponçage
3.1.2.3. Vitesse de ponçage
3.1.3. Echantillonnage
3.1.3.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée »
3.1.3.2. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul »
3.1.3.3. Campagne de mesure de la rugosité
3.1.3.4. Campagne d’observations au MEB
3.1.4. Résultats et discussions
3.1.4.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée »
3.1.4.1.1. Influence du type du bois : bois juvénile et bois adulte
3.1.4.1.2. Influence du temps de stockage
3.1.4.1.3. Effet de la vitesse de coupe
3.1.4.1.4. Influence de la position en hauteur
3.1.4.1.5. Conclusions
3.1.5. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul »
3.1.6. Campagne de mesure de la rugosité
3.1.7. Interactions mouillabilité/rugosité
3.1.8. Campagne d’observations au MEB
3.2. Conclusions sur les essais de ponçage
4. Campagnes des essais de finition, de vieillissement accéléré et de collage
4.1. Essais de finition et de vieillissement accéléré
4.1.1. Matériels et méthodes
4.1.1.1. Pistolet et roue de vieillissement
4.1.1.2. Choix des produits de finition
4.1.1.3. Essais d’adhérence des finitions
4.1.1.4. Echantillonnage
4.1.2. Résultats et discussion
4.1.2.1. Rugosité et mouillage des surfaces revêtues ou non
4.1.2.2. Résultats des essais de finitions sur surfaces défoncées
4.1.2.3. Résultats des essais de finitions sur surfaces poncées
4.2. Essais de la tenue du collage
4.2.1. Matériels et méthodes
4.2.1.1. Choix des colles
4.2.1.2. Principe et montages des essais de cisaillement
4.2.1.3. Echantillonnage pour les essais des surfaces collées à la MUF
4.2.1.4. Echantillonnage pour les essais des surfaces collées à la PUR
4.2.2. Résultats et discussions
4.2.2.1. Essais des surfaces collées à la MUF
4.2.2.2. Essais des surfaces collées à la PUR
4.2.2.3. ANOVA globale du collage MUF et PUR confondues
4.3. Conclusions sur les essais de finition, vieillissement accéléré et de collage
Conclusions et perspectives
Télécharger le rapport complet
