Brevet FR2488996A1 — publié le 19820226

La présente invention concerne un aispositir ultrasonore permettant d'acquérir de manière non destructive les paramètres nécessaires à la commande d'une chaine de fabrication de panneaux de particules de bois, et donc de réaliser une telle chaine automatisée. Actuellement, la chaîne de fabrication de panneaux de particules comporte les opérations principales suivantes (cf. figure 1 annexée) et fonctionne en discontinu : une phase d'attente est nécessaire. La fabrication d'un lot de panneaux est lancée à partir d'un jeu de données initiales - pourcentage des constituants - le poids du gateau épandu - cycles de pressage. L'opérateur de surveillance ne dispose en général que d'une variable de sortie :-le poids du panneau sortant de la presse. Si le poids mesuré est en dehors de la fourchette admissible, on doit retoucher les données initiales. Les produits présents entre l'entrée et la sortie sont perdus. Si le poids constate est correct, le produit est acheminé en attente. Le poids du panneau est la seule variable de retour présentée en sortie de chaîne. Elle est nécessaire mais non suffisante à la qualifica tion du produit. Quatre paramètres de qualifi cation sont déterminés sur des échantillons pré levés en sortie de chaine. a) - I'épaisseur (e) b) - le module élastique Ef (module d'elasticite en flexion) c) - le module de rupture nf (contrainte de rupture en flexion) d) - la contrainte de rupture en traction perpendiculaire aux faces (T). Les tests correspondants (normes françaises NF.B.51224 et NF.B.51250) sont effectués en laboratoire en temps différé. Compte tenu des résultats, les lots de panneaux dont sont issus les échantillons testés sont répartis dans des classes de qualité. Une partie non négligeable de la production se trouve ainsi mise au rebut. Selon l'invention, on a montré que l'ensemble des valeurs suivantes - e : épaisseur du panneau, - P : masse volumique moyenne du panneau, - n f et T : contraintes de rupture en flexion et en traction perpendiculaire aux faces, est suffisant pour la conduite optimale d'une chaine de fabrication, et que ces paramètres pouvaient être mesurés en continu par des moyens mécaniques et physiques, ce qui permet une automatisation de la chaîne qui peut alors fonctionner avec les avantages suivants par rapport au processus actuel diminution de la proportion de rebuts et de la dispersion de qualité, réduction des temps d'attente en bout de chaine évacuation immédiate des produits hors norme réduction (voire suppression) du nombre d'echan tillons soumis aux tests destructifs en labora toire. On montre que la probabilité de corrélation entre le retard intrinsèque R à la propagation d'une onde longitudinale et les trois propriétes qualitatives d'un panneau (Ef, nf, T) est superieure à 99 %. Des essais préliminaires ont montre que les methodes conventionnelles ultrasonores utilisées en métallurgie sont inopérantes sur les panneaux de particules en raison de leur trop grande absorption et de l'inadaptation des transducteurs classiques. A partir d'un transducteur specifique et par un traitement de signal convenable, la demanderesse a obtenu des retards intrinsèques avec une bonne précision. On peut donc acquérir les paramètres e, ?, Ef, nf et T de la manière suivante - epaisseur e : mesurée comme on le verra ci-dessous par un capteur de déplacement linéaire associé à une sonde ultrasonore mobile, - masse volumique moyenne f : poids du panneau (pesée) # = S.e.g (la surface S du panneau est connue par les dimensions de la presse), - module d'élasticité longitudinale Ef Ef = ? c2 où C désigne la vitesse de propagation des ondes ultrasonores longitudinales. Le paramètre C est lui-même obtenu par l'équation C = e/R où R designe le retard intrinsèque de propagation des ondes à la traversée du panneau. L'un des aspects de l'invention repqse donc sur l'acquisition de R. Dans ce domaine, on connut déjà une technique selon laquelle on place deux capteurs, séparés par une distance connue, sur un panneau auquel on imprime un choc : on mesure alors l'intervalle ssT séparant le passage du train d'ondes au niveau des deux capteurs. Dans cette technique, la vitesse de l'onde peut être fonction de l'epais- seur du panneau. Cette technique est donc inapplicable ici. Une technique de ce type est décrite dans 'Nood Science and Technology", Springer-Verlag, dans l'article de J. I. Dunlop "Testing of Particle Board by Acoustic Techniques". Cette publication indique page 74 ligne 3 que tous les essais sont effectués en présence d'un guide de couplage. L'article en question mentionne des mesures dans la direction perpendiculaire aux faces du panneau, mais conclut que les mesures dans la direction parallèle aux faces du panneau sont plus prometteuses, et que l'on-ne doit pas placer un grand espoir dans les mesures dans la direction perpendiculaire pour déterminer les propriétés des panneaux. Selon l'invention, on place deux sondes, en regard l'une de l'autre, sur chacune des faces du panneau et on mesure le retard intrinsèque du panneau et son epaisseur. Dans ce type de propagation, la vitesse obtenue est toujours indépendante d l'épaisseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement la chaine de fabrication actuelle ; - la figure 2 represente le dispositif selon l'invention d'acquisition des paramètres ; - la figure 3 représente la courbe d'évolution de la mesure réalisée à l'aide du dispositif de la figure 2, en fonction du temps (intervalle de temps entre chaque mesure :'3 s), avec pour paramètre la pression de pincement exercée par les deux sondes, l'épaisseur du panneau étant de 16 mm ; - la figure 4, qui se compose des figures 4a, 4b, 4c et 4d, représente le même type de courbes que la figure 3, la pression de pincement etant de 20 bars, et l'épaisseur du panneau variable (a : 8 mm, b : 16 mm, c : 19 mm, d : 25 mm) ; - la figure 5 représente schematiquement une chaîne de fabrication de panneaux en continu, comportant pour le contrôle continu de qualification des panneaux un dispositif selon l'invention, et adaptee à ce dispositif ; - la figure 6, qui se compose des figures 6a et 6b, représente schématiquement les opérations permettant, avec un même montage géneral, de mesurer une caractéristique de traction ou, respectivement, de flexion - la figure 7 represente schématiquement les fonctions principales du dispositif selon l'invention ;; - la-figure 8, qui se compose des figures 8a à 8f, représente des exemples de corrélations T = f(p C2) nf = f(p C2) n f = f (P C) T = f (# C2) (corrélation générale) T = f (p C2) (panneau type CTBP) T = f (P C2) (panneau type CTBH) - la figure 9 représente une photographie du dispositif selon l'invention, correspondant sensiblement à la figure 7. Sur les figures annexées, les mêmes références ont les mêmes significations 1. panneau 2. éléments de ligne protégeant la pastille 3 3. pastille. piézo-electrique 4. amortisseur (conte) 5. bloc électronique A1, A2, Bî, B2 : sondes ultrasonores schématisées C. vérin BR. bâti rigide D. boîtier de commande P. groupe hydraulique B, A. sonde mobile, sonde fixe E. bloc électronique (affichage de R et e). La mesure se deroule de la manière suivante (cf. figure 2) a) - mesure du retard T1 entre l'émission par la sonde A1 et la reception en A2, - le retard dû au panneau est obtenu après déduction du retard T0 da aux éléments de ligne dont la seule fonction est de pro téger les pastilles R = T1 - T0 b) la mesure du déplacement de la sonde A1 mobile par rapport à la sonde A2 fixe donne l'épaisseur e du panneau, c) la vitesse de propagation du train d'ondes ultrasonores en compres sion est obtenue par e C=R (il est rappelé que cette vitesse est uniquement fonction des proprietés du panneau et n'est pas fonction de e], d) la pesee du panneau donne la masse volumique moyenne #, e) Ff est donné par Ef = #C2. D'autre part, des études statistiques (tous types de panneaux, toutes épaisseurs) ont permis d'établir l'équation suivante T =A.Ef+B T désigne la contrainte de rupture en traction perpendiculaire aux faces. Les constantes A et B sont données par l'étude statistique à 95 % de confiance et sont spécifiques des panneaux ; ce sont les coefficients de la droite de corrélation linéaire. On a représenté sur la figure 6a le montage correspondant à une mesure de traction (T) : on obtient deux valeurs de T par -émission en /réception en A2 - émission en Bl/réception en B2 Pour la mesure d'une caractéristique de flexion, il faut produire une onde "de surface". Ceci a été représenté sur la figure 6b. On voit que l'on peut utiliser le même appareillage que celui permettant la mesure de T, sous reserve d'une adaptation de l'électronique, puisque les sondes A1 et A2 doivent alors avoir une fonction d'emission en "pincement" et les sondes B1 et B2 une fonction de reception. Comme pour T, on obtient une relation nf = C.Ef + D où C et D sont des constantes spécifiques du panneau et déterminées par des méthodes statistiques, et nf la caractéristique de rupture en flexion. La mise en oeuvre efficace du dispositif selon l'invention s'accompagne d'exigences strictes qu'il est imperatif de respecter. a) - Pression de pincement Les essais ont montre que la pression de pincement influe d'une façon importante sur la valeur du retard mesuré. Une pression trop faible entraîne une mauvaise transmission à l'interface sonde-panneau et donc un signal transmis insuffisant. Une pression trop forte provoque une compression locale du panneau accompagnée d'une augmentation apparente de densité dans la partie centrale. Une valeur comprise entre 30 et 40 bars donne les meilleurs résultats et permet d'éviter l'utilisation conventionnelle d'un fluide de couplage. b) - Instant optimal de saisie En l'absence de fluide de couplage, le fluage des interfaces sondes-panneaux (ecrasement des poussières, écoulement des rugosités) demande un certain temps. Les courbes d'évolution des figures 3 et 4 montrent que le retard affiche se stabilise à une valeur correcte environ 10 s après l'application de la charge. On ne devra donc valider le résultat qu'après le 5e ou le 6e cycle de mesure. c) - Frequence On choisira une frequence telle que le matériau soit "transparent". La frequence D choisie sera fonction de la pastille piézo-électrique utilisée et de l'électronique, notamment. Le dispositif selon l'invention, contrairement aux dispositifs de l'état de la technique, fonctionne sans fluide de couplage et réalise un certain pincement (pression définie en a) cidessus. d) Le profil des sondes revêt également une grande importance la sonde est constituée par une pastille piézo-électrique d'une epaisseur (ou longueur) comprise entre 3 et 10 mm, de diamètre 10 à 40 mm, qui détermine la fréquence propre du système, cette pas tille étant serre mécaniquement ou collée entre deux lignes metal liques, de préférence cylindriques (acier, Dural) : la première ligne (la plus proche du panneau) est courte afin que le retard intrinsèque soit le plus faible possible ; la deuxième ligne est longue et se termine dans un cône en plomb destiné à éviter les réflexions parasites sur cette terminaison (cf. figure 2). Le cône doit verre le plus pointu possible, mais on devra rechercher un compromis entre cette caractéristique et l'encombrement. On utilisera l'électronique habituelle. connue de l'homme du métier. L'invention s'applique au contrôle des panneaux de particules de bois, de fibres lignocellulosiques, de particules et fibres lignocellulosiques, comportant ou non un placage. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Panneaux testés : les panneaux de particules de bois proviennent de la sortie normale de quatre presses différentes (codées P1, P2, P3, P4) dont les stations de conformation sont à triage pneumatique ("BISON"), et se répartissent en trois qualités, correspondant aux normes connues type CTBH (H) type CTBP (P) Standard (S) Corrélation entre les caractéristiques de flexion et de traction et les grandeurs @ C2, C2, pC 1) Rupture en flexion (nf) a - Panneaux du laboratoire : effectif total : 56 Caractères Coefficient R Probabilite de Précision à corrélés- de correlation corrélation 95 Z nf # P C2 0,76 > 1 - 10-5 40,8 nf # C2 0,63 > 1 - 10-5 48,6 nf # #c 0,82 > 1 - 10-5 35,7 nf = 180 Corrélation nf. panneaux de laboratoire b - Corrélation générale (non laboratoire) : effectif total : 224 Caractères Probabilité de R Précision à 95 % corrélés corrélation nf # #C2 0,59 > 1 - 10-5 64,4 nf # #C 0,59 > 1 - 10-5 64,8 nf # C2 0,56 > 1 - 10-5 66,1 Corrélation générale, toutes qualités, toutes épaisseurs. 2) Traction perpendiculaire (T) a - Corrélation generale T #pC2 Effectif R Probabilité Précision à 95 % panneaux de 56 @ @@ @@ - 10-5 @@@ laboratoire 56 O -5 Autres 304 0,82 > 1 - 10-5 1,85 (Autres : toutes qualités, toutes épaisseurs). b - Analyse détaillée Les tests de HENRY et de Khi-deux ayant montré des normalités médiocres ou inexistantes, on a procédé à des regroupements, soit - par classes d'épaisseurs pour toutes qualites, - par qualités pour toutes épaisseurs, - par presses. Caractères Classes Effectif Probabilité de Précision R corrélés (mm) total corrélation à 95 % T 8 - 13 65 !0 77 > 1 - 10 1 85 # 13 - 21 144 0,80 > 1 - 10-5 1,84 #C2 > 21 95 0,85 > 1 - 10-5 1,60 T 8 - 13 65 0,71 > 1 - 10-5 2,07 # 13 - 21 144 0,79 > 1 - 10-5 1,86 C2 > 21 95 0,87 > 1 - 10-5 1,53 Corrélation par classes d'épaisseurs toutes qualités. Caractères précision à Qualité Effectif R Probabilité corrélés 95% T H 71 0,57 > 1 - 10-5 2.0 @ P 66 0,62 > 1 - 10-5 1,42 @C2 S 87 0,52 > 1 - 10-5 1,59 T H 71 0,61 > 1 - 10-5 1,94 @ P 66 0,54 > 1 -10-5 1,51 C2 S 87 0,47 > 1 - 10-5 1,64 Corrélation par qualités, toutes épaisseurs confondues. Caractères Précision à Presse Effectif R Probabilité corrélés 95% P1 106 0,60 > 1 - 10-5 1,83 T P2 53 0,64 > 1 - 10-5 1,41 # P3 82 0,87 > 1 - 10-5 1,73 #C2 P4 63 0,69 > 1 - 10-5 1,74 P1 106 0,57 > 1 - 10-5 1,88 T P2 53 0,58 > 1 - 10-5 1,51 # P3 82 0,86 > 1 - 10-5 1,77 C2 P4 63 0,68 > 1 - 10-5 1,76 Corrélation par presse toutes qualités, toutes epaisseurs. Conclusions L'interprétation des résultats sera conduite en prenant 5 % de risque d'erreur, valeur généralement admise pour les productions industrielles de masse. Propriétés intrinsèques du matériau L'hypothèse de départ d'un critère de rupture en contrainte normaIe à partir d'une déformation limite est entièrement confirmée par les résultats. En effet, aussi bien en tractionperpendiculaire qu'en flexion, les probabilités de liaison fonctionnelle entre contraintes de rupture et module élastique à l'origine ##C2 sont toutes > 0,9995. On remarquera que les essais des panneaux de laboratoire s'approchant mieux de ces conditions ont donné les meilleurs coefficients de corrélation linéaire (tableaux la et 2a) et les meilleures précisions. On remarquera enfin que les meilleures liaisons sont établies avec #C2 pour T et #C pour nf. En effet, la rupture T intervient dans l'âme du panneau, alors que la rupture n f n'intéresse que la couche superficielle. Application à la conduite de la fabrication Le résultat du tableau 2a montre que la pesée du panneau (o p) et la mesure de la vitesse (4 C) permettent d'évaluer par le calcul une valeur probable de T avec une precision suffisante. Si l'on considère comme certaine la valeur de #C2 acquise, alors on en déduit une valeur calculée de T T(C) = A(#C2) + B où A et B sont les coefficients de la droite de corrélation linéaire. La precision à 95 % montre que la valeur T(m) mesurée par test destructif appartiendra dans 95 % des cas à l'intervalle T(C) + 1,85 ; or, d'après l'analyse des séries de 10 mesures de T(m), on trouve un écart type moyen cr(T ) = 0,92 montrant que 95 % m des valeurs mesurées sont donc dans l'intervalle + 2# (T ) = + 1,85. Les intervalles de confiance, au même risque de 95 %, étant identiques, T(C) a donc la même fiabilité que T(m). Le test ultrasonore peut donc être substitue au test destructif pour la conduite des chaînes de fabrication. Materiel utilisé On a utilisé une pastille P60 ou P48 (quartz et silice). Le dispositif ultrasonore est construit comme représenté sur la figure 7 annexée (cf figure 9). a) Mécanique Le bâti rigide BR en forme de col de cygne porte l'emet- teur et le recepteur ultrasonores servant à la mesure. L'échantillon à tester est pincé entre la sonde fixe A et la sonde mobile B. La descente de B et la pression de pincement reglable sont assurées par le vérin C, le boîtier de commande D et le groupe hydraulique P. b) Electronique L'ensemble des fonctions est regroupe dans un boîtier unique E. Un afficheur numérique 3 1/2 digit montre le temps (R) de propagation dans l'épaisseur du panneau. La mesure de l'épaisseur à + 0,1 mm est faite par un capteur de déplacement lineaire associé à la sonde mobile B. Le résultat est également affiche à 3 1/2 digit (e). Un étalonnage comparatif sur acier a été effectue pour l'épaisseur et la mesure de la vitesse du son. Trois éprouvettes cylindriques en acier ont été réalisées et leurs faces parallèles rectifiees. Les mesures de vitesse du son et d'épaisseur obtenues sur le prototype ont été comparées aux mesures au palmer pour l'épaisseur, à l'interféromètre ultrasonore 4 MHz pour les vitesses, Les tableaux suivants montrent les resultats. Cale | Epaisseur palmer; Valeur lue au mm ' + 0,01 | capteur + 0,1 - I capteur + 0,1 10 | 9,98 1 10,0 25 | 25,01 1 24,9 50 | 49,83 50,0 Etalonnage des épaisseurs. Résultats conformes aux spécifications du capteur. V m/s interféromètre 5886#7 ultrasonore prototype 5880 + 8 Remarque : une erreur de + 0,1 mm sur la mesure de l'épaisseur rend inutile un 4e chiffre significatif sur le retard. Le digit correspondant a donc ete supprimé. La chaîne de fabrication utilisant le dispositif selon l'invention est représentée schematiquement sur la figure 5. On voit que le contrôle de la qualité des panneaux s'effectue en continu grace aux trois variables de retour, poids, épaisseur et retard ultrasonore R. Les deux dernières mesures, comme indiqué ci-dessus, sont effectuées par le dispositif selon l'invention. Dans l'état actuel de la technique, il n'était possible de n'utiliser qu'une ou deux variables de retour, la pesee et ltepaisseur. Les donnees numériques issues de la pesée, de la mesure d'épaisseur et du test ultrasonore forment une boule de paramètres numérises et acquis en séquences répétitives à la sortie de presse (la sortie de l'étoile de refroidissement offre les commodités adéquates). Les valeurs acquises sont comparées, dans un microcalculateur, aux valeurs de consigne ; les différences issues du calcul vont déclencher les modifications des paramètres de fabrication : flux de particules et de colle ; epandage du mélange ; températures et temps de cycle de pressage. On utilisera de préférence 4 à 6 points de mesure par panneau. L'homme du métier saura adapter en conséquence de ce qui précède les chaînes habituelles fonctionnant en différé. REVENDICATIONS 1. Dispositif ultrasonore d'acquisition de paramètres mécaniques de panneaux de particules et/ou fibres de bois, avec ou sans placage, caractérisé en ce que - on utilise deux sondes ultrasonores placées en regard l'une de l'autre, perpendiculairement à chacune des faces du panneau ; - chacune des sondes est en contact direct avec la face correspondante, sans fluide de couplage, du panneau, sous une certaine pression d'application - au moins l'une des sondes est mobile par rapport au panneau, dans la direction perpendiculaire à celui-ci - un capteur de déplacement linéaire est associé à la sonde mobile ou aux sondes mobiles. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque sonde est essentiellement constituée, depuis la partie au contact de la face correspondante du panneau, et en s'é- cartant dudit panneau - d'un premier élément de ligne métallique, de préférence cylindrique, de longueur aussi faible que possible - d'une pastille piézo-électrique - d'un second élément de ligne de même structure que le premier, mais de longueur plus importante, qui se'vermine à l'extrémité opposée à la pastille par une partie tronconique ; et - d'un amortisseur de flexion parasite constitué d'un cône dont la base est adaptée pour venir s'emboîter sur ladite partie tronconique dudit second élément de ligne, les pastilles des sondes étant reliées à leur bloc électronique, et un vérin permettant d'appliquer les sondes sur le panneau sous la pression nécessaire. 3. Dispositif selon la revendication 2,-caractérisé en ce que les lignes sont en acier ou Dural, le cône est en plomb, etles pastilles ont pour longueur 3 à 10 mm et pour diamètre 10 à 40 mm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression d'application des sondes est de 30 à 40 bars. 5. Procédé d'acquisition de paramètres mécaniques de panneaux de particules et/ou fibres de bois, avec ou sans placage, caractérisé en ce que - on utilise le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 4 - on applique les sondes avec une pression de 30 à 40 bars, sans fluide de couplage - on mesure l'épaisseur du panneau au capteur de déplacement linéaire, et le retard intrinsèque de propagation des ondes ultrasonores à la traversee du panneau, ce dernier résultat n'étant validé qu'après cinq ou six mesures séparées par 'environ 23 s, la fréquence ultrasonore étant une fréquence pour laquelle le panneau est "transparent". 6. Chaîne de fabrication continue automatisée de panneaux de particules et/ou fibres de bois, caractérisée en ce que, à la sortie de la presse, de préférence de l'étoile de refroidis sement, on met en oeuvre le procédé selon la revendication 5, et en ce qu' on détermine par ailleurs la masse volumique du panneau par pesée, les données numériques ainsi obtenues étant comparées, dans un micro-calculateur, aux valeurs de consigne,et les différences issues de ce calcul déclenchant les modifications des paramètres de fabrication, flux de particules et/ou fibres et colle, épandage du mélange, températures et temps de cycle de pressage. 7. Panneaux obtenus à la sortie d'une chaîne de fabrication comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 8. Panneaux selon la revendication 7, obtenus à la sortie d'une chaîne automatisée continue selon la revendication 6.