Brevet FR2503015A1 — publié le 19821008

Dispositif d'aboutage de bois par microondes et channe de fabrication en continu de panneaux de toiture comportant ce dispositif. La présente invention concerne un dispositif permettant de réaliser l'aboutage de bois sous l'effet des micro-ondes, ainsi que la réalisation d'une chaîne de fabrication de panneaux isolants de toiture, qui peut fonctionner en continu gracie à l'utilisation dudit dispositif. De manie générale, l'aboutage de bois (tels que de bois destinés å former des chevrons) consiste réunir à la suite les uns des autres, pour obtenir la longueur désirée, des bois dont les extrémités en regard présentent des découpes complémentaires (passage & la touffeteuse) et ont été préalablement encollées, et à laisser la colle durcir suffisamment, ou å provoquer ce durcissement. Cette technique est utilisée couramment pour la fabrication de chevrons de longueur suffisante pour être utilisés pour former des panneaux isolants de toiture. De tels panneaux sont notamment décrits dans la demande de brevet nO 79-29692 déposée le 03 décembre 1979 par la Demanderesse. Actuellement, on sait abouter les bois de diverses mandores. On peut naturellement laisser la colle durcir sans intervention accélérant ce durcissement. Cependant, pour les bois de charpente, on utilise pratiquement toujours toujours comme "colle" la Résorcine, ou la mélamineformol, car ces résines présentent seules les qualités obligatoires de résistance b l'eau et de résistance aux termites et tout autre parasite. Il faut a 1 o r s abandonner plusieurs heures les bois pour attendre un durcissement suffisant. On comprend que cela représente au plan industriel un inconvénient majeur. L'accélération du durcissement par passage dans une enceinte chauffée, ou sous une presse chaude, présente d'autres inconvénients connus de l'homme du métier, et n'élimine pas complètement l'inconvénient précédent : en effet, on est limité par la température que supportent sans dommage les bois encollés et les collages, et par conséquent, le temps de durcissement est encore important. En tout état de cause, une channe continue est exclue, car la température qu'il faudrait atteindre pour durcir la colle suffisamment rapidement endommagerait les bois. On a encore tenté de réaliser un chauffage par hautes-fréquences, en utilisant le chauffage par pertes diélectriques de la colle. On ne peut cependant plus utiliser la Résorcine seule, mais on doit ajouter une certaine proportion de phénol pour que la colle réagisse. Le collage ainsi réalisé est moins performant qu'une résorcine pure, et peut être un inconvénient. Les hautes fréquences sont de plus trbs sensibles å une variation d'humidité relative des bois (si l'humidité varie, il faut réajuster le condensateur d'accord pour rester b la résonance) et il existe un risque de durcissement incomplet du film de colle, et une mauvaise tenue de l'aboutage. Enfin, les hautesfréquences exigent souvent un blindage complet de l'installa- tion. On a découvert selon l'invention que l'on pouvait mettre au point un dispositif utilisant les micro-ondes pour durcir la colle, qui permettait de réaliser une chaîne en continu sans inconvénients majeurs. Alors que la Résorcine ne réagit pas aux hautes fréquences, elle absorbe en micro-ondes. On notera que le besoin d'une channe continue existait depuis de nombreuses années mais que, malgré l'intérêt évident d'une telle chaîne industrielle, on n'était pas parvenu A mettre au point un système exempt d'inconvénients majeurs, malgré une tentative peu intéressante b l'aide des hautes fréquences. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris & la lecture de la description qui va suivre et en se référant au dessin annexé sur lequel - la figure 1 représente le principe de l'aboutage t - la figure 2 représente le dispositif selon l'invention, monté sur la partie correspondante de la chatne ; - la figure 3 représente schématiquement la chaîne continue complète (3a) et le panneau de toiture obtenu (3b) ;; - la figure 4 représente le traitement selon l'invention dans une cavité multimodes(moins préféré) - la figure 5 représente schématiquement le traitement préféré selon l'invention, dans un guide d'ondes t - la figure 6 représente schématiquement le traitement par guide d'onde, selon l'invention, avec alimentation symétrique de l'applicateur t - la figure 7 représente une vue en perspective de l'applicateur préféré selon l'invention. Sur le dessin, les mêmes références ont les mêmes significations, qui sont les suivantes 1. premier bois 1' second bois 1", etc troisiome bois, etc. 2. zone d'aboutage 3. aboutage 4.5 application des micro-ondes 6. applicateurs 7. guide d'ondes 8. dispositif selon l'invention 9. générateur de micro-ondes (un seul a été représenté) 10. remise des bois & zéro 11. vérin de blocage 12. vérin d'avancement 13. rails 14. suite de la chaîne 15,16 et flèche : avancement du second bois depuis la position 16 jusqu'au premier bois (extrémité 15) pour la réunion des deux bois (a),(b) premier et second chevron 17. cavité multimodes 18. support du bois 19. coupleur directif (PI et PR : puissances incidente et réfléchie). A. arrivée des chevrons E. encollage A' mise bout à bout des chevrons encollés B. bobine M. pose mousse isolante T. table en fosse Ag. pose des panneaux d'aggloméré C. machine de clouage T.P. pose du tube plastique Le dispositif selon l'invention se compose essentiellement d'un générateur de micro-ondes, d'un applicateur dans lequel on place les bois aboutés, comportant des bras d'application de micro-ondes en regard de la zone d'aboutage. I1 n'existe pas d'impératif spécifique en matiore de fréquence à utiliser. On choisira, pour des questions de norme, donc å titre non limitatif, la fréquence 2450 MHz ou 434 MHz, de préférence. Les effets de collage obtenus sont sensiblement identiques à ces deux fréquences, mais l'applicateur doit être adapté en dimensions (cf. ci-après). Sur la figure 2 annexée, on a représenté deux dispositifs accolés et permettant de traiter simultanément deux séries de bois (a) et (b). En effet, cette solution permet d'obtenir directement les panneaux de toiture mentionnés plus haut. I1 ne s'agit cependant pas d'une disposition limitative. I1 est tout à fait préférable (cf. essais ci aprs) de faire passer les bois dans un guide d'ondes (7) qui consiste en un tunnel parallolépipédique ouvert aux deux extrémités, et de dimensions juste suffisantes pour permettre le passage du bois. Dans ce guide d'ondes, le bois sert d'atténuateur et supprime pratiquement les fuites, qui sont facilement inférieures à la limite maximale légale de 10 mW/cm2 à 5 cm de la sortie. On pourrait aussi utiliser une cavité multimodes (d'environ 50x50x50 cm pour une longueur d'onde de 12 cm compatible avec une largeur de chevron d'environ 8 cm) ; il faudrait cependant prévoir un guide d'ondes à chaque orifice de passage du bois, vers l'extérieur, et le système serait moins efficace. On a montré au cours des essais réalisés qu'il était préférable d'attaquer les bois simultanément sur les deux faces latérales (4 et 5, pour chaque guide) grace à deux bras latéraux (6), et deux générateurs /pour des bois plus minces, on pourrait se contenter d'attaquer par une seule face7, afin de durcir la résine à coeur. En fait, les deux faces sont attaquées "alter- nativement" : on a en effet montré qu'il convenait d'alimenter chacun des deux magnétrons, encadrant latéralement chacune des deux séries de bois (a) et (b), sur une des deux périodes du réseau électrique : ainsi, les xNlsione (4) et (5) - sur chaque série sont alternées dans le temps toutes les 10 ms environ. Ceci permet d'éviter les interactions entre les deux générateurs de chaque série. On fera de plus fonctionner les magnétrons & BR Les essais ont montré que l'on parvenait à un durcissement & coeur, en quelques dizaines de secondes, à 2450 MHz ( = 12 cm). pour des chevrons d'épaisseur (e) 8,6 cm. Il a donc été possible de concevoir pour la première fois une chaîne d'aboutage, et donc de fabrication des panneaux précités, (et naturellement, de manière générale, de chevrons aboutés) fonctionnant en continu. Pour cela, deux dispositifs selon l'invention ont été placés côte à cote (9) sur un chariot monté sur rails. Les bois glissent, sous la pression du verin (12), dans deux glissiares, tout le long de la chaîne (non représentées). Le fonctionnement est le suivant on place les bois ( & extrémités déj & découpées à la touffeteuse) à l'extrémité de la chaîne, ou le dispositif coulissant (10) permet, lorsque cela est utile, de rattraper une éventuelle irrégularité de longueur des bois afin que la zone d'aboutage des bois, aprbs avancement, soit positionnée correctement en regard des applicateurs de micro-ondes (à cet égard, les résultats sont encore acceptables si l'on s'écarte de - 5 cm environ par rapport à l'axe des applicateurs. I1 est cependant préférable de ne pas dépasser - I cm). La longueur de chaque bois étant faible, cela ne pose pas de problèmes en pratique. On fait avancer les deux premiers bois (a) et (b) d'un peu plus d'une longueur, gr ce au verin (12), puis on bloque ces bois par les verins (11). On place les deux deuxièmes bois (a) et (b) dans les glissières, après encollage des extrémités par un système classique, et on manoeuvre à nouveau le verin 12 pour qu' il applique les premiers (bloqués) et deuxièmes bois les uns contre les autres, sous une pression élevée (déplacement (16) (15) ). Ceci permet, par un nouveau déplacement, après déblocage des verins 11, de placer la zone d'aboutage (où la colle n'est pas durcie) en regard des applicateurs de micro-ondes. On poursuit alors l'avancement des boit, tandis que le dispositif (9) dans son ensemble suit ce déplacement, et que l'on place au départ de nouveaux bois. On rogue la vitesse d'avancement, compte tenu de la longueur des rails (environ 1,5 m) pour que la colle soit entièrement durcie lorsque le chariot portant le dispositif (9) arrive en bout de course. Le chariot revient alors en arrière pour traiter une nouvelle zone d'aboutage tandis que les bois aboutés continuent leur avance dans la suite de la chaîne (14), etc. Les éléments mécaniques permettant de coordonner et synchroniser ces différents mouvements sont classiques. Les exemples et essais suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. ESSAI 1 : Essai avec cavité multimodes : (cf. figure 4) L'échantillon est placé dans une caisse parallépipédique d'environ 34x34x23 cm de côté dans laquelle on injecte 800 Watt de micro-ondes de fréquence 2 450 MHz, (figure 4). On a pu ainsi déterminer qu'un temps de 30 s semblait nécessaire pour réaliser un assemblage solide qu'on ne peut rompre même en appuyant de toutes ses forces sur l'échantillon placé en équilibre instable sur le coin d'une table. Durant cet essai, la température de l'échan tillon s'élève. Il paraît s'échauffer un peu plus au niveau de plan de collage. Pour déterminer approximativement cette élévation de température nous pouvons appliquer la formule théorique m C ## = 1 P.t 4,18 m : masse de l'échantillon C : chaleur massique du bois ## : élévation de température de l'échantillon P : puissance du générateur micro-ondes t : temps d'application de l'énergie micro-ondes. Sur un échantillon de 300 g d'environ 30 cm de long, en prenant une chaleur massique C égale à 0,5 et Si l'on considère en première approximation l'élévation de température comme uniforme et le rendement de la cavité de 100 X il vient : ## = p. t = 40 C 4,18 . m . C ESSAI 2 Traitement au défilé dans un guide d'ondes : (cf. figures 5 et 6) Nous faisons glisser lréchantillon (64x36 mm) dans un guide d'ondes rectangulaire au standard WG 9A de 86 x 43 mm. La figure 5 donne le montage employé. Le guide applicateur est alimenté en son milieu par un simple T. Un coupleur directif donne la valeur de la puissance réfléchie par l'échantillon. On s'aperçoit que l'échantillon absorbe sans précaution aucune environ 90 % de la puissance incidente. Pour'simuler le traitement industriel, nous faisons défiler l'échantillon à la main à environ 3 m/min. Dans ces conditions le chevron s'échauffe très peu. En effet, en trente secondes, 1,5 m de bois est irradié, ce qui correspond, en se reportant å l'essai précédent, & une longueur de 1,5 = 5 fois plus importante que précédemment, soit un 0,3 T 5 fois plus faible. Dans ces conditions on n'obtient aucun collage. Si on travaille de façon statique avec le plan de collage juste en face de l'arrivée du guide d'alimentation, le plan de colle s'échauffe très fortement. On obtient un collage satisfaisant. On remarque cependant, que la face la plus proche du générateur s'échauffe beaucoup plus que celle la plus éloignée. Cela signifie que la partie encollée absorbe beaucoup et qu'il faudra en pratique faire une alimentation de l'applicateur symétrique comme indiqué sur la figure 6. Pour des raisons énergétiques, le système d'application des micro-ondes doit se déplacer à la même vitesse que l'échantillon de façon à ne faire apparaître des calories que dans le plan de collage. Il est alors possible avec 1 Kw (au besoin 2 pour être à l'abri de toute surprise) de réaliser en 30 s 1 l'aboutage de deux chevrons. Détermination de l'applicateur Les essais précédents ont montré, pour les chevrons considérés,qu'il était nécessaire que la partie collée soit soumise pendant au moins 30 s aux micro-ondes et cela avec un niveau de puissance de 1 kW si l'on désirait un collage convenable. Le chevron avance à 3 m/mn et il faut que l'applicateur se déplace å la même vitesse. Deux configurations d'applicateurs sont possibles : la cavité multimodes et le tunnel (figures 6 et 7). L'applicateur type cavité multimodee est nettement moins préféré - il s'avère trop encombrant, caisse rectangulaire de 23x34x34 cm par exemple ; - il chauffe toute la partie du chevron présente à son intérieur au lieu de chauffer prioritairement le plan de colle ; - il nécessité l'utilisation de pièges à l'entrée et à la sortie de la cavité pour éviter les fuites micro ondes. Par contre, le tunnel fabriqué avec du guide standard élimine tous ces inconvénients. (rappelons qu'unie alimentation symétrique de part et d'autre du plan de collage est nécessaire si l'on veut que la température de celui-ci soit à peu près uniforme). àractéristiques mécanigues de I'aealicateur : Sa réalisation peut se faire entierement avec du guide standard WG 9 A aux cotes de 86x43. il se compose d'un double Te plan E. L'élément de guide faisant office de tunnel mesure 60 cm de long = les deux petits bras latéraux peuvent avoir une longueur quelconque. La longueur précitée est indicative. Caractéristiques électriques de l'applicateur ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 1 - Adaptation de l'applicateur : Des mesures expérimentales effectuées sur les échantillons de bois ont montré que, sans précautions spéciales, le système s'avèrait parfaitement adapté, c'est-à-dire que toute la puissance injectée dans les bras latéraux (P1 et P2) se dissipe dans le bois sans revenir sur le magnétron. Il y a à peine 10 % de puissance réfléchie (d'où un rapport d'ondes stationnaires -R.O.S.- bien inférieur à 3) ce qui évite l'emploi d'un circulateur. 2 - Fuites de l'aEplicateur : Avant de sortir à l'extérieur les ondes doivent parcourir 30 cm dans le chevron. Celui-ci agit comme un absorbant. Le niveau de fuite mesuré avec un détecteur NARDA juste å la sortie du guide est inférieur d 1 mW/cm2 ; ce qui est 10 fois plus faible que la fuite maximale autorisée. 3 - Alimentation de l'aEplicateur Celle-ci est faite par deux générateurs microondes 2450 MHz par exemple réglables de O à 1kW à llali- mentation du type redresseur mono alternance doubleur. Cette particularité permet de supprimer l'interaction des générateurs l'un sur l'autre. En effet, ils fonctionnent successivement l'un après l'autre ; l'un sur les alternances positives du réseau, l'autre sur les alternances négatives. Compte tenu de ce qui précède, un applicateur retenu est le guide d'ondes représenté, à titre non limitatif, sur la figure 7 annexée. (Cu, Al, laiton,..). EXEMPLE 1 On a utilisé la machine représentée sur la figure 2, pour fabriquer les panneaux de toiture décrits dans la demande de brevet précitée. La machine était intégrée à une chaîne en continu représentée schématiquement sur la figure 3 annexée. Les paramètres des essais effectués sont les suivants - vitesse d'avancement 5 m/mn. (des essais à 4 et 6 m/mn. ont également été satisfaisants). - 9 = 2450 MHz ( = 12 cm). - e = 85 mm - humidité des bois 18-22 % - guide d'ondes : type WG 9A (hauteur 43 mm t largeur 86 mm) - longueur du guide d'ondes : 80 cm - pression appliquée par le verin 12, lors de l'aboutage, sur chaque série (a) ou (b) de bois : 1500 kg. - magnétrons : type YJ 1500 - puissance nominale 1 kw - puissance utilisée : V2 1/2 KW - profondeur de l'aboutage : 10 mm - course du verin 12 : 30 cm RESULTATS a) la chaîne fonctionne parfaitement en continu. b) en ce qui concerne la qualité des chevrons obtenus, on note que les deux critères habituels sont satisfaits - la résistance à la flexion des bois aboutés est au moins égale à la résistance avant aboutage : - le % d'arrachement de l'aboutage est très proche de 100 % en sortie de chaîne1 c'est-d-dire qu'en traction la rupture se produit dans le bois et non au niveau de l'aboutage. EXEMPLE 2 On a utilisé le même matériel que celui de l'exemple 1, sauf en ce que le guide d'ondes était de dimensions adaptées aux chevrons utilisés, de dimensions 34 x 73 x 2410 mm. On a obtenu le même résultat que dans l'exemple 1. EXEMPLE 3 On a utilisé dans cet exemple, pour un chevron d'épaisseur 20 cm, la fréquence 434 MHz. Pour le reste, on a utilisé les matériels de l'exemple 1. I1 faut alors un guide d'ondes de longueur 1,5 m et de section adaptée å la fréquence utilisée. On a obtenu les mêmes résultats que dans l'exemple 1. EXEMPLE 4 On a abouté des chevrons de longueur plus faible (50 cm). Pour conserver une durée d'interaction de 30 s entre les micro-ondes et le matériau, on a contruit une variante selon laquelle l'applicateur est alimenté par quatre bras disposés symétriquement deux par deux. Le déplacement est toujours de 1,5 m, mais la longueur du guide d'ondes est de 3 m. EXEMPLE 5 : On a repris l'exemple 1 en utilisant comme colle, successivement : - une colle urée-mélamine formol, - une colle urée-formol, - une colle mélamine formol, c'est-à-dire une colle qui durcit, polymérise ou polycondense à la chaleur. On a obtenu des résultats comparables, notamment en ce qui concerne le temps de durcissement. On peut ajuster ce temps de durcissement par mélanges de colles, à l'aide de quelques essais de routine. EXEMPLE 6 On a repris l'exemple 1 en utilisant cette fois des bois bruts de scierie à 35-45 % d'humidité relative. On a effectué deux essais de durcissement après un aboutage manuel sommaire Essai nO 1 traitement à 2450 hz, 500 W, 2x20 s rupture à 1300 kg contrainte 318,36 DAN/cm2. Essai nO 2 . traitement à 2450 hz, 300 W, 2x30 s . rupture 1180 kg contrainte 289 DAN/cm2. Les essais de flexion ont été réalisés selon la norme CTB annexe 3. On voit que les valeurs obtenue se trouvent bien entre 260 et 400 DAN pour un taux d'humidité relative résiduel de 12 % ce qui est le cas. I1 est surprenant de constater que l'on peut utiliser directement, sans aucun séchage préalable, des bois de scierie fortement humides. On sait en effet que, dans les méthodes classiques, on est obligé d'effectuer une étape de séchage du bois avant de prétendre réaliser le collage, notamment à la colle résorcine, sinon la colle ne durcit pas. L'invention permet donc de supprimer cette étape de séchage très conteuse. Elle permet de plus de traiter des bois réputés "inséchable6", qui éclatent ou se tordent : "bois de pays", pin des Landes notamment, ce qui ouvre de nouvelles perspectives d'exploitation des richesses forestières. R EVED r CAT IONS 1. Procédé d'aboutage de chevrons caractérisé en ce que la colle d'aboutage est durcie par application de micro-ondes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence est de 2450 ou 434 MHz. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la colle est la Résorcine et la durée de durcissement est de 30 s environ ou plus. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'applicateur de micro-ondes consiste en une cavité multimodesreliée latéralement au générateur de micro-ondes, et que traversent les chevrons avec un temps de séjour suffisant pour durcir la colle, l'entrée et la sortie des chevrons dans la cavité se faisant par des guides d'ondes pour empêcher les fuites. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'applicateur de micro-ondes consiste en un guide d'ondes dont la section droite correspond, avec des dimensions très légèrement supérieures, à celle des chevrons à abouter, dont au moins une face est reliée à au moins un générateur detmicro-ondes par au moins un bras perpendiculaire au guide d'onde. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux faces latérales du guide d'ondes sont reliées, sensiblement en leur centre, chacune à un générateur de micro-ondes, les deux générateurs et leurs bras d'alimentation étant disposés symétriquement par rapport au guide d'ondes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on place ou maintient la zone d'aboutage, dans le guide d'ondes, en regard du bras, ou des bras symétriques, d'arrivée des microondes, avec une tolérance maximale d'alignement de - 5 cm, de préférence ± 1 cm. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, tel que spécifié dans la revendication 4. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 5 et 6, tel que décrit dans la revendication 5 ou 6. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la fréquence du générateur, ou de chacun des générateurs symétriques, de micro-ondes, est égale 2450 ou 434 MHz. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque dimension de la section droite du guide d'ondes est supérieure d'environ 1 mm à 2 mm à la dimension correspondante de la section droite des chevrons aboutés. 12. Chaîne d'aboutage de chevrons en continu, caractérisé en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, en ce que les chevrons mis bout à bout après encollage avancent à une certaine vitesse, et en ce qu'ils traversent ledit dispositif, celui-ci étant animé d'un mouvement qui lui fait accompagner sur une certaine distance le mouvement des chevrons, de manière qu'une zone d'aboutage soit maintenue sur toute ladite distance en regard du ou des bras d'arrivé degmicro-ondes, avec une tolérance maximale d'alignement de - 5 cm, de préférence - 1 cm, ladite distance, compte tenu de la vitesse d'avancement des chevrons, étant telle qu'elle assure un temps d'application des micro-ondes sur ladite zone d'aboutage suffisant, après quoi ledit dispositif revient en arrière de la même distance pour traiter identiquement la zone d'aboutage suivante. 13. Chaîne selon la revendication 12, caractérisée en ce que la colle est la Résorcine et le temps d'application est d'environ 30 s ou plus. 14. Chatne selon la revendication 12 ou 13, carac térisée en ce que la fréquence choisie est de 2450 ou 434 MHz. 15. Chaîne selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisée en ce que la vitesse d'avancement est de sensiblement 3 rn/min., ladite distance d'accompa gnement est de 1,5 m sensiblement, le temps d'applica tion étant alors sensiblement égal à 30 s. 16. Chaîne selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisée en ce qu'elle comporte deux dispo sitifs d'application des micro-ondes, composés chacun essentiellement dudit guide d'onde, desdits bras, et desdits générateurs, ces deux dispositifs étant disposés en parallèle, ce qui permet de traiter simultanément deux séries de chevrons. 17. Bois, caractérisés en ce qu'ils sont formés de chevrons aboutés par un dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 et/ou dans une chaîne d'aboutage en continu selon l'une quelconque des revendications 12 à 17.