Brevet FR2820204A1 — publié le 20020802

Domaine technique La présente invention a pour objet une méthode destinée à l'évaluation non destructive des propriétés mécaniques et au contrôle non destructif en ligne de la production de panneaux, tels que des panneaux composites, des panneaux de particules, des panneaux de fibres, des panneaux stratifiés, des placages, etc. Les panneaux concernés par la présente invention sont obtenus à partir de divers procédés, en particulier de procédés de reconstitution, et peuvent être destinés à des applications structurales ou non-structurales. Bases techniques Les propriétés mécaniques des panneaux du type décrit dans le premier paragraphe sont importantes dans le cadre de leur utilisation, en particulier lorsqu'ils sont utilisés comme éléments constructifs dans des structures. Les propriétés mécaniques doivent être prises en compte lors de la conception et du calcul de la structure. La mesure de ces propriétés mécaniques est donc d'une grande importance. A l'heure actuelle, les procédures classiques d'évaluation des propriétés mécaniques de panneaux sont strictement définies par les normes. En Europe, dans le cas par exemple de panneaux de contreplaqué, des éprouvettes sont découpées dans le panneau et testées suivant la procédure définie par la norme EN310. Cette solution présente le désavantage d'être destructive, le panneau devant être découpé avant de procéder aux essais, et ne peut par conséquent pas être appliquée à tous les panneaux produits chaque jour dans le cadre d'une production industrielle. Les fréquences propres de vibration d'un panneau dépendent de sa forme, de sa masse, de son volume et aussi de ses propriétés mécaniques (modules d'élasticité et modules de cisaillement). Les propriétés mécaniques de panneaux peuvent donc être obtenues en mesurant les fréquences propres de vibration, les dimensions et la masse des éléments, à condition que la relation entre les propriétés mécaniques et les variables mentionnées cidessus soit connue. Cette relation dépend des conditions aux limites du panneau. L'utilisation d'une telle méthode n'est donc possible que si les conditions aux limites du panneau sont strictement contrôlées, ce qui peut représenter un vrai problème dans un environnement industriel. Une des solutions les plus simples consiste par exemple à placer le panneau dans des conditions de vibrations libres. Même dans ce cas, la rapidité de la méthode dépend de la configuration technologique adoptée pour le dispositif d'essai. Un mauvais choix technologique peut se traduire par une augmentation substantielle du temps de mesure, du fait de l'obligation de réaliser la mesure en plusieurs étapes. Plus largement, le signal vibratoire dans son ensemble peut être utilisé comme un indicateur de la qualité d'un panneau. Le suivi en continu, sur la chaîne de production, des fréquences propres du signal ou d'autres paramètres permet de faire du contrôle non destructif de la production et d'affiner en temps réel les réglages machine pour conserver un réglage optimal du procédé de fabrication. Objets de l'invention La présente invention a pour objet de fournir une méthode d'évaluation non destructive rapide des propriétés mécaniques des panneaux du type décrit dans le premier paragraphe. Cet objet peut être réalisé en utilisant une méthode vibratoire pour mesurer les fréquences propres des panneaux. Un autre objet est de fournir une méthode permettant d'avoir un contrôle non destructif de la qualité de panneaux du type décrit dans le premier paragraphe 1-p sur une ligne de production industrielle. Cet objet peut être réalisé en considérant le signal vibratoire dans son ensemble. L'invention Selon un premier aspect de l'invention, un des modes de réalisation les plus généraux est un procédé du type défini ci-dessus caractérisé par le fait que : 1-le panneau est positionné sur un appui ou plus, 2-le panneau est pesé et ses dimensions sont mesurées, 3-un capteur est placé en contact avec la surface du panneau, 4-un impact est donné à la surface du panneau pour le faire vibrer, 5-les vibrations créées par l'impact sont mesurées par le capteur, et 6-le signal obtenu dans l'étape 5 est analysé pour extraire des modes de vibration particuliers et obtenir une évaluation de la qualité mécanique du panneau. Les étapes 1 à 3 peuvent être interverties. Selon les variantes les plus générales de l'invention, les appuis peuvent avoir une forme et une rigidité quelconques. Par exemple, des appuis rigides faits de billes d'acier, tournant ou non autour de leurs axes, sont parfaitement adaptés au procédé, du fait de leur faible coût et de la facilité d'utilisation qui les caractérise sur site industriel. Des appuis souples en caoutchouc, dont l'effet sur la vibration du panneau pourrait être négligé, sont un autre exemple. Appui signifie un moyen physique comportant une aire de contact avec le panneau. Citons à titre d'exemples non limitatifs, un appui linéaire formé par un rouleau, un encastrement... Appui ponctuel signifie un moyen physique comportant une aire de contact locale avec le panneau, qui correspond à une part négligeable d'une surface du panneau. Le panneau est de préférence posé sur ces appuis, sans application de forces extérieures autres que la gravité, mais différentes alternatives sont possibles pour le positionnement des appuis, par exemple sur les bords, dans les coins ou au-dessus du panneau. Le capteur peut être un accéléromètre ou un microphone. Le capteur doit avoir une sensibilité suffisante, de façon à délivrer un signal de bonne qualité qui pourra être analysé ultérieurement. Il peut être positionné n'importe où à la surface du panneau. Cire, colle, bande adhésive ou tout autre produit ou système peuvent être utilisés pour assurer une transmission parfaite des vibrations du panneau au capteur. L'impact donné à la surface du panneau doit avoir une intensité suffisante pour créer des vibrations dont l'amplitude est suffisante pour être mesurée par un capteur du type décrit dans le paragraphe précédent L'impact peut être créé par quelque moyen que ce soit, de façon manuelle ou automatique sur la face supérieure ou inférieure du panneau. Les figures annexées illustrent l'invention : La figure 1 représente les déformations subies par un panneau (1) vibrant suivant les modes de vibration 02 et 20 et la position des lignes nodales (2a, b) de ces modes (points du panneau où la déformation est nulle). La figure 2 illustre les déformations subies par un panneau (1) vibrant suivant 12 modes de vibration différents. La figure 3 représente un banc de mesure basé sur un mode de réalisation particulièrement avantageux du premier aspect de l'invention dans lequel un panneau (1) est posé sur quatre appuis ponctuels rigides (3a, b, c, d) situés à l'intersection des lignes nodales des modes 02 et 20 (2a, b), avec 1 défini comme la largeur du panneau et L comme la longueur du panneau, et dans lequel un capteur (4) est placé en contact avec la surface du panneau (1) au centre de celui-ci. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux du premier aspect de l'invention, le procédé est caractérisé par le fait que : 1-le panneau (1) est positionné sur quatre appuis ponctuels rigides (3a, b, c, d) placés suivant la figure 3, ou sur des appuis souples, 2-le panneau (1) est pesé et ses dimensions sont mesurées, 3-un capteur (4) est placé en contact avec la surface du panneau (1) en son centre, 4-un impact est donné à la surface du panneau (1), soit près du capteur soit de préférence au centre de la surface opposée à celle sur laquelle est positionné le capteur, pour le faire vibrer. Comme précisé précédemment pour les variantes plus générales du premier aspect de l'invention, les étapes 1 à 3 peuvent être interverties. Les étapes suivantes sont identiques à celles des différentes variantes plus générales du premier aspect de l'invention mentionnées précédemment. Les vibrations créées par l'impact sont mesurées par le capteur (4). Le signal obtenu est analysé, par exemple par un traitement numérique réalisé par un logiciel spécialement développé, pour extraire différents paramètres vibratoires. Citons à titre d'exemples non limitatifs de paramètres vibratoires ; les fréquences propres, les coefficients d'amortissement de modes particuliers de vibration ou du signal... Selon un mode de réalisation particulier de cette variante, seules certaines fréquences propres du panneau sont considérées afin d'obtenir une évaluation non destructive des propriétés mécaniques El (module d'élasticité dans la direction machine) et E2 (module d'élasticité dans la direction transverse) du panneau (1). Cette réalisation particulière se distingue par un traitement simple du signal, rendant cette réalisation particulière parfaitement adaptée à un traitement automatisé nécessaire à l'industrialisation. En effet, dans le cas d'un panneau orthotrope en vibrations libres (1), la méthode de Rayleigh fournit une bonne estimation de la relation entre les propriétés mécaniques, les différentes fréquences propres f (i, j) de vibration, les dimensions et la masse du panneau (1). Les fréquences propres correspondant aux modes de vibration en flexion pure dans la direction machine (f2, 0) et dans la direction transverse (fro, 2) dépendent respectivement des rigidités Dal 1 et D22 et par conséquent des modules El et E2 respectivement (voir formule 1). où p est la densité du panneau (1), h l'épaisseur, L la longueur et 1 la largeur. Ainsi, la mesure des fréquences propres f (2, 0) et f (0, 2) permet d'obtenir notamment une estimation du module d'élasticité E1 dans la direction machine et du module d'élasticité E2 dans la direction transverse. Les modes de vibration en flexion pure correspondant aux fréquences f (2, 0) et f (0, 2) se traduisent par une déformation du panneau (1) illustrée par la figure 1 annexée. La position des lignes nodales (2a) (où la déformation est nulle) du mode 20 correspond aux lignes d'équation y=L/4. Les lignes nodales (2b) du mode 02 sont situées en x=l/4. Par conséquent, si des appuis ponctuels rigides (3ab, cd) sont positionnés à l'intersection des lignes nodales des modes 02 et 20 (2a, b), ils n'empêcheront pas les déformations du panneau (1) induites par ces modes et le panneau (1) pourra toujours vibrer librement selon les modes 02 et 20. De la même façon, des appuis souples, quelle que soit leur position, n'empêcheront pas les déformations induites par ces modes, à condition que leur rigidité soit assez faible pour que leur effet sur la vibration du panneau (1) soit négligeable. De plus, si le capteur (4) est placé au centre du panneau (1) à l'intersection des diagonales et si l'impact est donné à proximité du centre du panneau, les deux modes 20 et 02 sont favorisés (le centre du panneau étant pour ces deux modes un ventre de vibration ; zone de déformation maximale), tandis que les premiers modes de vibration intermédiaires ne sont pas détectés, le centre du panneau (1) étant pour ces modes intermédiaires (modes 11, 21,...) un point nodal (figure 2 annexée). Ce mode de réalisation particulier évite donc d'avoir à identifier sur le spectre fréquentiel l'ordre d'apparition des différents modes de vibration, l'ordre d'apparition dépendant des propriétés et des dimensions de chaque panneau. En effet dans ces conditions particulières, quels que soient le type et les dimensions du panneau, les deux premières fréquences apparaissant sur le spectre fréquentiel sont toujours les fréquences correspondant aux modes 20 et 02, les premiers modes intermédiaires étant comme décrit précédemment annihilés par les conditions de mesure. Ce mode de réalisation particulier permet donc une analyse simple et surtout automatisable du signal. La validité de cette variante particulière de l'invention a été notamment démontrée sur des panneaux à base de bois en comparant les résultats obtenus sur les mêmes panneaux en utilisant, dans un premier temps cette variante de l'invention, et dans un second temps les méthodes d'essais destructives classiques. Les résultats obtenus par les deux méthodes sont très proches : les coefficients de détermination sont de l'ordre de 0. 84-0. 89 pour les corrélations entre les modules élastiques El et E2 obtenus par la variante de l'invention et les modules El et E2 obtenus en réalisant les essais suivant la norme européenne EN310. Le procédé de l'invention présente plusieurs avantages. Il peut être utilisé pour obtenir une estimation non destructive des propriétés mécaniques des panneaux du type décrit dans le premier paragraphe, mais aussi pour faire du contrôle en ligne de qualité. L'équipement requis pour réaliser les mesures est très simple et peu cher par rapport à d'autres équipements de mesure. La variante particulièrement avantageuse de l'invention mentionnée ci-dessus présente de plus l'avantage de ne nécessiter qu'une structure de support très simple, qu'un seul impact, et qu'une procédure de traitement du signal très simple. Le procédé peut ainsi être facilement automatisé et utilisé en usine, que ce soit en sortie de la ligne de fabrication ou n'importe où ailleurs. Comme précisé dans le premier paragraphe, l'invention peut être utilisée sur tout type de panneaux, quelles que soient leurs dimensions. Par exemple, les panneaux composites, les panneaux stratifiés, les panneaux d'OSB (Oriented StrandBoard), les panneaux de fibres synthétiques ou naturelles, les panneaux de particules, etc.., peuvent être testés en utilisant l'invention. Un second aspect de l'invention est un kit ou un montage pour réaliser le procédé de l'invention. Ce kit ou ce montage est caractérisé par le fait qu'il comporte un appui ou plus pour supporter le panneau à tester, un capteur, et de façon optionnelle un système de pesée et un impacteur intégrés ainsi qu'un logiciel informatique permettant l'extraction des différents paramètres vibratoires nécessaires à l'évaluation non destructive des propriétés mécaniques du panneau et au suivi en ligne de la production. Ce kit peut de plus comprendre des instructions pour la mesure des propriétés telle qu'elle est décrite précédemment dans le premier aspect de l'invention. Le montage est de plus caractérisé par la façon dont il est assemblé, qui est décrite précédemment pour le premier aspect de l'invention. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, plusieurs exemples de mise en oeuvre sont donnés à titre d'illustration. Chacun d'eux supporte le fait que les principes sur lesquels se base l'invention fonctionnent. Exemple 1 : Les propriétés mécaniques El et E2 de panneaux de contreplaqué d'okoumé doivent être mesurées pour assurer la commercialisation des panneaux. Les dimensions des panneaux 3 sont 2500*1250*40 mm. Il est envisagé de mesurer les propriétés des panneaux dans l'usine, sur chaque panneau, juste après la phase de pressage. Chaque panneau (1) est positionné manuellement sur le banc d'essai, composé de quatre billes d'acier servant d'appuis ponctuels rigides (3a, b, c, d) et disposées comme décrit par la figure 3. Le panneau est pesé et ses dimensions sont mesurées. Un impact est donné par l'opérateur au centre du panneau, près de l'accéléromètre (4), collé précédemment à la surface du panneau en utilisant de la cire. Le signal récupéré par l'accéléromètre (4) est enregistré et traité en utilisant un logiciel informatique permettant d'extraire les fréquences propres du panneau (1) et de calculer les propriétés mécaniques El et E2. Le panneau (1) est alors retiré du banc d'essai, et une marque y est apposée pour assurer la traçabilité et l'information du client concernant les propriétés du panneau. Exemple 2 : Les propriétés élastiques El et E2 de panneaux d'OSB (oriented strandboard) à base de Pin maritime doivent être mesurées pour assurer leur commercialisation. Les dimensions des 3 panneaux sont 1250*1250*22 mm3. Il est envisagé de mesurer les propriétés des panneaux dans l'usine, sur chaque panneau, juste après la phase de pressage. Chaque panneau (1) est positionné manuellement sur le banc d'essai, composé de quatre ressorts en caoutchouc servant d'appuis souples et disposés dans chacun des coins du panneau. Ses dimensions sont mesurées par l'opérateur, son poids étant enregistré par un système de pesée intégré. L'impacteur intégré sollicite le panneau au centre de la surface inférieure sous l'accéléromètre (4) collé précédemment au centre de la surface supérieure du panneau (1) en utilisant de la cire. Le signal récupéré par l'accéléromètre (4) est enregistré et traité en utilisant un logiciel informatique permettant d'extraire les fréquences propres du panneau (1) et de calculer les propriétés mécaniques El et E2. Le panneau (1) est alors retiré du banc d'essai, et une marque y est apposée pour assurer la traçabilité et l'information du client concernant les propriétés du panneau. Exemple 3 : On veut faire du contrôle de qualité de panneaux de fibres MDF (Medium Density Fiberboard) en sortie de la ligne de production afin de contrôler le réglage optimal du procédé de fabrication. Les dimensions des panneaux sont 2800*1850*12 mm3. Un panneau (1) est prélevé tous les 10 panneaux, et positionné manuellement sur le banc d'essai, composé de quatre appuis ponctuels rigides (3a, b, c, d) disposés comme décrit dans la figure 3. Ses dimensions sont mesurées par l'opérateur, son poids étant enregistré par un système de pesée intégré. L'impacteur intégré sollicite le panneau, en un point près de l'accéléromètre (4) collé précédemment au centre du panneau (1) en utilisant de la cire. Le signal récupéré par l'accéléromètre (4) est enregistré et traité en utilisant un logiciel informatique permettant d'extraire les coefficients d'amortissement des modes de vibration (02 et 20). Le panneau (1) est alors retiré du banc d'essai, et les informations obtenues sont comparées aux données mesurées précédemment sur d'autres panneaux afin de vérifier si les meilleures conditions de production sont maintenues. REVENDICATIONS 1-Un procédé d'évaluation non destructive du module d'élasticité E1 dans la direction machine et du module d'élasticité E2 dans la direction transverse de panneaux et de contrôle non destructif de la qualité des panneaux, caractérisé par le fait que le panneau (1) est positionné sur quatre appuis ponctuels rigides (3a, b, c, d) placés suivant la figure 3, ou sur des appuis souples ; que le panneau (1) est pesé et ses dimensions sont mesurées ; qu'un capteur (4) est placé en contact avec la surface du panneau (1) en son centre ; et ensuite qu'un seul impact est donné à la surface du panneau (1), soit près du capteur soit de préférence au centre de la surface opposée à celle sur laquelle est positionné le capteur, pour le faire vibrer. 2-Le procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les étapes 1 à 3 peuvent être interverties. 3-Le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le signal mesuré par le capteur (4) est analysé, par exemple par un traitement numérique réalisé par un logiciel spécialement développé, pour extraire divers paramètres vibratoires tels que par exemple les fréquences propres f (2, 0) et f (0,2) du panneau (1) et les coefficients d'amortissement de ces modes, et fournir une évaluation non destructive des propriétés élastiques El et E2 du panneau (1) et permettre un suivi en ligne de la production.