MATERIEL ET METHODES

2.1 Matériel

Le présent travail fait partie d'un ensemble de travaux de recherche concernant l'évaluation des propriétés physiques et mécaniques du bois, le comportement au séchage et l'aptitude à l'usinage de sept clones de peuplier hybride. Les sept clones sélectionnés proviennent de la liste des clones recommandés par la Direction de la recherche forestière (DRF) du Ministère des Ressources Naturelles et de la Faune (MRNF). Il s'agit de clones recommandés pour la partie méridionale du Québec (Tableau 3).

L'échantillonnage des arbres a été réalisé pendant les mois de juillet, août et début septembre 2007. Les arbres provenaient de trois plantations expérimentales établies dans différentes régions du Québec méridional (Tableau 4). Ces plantations sont des dispositifs expérimentaux de la Direction de la recherche forestière (DRF) du ministère des Ressources naturelles et de la Faune du Québec, servant à l'évaluation d'environ 150 à 200 clones différents. Ces tests clonaux étaient assez âgés pour que les arbres présentent une taille et un diamètre suffisants pour le projet. De plus, ces trois sites couvrent plusieurs types de milieux de croissance dans la partie méridionale du Québec. Le site de Saint-Ours fait partie de dépôt suivant le retrait de la mer de Champlain riche en sol salin-argileux (40% argile), tandis que Platon et Windsor appartiennent à des sols sablonneux et loameux. Les sites étaient tous des terres agricoles abandonnées lors du début des tests.

Tableau 3: Liste des 7 clones échantillonnés pour fins d'analyses. TV clone 131 3230 3565 3570 3586 4813 915508 Type de croisement D x N T x D D x N D x N DxN D x N D N x M

D x N : Populus deltoides x P. nigra T x D : P. trichocarpa x P. deltoides

DN x M : (P. deltoides x P. nigra) x P. maximowiczii

Tableau 4: Principales caractéristiques des sites des tests clonaux étudiés. Source : (Pliura et al 2007).

Site Année Longitude Latitude Altitude Sous-région Espacement Matériel d'établissement Ouest Nord (m) écologique -

Domaine bioclimatique des arbres avant/après éclaircie de plantation Platon Windsor St-Ours 1991 1995' 1993 1993 71°51' 71° 48' 73° 11' 46° 40' 45° 42' 45° 53' 60 260 15 2bT Erable à 1 mx 3 m Boutures sucre - / (30 cm) domaine du 2 m x 3 m tilleul 2cT Erable à 1,5 mx3,5 Boutures sucre - m/ (25 cm) domaine du 3 mx 3,5 m tilleul

laT Erable à 1,2m x 3,5 Boutures sucre - m/ (25cm) domaine du 2,4 m x 3,5

caryer a noix m amer

Le clone 915508 a été mis en terre en 1995 (récolte après 13saisons de croissance).

Les tests clonaux des trois sites ont été établis suivant un dispositif complètement aléatoire composé de 10 blocs. Les clones ont été plantés en rangée à raison de 4 arbres par parcelle, chaque parcelle représentant un clone. Un éclaircissement systématique

36 comportant l'abattage d'un arbre sur deux a été réalisé en 1995 pour le site de Platon et en 1996 pour les sites de Windsor et Saint-Ours.

1- Le site de Platon est situé dans le domaine bioclimatique 2, sous-région écologique 2b-T. Il s'agit d'un site où le sol est assez fertile mais le dépôt y est plutôt mince. Les arbres de ce site présentaient en général des diamètres plus petits que les deux autres sites, même si cette plantation est plus vieille de 2 ans. Le test clonal de peupliers hybrides a été mis en terre en 1991 (récolte après 17 saisons de croissance), dont une section a été mise en production en 1995 (clone 915508) (récolte après 13 saisons de croissance).

2- Le site de Windsor est localisé dans le domaine bioclimatique 2, sous-région écologique 2c-T. C'est un site assez fertile qui est représentatif du domaine de l'érablière à tilleul. Le dernier test clonal a été mis en terre en 1993 (récolte après 15 saisons de croissance).

3- Le site de Saint-Ours se retrouve dans le domaine bioclimatique 1, sous-région écologique la-T. Il s'agit d'un site très fertile dans lequel les arbres présentaient la plus grande croissance (Figure 11). Le test clonal a été mis en terre en 1993 (récolte après 15 saisons de croissance).

Les arbres ont été abattus puis débités comme suit : le tronc entier fut sectionné afin d'obtenir une première bille de 1,30 m puis deux billes consécutives de 2,45 m de longueur. Les extrémités des billes ont été recouvertes de cire toute de suite après la coupe, afin de les conserver à l'état vert en attendant leur transport jusqu'au laboratoire. Après leur transport au pavillon Kruger de l'Université Laval, les billes de 1,30 m ont été tronçonnées en 2 sections (0,8 m et 0,5 m). La section de 0,8 m a été utilisée pour les analyses des propriétés mécaniques. Les billes de 2,45 m ont été débitées en planches d'environ 34 mm d'épaisseur (planches 5/4) à l'aide d'une scie à ruban portable WoodMizer. Les planches ont ensuite été entreposées dans un congélateur à environ -4°C en attendant le séchage. Pour les travaux de ce mémoire, le matériel utilisé a été produit uniquement à partir de la première bille de 2,45 mètres de chaque arbre récolté.

Figure 11 : Récolte des arbres à St-Ours (source : M. Pierre Gagné du Réseau Ligniculture Québec).

L'objectif était de récolter 5 arbres par combinaison de sites (3) et de clones (7) pour un total de 105 arbres. Pour étudier le traitement des trois modes de séchage sur les clones et leur aptitude à l'usinage, nous avions pour objectif de générer au moins trois planches pour chaque arbre pour un total de 315 pièces et de les distribuer aléatoirement à chacun des traitements de séchage. Cependant, certains arbres n'avaient pas la taille ou la qualité pour produire l'ensemble des échantillons requis à l'obtention d'un dispositif expérimental balancé. Ainsi, 270 planches de dimensions approximatives de 34 mm en épaisseur, de 70 à 200 mm en largeur et de 2450 mm en longueur ont été produites. Le tableau 5 présente la structure du dispositif expérimental du matériel disponible et la distribution des planches par traitement de séchage, par site et par clone.

Tableau 5: Structure du dispositif expérimental (nombre de planches).

3 .S

Programme de séchage Clone Site Total

Platon St-Ours Windsor

131 3 4 5 12

3230 4 5 5 14

3565 5 5 5 15

Moyenne Température (MT)(I) 3570 5 5 5 15

3586 5 5 5 15 4813 5 4 4 13 915508 4 5 5 14 Sous-total (MT) 31 33 34 98 131 3 2 3 8 3230 2 5 5 12 3565 4 5 4 13 Température Élevée (TÉ)(1) 3570 5 4 4 13 3586 4 5 5 14 4813 4 4 3 11 915508 3 5 5 13 Sous-total (TE) 25 30 29 84 131 3 4 4 11 3230 3 5 5 13 3565 4 5 4 13

Haute Température (HT)(I) 3570 5 4 3 12

3586 5 5 5 15

4813 4 4 4 12

915508 3 4 5 12

Sous-total (HT) 27 31 30 88

Total

83

94

93

270

(1) L'annexe A présente les détails des trois différentes cédules de séchage

Les planches ont été séchées avec une pesée de 7,5 kN/m suivant les programmes de séchage suivants : moyenne température (thermomètre sec [Ts] entre 60°C et 82°C),

température élevée (Ts entre 60°C et 90°C) et haute température (Ts entre 90°C et 115°C).

Les programmes détaillés sont présentés à l'Annexe A. Après séchage, les planches ont été mesurées pour le retrait et le gauchissement, rabotées à une épaisseur d'environ 25 mm et puis placées dans une chambre de conditionnement réglée à une température de 20°C et 40% d'humidité relative (HR) afin d'atteindre une humidité d'équilibre (Hé) de 8%. Cette humidité d'équilibre cible est une valeur compatible pour des produits du bois à valeur ajoutée destinés à une utilisation intérieure. Les planches après séchage n'étaient pas sans

de défauts. De petits nœuds, de légères déviations de fil et de la coloration étaient acceptables en autant que les surfaces usinées ne toucheraient pas les zones défectueuses.

2.2 Essais d'usinage

La norme ASTM D1666-87 (2004) a servi de guide pour l'évaluation du comportement à l'usinage du bois. La sélection, le conditionnement et la préparation des échantillons ont été réalisés en conformité avec cette norme bien qu'avec quelques ajustements qui seront décrits ultérieurement. Par exemple, la norme ASTM D1666-87 (2004) a été écrite spécifiquement pour comparer différentes essences en utilisant 50 échantillons par essence étudiée. Un nombre plus restreint d'échantillons a été utilisé au cours de ce travail (Tableau 5).

2.2.1 Aptitude au rabotage

Les échantillons destinés aux essais de rabotage mesuraient 19 mm x 75 mm x 910 mm. Environ 12% des pièces avaient une largeur se situant entre 45 mm et 75 mm. Avant le début des essais, un échantillon de 25 mm de longueur a été prélevé sur chacune des pièces afin de déterminer la masse volumique basale et la teneur en humidité d'équilibre.

Sept essais de rabotage ont été conduits sur une moulurière de marque Weinig, Modèle Powermat 1000. La vitesse de rotation du porte-outil muni d'un seul couteau a été maintenue constante à 6000 tours à la minute pour les sept passes de rabotage. Le rayon du cercle de coupe a varié entre 54,8 et 56,4 mm. Quatre angles d'attaque (a) ont été étudiés: 10,8°, 15,5°, 20° et 25° en maintenant constant l'angle de dépouille (y) à 40°. Pour ces quatre essais, la vitesse d'alimentation a été ajustée de façon à obtenir en moyenne vingt traces de couteau par pouce de longueur. De plus, trois autres passes ont été réalisées avec un angle d'attaque (a) de 20° et en réglant la vitesse d'alimentation de façon à obtenir en

40

moyenne 12, 16 et 24 traces par pouce (tpp) de longueur. Pour les sept passes, les pièces ont été alimentées bout à bout et orientées toujours dans la même direction. Finalement, les couteaux utilisés ont été maintenus en bonne condition et affûtés entre chaque passe. Dans tous les cas, la profondeur de coupe a été de 1,6 mm. Les défauts produits au rabotage ont été classés comme suit : fil arraché, grain pelucheux, marques de copeau et grain soulevé.

2.2.2 Aptitude au ponçage

Les échantillons utilisés pour les essais de ponçage mesuraient 7 mm x 75 mm x 30,5 mm et ont été prélevés dans le matériel résiduel des essais de rabotage et conditionné à 8% Hé. Environ 12% des pièces poncées avaient une largeur inférieure à 75 mm. Quoique la ponceuse de marque Costa et Grissom Série E Modèle 36 possède deux têtes-supports pour papier à large bande, nous n'avons utilisé qu'une seule tête. Un premier essai pour calibrer tous les échantillons à la même épaisseur a été effectué avec un papier possédant des grains d'oxyde d'aluminium de calibre No 80. Par la suite, trois passes de ponçage ont été exécutées (grains d'oxyde d'aluminium No 120, No 150 et No 180) en utilisant les mêmes échantillons. Les évaluations ont été effectuées entre chacune de ces trois passes. L'épaisseur enlevée a été fixée à 0,5 mm pour le papier No 80, à 0,2 mm pour le papier No 120 et à 0,1 mm pour les papiers No 150 et No 180 (Morrisat et Rivard 2006). La vitesse d'avance a été fixée à 6,1 m/min. Le ponçage a été fait suivant le fil du bois en alimentant les pièces dans la même direction que pour les essais de rabotage. Finalement, considérant le caractère pelucheux des peupliers (Lihra et Ganev 1999), nous avons alimenté les pièces une seule à la fois, en évitant d'utiliser la même zone de papier entre 5 pièces consécutives pour diminuer l'accumulation de poussières sur le papier. Chaque pièce a été évaluée pour la présence de grain pelucheux et d'égratignures.

direction de l'otiti Travail en avalant S mlmin direction de l'outil

1

1

Figure 12: Détail du travail en opposition et en avalant lors de l'essai de défonçage.

2.2.3 Aptitude au façonnage (défonçage)

Les épreuves de façonnage ont été réalisées au moyen d'un centre d'usinage à commande numérique de marque Pade modèle Spin 5 axes. Ce centre était muni d'un porte-outil à trois couteaux dont leurs profils respectaient celui recommandé par la norme ASTM D1666-87 (2004). Préalablement, la forme générale des échantillons pour l'essai de défonçage (Figure 12) a été préparée à l'aide du centre d'usinage muni d'un couteau droit. Par la suite, une première passe de défonçage de 1,6 mm d'épaisseur a été réalisée pour calibrer la surface des pièces et produire des échantillons aux dimensions suivantes : 19 mm x 75 mm x 305 mm. Quelques pièces, soit environ 12%, avaient une largeur se situant entre 45 et 75 mm. L'angle d'attaque (a) et l'angle de dépouille (y) des couteaux furent respectivement de 20° et 14°. La vitesse de rotation de l'arbre a été de 12 000 tours à la minute et les couteaux étaient placés de telle manière qu'un seul effectuait le travail. La section transversale de chaque pièce (Figure 12) a été façonnée à une vitesse d'avance moyenne de 1,25 mètre par minute (orientation 90°-90°). Les parties droite (orientation 90°-0°) et courbe (orientation variable) furent travaillées à une vitesse moyenne de 5 mètres par minute. La longueur d'onde d'usinage fut donc de 0,10 mm pour la section transversale et 0,42 mm pour les parties droites et courbes de la pièce. D'autre part, Mitchell et Lemaster (2002) ont observé des différences significatives de qualité de surface entre les modes de travail en avalant et opposition lors d'essais de façonnage du bois d'érable selon

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les orientations de coupe étudiées (Figure 12). Nous avons ainsi décidé d'évaluer le comportement au défonçage pour les deux modes de travail. Les pièces usinées ont été évaluées en fonction de l'aspect du grain (arraché, fragmenté, soulevé ou laineux) et de l'aspect doux ou rugueux au touché de la coupe. Les parties courbe et droite, ainsi que l'extrémité de chaque échantillon ont fait l'objet d'une analyse séparée.

2.2.4 Aptitude au tournage

La norme ASTM recommande l'utilisation d'un couteau de type « back knife » pour la conduite de l'essai de tournage. Un tour de marque Locatelli MK-CE 600 avec chargement automatique et un jeu de deux couteaux de type « back knife » ont été utilisés pour reproduire le profil suggéré de la norme ASTM D1666-87 (2004). Les essais ont été réalisés chez Tournage de bois Dynastie Ltée situé à St-Marc-des-Carrières, Québec. Les dimensions initiales des échantillons étaient de 19 mm x 19 mm x 127 mm. Deux teneurs en humidité du bois ont été considérées : 8% et 12%. Pour tous les essais, la vitesse de rotation du tour a été maintenue à 3300 tours à la minute. Les pièces ont été évaluées suivant cinq classes de qualité selon l'aspect du grain (pelucheux, arraché et soulevé) et la rugosité obtenue.

2.3 Évaluation de la masse volumique et de la teneur en humidité d'équilibre

La masse volumique basale (masse anhydre / volume saturé) et la teneur d'humidité d'équilibre des échantillons ont été déterminées selon les normes ASTM D143-94 (2004) et D2395-07a (2007). La masse de chaque échantillon a été mesurée après que le poids de ces derniers se soit stabilisé dans la chambre de conditionnement. Par la suite, les échantillons ont été saturés d'eau de façon à obtenir la saturation des fibres. Pour ce faire, nous avons immergé les échantillons dans l'eau et, au moyen d'une pompe à vide, créé des vides successifs suivis de périodes de détente à la pression atmosphérique jusqu'à saturation complète de ces derniers. Chaque échantillon saturé d'eau a par la suite été pesé. De plus, le volume de chaque pièce fut mesuré par immersion dans l'eau en mesurant le

anhydre, les échantillons ont été séchés dans une étuve à 103°C±2°C pendant environ 24 heures jusqu'à constance de masse. Lors de la mesure de la masse anhydre, les échantillons ont été manipulés en utilisant des dessiccateurs clos contenant du pentoxyde de phosphore pour éviter tout gain d'humidité. Toutes les mesures de masse ont été effectuées avec une balance électronique de Marque Sartorius avec une précision de ± 0,001 gramme. Ces mesures ont permis de calculer la masse volumique basale et la teneur en humidité d'équilibre des échantillons testés.

2.4 Évaluation qualitative de la qualité de surface

L'évaluation qualitative des pièces pour chaque essai fut réalisée à trois reprises par des évaluateurs indépendants afin d'obtenir une meilleure estimation. Après chaque essai, les pièces furent évaluées et séparées en cinq classes de qualité (grade 1 : excellent ou sans défaut, grade 2 : bon, grade 3 : acceptable, grade 4 : pauvre et grade 5 : médiocre) selon la norme ASTM D1666-87 (2004). Le type de défaut et son degré de sévérité ont été notés en fonction du type d'essai réalisé et sont décrits à la section 2.2. Les critères d'évaluation du bois de bonne qualité lors des différents types d'essai d'usinage sont présentés au tableau 6.

Les figures Bl à Bl 1 de l'annexe B montrent quelques exemples des résultats de la qualité de surface obtenue pour chaque essai d'usinage du bois. Deux méthodes ont été utilisées pour combiner les résultats des trois évaluateurs. Elles sont décrites aux sections 2.4.1 et 2.4.2.

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Tableau 6: Critères d'évaluation visuelle du bois de bonne qualité.

Essai Critères d'évaluation (classe)

Rabotage 1

Ponçage 1 et 2(1)

Façonnage (défonçage) 1 et 2 Tournage 1, 2 et 3

Pour le ponçage, la norme ASTM suggère d'utiliser les pièces appartenant à la classe 1 seulement. Cependant, les pièces de qualité 2 avaient du grain pelucheux très superficiel n'ayant pas d'impact sur les procédés subséquents de finition tels que le vernissage. Conséquemment, nous avons considéré les pièces de grades 1 et 2 comme de bonne qualité.

m

2.4.1 Évaluation des proportions des pièces de bonne qualité

Pour chaque essai d'usinage, les pièces ont été classées de bonne qualité suivant les critères du tableau 6 par chacun des évaluateurs. Par la suite, si deux des trois évaluateurs avaient jugé une pièce de bonne qualité alors la pièce était classée comme de bonne qualité.

Ainsi cette approche permet d'obtenir les proportions moyennes des bonnes pièces suivant une distribution binomiale (l=bon, 0=rejet). Cette façon de faire nous a permis de calculer les proportions de pièces sans défaut et de comparer les résultats avec d'autres études similaires. Cependant, cette approche a provoqué des problèmes de non convergence avec les différentes procédures SAS utilisées pour les analyses de variance.

2.4.2 Évaluation d'un indice de qualité

Comme deuxième méthode d'évaluation, nous nous sommes inspirés de Mitchell et Lemaster (2002) et avons établi un indice de qualité. Pour chaque pièce classée de 1 à 5, une simple moyenne arithmétique a été calculée à partir des résultats des trois évaluations. De cette façon, plus l'indice de qualité se rapproche de la valeur de 1, meilleure est la

qualité. Cette approche a été retenue pour les analyses de variance réduisant ainsi les risques de non convergence lors de l'application des procédures SAS.

2.5 Évaluation de la microtopographie (profil - 2D et surface - 3D)

L'évaluation de la microtopographie a été effectuée au moyen d'un microscope confocal chromatique à champ étendu de marque Micromeasure. Un crayon optique avec une plage de mesure de 3 mm (modèle: OP 3000) dont les résolutions axiale et latérale étaient respectivement de 100 nm et de 12,5 nm est relié au contrôleur par une fibre optique. Le système d'acquisition de données est un contrôleur optoélectronique pour capteur confocal de marque STIL, modèle CHR150, ajusté à la fréquence d'acquisition de 300 kHz pour toutes les lectures et contrôlé par le logiciel d'acquisition de données SurfaceMap version 2.4.13. Pour les essais de rabotage (angle constant : a = 20 ; vitesses d'avance de 24 tpp, 16 tpp, 12 tpp) et de ponçage (grains No 120, 150,180), nous avons évalué une surface 3D de 12,5 mm (direction longitudinale) x 12,5 mm (direction transversale) sur chaque échantillon (Figure 13). Le pas de mesure a été fixé à 20 um pour la direction longitudinale et à 250 um pour la direction transversale. Pour les essais de façonnage, nous avons mesuré un seul profil (2D) à trois positions différentes (parties transversale, droite et courbe) sur chaque pièce. La longueur échantillonnée dans ces cas fût de 15 mm avec un pas de lecture de 5 um. Les propriétés de profil (2D) et de surface (3D) ont été calculées avec le logiciel MountainsMap® Topography XT version 4.1.2, selon les normes ISO 4287, ISO 25178 et ISO 13565-2. De plus, pour ne considérer que la rugosité nous avons appliqué un filtre Gaussien robuste (ISO 16610) combiné à une longueur de base limite « cutoff» (kc) de 2,5 mm pour filtrer les ondulations.

Il existe une cinquantaine de paramètres permettant de caractériser des profils (2D) et des surfaces (3D). Les définitions concernant les paramètres 2D et 3D sont présentées de manière différente dans la littérature. Certains paramètres 3D sont une extension de la définition des paramètres 2D (Khazaeian 2008).

46

104 um

12,5 mm 12,5 mm

Figure 13: Exemple de microtopographie 3D suivant un rabotage à 12 marques de couteau par 25,4 mm pour l'échantillon 2213-1.

Les paramètres d'amplitude des profils suivants semblent les plus connus et utilisés pour la caractérisation des états de surface du bois:

Ra.sRa: Hauteur moyenne arithmétique

Rq; sRq : Hauteur moyenne quadratique

R, sR, : Hauteur entre le point le plus élevé et le plus creux Rsk, sRsk: Facteur d'asymétrie de la distribution des hauteurs Rku, sRku: Facteur d'aplatissement de la distribution des hauteurs

Rz> sRz : Moyenne d'hauteur entre le point le plus élevé et le plus bas établie à partir

Conversion de la «zone des pics» et de la «/one des creux» •n un triangle rectangle de surface équivalente yS^~A^ i t Z ^ M r l i i j •5 _c i i j 0 [ 20 Met '.!,•: Pourcentage de matière Mr —— Calcul d e Rpk et Rvk

Figure 14: Calcul des paramètres Rk, RPk, Rvk (tiré de Khazaeian 2006).

Dans les applications industrielles, beaucoup de profils et de surfaces sont conçus avec des propriétés fonctionnelles spécifiques telles que la portance, le collage, le frottement, et les capacités de rétention de lubrifiant. Une série de paramètres fonctionnels peut décrire seulement quelques catégories d'applications. Donc, il est impossible de proposer une série de paramètres fonctionnels qui décrit toutes les applications. Nous avons examiné les paramètres fonctionnels de portance calculés à partir de la courbe d'Abbott- Firestone, puisque ces derniers sont souvent utilisés dans l'industrie du bois pour caractériser les profils et les surfaces. Par exemple, Fujiwara et al (2005) ont examiné la relation entre un indicateur tactile de rugosité et les trois paramètres de portance. Pour