Outahyon, Alex (2008) Influence of machining and storage parameters on douglas-fir wood functional surfaces properties. PhD thesis Génie mécanique – Procédés de fabrication, ENSAM 2008ENAM0041 p.283.

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Abstract

Wood machining is a process that creates new surfaces which have precise functionalities; most of these surfaces receive protection films or glues. It is desirable to directly produce surfaces that enable these coatings to be applied without any over consumption of products and offer a high adhesive power. This research was conducted to classify the influencing factors i.e. cutting speed, storage duration, surface roughness, position into the log (sapwood / heartwood; juvenile wood / mature wood; height into the tree) on the wettability, surface energy, finishing products behaviour for outdoor applications (cladding) and glue bond behaviour for indoor applications (glulam). This research was performed using Douglas-fir and was repeated for two machining processes: routing and sanding. Aging time was found to have a dominant effect on the degradation of surface wettabilities. These surfaces were best coated within a week following their creation. The location of the sample within the log was also found to have a significant effect; this was postulated to be a result of the variation in microfibril angle and the extractives ratio. The cutting speed was found to affect the wettability, but this was less significant than the previous factors and showed the opposite trend for routing as for sanding, where the wettability decreased as the cutting speed increased. This may well be explained by the different thermal reactions induced by the two processes. There was no effect of roughness on the wettability of routed surfaces and a positive effect in the case of sanding. The two machining processes have the same efficiency when considering the finishing coatings behaviour; however it was found that sanding should be preferred for a better glue bond.

Table of content

Remerciements 1

Introduction générale 5

1. Etat de l’art 9

1.1. Matériau bois 10

1.1.1. Le Douglas en France 11

1.1.2. Qualité du Douglas 11

1.1.3. Usinabilité du Douglas 17

1.2. Usinage du bois 18

1.2.1. Modes de coupe 19

1.2.2. Types de Copeau en usinage longitudinal et circulaire 19

1.2.3. Défonçage 22

1.2.3.1. Définitions 22

1.2.3.2. Choix des paramètres du défonçage 24

1.2.4. Ponçage (Usinage par abrasion) 26

1.2.4.1. Définitions 26

1.2.4.2. Abrasion deux et trois corps : 28

1.3. Caractérisation topographique des surfaces bois 29

1.3.1. Etat de surface 30

1.3.2. Moyens de la caractérisation 34

1.3.3. Observations microscopiques (Microstructure du bois) 37

1.4. Caractérisation physico-chimique des surfaces bois 38

1.4.1. Définition 38

1.4.2. Angle de contact 38

1.4.3. Théorie du mouillage 40

1.4.4. Détermination de la tension superficielle et des composantes polaires et dispersives 43

1.4.5. Détermination de l’énergie libre de surface 44

1.4.6. Méthode de la goutte posée 48

1.4.6.1. Angles de contact statiques issus d’une dynamique 48

1.4.6.2. Surfaces rugueuses et hystérèse de mouillage 50

1.4.7. Effet de la gravité 52

1.4.8. Mouillabilité des surfaces bois - Facteurs d’influence 53

1.5. Finition et Collage 61

1.5.1. Modèles théoriques de l’adhésion 62

1.5.1.1. Modèles macroscopiques 62

1.5.1.2. Modèle des interactions élémentaires 64

1.5.2. Finition du bois 68

1.5.2.1. Produits de finition dans le bois 68

1.5.2.2. Evaluation de l’adhérence des finitions 70

1.5.3. Colles 74

1.5.4. Essais mécaniques de la tenue des colles 75

1.6. Conclusions et stratégie des essais 76





2. Première partie expérimentale : analyse des surfaces défoncées 79

2.1. Matériels et méthodes 80

2.1.1. Matériaux bois : échantillonnage global 80

2.1.1.1. Description de l’arbre du Douglas choisi 80

2.1.1.2. Analyse densitométrique 81

2.1.1.3. Mesure de l’angle des microfibrilles 84

2.1.1.4. Humidité globale de travail 87

2.1.2. Défonçage 87

2.1.2.1. Défonceuse RECORD1 87

2.1.2.2. Choix des paramètres de défonçage 89

2.1.3. Caractérisation topographique et physico-chimique des surfaces 91

2.1.3.1. Mesures physico-chimiques : goniomètre DSA 100® 91

2.1.3.2. Choix des paramètres de mesure de la mouillabilité 92

2.1.3.3. Mesures topographiques : rugosimètre laser Mahr® 96

2.1.3.4. Choix des paramètres de mesure de la rugosité 98

2.1.3.5. Observation Microscopique : MEB JEOL JSM-5900LV ® 98

2.1.4. Echantillonnage 99

2.1.4.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée » 99

2.1.4.2. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul » 100

2.1.4.3. Campagne de mesure de la rugosité 101

2.1.4.4. Campagne des observations MEB 103

2.2. Résultats et discussions 104

2.2.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée » 105

2.2.1.1. Facteurs influençant la mouillabilité 105

2.2.1.1.1. Influence du temps de stockage 108

2.2.1.1.2. Influence du type du bois : aubier duramen 113

2.2.1.1.3. Influence de la position en hauteur dans l’arbre 114

2.2.1.1.4. Effet de la vitesse de coupe 116

2.2.1.2. Analyse du travail d’adhésion Wa 117

2.2.1.3. Analyse de l’énergie de surface γs 120

2.2.1.3.1. Analyse des composantes polaire et dispersive de γs calculées avec le modèle de Wu 125

2.2.1.3.2. Analyse des composantes acide et basique de γs 130

2.2.1.4. Conclusions : campagne de mesure de la mouillabilité statique 133

2.2.2. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul » 134

2.2.2.1. Hystérèse de mouillage 135

2.2.2.2. Energie de surface (mouillabilité angle à l’avancée et au recul) 136

2.2.3. Campagne de mesure de la rugosité 138

2.2.3.1. Analyse du critère SRa 139

2.2.3.2. Interaction mouillabilité/rugosité 140

2.2.4. Campagne d’observations au MEB 142

2.2.4.1. Influence de la vitesse de coupe sur la microstructure des surfaces bois 142

2.2.4.2. Influence du mouillage sur la microstructure des surfaces bois 143

2.3. Conclusions sur les essais de défonçage 145





3. Deuxième partie expérimentale : analyse des surfaces poncées 147

3.1. Ponçage 148

3.1.1. Montage expérimental 148

3.1.2. Choix des paramètres de ponçage 149

3.1.2.1. Pression du ponçage 149

3.1.2.2. Orientation du ponçage 150

3.1.2.3. Vitesse de ponçage 154

3.1.3. Echantillonnage 155

3.1.3.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée » 155

3.1.3.2. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul » 156

3.1.3.3. Campagne de mesure de la rugosité 156

3.1.3.4. Campagne d’observations au MEB 157

3.1.4. Résultats et discussions 157

3.1.4.1. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée » 157

3.1.4.1.1. Influence du type du bois : bois juvénile et bois adulte 160

3.1.4.1.2. Influence du temps de stockage 161

3.1.4.1.3. Effet de la vitesse de coupe 161

3.1.4.1.4. Influence de la position en hauteur 162

3.1.4.1.5. Conclusions 163

3.1.5. Campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul » 164

3.1.6. Campagne de mesure de la rugosité 167

3.1.7. Interactions mouillabilité/rugosité 168

3.1.8. Campagne d’observations au MEB 169

3.2. Conclusions sur les essais de ponçage 171



4. Campagnes des essais de finition, de vieillissement accéléré et de collage 173

4.1. Essais de finition et de vieillissement accéléré 174

4.1.1. Matériels et méthodes 174

4.1.1.1. Pistolet et roue de vieillissement 174

4.1.1.2. Choix des produits de finition 175

4.1.1.3. Essais d’adhérence des finitions 177

4.1.1.4. Echantillonnage 179

4.1.2. Résultats et discussion 183

4.1.2.1. Rugosité et mouillage des surfaces revêtues ou non 183

4.1.2.2. Résultats des essais de finitions sur surfaces défoncées 190

4.1.2.3. Résultats des essais de finitions sur surfaces poncées 193

4.2. Essais de la tenue du collage 195

4.2.1. Matériels et méthodes 195

4.2.1.1. Choix des colles 195

4.2.1.2. Principe et montages des essais de cisaillement 196

4.2.1.3. Echantillonnage pour les essais des surfaces collées à la MUF 198

4.2.1.4. Echantillonnage pour les essais des surfaces collées à la PUR 200

4.2.2. Résultats et discussions 202

4.2.2.1. Essais des surfaces collées à la MUF 203

4.2.2.2. Essais des surfaces collées à la PUR 206

4.2.2.3. ANOVA globale du collage MUF et PUR confondues 211

4.3. Conclusions sur les essais de finition, vieillissement accéléré et de collage 214



Conclusions et perspectives 217



Références bibliographiques 221

Annexes 241

Annexe 1 : propriétés physico-chimiques du bois de douglas 242

Annexe 2 : Classement des sciages résineux 243

Annexe 3 : classification visuelle des défauts de surfaces produits lors de l’usinage 244

Annexe 4 : comportement à l’usinage du bois de douglas 245

Annexe 5 : paramètres d’usinage ; profil d’état de surface 246

Annexe 6 : l’écrasement du bois par le palpeur lors de la mesure de l’état de surface 247

Annexe 7 : tension de surface, énergie libre de surface et contrainte de surface 248

Annexe 8 : clichés des disques 4 et 5 250

Annexe 9 : plans montage d’usinage 251

Annexe 10 : vérification de l’usure de l’outil utilisé 253

Annexe 11 : moyennes des angles de contact (défonçage) 255

Annexe 12 : comparaison des méthodes de calcul de l’énergie de surface (Données) 257

Annexe 13 : comparaison des méthodes de calcul de l’énergie de surface (méthodologie du choix) 260

Annexe 14 : comparaison des méthodes de calcul de l’énergie de surface (graphiques) 271

Annexe 15 : campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul » : moyennes des angles de contact à l’avancée et au recul (surfaces défoncées) 274

Annexe 16 : campagne de mesure de la mouillabilité « angle à l’avancée et au recul » : moyennes des angles de contact à l’avancée et au recul (surfaces poncées) 275

Annexe 17 : vérification de la méthodologie de dépose de la peinture 276

Annexe 18 : montage de thermocouples 278

Annexe 19 : montage des essais de cisaillement double joints de colle 282

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