Evaluation précise et éco-efficiente de la qualité des sciages pour la scierie du futur – EffiQuAss

Pour relier la structure interne du bois à sa qualité mécanique, le projet a suivi des planches de douglas depuis leur billon d’origine jusqu’aux essais de flexion. La première opération consiste à retrouver leur position dans le billon, notamment leur distance à la moelle. Dans la méthode de Li et al., les extrémités des billons étaient photographiées avant sciage, puis une nouvelle photo des extrémités des planches obtenues était réalisée. Un algorithme a été développé pour reconnaitre les planches et leur position dans le billon. Ces résultats ont été confrontés à un placement manuel de référence. Cette information de position est utile pour interpréter la forme des cernes de croissance dans la planche et in fine les trajectoires des fibres.

Pour mesurer l’ODF 3D, des planches entières ont été rabotés au laboratoire par couches successives de 1 mm. Chaque surface révélée a été imagée et balayée par des points laser pour obtenir l’angle de fibre en surface. Sur le bois, chaque point lumineux prend une forme elliptique dont le grand axe indique la direction des fibres visible dans le plan de la surface. L’empilement des images révèle la forme des cernes à l’intérieur de la planche. En combinant ces deux informations et le fait que les fibres suivent les cernes, on reconstitue leur direction complète, dans tout le volume de la planche. La détection des limites des cernes, initialement manuelle assistée par ordinateur, a été remplacée au cours du projet par une analyse automatique des variations d’intensité des images, appelée tenseur de structure : le traitement est ainsi passé de plusieurs semaines à quelques minutes. Des images obtenues par tomographie aux rayons X ont aussi été produites pour comparaison, sans considérer cette voie comme moyen à développer industriellement étant donné son coût.

L’intérêt mécanique de l’ODF 3D a été évalué sur ces mêmes planches par des essais de flexion sans aller jusqu’à rupture. Ils étaient monitorés par stéréocorrélation d’images : deux caméras suivent les déplacements de motifs appliqués en surface, résultant en la mesure des déformations sur l’ensemble de cette surface. En parallèle, des simulations par éléments finis ont été menées, attribuant à chaque élément des propriétés et une direction de fibres soit mesurée en 3D, soit estimée à partir des seules faces visibles. La comparaison des courbes de rigidité et de courbure calculées avec les mesures indique ce que la connaissance de l’intérieur apporte réellement par rapport aux différents modèles d’estimation des angles internes, notamment près des nœuds.

Le premier succès du projet a été le développement d’une méthode de mesure de l’ODF 3D dans des planches entières. L’analyse automatique des cernes a ramené son traitement de plusieurs semaines à quelques minutes, même si l’acquisition par rabotages successifs demeure destructive et consommatrice de temps. Deuxièmement, l’apport mécanique de ces champs 3D a été quantifié en confrontant les rigidités locales simulées aux déformations mesurées en flexion : les coefficients de détermination sont généralement de 0,7 à 0,9 pour les cas étudiés, démontrant bien que les variations de l’orientation des fibres expliquent une part majeure de la variabilité locale de rigidité. La limite est que ces résultats portent sur la rigidité, sans démontrer à eux seuls un gain de classement selon la résistance à la rupture. Troisièmement, la comparaison sur les mêmes planches montre que les modèles alimentés par la mesure 3D de laboratoire sont globalement plus fiables pour restituer cette variabilité que les interpolations existantes fondées sur les seuls angles mesurés en surface. Ce résultat valide l’approche selon laquelle ce verrou de la détermination des angles interne est primordiale pour l’amélioration de la caractérisation mécanique non-destructive du bois. Parmi les différentes approches non-destructives, la prise en compte de la position de la moelle offre un compromis prometteur.

Le projet a permis de partager plusieurs bases de données expérimentales complémentaires, qui constituent en soit des résultats impactants : partagées sur Recherche Data Gouv, elles permettent de poursuivre la recherche d’approche non-destructive pour estimer l’angle 3D. Un premier corpud de données relie les images des extrémités des billons à celles des planches sciées et à leur position d’origine. L’algorithme de reconnaissance évalué sur 70 images de billons et 798 images de planches a atteint un recouvrement moyen de 0,97 entre positions calculées et positions de référence ; l’écart moyen entre les centres était d’environ 0,4 mm. Ce jeu d’images documenté permet de tester et de comparer d’autres méthodes de traçabilité sans recommencer les opérations de sciage et de photographie.

Un deuxième ensemble, consacré notamment au douglas, associe aux sciages leur provenance, leur position dans le billon, des images et scans, ainsi que des mesures mécaniques. Son intérêt tient au lien conservé entre ces informations : les caractéristiques d’une même planche peuvent être suivies depuis l’arbre et confrontées à ses déformations en flexion. Le projet a surtout produit une base de référence rare sur l’orientation tridimensionnelle des fibres. Obtenue par rabotages et mesures successives, elle décrit les trajectoires des fibres dans le volume, là où des observations limitées aux faces visibles ne suffisent pas. Associée aux essais et aux champs de déformation, cette base permet de vérifier si les modèles représentent effectivement le comportement du bois.

Les données d’orientation 3D des fibres produites dans le projet constituent désormais une référence pour développer des méthodes qui n’exigent plus de raboter les planches. Une première piste consiste à améliorer les modèles qui déduisent l’orientation interne des fibres des mesures laser réalisées sur les faces visibles. Ces travaux montrent que les interpolations actuelles reproduisent certaines variations de rigidité, mais restent moins régulières et moins fiables que les simulations fondées sur les mesures 3D de référence. La prise en compte de la position de la moelle mérite d’être approfondie : elle peut aider à mieux décrire l’organisation du bois, sans apporter à elle seule un gain systématique pour toutes les planches.

Avant d’envisager un transfert vers les machines de classement, ces méthodes devront être évaluées sur davantage de billons, de modes de débit et d’essences, notamment autour des nœuds et dans les zones où les cernes sont très inclinés. Il faudra également déterminer si une meilleure prédiction des profils de rigidité se traduit par une meilleure estimation de la résistance à la rupture, qui reste à démontrer. À terme, l’objectif est de tirer davantage parti des mesures déjà réalisables en scierie pour mieux classer les planches et valoriser plus justement la ressource en bois. Les travaux sur la traçabilité des sciages et l’utilisation des propriétés locales du bois pour l’usinage constituent deux autres prolongements du projet, actuellement traités au sein des projets ANR PropUsiBot et France 2030 RéCLaSIF / TraCertiBois.

Penvern, H.; et al. A laboratory method to determine fibre orientation in 3D around knots in sawn timber. Wood Sci Technol, under review.

Pot, G.; et al. Comparison of classical beam theory and finite element modelling of timber from fibre orientation data according to knot position and loading type. Eur J Wood Prod, 2024, online.

Penvern, H.; et al. 3D fibre orientation reconstruction around a knot in Douglas fir. In: ECCOMAS Thematic conference on Computational Methods in Wood Mechanics. 2023, 137-138.

Li, X.; et al. An image processing method to recognize position of sawn boards within the log. Wood Sci Technol. 2023, 57, 1401-1420.

L'utilisation du bois dans la construction est destinée à augmenter à l'avenir afin que l'Europe puisse atteindre les objectifs de réduction des émissions de CO2. Le dimensionnement des bâtiments nécessite la connaissance des caractéristiques mécaniques des matériaux les constituant. A l'opposé du béton et de l'acier, les propriétés mécaniques du bois sont très variables en raison des conditions de croissance des arbres et de l'hétérogénéité naturelle du bois. C'est la raison pour laquelle le contrôle de la qualité est crucial pour le bois. La principale technologie actuellement utilisée pour le contrôle non-destructif du bois est l'excitation dynamique vibratoire. Cependant, le contrôle qualité du bois avec cette technique est défavorable aux essences hétérogènes, qui prévalent en Europe du Sud. En effet, il échoue à classer correctement environ 30 % du douglas français, ce qui est très frustrant pour les propriétaires de scieries, sans compter que cela implique un gaspillage des ressources forestières et augmente le coût du bois. Ainsi, il est primordial d'améliorer la précision du classement pour la résistance des essences hétérogènes.
Récemment, le scanner par laser points a montré des résultats intéressants pour obtenir une meilleure évaluation de la qualité des espèces hétérogènes, et il montre également un fort potentiel, que ce projet vise à développer. Le scanner par laser points consiste à projeter une rangée de points laser sur les quatre côtés d'une planche qui est covoyée longitudinalement dans un scanner. La lumière laser se diffuse mieux dans la direction des fibres que perpendiculairement, ce qui donne une forme d'ellipse qui peut être analysée pour mesurer l'orientation des fibres à la surface du bois, qui est en fait la direction des fibres dans l‘espace projetée sur la surface de la planche considérée. Les progrès scientifiques actuels utilisent des méthodes d'interpolation de base pour calculer un angle de fibres à l'intérieur de la planche à partir de ces mesures de surface. Ensuite, une modélisation mécanique est effectuée sur la base du fait que les propriétés mécaniques du bois varient en fonction de l'angle des fibres.
Une nouveauté qui est apparue très récemment dans l'industrie et qui doit encore être développée est la possibilité de suivre les planches tout au long du processus de sciage. Un récent projet ANR, TreeTrace (ANR-17-CE10-0016-03), visait à participer au développement de la traçabilité des billons de la forêt à la scierie. Il est apparu qu'avec quelques recherches supplémentaires, il pourrait également être possible de tracer les planches dans les étapes de sciage suivantes, reconnaissant ainsi de quel billon et d'où à l'intérieur du billon provient chaque planche. En mélangeant les compétences en traitement d'image du Loria et celles en procédés du LaBoMaP, ce challenge devrait être relevé au cours de ce projet. Ce travail sera basé sur le jeu de données TreeTrace, comptant des images de 346 planches provenant de 32 billons différents.
La connaissance de la position de la planche à l'intérieur du billon est au départ de l'idée principale développée dans ce projet de recherche. En effet, la reconstitution du billon à partir des planches sciées permettra d'obtenir une carte 3D des orientations des fibres mesurées à la surface des planches qui pourra être utilisée pour finalement obtenir la représentation 3D complète à l'intérieur du billon. Cela sera fait dans ce projet en utilisant un modèle similaire à ce qui est utilisé en hydrodynamique, et récemment développé dans la littérature.
Les résultats de ce projet devraient améliorer à moyen terme l’efficience du classement des bois, ce qui est primordial pour le développement de scieries éco-efficientes et pour l'utilisation optimale des ressources forestières. Ils ont également un grand intérêt scientifique, la modélisation de l'angle des fibres à l'intérieur d'un billon étant une nouveauté.