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Mieux utiliser les matières premières

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Dans l’industrie des matériaux à base de bois, les processus automatisés accroissent la productivité. Le but principal de l’automatisation n’est cependant plus de rationaliser encore la production, mais surtout d’utiliser plus efficacement les ressources. C’est à cette tâche que s’est attelée une équipe de la BFH, en collaboration avec un partenaire économique.

L’industrie des matériaux du bois impressionne par ses dimensions: chaque année, on produit dans le monde plus de 300 millions de mètres cubes de panneaux destinés à la menuiserie et à la construction. Rien que sur son site de Menznau (LU), Swiss Krono AG fabrique chaque jour – à partir de bois indigène – un volume de panneaux agglomérés et de panneaux de fibres suffisant pour remplir 60 camions, avec seulement une douzaine d’employés par équipe. Ce niveau de production élevé n’est possible que grâce à une stratégie d’automatisation cohérente mise en œuvre depuis plusieurs décennies.

Des variations problématiques

Depuis longtemps, l’automatisation n’a plus pour but principal de rationaliser encore la production, mais vise plutôt à utiliser les matières premières le plus efficacement possible. Or lorsqu’on recourt à des matières premières naturelles, il est pratiquement impossible d’éviter des variations de qualité dans le matériau de départ, et en l’absence de mesures appropriées, ces changements influencent aussi les propriétés du produit fini. Il faut dès lors prévoir une marge de sécurité si l’on veut être suffisamment sûr que la qualité de chaque panneau dépasse le niveau minimal requis. La plus grande partie des panneaux produits bénéficie ainsi de propriétés qui ne sont pas vraiment nécessaires et pour lesquelles personne ne paie. Le but de la gestion moderne du processus de production des matériaux en bois est désormais de compenser automatiquement les variations. Dans les cas les moins complexes, cela se fait à l’aide de circuits de régulation relativement simples.

Panneaux agglomérés et panneaux de fibres avec leur matériau initial.

Un modèle physicomathématique
Les stratégies d’automatisation fondées sur des modèles sont toutefois beaucoup plus efficaces, en particulier lorsque la variable du processus ne peut pas être mesurée immédiatement. La condition pour cela est toutefois de disposer d’un modèle reflétant avec une précision suffisante le processus effectif. Un tel modèle physicomathématique pour le pressage à chaud de panneaux agglomérés et de panneaux de fibres industriels a été développé par l’Oregon State University (États-Unis) et l’Université de Hambourg (Allemagne), avec le soutien de la société Siempelkamp de Krefeld (Allemagne), qui est le plus grand fabricant d’installations de ce type au monde. Depuis 2010, la Haute école spécialisée bernoise BFH affine ce modèle, qui permet de simuler, pour certains réglages spécifiques, l’évolution des principales variables telles que température, pression de gaz ou densité, et même, dans une certaine mesure, la résistance des panneaux. Dans le processus industriel, ces valeurs sont très compliquées ou même impossibles à mesurer et ne sont disponibles qu’après un délai important. L’avantage d’un modèle mathématique est évident: les informations sur le produit qui vient d’être fabriqué sont disponibles tout de suite et il est possible de réagir immédiatement si les valeurs obtenues ne correspondent pas à celles requises.

Poste de pilotage d’une ligne moderne de fabrication de panneaux à base de bois.

Calibrage du modèle 
Cependant, même avec un modèle complet, il n’est pas possible de parvenir à une concordance parfaite entre la réalité et la simulation, en particulier pour les procédés techniques complexes comme la fabrication de matériaux matériaux dérivés du bois. Les scientifiques de la BFH collaborent donc avec l’entreprise Siempelkamp pour mettre au point une procédure de calibrage du modèle de pressage à chaud. Dans ce contexte, l’accent est mis sur une caractéristique importante des panneaux agglomérés et des panneaux de fibres, en simulant le profil de densité à travers la section transversale du panneau. À cette fin, l’équipe de recherche a procédé à des adaptations du modèle et développé un algorithme de calibrage qui compare le résultat des simulations avec les valeurs mesurées et réduit autant que possible les divergences. Pour vérifier l’aptitude des modèles calibrés à l’usage industriel, l’équipe de recherche a mené avec succès des séries de tests, en collaboration avec Siempelkamp, dans des usines de Turquie et d’Allemagne. Le niveau de concordance élevé entre les profils de densité simulés et mesurés est encourageant et servira de fondement à la suite des travaux: l’intégration du modèle dans le système de contrôle du processus et de faire le lien entre ce modèle et le modèle mathématique et statistique SPOC développé par Siempelkamp. On obtiendra ainsi un modèle global hybride qui pourra être utilisé pour un contrôle automatique à cout optimal des variations de la matière première.

Profiter du potentiel disponible
Le potentiel de l’automatisation fondée sur un modèle est important dans l’industrie des panneaux à base de bois. Même si la réduction des variations ne permet d’économiser que 2% de matière première, l’ampleur de la production induit un effet de levier impressionnant: des économies se chiffrant en centaines de milliers de francs par an et par ligne de production sont tout à fait réalistes. À n’en pas douter, cela constitue une bonne raison, pour la recherche et l’industrie, de développer encore l’automatisation des procédés industriels basée sur des modèles.

Presse à chaud utilisée pour la production de panneaux.