Soudage du bois développé comme technique d’assemblage rapide

Dr. Darshil Shah

Dans le cadre d’une collaboration de validation de concept entre TWI ltd et l’Université de Cambridge et rendue possible par le Construction Innovation Hub, les chercheurs ont mis au point un processus durable pour assembler rapidement des éléments en bois à l’aide du soudage par friction linéaire. Deux ans après le début du projet, ils sont parvenus à assembler des pièces de bois en deux à trois secondes en les frottant l’une contre l’autre à grande vitesse, le joint soudé résultant étant plus résistant que les adhésifs traditionnels et aussi solide que le bois lui-même. À grande échelle, cette technique de soudage pourrait être appliquée à la construction de bâtiments et à la fabrication en grande série de produits tels que les meubles et les emballages.

La construction en bois offre la possibilité de capturer le dioxyde de carbone de l’atmosphère et de le stocker à long terme dans les bâtiments. La construction en bois massif avec des bois d’ingénierie offre d’autres avantages liés à la rapidité de la construction grâce à la préfabrication hors site et au montage rapide sur site. Ces deux avantages de durabilité et de rapidité peuvent être encore améliorés en développant des techniques d’assemblage rapide du bois. Les assemblages de bois utilisant des adhésifs, par exemple, nécessitent un séchage (pendant plusieurs heures), peuvent présenter des risques pour la santé et limitent les options de fin de vie du bois.

Avec leurs partenaires industriels TWI ltd, le Dr. Darshil Shah et Dr. Michael Ramage du département d’architecture et l’équipe primée à l’origine de la conception de l’ÉPI à code source ouvert HappyShield ont mis au point un procédé permettant d’assembler rapidement des éléments en bois par soudage par friction linéaire. Contrairement aux méthodes traditionnelles telles que les adhésifs, le soudage par friction linéaire du bois permet de produire de manière fiable des joints de haute qualité avec des tolérances élevées et ne nécessite aucun matériau de remplissage ou adhésif.

Dans ce procédé économe en énergie, les joints sont réalisés en pressant et en frottant deux surfaces de bois ensemble à une fréquence élevée (50-150 Hz). La friction et la chaleur qui en résultent ramollissent et remettent en place la lignine, la « colle » naturelle des matériaux végétaux, et verrouillent mécaniquement le matériau cellulaire, provoquant ainsi la « soudure. » En seulement deux à trois secondes, le joint de bois fusionné est plus solide que les adhésifs conventionnels et même plus solide que le bois d’origine.

« Imaginez que vous vous promenez par une journée froide et que vous voulez vous réchauffer les mains ; vous allez probablement frotter vos mains l’une contre l’autre pour générer de la chaleur. Comment produire plus de chaleur ? » demande le Dr Shah. « Frottez vos paumes plus rapidement (fréquence), poussez vos paumes l’une contre l’autre avec plus de force (pression), frottez vos paumes plus longtemps (temps,) et déplacez vos paumes sur une plus grande distance (amplitude). De même, dans le soudage du bois, pour générer plus de friction et de chaleur, ce sont les quatre principaux paramètres de fabrication que nous pouvons contrôler. »

Cette technique peut être appliquée au bois raboté/scié et au CLT, qui est le principal matériau à base de bois utilisé par l’équipe du département d’architecture dans son projet. L’équipe continue d’étudier comment ces paramètres modifient le processus et pourquoi il semble fonctionner différemment avec différents bois. Cela l’aidera à trouver les matériaux et les paramètres de fabrication appropriés pour optimiser le processus et l’adapter à différents usages, tels que la construction et la fabrication. Dans cette étude initiale de validation du concept, l’équipe a démontré l’adéquation du processus sur une variété de bois durs, de bois tendres et de bois d’ingénierie (par exemple, le MDF) en utilisant différentes orientations de grain. Plus récemment, elle s’est concentrée sur le hêtre, un bois dur européen largement utilisé dans la construction et l’ameublement. Bien que ce procédé ait été testé à des échelles plus petites, l’équipe espère qu’il convient à l’assemblage de pièces de bois beaucoup plus grandes et qu’il sera donc bien adapté à la construction en bois hors site pour les bâtiments.

Depuis octobre 2020, l’équipe a continué à travailler ensemble par le biais de bourses d’études pour faire progresser la science et la technologie du soudage du bois. Dirigé par le Dr Darshil Shah (CNMI), le Dr Eleni Toumpanaki (maintenant à l’Université de Bristol) et le Dr Kate Franklin (TWI). Deux étudiants en dernière année de licence à Cambridge, Mads Studholme et Jason Chang, étudient l’assemblage de bambous, de pins résineux et même la soudure de différents bois, tout en étudiant leur résistance à l’humidité et leur comportement au feu. Les premiers résultats sont prometteurs et l’équipe a hâte de faire la démonstration des composants soudés à plus grande échelle.

Cette recherche fait partie du travail du Centre for Digital Built Britain (CDBB) à l’université de Cambridge. Elle a été rendue possible par le Construction Innovation Hub, dont le CDBB est un partenaire principal, et financée par UK Research and Innovation (UKRI) par le biais de l’Industrial Strategy Challenge Fund (ISCF).

L’équipe collaboratrice :

  • Université de Cambridge : Dr. Darshil Shah, Dr. Michael Ramage, Mads Studholme et Jason Chang.
  • Université de Bristol : Dr Eleni Toumpanaki (précédemment UCam)
  • TWI : Dr Kate Franklin, Dr Scott Andrews, Dr Bertrand Flipo, et Dr Steve Dodds
  • Université d’Edimbourg : Dr Thomas Reynolds (précédemment UCam)

Cet article a été partagé avec l’autorisation du Centre for Digital Built Britain de l’Université de Cambridge.

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