От бревна до мебельной детали: сколько древесины доходит на самом деле?
Закупщики комплектующих из лиственных пород часто спрашивают, почему деталь стоит в несколько раз дороже того же объёма бревен. Большая часть ответа — не наценка, а потери. Каждый шаг между лесом и готовой ножкой стула отнимает древесину: пропил, горбыль и рейки, усушка при сушке, строгание и прежде всего пороки, которые нужно вырезать, чтобы деталь стала достаточно чистой для использования.
В этой статье мы проводим один кубометр бревен лиственных пород через все эти шаги, опираясь на лучшие открытые данные, которые нам удалось найти. Большинство из них международные или американские, потому что подробные европейские исследования черновой раскройки бука и дуба редки, и каждый раз мы указываем, к какой породе и какой системе сортировки относится число.
Шаг 1: лесопилка — от бревна к пиломатериалу
ФАО, МОТД (ITTO) и ЕЭК ООН публикуют расчётный пример того, куда уходит объём при распиловке бревен лиственных пород для лицевых изделий. Из 1 м³ круглого леса около 0,14 м³ превращается в опилки в пропиле, а 0,22 м³ уходит в горбыль, торцовые обрезки, рейки и брак, и остаётся 0,64 м³ сырых нестроганых пиломатериалов. Иначе говоря, на каждый кубометр сырых пиломатериалов лесопилке нужно 1,57 м³ бревен.1
Это и есть полезный выход лесопилки, называемый также коэффициентом выхода пиломатериалов: объём пиломатериалов, делённый на объём бревен. ФАО публикует его как коэффициент пересчёта — кубометры круглого леса на кубометр пиломатериалов, то есть просто обратную величину.1 Размер и качество бревен сильно на него влияют: более толстые и прямые бревна дают большую долю досок и меньшую долю горбыля.1
Почему точка измерения меняет число
Одна и та же лесопилка может заявить выход 64 %, 57 % или 44 % в зависимости от того, где она его измеряет. В примере ФАО это 64 % для сырых нестроганых пиломатериалов, 57 % для сухих нестроганых и 44 % для строганых, готовых пиломатериалов. Поэтому страны, учитывающие пиломатериалы в сыром виде, до сушки, торцовки по сортам или строгания, заявляют более высокий выход, чем страны, учитывающие готовую продукцию.1 Сравнивая данные о выходе, всегда первым делом спрашивайте: где измерено?
Что сообщают европейские лесопилки
Страны, ответившие на анкету ФАО, указывают выход пиломатериалов из лиственных пород от 47 % до 66 % объёма бревен. Остальное приходится на щепу и горбыль, опилки, стружку и усушку.1 Румынии в наборе данных нет.
Показать данные
| Пиломатериалы | Щепа и горбыль | Опилки и стружка | Потери на усушку | |
|---|---|---|---|---|
| Словакия | 66 % | 17 % | 9 % | 8 % |
| Польша | 63 % | 18 % | 17 % | 2 % |
| Украина | 61 % | 24 % | 10 % | 5 % |
| Германия | 60 % | 16 % | 20 % | 4 % |
| Испания | 53 % | 27 % | 14 % | 6 % |
| Франция | 47 % | 36 % | 14 % | 3 % |
Опилки и стружка объединены нами. Страны измеряют пиломатериалы на разных стадиях (сырые, сухие, строганые), чем во многом объясняется разброс. Источник: ФАО, ITTO и ЕЭК ООН (2020), Forest product conversion factors, рис. 4.4 (анкета 2018 года). Румынии в наборе данных нет.
Разброс между странами отражает размер и качество бревен, ассортимент продукции и, опять же, точку измерения, поэтому он мало говорит о том, кто пилит лучше. Зато он показывает масштаб: в каждой стране не менее трети бревна лиственной породы покидает лесопилку не в виде пиломатериалов.
Шаг 2: усушка и потери качества при сушке
Сушка удаляет воду, и древесина усыхает, когда высыхает ниже предела насыщения клеточных стенок. В примере ФАО камерная или атмосферная сушка уменьшает объём нестроганых пиломатериалов с 0,64 м³ до 0,57 м³ на кубометр бревен — 0,07 м³ уходит в усушку.1 Затем строгальный цех снимает ещё 0,13 м³ в виде стружки, опилок и щепы, и к отгрузке остаётся 0,44 м³.1
Усушка неизбежна. Потери качества — нет. Поверхностные трещины, торцевые расколы, внутренние трещины, покоробленность и окраски превращают хорошие пиломатериалы в более короткие или низкосортные куски, и в основном это результат слишком быстрой или небрежной сушки. Наши статьи о камерной сушке и дефектах сушки рассказывают, как они возникают и как режим сушки их предотвращает.
Шаг 3: цех черновой раскройки — от пиломатериала к заготовкам
Производитель мебели или комплектующих покупает высушенные пиломатериалы и раскраивает их на черновые заготовки в цехе черновой раскройки: доски распускают вдоль на рейки и торцуют на отрезки нужной длины, попутно вырезая пороки. Здесь возникает вторая крупная потеря, и здесь у оператора больше всего возможностей на неё повлиять.
Сорт имеет значение: FAS, 1 Common и 2A Common
Моделирование черновой раскройки красного дуба, проведённое Министерством сельского хозяйства США (USDA), показывает, насколько сильно сорт пиломатериалов определяет выход. По американским правилам сортировки NHLA пиломатериалы высшего сорта FAS дали первичный выход 81,1 % при лёгкой спецификации раскроя и 76,7 % при сложной. No. 1 Common дал 68,4 % и 59,1 %; No. 2A Common — всего 50,4 % и 41,3 %.2 Спецификация раскроя — это перечень размеров и количеств деталей, которые нужно выкроить; «сложная» спецификация требует более длинных и широких деталей.
Показать данные
| Лёгкая спецификация раскроя | Сложная спецификация раскроя | |
|---|---|---|
| FAS | 81,1 % | 76,7 % |
| No. 1 Common | 68,4 % | 59,1 % |
| No. 2A Common | 50,4 % | 41,3 % |
Сложная спецификация раскроя требует более длинных и широких деталей. Европейские сорта по EN 975-1 отличаются от сортов NHLA. Источник: Gatchell, Thomas & Walker (1999), Forest Products Journal 49(3), таблица 6, вал со всеми подвижными пилами. Американский красный дуб.
Низкие сорта к тому же требуют больше работы. Для FAS требовалось около 1,1 поперечного реза на деталь, то есть большинство деталей получалось из длинных чистых реек одним резом; для 2A Common — 1,6–1,7, то есть большинство деталей приходилось вырезать по отдельности между двумя пороками.2 Европейская сортировка по EN 975-1 следует другим правилам, а красный дуб — не европейский дуб, поэтому рассматривайте эти цифры как иллюстрацию влияния сорта, а не как прогноз для бука или дуба. Статья о сортах пиломатериалов сравнивает эти системы.
Сначала вдоль или сначала поперёк?
Цеха черновой раскройки работают по одной из двух схем. При схеме «сначала поперёк» доски сначала торцуют по длине, а затем распускают отрезки по ширине. При схеме «сначала вдоль» доски сначала распускают на рейки, часто на многопильном станке, а затем торцуют рейки. На низких сортах схема «сначала вдоль» обычно выигрывает. В эталонном прогоне симулятора USDA ROMI 4.0 на примерной спецификации раскроя схема «сначала вдоль» дала выход 67,4 % из 545 досок, а «сначала поперёк» — 52,8 % из 663 досок: на 27,7 % больше выхода из того же объёма пиломатериалов.3
Сначала убрать худшую древесину
Цеха, работающие по схеме «сначала вдоль», выигрывают ещё больше, если отрезают плохие участки до многопильного станка. В исследовании USDA такая предварительная обработка удалила около 15 % исходного сырья сорта 1 Common и около 30 % сорта 2A Common в виде вторично используемых отрезков и отходов, а улучшенный состав досок и более качественные отрезки повысили чистый первичный выход на 7,7 % при лёгкой спецификации и на 7,3 % при сложной.2 В том же исследовании отмечается, что примерно у четверти из более чем 4 000 досок на 14 предприятиях продольная покоробленность по кромке составляла 13 мм и более, а такой изгиб вдоль кромки портит рейки с многопильного станка, если его не вырезать заранее.2
Оптимизирующие торцовочные пилы и сканирование пороков: что говорят данные
Оптимизирующая торцовочная пила (по-немецки Optimierungskappsäge) считывает метки пороков или данные сканера вдоль доски или рейки, рассчитывает комбинацию длин деталей, дающую наибольшую ценность из этого куска, и автоматически его раскраивает. Её задача — каждый раз и на скорости линии принимать то решение, которое принял бы опытный оператор.
Насколько лучше человека она может работать? Самые чистые данные сравнивают реальный цех черновой раскройки с симулятором, оптимизирующим те же доски. На 158 досках красного дуба камерной сушки, в основном сорта 1 Common, цех со схемой «сначала вдоль» получил выход 64,0 % при производстве чистых деталей; ROMI-RIP, оптимизируя рейки и поперечные резы вместе, достиг на тех же досках 71,1 %, то есть примерно на 7 процентных пунктов больше. В четырёх сценариях моделируемый оптимум в среднем был на 4,8 пункта выше, чем у цеха.4
Показать данные
| Реальный цех черновой раскройки | Моделируемый оптимум (ROMI-RIP) | |
|---|---|---|
| Только чистые детали | 64,0 % | 71,1 % |
| Признаки до ~13 мм | 68,3 % | 73,6 % |
| Признаки до ~25 мм | 72,0 % | 75,7 % |
| Признаки до ~51 мм | 72,9 % | 76,1 % |
Размеры признаков — диаметры здоровых природных признаков, допускаемых в деталях: 0,5, 1 и 2 дюйма в пересчёте. Источник: Thomas & Buehlmann (2003), Forest Products Journal 53(3), таблица 3. Американский красный дуб, в основном No. 1 Common.
Производители оборудования публикуют собственные данные о выигрыше от сканеров и оптимизирующих пил. Это заявления поставщиков, обычно измеренные на их условиях, и мы их здесь не повторяем. Данные исследований указывают на реалистичный выигрыш: несколько процентных пунктов выхода на низких и смешанных сортах, больше — при сложных спецификациях раскроя и меньше — на чистых пиломатериалах FAS, где оптимизировать почти нечего.
Допуск природных признаков: самый дешёвый выход из возможных
На диаграмме выше виден второй рычаг, и он не требует никакого оборудования. Когда те же доски красного дуба раскраивали с допуском мелких здоровых природных признаков в деталях, выход цеха вырос с 64,0 % для чистых деталей до 68,3 % при признаках размером примерно до 13 мм, 72,0 % — примерно до 25 мм и 72,9 % — примерно до 51 мм.4 Природный признак — это естественная особенность, которая не ослабляет деталь, например небольшой здоровый сучок или минеральная полоска.
Для покупателя это прирост выхода на 8,9 пункта, примерно на 14 % больше деталей из того же пиломатериала (наш расчёт), просто за счёт иначе составленной спецификации. Рустикальные и «живые» сорта в мебели — это не только стиль, но и самый эффективный способ использовать бревно.
Сращивание на мини-шип: как короткие чистые отрезки превращаются в длинные детали
В каждой спецификации раскроя есть минимальная полезная длина. Чистые отрезки короче неё становятся отходами, хотя это совершенно хорошая древесина. Сращивание на мини-шип превращает их в непрерывные длинномеры, из которых затем делают ламели для клеёного мебельного щита, погонаж, рамки и ступени. Поэтому сращённый щит стоит дешевле цельноламельного: его делают из той части доски, которую иначе сожгли бы.
Цена этого — прочность и внешний вид. Хорошо выполненное зубчатое соединение может достигать до 90 % прочности чистой древесины при растяжении, но измеренные соединения бука достигают около 64–72 % прочности несращённого бука при растяжении.5,6 Для щитов, рамок и погонажа этого с избытком хватает; для длинных сильно нагруженных деталей может быть недостаточно. Статья о сращивании на мини-шип приводит данные.
Буковые заготовки: как направление распиловки меняет выход
Выход выигрывается или теряется и в том, как доску раскраивают на заготовки. В словацком исследовании длинные буковые заготовки сечением 50 × 50 мм и длиной 3 м выкраивали из буковых досок толщиной 50 мм двумя способами. Распиловка параллельно оси доски, вдоль волокон, дала выход 65,1–72,7 %; распиловка параллельно кромке доски — 60,4–68,4 %. Какой способ лучше, решал сбег бревна: для заготовок из бревен со сбегом 1,3 см на метр и более распиловка вдоль оси давала и более высокий выход, и меньшую продольную покоробленность.7
Бук здесь — европейская порода, что делает исследование полезным дополнением к американским данным по красному дубу. Оно также показывает, что выход и качество идут рука об руку: заготовки, выпиленные вдоль волокон, меньше коробятся после сушки, поэтому меньше их теряется позже.
Спецификации раскроя и размеры деталей: где покупатель влияет больше всего
Моделирование раз за разом показывает одно: спецификация раскроя определяет выход не меньше, чем пиломатериал. Один и тот же красный дуб дал 81,1 % против 76,7 % на FAS и 50,4 % против 41,3 % на 2A Common только в зависимости от того, требовала ли спецификация коротких узких деталей или длинных широких.2 Длинным широким деталям нужны длинные широкие чистые участки, а в древесине лиственных пород они редки.
- Допускайте более короткие или сращённые детали везде, где это позволяет конструкция. Коротких чистых отрезков много, длинных — мало.
- Объединяйте размеры деталей в одном заказе. Спецификация с множеством длин позволяет оптимизатору заполнить каждую доску чем-то полезным.
- Указывайте допустимые природные признаки там, где они не влияют на прочность или внешний вид, например на скрытых сторонах или окрашиваемых деталях.
- Согласуйте сорт по сторонам. Деталь, которой нужна одна чистая сторона, а не четыре, даёт гораздо лучший выход.
Побочные продукты: опилки, щепа, обрезки и энергия
Ничто из потерянного объёма не обязательно пропадает. В балансах ФАО непиломатериальная часть бревна лиственной породы покидает лесопилку в виде щепы и горбыля, опилок и стружки.1 Горбыль и обрезки становятся дровами или щепой; сухие опилки и стружка — сырьём для брикетов и пеллет; лесопилки с собственными котельными сжигают отходы, чтобы отапливать сушильные камеры. Щепа может идти и на плитные заводы.
Важна иерархия. Древесина, оставшаяся в изделии — ламели, ножке стула, щите, — используется десятилетиями. Древесина, сожжённая ради энергии, высвобождает свой углерод в тот же год. Каждый процентный пункт выхода, возвращённый оптимизацией или сращиванием на мини-шип, — это древесина, которая остаётся в использовании, а не уходит в котёл.
Как мы работаем на SARAL
Что могут сделать покупатели, чтобы снизить стоимость годной детали
- Задавайте то, что нужно детали, по каждой стороне. Чистая древесина на видимых сторонах, здоровые природные признаки допускаются на остальных.
- Допускайте сращённые или клеёные по кромке конструкции для деталей, где цельная древесина добавляет стоимость, но не функцию.
- Объединяйте размеры деталей, чтобы оптимизатор мог использовать большую часть каждой доски.
- Допускайте смешение сортов, где это подходит конструкции: низкие сорта дешевле за кубометр, но дают меньше деталей, поэтому сравнивайте стоимость детали, а не кубометра.
- Спрашивайте, как измерен выход, когда поставщик его называет: в сыром, сухом или строганом виде; от бревна до пиломатериала или от пиломатериала до детали.
- Спрашивайте о сушке и кондиционировании, потому что потери качества и напряжения в пиломатериале проявляются как брак в цехе черновой раскройки.
- Относитесь к заявлениям поставщиков оборудования о выходе как к заявлениям, пока их не подтвердят на ваших собственных деталях и пиломатериалах.
Часто задаваемые вопросы
Какой выход пиломатериалов из бревна лиственной породы считается хорошим?
В примере ФАО для лиственных пород лицевого назначения — около 64 % в виде сырых нестроганых пиломатериалов, 57 % после сушки и 44 % после строгания. Заявленные национальные показатели для лиственных пород составляют от 47 % до 66 % в зависимости от бревен, продукции и места измерения объёма.1
Как рассчитать коэффициент выхода пиломатериалов?
Разделите объём полученных пиломатериалов на объём распиленных бревен: 0,64 м³ пиломатериалов из 1 м³ бревен — это выход 64 %. Коэффициент пересчёта ФАО — обратная величина, 1,57 м³ бревен на м³ пиломатериалов. Всегда указывайте, измерялись ли пиломатериалы в сыром, сухом или строганом виде.1
Что такое оптимизирующая торцовочная пила?
Пила, которая считывает размеченные или отсканированные пороки вдоль доски, рассчитывает самую ценную комбинацию длин деталей и автоматически раскраивает доску. В научных сравнениях оптимизированный раскрой опережал реальный цех черновой раскройки примерно на 7 процентных пунктов выхода.4
Почему сращённые детали дешевле цельных?
Потому что их делают из коротких чистых отрезков, которые иначе стали бы отходами, и больше древесины каждого бревна превращается в продукцию. Выход черновой раскройки резко падает, когда требуются длинные широкие чистые детали.2
