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MATÉRIAUX

Plasturgie : procédés d’extrusion Réf. Internet : 42150

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Extrusion Extrusion monovis (partie 1) par

Bruno VERGNES Ingénieur ENSTA Docteur ès Sciences (université de Nice) Maître de Recherche à l’École des mines de Paris

et

Stéphan PUISSANT Ingénieur ENSAM Docteur en Science et Génie des Matériaux (École des mines de Paris) Responsable du Centre de compétence packaging chez Alcatel Optronics

1. 1.1 1.2 1.3

Présentation générale............................................................................. Description générale et principe de fonctionnement ............................... Géométrie du système vis/fourreau........................................................... Les approximations classiques ..................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Mécanismes et modélisation ................................................................ Zone de convoyage solide .......................................................................... Zone de fusion ............................................................................................. Zone de pompage........................................................................................ Modèle d’ensemble de l’extrusion monovis .............................................

AM 3 650 - 2 — 2 — 2 — 3 — — — — —

3 3 6 9 14

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. AM 3 651

’extrusion est de loin le plus important des procédés de mise en forme des polymères. Le principe de base de l’extrusion monovis est l’utilisation d’une vis sans fin, qui tourne à l’intérieur d’un fourreau cylindrique. Procédé continu, l’extrusion est utilisée pour fabriquer des produits finis ou des semi-produits de section constante (films, plaques, tubes, profilés...) par passage au travers d’un outillage appelé filière. Dans ce cas, les fonctions principales du procédé sont d’assurer la fusion du polymère solide, puis la mise en pression et le mélange du polymère fondu, afin d’alimenter dans de bonnes conditions la filière, qui donnera sa forme au produit fabriqué. L’extrusion est aussi utilisée, en dehors de la mise en forme, pour des étapes de granulation, de compoundage ou de polymérisation. L’extrusion arrive en tête devant l’injection et les autres procédés de transformation avec environ 1,7 million de tonnes de matières consommées par an (France, chiffres 1999). Le principe même de l’extrusion est très ancien, si on le fait remonter à la vis d’Archimède, et a été largement utilisé depuis fort longtemps, en particulier dans le domaine alimentaire (fabrication de saucisses ou de pâtes alimentaires). Dans le cas des matériaux synthétiques, le procédé a été appliqué dès le début du XX e siècle au domaine du caoutchouc, puis s’est largement développé depuis dans celui des matières thermoplastiques.

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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites

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AM 3 650 − 1


EXTRUSION MONOVIS (PARTIE 1)

_________________________________________________________________________________________________________

1. Présentation générale Trémie T

1.1 Description générale et principe de fonctionnement

Fourreau F

Le schéma de principe d’une extrudeuse monovis est présenté figure 1. Celle-ci comporte une vis sans fin V qui tourne à l’intérieur d’un fourreau cylindrique F, régulé en température par des systèmes de chauffe et de refroidissement. Le polymère sous forme solide (granulés, poudre) est introduit dans la trémie T située à une extrémité de la machine.

Alimentation

La principale fonction de l’extrudeuse est de convoyer le polymère, de le fondre et de le mettre en pression, pour qu’il puisse franchir la filière placée à son extrémité. D’un point de vue industriel, on cherche à obtenir à la sortie de la machine un débit régulier, avec un matériau homogène, à la température contrôlée, et des conditions de production satisfaisantes (débit maximal, consommation énergétique limitée). Pour cela, la compréhension des mécanismes mis en jeu, ainsi que leur modélisation sont un point capital.

B

W

température du fourreau,

T (oC)

température moyenne du polymère.

La géométrie de la vis est définie pour permettre au procédé de travailler dans des conditions optimales en fonction du polymère utilisé. Le diamètre du corps de la vis augmente généralement de l’arrière à l’avant de la machine, soit sur toute la longueur, soit sur une partie seulement de la longueur. Dans ce dernier cas, qui est le plus courant, on peut distinguer trois zones géométriques (figure 1) : — la zone d’alimentation, où la profondeur du chenal est constante ; — la zone de compression, où la profondeur du chenal diminue progressivement ; — la zone de pompage, où la profondeur du chenal est à nouveau constante, mais plus faible qu’en alimentation. On trouve parfois dans cette zone de pompage des éléments de mélange (§ 2.3.3).

Comme indiqué dans l’application numérique ci-après, ce nombre de Brinkman est généralement très supérieur à 1 dans le cas de l’extrusion monovis, ce qui montre que l’apport d’énergie mécanique est prépondérant devant celui d’énergie thermique. Cela est bien sûr lié à la très forte viscosité des polymères fondus (103 à 105 Pa · s) et à leur faible conductivité thermique (0,1 à 0,3 W · m–1 · oC–1).

Ces vis sont conçues pour que la zone de compression s’identifie à la zone de fusion, mais ceci n’est en général pas vérifié pour toutes les conditions opératoires.

Exemple : considérons une vis de diamètre 80 mm, tournant à 60 tr/min. Le polymère a une viscosité de 103 Pa · s et une conductivité de 0,2 W·m–1 · oC–1. La différence entre la température du fourreau et celle du polymère est de 30 oC. On trouve :

Les éléments géométriques essentiels de ce système vis-fourreau sont indiqués sur la figure 2. Quatre paramètres suffisent à définir cette géométrie : — le diamètre intérieur du fourreau : D ; — le diamètre du corps, ou diamètre interne, de la vis : d ; — le pas de la vis : B ; — l’épaisseur du filet : e.

10 3 × ( 2π × 40 × 10 –3 ) 2 Br = --------------------------------------------------------------- = 10,5 0,2 × 30

AM 3 650 − 2

D

1.2 Géométrie du système vis /fourreau

λ (W · m–1 · oC–1) conductivité thermique du polymère, T F (oC)

d

Figure 2 – Géométrie du système vis-fourreau

2

vitesse linéaire de la vis au sommet du filet,

θ

Vis

θ

ηvF Br = ---------------------------λ ( TF – T ) viscosité,

Filière

H

Le rapport de ces deux termes est ce que l’on appelle le nombre de Brinkman :

v F (m · s–1)

Fourreau

e

L’énergie nécessaire à la fusion et à la mise en pression du polymère est issue de deux sources principales : — l’énergie mécanique, fournie par la rotation de la vis, qui engendre des déformations au sein d’un milieu très visqueux ; — l’énergie thermique, fournie par la régulation du fourreau.

η (Pa · s)

Pompage

Figure 1 – Schéma de l’extrudeuse monovis

D’après les observations qui ont été faites sur l’état du polymère dans la machine, on peut distinguer trois zones phénoménologiques : — la zone de convoyage solide, dans laquelle le polymère est entièrement solide ; — la zone de fusion, dans laquelle coexistent du polymère encore solide et du polymère déjà fondu ; — la zone de pompage, dans laquelle le polymère est totalement fondu.

avec

FusionPlastification

Vis V


ＱＰ


_________________________________________________________________________________________________________ EXTRUSION MONOVIS (PARTIE 1)

Les deux premiers permettent de calculer la profondeur du chenal H : D–d H = --------------2 Le pas détermine l’angle θ que fait le filet avec un plan perpendiculaire à l’axe de la vis. En fait, cet angle θ varie avec la distance à l’axe de la vis, mais si la profondeur du chenal est faible par rapport au diamètre de la vis (ce qui est généralement le cas), on se contente d’une valeur unique, prise au niveau du fourreau :

vF

vFz

θ

vFx

B tan θ = ---------πD La largeur du chenal peut être décrite par : W = B cos θ – e La longueur déroulée d’un tour d’hélice s’écrit : AR

B πD Z = ---------------- = -------------cos θ sin θ Exemple : considérons une vis de diamètre d = 72 mm, avec un fourreau de diamètre D = 80 mm. Le pas B est de 80 mm et l’épaisseur du filet e de 5 mm. • La profondeur du chenal vaut : H = (80 – 72)/2 = 4 mm. On est bien dans le cas où H est petit par rapport au diamètre ; • La tangente de l’angle de filet vaut :

AV

Figure 3 – Représentation locale déroulée du système vis-fourreau

Ω et N vitesse de rotation de la vis respectivement en rad/s et en tr/min. v F peut se décomposer en : v Fz vitesse longitudinale dans l’axe du chenal :

avec

tan θ = 80/(π 80) = 0,32, d’où θ = 17o 40′

v Fz = v F cos θ

• La largeur du chenal vaut :

v Fx vitesse transversale perpendiculaire à l’axe :

W = 80 cos (17o40′) – 5 = 71,2 mm

v Fx = v F sin θ

• La longueur déroulée d’un tour d’hélice vaut :

Le mouvement transversal du fourreau se fait du filet avant vers le filet arrière (filet pousseur).

Z = π 80/cos (17o40′) = 263,7 mm

Nous décomposerons dans la suite tout écoulement dans le chenal de la vis en : — un écoulement longitudinal, correspondant à la composante de vitesse suivant z, — un écoulement transversal, correspondant aux composantes des vitesses suivant x et y, c’est-à-dire dans le plan perpendiculaire à l’axe du chenal.

En pratique, une vis est d’abord caractérisée par son diamètre nominal, ou diamètre externe, D et sa longueur L, ou par le rapport L/D.

1.3 Les approximations classiques Pour étudier et conceptualiser plus aisément les écoulements dans ce système géométrique complexe vis/fourreau, il est d’usage de faire un certain nombre d’approximations, portant à la fois sur la cinématique et la géométrie.

2. Mécanismes et modélisation

■ Approximation de la vis statique et du fourreau tournant Il est très difficile de décrire les écoulements de la matière dans un repère fixe par rapport au fourreau du fait de l’instationnarité de la géométrie. Il est plus commode de considérer que la vis est fixe et que le fourreau tourne autour de celle-ci à une vitesse angulaire opposée à la vitesse réelle.

2.1 Zone de convoyage solide 2.1.1 Mécanisme de convoyage du solide Dans la zone d’alimentation, le comportement rhéologique du polymère, en granulés ou en poudre, est voisin de celui d’un « sable », avec une certaine cohésion et un certain angle de frottement interne. En fait, l’expérience montre qu’il est rapidement compacté par la pression et la température et qu’il se comporte alors comme un solide pratiquement indéformable, de forme hélicoïdale, glissant dans l’espace entre la vis et le fourreau. En fait, ce sont les forces de frottement entre le polymère, le fourreau et la vis qui vont conditionner le déplacement du solide. Le frottement est généralement décrit par la loi de Coulomb :

■ Déroulement du chenal de la vis La géométrie hélicoïdale du chenal est difficile à utiliser pour la modélisation. On va donc la simplifier en « déroulant » le chenal, ce qui est possible du fait de la faible épaisseur du chenal par rapport au diamètre de la vis. Le chenal hélicoïdal peut donc être remplacé en première approximation par un chenal rectiligne, de section rectangulaire, de largeur équivalente W et de hauteur H. ■ Vitesse relative du fourreau Nous pouvons combiner l’approximation de la vis stationnaire et celle du déroulement du chenal de la vis ; dans ces conditions, le fourreau doit aussi être déroulé en un plan qui se déplace en biais par rapport au chenal rectiligne (figure 3). v F est la vitesse linéaire équivalente du fourreau. Elle s’écrit :

τ = fp avec

τ (Pa)

p (Pa) f

2πN D v F = Ω = -------------- -----60 2

contrainte de cisaillement qui s’exerce dans la direction opposée à la vitesse relative des deux solides, pression de contact, coefficient de frottement.


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AM 3 650 − 3


EXTRUSION MONOVIS (PARTIE 1)

_________________________________________________________________________________________________________

La loi de Coulomb est l’idéalisation d’une situation réelle beaucoup plus complexe où le coefficient de frottement (défini comme le rapport de la contrainte de cisaillement sur la contrainte normale) dépend non seulement du polymère considéré, mais aussi de la température, de la vitesse relative par rapport à la paroi, de l’état de surface, de la pression... Dans ce qui suit, nous considérerons des coefficients de frottement constants, dont l’ordre de grandeur est défini dans le tableau 1.

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q

f=

0

0,4

0,3

0,1 0,2

Tableau 1 – Valeurs caractéristiques du coefficient de frottement polymère/acier

0,2

4

0,

0,30 à 0,40 0,25 à 0,45 0,04 à 0,22 0,15 à 0,25 0,50 0,50 0,54 0,54 0,30 0,60 à 0,70

0,8

0,1

0 10

tan ϕ tan θ q = ---------------------------------tan ϕ + tan θ La figure 4 montre le résultat dans le cas où les coefficients de frottement sont égaux sur le fourreau et sur la vis (f F = f V). On constate qu’il existe un angle optimal pour une valeur donnée de f. Pour la plupart des polymères (voir tableau 1), f est compris entre 0,25 et 0,5. Cela correspond à un angle optimal θ très proche de 20o ; ce résultat constitue une justification d’un choix classique en extrusion, à savoir que le pas de la vis est pris égal au diamètre (θ = 17o 40′).

v F tan ϕ u = -----------------------------------------------------cos θ ( tan θ + tan ϕ )

En fait, la vitesse de progression du solide u sera d’autant plus élevée que le rapport (f F /f V) sera grand. En reprenant la même analyse que précédemment, mais en choisissant des coefficients de frottement différents sur la vis et le fourreau, on peut montrer que l’optimum se situe plutôt autour de 35 o, avec surtout une valeur de q très largement augmentée [2]. On aura donc toujours intérêt, pour améliorer le débit de convoyage solide, à imposer des conditions de frottement plus sévères sur le fourreau que sur la vis.

angle que fait la vitesse relative du fourreau avec la vitesse du solide.

Cet angle est défini par : (1)

D ( sin θ + f 2 cos θ ) K = --------------------------------------------------D ( cos θ – f 2 sin θ )

Dans ce modèle très simple, la pression est supposée uniforme dans toute la zone de convoyage. En réalité, le polymère a tendance à se mettre en pression le long de la zone d’alimentation. Si nous considérons que les pressions p 1 et p 2 à l’entrée et à la sortie de la zone d’alimentation sont différentes, on peut montrer que l’équation qui donne ϕ est la même que précédemment [équation (1)], en remplaçant simplement M par M* :

fV d 2H f V D M = -------- sin θ  K + ------ cotan θ + ---------- -------- sin θ  K + ------- cotan θ     D D W fF fF avec

D

diamètre moyen : D = ( D + d )/2 ,

f F et f V

respectivement coefficients de frottement sur le fourreau et sur la vis.

p2 H 1 D M* = M + -------- ------- sin θ  K + ------- cotan θ lg -------  p1 Za f F D

À partir de la valeur de u, on peut calculer le débit-volume (en m3/s) de matière solide s’écoulant le long du chenal : D tan ϕ tan θ π eH Q v = Ω ------ ----------------------------------- ----- ( D 2 – d 2 ) – -------------2 tan ϕ + tan θ 4 sin θ

avec

(2)

Za (m)

(3)

longueur déroulée de la zone d’alimentation.

2.1.3 Améliorations technologiques : les zones rainurées

On constate que le débit est proportionnel à la vitesse de rotation de la vis et dépend de la géométrie de la zone d’alimentation et des coefficients de frottement (par l’intermédiaire de ϕ ). Pour une taille de machine donnée, on peut chercher à optimiser l’angle

AM 3 650 − 4

50

de filet θ pour obtenir un débit maximal à une vitesse de rotation donnée. Cela revient à optimiser la quantité :

À partir d’un bilan des forces et des couples s’exerçant sur ce solide, on peut calculer la vitesse u de celui-ci le long du chenal :

où :

40

Figure 4 – Évolution de q avec l’angle de la vis dans le cas où les frottements sur le fourreau et sur la vis sont identiques

Le lecteur pourra également se reporter à la référence [1].

cos ϕ = K sin ϕ + M

30

θ (°)

Le convoyage du solide le long de la zone d’alimentation peut être modélisé à partir d’un certain nombre d’hypothèses, dont les principales sont les suivantes : — on considère un bloc solide compact, qui avance le long du chenal à la vitesse u, sous l’effet des forces de frottement qui s’exercent sur le fourreau, les filets de vis et la surface de la vis ; — le solide est supposé élastique, indéformable, à température constante.

ϕ

20

tan ϕ tan θ q= tan ϕ + tan θ

2.1.2 Modélisation du convoyage

avec

0,6

1

ABS Polyamide PTFE Polyéthylène Polystyrène PVC PMMA PET Polypropylène Polycarbonate

■ Zones rainurées droites Pour augmenter le débit des extrudeuses, on a vu qu’il fallait augmenter le frottement au niveau du fourreau. Pour cela, il est


ＱＲ

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Extrusion Extrusion monovis (partie 2) par

Bruno VERGNES Ingénieur ENSTA Docteur ès Sciences (université de Nice) Maître de Recherche à l’École des mines de Paris

et

Stéphan PUISSANT Ingénieur ENSAM Docteur en Science et Génie des Matériaux (École des mines de Paris) Maître assistant à l’Insic (Institut supérieur d’ingénierie de la conception)

AM 3 651 - 2

1.

Autres types de vis et d’extrudeuses................................................

2. 2.1

Présentation technique ......................................................................... Réalisation des vis ...................................................................................... 2.1.1 Fabrication des vis............................................................................. 2.1.2 Résistance mécanique de la vis à la torsion.................................... 2.1.3 Entraînement de la vis....................................................................... Réalisation des fourreaux .......................................................................... 2.2.1 Fabrication des fourreaux ................................................................. 2.2.2 Résistance mécanique des fourreaux .............................................. 2.2.3 Régulation thermique des fourreaux ............................................... Systèmes d’alimentation ........................................................................... Systèmes de filtration ................................................................................ 2.4.1 Filtres et tamis.................................................................................... 2.4.2 Changeurs de filtres ..........................................................................

— — — — — — — — — — — — —

2 2 2 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5

Pannes et remèdes ................................................................................. Problèmes dus principalement à l’extrudeuse......................................... 3.1.1 Produit trop chaud............................................................................. 3.1.2 Produit trop froid ............................................................................... 3.1.3 Problèmes de débit............................................................................ 3.1.4 Autres défauts.................................................................................... Problèmes dus principalement à la tête d’extrusion ............................... Précautions à prendre lors du démarrage et de l’arrêt de l’extrudeuse

— — — — — — — —

7 7 7 7 7 8 9 10

2.2

2.3 2.4

3. 3.1

3.2 3.3

Pour en savoir plus.......................................................................................... Doc. AM 3 651

a première partie de cet article « Extrusion monovis » [AM 3 650] était essentiellement consacrée aux mécanismes mis en jeu dans l’extrusion. Dans cette seconde partie, nous allons d’une part traiter l’aspect technique : fabrication, fonctionnement, d’autre part passer en revue les principaux problèmes pratiques que l’on peut rencontrer en extrusion et donner quelques recettes simples pour y remédier.

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ＱＳ

AM 3 651 − 1


EXTRUSION ___________________________________________________________________________________________________________________________

1. Autres types de vis et d’extrudeuses ■ Les extrudeuses à dégazage (vis à deux étages) Lorsque des produits volatils peuvent se dégager pendant la phase de fusion, qui peuvent être préjudiciables à la qualité de l’extrudat, il est d’usage d’utiliser une extrudeuse à deux étages, avec dégazage intermédiaire (figure 1). Le polymère est fondu dans le premier étage, qui impose le débit. Ce premier étage est une vis classique, généralement à trois zones. À la fin de celui-ci, on impose une restriction sévère, pour créer une mise en pression et éliminer toute trace d’infondus. Puis le deuxième étage démarre par une zone d’entrefer très large, où le polymère venant du premier étage ne pourra occuper tout l’espace. Ce remplissage partiel permet le dégazage à travers un orifice percé dans le fourreau et muni d’une pompe à vide. Le rôle du deuxième étage est donc de pomper le polymère fondu vers la filière, en maintenant un remplissage de la vis incomplet au voisinage de l’orifice de dégazage.

a coupe longitudinale

b coupe transversale

Figure 2 – Schéma d’un Ko-malaxeur Buss (d’après document Buss)

■ Le Ko-malaxeur Buss Ce système, qui est présenté figure 2, comporte un fourreau muni d’ergots sur sa face interne. La vis, dont le filet est interrompu de place en place (tous les 120o) pour laisser passer les ergots du fourreau, a un double mouvement de rotation et de vaet-vient longitudinal. Ces deux mouvements sont bien entendu coordonnés. Il en résulte des écoulements beaucoup plus complexes que ceux observés dans une extrudeuse monovis classique, et qui permettent un mélange et une homogénéisation très efficaces de la matière. Ce système est principalement utilisé pour préparer des mélanges chargés (charges minérales, fibres de verre...) ou pour gélifier des compounds PVC. Un des problèmes liés au fonctionnement du Ko-malaxeur est qu’il produit en sortie un débit pulsé, dû au mouvement alternatif de la vis. Pour y remédier, on utilise généralement une monovis de décharge, qui permet d’alimenter de manière continue une filière.

Figure 3 – Schéma d’une extrudeuse en cascade

■ Les extrudeuses en cascade

2. Présentation technique

On a vu avec les extrudeuses à dégazage que l’on pouvait concevoir des vis assurant plusieurs fonctions différentes, de manière successive. Les extrudeuses en cascade, dont le principe est explicité figure 3, exploitent cette idée, en découplant physiquement le premier et le deuxième étages. Le premier étage assure toujours la fusion du polymère, alors que le second joue un rôle de pompe et permet l’ajout éventuel d’adjuvants solides ou liquides. L’intérêt majeur de ce système par rapport à la vis à deux étages (voir ci-dessus) est de pouvoir imposer sur chaque étage des vitesses de rotation différentes, et donc de contrôler de manière plus efficace l’ensemble du procédé.

2e étage

2.1 Réalisation des vis 2.1.1 Fabrication des vis Les vis subissent plusieurs opérations d’usinage depuis le barreau de matériau brut. La première opération consiste en un tournage de la barre afin d’obtenir une barre de dimension légèrement supérieure (1 mm) au diamètre final de la vis. En deuxième opération, cette barre est ensuite mise sur une fraiseuse pour usiner les canaux de la vis. Cette fraiseuse peut être une fraiseuse en bout ou une fraiseuse trois tailles. La troisième opération est le perçage de la vis, si celui-ci est nécessaire pour la régulation thermique. La quatrième opération consiste en un polissage de la vis. Son but est de supprimer les facettes obtenues lors de l’usinage. Ceci est fait en général de façon manuelle. Puis la vis est redressée (cinquième opération). Ensuite, la sixième opération consiste en un durcissement superficiel, en général effectué par un processus de nitruration gazeuse. La septième opération consiste à redresser la vis une nouvelle fois pour contrebalancer les dernières contraintes résiduelles dues aux diverses opérations d’usinage. Enfin, la huitième opération est la rectification des filets extérieurs et des filets de passage (pour les vis barrières).

1er étage

Figure 1 – Schéma d’une extrudeuse à dégazage

AM 3 651 − 2


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__________________________________________________________________________________________________________________________

2.1.2 Résistance mécanique de la vis à la torsion

à courant continu étaient les plus utilisés. L’armoire d’entraînement de ces moteurs fournit un courant continu dont la tension détermine la vitesse de rotation et dont l’intensité donne le couple fourni. Économiquement, ce type de moteur, avec son armoire d’entraînement, a toujours été le plus abordable jusqu’au milieu des années 1990. Cependant, les entraînements des moteurs asynchrones ayant progressé dans leur précision et baissé de prix, ce type de moteur est de plus en plus utilisé pour les applications nécessitant moins de 60 kW. La variation de vitesse de ces moteurs est obtenue en utilisant des variateurs de fréquences. L’avantage de ce type de moteur consiste dans un entretien minime par rapport au moteur à courant continu, ce dernier nécessitant en effet un entretien périodique des balais charbon. Par contre, son handicap réside encore dans un moins bon contrôle du couple, principalement à basse vitesse.

Pour assurer un fonctionnement sans risque de casse, la vis doit pouvoir résister au couple maximal pouvant être fourni par le moteur. Cette valeur est obtenue à puissance et à vitesse maximales : P max P max M max = --------------------------------- = ------------------------------------- i tot 2π 2π --------- N max mot --------- N max vis 60 60 avec

M max (N · m)

couple maximal pouvant être transmis par le moteur à la vis, puissance maximale du moteur, vitesse maximale de rotation de la vis, vitesse maximale de rotation du moteur, rapport de réduction entre le moteur et la vis.

P max (W) N max vis (tr/min) N max mot (tr/min) i tot

■ Couple nécessaire à la rotation de la vis Il existe deux façons de déterminer le couple nécessaire à l’entraînement de la vis : — à partir des mesures de courant faites lors des essais ; — en utilisant une relation empirique tirée de l’expérience. ● Calcul du couple M vis à l’aide d’un protocole d’essai : le protocole nous renseigne entre autre sur les grandeurs suivantes (dans le cas d’un moteur à courant continu) : — puissance nominale développée par le moteur ; — courant maximal de fonctionnement ; — vitesse de rotation maximale de la vis ; — courant mesuré lorsque la vis tourne à cette vitesse.

La contrainte de cisaillement (en N/mm2) d’une section soumise à la torsion se calcule comme suit : M max τ t = ---------------Wp avec

Wp (mm3) moment de résistance polaire.

Elle doit être inférieure à la contrainte de cisaillement à la torsion admissible, τ adm . On admet en général τ adm = 0,65 R p 0,2 , où Rp 0,2 (N/mm2) est la limite conventionnelle d’élasticité. Pour une section annulaire, comme c’est le cas pour les vis, le moment de résistance polaire vaut :

Avec un moteur à courant continu, le couple est proportionnel au courant électrique I. On peut donc le calculer avec la relation suivante : P nom I mes - ------------M vis = ---------------------------------2π I max --------- N max vis 60

4 dp

4 π d – W p = -------- ---------------------16 d

avec

EXTRUSION

d (mm) diamètre du noyau de la vis, d p (mm) diamètre du perçage de la vis.

avec

On trouve finalement : M max × 10 3 × 16 × d τ t = ------------------------------------------------------4 π 冢d 4 – d p冣

M vis (N · m) P nom (W) I mes (A) I max (A)

Exemple : un acier allié au chrome et au molybdène est utilisé couramment pour la fabrication des vis. La limite élastique est de 800 N/mm2 pour les petites dimensions (< 100 mm) et de 700 N/mm2 pour les dimensions supérieures. Il faut aussi tenir compte de la température de fonctionnement, qui a pour effet de diminuer la valeur de cette limite élastique. Pour une vis 80-24D, on a les valeurs suivantes, en début de vis (là où le diamètre de la vis est le plus faible) : — profondeur de filet = 8 mm ⇒ d = 80 – (2 × 8) = 64 mm ; — diamètre du perçage d p = 31 mm ; — le moteur possède une puissance maximale P max de 79 kW pour une vitesse de rotation de la vis N max de 120 tr/min.

couple nécessaire à la rotation de la vis, puissance nominale du moteur, courant électrique mesuré lors de l’essai à N max vis , courant électrique maximal du moteur.

● Calcul du couple M vis à l’aide d’une relation empirique : le couple nécessaire à la vis est proportionnel à la longueur de celle-ci, ainsi qu’à la surface en contact avec la matière à déplacer. Une relation tirée de nombreuses mesures effectuées nous donne :

M vis = K d 2 L avec

K (N · L (m)

m–2)

facteur dépendant de la matière à extruder, longueur de la vis.

Le tableau 1 donne le coefficient K pour des matières utilisées couramment. (0)

79 000 M max = ---------------------- ≅ 6 287 N ⋅ m 2π -------- 120 60 On obtient donc une contrainte maximale de cisaillement de :

Tableau 1 – Coefficient K de la relation empirique permettant le calcul de M vis

6 287 × 10 3 × 16 × 64 - = 129 N ⋅ mm –2 τ t = --------------------------------------------------------π ( 64 4 – 31 4 ) La contrainte maximale admissible est : 0,65 × 700 = 455 N · mm–2, ce qui laisse donc une marge appréciable de sécurité.

Matière

2.1.3 Entraînement de la vis ■ Moteur à courant continu ou courant alternatif Dans la majorité des cas, l’entraînement du système est effectué par un moteur électrique. Jusqu’à il y a peu de temps, les moteurs

Élastomère...............................................................

620 500

PE semi-conducteur, PRC, PUR, PEHD ..................

469 200

PEHD câblerie, PP, PVC rigide................................

408 000

PEMD fluoré, PA, PVC chargé ................................

354 800

PEBD, PVC souple, PVC transparent .....................

308 500

PEBD de MFI (Melt Flow Index ) = 0,2 à 2..............

233 300


ＱＵ

K (N/m2)

AM 3 651 − 3

ＱＶ

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Extrusion Procédés d’extrusion bivis par

Bruno VERGNES Ingénieur ENSTA Docteur ès sciences Maître de recherche à l’École des Mines de Paris

et

Marc CHAPET Ingénieur ECAM Société Clextral

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Présentation générale des procédés d’extrusion bivis ................. Description générale ................................................................................... Les différents types d’extrudeuses bivis ................................................... Spécificités du procédé d’extrusion bivis.................................................. Géométrie élémentaire du système vis-fourreau .....................................

2. 2.1 2.2 2.3

Présentation technique des extrudeuses corotatives ................... Description géométrique ............................................................................ Constitution et types des fourreaux et des vis.......................................... Mécanismes d’entraînement ...................................................................... 2.3.1 Le groupe d’entraînement ................................................................. 2.3.2 La motorisation et la variation de vitesse......................................... 2.3.3 Les arbres de vis ................................................................................. Régulation de la température ..................................................................... Phénomènes d’usure et matériaux ............................................................ 2.5.1 Phénomènes d’usure.......................................................................... 2.5.2 Matériaux utilisés ............................................................................... Fonctions réalisables sur l’ensemble vis-fourreau ...................................

— — — — — — — — — — — —

6 6 8 8 8 9 9 9 10 10 10 11

Fonctionnement des extrudeuses corotatives ................................ Mécanismes d’écoulement et modélisation.............................................. 3.1.1 Zone de convoyage solide ................................................................. 3.1.2 Zone de fusion .................................................................................... 3.1.3 Écoulement à l’état fondu .................................................................. Modèle d’ensemble de l’extrusion bivis.................................................... 3.2.1 Description du modèle ....................................................................... 3.2.2 Exemples de résultats ........................................................................

— — — — — — — —

11 11 11 12 12 16 17 17

Extrudeuses contrarotatives................................................................. Description géométrique ............................................................................ Mode de fonctionnement et approche théorique des écoulements ....... 4.2.1 Extrudeuses à vis interpénétrées ...................................................... 4.2.2 Extrudeuses à vis non interpénétrées...............................................

— — — — —

19 19 20 20 23

2.4 2.5

2.6 3. 3.1

3.2

4. 4.1 4.2

AM 3 653 - 2 — 2 — 3 — 4 — 4


L

ｊ｡ｮｶｩ･ｲ＠ＲＰＰＱ

e procédé d’extrusion consiste à fabriquer en continu des produits finis ou des semi-produits, ou à transformer des matériaux, au sein d’un système vis/fourreau. On parle d’extrusion monovis lorsqu’il existe une vis unique, tournant au sein d’un fourreau cylindrique (cf. article [18] des Techniques de l’Ingénieur) et d’extrusion bivis lorsque l’on a affaire à deux vis, généralement parallèles, tournant à l’intérieur d’un fourreau dont la section a la forme d’un huit. Sous le vocabulaire très général d’extrusion bivis, on trouve toutefois des


ＱＷ

AM 3 653 − 1


EXTRUSION ___________________________________________________________________________________________________________________________

machines de conceptions très différentes et d’applications variées et spécifiques. Alors que les machines contrarotatives, issues des mélangeurs internes pour l’industrie du caoutchouc ou le pétrissage de la pâte, sont apparues vers les années 1880, les extrudeuses corotatives sont nées vers 1935 en Italie. Depuis cette date, cette technologie n’a cessé de se développer et connaît actuellement une progression sans précédent. Dans l’article qui suit, après avoir présenté les différents types d’extrudeuses bivis, nous décrirons en détail les caractéristiques techniques et le mode de fonctionnement des deux grandes familles de machines, les extrudeuses corotatives et les extrudeuses contrarotatives.

1. Présentation générale des procédés d’extrusion bivis

fourreau, manuel ou assisté, permettant ainsi d’avoir facilement accès aux vis pour nettoyage, inspection ou maintenance. Le système d’ouverture le plus utilisé est constitué d’une glissière assurant le coulissement du fourreau par rapport aux vis, mais on trouve également des systèmes à ouverture en « portefeuille », où le fourreau est articulé autour d’une charnière latérale.

1.1 Description générale

L’ensemble vis-fourreau constitue la partie active et assure le traitement de la matière. Le fourreau en constitue l’enveloppe extérieure. Les matières à traiter, ainsi que les éventuelles charges et additifs, y sont introduites par un orifice d’alimentation principal et éventuellement des orifices secondaires, grâce à des dispositifs doseurs pour les solides ou grâce à des pompes pour les liquides. Le fourreau est régulé en température par l’association d’un chauffage, en général électrique, piloté par des sondes de contrôle de température, avec un dispositif de refroidissement, la plupart du temps à circulation d’eau. À l’intérieur du fourreau tournent les deux vis qui avalent la matière et la font progresser.

Dans une extrudeuse bivis, on trouve assemblées sur un châssis unique les parties suivantes (figure 1) : — l’ensemble vis-fourreau avec ses accessoires de chauffage et de refroidissement (A) ; — le groupe d’entraînement (ensemble du réducteur, du diviseur de couple et du limiteur) (B) ; — le moteur principal (C) ; — des dispositifs pour l’alimentation en matière (doseurs, D) ou pour son traitement (par exemple, dispositif de dégazage) ; — un dispositif de coupe ou de mise en forme de la matière extrudée (filière), s’il y a lieu (E) ; — pour la conduite de l’extrudeuse, une armoire de pilotage (F) qui réunit les variateurs des moteurs, les organes de démarrage et de sécurité, les dispositifs de régulation, de commande, d’affichage et de mesure.

La matière traitée sort de l’extrudeuse par son extrémité aval à travers une filière, elle-même fixée sur la pièce d’obturation de l’extrémité du fourreau appelée « plaque avant ». La filière peut être munie d’un couteau granulateur pour couper le produit directement à sa sortie et fabriquer des granulés ou des produits courts. D’autres dispositifs de mise en forme peuvent aussi être utilisés.

Le châssis peut être un simple support des organes ci-dessus mais il peut également comporter un dispositif d’ouverture du

ENTRÉE PRODUIT Moteur - Réducteur (B-C) Fourreau modulaire chauffé thermiquement (A)

Trémie d'alimentation (D)

Filière + granulateur (E)

SORTIE PRODUIT

Automates de pilotage (F) Arbres cannelés supportant les vis Figure 1 – Schéma d’une extrudeuse bivis (d’après documentation Clextral)

AM 3 653 − 2


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__________________________________________________________________________________________________________________________

Vis corotatives

Vis interpénétrées

EXTRUSION

En fonction de l’application recherchée, on va donc choisir tel ou tel type d’extrudeuse bivis. Par exemple, les systèmes contrarotatifs interpénétrés sont très utilisés pour l’extrusion de compounds PVC (réalisation de tubes ou de profilés), alors que les systèmes corotatifs interpénétrés sont plutôt recherchés pour des applications de compoundage, de dispersion de charges ou de modifications chimiques. Les systèmes non interpénétrés sont plus rares. Ils sont le plus souvent employés pour des opérations de mélangeage, le développement de réactions chimiques ou la dévolatilisation (enlèvement des substances volatiles). De manière générale, on peut indiquer que l’extrusion bivis a connu des développements importants dans tous les cas où, en raison de fonctionnalités que n’autorise pas l’extrusion monovis, elle a permis de passer d’un système de production de type batch à un système de type continu, plus performant d’un point de vue économique.

Vis contrarotatives

De la classification présentée à la figure 2 découlent des propriétés géométriques des chenaux de vis et donc des types caractéristiques d’écoulements que l’on va rencontrer dans ces différents systèmes. Comme on peut le voir sur la figure 3, le passage d’une vis sur l’autre dans la zone d’interpénétration est plus ou moins ouvert et aisé suivant la configuration. Pour des vis contrarotatives (figure 3a ), ce passage est très limité. La matière occupe sur chacune des vis un espace en forme de C, au sein duquel elle recircule, avec très peu d’échange avec les chambres en C voisines. Le matériau progresse de l’amont vers l’aval grâce à la rotation des vis, qui jouent ici le rôle de pompe volumétrique. Pour des vis corotatives autonettoyantes à deux filets (figure 3b ), ce passage est au contraire très ouvert et la matière passe très facilement d’une vis sur l’autre, en suivant une trajectoire hélicoïdale en forme de huit. On a ici un écoulement de type « chenal continu », très semblable à celui que l’on pourrait observer sur une extrudeuse monovis. Entre ces deux situations extrêmes, on peut bien sûr imaginer tous les cas intermédiaires, où la zone d’interpénétration, bien que permettant le passage d’une vis sur l’autre, puisse le restreindre de manière importante (figure 3c ). Pour les systèmes partiellement interpénétrés ou non interpénétrés, la situation est encore différente et sera évoquée plus loin.

Vis non interpénétrées

Figure 2 – Les principales configurations d’extrudeuses bivis

L’entraînement des vis se fait par une boîte d’engrenages, accouplée aux vis dans une lanterne de séparation. Cette boîte assure la réduction de vitesse, la répartition du couple entre les deux vis et la reprise des efforts axiaux de poussée des vis. L’entraînement est presque toujours réalisé par un moteur électrique à vitesse variable, à courant continu ou à variation de fréquence, qui est lié à la boîte d’engrenages par l’intermédiaire d’un accouplement de sécurité à limiteur de couple.

1.2 Les différents types d’extrudeuses bivis

Le tableau 1 propose une comparaison des caractéristiques fonctionnelles des principaux types d’extrudeuses bivis.

Les deux critères principaux permettant de classer les différents systèmes bivis sont explicités à la figure 2 : — le sens de rotation : les vis sont dites corotatives si elles tournent dans le même sens et contrarotatives si elles tournent en sens inverse l’une de l’autre. Bien entendu, cela a une importance capitale sur les conditions d’écoulement, comme on le verra par la suite ; — l’interpénétration : les vis sont dites interpénétrées lorsque le filet de l’une pénètre plus ou moins profondément dans le chenal de la vis voisine. On parlera alors de vis partiellement ou totalement interpénétrées. Dans le cas contraire, on aura affaire à des vis tangentes ou non interpénétrées.

Tableau 1 – Principales caractéristiques fonctionnelles des extrudeuses bivis (d’après [5]) Type d’extrudeuse Caractéristique

Débit

D’autres différences peuvent exister, mais celles-ci jouent un rôle moins important que les deux critères précédents. On peut ainsi trouver : — des profils conjugués ou non : on parle de profils conjugués (ou autonettoyants) lorsque la surface de l’une des vis épouse parfaitement la surface de l’autre. Dans ce cas, la matière peut éventuellement passer d’une vis à l’autre à travers la zone d’interpénétration, mais pas d’un côté à l’autre d’un plan passant par les axes des deux vis ; — des vis parallèles ou coniques (uniquement dans les systèmes contrarotatifs) ; — des profils de vis monofilets ou multifilets (nombre de filets hélicoïdaux dans une section perpendiculaire à l’axe des vis). En pratique, on trouve des éléments à un, deux ou trois filets. Pour les systèmes corotatifs, les vis à deux filets sont les plus fréquentes ; — des vis modulaires ou non : une vis modulaire est constituée d’éléments indépendants que l’on peut agencer comme l’on veut le long des axes de vis pour constituer un profil, suivant les fonctionnalités que l’on désire obtenir.

corotative contrarotative contrarotative interpénétrée interpénétrée tangente ++

+

++

Convoyage

0

++

–

Vitesse de rotation

++

0

++

0

++

–

++

+

–

0

++

0

Mélange distributif

++

+

++

Mélange dispersif

++

0

–

Capacité de pompage Caractère autonettoyant Largeur de distribution des temps de séjour

++ : très bon, + : bon, 0 : moyen, – : faible.


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AM 3 653 − 3


EXTRUSION ___________________________________________________________________________________________________________________________

Chambre en C

A

A Coupe A-A

a vis contrarotatives

A

Chenal continu

A

Coupe A-A

b vis corotatives à deux filets

A

A Coupe A-A

Figure 3 – Géométrie, coupe transversale de la zone d’interpénétration et mode d’écoulement pour trois types de vis

c vis corotatives à un filet

1.3 Spécificités du procédé d’extrusion bivis

ceci est également vrai en configuration contrarotative, quelques centimètres suffisent pour passer du granulé solide à une matière totalement fondue. Dans les systèmes corotatifs, la fusion est généralement assurée par un élément restrictif, c’est-à-dire un élément s’opposant à l’écoulement naturel de la matière vers l’aval. Sur la figure 4, il s’agit d’un élément à pas inverse.

Comme pour tous les procédés d’extrusion, la machine est généralement alimentée en produit solide (poudre ou granulé), qui est d’abord convoyé, puis fondu ou plastifié, et qui s’écoule enfin à l’état fondu, avant d’être mis en pression pour passer à travers la filière. On retrouve donc en extrusion bivis les mêmes zones fonctionnelles qu’en extrusion monovis, mais avec certaines particularités.

■ Cela amène à la dernière particularité, surtout vraie pour les machines corotatives modulaires. Il s’agit de la complexité géométrique du profil de vis, liée à la grande variété d’éléments que l’on peut disposer le long des arbres cannelés. Ces éléments, qui sont décrits en détail aux paragraphes 2.1 et 2.2, peuvent se regrouper en deux catégories principales : — les éléments de vis, qui peuvent être à pas direct (convoyeur) ou à pas inverse (restrictif) ; — les éléments de mélange, appelés aussi éléments malaxeurs.

■ Une des premières spécificités est le mode de convoyage des produits solides. À la différence de l’extrusion monovis, où le convoyage se fait sous l’effet des forces de frottement s’exerçant entre les granulés, la vis et le fourreau (cf. article [18]), le transport solide en extrusion bivis a lieu grâce à l’effet de déplacement positif des vis interpénétrées, qui agissent comme une pompe à engrenage. En conséquence, le transport solide peut se faire en l’absence de remplissage complet des chenaux de la vis et la plupart des machines bivis fonctionnent en n’étant que très partiellement remplies. La figure 4 illustre cette situation : sur cette vue prise après arrêt et extraction du fourreau sur une extrudeuse corotative (Clextral BC 45), on observe, en fonction de la géométrie des vis, la succession de zones totalement et partiellement remplies. L’intérêt de ce mode de fonctionnement est qu’il permet un découplage plus ou moins important entre les deux paramètres de réglage de l’extrudeuse que sont la vitesse de rotation des vis N et le débit massique d’alimentation Q m . La modification conjointe de ces deux paramètres permet de jouer sur le taux de remplissage global de l’extrudeuse. En pratique, pour un profil de vis donné, le taux de remplissage est proportionnel au rapport Q m /N.

Des exemples d’élément et de blocs d’éléments malaxeurs sont présentés figure 5 (voir aussi à la figure 10). Il s’agit d’éléments dépourvus d’hélicité, qui ont une section transversale identique à celle des éléments de vis. Ces éléments, qui sont généralement bi- ou trilobes, sont regroupés en blocs, en étant décalés les uns par rapport aux autres d’un certain angle. Le fonctionnement de ces éléments sera explicité au paragraphe 3.1.3.2.

1.4 Géométrie élémentaire du système vis-fourreau Les principaux paramètres décrivant la géométrie d’une vis sont rappelés figure 6a : on appelle De le diamètre externe de la vis (ou diamètre nominal ; il serait égal au diamètre interne du fourreau en l’absence de jeux), D i son diamètre interne (ou diamètre de noyau), H la profondeur du chenal (ou profondeur de filet), W la largeur du

■ Une deuxième spécificité de l’extrusion bivis, visible également sur la figure 4, est la rapidité du mécanisme de fusion. En effet, et

AM 3 653 − 4


ＲＰ


__________________________________________________________________________________________________________________________

Écoulement à l'état fondu

Fusion

Malaxeurs

EXTRUSION

Transport solide

Pas inverse

Figure 4 – État de la matière au sein d’une extrudeuse bivis corotative (documentation CEMEF)

Diamètre nominal

Épaisseur

a élément malaxeur bilobe

b bloc d'éléments malaxeurs bilobes décalés à 90°

c bloc d'éléments malaxeurs trilobes décalés à 30°

chenal, e l’épaisseur du filet, B le pas de l’hélice et ϕ l’angle que fait le filet avec un plan perpendiculaire à l’axe de la vis. Cet angle est tel que :

B tan ϕ = ---------π De

Figure 5 – Élément malaxeur et blocs d’éléments malaxeurs (d’après documentation Clextral)

et sa profondeur par :

De – Di H = -----------------2

(1) Pour des systèmes bivis totalement interpénétrés, d’autres paramètres sont à considérer, ainsi que des relations supplémentaires entre ces paramètres. Ceci est valable aussi bien pour des vis corotatives que contrarotatives. La figure 6b représente une section perpendiculaire à l’axe des vis. On appelle E l’entraxe (distance entre les deux axes parallèles). Pour que le sommet du filet d’une

Pour une vis à n filets, la largeur du chenal est définie par :

B cos ϕ W = -------------------- – e n


ＲＱ

AM 3 653 − 5

ＲＲ

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Lignes d’extrusion en câblerie Câbles. Contrôle qualité. Rentabilité par

Stéphan PUISSANT Maître de Recherche, Groupement d’Intérêt Public Institut Supérieur d’Ingénierie de la Conception GIP InSIC

et

Pierre-Yves BONVIN Chef de produit de ligne de production de câble métallique Maillefer extrusion

1. 1.1 1.2 1.3

Diversité des câbles et des procédés ................................................ Câble de transmission cuivre ..................................................................... Câbles de communication basés sur la fibre optique .............................. Câbles de transmission de puissance .......................................................

2. 2.1

Paramètres de qualité et leurs mesures............................................ Mesure de diamètre, de circularité du fil .................................................. 2.1.1 Faisceau laser, miroir rotatif et optique de collimation................... 2.1.2 Faisceau laser et lentille de collimation............................................ 2.1.3 Faisceau laser et frange de diffraction .............................................. 2.1.4 Mesure des défauts de circularité (d’ovalisation) ............................ Mesure de concentricité ............................................................................. Contrôle de défauts d’isolation .................................................................. Mesure de la capacité (fil de télécommunication).................................... Mesure de l’épaisseur de gainage ............................................................. Analyse des périodicités des mesures ...................................................... 2.6.1 Analyse des mesures en ligne .......................................................... 2.6.2 Analyse de la perte par réflexion pour un câble de télécommunication.............................................................................

— — — — — — — — — — — —

6 8 8 8 8 9 9 9 10 10 11 11

—

11

Calcul économique de rentabilité d’une ligne ................................ Construction du câble ................................................................................. Type et coût de matière utilisée ................................................................. Niveau technologique de la ligne de production...................................... Productivité de la ligne ............................................................................... 3.4.1 Taux de disponibilité .......................................................................... 3.4.2 Taux de performance ......................................................................... 3.4.3 Facteur (ou taux) de qualité ............................................................... 3.4.4 Influence de chacun des trois facteurs sur la productivité de la ligne .....................................................................................................

— — — — — — — —

12 12 13 13 13 13 13 13

—

14

2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

Pour en savoir plus ..........................................................................................

AM 3 640 – 2 — 3 — 3 — 6

Doc. AM 3 642

es conducteurs ou fils de transmission de courant électrique ou de télécommunication, afin de pouvoir être utilisés dans notre environnement doivent être isolé électriquement. Les élastomères ou les matières thermoplastiques qui ont ces propriétés diélectriques vont permettre cette isolation afin d’obtenir le câble final. L’extrusion, quant-à-elle, est un procédé de fabrication de pièces de section droite constante. La mise en forme des matières isolantes des câbles est effectuée dans la majorité des cas à l’aide d’une extrudeuse monovis. L’extrudeuse a pour fonction de plastifier la matière isolante afin de la pousser dans la tête d’extrusion (ou de conformation), pour y déposer l’isolant sur le fil conducteur qui la traverse. Le lecteur est renvoyé aux dossiers [AM 3 650], [AM 3 651] et [AM 3 655] pour plus d’informations.

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L

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

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AM 3 640 − 1


LIGNES D’EXTRUSION EN CÂBLERIE

_______________________________________________________________________________________________________

Cependant, l’extrudeuse seule ne saurait suffire à garantir la qualité du produit. D’autres éléments intervenant le long de la ligne de fabrication ont un rôle important à jouer. En plus du groupe d’extrusion (extrudeuse et tête), on retrouvera, dans toutes les lignes, des dévidoirs, des bacs de refroidissement, des éléments de mesure de diamètre et des bobinoirs. Chaque ligne peut être spécifique à chaque secteur du marché des câbles. Ceux-ci sont traditionnellement le transport d’énergie, les télécommunications par fil de cuivre et les télécommunications par fibre optique. Dans ce premier dossier [AM 3 640], nous présentons les types de câbles et de lignes d’extrusion, le contrôle qualité et la rentabilité d’une ligne. Dans un deuxième dossier [AM 3 641], nous proposons un passage en revue des différents éléments disponibles sur les lignes de câblerie.

1. Diversité des câbles et des procédés

Malgré les différences entre les câbles produits, on peut retrouver les principaux éléments d’une ligne d’extrusion. Ce sont (figure 2) : — le dévidoir ; — le tréfilage et le recuit ;

Dans cette partie, les différentes lignes de produits sont présentées. Dans le principe, la fabrication des câbles suit trois étapes principales :

— l’extrudeuse et la tête d’extrusion ; — les bacs de refroidissement ;

— la fabrication du fil élémentaire en déposant une couche d’isolation sur le conducteur électrique (cuivre) ou sur la fibre ; — l’assemblage des divers fils élémentaires obtenus ; — le gainage de cet ensemble afin d’obtenir le câble final.

— l’entraînement du fil ou du câble ; — le bobinoir. (0)

Sigles des polymères

Trois principales familles de câbles peuvent être considérées. Ce sont les câbles de télécommunication construits à l’aide de fils avec une âme conductrice (transmission des données par signaux électriques), ensuite les câbles de télécommunication construits à l’aide de fibres optiques (transmission des données par signaux optiques), enfin les câbles de transmission de l’énergie électrique.

FR-PP

Les câbles peuvent être très différents selon l’application pour laquelle ils sont destinés.

PBT

FEP HFFR PA PE PEHD

Historique

PP La première extrudeuse (à piston) fut construite par l’anglais Joseph Bramah (1748 à 1814) pour la fabrication de tuyaux de plomb. La gutta-percha, une gomme issue de la sève laiteuse d’un arbre originaire d’Asie du sud-est, fut découverte en 1843 [E 7 550], réf. [28]. Faraday trouve que ce matériau a des qualités isolantes exceptionnelles. Cette matière fut utilisée dès cette date pour les câbles télégraphiques. Néanmoins, l’obtention d’un isolant continu sans couture posait problème à M. Faraday. Il se mit en contact avec son compatriote H. Bewley qui inventa la première ligne d’extrusion en 1845. Ces lignes d’extrusion comprenaient les principaux éléments (figure 1) : extrudeuse, tête de répartition et bac de refroidissement (Trough). Il faut ensuite attendre les années 1930 pour voir apparaître le PVC puis le PE. Ce dernier, de par ses caractéristiques diélectriques exceptionnelles, permit le développement des hautes fréquences et du radar en Angleterre pendant la seconde guerre mondiale. L’utilisation de ces thermoplastiques s’est renforcée constamment depuis cette époque, pour représenter la quasitotalité des isolations.

AM 3 640 − 2

PVC

perfluoro/éthylène/propylène polypropylène retardé à la flamme Halogen Free Flame Retardant polyamide polybutylène téréphtalate polyéthylène polyéthylène haute densité polypropylène polychlorure de vinyle

Figure 1 – Une des premières lignes d’extrusion du milieu du XIXe siècle : image du musée de Porthcuno Telegraph Museum


ＲＴ


_______________________________________________________________________________________________________ LIGNES D’EXTRUSION EN CÂBLERIE

Dévidoir

Bobinoir

Extrudeuse et tête d’extrusion

Tréfilage et recuit (fil) ou assemblage (câble SZ)

Bacs de refroidissement

Entraînement du fil ou câble

Figure 2 – Différentes parties d’une ligne d’extrusion de câble

Figure 3 – Ligne téléphonique pour fil LAN (document Maillefer extrusion)

1.1 Câble de transmission cuivre

Sur la figure 3 est présentée une ligne d’extrusion pour fil LAN.

Ces câbles sont fabriqués pour la transmission de signaux électriques, essentiellement pour la voix et les données.

1.2 Câbles de communication basés sur la fibre optique

Deux familles de câbles existent (tableau 1). La première famille correspond aux câbles de type LAN (Local Area Network ou réseau local) ou téléphoniques qui sont obtenus par assemblage de fils unitaires. La deuxième famille correspondant au câble coaxial (CATV Co Axial Tele Vision) est obtenue par traitements successifs du conducteur : isolation de celui-ci puis blindage et enfin gainage.

On peut différencier divers types de câbles (tableau 2). Principalement, on fait la distinction entre les câbles utilisés pour la partie finale du raccordement, en général à l’intérieur des bâtiments (câbles à gainage serré) et ceux utilisés à l’extérieur (OSP Out Side Plant).


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Lignes d’extrusion en câblerie. Étapes de fabrication par

Stéphan PUISSANT Maître de Recherche GIP InSIC

et

Pierre-Yves BONVIN Chef de produit de ligne de production de câble métallique Maillefer extrusion

1.

Dévidoir ......................................................................................................

2. 2.1 2.2

Conducteur ou fil élémentaire ............................................................. Tréfilage, recuit et préchauffage du conducteur en tandem ................... Assemblage de fils ou fibres élémentaires ...............................................

— — —

2 2 3

3. 3.1 3.2 3.3

Extrudeuse ................................................................................................. Description de l’extrudeuse monovis ........................................................ Extrusion réactive (réticulation) ................................................................. Extrusion moussage....................................................................................

— — — —

3 3 5 9

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Différents types de têtes et filières .................................................. Fonction de la tête d’extrusion ................................................................... Construction de la tête d’extrusion............................................................ Distributeur .................................................................................................. Outillages .....................................................................................................

— — — — —

11 11 12 12 13

5. 5.1

—

14

5.2 5.3 5.4

Refroidissement ....................................................................................... Rapport des termes de convection et de conduction dans le solide dans le sens axial ................................................................................................. Détermination du coefficient de convection dans l’eau ........................... Calcul analytique (fils fins).......................................................................... Calcul aux différences finies .......................................................................

— — — —

15 15 16 16

6.

Entraînement du fil ou du câble ..........................................................

—

16

7. 7.1 7.2 7.3

Bobinage ................................................................................................... Fonction régulation de vitesse ................................................................... Dépose régulière du fil sur la bobine (trancanage) .................................. Fonction de changement de bobine à vitesse de ligne constante (fils fins) ...

— — — —

17 17 18 18


AM 3 641 – 2

Doc. AM 3 642

ans un premier dossier [AM 3 640], nous avons présenté les différents types de câbles et de lignes d’extrusion ainsi que le contrôle qualité et la rentabilité d’une ligne. Dans ce dossier [AM 3 641], nous proposons un passage en revue des différents éléments disponibles sur les lignes de câblerie depuis la préparation du conducteur (dévidoir et tréfilage) jusqu’à l’enroulement sur une bobine.

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(0)

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Sigles des polymères PR

polyéthylène réticulé

PE

polyéthylène

PELD

polyéthylène basse densité

PVDF

poly(fluorure de vinylidène)

PEHD

polyéthylène haute densité

PP

polypropylène

ETFE

tétrafluoroéthylène

PFA

perfluoro alcoxyl alcane

FEP

perfluoro/éthylène/propylène


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AM 3 641 − 1


LIGNES D’EXTRUSION EN CÂBLERIE. _______________________________________________________________________________________________________

1. Dévidoir

2. Conducteur ou fil élémentaire

La matière première, c’est-à-dire les conducteurs élémentaires ou les fils, sont présentés sous forme de bobines ou plus rarement de fils enroulés dans des octabins (cartons octogonaux sur palette dans lesquels on enroule les fils avec un diamètre de 1 m) à l’entrée de la ligne d’extrusion. La première fonction des dévidoirs est de permettre une alimentation continue de la ligne en conducteur, fil ou câble. Selon les applications, on utilise des dévidoirs différents (figure 1).

Deux types de lignes d’extrusion sont utilisées : celles permettant d’obtenir des fils élémentaires en déposant une isolation sur un conducteur élémentaire et celles déposant un gainage sur des fils assemblés entre eux afin d’obtenir un câble. Le conducteur élémentaire peut être constitué d’un seul brin (conducteur plein) ou d’un assemblage de brins élémentaires toronnés pour augmenter la flexibilité du conducteur.

Dans le cas de la fibre optique ou de fils sensibles mécaniquement, chaque dévidoir est constitué d’un axe perpendiculaire au sens de la ligne sur lequel est fixée une bobine. Le fil étant fragile, l’axe est entraîné en rotation par un moteur (en général à courant alternatif), dont la vitesse est réglée par un pantin pneumatique permettant d’assurer une tension constante.

Dans le cas d’un conducteur plein, le tréfilage suivi d’un recuit est souvent effectué en tandem (en ligne) avec la ligne d’isolation. Dans le cas de toronnés, l’assemblage se fait en général dans une opération en amont et parfois en tandem.

Pour la production de câbles de section plus importante, le dévidoir est parfois conique. La bobine est fixe à l’intérieur d’un cône. Le fil sort de ce cône à la défilée, par son extrémité la plus petite. L’avantage de ce système est la possibilité de production en continu à coût réduit.

2.1 Tréfilage, recuit et préchauffage du conducteur en tandem

Pour la production de câbles de grosses sections, la version motorisée avec pantin est à nouveau préférée. L’entraînement du fil est effectué par un cabestan avant l’entrée dans la tête d’extrusion.

Dans le cas de la production de fils, on peut vouloir obtenir des conducteurs de diamètres spécifiés à partir de conducteurs de diamètres plus élevés. Cette étape est appelée l’étape de tréfilage et est suivie de l’étape de recuit. Les lignes sont appelées à ce moment lignes tandem : tréfilage puis isolation. Cette solution est la plus souvent utilisée pour la production de fils élémentaires pour câble de télécommunication mais aussi parfois pour des câbles d’installation.

2.1.1 Tréfilage Le tréfilage d’un conducteur consiste à diminuer le diamètre d’un fil par déformation plastique [M 645] réf. [29], [M 646] réf. [30], [M 660] réf. [31]. Ainsi, pour un câble de télécommunication, le conducteur passera d’un diamètre de 3 mm en entrée de tréfilage jusqu’à 0,32 mm (dépendant du conducteur voulu) en sortie. Le tréfilage est effectué à froid par passes successives dans des filières réduisant la section. Les diminutions de section par filière sont de l’ordre de 20 à 30 %. Chaque diminution de section est compensée par l’augmentation de la vitesse de défilement du fil (due à l’élongation). On peut distinguer deux types de machine utilisées en tandem afin d’obtenir cette vitesse d’entraînement variable (figure 2). Machine multiple continue : le conducteur est entraîné par un tambour différent après chaque passage dans une filière. La vitesse de chaque tambour est donc différente. Cela peut être obtenu mécaniquement par des trains d’engrenage. Le conducteur ne glisse pas par rapport au fil.

a dévidoir pour fibre optique

Machine à cônes : le conducteur passe sur plusieurs poulies assemblées sur un même axe. L’augmentation de vitesse tangentielle obtenue par les diamètres croissants de poulie compense l’accélération due à la diminution de section. Cette solution est la plus utilisée car elle est la plus économique.

2.1.2 Recuit et préchauffage du conducteur À la fin de cette opération de tréfilage, le métal du conducteur est fortement écroui et doit donc être recuit afin d’avoir les caractéristiques suffisantes en terme d’élongation [M 660] réf. [31]. Enfin, il doit être préchauffé à une température suffisante afin d’assurer une meilleure adhérence de l’isolant.

b dévidoir conique double pour fil télécommunication Figure 1 – Dévidoirs (documents Nextrom et Maillefer extrusion)

AM 3 641 − 2


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_______________________________________________________________________________________________________ LIGNES D’EXTRUSION EN CÂBLERIE.

A

B

C

D E

a machine de tréfilage en continu (doc. Niehoff)

Émulsion

Cônes de tréfilage

b principe de machine de glissement (doc. Elektrikisola) Figure 2 – Machines de tréfilage

Figure 3 – Recuit (Photo Niehoff)

Pour recuire le conducteur, il faut le chauffer. À cette fin, il passe entre deux poulies conductrices soumises à une tension électrique (une poulie à la masse, l’autre à une tension donnée). Le courant passant dans le conducteur génère par effet Joule une augmentation de température.

Quant aux assemblages comprenant un nombre plus élevé de fils, ils sont réalisés en général lors d’une étape qui précède la ligne d’extrusion. Cela est explicable par le fait que les vitesses d’assemblage deviennent difficiles à corréler avec les vitesses de ligne d’extrusion.

Les différentes étapes du procédé de recuit sont les suivantes (figure 3) : — préchauffage du fil à ≈180 °C grâce au passage entre deux poulies conductrice A (à la terre) et B (sous tension) ;

3. Extrudeuse

— chauffage du fil à ≈600 °C au sein d’une enceinte sous azote pour éviter l’apparition d’oxydation ; ce chauffage est assuré par le passage de la poulie conductrice B à la poulie C (non visible sur photo, sous le capot, à la terre) ;

L’extrudeuse est un composant essentiel de la ligne de câblerie. Elle peut être utilisée de manière « classique » ou pour de l’extrusion réactive (moussage, réticulation). Lors de son utilisation « classique », elle a pour fonction de convoyer, fondre, homogénéiser et mettre sous pression la matière isolante. Pour les deux procédés d’extrusion particuliers aux câbles que sont le moussage et la réticulation, elle est utilisée aussi comme réacteur chimique. Les raisons pour l’utilisation de ces procédés particuliers tiennent aux caractéristiques spécifiques demandées pour les câbles. Pour la transmission de données, la vitesse de propagation du signal dépend de la constante diélectrique du câble ; pour les câbles de transmission de puissance, une résistance mécanique plus élevée à des températures plus hautes est demandée.

— refroidissement dans de l’eau juste après la poulie C ; — préchauffage du fil à ≈100 °C afin d’assurer une meilleure adhérence du polymère d’isolation sur le cuivre ; ce préchauffage est obtenu par le passage entre deux poulies supplémentaires D et E.

2.2 Assemblage de fils ou fibres élémentaires

3.1 Description de l’extrudeuse monovis

Cet assemblage est effectué sur des fils ou fibres produits sur des installations amont. Un assemblage simple est effectué en torsadant alternativement dans un sens puis dans l’autre un certain nombre de fils. Pour cela il est dénommé SZ (figure 4). Il comprend quelques fils élémentaires et peut être effectué en tandem avec la ligne d’extrusion.

La grande majorité des isolations ou gainages de câbles sont obtenus à partir de granulés de polymère qui sont fondus et ensuite mis en forme par l’intermédiaire d’une extrudeuse à vis et d’une tête d’extrusion (ou filière de conformation).

L’assemblage est obtenu en passant les fils ou fibres dans des tubes dont une extrémité (du côté amont) est fixe, et l’autre a un mouvement de rotation alternatif. L’angle de rotation dans chaque sens peut être réglé en fonction de la demande.

La fonction principale de l’extrudeuse est de plastifier, puis malaxer, et enfin de mettre sous pression le polymère. Cette pression est nécessaire pour faire passer la matière fondue dans la tête d’extrusion.


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AM 3 641 − 3


LIGNES D’EXTRUSION EN CÂBLERIE. _______________________________________________________________________________________________________

Ailettes de refroidissement

a document Nextrom

Guidage de l’air soufflé par les ventilateurs

Collier de chauffe électrique à isolant minéral (mica)

Figure 6 – Corps de chauffe et de refroidissement (photo Maillefer extrusion)

Côté fixe des tubes Entrée des fibres

Côté en rotation des tubes

De plus, dans certains cas, l’extrudeuse a une fonction d’initiation de réaction chimique. Ainsi, lors de l’extrusion moussage chimique (fils de télécommunication) ou dans le cas du greffage des groupes silanes sur les chaînes de polyéthylène (extrusion type Monosil), la partie finale de la vis doit aussi jouer le rôle de réacteur chimique. Diverses zones de pompage alternées de zones de mélange sont ainsi utilisées. Elles sont toujours positionnées après la zone de fusion.

b Figure 4 – Assemblage de fibres élémentaires

Zone Zone d’alimentation de fusion

Zone de pompage et de mélange

Le fourreau (ou le cylindre) dans lequel la vis tourne est régulé en température (figure 6). On utilise le plus souvent des colliers de résistances électriques entourant le diamètre extérieur du fourreau afin d’assurer la fonction de chauffage. À ces résistances, on ajoute des lamelles ou ailettes de métaux thermiquement conducteurs (cuivre, aluminium, etc.). Ces lamelles sont en contact avec la surface extérieure du cylindre et elles sont disposées radialement par rapport à celui-ci. Elles permettent d’assurer la fonction de refroidissement sous l’action de l’air pulsé par les ventilateurs. Lors de l’extrusion de polymères qui doivent être ensuite réticulés, en particulier pour les câbles d’énergie haute tension, on peut trouver une régulation du fourreau par l’intermédiaire d’un fluide (huile ou eau). Ce point peut être justifié lors de l’extrusion de matière de type silicone ou caoutchouc pour lesquelles les températures de mise en œuvre sont basses. Le coefficient de transmission thermique d’un liquide est supérieur à celui de l’air. L’utilisation d’un liquide permet ainsi d’évacuer la chaleur de dissipation même à des températures de mise en œuvre réduites.

Figure 5 – Différentes zones de l’extrudeuse (dessin Maillefer extrusion)

Afin de réaliser ce procédé de manière continue, on utilise une vis tournant à l’intérieur d’un fourreau (ou cylindre). On caractérise une vis et son cylindre par le rapport de sa longueur active sur son diamètre (L/D). La vis est en général subdivisée en tronçons de fonctionnalités différentes (figure 5) :

Le diamètre de l’extrudeuse dépend du débit de matière demandé et peut varier de 20 mm (stries sur isolation) à 250 mm (isolation de câble haute tension). La longueur de l’extrudeuse est exprimée en multiple du diamètre. Elle est aujourd’hui, pour les applications courantes de 22 à 24 fois le diamètre. Néanmoins, dans le cas des extrusions réactives telles que pour le moussage ou la production de PE réticulé, la longueur peut atteindre couramment 30, voire parfois 38 fois le diamètre.

— zone d’alimentation : elle sert à alimenter et compacter les granulés encore froids ; — zone de plastification : cette zone sert à plastifier (fondre) le polymère ; — zone de pompage : elle sert à générer la pression nécessaire pour le passage de la matière dans l’outillage de conformation ; — zone de mélange : dans certains cas, il est nécessaire de mélanger des colorants ou des principes chimiquement actifs de manière homogène dans la matière ; à cette fin, des parties mélangeuses peuvent être ajoutées.

AM 3 641 − 4

De plus amples informations sur l’extrudeuse peuvent être obtenues dans [1], [2], [3] et dans les dossiers [AM 3 650] réf. [32] et [AM 3 651] réf. [33].


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Lignes d’extrusion de tubes Étapes de fabrication

par

Stéphan PUISSANT Enseignant-chercheur, GIP InSic

1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Divers tubes et procédés de production ........................................... Tubes d’adduction d’eau et de gaz ............................................................. Tuyaux de distribution d’eau ...................................................................... Tuyaux d’évacuation et de drainage .......................................................... Tubes de chauffage par le sol ..................................................................... Tuyaux d’irrigation....................................................................................... Tuyaux médicaux......................................................................................... Tuyaux techniques (sous haute pression) .................................................

2. 2.1 2.2

Étapes d’une ligne de tube standard .................................................. Systèmes de dosage de la matière première ............................................ Extrudeuse.................................................................................................... 2.2.1 Extrudeuse bivis contrarotative ......................................................... 2.2.2 Extrudeuse monovis ........................................................................... 2.2.3 Extrudeuse bivis corotative ................................................................ Pompe de lissage (à engrenages)............................................................... Tête d’extrusion ........................................................................................... 2.4.1 Distributeur .......................................................................................... 2.4.2 Outillage............................................................................................... Calibrage....................................................................................................... Refroidissement ........................................................................................... 2.6.1 Rapport des termes de convection et de conduction dans le solide dans le sens axial ......................................................................................... 2.6.2 Détermination du coefficient de convection thermique dans l’eau...................................................................................................... 2.6.3 Calcul analytique (parois de tubes fines et immersion) .................. 2.6.4 Calcul aux différences finies d’un tube en PE d’épaisseur de paroi supérieure à 0,8 mm .................................................................................... Tirage ............................................................................................................ Contrôles et mesures ................................................................................... Conditionnement .........................................................................................

2.3 2.4

2.5 2.6

2.7 2.8 2.9

AM 3 642 - 2 — 3 — 3 — 5 — 5 — 6 — 6 — 7 — — — — — — — — — — — —

7 7 8 8 8 9 10 10 10 13 14 15

—

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— —

17 17

— — — —

18 19 19 19

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. AM 3 643

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es tuyaux ont servi depuis longtemps à transporter les fluides. L’arrivée des matières plastiques a permis de réaliser des tuyaux dont les caractéristiques mécaniques (module d’Young ou contrainte à la rupture) sont certes plus faibles que pour la fonte ou le béton, mais leur caractère viscoplastique (fluage) permet, sous une déformation constante, d’avoir une contrainte qui diminue avec le temps, voire s’annule. Cette caractéristique est


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très importante pour les tuyaux d’évacuation et de distribution (utilisés dans les réseaux urbains) qui sont enterrés et subissent des déformations importantes dues à l’enfouissement. Leur résistance à la pression interne du fluide n’est donc pas diminuée s’ils sont déformés, contrairement aux tuyaux en acier ou fonte qui subissent une rupture de type fragile en cas de déformation trop importante. L’utilisation de polymères résistant aux hautes températures a étendu l’utilisation des matériaux polymères à la distribution d’eau chaude dans la maison, pour le sanitaire ou le chauffage. Souplesse, facilité de mise en œuvre et neutralité chimique des matières plastiques sont aussi utiles lors de la production de cathéter pour le domaine médical. Enfin, cette souplesse, associée à la résistance mécanique d’une armature métallique tressée, permet la fabrication de tuyaux techniques résistant aux hautes pressions (tuyaux hydrauliques et tuyaux ombilicaux de plate-forme pétrolière). Cela explique que dans le monde, actuellement, plus de la moitié des tuyaux (59 %) soient fabriqués en thermoplastiques et que leur progression annuelle, sur la période 2002-2006 est de 4,8 % (contre 3,1 % pour les autres matériaux, cf. [Doc. AM 3 643]). Tous ces tuyaux sont fabriqués par extrusion (monovis ou bivis), qui est un procédé de fabrication de pièces de section droite constante. Quelle que soit l’extrudeuse, sa fonction est de plastifier la matière afin de la pousser dans la tête d’extrusion (ou de conformation). Pour plus d’information, le lecteur est renvoyé aux dossiers : – « Extrusion – Extrusion monovis » [AM 3 650] et [AM 3 651] ; – « Extrusion – Procédés d’extrusion bivis » [AM 3 653]. Cependant, l’extrudeuse seule ne saurait suffire à garantir la qualité du produit. D’autres éléments intervenant le long de la ligne de fabrication ont un rôle important à jouer. En plus du groupe d’extrusion (extrudeuse et tête), on retrouve dans toutes les lignes des dispositifs de dosage, des bacs de refroidissement, des éléments de mesure de diamètre et des bobinoirs (stockage en bobine pour des tuyaux de faible diamètre) ou des scies (stockage en segment de longueurs fixes). Par contre, la spécificité de chaque ligne peut être reliée aux différents segments de marché des tubes (adduction d’eau, évacuation, distribution, médical, tuyau technique). Dans la présentation qui suit, nous proposons de passer en revue différents éléments disponibles sur les lignes de tubes depuis la préparation de la matière première (dosage) jusqu’à l’enroulement sur une bobine ou la découpe par éléments de longueur constante. Dans une deuxième partie, dossier [AM 3 643], nous abordons les procédés spécifiques.

1. Divers tubes et procédés de production

On peut décomposer les tubes ou tuyaux en cinq grandes familles : – la première concerne les tuyaux d’adduction d’eau (application initiale) et de gaz pour les réseaux urbains ; – ensuite, les tuyaux de distribution assurent, ainsi que leur nom l’indique, la distribution d’eau ou de gaz dans les habitations ; – ensuite, les fonctions d’évacuation des eaux usées sont regroupées avec le drainage ; – les tubes médicaux sont aussi une application particulière ; – enfin, les tuyaux techniques sont constitués de plusieurs couches.

La fabrication de tuyaux ou tubes peut être décrite par quatre grandes étapes : – le dosage des différents éléments de la matière première ; – la plastification de la matière première et le mélange ; – la conformation de cette matière afin d’obtenir un tube ou tuyau ; – le calibrage et refroidissement de ce tube ou tuyau ; – le stockage sous forme de bobine pour les petits diamètres, sinon la découpe à longueur fixe.

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Les spécifications différentes selon l’application donnent des tubes ou tuyaux différents.

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I.

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– l’entraînement du tube ; – le système de conditionnement qui est soit un bobinoir (tuyaux de petits diamètres) ou encore une scie (tuyaux de diamètres importants) suivie d’une table d’empilage des divers tubes.

Aperçu historique La fabrication de tuyaux de plomb utilisait une extrudeuse à piston (Joseph Bramah 1748-1814). Les premiers tuyaux en polymères ont été produits en Allemagne en 1935 [1]). Ce furent les premières applications du polychlorure de vinyle (PVC) qui venait d’être découvert. Ces tuyaux ont été obtenus en calandrant la matière première appelée dryblend (poudre de PVC avec des plastifiants et des stabilisants) à 160 oC pour obtenir un pain de matière plastifiée de 160 mm de diamètre et 500 mm de longueur. Ce pain était ensuite disposé manuellement dans le cylindre d’une presse à piston (elle aussi chauffée à 60 oC). Le matériau était pressé dans un conformateur à 230 oC et refroidi à l’air sur un chemin de galets. Afin d’obtenir un procédé continu, une extrudeuse monovis se développa en 1942 pour être mise en production en 1945. La machine était alimentée en granulés de PVC. Quelques années plus tard, les extrudeuses bivis contra rotatives ont permis de travailler directement le dryblend. Les premiers tubes en polyéthylène haute densité (PEHD) furent produits en 1955. Il est intéressant de noter que certains des premiers tuyaux en PVC fabriqués en 1935 furent testés en 1995, après 60 ans de service. Ils ont montré des caractéristiques techniques tout à fait semblables aux tuyaux produits actuellement.

Les marchés principaux des tuyaux sont donnés dans le tableau 1.

1.1 Tubes d’adduction d’eau et de gaz Ce sont les premiers à avoir été réalisés. Ils servent à construire les réseaux d’eau et de gaz en agglomération. Ces tuyaux doivent donc résister à la pression et être chimiquement neutres afin de ne pas avoir d’influence sur l’eau convoyée. La durée de vie demandée est de plus de 50 ans et les matériaux couramment utilisés sont le PVC-U (pour PVC Unplastified, mais qui est plutôt du PVC faiblement plastifié) et le PEHD. La découverte du PVC en 1935 a permis le développement de ce type de produit. La ligne d’extrusion comporte les éléments décrits (figure 1). Cependant, la mise en œuvre de PVC-U implique l’utilisation d’extrudeuses bivis contrarotatives interpénétrées.

1.2 Tuyaux de distribution d’eau Ils sont classiquement utilisés à l’intérieur des bâtiments pour distribuer l’eau froide et chaude (sanitaire et chauffage au sol), en remplacement des tuyaux en cuivre, plus coûteux. La température de l’eau pouvant être plus élevée que pour les réseaux d’adduction d’eau, il est courant d’utiliser du PP polypropylène, du PE haute résistance thermique PERT (à température de fusion plus élevée) ou du PER (PE réticulé). Dans le cas de tuyau monocouche, la ligne d’extrusion est similaire à celle présentée (figure 1). L’extrudeuse est en général monovis (extrusion de polyoléfines).

Une ligne de tube générique est constituée des mêmes éléments, quel que soit le tuyau produit (figure 1). Ce sont : – le système d’alimentation et de pesage de la matière première ; – l’extrudeuse et la tête d’extrusion ; – le bac de calibrage (en général, sous vide) ; – le bac de refroidissement ;

Les tuyaux multicouches (afin d’associer les caractéristiques des différents matériaux) sont aussi parfois utilisés (voir § 1.4).

Alimentation en matière première Bac de refroidissement Entraînement du tube

Extrudeuse et tête d'extrusion

Contrôle et mesure dimensionnelle (diamètre, épaisseur)

Découpe longueur

Bac de calibrage

Figure 1 – Différentes parties d’une ligne d’extrusion de tube (Doc. American Maplan)


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Tableau 1 – Marchés principaux de tuyaux et descriptif Marché

Application

Figure

Polymère

Structure et dimension

Travaux publics, Infrastructure

Tube « pression » pour distribution d’eau ou de gaz

PE haute résistance thermique (PERT)

Monocouche : avec stries. Diamètre : 16 à 160 mm. Épaisseur : 2 à 12 mm.

Bâtiment (sanitaire)

Distribution d’eau potable

PE réticulé (PER), Polybutylène (PB)

Monocouche : PERT, PER ou PB. Diamètre extérieur : 14 à 32 mm. Épaisseur : 2 à 2,5 mm.

Bâtiment Travaux publics

Évacuation Drainage Irrigation Conduite pour fil de transmission télécommunication

PE, Polypropylène (PP), PVC non plastifié (PVC-U)

Monocouche ; bicouches (lisse en interne, externe annelée) ; tricouches (interne et externe lisse, intermédiaire annelée ou moussée). Diamètre extérieur : de l’ordre du mètre. Épaisseur : 15 à 30 mm.

Bâtiment

Échangeur de chaleur Chauffage par le sol

PE haute densité (PEHD) PE réticulé (PER) Polyéthylène alcool vinylique (EVOH)

PE-liant-aluminium-liant-PE, PE-liant-EVOH-liant-PE. Diamètre extérieur : 10 à 30 mm.

Agriculture

Irrigation

PE

Monocouche. Perçages réguliers. Introduction à intervalle régulier de goutteurs.

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Tableau 1 – Marchés principaux de tuyaux et descriptif (suite) Marché

Application

Figure

Polymère

Structure et dimension

Médical

Cathéter

PVC souple

Monocouche. Diamètre : quelques mm.

Construction mécanique, Exploitation pétrolière

Transmission de pression hydraulique Transport de pétrole

Caoutchouc, Élastomère synthétique (SBR) Polyamides 11 et 12 (PA 11 et 12)

Tricouches : élastomère en externe et interne, tresse métallique entre deux. Diamètre : • ≈ 10 à 30 mm pour le tuyau hydraulique ; • ≈ 1 m pour le tuyau ombilical (pétrole).

1.3 Tuyaux d’évacuation et de drainage

1.4 Tubes de chauffage par le sol

Les fonctions d’évacuation et de drainage des eaux usées et pluviales sont assurées par des tuyaux en PP, PE, PVC-U. Ces tuyaux doivent avoir une résistance mécanique suffisante pour résister à l’enfouissement. La résistance à l’abrasion est aussi nécessaire car les eaux usées peuvent transporter des particules abrasives (sable, par exemple). La résistance mécanique est souvent obtenue en utilisant des tuyaux multicouches (paroi interne lisse et paroi externe annelée ou corruguée cf. figure 2, ou un sandwich constitué de parois externes pleines et d’une couche intermédiaire expansée). Les tuyaux à parois externes annelées (ou corruguées) sont utilisés très couramment et permettent par rapport à des tuyaux à parois pleines : – d’obtenir une résistance mécanique supérieure pour un poids linéaire identique ; – de nécessiter à résistance mécanique égale à une quantité de matière plus faible, donc plus d’économies et de facilité de transport.

Souvent une feuille d’aluminium ou une couche d’EVOH (matériau barrière à l’oxygène) est prise en sandwich entre deux couches de PEHD, PP-R (pour PP Random ou copolymère statistique de PP) ou de PER. On parle de tubes composites lorsque chaque couche interne ou externe est liée à l’aluminium par l’intermédiaire d’une couche de liant. Les tubes dont la couche centrale est de l’EVOH sont appelés tubes multicouches. Les tubes pour le chauffage par le sol composites ou multicouches sont donc souvent composés de 5 couches (polymère-liant-aluminium-liant-polymère ou polymère-liant-EVOH-liant-polymère). Les qualités des tubes multicouches sont leur bonne résistance aux attaques chimiques, leur bonne flexibilité, leur résistance à l’abrasion, leur faible coefficient de frottement, ainsi que leurs propriétés barrières à l’oxygène (grâce à l’EVOH). Dans le cas de l’emploi d’une feuille d’aluminium (figure 3), les qualités recherchées sont celles des métaux, soient leur solidité, malléabilité et capacité à empêcher le passage des gaz. De plus, l’ajout d’une feuille d’aluminium au tuyau polymère permet d’augmenter la rigidité de l’ensemble et de diminuer la dilatation thermique. En effet, les tubes sont noyés dans le béton et le déplacement dû à la dilatation est maximal au niveau des raccords entre tubes. Une dilatation trop importante peut amener à des fuites d’eau.

Tuyau corrugué

Masse linéique du tuyau (kg/m)

La couche interne est lisse afin de favoriser les écoulements de fluides.

Couche externe : PE 100 % Couche adhésive : liant 60 % 50 % 40 %

rmédiaire : aluminium : liant

Tuyau corrugué

Paroi pleine

Figure 2 – Exemple de tuyau corrugué et avantage par rapport à un tuyau à paroi pleine de même résistance mécanique (doc. Unicor)

Figure 3 – Exemple de tube composite (doc. Nexans)


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Lignes d’extrusion de tubes Proce´de´s spećiaux par

Ste´phan PUISSANT Enseignant-chercheur, GIP InSIC

1.3

Re´ticulation...................................................................................... Re´ticulation a` l’aide de peroxyde (PER-a) ......................................... 1.1.1 Mise en forme du PER-a .......................................................... 1.1.2 Reáction de re´ticulation........................................................... Re´ticulation a` l’aide de silane (PER-b) ............................................... 1.2.1 Proce´de´s de greffage a` l’aide de silane .................................. 1.2.2 Re´ticulation (apre`s greffage) ................................................... 1.2.3 Comparaison des solutions techniques pour le PER-b .......... Re´ticulations a` l’aide de rayons X (PER-c) ........................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Expansion (mousse alveólaire) ..................................................... Ame´lioration des caracte´ristiques des tuyaux .................................. Principe de base ................................................................................. Proce´de´ d’expansion chimique .......................................................... Proce´de´ d’expansion physique .......................................................... Comparaison des proce´de´s d’expansion chimique et physique ......

— — — — — —

4 4 4 4 4 5

3.

Formation de tubes corrugue´s .....................................................

—

5

4.

Formation de tubes composites...................................................

—

6

5.

Fabrication de tubes pour irrigation ...........................................

—

7

6.

De´fauts courants de fabrication. Causes et reme`des .............

—

8

1. 1.1

1.2

Pour en savoir plus..................................................................................

AM 3 643 – 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 3 — 4

Doc. AM 3 643

pre`s une pre´sentation, dans le dossier preće´dent [AM 3 642], des e´le´ments principaux communs aux lignes d’extrusion standard, les spećificite´s des lignes particulie`res sont abordeés dans ce dossier [AM 3 643]. Les raisons d’utilisation de proce´de´s particuliers tiennent aux caracte´ristiques spećifiques demandeés pour les tubes. Par exemple, pour les tuyaux d’installation (distribution d’eau chaude ou froide a` l’inte´rieur des baˆtiments), et particulie`rement les tuyaux de chauffage au sol, la re´ticulation permet d’obtenir une re´sistance mećanique plus importante a` des tempe´ratures plus hautes. De plus, la re´sistance mećanique des tuyaux e´tant en effet principalement de´pendante des parois externes, l’utilisation d’une couche expanseé ou corrugueé (tuyau a` surface onduleé) permet d’avoir un produit plus le´ger et nećessitant moins de matie`re premie`re. Enfin, l’utilisation de tubes coextrude´s (constitue´s de plusieurs couches) permet d’associer les qualite´s des diffe´rents mate´riaux.

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＴＳ LIGNES D’EXTRUSION DE TUBES –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1. Re´ticulation

1.1.2 Reáction de re´ticulation La reáction de re´ticulation est obtenue en amenant de l’eńergie sous forme de chaleur en sortie de filie`re soit graˆce a` l’irradiation par rayonnement infrarouge, soit en utilisant des bacs ou tubes chauffe´s. La reáction de re´ticulation est identique a` celle dećrite en [AM 3 641] pour les lignes de caˆblerie.

Le polye´thyle`ne re´ticule´ PER (PEX en anglais pour PE crosslinked) permet d’obtenir une meilleure re´sistance mećanique a` des tempe´ratures e´leveés. L’extrusion reáctive concerne principalement la fabrication de tuyaux d’eau chaude pour le chauffage.

Le proce´de´ par rayonnement infrarouge est utilise´ le plus souvent (figure 1) et a d’abord e´te´ propose´ en 1980 (brevet USA, 234,624) ; il est aujourd’hui commercialise´ sous le nom IRPEXA [8]. L’avantage du PER-a par rapport au PER-b est que les tubes e´tant re´ticule´s en ligne, cela induit un gain de temps.

Les extrudeuses sont utiliseés comme reácteur chimique. Note : pour des informations supple´mentaires, le lecteur est invite´ a` se re´fe´rer aux dossiers Proce´de´s d’extrusion reáctives [AM 3 654] et Modifications physico-chimiques des plastiques par ionisation [AM 3 039].

La re´ticulation qui correspond a` un pontage entre chaıˆnes macromolećulaires, peut eˆtre obtenue par diffe´rents moyens regroupe´s en trois grandes familles (que l’on retrouve pour l’extrusion d’autres produits) : – la premie`re famille (PER-a) correspond a` la re´ticulation a` l’aide de peroxyde. Dans ce cas, la re´ticulation correspond a` un pontage direct entre deux atomes de carbone de deux chaıˆnes macro molećulaires voisines ; – la deuxie`me famille (PER-b) correspond a` la re´ticulation a` l’aide de silane. Dans ce cas, le pontage entre deux atomes de carbone de chaıˆnes molećulaires voisines se fait par l’interme´diaire de deux groupes silanes greffe´s sur chaque chaıˆne et relie´s entre eux par un atome d’oxyge`ne ; – la troisie`me famille (PER-c) correspond a` l’irradiation par des rayonnements ionisants (pour plus d’information sur ce proce´de´ voir [AM 3 039]). Dans ce dernier cas, la liaison entre deux atomes de carbone de deux chaıˆnes est direct.

1.2 Re´ticulation a` l’aide de silane (PER-b) Pour cette famille de proce´de´s [9] [10], une e´tape interme´diaire de greffage d’une molećule du groupe silane sur la chaıˆne polyme´rique est effectueé. Selon le type de proce´de´, cette reáction de greffage peut avoir lieu : – dans l’extrudeuse et la teˆte (tempe´rature des zones finales de l’extrudeuse de l’ordre de 220 C) ; – dans le reácteur chimique, avant de proce´der a` la re´ticulation. La re´ticulation est effectueé apre`s l’e´tape d’extrusion en e´tuve en chaleur humide a` 100 C, ou dans une piscine d’eau chauffeé a` 80 C, en faisant parfois passer de l’eau chaude a` l’inte´rieur du tuyau pour e´liminer les re´sidus de reáction. Il est a` souligner que seule la reáction de greffage peut avoir lieu dans l’extrudeuse ou la teˆte, mais surtout pas la reáction de re´ticulation, car comme pour le proce´de´ par peroxydes, la matie`re re´ticuleé n’ayant plus aucune plasticite´, on risque le blocage de cette machine.

1.1 Re´ticulation a` l’aide de peroxyde (PER-a)

L’avantage principal de ce type de proce´de´ re´side dans l’utilisation d’installations beaucoup moins lourdes. Ainsi n’y a-t-il pas besoin de tube ou de four de re´ticulation, ce qui implique un besoin de place moindre pour la ligne qui est standard. Par contre, il est nećessaire d’avoir un e´quipement supple´mentaire (e´tuve ou piscine d’eau chauffeé) pour l’e´tape de re´ticulation.

Ce type de re´ticulation a d’abord e´te´ utilise´ dans l’extrusion par piston (proce´de´ Engel). L’utilisation d’extrudeuse monovis est possible. Mais une extrudeuse bivis contrarotative permet de mieux me´langer le peroxyde liquide avec le polye´thyle`ne que l’extrudeuse monovis, tout en ayant une distribution de temps de se´jour bien plus e´troite que l’extrudeuse bivis corotative.

Un autre avantage est que la re´ticulation par silane e´tant moins sensible que le proce´de´ par peroxyde a` la tempe´rature, on utilise couramment des extrudeuses monovis (L/D = 24 ou 30, selon le type de proce´de´) avec des syste`mes de re´gulation thermiques simples. Le chauffage est e´lectrique et le refroidissement est assure´ par des ventilateurs. Cela est explicable par le fait que les groupes silane choisis de´marrent la reáction de re´ticulation pour des tempe´ratures et temps de se´jours plus e´leve´s que ceux observe´s couramment dans les extrudeuses pour PE (en fonctionnement normal). Par contre, un arreˆt intempestif sans refroidissement et vidange pre´liminaire de la machine peut entraıˆner la re´ticulation de la matie`re.

La re´ticulation est obtenue suite a` la dećomposition des peroxydes que l’on a ajoute´s au PE. Il faut donc choisir soigneusement le type de peroxyde et les parame`tres d’extrusion afin que cette reáction n’ait pas lieu au sein de l’extrudeuse. Un polyme`re greffe´ n’ayant plus le comportement visqueux d’un thermoplastique bloquerait la machine. La reáction en jeu permet d’obtenir une liaison directe entre deux atomes de carbone de deux chaıˆnes molećulaires adjacentes. Pour cela, on utilise des peroxydes organiques dont la dećomposition en pre´sence de chaleur donne des groupements reáctifs qui captent les ions hydroge`nes (ions positifs) des chaıˆnes de polyme`res. Ce manque d’hydroge`ne sur deux atomes de carbone de deux chaıˆnes adjacentes me`ne a` une liaison entre ces deux atomes de carbone. Cette reáction a de´ja` e´te´ dećrite dans le dossier [AM 3 641] Lignes d’extrusion en caˆblerie. Etapes de fabrication.

On peut diffe´rencier trois principaux proce´de´s selon la façon de reáliser le greffage, de´ja` dećrits dans le dossier [AM 3 641] sur les e´tapes de fabrication en caˆblerie. Ce sont : – le proce´de´ en deux e´tapes (Sioplas) ; – le proce´de´ en une e´tape (Monosil ou encore Spherisil) ; – le proce´de´ utilisant le greffage dans le reácteur chimique avant la granulation (Visico).

1.1.1 Mise en forme du PER-a

1.2.1 Proce´de´s de greffage a` l’aide de silane

L’e´tape de la mise en forme dans la teˆte d’extrusion demande une matie`re homoge`ne, a` une tempe´rature ne de´passant pas 136 C, ce qui est tre`s infe´rieur aux tempe´ratures habituelles d’extrusion du PE. Ce point explique pourquoi la majorite´ des lignes pour tuyaux de chauffage au sol utilisent des vis coniques qui tournent avec des vitesses de rotation faibles, afin de limiter l’augmentation de tempe´rature causeé par l’effet de dissipation visqueuse. Il est aussi primordial d’e´viter tout point de stagnation de la matie`re (emploi de bivis contrarotatives interpeńe´treés). Enfin, l’utilisation de bivis coniques permet de diminuer le temps de se´jour de la matie`re fondue (diame`tre de fin de vis infe´rieur au diame`tre d’entreé).

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Ces proce´de´s consistent a` effectuer le greffage lors de la mise en forme. Afin d’obtenir ce greffage, on ajoute du peroxyde et des catalyseurs, ainsi que du silane en plus du polye´thyle`ne dans la tre´mie. Le proce´de´ Monosil en une e´tape a e´te´ de´veloppe´ conjointement par Maillefer et BICC dans les anneés 1970. Le proce´de´ Spherisil est plus rećent (de´veloppe´ par SILON). L’ajout du compose´ comprenant le silane, le peroxyde et les catalyseurs se fait soit sous forme liquide dans la tre´mie pour le Monosil, ou sous forme de granule´s microporeux de PE dont les pores ont absorbe´ ce liquide pour le Spherisil.


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Four à rayonnements infrarouge

Chenille de tirage

Bobinoir

Bac de refroidissement

Extrudeuse

Mesure de diamètre

Dosage de silane

Figure 1 – Ligne de re´ticulation par infrarouge (doc. iNOEX )

Les types de silane et de catalyseur choisis permettent d’assurer que pour les tempe´ratures standard de mise en œuvre, seule la reáction de greffage ait lieu. La reáction de re´ticulation est initieé ensuite par la pre´sence de molećules d’eau et la tempe´rature.

Tableau 1 – Comparaison des diffe´rents proce´de´s de re´ticulation par silane Type de proce´de´

Dans le proce´de´ en deux e´tapes (mis au point sous le nom de Sioplas), le greffage des groupes silane est effectue´ dans une premie`re extrudeuse qui permet d’obtenir des granule´s de matie`re pre´ greffeé. Cette matie`re doit ensuite eˆtre mise en forme par une deuxie`me extrudeuse, chez le transformateur. Le type de groupe silane utilise´ permet d’assurer que la reáction de re´ticulation n’ait pas lieu pour les temps de se´jours et les tempe´ratures observeés couramment dans les extrudeuses pour PE. Enfin durant les anneés 1980 est apparue la copolyme´risation au silane, qui consiste a` effectuer l’e´tape de greffage dans le reácteur de polyme´risation, chez le fournisseur de matie`re (proce´de´s VisicoAmbicat, Linklon-X, Si-Link). Le granule´ de matie`re greffeé est ensuite mis en forme par une extrudeuse, en ajoutant un catalyseur qui initie la reáction de re´ticulation en pre´sence de molećules d’eau.

Changement de PE

Installation spećifique

Stockage granule´

Une e´tape

++

-

++

Deux e´tapes

--

++

--

Copolyme`re silane/PE

--

++

-

greffe´s, ce qui se fait en plaçant les bobines produites preće´demment (greffage) dans des e´tuves humides a` haute tempe´rature.

1.2.3 Comparaison des solutions techniques pour le PER-b

1.2.2 Re´ticulation (apre`s greffage)

Dans le tableau 1 sont re´sume´s les principaux points diffe´renciant les trois types de proce´de´s de re´ticulation par silane. Les solutions en deux e´tapes (Sioplas) et par copolyme`re e´thyle`ne/ silane permettent d’utiliser des extrudeuses standard pour PE, alors que l’extrudeuse pour le proce´de´ en une e´tape nećessite une vis spećiale. La diffe´rence la plus importante porte sur la longueur qui est L/D = 30 alors que pour une extrudeuse standard, L/D = 24.

Les trois proce´de´s sont identiques en ce qui concerne la re´ticulation. Mais les proce´de´s en une e´tape (Monosil, Spherisil, Fairsil, Rosico, Dry silane) ou ceux en deux e´tapes (Sioplas) de´butent par un greffage effectue´ pendant l’extrusion, contrairement au proce´de´ de copolyme´risation dans les reácteurs. Dans tous les cas, on obtient donc des tuyaux constitue´s de mate´riau greffe´. La reáction de re´ticulation est identique dans les trois proce´de´s cite´s preće´demment et s’effectue en pre´sence d’humidite´ a` l’aide d’un catalyseur. La vitesse de cette re´ticulation est ge´reé par la vitesse de diffusion de l’eau a` la tempe´rature choisie. Concre`tement, on effectue cette re´ticulation en amenant de l’eńergie aux produits

Par contre, le proce´de´ en une e´tape permet d’utiliser des grades de PE diffe´rents. Il faut neánmoins changer les proportions de catalyseur, peroxyde et silane en fonction du grade de PE choisi.


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Extrusion de feuilles – plaques par

Francis PINSOLLE Ingeńieur ENSEM (Ećole nationale supe´rieure d’e´lectricite´ et de mećanique de Nancy) Master of Sciences de l’Universite´ de Philadelphie (U of P) IAE (Institut d’administration des entreprises d’Aix-en-Provence)

1.

Marche´s.............................................................................................

AM 3 644 – 2

2.

Ligne d’extrusion ............................................................................

—

3

3.

Alimentation matie`res ...................................................................

—

3

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Extrusion........................................................................................... Extrudeuse .......................................................................................... Homogeńeísation ............................................................................... Vis barrie`re ......................................................................................... Dispositifs me´langeurs.......................................................................

— — — — —

4 4 5 7 7

5.

Changeur de filtres .........................................................................

—

9

6.

Pompe a` engrenage ........................................................................

—

9

7.

Me´langeur statique.........................................................................

—

10

8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Filie`re de pre´forme ......................................................................... Canal d’alimentation .......................................................................... Canal de re´partition et zone triangulaire (preland) ........................... Proble´matiques de re´glages d’e´paisseur et de largeur .................... Pre´re´glages ......................................................................................... Re´glages d’e´paisseur ......................................................................... Synthe`se .............................................................................................

— — — — — — —

10 11 11 11 11 13 14

9. 9.1 9.2 9.3

Calandre-tirage ................................................................................ Polissage-Calandrage ......................................................................... Convoyage .......................................................................................... Tirage ..................................................................................................

— — — —

15 15 20 20

10. Dećoupe ............................................................................................

—

20

Jauges de mesure d’e´paisseur .....................................................

—

21

11.

12. Dećoupe empileur ...........................................................................

—

22

13. Lamination........................................................................................

—

22

14. Bobinoirs...........................................................................................

—

22

15. Thermoformage en ligne ...............................................................

—

22

16. 16.1 16.2 16.3

Controˆle Qualite´ – SPC – Gestion de la Qualite´ ........................ Controˆle Qualite´ ................................................................................. Maıˆtrise du proce´de´ SPC.................................................................... Gestion de la qualite´ ..........................................................................

— — — —

23 21 21 23

17.

Notions de couˆts de production ..................................................

—

24


Doc. AM 3 644

euille ou Plaque ? La frontie`re entre ces deux produits est plutoˆt informelle ; elle correspond a` une valeur d’e´paisseur comprise entre 1,5 et 2,5 mm, c’est-a`-dire a` la valeur limite au-dela` de laquelle le produit extrude´ ne peut plus eˆtre enroule´. Pour autant, une feuille n’est pas exclusivement livreé en bobine mais peut aussi eˆtre livreé en format a` plat, alors qu’une plaque est toujours livreé en

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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＴＴ EXTRUSION DE FEUILLES – PLAQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

format a` plat. Toutefois, les dimensions longueur-largeur d’une feuille livreé en format a` plat sont geńe´ralement infe´rieures a` celles correspondant au format plaque. D’une façon geńe´rale, feuilles et plaques sont livreés dans des dimensions qui de´pendent de l’application finale, puisque ce sont des produits interme´diaires qui vont donner lieu a` une nouvelle transformation. Les bobines sont toujours destineés au thermoformage ; leur taille, qui de´pend des machines de thermoformage, est tre`s variable, avec des largeurs comprises entre 50 mm et plus de 1 000 mm, des diame`tres qui varient de 250 mm a` 2 000 mm, et des masses comprises entre 25 kg et 2 t. Les feuilles en format a` plat peuvent eˆtre thermoformeés ou utiliseés comme support d’impression et de dećoration. Les plaques sont thermoformeés ou redećoupeés pour diverses applications.

Abre´viations ABS

poly(acrylonitrile, butadie`ne, styre`ne)

APET

PET amorphe (transparent)

CM

Cavity Mixer

CTM

Cavity Transfert Mixer

DTS

Abre´viations (suite) PID

proportionnel inte´gral de´riveé

PLA

acide polylactique

PLA

Polylactic Acid

Direct To Sheet

PMMA

polyme´thacrylate de me´thyle

FFS

Form Fill Seal

PP

polypropyle`ne

FFT

Fast Fourier Transform

PS

polystyre`ne

HACCP

Hazard Analysis Critical Control Point

PVC

poly(chlorure de vinyle),

LTMD

Long Term Machine Direction

RPET PET

re´geńe´re´

MSP

Maıˆtrise statistique des proce´de´s

SAN

poly(styre`ne, acrylonitrile)

PEBD

polye´thyle`nes a` basse densite´

SBS

styre`ne butadie`ne styre`ne

PEHD

polye´thyle`ne a` haute densite´

SPC

Statistical Process Control

PEN

polye´thyle`ne naphtalate

STMD

Short Term Machine Direction

PET

polye´thyle`nete´re´phtalate

TMR

Twente Mixing Ring

1. Marche´s

Les plaques sont reáliseés en PMMA, PC, PET, PEHD, PP, PS, SAN, ABS, PVC, etc. et sont utiliseés dans des secteurs tels que : – ećlairage (luminaires) ; – ameńagement de magasins ; – baˆtiment (baignoires, douches, spas, vitrages, vouˆtes, rambardes, murs antibruit, mobilier urbain, e´tancheíte´…) ; – industrie du froid (portes de re´frige´rateurs...) ; – automobile…

Les feuilles sont destineés a` des marche´s tre`s diffe´rents : marche´s de volume, marche´s de niches, marche´s plus techniques. Elles servent de base a` la fabrication d’un grand nombre d’articles de notre vie quotidienne : – par thermoformage, elles donnent naissance a` une grande varie´te´ de produits ou emballages ; – imprimeés, dećoreés, floqueés…, elles sont utiliseés en signale´tique, dećoration, publicite´, support de vente, vitrages, mobilier, etc.

La taille des marche´s est he´te´roge`ne : certains offrent des opportunite´s de grandes se´ries de fabrication, d’autres sont caracte´rise´s par des se´ries moyennes, voire petites avec des produits qui ne sont faits qu’a` la demande.

Les emballages thermoforme´s (PET, PP, PP alle´ge´, PS, PS alle´ge´, PVC, PLA) sont destine´s aux domaines alimentaire et non alimentaire : – produits laitiers, charcuterie, viande, poisson, le´gumes, fruits, salades, gaˆteaux, biscuits ; – horticulture, pharmacie, distribution, bricolage.

AM 3 644 – 2

On rencontre donc des moyens de production de tailles varieés : tre`s puissants (au-dela` de 2,5 t/h), moyens (1 t/h), petits (350 kg/h). Aujourd’hui, la performance s’e´value de plus en plus en termes de flexibilite´ et de rapidite´ dans la mise en œuvre d’un changement de fabrication.


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＴＴ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– EXTRUSION DE FEUILLES – PLAQUES

Les exigences de qualite´ et de sećurite´ sont de plus en plus grandes :

La couche centrale B est en geńe´ral composeé d’un me´lange de matie`re vierge et de matie`re broyeé constitueé par les rives broyeés en ligne et par les rebuts d’une preće´dente fabrication.

– qualite´ constante, reproductibilite´, conforme´ment a` des cahiers des charges qui de´finissent les crite`res de la transformation suivante (impression, thermoformage, …) ; – sećurite´ alimentaire, sećurite´ du consommateur.

Dans le cas de thermoformage en ligne, la couche B peut meˆme eˆtre exclusivement composeé de matie`re broyeé, provenant des « squelettes » de thermoformage qui sont recycle´s en ligne.

2. Ligne d’extrusion

Il est rare que les couches exte´rieures A et C ne soient constitueés que d’une seule matie`re : les applications imposent en geńe´ral des me´langes de 3 matie`res, deux polyme`res de grades diffe´rents et un me´lange maıˆtre pour la coloration. Toutes ces matie`res sont en geńe´ral des granule´s, rarement de la poudre ou des billes.

Une ligne d’extrusion de feuille-plaque est une chaıˆne de sous ensembles fonctionnels dont chacun joue un roˆle critique (figure 1) :

La technologie du dosage ponde´ral s’est aujourd’hui imposeé. Une station d’alimentation se compose (figure 2) : – des tre´mies pour chaque constituant du me´lange ; – d’une chambre de peseé ; – d’une chambre de me´lange.

– alimentation matie`res ; – extrusion ; – filie`re ; – calandrage – tirage ; – dećoupe rives – laizes (cf. § 8.4) ; – broyeurs de rives, renvoi de rives ; – bobinoirs/enrouleurs (extrusion de feuilles) ou dećoupe a` longueur/empileur (extrusion de plaques) ; – instrumentation.

Elle est en geńe´ral installeé directement au-dessus de la tre´mie de l’extrudeuse qui sert de tre´mie « tampon » (figure 1). Les me´langes sont fabrique´s par lots (batchs) dont la masse varie de quelques centaines de grammes a` quelques kilogrammes selon la taille de l’extrudeuse, au cours d’un cycle qui dure quelques secondes ; l’ope´ration se re´pe`te cycle apre`s cycle et elle n’est temporairement interrompue que lorsque le niveau de remplissage de la tre´mie tampon est au maximum.

Ces sous-ensembles doivent ope´rer en harmonie les uns avec les autres pour garantir un fonctionnement optimal de la ligne d’extrusion.

3. Alimentation matie`res

Ces syste`mes sont prećis et fiables ; leur installation juste audessus de la tre´mie de l’extrudeuse minimise les risques de « de´me´lange » ; ils permettent un suivi des consommations des matie`res ; enfin, ils fournissent le support de traçabilite´ requis par les proce´dures de la politique Qualite´.

Aujourd’hui, toutes les lignes de feuilles ou de plaques sont des lignes de coextrusion car les feuilles ou plaques sont structureés en 3 couches de type A-B-A ou A-B-C : trois extrudeuses sont nećessaires dans le cas A-B-C, deux peuvent suffire dans le cas A-B-A.

L’alimentation des matie`res constitue une e´tape encore plus complexe pour les matie`res hygroscopiques telles que ABS, PC, Nylon, PET, PLA, qui, en plus d’un de´gazage efficace sur la vis, requie`rent un pre´sećhage pousse´ pour e´liminer toute pre´sence de microbulles dans la feuille ou la plaque. Cette ope´ration s’effectue dans un sećheur situe´ « en tampon » entre les circuits d’arriveé matie`res et les tre´mies d’extrudeuses.

Alimentation

Changeur de filtre Pompe à engrenage Filière

Broyeur de rives

Découpe laizes et rives

Tirage

Extrudeuse

Bobinoirs

Calandre

Mesure d'épaisseur

Figure 1 – Ligne d’extrusion de feuille


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Sauf circonstances exceptionnelles, il n’y a pas de bivis, le marche´ ne s’y preˆtant pas :

Broyés et rives Matière B

Mélange maître

– en geńe´ral, les matie`res premie`res utiliseés sont constitueés de me´langes simples (au sens qualitatif), ou alors de granule´s prećompounde´s (alliages ou blends) ; – les feuilles en PVC sont obtenues par calandrage.

Matière A

Ces marche´s sont trop concurrentiels pour pouvoir supporter les surcouˆts d’investissement et ope´rationnels qu’implique l’utilisation d’une bivis. Il est tout a` fait envisageable de produire des feuilles directement en sortie de reácteur, selon une technologie DTS (Direct To Sheet) approprieé. Les thermoformeurs sont alors directement livre´s en bobines « me`res » qui doivent eˆtre redećoupeés au format requis. Cette approche du marche´ peut se justifier par l’ećonomie globale reáliseé, les couˆts supple´mentaires lie´s a` la redećoupe, c’est-a`-dire les couˆts directs et les pertes correspondant aux fins de bobines « me`res », e´tant infe´rieurs a` l’ensemble des couˆts lie´s a` l’e´tape classique :

Chambre de pesée

Chambre de mélange

Granulés → Séchage-Recristallisation → Extrusion → Bobines Figure 2 – Station d’alimentation par dosage ponde´ral

Elle semble se de´velopper de façon plus pe´renne en PET qu’en PS a` cause de l’importance du marche´ mondialise´ du PET (Octal Petrochemicals). Pour autant, la technologie DTS ne peut pas entraıˆner la disparition de l’extrudeuse qui reste incontournable pour recycler les squelettes de thermoformage.

Avec certaines matie`res comme le PET et le PLA, dont le taux de cristallinite´ est alte´re´ par hydrolyse, entraıˆnant une de´gradation des proprie´te´s mećaniques, une phase preálable de recristallisation de surface peut eˆtre nećessaire pour e´viter tout proble`me de collage en masse sur les premiers filets de vis d’extrudeuse ; on utilise alors un cristalliseur.

4.1.1 Extrudeuse monovis standard Le de´veloppement du marche´ de la feuille-plaque s’est fait avec l’extrudeuse monovis, pour ses qualite´s de base (robustesse, simplicite´, universalite´, couˆt), mais aussi pour ses performances qui n’ont cesse´ de progresser depuis 20-30 ans :

Cette ope´ration est meˆme impe´rative avec les paillettes de matie`re broyeé dont il faut « purger » la surface de toute trace d’humidite´ laisseé lors du traitement par bain de silicone. La feuille est traiteé en surface par bain de silicone afin que les gobelets, pots ou barquettes empile´s les uns dans les autres puissent eˆtre aise´ment se´pare´s sans rester colle´s (« de´pilage »).

– les de´bits, pour un meˆme diame`tre de vis, ont plus que double´ ; – la qualite´ de matie`re en sortie d’extrudeuse est meilleure. Ces progre`s reposent sur des ame´liorations machine et processus :

Lorsque le me´lange de matie`res a une densite´ apparente trop faible, par exemple du broye´ issu de feuille tre`s mince, il faut utiliser une tre´mie d’alimentation forceé (Crammer Feeder) pour introduire les matie`res dans l’extrudeuse.

– meilleure conception de de´tails de construction tels que zones d’alimentation rainureés, zones de de´gazage, changeurs d’ećrans ; – innovations : dessins de vis, extrudeuses a` tre`s grande vitesse, dispositifs de me´lange-homogeńeísation ; – mise en place de syste`mes de re´gulation de vitesse et de tempe´rature plus performants rendant le processus plus stable ; – instrumentation : SPC (Statistical Process Control, ou maıˆtrise statistique des proce´de´s MSP), traçabilite´.

De par sa complexite´, le sous ensemble alimentation matie`res peut eˆtre source de bien des proble`mes. La maıˆtrise des points critiques lie´s a` cette e´tape du processus est une nećessite´. Cette maıˆtrise implique une chaıˆne d’ope´rations secondaires donnant lieu a` une automatisation, une traçabilite´ et une supervision pousseés :

Ces progre`s sont aussi dus aux me´langeurs statiques et aux pompes a` engrenages, qui sont de´sormais des e´le´ments incontournables d’une ligne d’extrusion, parce qu’ils sont comple´mentaires de l’extrudeuse avec qui ils forment un syste`me d’extrusion efficace et efficient.

– alimentation automatique a` partir de silos ; – me´langes par lots (batchs) en continu, effectue´s par des doseurs ponde´raux (figure 2) ; – renvoi pneumatique de rives broyeés vers la station de me´lange ; – processus de cristallisation et pre´sećhage.

Les qualite´s de robustesse et de simplicite´ de l’extrudeuse monovis ne sont plus a` de´montrer. Une extrudeuse monovis, c’est un moteur avec sa re´gulation de vitesse, un re´ducteur, une buteé, une tre´mie, une vis, un fourreau cylindrique re´gule´ en tempe´rature sur plusieurs zones, un de´gazage et un changeur d’ećran, le tout dispose´ sur un chaˆssis.

4. Extrusion

Chacun de ces composants a aujourd’hui fait ses preuves. Moteur, re´ducteur et buteé ont une plage de fonctionnement des plus « raisonnable ».

4.1 Extrudeuse

Les pheńome`nes d’usure vis-fourreau sont sous controˆle graˆce la maıˆtrise de la technologie des reveˆtements (fourreaux bime´talliques, vis a` sommet de filet stellite´).

Le domaine des feuille-plaque est incontestablement une place forte pour les extrudeuses monovis.

AM 3 644 – 4


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＴＴ –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– EXTRUSION DE FEUILLES – PLAQUES

& Par contre, l’expe´rience cumuleé n’est pas suffisante a` ce jour pour qu’un certain nombre de re´serves puissent eˆtre leveés. – On est dans l’inconnu pour ce qui est des pheńome`nes d’usure a` ces re´gimes d’hyper-vitesse, avec de surcroıˆt des ratios L/D supe´rieurs a` 40. Les re`gles du jeu entre vis et fourreau doivent eˆtre revalideés ; de meˆme que les tole´rances d’alignement vis-moteur. – Alimenter efficacement et re´gulie`rement, a` tre`s grande vitesse, des me´langes incorporant un tre`s important volume de matie`re broyeé peut poser de se´rieux proble`mes. – Le risque ze´ro de rupture d’alimentation n’existe pas, malgre´ toutes les sećurite´s installeés (mećaniques, e´lectriques, e´lectroniques…). Les de´gaˆts que pourrait alors causer la vis en tournant a` vide a` 1 500 tr/min dans le fourreau sont eńormes. – Le spectre des fre´quences de bruits e´mis a` ces vitesses est tre`s diffe´rent, ce qui pourrait imposer des nouvelles normes de protection phonique.

Une extrudeuse monovis, apre`s changement de vis-fourreau et remplacement des syste`mes de controˆle-re´gulation, est preˆte a` recommencer une deuxie`me carrie`re : le marche´ de l’occasion reńoveé se porte bien.

4.1.2 Extrudeuses a` tre`s grande vitesse Depuis 2005, on assiste en Europe au de´veloppement d’extrudeuses a` tre`s grande vitesse, pouvant atteindre plus de 200 m/min de vitesse pe´riphe´rique, soit plus de 4 fois les vitesses traditionnelles : 1 000 tr/min pour une extrudeuse de diame`tre 75 mm, avec un objectif pre´visionnel de 1 500-2 000 tr/min a` terme, soit 300-400 m/ min en vitesse pe´riphe´rique. Leur premie`re application a e´te´ l’extrusion avec thermoformage en ligne du PS et du PP. Les re`gles de scale up classiques enseignent que le de´bit d’une vis est proportionnel au carre´ du diame`tre : une extrudeuse de diame`tre 150 mm de´bite 4 fois plus qu’une extrudeuse de diame`tre 75 mm.

4.1.3 Futur de l’extrusion monovis : standard ou tre`s grande vitesse

En faisant le pari de la tre`s grande vitesse, les promoteurs de ce de´veloppement (a` l’origine les constructeurs allemands) ambitionnent de faire d’une extrudeuse de diame`tre 75 mm l’e´gal en de´bit d’une extrudeuse de diame`tre 150 mm, avec a` la cle´ des ećonomies e´videntes – au moins sur le papier – dues a` l’absence ou a` la taille de certains composants (re´ducteur, buteé, vis et fourreau, e´le´ments de chauffage – refroidissement), a` un moindre encombrement au sol, et avec une masse au m2 re´duit.

L’avenir nous dira si l’extrudeuse a` tre`s grande vitesse est un pheńome`ne de mode ou une rupture technologique. Toujours estil que, si cette technologie venait a` s’imposer, cela entraıˆnerait dans les ateliers d’extrusion de feuilles des changements profonds quant a` la pratique des re´glages : le fonctionnement adiabatique, en excluant tout ećhange d’eńergie entre le fourreau et la vis, va-t-il rendre obsole`tes les re´glages de profils de tempe´rature le long du fourreau ?

Le polyme`re est soumis a` un taux de cisaillement tre`s important mais pendant une dureé plus courte de sorte que le produit des deux, la de´formation due au cisaillement, est e´quivalent a` celui d’une vis de plus grand diame`tre, sans risque de de´grader la matie`re.

Avec l’extrudeuse monovis standard, au contraire, les profils de tempe´rature jouent un roˆle important : pour s’en convaincre, il suffit d’observer comment e´voluent le bourrelet (cf. § 9) et l’e´paisseur de la feuille lorsque la tempe´rature de la zone de pompage ou celle de la zone d’alimentation varie du fait d’un mauvais re´glage des parame`tres PID du re´gulateur associe´.

& Les premie`res applications industrielles ont confirme´ ces attentes, et meˆme au-dela` :

Nota : le lecteur se reportera aux dossiers [AM 3 650]. Extrusion – Extrusion monovis (partie 1) pour la description des mećanismes de convoyage solide, de fusion et de pompage et [AM 3 651]. Extrusion – Extrusion monovis (partie 2) pour la description des de´fauts classiques.

– ame´lioration de la transparence et de la structure cristalline d’une feuille PP ; – aucune de´gradation de la morphologie d’une feuille en PS-SBS, les phases de caoutchouc butadie`ne ne sont pas de´truites, la viscosite´ n’est pas de´gradeé, le taux de monome`re re´siduel n’augmente pas ; – moindre de´gradation constateé en APET et en PLA…

Il faut adapter le profil de tempe´rature a` la forme des granule´s de matie`re utilise´s lors d’une fabrication. Ceux-ci peuvent eˆtre cylindriques ou lenticulaires selon que leurs fournisseurs utilisent un syste`me de granulation classique ou un syste`me de coupe en teˆte a` chaud. Pour ces deux types de granule´s, la diffe´rence des conditions de frottement sur le fourreau doit eˆtre compenseé par une diffe´rence des profils de tempe´rature au niveau de la zone d’alimentation, et parfois aussi de la zone de fusion.

D’autres avantages sont revendique´s pour ces extrudeuses a` tre`s grande vitesse. – Elles sont mieux adapteés aux petits lots de fabrication car les changements de couleur s’effectuent plus rapidement : une vis de 75 mm contient 4 kg de re´sine contre 40 kg pour une vis de 150 mm : les temps de re´sidence sont plus courts en moyenne et leur distribution plus resserreé. – L’eńergie spećifique consommeé est substantiellement plus basse (- 15 %) :

Les profils de tempe´rature peuvent influer directement sur la qualite´ de la feuille. Exemple : pour obtenir une transparence et une brillance parfaites d’une feuille reáliseé avec un me´lange de PS cristal et de SBS, marques KResinTM de Phillips ou StyroluxTM de BASF, il est recommande´ d’afficher un profil de tempe´ratures inverse´, c’est-a`-dire dećroissant depuis la zone d’alimentation jusqu’a` la zone de pompage (190200 C Æ 175 C).

le fonctionnement est adiabatique (les colliers de chauffage ne fonctionnent que dans la phase de de´marrage et sont de´branche´s ensuite ; seule, la zone d’alimentation requiert un collier de refroidissement) ; il faut toutefois noter que cela n’est vrai, selon les concepteurs, que pour un diame`tre de 75 mm (avec une extrudeuse de diame`tre infe´rieur, a` cause du risque de rupture en torsion, la vis ne peut eˆtre suffisamment creuseé pour assurer une alimentation efficace ; au-dela` de 75 mm, on s’ećarte du mode de fonctionnement adiabatique car des colliers de chauffage-refroidissement s’ave`rent alors nećessaires) ;

Typiquement, une vis d’extrusion de feuille a un taux de compression et une longueur de zone d’alimentation (convoyage solide) plutoˆt e´leve´s pour permettre d’alimenter jusqu’a` 100 % de matie`res broyeés. Mais le taux de reíncorporation variant selon les productions, le profil des tempe´ratures des zones d’alimentation et de fusion doit s’adapter aux circonstances, selon que le taux de recycle´ est faible ou e´leve´, selon la densite´ apparente du recycle´ (issu de feuille mince ou e´paisse) ou/et sa « compressibilite´ », etc.

les pertes mećaniques sont moindres puisque l’on supprime l’e´tage de re´duction (rapport 1 : 1 entre le moteur et la vis).

4.2 Homogeńeísation

– Les meˆmes concepteurs pre´tendent que, au-dela` de 750 tr/min en PS et PP, l’eńergie spećifique consommeé dećroıˆt au fur et a` mesure que la vitesse augmente. – La qualite´ et l’homogeńeíte´ d’extrudat sont supe´rieures.

Une extrudeuse doit assurer une homogeńeísation parfaite de la matie`re extrudeé avec un de´bit qui soit le plus grand possible (cf. [AM 3 659]).


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Tous les constituants du me´lange doivent eˆtre uniforme´ment re´partis dans la feuille. – Me´lange maıˆtre colorant : l’uniformisation est d’autant plus difficile que, pour en abaisser le couˆt, les me´langes maıˆtres sont de plus en plus concentre´s, reálise´s avec des charges « mixtes » (par exemple oxyde de titane et carbonate de calcium) et de´veloppe´s parfois sur une base matie`re diffe´rente (on peut utiliser pour reáliser une feuille blanche en PS un me´lange maıˆtre blanc reálise´ sur une matrice PE). La dispersion et la distribution des charges sont d’autant plus critiques que la feuille est plus mince, concourant a` donner un aspect de surface granuleux, et a` creér des trous au thermoformage. – Me´lange maıˆtre utilise´ pour fabriquer une feuille alle´geé par voie chimique (PS alle´ge´, PP alle´ge´, PLA alle´ge´) : les agents de nucleátion doivent eˆtre disperse´s et distribue´s uniforme´ment pour garantir une re´partition homoge`ne des microbulles, de meˆme que les composants de la reáction chimique afin que la taille des microbulles soit uniforme. – Additifs : produits anti-statiques incorpore´s dans la couche externe pour e´viter l’accumulation de poussie`res ; produits permettant d’e´viter le collage des spires de bobines ; adjuvants de nucleátion pour la transparence du PP ; plastifiants ; processing Aids.

Il y a 2 types de gels : – ceux qui sont pre´sents dans les granule´s ; ils sont geńe´re´s dans le reácteur lors de la polyme´risation, d’ou` leur nom de Pgels ; – ceux qui sont creé´s en cours d’extrusion – stagnation, points chauds,… – d’ou` leur nom de « E-gels ». La diffe´rence entre les 2 provient du fait que les premiers ont en leur centre un point en forme d’œil de poisson (fish eye). L’analyse de la capacite´ de me´lange-homogeńeísation repose sur les concepts d’action dispersive (dispersive mixing) et d’action distributive (distributive mixing) (cf. [AM 3 659]) : – l’action dispersive consiste a` casser les agglome´rats de pigments, de charges, d’adjuvants, a` re´duire la taille des gels, des gouttelettes de phases diffe´rentes : c’est plutoˆt la contrainte qui joue ; – l’action distributive consiste a` de´placer les particules e´le´mentaires pour les e´loigner les unes des autres : c’est plutoˆt la cine´matique qui joue. Le cisaillement « pur » est le mećanisme par lequel la monovis effectue les taˆches dispersive et distributive. La de´formation due au cisaillement, qui est le produit du taux de cisaillement par le temps d’exposition au cisaillement, n’est pas la meˆme pour chaque « particule » composant l’ećoulement : – la matie`re qui fond de`s les premiers filets est soumise a` un cisaillement beaucoup plus long que la matie`re qui fond en dernier ; – le niveau de cisaillement n’est pas constant dans la profondeur du canal ; – le mouvement de recirculation he´licoı¨dal a` travers le canal induit un effet de me´lange-de´me´lange qui est duˆ au fait que les directions de cisaillement en bas du canal (proche de la vis) et en haut du canal (proche de la paroi du fourreau) sont inverseés : cette inversion de direction annule « alge´briquement » l’action dispersive tout en continuant d’e´lever la tempe´rature des particules concerneés (figure 3).

– Diverses matie`res composant le me´lange : PS choc-PS cristal ; PS choc-PS cristal-SBS ; PEHD-PEBD ; PET-PEN ; blends PS-PE ; matie`re vierge – rebuts de production broye´s ; matie`re vierge – matie`re re´geńe´reé provenant d’une filie`re « recyclage » (par exemple : RPET issu des bouteilles d’eau et de sodas).

Ce mouvement de recirculation he´licoı¨dal accentue d’autant plus les he´te´rogeńeíte´s de tempe´rature que la vitesse de rotation de la vis augmente : – les transferts de chaleur entre la matie`re et le fourreau se limitent aux particules au contact de la paroi, c’est-a`-dire a` celles qui tournent alternativement en haut puis en bas du canal ; au centre du canal, les particules sont en fait isoleés du fourreau et leur tempe´rature n’est pas influenceé par la tempe´rature re´guleé de paroi ; – les transferts thermiques sont tre`s sensibles au jeu entre fourreau et vis (sommet de filet) : une usure anormale (jeu important), en perturbant ce mouvement de recirculation, entraıˆne des ećarts de tempe´rature encore plus importants.

Le me´lange PET-PEN est de´veloppe´ pour les applications de remplissage haute tempe´rature (hot fill). Le RPET, PET re´geńe´re´ a` partir des bouteilles vides collecteés (eau, eau gazeuse, sodas), est a` ce jour la seule matie`re issue des circuits de collecte-tri-recyclage dont la reútilisation est autoriseé pour refaire des emballages alimentaires. Meˆme lorsqu’il n’y a qu’un seul constituant, l’aspect me´langehomogeńeíte´ thermique est primordial car les he´te´rogeńeíte´s de tempe´rature sont une cause d’instabilite´ d’ećoulement dans la filie`re plate et de de´fauts de la feuille (e´paisseur, retrait, planeíte´, ondulations, aspect de surface, transparence, etc.).

Ces ećarts de tempe´rature de´stabilisent localement l’ećoulement dans la filie`re, creént dans la feuille des zones he´te´roge`nes en tempe´rature dont les traces subsistent apre`s refroidissement : de´fauts d’aspect, he´te´rogeńeíte´s de retrait et de contraintes internes.

Pour une extrudeuse monovis standard, la performance en de´bit et la performance en qualite´ divergent de`s lorsque l’on augmente la vitesse de rotation de la vis. Le processus devient de plus en plus instable, les variations d’e´paisseur (mesureés par les ećart-types Sens travers et Sens machine) augmentent, la feuille est a` la fois plus chaude et ine´galement chaude, la transparence est ine´gale, le retrait augmente, des ondulations apparaissent.

Fourreau

Les causes en sont bien connues : ce sont les limites lieés a` la capacite´ de fusion et a` la capacite´ de me´lange-homogeńeísation de la vis (cf. [AM 3 659]).

Vis a trajectoire hélicoïdale b effet de mélange-démélange que subit des particules de matière un cube de matière le long du trajet fondue dans le filet de la vis d’un pas d’hélice (zone de pompage)

Lorsque la vitesse de rotation de la vis augmente, la capacite´ de fusion diminue : la zone de fusion s’e´tire, des granule´s non fondus finissent par se noyer dans la masse fondue, et se comportent comme des gels. Ils se retrouvent en l’e´tat a` la sortie de la feuille, tels des corps e´trangers qui en geńe´ral preće`dent un microtrou, rendant la feuille impropre au thermoformage.

AM 3 644 – 6

Figure 3 – Mouvement de recirculation he´licoı¨dal a` travers le canal


ＴＶ

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＴＵ

Lignes d’extrusion de profilés thermoplastiques Étapes de fabrication par

Stéphan PUISSANT Ingénieur d’essai BCIAG, Klosterzelgstrasse, Suisse Intervenant au GIP InSIC

1. 1.1

1.2

Marché des profilés thermoplastiques.............................................. Importance du marché ............................................................................... 1.1.1 Production en Europe ........................................................................ 1.1.2 Marché global..................................................................................... 1.1.3 Profilés pour la construction (fenêtres, portes, etc.). ...................... Diverses applications..................................................................................

2.

Classification technique des produits...............................................

—

6

3. 3.1 3.2

Diversité des lignes de production selon les marchés ................. Étapes d’une ligne d’extrusion de profilé ................................................. Relation entre le marché et le type de ligne de production .................... 3.2.1 Arbitrage des solutions technologiques .......................................... 3.2.2 Choix du mode de production ..........................................................

— — — — —

7 7 7 7 8

4. 4.1 4.2

4.6

Éléments de la ligne d’extrusion......................................................... Extrudeuse................................................................................................... Filières de profilé......................................................................................... 4.2.1 Règles de conception des profilés.................................................... 4.2.2 Éléments d’une filière et matériaux.................................................. 4.2.3 Design des filières.............................................................................. Différents types de conformateurs ............................................................ 4.3.1 Calibration par blocs de conformation............................................. 4.3.2 Calibration par segments (diaphragmes) ........................................ Refroidissement .......................................................................................... 4.4.1 Modélisation du refroidissement sur un élément de profilé.......... 4.4.2 Nombre de Péclet............................................................................... 4.4.3 Détermination du coefficient de transmission thermique.............. 4.4.4 Calcul analytique (parois fines et immersion) ................................. 4.4.5 Calcul par différences finies .............................................................. Mesure et contrôle ...................................................................................... 4.5.1 Appareils de mesure.......................................................................... 4.5.2 Maîtrise statistique des procédés MSP ............................................ 4.5.3 Impression en ligne pour la traçabilité............................................. Tirage et coupe............................................................................................

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

8 8 11 11 12 14 18 20 22 22 23 24 25 25 26 27 27 28 33 33

5. 5.1 5.2

Divers problèmes rencontrés et contrôle......................................... Défauts dus au groupe d’extrusion ........................................................... Défauts dus à la ligne .................................................................................

— — —

34 34 34

6.

Conclusion.................................................................................................

—

36

4.3

4.4

4.5

ａｶｲｩｬ＠ＲＰＱＴ



ＴＷ

AM 3 645 - 2 — 2 — 2 — 2 — 3 — 3

Doc. AM 3 645

AM 3 645 – 1


LIGNES D’EXTRUSION DE PROFILÉS THERMOPLASTIQUES __________________________________________________________________________________

E

n Europe, le marché global des profilés est en pleine expansion. Selon une étude de marché AMI, en 2009, le PVC est le polymère majoritairement utilisé avec plus de 90 %. Ce marché des profilés est dominé par la production en Allemagne (47 % de la production en Europe) et est tiré par l’augmentation continue des besoins en isolation dans le bâtiment. Selon cette même étude, les profilés pour les ouvertures de bâtiments représente en effet à peu près 65 % du marché total des profilés thermoplastiques. Selon une étude IC Market Forecast Windows, le marché des profilés de fenêtre, après une baisse de volume (en nombre de fenêtres installées) due à la crise entre 2007 et 2010, devrait connaître une augmentation de 1,5 % par an entre 2011 et 2014. Le segment des profilés de fenêtre en PVC représente à peu près 40 % du marché global des profilés de fenêtre (toutes matières confondues, c’est-à-dire bois, aluminium…), cette dernière proportion étant en augmentation régulière. On s’attend ainsi à un développement significatif de ce marché dans les années qui viennent. L’importance des profilés nécessite une connaissance plus approfondie des étapes techniques de fabrication. Leur ligne de production est techniquement très proche des lignes d’extrusion de tubes, mais la prépondérance de la transformation du PVC implique l’utilisation d’extrudeuse bivis contrarotatives interpénétrées et les formes compliquées demandées nécessitent des filières, ainsi que des calibreurs adaptés. Cet article, après un rappel de l’importance du marché et une description des différents profilés, propose de passer en revue les différentes étapes de production des profilés et d’introduire les outils de maîtrise statistique des procédés (MSP) qui sont nécessaires à l’analyse du procédé et à la garantie des qualités dimensionnelles exigées. Enfin, les principaux défauts observés, ainsi que leurs possibles causes et remèdes, sont décrits.

1. Marché des profilés thermoplastiques

du total des profilés utilisés. Et les applications dans le domaine du bâtiment (pour la réalisation de fenêtres, de portes, de volets, etc.) représentent à peu près 2/3 du marché total, tous matériaux confondus (tableau 1) [1]. Toujours selon [1], le marché total des profilés (2/3 pour les fenêtres, 1/3 pour les autres applications) en Europe représentait en 2009 à peu près 700 000 tonnes par an, et les seuls profilés composites bois-polymères, à peu près 100 000 tonnes par an. On voit que ce segment, actuellement en pleine expansion, représente à peu près 15 % en masse de tous les profilés thermoplastiques (ou 8,5 % du marché global). Les taux de croissance annuels des composites bois-polymère en Europe ont été de 25 % entre 2005 et 2012, et les projections tablent sur une progression annuelle de 9 % entre 2012 et 2015 [1]. Cette croissance se fait surtout au détriment des autres matériaux (non plastiques).

1.1 Importance du marché 1.1.1 Production en Europe La fabrication de profilés thermoplastiques en Europe, en 2009, se fait principalement en Allemagne (figure 1) [1]. Cela s’explique par la prépondérance des profilés pour fenêtres et ouvrants (à peu près 2/3 des profilés), prépondérance liée à des décisions prises très tôt dans ce pays pour les économies d’énergie (double ou triple vitrage).

1.1.2 Marché global Tous matériaux et applications confondus, les profilés thermoplastiques en matières thermoplastiques représentent plus de 43 %

Reste de l’Europe de l’ouest 2 % Scandinavie 1 % Espagne 3 % Benelux 6 %

Pologne 7 %

Tableau 1 – Part de marché des profilés [1]

Europe centrale 4 % France 10 %

Matériau

Tout profilés (%)

Plastiques

43,5

Italie 8 %

Profilé

Tout profilés (%)

PVC fenêtre

27,5

Autres plastiques fenêtre

1,5

Hors construction

14,5

Hors construction

18,5

Grande Bretagne 12 %

Autres

56,5

Allemagne 47 %

Construction

Figure 1 – Répartition de la production des profilés thermoplastiques selon les pays en Europe en 2009 [1]

AM 3 645 – 2

Somme

100


ＴＸ

38 100


___________________________________________________________________________________ LIGNES D’EXTRUSION DE PROFILÉS THERMOPLASTIQUES

1.1.3 Profilés pour la construction (fenêtres, portes, etc.).

connexion de coin. Les caches de tubes fluorescents sont aussi fabriqués en PS.

Dans les profilés thermoplastiques pour la construction, le PVC est utilisé dans à peu près 93 % des applications [1].

Un autre segment concerne les couvertures de serre, les toits de protection des terrasses et des pergolas, qui sont en général produits en PMMA. Ce matériau garantit une bonne stabilité aux UV et une résistance élevée au vieillissement. De plus sa légèreté permet de l’utiliser en double, voire triple couche afin d’avoir une meilleure isolation thermique. Sa grande transparence fait que c’est un matériau de choix pour des éléments de serres ou de panneaux solaires. Le profilé étant dans ce cas sous forme de plaque, on a une solution de production similaire à la production de plaques et de films, avec une filière plate (souvent avec un canal de répartition de type porte-manteau) servant à assurer la répartition homogène du produit, mais agrémentée d’une filière de conformation.

Il est intéressant de noter que la part des profilés pour fenêtres en PVC augmente lentement mais constamment au détriment des autres matériaux (figure 2) [2]. Le marché des profilés est donc un marché porteur, tiré par des volumes importants dans le segment des fenêtres, et des progressions importantes dans les composites bois-polymères., en grande majorité composés d’associations PVC/fibres.

Le PC est utilisé dans des applications similaires au PMMA mais, comme il a tendance à jaunir, une couche superficielle de PMMA permet de remédier à ce défaut.

1.2 Diverses applications Dans le tableau 2, les différentes lignes de produits sont présentées. Les productions utilisant le PVC sont largement majoritaires, mais on observe une tendance à l’utilisation de matériaux polymères plus coûteux, en particulier si des propriétés mécaniques et chimiques spécifiques sont demandées.

Le PP permet la réalisation de profilés pour collecteurs solaires, où il se substitue au carton trop sensible à l’humidité. C’est aussi comme un élément isolant dans les cadres de fenêtres en aluminium. Les conduites d’aération utilisent aussi beaucoup les profilés réalisés dans ce matériau.

On peut remarquer la prépondérance des applications liées au bâtiment (profilés de fenêtre, de volets, de porte, etc.). Ces productions sont en général de grande série avec des volumes très importants, ce qui justifie le type de solution technologique choisie.

Par contre, les productions de bandes ou joints sont faites souvent en PVC souple, en PE moussé ou encore en thermoplastique élastomère TPE et elles correspondent à des longueurs plus faibles. Le PE, bien que difficile à calibrer, est utilisé pour la réalisation de gaines thermorétractables (en PE réticulé ou « XPE ») pour notamment la réparation ou la liaison de câbles téléphoniques. Ce matériau sert à la réalisation de tuyaux profilés servant de protection des systèmes de communication à large bande..

De plus, et particulièrement pour les éléments de décoration pour lesquels l’aspect est important, on peut avoir des produits avec une couche externe différente. Parfois, pour les profilés d’utilisation intérieure (ameublement et décoration), les pièces sont réalisées avec une partie interne moussée, par souci d’économie. Cela correspond aux applications de profilés pour les tablettes de recouvrement, les caissons de volet roulant, les bases d’étagères, les éléments de décoration, les contours de cadre photographique, etc.

De même les joncs pleins répondent à ce type de production. Ceux-ci peuvent être réalisés en PE, PC ou encore PMMA. Les profilés en PA, et POM (matériaux techniques de grande résistance mécanique) servent ainsi pour la réalisation d’engrenages (production de joncs continus de la forme des engrenages, qui sont ensuite découpés) ou encore de cages de roulements.

Les profilés en PS, SB et ABS peuvent aussi être utilisés dans l’ameublement pour les éléments portants ainsi que les pièces de

100

1,4

1,5

1,6

1,6

1,7

1,7

1,7

1,7

1,7

1,7

4,8

5,2

5,3

5,7

6

6,3

6,4

6,5

6,6

6,4

38,2

37,6

37,7

39,7

40,4

40,8

40,8

40,8

40,8

40,7

PVC-métal Bois-métal

% 80 PVC 60

40

33,1

33,2

33,2

29,9

29,1

28,5

28,4

28,4

28,4

28,6

Métal

22,4

22,5

22,3

23

22,8

22,8

22,7

22,6

22,5

22,7

Bois

2006

2007

2008

2009

2010

2011e

2012p

2013p

2014p

Part de marché moyenne 2010-2014

20

0

e = estimation

p = prévision

Figure 2 – Répartition des matériaux dans la fabrication de profilés thermoplastiques de fenêtres [2]


ＴＹ

AM 3 645 – 3



Tableau 2 – Différents profilés et de leurs marchés Marché Bâtiment

Segment Application externe

Matériau principal

Matériau secondaire (éventuellement)

Fenêtres Portes Volets

PVC rigide

Barrières Balcons

PVC rigide

Recouvrement de murs extérieurs

PVC rigide

Couvertures de serres

PMMA PC

En surface : PMMA si la matière principale est du PC

Recouvrement de mur/plafond

PVC rigide

PMMA en surface pour l’aspect

Guidage de conduite

PVC rigide

Exemples

En surface : PMMA Joints : PVC souple

3 mm

Application intérieure

Exemples de produits

Éléments de volets Rails de guidage volets

AM 3 645 – 4

PVC rigide


ＵＰ

22 mm



Tableau 2 – Différents profilés et de leurs marchés (suite) Marché

Segment

Ameublement

Profilé à fonction mécanique

Exemples de produits

Matériau principal

Guidage de tiroir

Exemples

PVC PS SB

Rail

Automobile

Matériau secondaire (éventuellement)

Barres d’étagères

ABS PS PVC

Connexion

PE

Profilés décoratifs

Bandes décoratives

PVC

Tour de portière

Jointure

PVC souple

Bandes pour carrosserie Protection carrosserie

PE expansé TPE

Télécommunication

Câbles extérieurs

Association de câbles et de tuyaux1)

PE pour gainage extérieur

PA pour tuyau PBT pour câble fibre optique

Mécanique

Profilés techniques

Élément de construction mécanique (PA)

PA PE PC PMMA POM

Métallique

Polymères composites bois

Applications internes et externes batiment

Sols (parquet stratifié) Plinthe Élément de portail Décoration murale et extérieure

PVC/fibre PE/fibre PP/fibre.

1) Cela peut être des câbles de fonctionnalités différentes (par exemple, mécanique et de données) ou un tuyau avec des câbles (électriques sur la figure)


ＵＱ

AM 3 645 – 5



2. Classification technique des produits

La flexibilité et le coût des différents éléments peuvent devenir prépondérants par rapport à la productivité. Un arbitrage de gestion de production doit être fait afin, par exemple, d’optimiser les temps d’arrêt par rapport aux temps de production.

Les produits sont classés en fonction de diverses caractéristiques qui vont influer sur le type de procédé utilisé. La classification reprise dans le tableau 3 est proposée par Hensen [3]. Cette classification est dépendante de la forme, de la présence ou pas de chambre fermée à l’intérieur du produit, de l’utilisation éventuelle de plusieurs couleurs ou matériaux, de la présence ou non d’un matériau assurant une résistance mécanique supérieure rigide (métal, bois, fibre).

Une application de plus en plus importante correspond aux profilés composites polymère-bois WPC (Wood Polymer Composite). Leur composition est souvent de 60 % en poids de fibres liées avec 30 % d’une matrice polyoléfine (PE, PP) ou encore PVC. Leur aspect proche du bois et l’utilisation de fibres pouvant être obtenues par recyclage après travail du bois et que l’on peut brûler sans dégagement de produits nocifs expliquent l’intérêt du marché.

En fonction de cette classification, des solutions technologiques différentes sont utilisées.

Tableau 3 – Classification (non exhaustive) des produits selon leur forme Type de profilé

Exemple

Commentaires

Tuyaux profilés

Ces profilés ont des formes simples, avec une seule paroi. Les angles, s’ils sont arrondis indiquent l’utilisation de filière de tubes, et les angles plus aigus nécessitent des filières de conformation dans lesquelles le matériau est déjà conformé selon une section rectangulaire

Profilés creux

Ceux-ci ont des parois qui ne peuvent pas être plaquées contre un conformateur, on dit aussi qu’ils sont chambrés. Ils peuvent avoir des renforts internes afin de leur donner une résistance mécanique meilleure. De même, leurs épaisseurs peuvent être variables

Profilés creux avec une ouverture

Ce genre de profilés est une variation des produits précédents. Ils présentent une section avec une ouverture sur l’extérieur. De même que les profilés creux, des renforts ainsi que des parois d’épaisseurs différentes peuvent être utilisés. Les renforts et les parois internes dans les sections ouvertes peuvent être refroidis par le conformateur

Profilés complets

Dans cette famille, les profilés ne présentent pas ou très peu de volumes fermés. Ils correspondent à toutes les formes possibles et imaginables. Tous les renforts et parois internes peuvent être refroidis par le conformateur

Profilés à plusieurs composants

Les profils de ce type reprennent toutes les formes précédentes mais plusieurs composants peuvent être utilisés. Soit on utilise différents matériaux, soit le même type de matériau mais avec des duretés différentes (par exemple des PVC plus ou moins plastifiés dans le cas de profilés pour fenêtre), ou encore avec des couleurs différentes. Ce type de procédé est une variante de la coextrusion utilisée en câblerie, ou en extrusion de film et plaque

Profilés pleins

Ce type de profilés correspond soit à l’extrusion de jonc, de section droite constante, avec une seule matière, soit à l’extrusion sur des supports (en bois, en métal) ayant une fonction mécanique. Ce deuxième type de procédé est très proche de l’extrusion gainage utilisée en câblerie

AM 3 645 – 6


ＵＲ



3. Diversité des lignes de production selon les marchés

Afin d’assurer le mouvement continu du produit refroidi et de section droite finale, un système de tirage est utilisé.

3.1 Étapes d’une ligne d’extrusion de profilé

Un système de mesure des dimensions finales dans la section du produit permet, par l’intermédiaire d’une boucle de régulation, de piloter la vitesse de tirage et la vitesse de rotation de l’extrudeuse. Cette mesure permet aussi de garantir un produit conforme aux spécifications. Souvent, dans la même zone, une impression en surface de la référence produit et du métrage est effectuée par des imprimantes de type jet d’encre.

■ Unité de tirage

■ Contrôle des dimensions

Une ligne d’extrusion, bien que différente selon le type de produit, comporte toujours les mêmes éléments (figure 3) le long du flux de matière. Ces éléments diffèrent en fonction du marché visé.

■ Unité de découpe et de stockage Enfin, le produit doit être coupé à longueur voulue et stocké.

■ Convoyage de la matière première La matière première, ou l’ensemble des composants qui la constituent, est acheminée dans la trémie de l’extrudeuse par une station de convoyage, qui se double parfois d’une station de dosage des divers composants. Une telle station de convoyage-dosage n’est pas représentée figure 3

Critères de sélection des éléments d’une ligne de profilé en fonction des produits Le choix des différents éléments est lié à plusieurs critères : – les volumes à produire ; – les dimensions et contours intérieurs et extérieurs des profilés ; – la forme des profilés demandés ; – le poids du profilé ; – le type de résine et sa forme (granulé, poudre) ; – le recyclage des déchets de fabrication.

■ Extrudeuse L’extrudeuse sert à plastifier, homogénéiser et mettre sous pression la (les) matière(s) première(s).

■ Filière de profilé Ensuite, cette matière plastifiée, nommée extrudat, est poussée grâce à la pression générée par l’extrudeuse dans une filière (ou une tête) d’extrusion dont la fonction est de transformer la section circulaire de l’extrudat obtenue en sortie d’extrudeuse dans la section du profilé, tout en assurant une bonne répartition de matière et un débit homogène.

3.2 Relation entre le marché et le type de ligne de production

■ Calibration et refroidissement Une fois cette section obtenue, il est nécessaire de finaliser les dimensions de l’extrudat obtenu, tout en le refroidissant. C’est l’étape de calibration. Parfois, en fin de calibration, une unité de chauffage par rayonnement infrarouge est ajoutée afin de relaxer les contraintes dans le profilé et éviter sa déformation.

3.2.1 Arbitrage des solutions technologiques De manière générale, l’arbitrage des solutions technologiques dépend de la quantité ou des longueurs à produire. En fonction du prix au mètre sur le marché, la marge réalisable est obtenue après

Plaque ou manchon de calibration Trémie (matière première sous forme de granulés) Extrudeuse Station de mesure

Flilière Bac sous vide

Bac de refroidissement à eau

Tirage

Dispositif de découpe

En direction de la station de stockage

Figure 3 – Différentes étapes dans une ligne d’extrusion de profilé (doc. Eastmann)


ＵＳ

AM 3 645 – 7



mode non conventionnel, sans pour autant prendre de risques inconsidérés.

déduction des coûts de production qui sont eux-mêmes fonction des longueurs produites et varient en fonction : – de la proportion entre les temps de production et les temps d’arrêt nécessaires pour modifier la configuration de la ligne dans le cadre de la production d’un nouveau produit ; – du temps nécessaire au nettoyage et démontage des outillages de la production précédente, puis au remontage des outillages de la nouvelle production ; – de l’usure des outillages liée au type de matériau transformé, et donc de la durée de vie de ces outillages à mettre en relation avec le coût de remplacement.

■ Profilés de fenêtre Ce marché est de grand volume. Il est caractérisé par une forte intégration des acteurs sur le marché. Ceux-ci assurent en effet la conception, la réalisation, la commercialisation et parfois même l’installation chez le client. Les séries réalisées sont de grande longueur, ce qui permet d’accepter les coûts d’investissement en matériel élevés. Les coûts au mètre produit restent faibles. Les méthodes de fabrication conventionnelles sont utilisées : – matière première sous forme de poudre ; la formulation de cette matière première (ajout de stabilisants, de lubrifiants) est effectuée sur le site ; – extrudeuse bivis ; – filières à sections progressives ; – conformateurs et calibreurs longs et progressifs.

Une commande est définie par : – le produit et ses spécifications ; – la quantité à produire, la répétitivité ; – le prix et le délai. Un outil de production est caractérisé par : – le taux d’utilisation, c’est-à-dire le total des heures de production effective divisé par le total des heures disponibles ; – le coût complet (amortissement + coûts directs et indirects) ; – la productivité : débit horaire net (taux de rebut), consommation de matière première (coût de la formulation, capacité et coût de réincorporation des déchets de fabrication) ; – la flexibilité d’adaptation aux circonstances.

■ Profilés de petites séries Dans ce cas, il s’agit principalement de la production à façon, la géométrie du produit ainsi que le matériau utilisé étant spécifiés par le donneur d’ordres. Pour ce type de production, des contraintes importantes existent en termes de délai et de prix, ce qui impose de produire en mode « non conventionnel », c’est-à-dire : – matière première en granulés de grades commerciaux précompoundés disponibles sur le marché, et pour lesquels la formulation, c’est-à-dire le type et la quantité de stabilisant et de lubrifiant sont figés ; – utilisation d’extrudeuses monovis ; la vitesse de production plus faible est acceptée afin d’avantager la flexibilité de production ; la rapidité dans le changement de produit est privilégiée car les quantités à produire sont plus faibles ; la formulation imposée de la matière première sous forme de granulés favorise la monovis ; – outillages à plaques moins coûteux et plus faciles à changer ; – conformateurs et calibreurs courts car la vitesse de production est plus faible, et la flexibilité de changement de produit est plus grande.

La recherche de la meilleure adéquation entre commande et outil de production conduit à des arbitrages de circonstances. Citons quelques exemples classiques en extrusion : – toute fabrication étant précédée d’un arrêt pour préparation (nettoyage des circuits d’alimentation de matière, montage de l’outillage filière et calibration, mise en place de la procédure de démarrage, etc.), puis d’un temps de démarrage pendant lequel ne sont produits que des déchets, la double contrainte d’une « petite » quantité à produire et du respect d’un objectif de taux d’utilisation le plus élevé possible conduit à utiliser un équipement dont la mise en œuvre est plus rapide, la productivité et le coût horaire moindres ; – il est parfois nécessaire d’arbitrer en faveur d’une ligne de production en fonction de critères de flexibilité et de réactivité pour satisfaire une contrainte de délai,

■ Petits profilés

Il existe d’autres exemples plus spécifiques de l’extrusion des profilés. Cette spécificité tient aux faits qu’un profilé est un produit dont la forme est complexe, voire très complexe, et qui est le plus souvent fabriqué en PVC rigide : – la complexité de la forme augmente le nombre de points d’arrêts (ou de stagnations) de la matière ; – le PVC rigide augmente le risque de dégradation autour de ces points d’arrêts, et impose de stopper immédiatement la production dès qu’apparaissent des points noirs.

La section droite des profilés ou leur poids au mètre, lorsqu’il est faible (inférieur à 100 ou 150 g/m), peut aussi influencer le type de solution utilisée : – extrudeuse monovis le plus souvent ; – filières à sortie double permettant de doubler le débit utile ; – vitesse de défilement des profilés augmentée car les profilés étant de section faible, le refroidissement est plus efficace.

Cette double caractéristique débouche sur un arbitrage propre à cette industrie, dont l’argumentaire est le suivant : – une bivis coûte deux fois plus cher qu’une monovis (coût d’amortissement (acquisition) et d’entretien) ; – selon la technologie retenue, le coût d’un l’outillage (filière et conformateur), varie du simple au triple ; – combien de temps un équipement donné (extrudeuse, filière, outillages de conformation et de calibration) peut-il produire avant que n’apparaissent des traces de décomposition ? Au prix de quel surcoût, lié à une stabilisation-lubrification plus efficace de la matière, peut-on retarder cette échéance ? – Comment évaluer le risque pris d’une immobilisation future de l’équipement (extrudeuse et outillages) au cas où un grand démontage-nettoyage s’imposerait ?

4. Éléments de la ligne d’extrusion 4.1 Extrudeuse Dans la très grande majorité des cas, le PVC rigide étant utilisé, on fait appel à une extrudeuse bivis contra rotative. Le premier avantage des bivis est qu’elles permettent d’utiliser le PVC avec ses additifs sous forme de poudre (dry blends). On peut ainsi additionner selon sa propre recette les stabilisants et plastifiants voulus aux quantités désirées. L’extrudeuse bivis contrarotative interpénétrée est utilisée dans la majorité des cas car elle permet d’assurer une action d’homogénéisation importante, tout en évitant des taux de cisaillement trop élevés. Elle permet des débits élevés, et a la propriété d’être auto-nettoyante (absence de points de stagnation). De par son excellente capacité d’homogénéisation

3.2.2 Choix du mode de production Une analyse de ces arguments pour/contre et la longueur de la série à produire peuvent déboucher sur la décision d’extruder en

AM 3 645 – 8


ＵＴ

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Extrusion-soufflage de grands corps creux par

Serge DUPONT Ingénieur civil mécanicien Docteur en Sciences Appliquées, Université Catholique de Louvain (Belgique) Corporate Industrial Director, Plastic Omnium Automotive INERGY

1.

Défits et spécificités ............................................................................. AM 3 646v2 - 2

2. 2.1 2.2 2.3 2.4

Extrusion-soufflage................................................................................ Description du procédé d’extrusion soufflage......................................... Éléments constitutifs d’une souffleuse .................................................... Particularités du soufflage de grands corps creux .................................. Applications et polymères utilisés............................................................

— — — — —

2 2 4 4 6

3. 3.1 3.2 3.3

Extrusion ................................................................................................... Extrudeuses ................................................................................................ Vis et fourreaux utilisés en extrusion-soufflage ...................................... Analyse du fonctionnement et problèmes rencontrés............................

— — — —

7 7 7 9

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Formage de la paraison......................................................................... Extrusion continue & discontinue............................................................. Têtes à accumulation ................................................................................. Têtes multicouches .................................................................................... Calcul des filières et poinçons................................................................... Réglage d’épaisseur................................................................................... Régulation axiale (WDS)............................................................................ Poinçons de forme & SFDR ....................................................................... Régulation azimutale (PWDS-RWDS) ....................................................... Évaluation de la répartition des épaisseurs par thermographie ............ Modélisation de l’extrusion de la paraison..............................................

— — — — — — — — — — —

9 9 12 12 13 14 15 15 16 17 18

5. 5.1 5.2 5.3 5.4

Soufflage de la paraison....................................................................... Drapage, pincement et prégonflage ......................................................... Modes de soufflage (canne, aiguille,…) ................................................... Éléments de contrôle du procédé ............................................................. Modélisation du soufflage.........................................................................

— — — — —

19 19 19 20 20

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Moules de soufflage .............................................................................. Dimensions et retraits................................................................................ Matériaux utilisés ....................................................................................... Refroidissement des moules..................................................................... Dispositifs particuliers ............................................................................... Refroidissement interne ............................................................................ Traitement de surface ................................................................................

— — — — — — —

20 21 21 23 26 27 27

7.

Extraction de la pièce............................................................................

—

28

8. 8.1 8.2

Postrefroidissement .............................................................................. Évolution des dimensions lors du refroidissement Stabilisation ................................................................................................

— — —

28 28 31

9. 9.1 9.2 9.3

Opérations de finition ........................................................................... Découpes & poinçonnage ......................................................................... Soudures..................................................................................................... Contrôles (dimensionnel, étanchéité).......................................................

— — — —

31 31 31 32

10. Conclusions et perspectives ...............................................................

—

34

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Pour en savoir plus .................................................................................................. Doc. AM 3 646v2


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AM 3 646v2 – 1


EXTRUSION-SOUFFLAGE DE GRANDS CORPS CREUX _______________________________________________________________________________________

L’extrusion-soufflage de grands corps creux a connu, depuis le milieu des années 90, un développement spectaculaire avec, notamment, l’émergence des réservoirs à carburant en matière plastique. Ces derniers remplacent progressivement les réservoirs métalliques : en 2010, près de 50 millions de pièces plastiques ont été produites au niveau mondial. Les parts de marché du réservoir plastique s’élèvent à environ 90 % en Europe, 85 % sur le continent nord-américain et atteignent 50 % en Asie, où le changement de matériau a démarré plus tardivement, mais où une forte croissance est prévue d’ici 2020. Le succès du réservoir plastique auprès des constructeurs automobiles repose à la fois sur des arguments techniques et économiques. La solution plastique permet en effet un gain de poids, et offre l’avantage de la réalisation de designs plus complexes mieux à même de s’intégrer dans l’environnement véhicule. Elle présente une amélioration de la sécurité au regard des tests crash et feu. La grande inertie chimique des plastiques utilisés permet de s’affranchir des effets de la corrosion qui s’appliquent aussi bien sur la face externe (environnement, sel de déneigement) que sur l’intérieur (biocarburants) des réservoirs en métal. Enfin, des voies existent afin d’assurer le recyclage dans la même application. Après un bref rappel du procédé de fabrication, le présent article s’attache à décrire les spécificités de l’extrusion-soufflage des grands corps creux au niveau des matières utilisées, des équipements et des outillages.

1. Défis et spécificités

2 500 mm en longueur, 500 mm à 1 200 mm en largeur et 300 mm à 700 mm en profondeur pour un réservoir à carburant) ; 4/ un encombrement relativement grand des équipements : l’empreinte au sol d’une souffleuse pour réservoir multicouche est de l’ordre de 20 m × 15 m, pour une hauteur sous crochet de l’ordre de 10 m. La longueur d’une chaîne de fabrication peut atteindre 100 m à 150 m, en tenant compte des utilités (compresseur, broyeur, groupe froid, stockage et alimentation matière), des équipements de finition et de l’entreposage intermédiaire des pièces produites.

La fabrication de grands corps creux produits par extrusion-soufflage se heurte à trois difficultés principales : 1/ réaliser la distribution d’épaisseur souhaitée : si généralement, une distribution uniforme permet de réduire le poids, accélérer le refroidissement et diminuer les risques de déformations, certaines parties de la pièce (plages de soudure, goulot, embase, patte de fixation…) peuvent requérir des valeurs particulières qu’il faut pouvoir assurer ; 2/ obtenir la géométrie correspondant à la définition théorique : les pièces produites sont intégrées dans leur environnement avec des tolérances dimensionnelles étroites qui doivent être garanties tout au long de la vie du produit ; 3/ garantir les propriétés (mécaniques, étanchéité, perméabilité…) prévues par les cahiers des charges : le souci de la sécurité des personnes et de la qualité de notre milieu de vie engendre des normes de plus en plus sévères à respecter.

La paroi d’un réservoir multicouche est composée de plusieurs matériaux coextrudés, qui, par leurs propriétés spécifiques (rigidité, perméabilité…), contribuent aux performances de l’enveloppe ; nous reviendrons à ce concept au paragraphe 4.3

2. Extrusion-soufflage

La maîtrise de ces problèmes nécessite une compréhension du procédé et des phénomènes physiques en jeu (rhéologie des polymères, retraits et relaxation des contraintes…), l’utilisation de résines et la mise en place de technologies adaptées ainsi que le retour de l’expérience accumulée au fil des années.

2.1 Description du procédé d’extrusion soufflage

Outre les spécificités techniques évoquées, les lignes de fabrication de grands corps creux se distinguent aussi par : 1/ des cadences faibles (de l’ordre de 30 à 60 pièces par heure), justifiées par les temps de refroidissements importants (40 s à 150 s) liés aux épaisseurs des pièces (3 mm à 10 mm) ; si le temps de démarrage d’une installation est compris entre 1 et 2 h, la stabilisation du procédé n’est souvent atteinte qu’après plusieurs heures, de sorte que les lignes de fabrication sont presque toujours exploitées en 3, voire 4 équipes ; 2/ des débits matière élevés (300 kg/h à 1 500 kg/h), dus aux poids des paraisons à produire (5 kg à 15 kg), le poids relatif des chutes, encore appelées carottes, se situant généralement entre 30 % et 50 % ; les taux de rebut au soufflage sont compris entre 1 % et 2 % ; 3/ des tailles d’outillage importantes, tant au niveau des filières (200 mm à 1 000 mm) que des moules de soufflage, conséquence des dimensions des corps soufflés (typiquement 1 000 mm à

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Les grands corps creux comme les réservoirs à carburant sont produits suivant le procédé d’extrusion-soufflage. Cette technique de mise en œuvre repose sur 9 étapes (figure 1) : 1/ l’alimentation de la machine sous forme de granulés ou de poudre ; outre la résine vierge, on procède à ce stade à l’ajout éventuel de colorant, sous forme de mélange maître et à l’incorporation des chutes de production, sous forme de broyés ; 2/ l’extrusion de la résine thermoplastique à l’aide d’un ensemble vis/fourreau appelé extrudeuse. Au cours de cette opération, la matière est comprimée et passe de l’état solide à l’état fondu avant de pénétrer dans la tête d’extrusion ; 3/ le formage d’une paraison ou cylindre de matière fondue au travers d’une filière annulaire ; celle-ci est la plupart du temps munie de dispositifs de régulation permettant de moduler son épaisseur ;


ＵＶ


_______________________________________________________________________________________ EXTRUSION-SOUFFLAGE DE GRANDS CORPS CREUX

Figure 1 – Étapes du procédé d’extrusion-soufflage (doc. DFM)


ＵＷ

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4/ l’expulsion de la paraison soit de manière continue, soit par accumulation. Dans ce dernier cas, la matière nécessaire à la formation de la paraison est accumulée dans la tête avant son expulsion ; 5/ la découpe et le pincement de la paraison entre les deux blocs d’un moule ; 6/ le soufflage de la paraison : à la fermeture du moule, de l’air ou un autre mélange gazeux est injecté assurant le placage de la paraison sur les parois ; 7/ le refroidissement de la pièce soufflée, par contact avec les parois refroidies du moule et par brassage intense du mélange gazeux compris dans le corps creux ; 8/ l’ouverture du moule et l’extraction de la pièce ; 9/ l’élimination des carottes, qui sont broyées et réintroduites dans le procédé (voir (1)).

Tête d’extrusion

Pince d’extraction

Moule

Après le soufflage proprement dit, a lieu une phase de postrefroidissement, libre ou contraint, assurant la stabilité dimensionnelle nécessaire aux opérations ultérieures de finition.

Plateaux

L’extrusion-soufflage possède de nombreux avantages. Elle permet : – d’utiliser des moyens automatiques ; – de réaliser des pièces de formes complexes et de grandes dimensions ; – d’utiliser des moules présentant un coût raisonnable ;

Canne de soufflage

Bâti

Figure 3 – Unité de fermeture (doc. DFM)

Alimentations matières

Les cadences atteintes dépendent de l’efficacité du refroidissement : elles sont donc élevées, dans le cas de pièces fines de petites dimensions, plus faibles pour les grands corps creux d’épaisseur plus importante.

Extrudeuses

Le procédé comporte également un certain nombre d’inconvénients. Il demande : – une mise au point parfois délicate des épaisseurs ; – des tolérances sur les dimensions relativement larges ; – une thermique de moule bien contrôlée.

Alimentations matières

Tête d’extrusion

Dans le cas des réservoirs à carburant, une analyse technicoéconomique détaillée est fournie dans [1].

2.2 Éléments constitutifs d’une souffleuse Unité de fermeture

La machine d’extrusion-soufflage est constituée de deux éléments essentiels : 1/ l’unité d’extrusion (figure 2) qui se compose d’une ou plusieurs extrudeuses, munie(s) de leur système d’alimentation et de la tête d’extrusion. Elle réalise les étapes 1 à 4 décrites en 2.1 ; 2/ la presse ou l’unité de fermeture (figure 3) qui comprend le bâti supportant les plateaux, sur lesquels sont fixées les empreintes du moule. Elle est le siège des étapes 5 à 8 décrites en 2.1.

Trémie d’alimentation

Figure 4 – Configuration d’une presse de soufflage (doc. KAUTEX Maschinenbau GmbH, type KBS241 COEX6)

La configuration habituelle des souffleuses consiste à placer l’unité d’extrusion au-dessus de l’unité de fermeture (figure 4).

Élément chauffant et ventilateur

Groupe motoréducteur

Les principaux constructeurs de souffleuses pour corps creux de grandes dimensions sont KAUTEX Maschinenbau (Bonn, Allemagne), BEKUM Maschinenfabriken (Traismauer, Autriche), Soffiagio Technica (groupe MEICO, Monza, Italie), The Japan Steel Work (Yokohama, Japon) et KINGSWEL MACHINARY (Shanghai, Chine).

2.3 Particularités du soufflage de grands corps creux

Cylindre

Dans le cas de grands corps creux, le cycle de soufflage, tel que décrit au paragraphe 2.1, est quelque peu modifié (figure 5). 1/ au vu de la taille de l’article, le poids de la paraison peut atteindre une voire plusieurs dizaines de kg ; dans le cas d’une tête à accumulation, le temps d’expulsion correspondant est généralement compris entre 5 s. et 15 s. ; dans le cas d’une extrusion continue, la

Tête d’extrusion Fourreau rainuré Figure 2 – Unité d’extrusion (doc. DFM)

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ＵＸ



Figure 5 – Particularités de l’extrusion-soufflage de grands corps creux (doc. DFM)


ＵＹ

AM 3 646v2 – 5



– une largeur importante de la distribution de masse moléculaire, pour éviter les pressions élevées dans l’outillage ainsi que l’apparition de défauts de surface en sortie de filière ; – une bonne étirabilité, afin d’obtenir, lors du plaquage de la paraison sur les parois du moule, une distribution d’épaisseur la plus homogène possible ; – une bonne stabilité thermique, de manière à limiter les phénomènes de réticulation lors des arrêts ainsi qu’après les recyclages multiples des chutes de production ; 2/ Les contraintes liées au produit demandent : – un poids moléculaire élevé, de manière à satisfaire les performances mécaniques (résistance à l’impact, fluage sous charge limité) ; – une bonne résistance à la fissuration sous tension en présence de carburant ; – un indice de fluidité faible, afin d’éviter, lors d’un test de feu, un percement trop rapide de l’enveloppe ; – dans le cas de la fluoration en ligne, une teneur réduite en oligomères ainsi qu’en additifs, et ce afin d’assurer un bon accrochage de la couche fluorée ; – une bonne résistance au rayonnement UV.

matière est éjectée au fur et à mesure pendant le cycle de soufflage de la pièce précédente, d’une durée typique de 60 à 150 s. 2/ en fin d’expulsion, le bas de la paraison est étiré et scellé ; la paraison est ensuite prégonflée. Ces opérations sont destinées à lui assurer une configuration stable et reproductible ; 3/ après fermeture du moule, les gaz de soufflage sont introduits à l’intérieur de l’enveloppe au travers d’orifices ; ceux-ci peuvent prendre la forme de cannes ou d’aiguilles, logées dans la paroi du moule ; 4/ le refroidissement de la pièce est assuré par contact avec les parois du moule et par circulation du gaz à l’intérieur de l’enveloppe ; pendant cette étape, il est possible de procéder à un traitement de la surface interne, destiné à réduire la perméabilité de la peau interne (fluoration en ligne) ; 5/ en fin de cycle, on procède à l’évacuation des gaz de soufflage via la canne et les aiguilles ; 6/ après ouverture du moule, la pièce brute est évacuée vers le poste de décarottage. Un exemple de synoptique est présenté sur la figure suivante, dans le cas du soufflage monocouche par accumulation.

Le tableau 1 reprend les principales propriétés des résines utilisées dans le cas de soufflage de grands corps creux (ici réservoirs à carburant). Le tableau 2 fournit les principaux grades homologués pour cette application.

Attente Expulsion paraison Transfert paraison

Tableau 1 – Propriétés des résines de soufflage

Drapage

Méthode

PEHD (soufflage)

Densité

ISO 1183

0,943 à 0,953

MFI (190 °C, 21,6 kg) (g/10 min)

ISO 1133

3,7 à 9,0

Module en traction (MPa)

ISO 527 (50 mm/min)

> 800

Limite élastique (MPa)

ISO 527 (50 mm/min)

> 23

Limite élastique (%)

ISO 527 (50 mm/min)

9 à 15

IZOD entaillé +23 °C (kJ/m2)

ISO 180/1A

> 23

IZOD entaillé -40 °C (kJ/m2)

ISO 180/1A

> 17

Température de fusion (°C)

ISO 3146

> 130

Vicat A – 1 kg (°C)

ISO 306

> 125

Vicat B – 5 kg (°C)

ISO 306

> 75

Caractéristiques

Fermeture des pinces des prégonflage Prégonflage Fermeture rapide du moule Fermeture lente du moule Piquage Soufflage Ouverture des pinces des prégonflage Avance pince de sortie article Dégazage (désaérage) Ouverture du moule Descente drapage Extraction de pièce Rapprochement des étireurs

Période d’induction à l’oxygène « OIT » (min)

ISO 11357

2.4 Applications et polymères utilisés Résistance à la fissuration sous tension

La résine de base utilisée pour les réservoirs à carburant est le polyéthylène haute densité (PEHD). Plusieurs types de contraintes guident le choix des matières utilisées ainsi que leurs propriétés rhéologiques, mécaniques et chimiques. 1/ Les contraintes liées au procédé nécessitent : – un poids moléculaire élevé, de manière à limiter les phénomènes d’étirage lors de la phase d’expulsion : cette contrainte est particulièrement sévère dans le cas de l’extrusion continue ;

AM 3 646v2 – 6

> 30 min soufflage coex > 14 min soufflage mono

ASTM D1693 A

> 500

ISO 868

60 à 65

ESCR Bell test A (h) Dureté Shore A MFI (Melt Flow Index) : Indice de fluidité


ＶＰ



Tableau 2 – Principales résines homologuées pour la production de réservoirs à carburant Caractéristique

Méthode

JPE HB111R

INEOS K46-06

LYONDELL BASELL 4261AG

EXXON BA46-055

TOTAL MS201B

HLMI........................................ (g/10 min.)

ISO 1133

5,9

4,6

5,6

5,5

8

Masse volumique ........................ (kg/m3)

ISO 1183

945

946

945

946

949

Module en flexion 23 °C ............... (MPa)

ISO 178

1000

1000

1000

1100

1200

Limite élastique ............................. (MPa)

ISO 527

23

23

23

24

24

Tension à la rupture (Break)......... (MPa)

ISO 527

41

37

42

40

43

Élongation à la rupture ......................(%)

ISO 527

640

570

620

630

670

Charpy Impact -40 °C .................. (kJ/m2)

ISO 179

9,8

9,3

9,9

9,9

9,5

Résilience en traction avec entaille 0 °C .................................. (kJ/m2)

ISO 180

158

147

157

146

140

Résistance à la fissuration sous tension FNCT 80 °C 6 MPa ...............................(h)

ISO 16770

80

55

90

15

20

Résistance à la fissuration sous tension ESCR 10 % IGEPAL..............................(h)

ASTM 1693A

>600

>600

>600

360

550

HLMI (High Load Melt Index) : indice de fluidité mesuré selon la norme ISO 1133 en utilisant comme poids 21,6 kg pour l’extrusion du matériau

3. Extrusion

– elle assure la mise en pression de la matière et la force à passer par la filière. Le passage de la matière de la phase solide à la phase liquide se fait :

3.1 Extrudeuses

– par apport calorifique du système de chauffage ; – par friction entre les granulés ; – par frottement des granulés sur le fourreau.

L’extrudeuse est constituée (figure 2) : – d’une vis, composée de différentes sections ; – d’un groupe motoréducteur entraînant la vis ; – d’un fourreau ou cylindre situé autour de la vis ; – d’un système de chauffage et de régulation de la température (type colliers chauffants) réparti le long du fourreau ; – de ventilateurs permettant le refroidissement du fourreau ; – de sondes qui mesurent la température du fourreau et permettent la régulation en boucle fermée des colliers chauffants.

L’extrusion est la principale source de consommation d’énergie de la machine soufflage (figure 6). Dans le cas de la fabrication de réservoirs à carburant en polyéthylène haute densité, en tenant compte des utilités industrielles (compresseur, groupe froid) et des périphériques (broyeur), la consommation totale du procédé représente de l’ordre de 700 à 800 Wh/kg de matière mise en œuvre. La part relative à l’extrusion est typiquement comprise entre 320 Wh/kg à 360 Wh/kg, dont 240 Wh/kg à 270 Wh/kg pour l’énergie consommée par le moteur et 80 Wh/kg à 90 Wh/kg pour celle consommée par les chauffes. Nous reviendrons sur ces valeurs par la suite.

Jusqu’à il y a quelques années, les moteurs électriques équipant les extrudeuses étaient du type courant continu, alimentés en tension triphasée et pilotés par un variateur à thyristors fournissant une tension continue redressée. Depuis une dizaine d’années sont apparus progressivement des moteurs à courants alternatifs, asynchrone jusqu’à une puissance de 200 kW, synchrones au-delà.

3.2 Vis et fourreaux utilisés en extrusionsoufflage

Cette évolution a été rendue possible par le développement de variateurs de fréquence et est motivée par la réduction des coûts de maintenance (suppression des balais) ainsi que l’augmentation des rendements. Dans le même ordre d’idée, les boîtes de vitesse traditionnelles avec poulies entraînées par courroies sont de plus en plus remplacées par des alimentations en prise directe. Des solutions existent aujourd’hui pour des diamètres de vis jusqu’à 50 mm, avec des rendements proches de 95 %.

La géométrie des vis est généralement caractérisée par les paramètres suivants [2] : – le diamètre externe de la vis D ; – la longueur de la vis L, exprimée souvent en fonction du rapport L/D ; – le pas de la vis X, souvent exprimé en multiple du diamètre ; – la profondeur du filet H ; – le nombre de filets nf ; – l’épaisseur du filet b, mesurée parallèlement à l’axe de la vis ;

L’extrudeuse accomplit trois fonctions principales : – elle transporte la matière le long du fourreau, depuis la zone d’alimentation jusqu’à la filière ; – elle plastifie la matière de façon homogène grâce au malaxage et à la chaleur apportée de l’extérieur ;


ＶＱ

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19 %

Trémie Niveau max

Extrusion 61 %

20 %

Chauffes Mouvements Clapet Niveau min

a consommation relative des éléments d'une souffleuse Cellule de mesure 17 %

Chambre de mesure

Souffleuse 6% 56 % 21 %

Extrudeuse

Compresseur Broyeur Groupe Froid

Le débit réel est calculé en mesurant la perte de poids dans la chambre de mesure, isolée de la trémie par le clapet

b consommation relative d'une souffleuse et de ses périphériques Figure 6 – Répartition de la consommation d’énergie au sein de la machine de soufflage et du procédé

Les paramètres H, X et nf peuvent varier sur la longueur de la vis.

Le débit réel est comparé à la consigne

Quelques valeurs typiques des différents paramètres, pour des extrudeuses PEHD à fourreau rainuré, sont données ci-après : – rapport L/D : 20…28 ; – pas X : au niveau du fourreau rainuré, 0,8 à 1D, le long du cylindre 1…1,4D ; – profondeur du filet H : 0,06…0,08D ; – nombre de filets nf : 1 ou 2 ; – épaisseur du filet b : 0,07 à 0,1D.

La vitesse est adaptée en fonction de l’écart avec la consigne

Figure 8 – Équipement gravimétrique pour le contrôle du débit

Les extrudeuses pour machines de soufflage comprennent presque toujours une zone de fourreau rainuré à l’alimentation (figure 7), intensivement refroidie par un circuit d’eau, et isolée thermiquement du reste du fourreau. La longueur de cette zone varie de 3 à 5D à partir du centre de l’orifice d’alimentation. Ce dispositif permet d’assurer un débit relativement constant pour une vitesse de rotation donnée, et ce quelle que soit la pression en pointe de vis. Cette caractéristique est particulièrement importante en extrusionsoufflage, où la pression en pointe de vis varie lors de d’expulsion de la paraison suite au mouvement du poinçon (voir § 4.6).

tion de la vis. Cela permet d’obtenir des variations de débit inférieures au pourcent. L’analyse du fonctionnement d’une vis peut se faire en calculant les grandeurs suivantes : Taux d’alimentation C : il s’agit de la quantité de matière extrudée par tour de vis ; il s’exprime comme le rapport entre le débitmasse M et la vitesse de rotation de la vis (RPM) et peut varier en fonction de celle-ci. Soient M, en kg/h et RPM en tr/min ; C, en g/tr, vaut alors :

Dans le cas particulier de l’extrusion continue, le débit réel est contrôlé à l’aide d’un équipement particulier (figure 8). Le poids extrudé est évalué en continu à l’aide d’une cellule de mesure et l’écart avec la consigne est corrigé en modifiant la vitesse de rota-

C = (M / RPM) (1000 / 60) Énergie spécifique d’extrusion E : c’est la quantité d’énergie transmise à la matière par l’extrudeuse. Par hypothèse, on se limite à considérer la seule énergie mécanique transmise, ce qui, dans le cas des extrudeuses à fourreau rainuré de diamètre supérieur à 80…90 mm, constitue une approximation raisonnable. Elle vaut le rapport entre la puissance absorbée par le moteur d’entraînement de la vis P et le débit-masse M.

Rainures

Soient P, en kW et M, en kg/h ; l’énergie spécifique E, en Wh/kg, vaut alors : E = 1000 P / M. Dans le cas du PEHD, l’énergie spécifique théorique minimale pour porter la matière de la température ambiante à celle de mise en œuvre est de l’ordre de 140 Wh/kg, ce qui représente 40 % des valeurs mesurées en pratique (320 Wh/kg à 360 Wh/kg, voir § 3.1). La différence s’explique par les pertes au niveau du moteur et du réducteur de vitesse ainsi que par la dissipation de chaleur par friction dans la zone de fourreau rainuré et le long du cylindre.

Circuit de refroidissement Figure 7 – Schéma de principe d’un fourreau rainuré

AM 3 646v2 – 8


ＶＲ

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Défauts d’extrusion par

Rudy KOOPMANS Docteur en sciences Professeur à l’université de Leeds (Grande-Bretagne) Chef de recherches à Dow Benelux BV (Pays Bas)

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Phénomène de défauts d’extrusion .................................................... Définitions et terminologie ......................................................................... Déformations de surface............................................................................. Déformations de volume ............................................................................ Autre type de déformation d’extrudat .......................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Procédés d’extrusion de polymères.................................................... Extrusion en général ................................................................................... Extrusion-soufflage de gaine ...................................................................... Extrusion de film à plat ............................................................................... Extrusion-soufflage de corps creux ........................................................... Extrusion de câblerie................................................................................... Extrusion de profilés et tubes.....................................................................

— — — — — — —

4 4 5 6 6 7 8

3. 3.1 3.2 3.3

Origine des défauts d’extrusion .......................................................... Étude des défauts d’extrusion .................................................................... Interprétation macroscopique .................................................................... Interprétation microscopique .....................................................................

— — — —

8 8 11 12

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Prévention des défauts d’extrusion.................................................... Architecture du polymère ........................................................................... Conditions d’extrusion ................................................................................ Additifs ......................................................................................................... Autres méthodes .........................................................................................

— — — — —

13 13 14 15 16

5.

Conclusion .................................................................................................

—

16

Références bibliographiques .........................................................................

—

16

AM 3 657 - 2 — 2 — 3 — 3 — 4

L

ｏ｣ｴｯ｢ｲ･＠ＲＰＰＲ

es défauts d’extrusion sont des déformations d’extrudat souvent observées pendant l’extrusion à grande vitesse des matériaux thermoplastiques. Diverses formes de déformations d’extrudat peuvent être identifiées. Typiquement une distinction est faite entre les déformations localisées sur la surface et les déformations concernant le volume entier de l’extrudat. Les défauts du premier type sont communément désignés « peau de requin » et ceux du deuxième type sous le vocable « rupture d’extrudat ». Les combinaisons des déformations de surface et de volume se produisent également et sont connues sous le nom de défaut « bouchon » ou « défaut oscillant » (en anglais : « spurt » ou « stick-slip melt fracture »). Cependant, dans la pratique industrielle, les déformations de surface sont perçues comme le problème le plus important parce qu’elles apparaissent en premier et qu’elles limitent le débit de l’extrusion. L’objet extrudé (film, feuille, tube, câble ou corps creux) n’est plus conforme aux standards de qualité (il présente une perte de transparence optique, de lustre ou d’intégrité mécanique). Des mesures correctives permettent de différer l’apparition des déformations d’extrudat à des débits d’extrusion plus élevés : diverses solutions sont disponibles


ＶＳ

AM 3 657 − 1


DÉFAUTS D’EXTRUSION _________________________________________________________________________________________________________________

mais elles ne sont intéressantes que si elles demeurent économiquement acceptables. Typiquement la température d’extrusion du polymère fondu est augmentée ou le thermoplastique est mélangé avec un polymère semblable de viscosité inférieure ou des additifs sont ajoutés pour faciliter l’écoulement. Dans cet article, les divers types de défauts d’extrusion seront définis et décrits pour quelques procédés d’extrusion des thermoplastiques. Les causes possibles d’apparition des défauts d’extrusion seront analysées d’un point de vue scientifique. Quelques solutions typiques permettant de différer l’apparition des défauts d’extrusion seront présentées. Pour plus de détails, le lecteur pourra consulter utilement les articles consacrés à l’extrusion, dans ce traité : — Extrusion. Procédés d’extrusion monovis (Partie 1) [AM 3 650] ; — Extrusion. Procédés d’extrusion monovis (Partie 2) [AM 3 651] ; — Extrusion. Procédés d’extrusion bivis [AM 3 653] ; — Modélisation des écoulements dans les filières d’extrusion [A 3 655]. (0)

Abréviations utilisées Symbole normalisé EPDM EVA

Nom chimique Élastomères à base de monomère éthylène propylène diène Copolymère d’acétate de vinyle et d’éthylène

PA

Polyamide

PB

Polybutadiène

PC

Polycarbonate

PE

Polyéthylène

PE-BD

Polyéthylène ramifié basse densité

PE-BDL

Polyéthylène basse densité linéaire

PE-HD

Polyéthylène linéaire haute densité

PI PMMA PP PS PTFE PTFE-HFP PVC

Polyisoprène Poly(méthacrylate de méthyle) Polypropylène Polystyrène Poly(tétrafluoroéthylène) Poly(tétrafluoroéthylène-hexafluoropropylène) Poly(chlorure de vinyle)

PVDF

Poly(fluorure de vinylidène)

mPE

Polyéthylène à catalyse métallocène

1. Phénomène de défauts d’extrusion

polymères qui sont produits chaque année par millions de tonnes. La situation est différente pour les plastiques techniques – polyamide (PA), polycarbonate (PC), et polyesters – dont les prix sont plus élevés (d’un facteur trois ou plus), et pour lesquels la valeur plus élevée de l’application finale peut permettre un processus plus lent d’extrusion. Le fonctionnement des extrudeuses à des débits élevés est cependant limité par l’apparition des défauts d’extrusion qui rendent l’application inacceptable. La déformation d’extrudat peut être considérée comme le résultat d’une instabilité d’écoulement. Toutefois, contrairement aux instabilités liquides classiques qui sont associées aux écoulements turbulents, les défauts d’extrusion apparaissent alors que l’écoulement des polymères fondus fortement visqueux est laminaire. La dissipation de l’énergie liée à la turbulence ne se produit pas dans le cas des polymères fondus, le nom-

1.1 Définitions et terminologie Le bilan économique pour l’extrusion des polymères thermoplastiques de grande diffusion – polyéthylène (PE), polypropylène (PP), polychlorure de vinyle (PVC), polystyrène (PS) – est déterminé uniquement par le débit d’extrusion en terme de mètres de film, feuille ou tube ou de nombre d’objets finis par minute. Il est nécessaire d’atteindre le débit d’extrusion le plus élevé possible pour ces

AM 3 657 − 2


ＶＴ


_________________________________________________________________________________________________________________ DÉFAUTS D’EXTRUSION

1.2 Déformations de surface

bre de Reynolds typique de 1 000 à 2000 pour l’initiation de la turbulence n’étant jamais atteint. Dans la littérature anglo-saxonne, les défauts d’extrusion sont désignés généralement sous le nom de melt fracture, une terminologie inventée par John Tordella en 1956. Ses expériences d’extrusion des polyéthylènes, des polyacrylates, des polyamides et des polytétrafluoroéthylènes ont montré que, dans certaines conditions, les extrudats sont rugueux et que leur forme n’est pas conforme aux sections de la filière de l’extrudeuse [1]. Le nom de « rupture d’extrudat » vient de l’observation de petites fissures dans l’extrudat, initiées à l’entrée de la filière et au-dessus d’une pression critique. Les expériences de visualisation d’écoulement ont pu avoir inspiré la terminologie de rupture. La conjecture de Tordella était que, pendant l’écoulement, une contrainte élastique substantielle est imposée et que l’incapacité du polymère fondu de se déformer élastiquement a pour conséquence la rupture. La terminologie melt fracture, c’est-à-dire rupture d’extrudat, a été employée depuis pour décrire collectivement tous les types de déformations d’extrudat. L’inspection visuelle des extrudats a mené par la suite à l’introduction de nombreuses terminologies descriptives telles que la brume, le matte, la perte de lustre, la peau d’orange, la peau de requin, la peau de crocodile, les raies de tigre, le défaut hélicoïdal, le bouchon, le défaut oscillant ou chaotique. Par ailleurs, on a défini une terminologie associant les phénomènes à une origine perçue. La « turbulence structurale » et la « turbulence élastique » sont des exemples notables. La dernière nomenclature est bien évidemment douteuse, puisque la turbulence ne se produit pas dans des écoulements de polymères (cf. article [A 3 655]). En général, la sémantique n’a certainement pas contribué à la clarté du débat et toute définition est sujet à polémique.

La plupart des recherches sur les défauts d’extrusion se concentrent sur l’écoulement dans des filières capillaires ou dans des filières plates. On observe des déformations de surface sous forme d’ondulations à haute fréquence et de petite amplitude superposées à un noyau d’extrudat uniforme. Elles peuvent être périodiques ou apériodiques, changer d’amplitude et/ou de fréquence, ressembler à des ondulations ou apparaître comme des fissures orientées transversalement à l’écoulement (figures 1 a, b). Les fissures peuvent être significatives et ressembler à une couche de peau étirée qui périodiquement est « ramenée en arrière » ou qui tourne en spirale autour du noyau uniforme (figure 1 c, d). Les déformations à haute fréquence de petite amplitude sont souvent connues sous le nom de « peau de requin ». Les extrudats présentant des déformations de surface émergent hors de la filière en conservant une section rectiligne.

1.3 Déformations de volume Les déformations de volume diffèrent des déformations de surface principalement parce qu’elles se produisent dans tout l’extrudat. Elles peuvent avoir un aspect onduleux de forme hélicoïdale (figure 2 a). La spirale peut être extrêmement régulière, présenter une périodicité reproductible et elle a souvent une surface lisse. L’extrudat peut également être tordu avec des déformations de surface superposées. Le mouvement hélicoïdal de l’extrudat entier est typiquement de basse amplitude et de basse fréquence (figure 2 b). Dans d’autres cas, habituellement aux débits très élevés, l’extrudat peut devenir fortement tordu ou prendre une forme grumeleuse et très irrégulière (figure 2 c, d). Ceci est parfois mentionné comme gros melt fracture ou défaut chaotique.

L’utilisation commune du vocable rupture d’extrudat est insuffisante pour englober tous les phénomènes et la rupture ne peut pas toujours être liée à son origine. Comme terminologie plus neutre et plus générale, les expressions instabilité d’écoulement et déformation d’extrudat sont employées. La première fait référence à l’origine, tandis que la dernière décrit le résultat final. Dans ce qui suit, la terminologie défauts d’extrusion est employée de manière imprécise pour se rapporter à n’importe quelle forme de déformation d’extrudat. Deux types distinctifs de défauts d’extrusion sont identifiés : déformations de surface et de volume.

a ondes

Les extrudats présentant des déformations de volume émergent de la filière d’une façon tourbillonnante.

b fissures

c fissures importantes

d fissures hélicoïdales

Figure 1 – Déformations de surface observées pour des extrudats émergeant d’une filière capillaire


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DÉFAUTS D’EXTRUSION _________________________________________________________________________________________________________________

a hélice

b torsade

c torsade importante

d aspect granuleux irrégulier

Figure 2 – Déformations de volume observées pour des extrudats émergeant d’une filière capillaire

1.4 Autre type de déformation d’extrudat Déformations de volume

Pour certains polymères, l’extrudat émerge hors de la filière d’une façon oscillante. Ce phénomène connu sous le nom de défaut bouchon ou défaut oscillant est la conséquence d’un état dynamique et périodique du polymère et se présente pour un écoulement « continu » et « discontinu » (cf. § 3.1.1 et § 3.1.2). L’extrudat montre alors une succession périodique de zones sans déformation ou avec déformations de surface, et de zones avec déformations de volume (figure 3). La périodicité du défaut peut changer selon le type de polymère et les conditions d’extrusion. En fait le défaut bouchon est un état dynamique pendant l’extrusion des polymères fondus avec alternance des déformations de surface et de volume.

Déformations de surface

Extrudat lisse Déformations de volume

Même si les défauts d’extrusion sont seulement de deux types – déformations de surface et de volume – leur discrimination peut devenir difficile. On peut par exemple confondre un défaut de « peau de requin » très marqué avec un défaut volumique de type hélicoïdal. L’aspect des défauts d’extrusion est fortement lié aux débits d’extrusion à la température du polymère fondu, à la géométrie de la filière et au type de polymère utilisé. Parfois, en particulier avec du polyéthylène linéaire, avec l’augmentation de la vitesse d’écoulement les déformations de surface apparaissent d’abord, suivies du défaut oscillant puis des déformations de volume. Dans d’autres cas, typiquement pour le polyéthylène ramifié (PEBD), le polypropylène (PP) et le polystyrène (PS), on observe d’abord des déformations de volume, parfois en combinaison avec des déformations de surface.

a polyéthylène haute densité (PEHD)

Déformations de volume

2. Procédés d’extrusion de polymères

Extrudat lisse

Déformations de volume

2.1 Extrusion en général L’extrusion des polymères est un des procédés essentiels pour former les matériaux thermoplastiques disponibles en granulés ou en poudre [9]. L’extrusion consiste à convoyer le polymère solide puis à le fondre et à le soumettre à une pression grâce à l’action d’une vis qui tourne à l’intérieur d’un fourreau chauffé (cf. articles

AM 3 657 − 4

b polyéthylène ramifié (PEBD) Figure 3 – Défaut bouchon ou oscillant


ＶＶ

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Coextrusion de feuilles et plaques par

Francis PINSOLLE Ingeńieur ENSEM (Ećole nationale supe´rieure d’e´lectricite´ et de mećanique de Nancy), Master of Sciences de l’Universite´ de Philadelphie (U of P), IAE (Institut d’administration des entreprises d’Aix-en-Provence)

1.

Proce´de´ de coextrusion .................................................................

2. 2.1 2.2

Marche´s............................................................................................. Feuille barrie`re.................................................................................... Conditionnement sous atmosphe`re modifieé ...................................

— — —

3 3 4

3. 3.1 3.2 3.3

De´fauts lie´s a` l’ećoulement multicouche................................... Non-uniformite´s ................................................................................. Discontinuite´s ..................................................................................... Conse´quences.....................................................................................

— — — —

4 4 5 5

4. 4.1

4.3

Technologie de la boıˆte de coextrusion...................................... Boıˆte de coextrusion bicouche........................................................... 4.1.1 Raccordement tangentiel ......................................................... 4.1.2 Raccordement perpendiculaire................................................ 4.1.3 Controˆle de l’enrobage ............................................................ Boıˆte de coextrusion multicouche ..................................................... 4.2.1 Jonction simultaneé ................................................................ 4.2.2 Jonction se´quentielle............................................................... 4.2.3 Jonction mixte ......................................................................... 4.2.4 Boıˆte de jonction monobloc ou modulaire ............................. Multiplicateurs de couches ................................................................

— — — — — — — — — — —

5 5 6 6 7 8 9 9 9 10 10

5. 5.1 5.2

Filie`re monocanal............................................................................ Zone portemanteau et preland .......................................................... Zone barre d’e´tranglement et le`vres .................................................

— — —

10 11 13

4.2

AM 3 659 – 2

6.

Filie`re multicanal ............................................................................

—

13

7.

Mesures d’e´paisseurs de couches ...............................................

—

14

8. 8.1 8.2

ˆ ts ...................................................................... Contraintes de cou Recyclage ............................................................................................ Surconsommations ............................................................................

— — —

14 14 15

9. 9.1 9.2

Coextrusion multibande ................................................................ Coextrusion multibande monocanal.................................................. Coextrusion multibande multicanal...................................................

— — —

15 15 15


Doc. AM 3 659

a coextrusion s’est imposeé en moins de quarante ans comme une composante technologique majeure de l’extrusion. Dans tous les domaines, du tube a` la feuille, du profile´ a` la plaque, de la bouteille au film souffle´, elle est au cœur des proce´de´s de fabrication. Elle permet, entre autres, d’incorporer : – une couche de protection sur une face exte´rieure de profile´ ; – un joint flexible sur un profile´ rigide ; – une couche de couleur et/ou de protection en surface d’une feuille ou d’une plaque ; – une couche interne barrie`re dans une feuille, un tube ou une bouteille ; – des rayures sur la paroi externe des tubes et des pailles (utiliseés pour boire) ; – une couche interne de recyclage, etc. En particulier, la coextrusion est omnipre´sente dans la fabrication de feuille ou plaque au point que pratiquement toute ligne vendue aujourd’hui incorpore plusieurs extrudeuses.

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AM 3 659 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＹ COEXTRUSION DE FEUILLES ET PLAQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

1. Proce´de´ de coextrusion

Aperçu historique A` la fin des anneés soixante, la coextrusion a constitue´ une ve´ritable re´volution qui a acce´le´re´ les de´veloppements de produits, mate´riaux, machines et proce´de´s, sans pour autant rendre obsole`te le proce´de´ de « mono-extrusion » ; cela me´rite d’eˆtre souligne´ tant il est rare qu’une innovation de rupture contribue au de´veloppement d’un proce´de´ de base sans le de´placer ou le remplacer. A` cette e´poque, l’ideé de coextrusion n’est pas en soi une ideé nouvelle : elle a de´ja` germe´ pour fabriquer des tuyaux de jardin en 3 couches (1947), puis des plaques bicouches en cellophane (1955) dont le proce´de´ a ensuite e´te´ adapte´ a` l’extrusion de plaques pour la fabrication de montures de lunettes multicolores. Il est a` noter qu’a` ses de´buts, la coextrusion utilise le proce´de´ avec filie`re multicanal. Les de´buts « officiels » du proce´de´ avec boıˆte de coextrusion datent de la fin des anneés 1960 : le brevet Dow [2] de´pose´ en dećembre 1967 par W. Schrenck et D. Chisholm pour Dow Chemical Company fut obtenu en Janvier 1971. En fait, ce brevet fut preće´de´ d’un autre brevet Dow (de´pose´ en Juillet 1965 par L.E. Lefevre – P. Breidt Jr pour Dow, et obtenu en Novembre 1969) [1] qui dećrivait le proce´de´ de fabrication du Saran™. Il fut rapidement suivi des brevets Welex (F. Nissel) [3] et Cloeren [4]. On peut faire remonter les de´buts « officieux » au milieu des anneés 1950. La premie`re boıˆte de coextusion fut l’œuvre de la socie´te´ Prodex lorsque A.A. Kaufman et F. Nissel eurent l’ideé de raccorder une deuxie`me extrudeuse en utilisant le trou du capteur de pression dans l’adaptateur preće´dant la filie`re. Cela leur permit d’effectuer rapidement un essai combinant du PS choc avec de l’acrylique qui de´boucha sur la fabrication de plaques bicouches destineés au thermoformage de baignoires et de coques de bateau. Une dećennie plus tard, ces meˆmes personnes, qui avaient entre-temps creé´ respectivement Kaufman S.A. en France et Welex aux USA, ont pu se pre´valoir de ce savoir-faire ante´riorisant le brevet Dow pour commercialiser leur boıˆte de coextrusion sans que leurs clients aient a` payer de licence. Dow vendit des licences aux constructeurs d’e´quipement d’extrusion tels que Johnson Plastics Machinery, HPM, Davis Standard et Gloucester Engineering (USA), ErWePa (Allemagne), ainsi qu’a` leurs clients qui durent donc payer des royalties sur chaque kilogramme de matie`re coextrudeé. Cobelplast, en Belgique, a e´te´ l’un des premiers licencie´s de Dow. La filie`re multicanal a e´te´ de´veloppeé comme une alternative a` la boıˆte de coextrusion par et pour ceux qui ont refuse´ tout accord de licence avec Dow : – Samafor en France, Rheinfenhauser en Allemagne parmi les constructeurs de lignes d’extrusion ; – Siamp Cedap (Monaco) parmi les transformateurs, qui de´veloppa sa propre filie`re 4 canaux et devint le premier a` commercialiser une feuille 4 couches en PS (PS cristal, PS couleur, PS broye´, PS blanc) reáliseé en filie`re multicanal.

La coextrusion est un proce´de´ qui permet de fabriquer une feuille ou une plaque par superposition et/ou juxtaposition de couches pour optimiser les performances de la structure : la feuille obtenue est appeleé feuille multicouche. Ce proce´de´ consiste a` extruder simultane´ment (« coextruder ») les polyme`res composant les diffe´rentes couches puis a` les joindre dans un meˆme ećoulement pour une mise en forme commune. La reúnion des diffe´rents ećoulements intervient : – soit avant la filie`re (figure 1a) ; – soit a` l’inte´rieur de la filie`re (figure 1b) ; – soit par combinaison des 2 (figure 1c). Dans le premier cas, la filie`re est de type monocanal et les ećoulements sont reúnis dans une boıˆte de coextrusion ; dans le second cas, la filie`re est de type multicanal et comporte autant d’entreés que de canaux. Lorsque les diffe´rents ećoulements sont dispose´s horizontalement coˆte a` coˆte et non plus verticalement, on parle de coextrusion multibande (side by side coextrusion). La juxtaposition des diffe´rentes bandes s’ope`re a` l’inte´rieur de la filie`re. Un produit multibande peut aussi avoir une structure multicouche, la couche composeé des bandes e´tant alors entoureé de couches classiques : dans ce cas, tous les ećoulements simultane´s correspondant aux bandes et aux couches, sont combine´s a` l’inte´rieur d’une filie`re de type multicanal. A

B

C

a filière monocanal

A

B

C

b filière multicanal

La technologie de la boıˆte de coextrusion a imme´diatement se´duit pour toutes les raisons suivantes :

A

– sa simplicite´ de mise en œuvre, avec ce coˆte´ « magique » qui lui est reste´ dans son nom de « black box » ; – les extrudeurs ne l’ont pas perçue comme une menace mais plutoˆt comme une e´volution facile a` maıˆtriser ; – les transformateurs ont e´te´ rapidement convaincus que cette technologie, en augmentant le nombre d’extrudeuses connecteés sur une filie`re monocanal, allait permettre :

B

d’accroıˆtre les capacite´s de production a` couˆt d’investissement marginal ;

C c

combinaison

de mieux ge´rer les cycles fabrication – maintenance, les extrudeuses pouvant eˆtre arreˆteés par roulement sans interruption totale de la ligne de production ;

Figure 1 – Boıˆte de coextrusion et filie`re multicanal

AM 3 659 – 2


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＹ ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– COEXTRUSION DE FEUILLES ET PLAQUES

– elle a offert des solutions a` l’extrusion de mate´riaux thermosensibles ou tre`s corrosifs :

Dow a produit de`s la fin des anneés 1960 un film en 5 couches PE-EVA-PVDC-EVA-PE, le Saranex™ ™, qui a permis de fabriquer des produits barrie`re par lamination sur une feuille PE ou PS-PE. A` la meˆme e´poque, Cobelplast, licencie´ belge de Dow, a e´te´ le pionnier du de´veloppement des feuilles multicouches barrie`re (6 et 7 couches), destineés au thermoformage sur machines Form Fill Seal pour emballer des fromages, du lait, de la viande, etc.

c’est ainsi que Dow a de´veloppe´ le film Saran™ ™ en PVDC [1], en l’extrudant en sandwich entre deux couches de PE pour prote´ger les parois de la filie`re de l’action tre`s corrosive du PVDC sans recourir a` des reveˆtements tre`s couteux, le PE e´tant ensuite de´lamine´ puis extrude´ a` nouveau.

PVDC : poly(chlorure de vinylide`ne). EVOH : copolyme`re e´thyle`ne – alcool vinylique. PE : polye´thyle`ne. EVA : copolyme`re e´thyle`ne-vinylace´tate.

PVDC : PolyVinyliDene Chloride.

La technologie de la filie`re multicanal, moins flexible et plus de´licate a` mettre en œuvre, s’est neánmoins imposeé pour certaines applications ou` les proble`mes ne pouvaient eˆtre re´solus avec la boıˆte de coextrusion.

La technologie Form Fill Seal ou FFS est une technologie qui combine plusieurs proce´de´s sur une meˆme machine : – chauffage puis thermoformage des pots ; – dosage du produit et remplissage des pots ; – fermeture herme´tique de l’emballage par thermoscellage d’un opercule ; – dećoupe en pots unitaires ou multipack. Une machine FFS est une ligne de conditionnement inte´greé qui est alimenteé avec des bobines de plastique (thermoformage), des bobines de film d’operculage et le produit a` conditionner (figure 32).

Tout cela a contribue´ a` fonder un e´quilibre de marche´ a` environ 80-20 entre les deux technologies.

2. Marche´s La coextrusion a conside´rablement acce´le´re´ le de´veloppement des marche´s de la feuille et de la plaque. Dans le domaine de la plaque, l’insertion de couches minces superficielles a re´solu de façon ećonomiquement acceptable les proble`mes de durete´ de surface (rayures), d’inalte´rabilite´ des parois en environnement agressif (UV, intempe´ries, chimique, reveˆtements internes de re´frige´rateurs).

Les premie`res feuilles barrie`re utilisaient le PVDC comme mate´riau barrie`re et de l’EVA ou du Surlyn ionme`re (EVA et Surlyn sont des produits DuPont) comme adhe´sifs ; les de´veloppements conjoints de nouveaux mate´riaux barrie`re (l’EVOH, alternative au PVDC, a e´te´ introduit par le japonais Kuraray a` la fin des anneés 1970), de nouveaux mate´riaux adhe´sifs et de la technologie de coextrusion ont permis de creér des emballages barrie`re encore plus performants, permettant des dureés de conservation plus longues, ce qui a contribue´ a` e´largir le marche´ de la distribution en diminuant les risques dans la chaıˆne alimentaire.

Dans le domaine des films minces flexibles, la coextrusion castfilm et film souffle´ a offert une alternative moins gourmande en capitaux et plus ećonomique (fabrication en une seule e´tape et en se´ries moins longues) que la technologie de lamination – contrecollage. Dans le domaine de la feuille multicouche non-barrie`re : – le mariage d’une couche mince de PS cristal avec une couche plus e´paisse de PS choc est a` l’origine de l’essor du marche´ du thermoformage des gobelets et pots de yaourt (le thermoformage du PS choc seul, sans l’apport de la couche de PS cristal, conduisait a` un pot trop terne pour eˆtre accepte´ par le marche´) ; – la technologie 3 couches A-B-A a contribue´ a` imposer le thermoformage dans les applications geńe´rant des taux de rebuts tre`s importants (au-dela` de 50 %), en apportant la solution de confiner les rebuts broye´s dans la couche centrale B (thermoformage du PS, du PP, et du PET) ; – plus geńe´ralement, la technologie multicouche a permis d’ame´liorer la qualite´ de la feuille, la probabilite´ d’occurrence d’une meˆme faiblesse au meˆme point dans chaque couche e´tant quasi nulle puisque les ećoulements proviennent d’extrudeuses diffe´rentes ; – la technologie 4 couches A-B-C-D est a` l’origine de l’essor des feuilles bicolores en polystyre`ne : couleur blanc coˆte´ aliment (D), et couleur de rappel a` l’exte´rieur (B), avec recyclage des broye´s colore´s dans la couche centrale (C), et couche brillante de PS cristal (A). Ce type de feuille est un standard de l’emballage des produits frais laitiers. On retrouve aussi cette structure bicolore dans d’autres marche´s, par exemple celui des plateaux utilise´s en horticulture, reálise´s en PS ou en PP (bicolore noir – terracotta).

Une feuille multicouche barrie`re doit eˆtre penseé selon trois principes : – l’emballage doit eˆtre fonctionnel pour le contenu ; – l’emballage doit eˆtre fonctionnel pour le consommateur ; – la construction de la feuille doit eˆtre techniquement possible et ećonomiquement rentable (figure 2). La fonctionnalite´ contenant-contenu renvoie a` : – la face supe´rieure de la feuille qui est en contact avec l’aliment : l’interface emballage-aliment doit satisfaire a` des contraintes d’alimentarite´, d’inalte´rabilite´ et de compatibilite´ organoleptique ; – la partie centrale de la feuille qui doit assurer un roˆle de barrie`re pour prote´ger le contenu et prolonger sa dureé de conservation.

Face supérieure en contact avec l'aliment et face de scellage avec l'opercule

2.1 Feuille barrie`re

Barrière

La coextrusion a creé´ le marche´ de la feuille barrie`re. Partie de la structure qui supporte le thermoformage

La structure d’une feuille barrie`re contient une couche dite barrie`re, c’est-a`-dire composeé d’un polyme`re dont la permeábilite´ a` la vapeur d’eau et aux gaz est tre`s faible (PVDC, EVOH). Par thermoformage de ce type de feuille, on fabrique des emballages barrie`re qui permettent d’augmenter la dureé de conserva` l’oppose´, une feuille non barrie`re est de´pourtion du produit. A vue d’une telle couche.

Face inférieure en contact avec les mains du consommateur Figure 2 – Structure d’une feuille barrie`re


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AM 3 659 – 3

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＹ COEXTRUSION DE FEUILLES ET PLAQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

La fonctionnalite´ contenant-consommateur renvoie a` la partie infe´rieure de la feuille :

Dans la majorite´ voire la quasi-totalite´ des cas, ces structures sont dissyme´triques, les couches A repre´sentant 75 a` 85 % de l’e´paisseur totale.

– c’est la structure qui « porte » le thermoformage ; – elle confe`re a` l’emballage sa re´sistance et sa rigidite´ (a` froid et/ ou a` chaud), sa forme ; – elle supporte les options marketing : couleur dans la masse, imprimabilite´ sur la face infe´rieure (paroi exte´rieure de l’emballage en contact avec la main du consommateur), e´tiquette.

3. De´fauts lie´s a` l’ećoulement multicouche

La fonctionnalite´ contenant-consommateur renvoie aussi a` la face supe´rieure de la feuille qui doit assurer avec l’opercule un syste`me de scellage e´tanche mais a` ouverture facile (pelabilite´).

Il y a deux types de de´fauts : ceux qui conduisent a` des non-uniformite´s d’e´paisseurs de couches et ceux qui se traduisent par des discontinuite´s dues a` des instabilite´s d’interface.

La construction de la feuille doit permettre d’atteindre au meilleur couˆt ces objectifs fonctionnels. Il faut pour cela : – mettre en œuvre plusieurs polyme`res cible´s pour optimiser le couple e´paisseur-performance de chaque couche ; – coller les couches entre elles pour obtenir une structure composite homoge`ne, en intercalant des couches interme´diaires liantes ; – faire en sorte que l’inte´grite´ de la structure ne soit pas alte´reé apre`s thermoformage.

3.1 Non-uniformite´s Lorsque l’on observe un ećoulement bicouche dans un canal de section constante, on constate que l’interface entre les deux polyme`res A et B se modifie entre la section d’entreé et la section de sortie.

2.2 Conditionnement sous atmosphe`re modifieé

Il subit une transformation re´gulie`re, qui conserve une frontie`re toujours nette et prećise entre les deux polyme`res. Cette transformation re´sulte de la superposition de deux pheńome`nes suivants :

Le conditionnement sous atmosphe`re modifieé (MAP) est une technique de pre´servation des aliments frais ou transforme´s. Il consiste a` emballer le contenu en injectant un me´lange de gaz approprie´s pour retarder sa de´gradation.

& Pheńome`ne d’enrobage ou d’encapsulation duˆ a` la diffe´rence de viscosite´ des deux polyme`res (figure 3) [5] [6]. Le polyme`re le plus fluide A (viscosite´ mA) migre vers les re´gions de cisaillement e´leve´, c’est-a`-dire a` la paroi, tandis que le polyme`re le plus visqueux B (viscosite´ mB) rejoint les zones de moindre cisaillement, c’est-a`-dire au centre de l’ećoulement.

Pour la viande et le poisson, il faut maintenir inchange´ ce me´lange initialement injecte´, ce qui conduit a` des syste`mes d’emballages-opercules impermeábles aux gaz inte´rieurs (N2 pur, ou autre gaz neutre…) et a` l’air exte´rieur.

Le pheńome`ne de´marre imme´diatement apre`s la jonction, puis il e´volue de plus en plus lentement vers la position d’e´quilibre, atteinte, si le canal est assez long, lorsque le polyme`re le plus fluide enrobe comple`tement sur 360 le polyme`re le moins fluide. Cette position, qui est rarement atteinte en pratique, correspond a` un e´tat minimal de dissipation d’eńergie visqueuse pour l’ećoulement. La vitesse d’e´volution est d’autant plus rapide que la diffe´rence de viscosite´ est importante.

On augmente la dureé de conservation des fruits et le´gumes frais en ralentissant leur « respiration » naturelle graˆce a` un emballage dont la permeábilite´ permet de maintenir un niveau d’oxyge`ne moindre que dans l’air et un niveau de dioxyde de carbone plus e´leve´ que dans l’air.

Il est essentiel que la tempe´rature soit controˆleé : tout ećart de tempe´rature, en entraıˆnant une variation de viscosite´, peut se traduire localement par des modifications supple´mentaires des e´paisseurs de couches, ou au contraire atteńuer les pheńome`nes d’enrobage.

Par ailleurs, certains polyme`res « barrie`re » (EVOH) subissent une de´gradation de leur niveau d’impermeábilite´ en pre´sence d’humidite´. Il est donc souvent nećessaire d’incorporer dans la structure une couche de protection qui soit barrie`re a` la vapeur d’eau.

& Pheńome`ne de de´formation e´lastique d’interface

Les structures les plus classiques sont construites sur des bases 3 couches ou 5 couches :

Le deuxie`me pheńome`ne ne se manifeste que si les polyme`res sont e´lastiques et si la section du canal est carreé ou rectangulaire [7]. L’interface est de´formeé par les ećoulements secondaires (figure 4a) qui apparaissent lorsque ces deux conditions sont reúnies ; il faut noter que cette de´formation intervient meˆme si les polyme`res A et B ont la meˆme e´lasticite´, notamment s’il s’agit du meˆme polyme`re (figure 4b).

– 3 couches type A-B-C : PS-liant-PE ; PET-liant-PE ; PP-liant-PE. Le PE joue le roˆle de : barrie`re a` la vapeur d’eau, support pour scellage de l’opercule ; – 5 couches type A-B-C-D-E : PS-liant-EVOH-liant-PE ; PE-liantEVOH-liant-PE ; PE-liant-EVOH-liant-PP. La couche barrie`re aux gaz est en geńe´ral faite d’EVOH, le PVDC, bien qu’ayant de meilleures proprie´te´s barrie`re, e´tant de plus en plus abandonne´ parce qu’il est ećologiquement incorrect, et que sa pre´sence dans les rebuts interdit leur recyclage. La couche barrie`re peut aussi eˆtre reáliseé en PA. Le PE joue le meˆme roˆle double que dans le cas preće´dent ; il a de plus un roˆle comple´mentaire de l’EVOH, dont il prote`ge l’efficacite´ de barrie`re aux gaz en faisant ećran a` la vapeur d’eau.

A

mA < mB

B A

B

Mais une structure de base 3 (respectivement 5) couches est en reálite´ construite en 5 (respectivement 7) couches car la couche de structure A qui « supporte » le thermoformage est en geńe´ral constitueé de 3 sous-couches A1, A2 et A3, la sous-couche centrale A2 servant de rećeptacle pour le recyclage des rebuts.

AM 3 659 – 4

Sens d'extrusion

Figure 3 – Enrobage


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＶＱ

Coextrusion des polyme`res : instabilite´s d’interface par

Rudy VALETTE Maıˆtre-assistant a` l’Ećole nationale supe´rieure des mines de Paris, Centre de mise en forme des mate´riaux – Mines-ParisTech – UMR CNRS 7635

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Pheńomeńologie des instabilite´s de coextrusion..................... Diffe´rents proce´de´s de coextrusion ................................................... De´fauts d’interface ............................................................................. De´veloppement des de´fauts dans les outillages............................... Instabilite´s convectives ......................................................................

2. 2.1 2.2

Rheólogie et mode´lisation de l’ećoulement de base ............... Proprie´te´s rheólogiques des polyme`res ............................................ Ećoulement de base pour des polyme`res immiscibles ....................

— — —

4 4 4

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

Mode´lisation des instabilite´s d’interface .................................. E´tude de stabilite´ lineáire .................................................................. Cas de plusieurs interfaces ................................................................ Simulation directe d’effets thermiques et geóme´tries complexes ... Cas de polyme`res miscibles ou reáctifs ............................................

— — — — —

5 5 5 5 6

4. 4.1 4.2

Pre´vention des instabilite´s d’interface ...................................... Parame`tres proce´de´ et dimensionnement des outillages................. Optimisation des proprie´te´s rheólogiques et interfaciales...............

— — —

6 6 6

5.

Conclusion........................................................................................

—

6


AM 3 661 – 2 — 2 — 2 — 2 — 3

Doc. AM 3 661

’extrusion est le proce´de´ de mise en forme des thermoplastiques le plus utilise´. Ses applications couvrent un large domaine allant de la fabrication de films a` la reálisation de profile´s. Lorsque l’on extrude simultane´ment dans une meˆme filie`re plusieurs fluides a` partir de plusieurs extrudeuses, on parle de coextrusion : on reálise un ećoulement multimatie`re et le produit obtenu en sortie de filie`re est dit multicouche. L’inte´reˆt d’un tel proce´de´ est qu’il permet de confe´rer au produit les proprie´te´s spećifiques de chacune des couches qui le composent. Associer ainsi les qualite´s des diffe´rents polyme`res permet de reáliser un gain de matie`re important (donc re´duire le couˆt et/ou le poids) par rapport au produit monocouche pre´sentant les meˆmes caracte´ristiques. On observe en geńe´ral trois types de de´fauts sur le produit solidifie´ :

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– une mauvaise adhe´sion entre les couches ; – une mauvaise re´partition des produits dans le sens transverse a` l’ećoulement due au contournement d’un produit par un autre (pheńome`ne d’enrobage) ; – une irre´gularite´ de l’interface, qui pre´sente un aspect allant de l’oscillant au chaotique. La variation d’e´paisseur des diffe´rentes couches alte`re les proprie´te´s esthe´tiques ou optiques du produit. Si l’une des interfaces disparaıˆt localement, le produit peut aussi perdre ses proprie´te´s barrie`res et devenir inutilisable. Ces irre´gularite´s sont la conse´quence d’instabilite´s d’interface qui se de´veloppent dans la partie finale de la filie`re, ou` les diffe´rents polyme`res fondus s’ećoulent ensemble sous forme stratifieé.


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AM 3 661 – 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＶＱ COEXTRUSION DES POLYME`RES : INSTABILITE´S D’INTERFACE –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Ce dossier propose de dećrire la nature convective de l’instabilite´ d’interface en coextrusion, l’ećoulement stratifie´ transportant et amplifiant (ou atteńuant, dans les cas stables) des perturbations intrinse`ques au proce´de´ qui apparaıˆtront comme plus ou moins visibles en sortie de filie`re. Une mode´lisation de ce type de de´faut est ensuite proposeé, montrant le roˆle de´terminant du comportement viscoe´lastique des mate´riaux coextrude´s. L’accent est mis sur l’analyse de stabilite´ lineáire du cas bicouche plan isotherme de polyme`res immiscibles, puis des extensions a` des cas plus complexes sont proposeés.

1. Pheńomeńologie des instabilite´s de coextrusion 1.1 Diffe´rents proce´de´s de coextrusion Dans le proce´de´ de coextrusion, chaque produit est de´bite´ par une extrudeuse. On distingue deux grands types de proce´de´s de coextrusion par la technologie utiliseé (cf. dossier [AM 3 659] Coextrusion de feuilles et plaques) : – le proce´de´ a` bloc de re´partition (figure 1a et b), ou` les polyme`res sont rassemble´s dans une boıˆte de coextrusion avant d’eˆtre re´partis dans la meˆme filie`re ; – le proce´de´ multicanal (figure 1c), ou` plusieurs filie`res distribuent chacune un polyme`re et ont une partie finale commune.

y z

x

La forme du produit obtenu peut eˆtre plane ou circulaire. On note x la direction de l’ećoulement, y la direction dans la hauteur d’ećoulement et z la direction transverse (ou orthoradiale dans le cas circulaire).

a vue d'ensemble

1.2 De´fauts d’interface La premie`re e´tude expe´rimentale d’instabilite´s d’interface dans le proce´de´ de coextrusion bicouche est due a` Lee et White [1]. Les auteurs ont montre´ que, pour certaines conditions ope´ratoires, il apparaıˆt une transition stable/instable dans le proce´de´.

y x b vue en coupe, procédé à bloc de répartition

Cette instabilite´ est caracte´riseé sur l’extrudat par un de´faut plus ou moins pe´riodique se pre´sentant sous la forme de « vagues » a` l’interface entre les deux produits (voir l’exemple d’un couple polye´thyle`ne/polystyre`ne, figure 2). Lorsque les conditions ope´ratoires engendrent une instabilite´, plus la configuration e´tudieé est e´loigneé de la transition stable/instable, plus le de´faut pre´sente une amplitude prononceé, jusqu’a` eˆtre comple`tement de´sordonne´.

y x

c

D’autres e´tudes [2] ont montre´ qu’il e´tait possible de de´finir des domaines de stabilite´ expe´rimentale, fonction du rapport des e´paisseurs (ou des de´bits) des produits, de leurs tempe´ratures ou du rapport de certaines de leurs proprie´te´s rheólogiques a` l’interface (viscosite´, premie`re diffe´rence de contraintes normales, cf. § 2.1).

Figure 1 – Filie`res utiliseés dans le proce´de´ de coextrusion

la filie`re, de montrer que l’instabilite´ se de´veloppe dans la partie de la filie`re ou` les produits sont en contact.

1.3 De´veloppement des de´fauts dans les outillages

La figure 3 [5] pre´sente une vue de dessus et une coupe longitudinale d’une structure stratifieé polye´thyle`ne/polystyre`ne, extraite d’une filie`re de laboratoire apre`s arreˆt des extrudeuses et figeage par refroidissement rapide. Cette configuration pre´senta un extrudat fortement perturbe´ (semblable a` la figure 2b) en sortie de

Plusieurs e´tudes expe´rimentales [3] [4] [5] ont permis, en utilisant des me´thodes d’observation de l’ećoulement a` l’inte´rieur de

AM 3 661 – 2

vue en coupe, procédé à filière multicanal


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Procédés d’extrusion réactive par

Françoise BERZIN Ingénieur de l’École des Mines de Douai Docteur de l’École des Mines de Paris Maître de Conférences à l’Université de Reims Champagne-Ardenne

et

Guo-Hua HU Docteur de l’Université Louis-Pasteur, Strasbourg Professeur à l’Institut National Polytechnique de Lorraine (Nancy) Laboratoire des Sciences du Génie chimique (CNRS-ENSIC)

AM 3 654 – 2 — 2 — 2 — 3

1. 1.1 1.2 1.3

Présentation générale............................................................................. Définition et présentation ........................................................................... Spécificités de l’utilisation d’une extrudeuse comme réacteur continu . Avantages et inconvénients........................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Exemples d’applications industrielles................................................ Polymérisation en masse............................................................................ Modification chimique de polymères ........................................................ Modification rhéologique de polymères ................................................... Compatibilisation de mélanges de polymères.......................................... Vulcanisation dynamique............................................................................ Élaboration de composites thermoplastiques .......................................... Recyclage de polymères .............................................................................

— — — — — — — —

4 4 5 6 6 6 7 7

3. 3.1 3.2 3.3

Principes fondamentaux en extrusion réactive............................... Réactions chimiques.................................................................................... Monovis ou bivis ?....................................................................................... Fonctionnement de l’extrudeuse bivis.......................................................

— — — —

8 8 8 9

4. 4.1 4.2 4.3 4.4

Apport de la modélisation..................................................................... Complexité des couplages.......................................................................... Mise en œuvre d’un modèle d’extrusion réactive .................................... Exemples d’application ............................................................................... Problèmes d’optimisation et de mise à l’échelle ......................................

— — — — —

10 10 10 11 15

5.

Conclusion .................................................................................................

—

15

Références bibliographiques .........................................................................

—

15

’extrusion est un procédé continu consistant à mettre en forme ou à transformer des polymères au sein d’un système vis/fourreau. Sauf quelques rares exceptions, les mécanismes impliqués sont purement thermomécaniques et tout processus chimique est à proscrire a priori. On parle d’extrusion réactive lorsque des transformations chimiques sont volontairement générées, de manière contrôlée. L’extrudeuse devient alors un véritable réacteur continu. Après une présentation des spécificités, des avantages et inconvénients de l’utilisation de l’extrudeuse comme réacteur continu, les principales applications de cette technologie dans le domaine des matériaux polymères synthétiques ou d’origine naturelle seront illustrées à l’aide d’exemples. Seront ensuite décrits les principes fondamentaux du procédé d’extrusion réactive et l’apport de la modélisation à ce type de procédé.

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PROCÉDÉS D’EXTRUSION RÉACTIVE

_______________________________________________________________________________________________________

1. Présentation générale

fiés, permettant ainsi d’intégrer des fonctions spécifiques et/ou d’adapter « à la carte » les capacités d’avalement, de fusion, de mélange, de transport, de dévolatilisation... et donc la performance du réacteur à chaque problème industriel particulier.

1.1 Définition et présentation

Par ailleurs, un procédé d’extrusion réactive implique bien souvent deux ou plusieurs composants. Les lieux de réaction peuvent être différents selon le degré de miscibilité, rendant les systèmes utilisés thermomécaniquement et chimiquement complexes. En particulier, si tous les composants impliqués dans le système sont totalement immiscibles les uns par rapport aux autres, la réaction ne peut intervenir qu’aux interphases (interfaces).

Rappelons tout d’abord que l’extrusion est un procédé continu dans lequel le cœur du dispositif est une extrudeuse (cf. articles [AM 3 650], [AM 3 651] et [AM 3 653]). Celle-ci comporte une ou plusieurs vis sans fin tournant à l’intérieur d’un fourreau régulé en température par des systèmes de chauffage et de refroidissement. Le polymère y est introduit, souvent à l’état solide, sous forme de granulé ou de poudre.

De plus, les conditions de mise en réaction dans une extrudeuse sont celles rencontrées en extrusion classique, c’est-à-dire extrêmes. Du fait de l’absence totale ou de la présence de faibles quantités de diluants, la température de réaction et la viscosité du système sont élevées. La forte viscosité implique que la pression doit être suffisamment importante pour que le système puisse s’écouler. Généralement, la température varie entre 100 et 400 ˚C, la viscosité du système entre 10 et 104 Pa · s et la pression est comprise entre 1 et 20 MPa.

Les principales fonctions de l’extrudeuse sont d’avaler le polymère, de le convoyer, de le fondre, de l’homogénéiser et de le mettre en pression, pour qu’il puisse finalement franchir la filière placée à son extrémité. Les lignes d’extrusion sont principalement utilisées pour : — la fabrication de produits finis ou semi-finis tels que des tubes, des plaques et profilés divers ; — la granulation de polymères ; — la purification de polymères par élimination de produits volatils ; — l’incorporation d’adjuvants, d’additifs, de charges... au sein de polymères ; — la dernière étape d’une chaîne de polymérisation, afin d’augmenter le taux de conversion de systèmes de polymérisation dont la viscosité est très élevée et pour lesquels les réacteurs de polymérisation classiques sont inadaptés.

D’autre part, une extrudeuse a une capacité de transfert thermique limitée, essentiellement due à la faible diffusivité thermique des polymères fondus (α ≈ 10−7 m2 · s−1). Celle-ci est directement liée au fait que la conductivité thermique des polymères fondus est faible (k ≈ 0,2 W · m−1 · ˚C−1), alors que leur capacité thermique (ρcp ≈ 2 · 106 J · m−3 · ˚C−1) est du même ordre de grandeur que celle de fluides usuels. De même, les propriétés thermomécaniques particulières des polymères (faible diffusivité thermique et forte viscosité) imposent l’utilisation d’une faible profondeur de filet de vis afin de faciliter la fusion, le mélange, le transport et le pompage. Aussi, le volume effectif disponible pour la matière est restreint. Par exemple, le volume effectif d’une extrudeuse de 50 mm de diamètre avec une longueur axiale de 2 m n’est que d’un demi litre environ, alors que l’ensemble de la ligne d’extrusion peut occuper quelques dizaines de mètres carrés.

On notera que les quatre premières applications n’impliquent généralement que des phénomènes thermomécaniques et que tout processus de nature chimique y est à proscrire. En revanche, l’extrusion réactive met en jeu, outre des phénomènes thermomécaniques, des réactions chimiques volontairement induites, et peut donc être définie comme un procédé dans lequel des processus chimiques sont générés au sein d’une extrudeuse en vue d’une transformation contrôlée des polymères [1]. Il s’agit ainsi d’un procédé complexe couvrant deux domaines distincts (la chimie et l’extrusion des polymères) en une seule opération. D’outil de transformation des polymères le plus répandu, l’extrudeuse devient un véritable réacteur chimique.

Le temps de séjour moyen d’un matériau traversant un réacteur continu comme une extrudeuse est le rapport entre le volume occupé par la matière et le débit de la machine. Le volume effectif étant faible alors que le débit souhaité est aussi élevé que possible, le temps de séjour moyen est nécessairement court, de l’ordre de quelques secondes à quelques minutes. Par ailleurs, compte tenu du faible taux de recirculation, la distribution des temps de séjour est étroite.

1.2 Spécificités de l’utilisation d’une extrudeuse comme réacteur continu

Par ailleurs, du fait de la forte viscosité des systèmes polymères, le mécanisme principal de mélange est de type laminaire. Le mécanisme de turbulence est absent (nombre de Reynolds évanescent) et celui de diffusion inefficace, car trop lent. Le caractère viscoélastique des polymères fondus peut de plus jouer des rôles particuliers. Aussi, les principes et les techniques de mélange des systèmes polymères peuvent être différents de ceux des fluides classiques. Ainsi, dans une extrudeuse, l’efficacité du mélange est essentiellement déterminée par les taux de cisaillement, les contraintes et la fréquence de réorientation.

En tant que réacteur chimique, une extrudeuse présente deux spécificités essentielles : sa géométrie et l’absence totale (ou presque) de solvants/diluants. L’extrusion réactive se distingue alors d’autres procédés chimiques par de nombreux aspects. Ainsi, une extrudeuse a une très grande capacité de plastification, de transport, de mélange et de décharge du polymère. Cette caractéristique constitue la différence essentielle entre un réacteur de type extrudeuse et d’autres types de réacteurs chimiques.

De même, la forte viscosité des polymères fondus (η = 10 à . 104 Pa · s) couplée au taux de cisaillement élevé ( γ = 10 à 100 s−1) dans l’extrudeuse implique que la dissipation visqueuse Pη (correspondant à la conversion de la puissance mécanique en puissance thermique) est importante (de l’ordre de 103 à 106 kW · m−3). Celle-ci est en effet reliée au taux de cisaillement et à la viscosité du milieu par l’expression suivante (puissance dissipée par unité de volume exprimée en W · m−3) :

De plus, en général, le rapport longueur sur diamètre (L/D) d’une extrudeuse est compris entre 15 et 50. Sauf conceptions spécifiques, l’utilisation d’une extrudeuse monovis standard ne génère qu’un niveau de recirculation limité, ce qui permet d’assimiler grossièrement cet équipement à un réacteur de type piston. Bien que l’extrusion réactive puisse être réalisée avec une extrudeuse monovis, on préfère généralement utiliser une extrudeuse bivis corotative, en raison de son caractère modulaire. Dans ce cas, en effet, les vis et le fourreau sont réalisés par assemblage en série de modules élémentaires (cf. [AM 3 653]) dont le séquencement et/ ou les caractéristiques géométriques peuvent être facilement modi-

AM 3 654 − 2

. P η = ηγ 2 avec

η (Pa · s) viscosité, . γ ( s –1 ) taux de cisaillement.


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_______________________________________________________________________________________________________ PROCÉDÉS D’EXTRUSION RÉACTIVE

Elle peut engendrer une élévation considérable de la température de la matière pouvant éventuellement conduire à une dégradation de sa structure moléculaire.

pour fabriquer des produits de spécialité, afin de répondre aux besoins spécifiques de leurs clients sans dépendre de leurs fournisseurs de résines.

Enfin, en extrusion, la décharge du polymère est relativement facile. Cet avantage est lié au fait que les zones de stagnation dans une extrudeuse sont relativement limitées par rapport à celles des réacteurs classiques de polymérisation. Certains types d’extrudeuses, comme les extrudeuses bivis corotatives interpénétrées, dont l’arête des filets d’une vis est systématiquement en contact avec la surface de l’autre vis (cf. [AM 3 653]), présentent même un caractère autonettoyant.

En fait, la flexibilité et la rapidité de l’extrusion réactive sont essentiellement liées au fait que la mise en fonctionnement et la décharge des produits sont relativement simples par rapport aux procédés de polymérisation classiques, permettant ainsi d’élaborer des produits de nature très variée, de changer de produit ou de grade rapidement, avec de faibles pertes de produits. La géométrie longitudinale de l’extrudeuse fait qu’il est possible d’enchaîner, le long de celle-ci, des opérations unitaires telles que l’alimentation, le transport et la fusion du polymère, le mélange des réactifs, la réaction, la dévolatilisation, le pompage et la mise en forme.

1.3 Avantages et inconvénients

Il est également possible de mettre en œuvre de manière séquencée de multiples alimentations, dévolatilisations et/ou réactions. Le caractère modulaire de la géométrie du fourreau et des vis facilite grandement l’alternance de zones remplies et partiellement remplies. En ce sens, l’extrudeuse est un excellent réacteur à fonctions multiples. L’enchaînement permet parfois de fabriquer des produits qui ne pourraient être obtenus de manière adéquate dans des réacteurs classiques.

Les avantages et les inconvénients de l’extrusion réactive résultent directement des caractéristiques décrites précédemment. ■ Avantages

• L’absence totale (ou la présence de faible quantité) de solvants dans le procédé constitue un avantage évident puisqu’il permet d’épargner le coût des produits eux-mêmes et celui lié à leur stockage, purification, séparation et récupération...

• L’extrudeuse est un réacteur de choix pour l’élaboration des mélanges de polymères et de composites dont le contrôle de la morphologie et des interfaces est facilité par l’absence de solvants (vulcanisation dynamique d’élastomères thermoplastiques ou fabrication de nanocomposites, par exemple).

De plus, les bénéfices en termes de protection de l’environnement, de sécurité et de sûreté du procédé sont considérables. En effet, un réacteur de polymérisation classique, au contraire d’une extrudeuse, ne peut traiter des systèmes de forte viscosité, d’où la nécessité de leur dilution dans un solvant dont le volume est de un à vingt fois supérieur à celui du polymère final (certaines grandes lignes de production industrielle peuvent consommer des dizaines de tonnes de solvants par jour).

■ Limitations Comme tout procédé industriel, à côté des avantages décrits cidessus, l’extrusion réactive présente également certains inconvénients ou, plus précisément, de défis à relever.

L’extrusion réactive tire profit de la capacité unique de l’extrudeuse à traiter des polymères fondus de forte viscosité sans avoir recours à de tels produits. En effet, une extrudeuse fonctionne d’autant mieux que la viscosité est élevée. En revanche, si la viscosité est trop faible au point que les forces de gravité ne soient plus négligeables devant celles de cisaillement, la continuité et la stabilité de l’écoulement ne sont plus assurées, ce qui est l’inverse de beaucoup de réacteurs classiques.

• Ainsi, l’extrudeuse monovis est conçue pour transporter et mélanger des fluides de forte viscosité. En revanche, sa capacité de transport et de mélange est limitée lorsque les réactifs et/ou produits mis en jeu sont de faible viscosité. • Par ailleurs, comme le temps de séjour est court, l’emploi d’une extrudeuse en tant que réacteur se limite à des réactions chimiques rapides. Ceci réduit considérablement le nombre de systèmes chimiques pouvant être traités par un procédé d’extrusion réactive. Il convient cependant de souligner que la température de réaction et les concentrations en réactifs sont souvent beaucoup plus élevées en milieu fondu qu’en solution, et que l’augmentation rapide de la température par dissipation visqueuse et/ou par la chaleur issue de la réaction chimique pourrait être mise à profit (mais cela reste un défi). Pour ces raisons, une réaction qui nécessite des heures dans un procédé en solution pourrait être conduite dans une extrudeuse avec un temps de séjour de l’ordre de quelques minutes, voire de quelques secondes.

• La plage de conditions de mélange et de mise en réaction accessibles est par ailleurs plus étendue en extrusion réactive que dans un réacteur classique. En effet, une extrudeuse est capable de mélanger et de mettre en réaction à la fois des réactifs de forte viscosité (de type polymère) et des réactifs de faible viscosité (de type petite molécule). De plus, elle peut fonctionner à des températures élevées ou relativement faibles, ou encore avec des gradients thermiques importants. La température de mélange et de réaction sera importante si l’on met en œuvre des polymères dont les températures de fusion ou de transition vitreuse sont élevées (100 à 300 ˚C).

• De plus, l’équipement utilisé en extrusion réactive est flexible et à usages multiples. Ainsi, l’extrusion réactive est un procédé de choix pour effectuer des essais ou des productions en petite quantité, pour lesquels il serait difficile de justifier des investissements nécessaires à l’installation d’une nouvelle ligne de production de faible tonnage (en dessous de 5 000 tonnes par an, par exemple).

• Par ailleurs, le principal mécanisme de mélange, en milieu de forte viscosité, est laminaire car le processus de diffusion moléculaire peut être très lent. C’est notamment le cas lorsqu’il s’agit de réactions en milieu polymère fondu. D’autre part, si le milieu réactionnel est hétérogène, ce qui est souvent le cas pour la plupart des couples polymères, la réaction sera confinée aux interfaces. Le volume interfacial étant très petit devant le volume massique, le degré de réaction entre polymères immiscibles est souvent très faible. C’est la raison pour laquelle il est difficile d’obtenir un copolymère pur en faisant réagir deux polymères immiscibles, sauf si au moins l’un d’entre eux est de faible masse molaire, ou si le copolymère formé ne demeure pas aux interfaces mais préfère migrer vers l’une des phases polymères pour des raisons thermodynamiques ou mécaniques. Le fait qu’une extrudeuse ne dispose que de peu de mélange par recirculation peut aussi être un handicap pour le contrôle de la sélectivité de certains types de réactions.

De même, dans certains cas, les compoundeurs ou formulateurs peuvent directement utiliser leurs extrudeuses comme réacteurs

• De plus, chauffer un polymère dans une extrudeuse est relativement facile, alors que le refroidir ne l’est pas. Cela peut s’expliquer

Cependant, une température excessive peut pénaliser le contrôle de la sélectivité de la réaction, engendrer des problèmes liés à la détérioration de réactifs ou de produits sensibles thermiquement. Enfin, une extrudeuse peut fonctionner sous pression élevée (pour les réactions impliquant des catalyseurs et/ou des réactifs à faibles points d’ébullition ou à l’état gazeux) ou sous vide poussé (si des produits parasites volatils doivent être éliminés afin de purifier le produit principal ou déplacer l’équilibre d’une réaction en faveur de la formation du produit principal).


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PROCÉDÉS D’EXTRUSION RÉACTIVE

_______________________________________________________________________________________________________

en examinant le bilan thermique sur le polymère au sein de l’extrudeuse qui s’écrit de la manière suivante : ρ cp (T2 − T1) = Ef + Eη + Er − Ec avec

ρ (kg ·

m−3)

Styrène

masse volumique du polymère,

Comonomère

cp (J · kg−1 · ˚C−1) capacité thermique massique à pression constante, T1 (˚C)

température initiale,

T2 (˚C)

température finale,

Ef (J · m−3)

énergie volumique transmise conduction à travers le fourreau,

Eη (J · m−3)

énergie due à la dissipation visqueuse,

Er (J · m−3)

énergie libérée par la réaction,

Ec (J · m−3)

énergie évacuée par le système de refroidissement.

Peroxydes Prépolymériseur

par

Échangeur thermique

Extrudeuse bivis

Polystyrène

Figure 1 – Procédé de polymérisation du styrène en masse

Lors du chauffage, les termes Ef, Eη et Er contribuent tous à l’élévation de la température du polymère. Lors du refroidissement, seul le terme Ec contribue à la baisse de température. Le contrôle de celle-ci peut devenir un problème majeur dans le cas de réactions très exothermiques et rapides.

2.1 Polymérisation en masse Il s’agit de convertir des monomères en polymères correspondants dans une extrudeuse, en l’absence totale de solvants. En principe, tous les types de réactions de polymérisation peuvent être conduits dans une extrudeuse. Cependant, dans la pratique, le nombre de polymères industriels fabriqués par des procédés de polymérisation en extrudeuse demeure limité. Cela est dû aux problèmes posés par de tels procédés, comme mentionné ci-dessus, qui ne peuvent pas toujours être résolus pour des raisons techniques ou économiques. Or, le potentiel de la polymérisation en extrudeuse est considérable puisqu’elle peut présenter de multiples avantages par rapport aux procédés de polymérisation conventionnels en termes de coût, de qualité et/ou de sécurité.

C’est le cas par exemple de la polymérisation de monomères vinyliques. La quantité de chaleur dégagée par la transformation d’une mole d’une double liaison carbone-carbone en une simple liaison correspondante varie entre 50 et 90 kJ · mol−1. Plus la masse molaire du monomère est faible, plus la quantité de chaleur par unité de masse est élevée. La conversion du styrène en polystyrène peut atteindre 700 kJ · kg−1. Cette quantité de chaleur est simplement trop grande par rapport à la capacité de refroidissement d’une extrudeuse, même de petite dimension. Sur une extrudeuse de type pilote ou industrielle, le risque d’emballement thermique est ainsi très important. Si la polymérisation était conduite sous conditions adiabatiques, l’augmentation de la température pourrait atteindre plusieurs centaines de degrés. Cela signifie que le système de polymérisation serait rapidement carbonisé. Ainsi, l’extrusion réactive est limitée aux systèmes réactifs dont la chaleur dégagée peut être maîtrisée.

■ À titre d’exemple, l’utilisation d’une extrudeuse bivis peut permettre la polymérisation radicalaire du styrène ou la copolymérisation du styrène avec d’autre(s) monomères(s), de manière rapide et rentable [2]. Le procédé peut impliquer deux étapes consécutives (figure 1) : la première consiste en la polymérisation d’une partie du styrène et éventuellement d’autres monomères en (co)polymères correspondants dans un réacteur de polymérisation classique de type cuve agitée (prépolymériseur). La deuxième étape consiste à compléter le processus de polymérisation, éliminer les monomères résiduels et mettre en forme le (co)polymère ainsi obtenu dans une extrudeuse.

• Enfin, l’utilisation d’une extrudeuse en tant que réacteur chimique est relativement récente dans l’industrie des polymères. Ainsi, les ingénieurs de chimie et de génie des procédés n’ont pas toujours le réflexe de considérer une extrudeuse comme un réacteur. Ils se sentent plus à l’aise avec des procédés existants et des réacteurs plus classiques car leurs principes de fonctionnement sont beaucoup mieux établis et les bases de données plus complètes. De même, les ingénieurs mécaniciens conçoivent leurs machines en conséquence, et ne connaissent pas nécessairement les exigences spécifiques liées au contrôle de réactions chimiques. L’insuffisance de formation est en partie responsable de cette situation. Dans l’esprit de la plupart des ingénieurs, l’extrudeuse a été conçue et est utilisée pour réaliser des opérations de compoundage et de mise en forme, et non pour conduire des réactions chimiques.

L’ensemble de ce procédé de polymérisation se déroule de la manière suivante : — alimentation, dans le prépolymériseur, du styrène (et éventuellement d’autres monomères) et d’un système d’amorçage composé de plusieurs peroxydes de vitesses de décomposition différentes. L’utilisation d’un tel système d’amorçage permet un bon contrôle de la vitesse de polymérisation et de la chaleur de polymérisation évacuée ; — prépolymérisation du styrène avec un taux de conversion de 20 à 40 %. Cette étape a pour objet d’évacuer une partie de la chaleur de polymérisation et d’augmenter suffisamment la viscosité du milieu pour faciliter la suite de la polymérisation dans l’extrudeuse ; — poursuite de la polymérisation du système prépolymérisé dans l’extrudeuse ; — élimination des monomères résiduels du polymère ainsi obtenu par une opération de dévolatilisation dans la même extrudeuse, puis mise en forme de ce polymère.

2. Exemples d’applications industrielles Quand ses caractéristiques et avantages sont mis à profit et ses inconvénients minimisés, l’extrusion réactive peut ouvrir la porte à de nombreuses possibilités, permettant d’élaborer de nouveaux produits qui ne pourraient être obtenus de manière convenable ou acceptable économiquement par l’emploi de réacteurs plus conventionnels. Quelques exemples de développements et d’applications industrielles de ces procédés sont présentés ici.

AM 3 654 − 4

dévolatilisation

■ La synthèse de certains polycondensats comme les polyétherimides peut aussi être réalisée en extrudeuse de manière avantageuse [3]. La chimie mise en jeu est la polycondensation entre un dianhydride aromatique et une diamine (cf. figure 2). Une extrudeuse bivis autonettoyante peut être utilisée pour conduire cette polycondensa-


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＵ

Modélisation des écoulements dans les filières d’extrusion par

Bruno VERGNES Ingénieur ENSTA (École nationale supérieure des techniques avancées) Docteur ès Sciences Maître de recherche à l’École des Mines de Paris

et

Jean-François AGASSANT Ingénieur civil des Mines, Docteur ès Sciences Professeur à l’École des Mines de Paris Responsable du groupe de recherches « Écoulements viscoélastiques » au CEMEF (Centre de mise en forme des matériaux, UMR CNRS 7635)

1.

Description des géométries étudiées .................................................

2.

É quations générales de la mécanique des fluides visqueux ........

AM 3 655 - 2 —

4

3.

Méthodes de simplification ...................................................................

—

6

4.

Méthodes de résolution ..........................................................................

—

8

5.

Exemples de résultats .............................................................................

—

11

6.

Conclusions et perspectives .................................................................

—

17

Pour en savoir plus ............................................................................................. Doc. AM 3 655

a fabrication en continu de semi-produits ou de produits finis de section constante (plaques, feuilles, films, tubes, profilés...) par extrusion à travers une filière est de loin le procédé de transformation des matières plastiques le plus répandu. En 2001, par exemple, le tonnage de matières transformées par extrusion en France s’est élevé à 2,1 millions de tonnes, soit 47 % de la consommation totale de produits thermoplastiques. Par ordre d’importance décroissante, toujours en tonnage de matière transformée, les différents produits concernés par ce procédé sont : – les films soufflés : principalement des polyéthylènes (PE-BD, PE-BDL, PE-HD) et, en particulier, depuis une dizaine d’années, les nouveaux polyéthylènes métallocènes ; – les feuilles et plaques : PVC, polypropylène, polystyrène ; – les tubes : presque exclusivement du PVC, avec un peu de polyéthylène (principalement haute densité), mais aussi du polyamide et des silicones ; – les profilés : principalement du PVC ; – enfin, les isolations de câbles électriques ou téléphoniques : PVC, polyéthylène basse densité et formulations spécifiques fortement chargées. Une ligne d’extrusion est généralement constituée des éléments suivants : – une extrudeuse, monovis ou bivis, qui permet de fondre ou de plastifier le polymère, de le mettre en pression, et de fournir un débit de matière régulier, à une température aussi homogène que possible ; – la filière, de géométrie plus ou moins complexe, qui donne au produit la forme requise. À la sortie de la filière, le produit peut subir éventuellement d’autres traitements mécaniques (conformation, étirage, soufflage...), tout en étant refroidi, puis conditionné.

ｊｵｩｬｬ･ｴ＠ＲＰＰＸ

L


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AM 3 65 5– 1

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＵ MODÉLISATION DES ÉCOULEMENTS DANS LES FILIÈRES D’EXTRUSION _______________________________________________________________________

Le rôle principal que doit jouer une filière d’extrusion est de fournir à la sortie de l’outillage un produit de dimension donnée, parfaitement uniforme du point de vue des débits et des températures. Cela est particulièrement important pour les phases qui suivent l’extrusion proprement dite (étirage, conformation, refroidissement...) pour lesquelles toute hétérogénéité en sortie de filière ne pourrait qu’être aggravée et conduire à un produit incorrect. L’écoulement dans une filière est donc un problème de distribution et la conception géométrique de ces outillages doit permettre de réaliser cette distribution au mieux, pour des conditions de débit le plus élevé possible. Cette conception a longtemps été fondée sur l’empirisme et l’expérience des bureaux d’études et des utilisateurs. Grâce aux progrès de la simulation numérique et au développement des outils informatiques, une approche plus scientifique du problème permet aujourd’hui de conforter l’expérience des praticiens et d’aborder la conception des filières d’extrusion de manière rationnelle et performante. Nota : pour plus de détails, le lecteur pourra se reporter aux dossiers Extrusion monovis [AM 3 650] et [AM 3 651], dans ce traité.

1. Description des géométries étudiées

Carter de la filière Poinçon Chenal hélicoïdal

1.1 Filières de gaines

A

A

Elles sont utilisées en extrusion-soufflage pour la réalisation de films de faible épaisseur (entre 10 et 300 µm). Canal d'entrée (venant de l'extrudeuse)

■ Les plus utilisées ont une géométrie hélicoïdale (figure 1). Le polymère fondu arrive à la partie inférieure par le canal d’entrée, est réparti à la périphérie du poinçon par une série de canaux radiaux, chacun de ces canaux débouchant dans un chenal hélicoïdal, usiné autour du poinçon. La profondeur de ce chenal diminue lorsque l’on progresse de bas en haut, alors que le jeu entre le poinçon et le carter de la filière augmente. On obtient ainsi une bonne distribution du polymère sur toute la périphérie de la filière, tout en évitant les lignes de ressoudure.

a

vue générale

Coupe AA

Carter de la filière

■ Depuis une dizaine d’années est apparu un nouveau type de filière de gaine, dite « pancake ». Comme on peut le voir sur la figure 2, ces outillages conservent le principe de l’écoulement dans des chenaux hélicoïdaux, mais ceux-ci sont mis à plat, et la matière s’écoule maintenant de la périphérie vers le centre.

Chenal hélicoïdal

Canal radial

L’intérêt majeur de cette conception se justifie dans le cas de la coextrusion de films multicouches, où l’on peut multiplier le nombre de couches de matériaux différents en « empilant » les filières de type « pancake », ce qui était beaucoup plus difficile dans le cas de géométries hélicoïdales classiques. On arrive ainsi maintenant, avec cette technique, à fabriquer des films soufflés comprenant neuf couches différentes.

b

coupe A-A

Figure 1 – Filière de gaine à géométrie hélicoïdale

1.3 Filières de plaques ou de feuilles 1.2 Filières de tubes

Elles permettent de fabriquer des produits plats, d’épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm pour les films et les feuilles, et de 0,8 à 25 mm pour les plaques, sur des largeurs allant de quelques centimètres à plusieurs mètres.

Ce sont des filières de géométrie essentiellement axisymétrique, constituées d’un poinçon relié au carter par des ailettes réparties régulièrement sur la périphérie (figure 3). Les flux de matière, séparés au passage des ailettes, se ressoudent ensuite en aval de celles-ci.

Les plus performantes sont les filières en porte-manteau (figure 4). Le polymère fondu provenant de l’extrudeuse se répartit dans un canal de section variable (le porte-manteau), qui va permettre une distribution la plus uniforme possible sur toute la largeur de l’outillage. Des corrections éventuelles peuvent être apportées au moyen de la barre d’étranglement, ainsi qu’au moyen des lèvres finales flexibles, réglables en épaisseur.

Ce type de géométrie permet de couvrir une gamme très large de produits, depuis les tubes à usage médical de quelques millimètres de diamètre, jusqu’aux tubes d’adduction d’eau pouvant atteindre 2 m de diamètre.

AM 3 655 – 2


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ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＵ ________________________________________________________________________ MODÉLISATION DES ÉCOULEMENTS DANS LES FILIÈRES D’EXTRUSION

Sortie de la matière Chenal hélicoïdal

A

A

Arrivée de la matière a coupe transversale

b coupe AA

Figure 2 – Filière de gaine de type « pancake »

Poinçon

A

Ailette

Poinçon

A

Carter

Ailette

Carter b coupe transversale A-A

a coupe longitudinale Figure 3 – Filière de tube

Barre d’étranglement

Canal de distribution en porte-manteau

A

Bloc supérieur

Barre d’étranglement

Lèvres réglables

A

Canal de relaxation

Bloc inférieur

a vue de dessus

Canal de distribution en porte-manteau

b coupe A-A

Figure 4 – Filière de plaques ou de feuilles


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AM 3 655 – 3

ｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＵ MODÉLISATION DES ÉCOULEMENTS DANS LES FILIÈRES D’EXTRUSION _______________________________________________________________________

1.4 Filières de profilés Plaque porte-filière

Réservoir (extrémité de l’extrudeuse)

Il s’agit de réaliser ici des pièces de forme généralement complexe, destinées par exemple à l’industrie automobile ou au bâtiment (huisserie).

Canal d’écoulement

Il y a encore quelques années, de nombreuses filières étaient de type « plaque », comme celle de la figure 5. On plaçait à l’extrémité de l’extrudeuse une simple plaque, de quelques centimètres d’épaisseur, dans laquelle était usinée la forme à réaliser. Devant l’augmentation des exigences de qualité, principalement dimensionnelle, des profilés extrudés, ces outillages simples sont de plus en plus souvent remplacés par des géométries plus complexes, où la matière est progressivement amenée de la section de sortie de l’extrudeuse (généralement circulaire) à la section finale du profilé (figure 6).

A

Ces filières sont habituellement constituées de plusieurs plaques, fixées les unes aux autres, pour permettre, si nécessaire, une modification plus aisée de la géométrie de l’écoulement.

A Canal d’écoulement

Plaque porte-filière

1.5 Filières de câblerie

a vue de face

b

coupe A-A

Ces filières sont destinées à réaliser l’isolation des câbles électriques ou téléphoniques (figure 7). Le même principe s’applique à tous les types de fabrication, qui vont des câbles d’énergie haute tension à forte épaisseur d’isolant (quelques centimètres), déposé à une vitesse linéique de quelques centimètres par minute, aux câbles téléphoniques (quelques dixièmes de millimètre d’épaisseur, déposés à plus de 1 000 m/min).

Figure 5 – Filière de profilés, de type « plaque »

Le câble ou le conducteur à isoler est guidé par le poinçon et se déplace perpendiculairement à l’extrudeuse, d’où le nom de filière en tête d’équerre. Le polymère est réparti autour du poinçon, généralement grâce à un canal de répartition, puis il est cisaillé entre la paroi de la filière et le conducteur en mouvement.

Réservoir (extrémité de l’extrudeuse)

A

2. Équations générales de la mécanique des fluides visqueux

A Canal d'écoulement a vue de face

b coupe A-A

Les équations de la mécanique des milieux continus sont à la base de la modélisation des écoulements dans les filières d’extrusion. Toutefois, un certain nombre de spécificités liées aux propriétés physiques des polymères à l’état fondu vont rendre cette approche particulière.

Figure 6 – Filière de profilés, de type « progressive »

Zone de Poiseuille

2.1 Spécificité des écoulements de polymères fondus

Zone de cisaillement

2.1.1 Grande viscosité

E

La viscosité moyenne d’un polymère fondu en écoulement se situe dans une fourchette de 102 à 104 Pa · s. R

Sachant que 1 Pa · s (pascal-seconde) = 1 PI (poiseuille) = 10 P (poises). Les conséquences en sont très importantes.

P C

En premier lieu, le nombre de Reynolds Re de l’écoulement sera très faible :

C Conducteur métallique E Canal d'entrée

Re =

Zone axisymétrique

Zone d’alimentation

ρVH η

avec ρ (kg/m3) masse volumique du polymère,

P Poinçon R Canal de répartition

V (m/s) vitesse moyenne d’écoulement, H (m) entrefer local,

Figure 7 – Filière de câblerie téléphonique

AM 3 655 – 4

η (Pa · s) viscosité du polymère fondu.


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Sécurité dans les techniques d’extrusion par

Maurice NIVON Ingénieur de l’École nationale supérieure des arts et métiers Ingénieur-conseil à la caisse régionale d’assurance maladie CRAM Rhône-Alpes

et

Guy SANLIAS Ingénieur de l’École nationale de chimie de Clermont-Ferrand (ENSCCF)

1. 1.1 1.2 1.3

Les installations et leur mise en sécurité ......................................... Installations .................................................................................................. Mise en sécurité des machines et des installations.................................. Sécurité des techniques d’extrusion..........................................................

AM 3 658 - 2 — 2 — 2 — 4

2. 2.1 2.2

Préparation des mélanges ..................................................................... Incorporation des adjuvants ...................................................................... Protection des mélangeurs .........................................................................

— — —

4 4 4

3. 3.1 3.2

Utilisation des extrudeuses .................................................................. Phénomènes dangereux et zones de danger ............................................ Mesures de sécurité ....................................................................................

— — —

5 5 6

4. 4.1 4.2 4.3

Souffleuses de gaines............................................................................. Cylindres (rouleaux pinceurs)..................................................................... Groupe de tirage.......................................................................................... Traitement de surface par effluvage ..........................................................

— — — —

9 10 10 10

5. 5.1 5.2 5.3

Bancs d’extrusion de profilés.............................................................. Risques mécaniques et mesures de sécurité ........................................... Risques électriques...................................................................................... Risques occasionnés par le bruit................................................................

— — — —

11 11 13 13

6. 6.1 6.2 6.3

Machines d’extrusion-soufflage........................................................... Description des installations....................................................................... Risques ......................................................................................................... Mesures de sécurité ....................................................................................

— — — —

13 13 14 15


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es techniques d’extrusion des matières thermoplastiques et des caoutchoucs sont utilisées dans plusieurs procédés de fabrication et notamment pour : — la production de granulés de matière plastique (résine et composants auxiliaires) destinés à l’alimentation des machines de transformation telles que les presses à injecter et les extrudeuses ; — la fabrication de tubes et de profilés à section pleine ; — le moulage des corps creux par soufflage ; — le formage d’objets par thermoformage ; — le calandrage de plaques et de feuilles souples ; — la production de films de faible épaisseur destinés à l’emballage ou aux bandes supports d’enregistrements audio ou vidéo ; — la production de sacs avec des parois de faible épaisseur ; — le gainage isolant de câbles électriques.


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SÉCURITÉ DANS LES TECHNIQUES D’EXTRUSION _____________________________________________________________________________________________

L’extrudeuse est une machine qui transforme des matériaux solides ou pulvérulents en matières plastifiées qui sont ensuite forcées à travers une filière dont la section correspond à l’alimentation des équipements de production situés en aval et à la quantité de matière nécessaire à l’obtention des produits. Elle est donc intégrée dans un ensemble de production. Les phénomènes dangereux qui se manifestent pendant l’utilisation des extrudeuses et des installations intégrant les extrudeuses sont d’ordre mécanique, électrique, thermique ou engendrés par le bruit, les matériaux et les produits.

1. Les installations et leur mise en sécurité

1.2 Mise en sécurité des machines et des installations Pour atteindre cet objectif, les concepteurs, les constructeurs et les utilisateurs doivent satisfaire les exigences essentielles de sécurité et de santé énoncées dans l’annexe I de la directive 89/392 CEE modifiée 93/44 CEE et 93/68 CEE et dans l’annexe A de la norme NF EN 292.2/A1, afin d’assurer la conformité avec la législation et ils doivent apprécier les risques (norme NF EN 1050) (cf. Doc AM 3 658).

1.1 Installations Nous décrivons ici quelques installations utilisées pour les fabrications énoncées précédemment (figure 1). Pour plus de détails, on pourra consulter les références [11, 12]. ■ Moulage des corps creux par soufflage L’extrudeuse produit un tube de matière plastifiée (paraison) qui est sectionné à la longueur correspondant à la hauteur de l’outillage, puis enfermé dans un moule en 2 parties ; un gaz sous pression est soufflé à l’intérieur afin de plaquer la matière sur la surface de l’empreinte et de la refroidir.

1.2.1 Normalisation et détermination des phénomènes dangereux Pour permettre d’interpréter les exigences essentielles, le Comité européen de normalisation (CEN) et le Comité européen de normalisation électrotechnique (CENELEC) font élaborer des normes qui peuvent être classées de la manière suivante : — les normes de type A, qui sont des normes de sécurité fondamentales applicables à tous les types de machines ; — les normes de type B, qui précisent des aspects de la sécurité relatifs à une large gamme de machines parmi lesquelles on distingue : • les normes de type B1, qui traitent des aspects particuliers (par exemple, les distances de sécurité), • les normes de type B2, qui traitent des dispositifs de sécurité (par exemple, les commandes bimanuelles, les protecteurs) ; — les normes de type C, qui se réfèrent aux normes A et B pour déterminer les phénomènes dangereux et les mesures de sécurité spécifiques à un type de machine. Lors de la conception d’un équipement, deux situations peuvent se présenter : • soit la norme C traitant les prescriptions de sécurité existe, • soit la norme C n’existe pas, alors le concepteur doit se référer aux normes de type A et de type B.

À l’issue du démoulage, le produit obtenu subit des opérations de finition (élimination des excès de matière) et de contrôle d’étanchéité dans des stations annexes. ■ Extrusion de tubes L’extrudeuse produit un tube qui est ensuite formé suivant les dimensions et sections (tubes annelés, par exemple) requises, dans un conformateur situé en aval. Le tube, entraîné par un extracteur, est ensuite refroidi dans un dispositif et, enfin, bobiné par une enrouleuse. Un dispositif de sectionnement coupe le tube à la longueur désirée. ■ Extrusion de profilé à section pleine La matière plastifiée est extrudée à travers une filière dont la section correspond au profil désiré ; le profilé est ensuite refroidi et entraîné par un extracteur. Un dispositif de tronçonnage permet de couper des barres de longueur déterminée qui sont ensuite stockées en attente d’utilisation ou de conditionnement. ■ Fabrication de film de faible épaisseur Le film, extrudé à travers une filière, subit un contrôle d’épaisseur, puis un étirage longitudinal suivi parfois d’un étirage transversal. Après le refroidissement, le film est enroulé par une bobineuse.

1.2.2 Mise en évidence des situations dangereuses

■ Fabrication de gaines soufflées Une situation dangereuse est le résultat d’une présence humaine dans une zone où se produit un phénomène dangereux.

Une gaine est extrudée à travers une filière circulaire. Cette gaine est soufflée à l’intérieur afin d’obtenir un cylindre de hauteur pouvant atteindre 10 m qui est pincé à son extrémité supérieure et ensuite tiré par un entraîneur. Après avoir subi des opérations de marquage, soudage, prédécoupage, la gaine pliée et aplatie est enroulée par une bobineuse.

En conséquence, le concepteur doit envisager les interventions des personnes dans toutes les phases de vie des équipements : — pendant la construction et le montage ; — pendant le transport ; — pendant l’utilisation (réglage-programmation, production, recherche de panne, nettoyage-maintenance, correction d’anomalie) ; — pendant la mise hors service.

■ Calandrage de plaques Une bande continue, extrudée à travers une filière de section rectangulaire, alimente une calandre qui produit une bande de section correspondant à celle des plaques. Une unité de découpage, placée à l’extrémité de l’installation, et des dispositifs latéraux de refendage permettent d’obtenir des plaques au format désiré.

AM 3 658 − 2


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____________________________________________________________________________________________ SÉCURITÉ DANS LES TECHNIQUES D’EXTRUSION

1.2.3 Appréciation du risque Tête d'extrusion Paraison Tête de soufflage

Le risque relatif à une situation dangereuse est fonction de la gravité du dommage possible et de la probabilité d’occurrence de ce dommage à partir : — de la fréquence et de la durée d’exposition ; — de la probabilité de survenance de l’événement dangereux ; — de la possibilité d’éviter ou de limiter le dommage. Avant de définir les mesures de sécurité, le concepteur doit apprécier globalement les risques liés à toutes les phases de la vie de la machine et les hiérarchiser.

Produit fini

Extrudeuse

Poste de finition

Moule

Poste de contrôle d'étanchéité

Moulage des corps creux par soufflage

Tube souple enroulé Dispositif de coupe

Enrouleur

Extracteur

Tube annelé Conformateur

Dispositif de refroidissement

1.2.4 Stratégie pour les choix de prévention Après avoir effectué les analyses permettant d’identifier les phénomènes dangereux et les situations dangereuses et d’apprécier les risques, le concepteur doit, pour atteindre le niveau de sécurité suffisant, choisir des mesures conduisant à : — l’évitement du danger (prévention intrinsèque) ; — la réduction du risque (prévention intrinsèque partielle) ; — la mise en place de protections collectives ; — des instructions d’utilisation.

Extrudeuse

Filière

Les critères de choix des protections collectives concernent : — l’homogénéité des niveaux de fiabilité de tous les composants d’un dispositif (protecteurs et dispositifs de verrouillage associés ou dispositifs sensibles, systèmes de traitement des informations, préactionneurs et actionneurs) ; — la nature du danger (gravité des lésions) ; — la fréquence et la durée des interventions ; — la nature des accès dans la zone à protéger ; — les parties sécurité du système de commande ; — les catégories de performance des parties de systèmes de commande relatives à la sécurité.

Extrusion de tubes Dispositif de tronçonnage

Stockage des profilés

Extrudeuse

Filière

Extracteur

Dispositif de refroidissement

Extrusion de profilé à section pleine Étirage transversal et refroidissement

Enrouleuse

Contrôleur d'épaisseur

Étirage longitudinal

1.2.5 Catégories de performance

Extrudeuse

La norme EN 954, partie 1, fournit des exigences de sécurité et des conseils de conception relatifs aux parties des systèmes de commande et définit, en fonction des exigences, les catégories de performance (tableau 1).

Filière

Fabrication de film de faible épaisseur

Tableau 1 – Catégories de performances (1) Rouleaux entraîneurs

Catégorie

Rouleaux pinceurs Gaine cylindrique soufflée Filière Tête d'extrudeuse

Dispositif de soudure et de prédécoupage Enrouleuse

Extrudeuse

Tapis transporteur Dispositif de coupe Extrudeuse

Plaques découpées

Rouleaux décolleurs

Comportements correspondants

Catégorie B Chaîne unique de compo- Un défaut peut conduire sants sélectionnés à la perte de la fonction sécurité Catégorie 1 Chaîne unique de compo- Le comportement est sants éprouvés comparable à celui de la catégorie B, mais avec une plus grande fiabilité Catégorie 2 Chaîne unique de compo- La survenance d’un désants éprouvés avec une faut peut conduire à la autosurveillance perte de la fonction sécurité entre deux vérifications Catégorie 3 Deux chaînes utilisées en Un défaut unique ne peut redondance avec ou sans pas entraîner une perte autosurveillance de sécurité ; une accumulation de défauts non détectés peut conduire à la perte de sécurité Catégorie 4 Deux chaînes utilisées en Les défauts sont détecr e d o n d a n c e a v e c u n e tés à temps pour éviter autosurveillance quasi la perte de sécurité permanente

Fabrication de sacs

Calandre

Exemple

Filière

Rouleaux motorisés

Calandrage de plaques

(1) D’après norme EN 954-1.

Figure 1 – Quelques installations d’extrusion


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AM 3 658 − 3


SÉCURITÉ DANS LES TECHNIQUES D’EXTRUSION _____________________________________________________________________________________________

2.2 Protection des mélangeurs

1.3 Sécurité des techniques d’extrusion Pour déterminer les phénomènes dangereux (mécaniques, électriques, thermiques, engendrés par le bruit, les vibrations, les rayonnements ou par les produits utilisés...) et les événements dangereux (perte de stabilité, par exemple), le concepteur peut utiliser le tableau A1 de l’annexe A de la norme NF EN 1050. Ces divers phénomènes sont résumés dans le tableau 2. Les risques correspondants et les mesures de sécurité préconisées sont étudiés dans les paragraphes suivants concernant les extrudeuses et les installations.

■ Risques mécaniques Pour les mélangeurs à organes mobiles internes (vis, hélices, etc.), la prévention des accidents du travail résulte facilement de l’application des exigences essentielles de sécurité énoncées dans la norme NF EN 292-2/A1. Pour les mélangeurs à cuve mobile (par exemple, des tonneaux tournants), la paroi de la cuve ne constitue plus un obstacle matériel entre l’opérateur et la zone dangereuse, mais est elle-même à l’origine d’un risque grave par entraînement de cet opérateur (généralement accrochage de vêtement) ou par choc d’élément saillant. Il est nécessaire de déterminer, autour de chaque mélangeur, une zone à rendre inaccessible pendant le fonctionnement et comprenant le volume de débattement du mélangeur, plus un espace de sauvegarde (figure 2).

Tableau 2 – Phénomènes dangereux pendant l’utilisation des extrudeuses et des installations intégrant les extrudeuses Type de phénomène

Description

Mécanique

Écrasement à la suite du déplacement d’un élément mobile provoqué par un actionneur ou par le phénomène de gravité Cisaillement entre un élément mobile et une partie fixe Sectionnement et coupure Entraînement et coincement Projection d’élément de machine Choc avec des canalisations flexibles sous pression en cas de débattement à la suite d’une rupture Piqûre et perforation Projection de fluide et de matière plastifiée sous pression

Électrique

Électrisation par contact direct avec des pièces nues sous tension Électrisation par contact indirect avec des masses mises accidentellement sous tension Choc électrique à la suite de l’accumulation de charges électrostatiques

Thermique

Brûlure par contact avec les parties chaudes des machines, avec la matière plastifiée, avec les fluides caloporteurs Brûlure par projection de matière plastifiée et de fluide caloporteur

Engendré par le bruit

Détérioration de l’audition Difficulté de communication Difficulté de perception de signaux sonores

Engendré par les matériaux et les produits

La zone est rendue inaccessible pendant le fonctionnement, et accessible à l’arrêt pour le chargement et le déchargement au moyen d’obstacles fixes (murs, panneaux fixes, pleins ou grillagés) et d’un protecteur mobile guidé. Les dimensions des obstacles (éloignement des zones dangereuses en fonction de la hauteur, dimensions des mailles ou des discontinuités) doivent satisfaire à la norme NF EN 294 (cf. Doc. AM 3 658). La hauteur de l’obstacle par rapport au sol (ou au plan de circulation) doit être égale ou supérieure à 1 800 mm. Le fonctionnement du mélangeur est verrouillé ou interverrouillé par la position du protecteur mobile. En position fermé, le fonctionnement est autorisé. En position ouvert (c’est-à-dire toute autre position que la position fermé : ouverture complète et positions intermédiaires), le fonctionnement est verrouillé (rendu impossible). Si l’arrêt du mélangeur après séparation de la source d’énergie n’est pas rapide, un interverrouillage est nécessaire pour interdire l’ouverture du protecteur avant l’arrêt effectif du mélangeur. Les conditions de verrouillage ou d’interverrouillage, par détecteurs de position agissant sur le circuit de commande ou par serrures à récupération de clefs agissant sur le circuit de puissance, sont les mêmes que celles concernant les presses à injecter et les broyeurs. Un espace de sauvegarde est recommandé : il permet, par protection intrinsèque, de réduire le risque d’écrasement. L’organe de service (bouton-poussoir de type affleurant) assurant la commande du mélangeur doit être placé à un endroit permettant de vérifier visuellement l’absence d’une personne dans la zone dangereuse. À défaut, un dispositif complémentaire : tapis sensible, barrage immatériel [7] doit effectuer ce contrôle.

Inhalation de vapeurs nocives émises lors de la décomposition accidentelle de la matière Brûlure par contact ou projection de produits corrosifs utilisés pour les nettoyages des éléments de machines

■ Risques toxicologiques Ils dépendent de la nature de l’adjuvant et de sa forme physique. L’homogénéité du mélange augmente avec la surface spécifique de la poudre : les poudres fines sont plus faciles à incorporer, elles sont aussi davantage sujettes à se disperser dans l’air. La vitesse d’aspiration nécessaire doit être la plus homogène possible dans tout le volume concerné par le chargement et le déchargement. Elle résulte d’un compromis entre la vitesse nécessaire pour une aspiration très efficace et celle évitant de soulever en nuage le produit (déposé ou en écoulement) : généralement de l’ordre de 0,2 à 0,5 m/s.

2. Préparation des mélanges 2.1 Incorporation des adjuvants

■ Cas particulier du PVC

Les adjuvants sont généralement introduits avant ou pendant la mise en œuvre. Les risques sont soit mécaniques et liés au matériel utilisé, soit toxicologiques et liés à la nature chimique et à la forme physique de l’adjuvant.

Les petites quantités résiduelles de chlorure de vinyle monomère se dégagent en grande partie lors du premier chauffage du PVC en poudre (à partir de 40 à 50 °C). Un mélangeur pour dry-blend à hélice atteint ces températures. À l’ouverture du mélangeur, un dégazage sous aspiration doit donc être effectué.

AM 3 658 − 4


ＸＴ

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Microplasturgie par

Pierre ROY Ingénieur Technologie des polymères et des composites de l’École des mines de Douai Ancien directeur technique de la société VYGON Directeur technique et qualité de la société OPTIS

1. 1.1 1.2 1.3 1.4

Rappel des principes théoriques et application à la microplasturgie ................................................................................ Présentation de quelques pièces................................................................ Viscosité et loi de comportement............................................................... Problématique du refroidissement ............................................................ Histoire thermomécanique .........................................................................

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Paramètres de la transformation......................................................... Influence de la vitesse ................................................................................. Influence de la température........................................................................ Volume et débit mis en œuvre ................................................................... Points critiques du procédé d’extrusion .................................................... Points critiques du procédé d’injection .....................................................

— — — — — —

5 5 5 6 6 6

3. 3.1 3.2 3.3 3.4

Unités de plastification : limites et remèdes ................................... Introduction.................................................................................................. Conception de la zone d’alimentation ....................................................... Dimensionnement de la zone de plastification ......................................... Dimensionnement de la zone de pompage ou calibrage.........................

— — — — —

7 7 7 7 8

4. 4.1 4.2 4.3

Extrusion : conception de la ligne ...................................................... Régulation de la vitesse .............................................................................. Dimensionnement des outillages : les filières .......................................... Règles de conception des périphériques...................................................

— — — —

9 9 9 10

5. 5.1 5.2 5.3

Injection : conception des outillages ................................................. Conception des moules............................................................................... Réalisation des moules ............................................................................... Quelques presses ........................................................................................

— — — —

11 11 12 12

6. 6.1 6.2 6.3

Simulation, autres procédés de transformation ............................. Simulation .................................................................................................... Injection et extrusion-soufflage.................................................................. Nouveaux procédés.....................................................................................

— — — —

12 12 13 14

AM 3 701 - 2 — 2 — 2 — 4 — 4

Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. AM 3 701

I

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l est admis communément que la microplasturgie désigne les pièces plastiques obtenues par transformation traditionnelle mais dont la masse n’excède pas 1 g dans le cas de pièces injectées ou dont la section est de l’ordre de 1 mm2 dans le cas des profilés d’extrusion et dont le volume est situé autour de 1 mL pour les flacons obtenus par injection ou par extrusion-soufflage. Ces pièces sont utilisées dans de nombreux domaines industriels qui vont de la cosmétique (corps de pompes de vaporisateurs), la pharmacie (unidoses de médicaments), le médical (cathéters, sondes à ballonnet), à l’électronique, les télécommunications (connecteurs, pièces de téléphones portables, fibres optiques) et l’horlogerie (engrenages).


ＸＵ

A M

3 7 0 1

−1


MICROPLASTURGIE

____________________________________________________________________________________________________________________

Elles ont pour dénominateur commun une précision dimensionnelle de l’ordre de quelques micromètres, d’où le terme de « microplasturgie ». Leur développement ne cesse de s’accélérer en raison de l’arrivée sur ces marchés des « microsystèmes », dispositifs comprenant plusieurs fonctions mécaniques, électroniques, optiques intégrées et utilisant à plein une des fonctions principales permises par les matières plastiques, l’intégration de fonctions. Cette tendance du marché repousse toujours plus loin les limites de la transformation des matières plastiques et l’objet de cet article est de rappeler les règles de base et les limites actuelles des procédés traditionnels, de proposer des approches et d’ouvrir sur les nouveaux moyens en cours de développement qui seront mis à la disposition des industriels dans les prochaines années.

1. Rappel des principes théoriques et application à la microplasturgie

come, ou l’urine pour les patients atteints d’incontinence. Ici, ce sont les qualités de résistance mécanique spécifique et de biocompatibilité des matières plastiques qui seront mises à profit. Les dispositifs de délivrance de médicaments actuellement élaborés visent à supprimer l’aiguille et nécessitent de concevoir des ensembles de la taille d’un stylo et comportant plusieurs dizaines de pièces comme par exemple des stylos injecteurs permettant l’injection de médicaments à travers la peau uniquement sous l’effet d’une très haute pression.

1.1 Présentation de quelques pièces

L’industrie pharmaceutique développe des conditionnements de produits unidoses réalisés par extrusion-soufflage avec remplissage et stérilisation. L’objectif est ici de proposer des produits prêts à l’emploi et d’éviter le risque de contamination de la solution dans le cas d’une réutilisation.

La demande en micropièces n’a fait que croître ces dernières années, poussée plus particulièrement par certains secteurs industriels comme l’électronique, le médical ou les télécommunications. La recherche de miniaturisation relève néanmoins d’une motivation différente selon ces secteurs, par exemple, le secteur de l’électronique en densifiant les circuits intégrés pour élever les performances des ordinateurs a été rapidement confronté à un problème de connectique.

■ Enfin, l’industrie de la mécanique n’est pas en reste avec le développement de microsystèmes pour les imprimantes à jet d’encre, les déclencheurs de coussins de sécurité automobile, les têtes de lecture pour disques durs et les mécanismes de caméras.

■ L’utilisation des matières plastiques pour la réalisation des connecteurs d’ordinateurs est indissociable de l’évolution de ce secteur (les cosses de connexion étaient réalisées en résine phénolique depuis les années 1940, les propriétés des matières plastiques permettant une bonne isolation électrique).

Ainsi, il est maintenant possible de produire des moteurs d’un diamètre extérieur de 1,9 mm, 5,5 mm de long et capables de tourner à 100 000 tr/min, pour le développement de MEMS (Microelectromechanical systems) ou, plus simplement, des micromoteurs qui pourront par exemple permettre d’actionner des micropompes pour l’analyse biologique.

L’augmentation de la vitesse de traitement de l’information, ainsi que le développement des systèmes dits « déportés », donc devant être interconnectés entre eux et de moins en moins encombrants, ont amené les fabricants de connecteurs à concevoir des pièces de plus en plus denses et de petites dimensions.

Des exemples de pièces réalisées en microplasturgie sont montrés sur la figure 1. La production de l’ensemble de ces pièces est réservée à une poignée de spécialistes dont les machines de réalisation des outillages et l’outil de production ont été complètement repensés.

Les connecteurs pour les applications de télécommunication sont ceux ayant subi la plus grande évolution dans le sens de la miniaturisation ; on réalise aujourd’hui des connecteurs pour la téléphonie mobile comportant 60 contacts sur une hauteur de 1 mm. ■ La miniaturisation des dispositifs dans le secteur du matériel médical est stimulée par le développement des techniques de chirurgie minimale invasive et des dispositifs de délivrance locale de médicaments. Ainsi, les cathéters multilumières actuellement développés permettent de disposer de plusieurs voies d’accès au système veineux du patient pour un seul point de ponction.

1.2 Viscosité et loi de comportement Les thermoplastiques sont mis en œuvre dans des machines de transformation suivant un cycle en apparence simple : plastification, mise en forme et refroidissement. Ce cycle fonctionne en grande partie grâce à une remarquable propriété intrinsèque des matières plastiques : leur viscosité à caractère pseudo-plastique, c’est-à-dire sa dépendance importante vis-à-vis du taux de cisaillement.

Les cathéters de chirurgie cardiaque permettent de placer des stents (prothèse artérielle) à l’intérieur des artères afin de rétablir la circulation sanguine sans procéder à un acte chirurgical lourd. Ces derniers produits ont nécessité le développement de ballons permettant la dilatation des stents, d’une épaisseur de quelques dizaines de micromètres et d’un diamètre extérieur de 1 à 2 mm. Toujours dans le domaine de la santé, il est envisagé à terme d’implanter des systèmes de monitorage des pressions des fluides biologiques comme le corps vitré pour les patients atteints du glau-

AM 3 701 − 2

Pour mémoire, un polymère est un fluide non newtonien et la viscosité est une fonction décroissante du taux de cisaillement. Une des formes classique de modélisation est la loi de puissance (ou loi d’Ostwald de Waele) qui s’applique dans les plages de transformation couramment rencontrées en injection et en extrusion (taux de


ＸＶ


____________________________________________________________________________________________________________________ MICROPLASTURGIE

a

b

c tubes à usage médical de Putnam Plastics

connecteurs Framatome-FCI

d cathéter à ballonnet pour dilatation coronarienne de Boston Scientific

e stylo injecteur liquide de Bioject

f stylo injecteur solide de Powderject

g flacons unidoses

h micromoteur de l'IMM

i

j

nanoconnecteurs

k

micropièces de 0,8 et 2,2 mg

Figure 1 – Exemples de pièces réalisées en microplasturgie


ＸＷ

AM 3 701 − 3


MICROPLASTURGIE

____________________________________________________________________________________________________________________

général, deviennent prépondérants et la loi de comportement doit être revue, notamment dans le cas d’un calcul de simulation.

αn η

η0

1.3 Problématique du refroidissement

10–1 η0

L’évacuation de l’énergie de cisaillement apportée par le polymère s’avère souvent délicate pour les outillages et a pour conséquence une élévation excessive de la température des inserts dans le domaine de l’injection, élévation qui devient très problématique en régime continu, pour les poinçons de filière en extrusion où l’on observe des écarts de température de plusieurs dizaines de degrés entre le poinçon et la filière.

10–2 η0 10–3 η0

0,1 1 10 100 1 000

γ•0

• αn γ (s–1)

Cela provient du fait que l’énergie apportée par dissipation est bien souvent supérieure ici à l’énergie apportée par transfert.

Figure 2 – Évolution de la viscosité d’un polymère avec le taux de cisaillement

Ainsi, la puissance Pd (en W/m3) dissipée dans l’écoulement s’écrit :

P d = η · v 2 /h

cisaillement compris entre 10−1 et 10−5 s−1). La viscosité s’écrit alors : η = K (dγ avec

h (m) dimension de l’écoulement, v (m · s−1) vitesse de l’écoulement, η (Pa · s) viscosité. D’autre part, la puissance Pc (en W/m2) échangée par conduction, ou flux thermique surfacique, s’écrit : avec

/dt)n −1

η

(Pa · s) viscosité du fluide,

K

(Pa · sn) consistance (valeur de la viscosité pour un taux de cisaillement de 1 s−1),

dγ /dt

(s−1) taux de cisaillement,

Pc = λ · (Tm − Tp)/h avec

n indice de pseudo-plasticité : si n = 1, le comportement du matériau est newtonien, si n = 0, le comportement du matériau est plastique. Les polymères ont un indice de pseudo-plasticité n compris entre 0,2 et 0,7. La forte viscosité des polymères permet au procédé de transformation un apport d’énergie par cisaillement dans un temps très court et de façon majoritaire, ce qui serait difficile, voire long si l’énergie devait être apportée par chauffage, en raison de la faible conductivité thermique des matières plastiques. De même, la viscosité, initialement très élevée – typiquement 1 000 fois plus importante que celle de l’huile de lubrification – chute rapidement avec le taux de cisaillement (voir figure 2), ce qui permet le transfert du polymère dans les moules d’injection ou à travers les filières d’extrusion. Dans le cas des petites pièces et profilés, cette propriété peut devenir un handicap en raison des phénomènes d’autoéchauffement rencontrés dans les entrefers de faibles dimensions, risquant de dégrader le polymère. En effet nous avons, d’une part, des polymères qui sont considérés comme de bons isolants (conductivité thermique 1 000 fois moins élevée que celle du cuivre) et, d’autre part, une faible surface d’outillage, dont un des rôles est de dissiper la chaleur générée. Il est donc possible de se retrouver dans le cas où la puissance dissipée dans l’écoulement est difficile à évacuer et où, de ce fait, la température atteinte en régime continu est incompatible avec la tenue thermique du polymère, cas pouvant survenir quand les vitesses sont élevées. On cherchera donc à restreindre le taux de cisaillement par la conception de l’outillage et la limitation de la vitesse de transformation. Dans le cas inverse d’une limitation volontaire des forces de cisaillement, par une baisse de la vitesse d’injection par exemple, la viscosité augmente rapidement et la résistance mécanique des outillages atteint vite ses limites en raison des fortes pressions engendrées, car nous sommes en présence d’outillages de faibles dimensions. Enfin, comme nous l’avons souligné, la loi de puissance s’applique dans la plupart des cas, mais dans le cas des petites pièces et profilés, donc pour les forts taux de cisaillement (plus de 106 s−1), les effets de la pression, considérés comme négligeables dans le cas

AM 3 701 − 4

λ

(W · K−1 · m−1) polymère,

conductivité

thermique

du

Tm (K) température moyenne du polymère, Tp (K) température de la paroi de l’outillage. Le nombre de Brinkman Br est le rapport des échanges de dissipation et de conduction ; il s’écrit : η v2 Br = ----------------------------λ ( Tm – Tp ) Si ce rapport est supérieur à 1, ce qui est souvent le cas en microplasturgie, d’une part, il est inutile de contrôler thermiquement la filière, d’autre part, il devient difficile d’évacuer l’excès de chaleur dégagée par l’écoulement. L’observation du nombre de Brinkman montre que le principal moyen d’action serait de diminuer la vitesse d’écoulement v (par diminution de la vitesse d’injection, ou du débit en extrusion), et nous incite donc à conseiller de transformer lentement les petites pièces. Cependant, une vitesse de transformation trop lente augmente la viscosité du polymère, ce qui, comme nous l’avons souligné précédemment, générera des contraintes mécaniques excessives sur l’outillage. Ainsi, il faudra veiller à se situer dans une plage de vitesse aussi élevée que possible, en maintenant une température de matière aussi basse que possible avant le passage dans l’outillage, ce qui nécessite des presses à injecter permettant des vitesses d’injection élevées (500 à 1 000 mm/s) ou des lignes d’extrusion capables de vitesses de tirage élevées (supérieures à 100 m/min), ce qui suppose une excellente qualité de régulation afin de maintenir une précision convenable.

1.4 Histoire thermomécanique Pendant la transformation, le polymère subit un cycle de chauffage/refroidissement et un cisaillement intense, qui sont les deux contraintes principales observées pendant la mise en œuvre et qui déterminent l’histoire thermomécanique du polymère.


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