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Plasturgie : procédés d’extrusion Réf. Internet : 42150 Actualisation permanent

Plasturgie : procédés d’extrusion Réf. Internet : 42150 Actualisation permanente sur www.techniques-ingenieur.fr Techniques de l'Ingénieur MATÉRIAUX Les Sélections Techniques de l’Ingénieur La plus importante base scientiique et technique en français Pour toute information, le service clientèle reste à votre disposition : Tél : 01 53 35 20 20 Fax : 01 53 26 79 18 Mail : infos.clients@teching.com III Une information iable, claire et actualisée Validés par un comité scientiﬁque et mis à jour en permanence sur Internet, les articles des Techniques de l’Ingénieur s’adressent à tous les ingénieurs et scientiﬁques, en poste ou en formation. Outil d’accompagnement de la formation et de la carrière des ingénieurs, les bases documentaires Techniques de l’Ingénieur constituent le socle commun de connaissances des acteurs de la recherche et de l’industrie. 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Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites AM 3 650 − 1 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 ’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 pro- cédés 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 XXe siècle au domaine du caoutchouc, puis s’est largement développé depuis dans celui des matières thermoplastiques. 1. Présentation générale............................................................................. AM 3 650 - 2 1.1 Description générale et principe de fonctionnement ............................... — 2 1.2 Géométrie du système vis/fourreau........................................................... — 2 1.3 Les approximations classiques .................................................................. — 3 2. Mécanismes et modélisation................................................................ — 3 2.1 Zone de convoyage solide.......................................................................... — 3 2.2 Zone de fusion ............................................................................................. — 6 2.3 Zone de pompage........................................................................................ — 9 2.4 Modèle d’ensemble de l’extrusion monovis............................................. — 14 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. AM 3 651 L Ｙｒ￩ｦ￩ｲ･ｮ｣･＠ｉｮｴ･ｲｮ･ｴａｍＳＶＵＰｏ｣ｴｯ｢ｲ･＠ＲＰＰＲ EXTRUSION MONOVIS (PARTIE 1) _________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. AM 3 650 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites 1. Présentation générale 1.1 Description générale et principe de fonctionnement Le schéma de principe d’une extrudeuse monovis est présenté ﬁgure 1. Celle-ci comporte une vis sans ﬁn V qui tourne à l’inté- rieur 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. La principale fonction de l’extrudeuse est de convoyer le poly- mère, 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 indus- triel, on cherche à obtenir à la sortie de la machine un débit régu- lier, 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. D’après les observations qui ont été faites sur l’état du polymère dans la machine, on peut distinguer trois zones phénoménolo- giques : — 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. L’énergie nécessaire à la fusion et à la mise en pression du poly- mère 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. Le rapport de ces deux termes est ce que l’on appelle le nombre de Brinkman : avec η (Pa · s) viscosité, v F (m · s–1) vitesse linéaire de la vis au sommet du ﬁlet, λ (W · m–1 · oC–1) conductivité thermique du polymère, T F (oC) température du fourreau, (oC) température moyenne du polymère. Comme indiqué dans l’application numérique ci-après, ce nom- bre 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). 1.2 Géométrie du système vis/fourreau 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). 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 tou- tes les conditions opératoires. Les éléments géométriques essentiels de ce système vis-four- reau 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. Exemple : considérons une vis de diamètre 80 mm, tournant à 60 tr/min. Le polymère a une viscosité de 103 Pa · s et une conduc- tivité de 0,2 W·m–1 · oC–1. La différence entre la température du four- reau et celle du polymère est de 30 oC. On trouve : Br η v F 2 λ TF T – ( ) - - - - uploads/s1/ extrait-42150210.pdf