L'extrusion de plastiques est un processus de fabrication à grand volume dans lequel le plastique brut est fondu et transformé en un profilé continu. L'extrusion produit des articles tels que des tuyaux/tubes, des coupe-froid, des clôtures, des garde-corps de terrasse, des cadres de fenêtres, des films et feuilles en plastique, des revêtements thermoplastiques et des isolants métalliques.
Ce processus commence par l'introduction de matière plastique (granulés, granulés, flocons ou poudres) depuis une trémie dans le corps de l'extrudeuse. Le matériau fond progressivement grâce à l'énergie mécanique générée par le tournage des vis et par les radiateurs disposés le long du fût. Le polymère fondu est ensuite forcé dans une filière qui lui donne une forme qui durcit pendant le refroidissement.
HISTOIRE
Extrusion de tuyaux
Les premiers précurseurs de l’extrudeuse moderne ont été développés au début du XIXe siècle. En 1820, Thomas Hancock a inventé un « masticateur » de caoutchouc conçu pour récupérer les déchets de caoutchouc transformés, et en 1836, Edwin Chaffee a développé une machine à deux rouleaux pour mélanger des additifs au caoutchouc. La première extrusion thermoplastique a eu lieu en 1935 par Paul Troester et son épouse Ashley Gershoff à Hambourg, en Allemagne. Peu de temps après, Roberto Colombo de LMP développe les premières extrudeuses bivis en Italie.
PROCESSUS
Lors de l'extrusion de plastiques, la matière première se présente généralement sous la forme de grains (petites perles, souvent appelées résine) qui sont introduits par gravité depuis une trémie montée sur le dessus dans le corps de l'extrudeuse. Des additifs tels que des colorants et des inhibiteurs d'UV (sous forme liquide ou en granulés) sont souvent utilisés et peuvent être mélangés à la résine avant d'arriver dans la trémie. Le processus a beaucoup de points communs avec le moulage par injection de plastique du point de vue de la technologie de l'extrudeuse, bien qu'il en diffère en ce qu'il s'agit généralement d'un processus continu. Bien que la pultrusion puisse offrir de nombreux profils similaires dans des longueurs continues, généralement avec un renforcement supplémentaire, ceci est obtenu en retirant le produit fini d'une filière au lieu d'extruder le polymère fondu à travers une filière.
Le matériau entre par la gorge d'alimentation (une ouverture près de l'arrière du canon) et entre en contact avec la vis. La vis rotative (qui tourne normalement à 120 tr/min par exemple) force les billes de plastique vers l'avant dans le cylindre chauffé. La température d'extrusion souhaitée est rarement égale à la température réglée du fût en raison du chauffage visqueux et d'autres effets. Dans la plupart des processus, un profil de chauffage est défini pour le fût dans lequel au moins trois zones de chauffage indépendantes contrôlées par PID augmentent progressivement la température du fût de l'arrière (là où le plastique entre) vers l'avant. Cela permet aux billes de plastique de fondre progressivement au fur et à mesure qu'elles sont poussées à travers le cylindre et réduit le risque de surchauffe pouvant entraîner une dégradation du polymère.
La chaleur supplémentaire est apportée par la pression et la friction intenses qui se produisent à l’intérieur du canon. En fait, si une ligne d'extrusion traite certains matériaux suffisamment rapidement, les réchauffeurs peuvent être arrêtés et la température de fusion maintenue par la seule pression et friction à l'intérieur du cylindre. Dans la plupart des extrudeuses, des ventilateurs de refroidissement sont présents pour maintenir la température en dessous d'une valeur définie si trop de chaleur est générée. Si le refroidissement par air forcé s'avère insuffisant, des chemises de refroidissement moulées sont utilisées.
Extrudeuse de plastique coupée en deux pour montrer les composants
À l’avant du canon, le plastique fondu quitte la vis et traverse un tamis pour éliminer tout contaminant présent dans la masse fondue. Les écrans sont renforcés par une plaque de rupture (une rondelle métallique épaisse percée de nombreux trous) car la pression à ce stade peut dépasser 5 000 psi (34 MPa). L’ensemble tamis/plaque de rupture sert également à créer une contre-pression dans le canon. Une contre-pression est nécessaire pour une fusion uniforme et un mélange correct du polymère, et la pression générée peut être « modifiée » en faisant varier la composition du tamis (le nombre de tamis, la taille de leur armure de fil et d'autres paramètres). Cette combinaison de plaque de rupture et de tamis élimine également la « mémoire de rotation » du plastique fondu et crée à la place une « mémoire longitudinale ».
Après avoir traversé la plaque de coupe, le plastique fondu pénètre dans la matrice. La filière est ce qui donne son profil au produit final et doit être conçue de manière à ce que le plastique fondu s'écoule uniformément d'un profil cylindrique jusqu'à la forme du profil du produit. Un écoulement irrégulier à ce stade peut produire un produit présentant des contraintes résiduelles indésirables à certains points du profil, ce qui peut provoquer une déformation lors du refroidissement. Une grande variété de formes peut être créée, limitée aux profils continus.
Le produit doit maintenant être refroidi, ce qui est généralement réalisé en tirant l'extrudat dans un bain-marie. Les plastiques sont de très bons isolants thermiques et sont donc difficiles à refroidir rapidement. Comparé à l’acier, le plastique évacue la chaleur 2 000 fois plus lentement. Dans une ligne d'extrusion de tubes ou de tuyaux, un bain d'eau scellé est soumis à un vide soigneusement contrôlé pour empêcher le tube ou le tuyau nouvellement formé et encore fondu de s'effondrer. Pour les produits tels que les feuilles de plastique, le refroidissement est obtenu en tirant à travers un ensemble de rouleaux de refroidissement. Pour les films et les feuilles très fines, le refroidissement par air peut être efficace comme étape de refroidissement initiale, comme dans l'extrusion de films soufflés.
Les extrudeuses de plastique sont également largement utilisées pour retraiter les déchets plastiques recyclés ou d'autres matières premières après nettoyage, tri et/ou mélange. Ce matériau est généralement extrudé en filaments pouvant être découpés en perles ou en granulés pour être utilisés comme précurseur pour un traitement ultérieur.
CONCEPTION DE VIS
Il y a cinq zones possibles dans une vis thermoplastique. La terminologie n’étant pas standardisée dans l’industrie, différents noms peuvent faire référence à ces zones. Différents types de polymères auront des conceptions de vis différentes, certaines n'incorporant pas toutes les zones possibles.
Une simple vis d'extrusion de plastique
Vis d'extrudeuse de Boston Matthews
La plupart des vis ont ces trois zones :
● Zone d'alimentation (également appelée zone de transport des solides) : cette zone alimente la résine dans l'extrudeuse, et la profondeur du canal est généralement la même dans toute la zone.
● Zone de fusion (également appelée zone de transition ou de compression) : la majeure partie du polymère est fondue dans cette section et la profondeur du canal diminue progressivement.
● Zone de dosage (également appelée zone de transport de la matière fondue) : cette zone fait fondre les dernières particules et les mélange jusqu'à une température et une composition uniformes. Comme pour la zone d'alimentation, la profondeur du canal est constante dans toute cette zone.
De plus, une vis ventilée (à deux étages) possède :
● Zone de décompression. Dans cette zone, située environ aux deux tiers de la vis, le canal devient soudainement plus profond, ce qui relâche la pression et permet aux gaz piégés (humidité, air, solvants ou réactifs) d'être aspirés par le vide.
● Deuxième zone de comptage. Cette zone est similaire à la première zone de comptage, mais avec une plus grande profondeur de canal. Il sert à repressuriser la matière fondue pour la faire passer à travers la résistance des tamis et de la filière.
La longueur de la vis est souvent référencée à son diamètre sous forme de rapport L:D. Par exemple, une vis de 6 pouces (150 mm) de diamètre à 24:1 mesurera 144 pouces (12 pieds) de long et à 32:1, elle mesurera 192 pouces (16 pieds). Un rapport L:D de 25:1 est courant, mais certaines machines vont jusqu'à 40:1 pour plus de mélange et plus de rendement pour le même diamètre de vis. Les vis à deux étages (ventilées) ont généralement un rapport de 36:1 pour tenir compte des deux zones supplémentaires.
Chaque zone est équipée d'un ou plusieurs thermocouples ou RTD dans la paroi du fût pour le contrôle de la température. Le « profil de température », c'est-à-dire la température de chaque zone, est très important pour la qualité et les caractéristiques de l'extrudat final.
MATÉRIAUX D'EXTRUSION TYPIQUES
Tuyau en PEHD pendant l'extrusion. Le matériau HDPE provient du chauffage, passe dans la filière, puis dans le réservoir de refroidissement. Ce conduit Acu-Power est co-extrudé – noir à l'intérieur avec une fine gaine orange, pour désigner les câbles d'alimentation.
Les matières plastiques typiques utilisées dans l'extrusion comprennent, sans s'y limiter : le polyéthylène (PE), le polypropylène, l'acétal, l'acrylique, le nylon (polyamides), le polystyrène, le chlorure de polyvinyle (PVC), l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS) et le polycarbonate.[4 ]
TYPES DE MATRICES
Il existe une variété de filières utilisées dans l’extrusion des plastiques. Bien qu'il puisse y avoir des différences significatives entre les types de filières et leur complexité, toutes les filières permettent l'extrusion continue du polymère fondu, par opposition à un traitement non continu tel que le moulage par injection.
Extrusion de film soufflé
Extrusion par soufflage de film plastique
La fabrication de films plastiques pour des produits tels que des sacs à provisions et des feuilles continues est réalisée à l'aide d'une ligne de film soufflé.
Ce processus est le même qu’un processus d’extrusion classique jusqu’à la filière. Il existe trois principaux types de matrices utilisées dans ce processus : annulaire (ou traverse), araignée et spirale. Les filières annulaires sont les plus simples et reposent sur la canalisation du polymère fondu autour de toute la section transversale de la filière avant de sortir de la filière ; cela peut entraîner un débit irrégulier. Les matrices araignées sont constituées d'un mandrin central fixé à l'anneau extérieur de la matrice via un certain nombre de « pattes » ; bien que l'écoulement soit plus symétrique que dans les filières annulaires, un certain nombre de lignes de soudure sont produites qui affaiblissent le film. Les filières en spirale éliminent le problème des lignes de soudure et du flux asymétrique, mais sont de loin les plus complexes.
La masse fondue est quelque peu refroidie avant de quitter la filière pour donner un tube semi-solide faible. Le diamètre de ce tube est rapidement élargi par la pression de l'air, et le tube est tiré vers le haut avec des rouleaux, étirant le plastique dans le sens transversal et dans le sens d'étirage. L'étirage et le soufflage rendent le film plus fin que le tube extrudé et aligne également préférentiellement les chaînes moléculaires du polymère dans la direction qui subit la déformation la plus plastique. Si le film est étiré plus qu'il n'est soufflé (le diamètre final du tube est proche du diamètre extrudé), les molécules de polymère seront fortement alignées avec la direction d'étirage, créant ainsi un film résistant dans cette direction, mais faible dans la direction transversale. . Un film dont le diamètre est nettement plus grand que le diamètre extrudé aura plus de résistance dans le sens transversal, mais moins dans le sens d'étirage.
Dans le cas du polyéthylène et d'autres polymères semi-cristallins, à mesure que le film refroidit, il cristallise au niveau de ce que l'on appelle la ligne de gel. Au fur et à mesure que le film continue de refroidir, il est tiré à travers plusieurs jeux de rouleaux pinceurs pour l'aplatir en un tube plat, qui peut ensuite être enroulé ou coupé en deux ou plusieurs rouleaux de feuilles.
Extrusion de feuilles/films
L’extrusion de feuilles/films est utilisée pour extruder des feuilles ou des films de plastique trop épais pour être soufflés. Il existe deux types de matrices utilisées : en forme de T et en cintre. Le but de ces filières est de réorienter et de guider le flux de polymère fondu depuis une sortie unique de l'extrudeuse vers un flux plan mince et plat. Dans les deux types de filières, le flux est constant et uniforme sur toute la section transversale de la filière. Le refroidissement s'effectue généralement en tirant à travers un ensemble de rouleaux de refroidissement (calandre ou rouleaux « refroidisseurs »). Lors de l'extrusion de feuilles, ces rouleaux assurent non seulement le refroidissement nécessaire, mais déterminent également l'épaisseur de la feuille et la texture de la surface.[7] La coextrusion est souvent utilisée pour appliquer une ou plusieurs couches sur un matériau de base afin d'obtenir des propriétés spécifiques telles que l'absorption des UV, la texture, la résistance à la perméation de l'oxygène ou la réflexion énergétique.
Un processus de post-extrusion courant pour les feuilles de plastique est le thermoformage, où la feuille est chauffée jusqu'à ce qu'elle soit molle (plastique) et façonnée via un moule pour lui donner une nouvelle forme. Lorsque le vide est utilisé, cela est souvent décrit comme un formage sous vide. L'orientation (c'est-à-dire la capacité/densité disponible de la feuille à être étirée vers le moule qui peut varier en profondeur de 1 à 36 pouces généralement) est très importante et affecte grandement les temps de cycle de formage pour la plupart des plastiques.
Extrusion de tubes
Les tubes extrudés, tels que les tuyaux en PVC, sont fabriqués à l'aide de matrices très similaires à celles utilisées pour l'extrusion de films soufflés. Une pression positive peut être appliquée aux cavités internes à travers la broche, ou une pression négative peut être appliquée au diamètre extérieur à l'aide d'un calibreur à vide pour garantir des dimensions finales correctes. Des lumières ou des trous supplémentaires peuvent être introduits en ajoutant les mandrins internes appropriés à la matrice.
Une ligne d'extrusion médicale Boston Matthews
Les applications de tubes multicouches sont également omniprésentes dans l’industrie automobile, l’industrie de la plomberie et du chauffage et l’industrie de l’emballage.
Sur-extrusion de gainage
L'extrusion de surgainage permet l'application d'une couche externe de plastique sur un fil ou un câble existant. Il s’agit du processus typique pour isoler les fils.
Il existe deux types différents d'outillage de matrice utilisés pour le revêtement sur un fil, un tube (ou une gaine) et une pression. Dans l'outillage de gainage, le polymère fondu ne touche le fil intérieur qu'immédiatement avant les lèvres de la filière. Dans l'outillage sous pression, la matière fondue entre en contact avec le fil intérieur bien avant d'atteindre les lèvres de la matrice ; cela se fait à haute pression pour assurer une bonne adhérence de la masse fondue. Si un contact intime ou une adhésion est requis entre la nouvelle couche et le fil existant, un outillage sous pression est utilisé. Si l’adhérence n’est pas souhaitée/nécessaire, un outillage de gainage est utilisé à la place.
Coextrusion
La coextrusion est l’extrusion simultanée de plusieurs couches de matériau. Ce type d'extrusion utilise deux ou plusieurs extrudeuses pour fondre et fournir un débit volumétrique constant de différents plastiques visqueux à une seule tête d'extrusion (filière) qui extrudera les matériaux sous la forme souhaitée. Cette technologie est utilisée sur tous les procédés décrits ci-dessus (film soufflé, surgaînage, tubulure, feuille). Les épaisseurs de couche sont contrôlées par les vitesses et tailles relatives des extrudeuses individuelles délivrant les matériaux.
Co-extrusion 5 : 5 couches de tube cosmétique « squeeze »
Dans de nombreux scénarios réels, un seul polymère ne peut pas répondre à toutes les exigences d’une application. L'extrusion composée permet d'extruder un matériau mélangé, mais la coextrusion conserve les matériaux séparés sous forme de différentes couches dans le produit extrudé, permettant un placement approprié de matériaux ayant des propriétés différentes telles que la perméabilité à l'oxygène, la résistance, la rigidité et la résistance à l'usure.
Revêtement par extrusion
Le revêtement par extrusion utilise un processus de film soufflé ou coulé pour appliquer une couche supplémentaire sur un rouleau de papier, de feuille ou de film existant. Par exemple, ce procédé peut être utilisé pour améliorer les caractéristiques du papier en le recouvrant de polyéthylène pour le rendre plus résistant à l'eau. La couche extrudée peut également être utilisée comme adhésif pour réunir deux autres matériaux. Tetrapak est un exemple commercial de ce procédé.
EXTRUSIONS COMPOSÉES
L'extrusion de mélange est un processus qui mélange un ou plusieurs polymères avec des additifs pour donner des composés plastiques. Les charges peuvent être des granulés, de la poudre et/ou des liquides, mais le produit est généralement sous forme de granulés, destinés à être utilisés dans d'autres processus de formation de plastique tels que l'extrusion et le moulage par injection. Comme pour l’extrusion traditionnelle, il existe une large gamme de tailles de machines en fonction de l’application et du débit souhaité. Bien que des extrudeuses à une ou deux vis puissent être utilisées dans l'extrusion traditionnelle, la nécessité d'un mélange adéquat dans l'extrusion de mélange rend les extrudeuses à double vis presque obligatoires.
TYPES D'EXTRUDEUSE
Il existe deux sous-types d’extrudeuses à double vis : co-rotatives et contrarotatives. Cette nomenclature fait référence à la direction relative dans laquelle chaque vis tourne par rapport à l'autre. En mode co-rotation, les deux vis tournent dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse ; en contre-rotation, une vis tourne dans le sens des aiguilles d'une montre tandis que l'autre tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Il a été démontré que, pour une surface de section transversale et un degré de chevauchement (engrenage) donnés, la vitesse axiale et le degré de mélange sont plus élevés dans les extrudeuses jumelées co-rotatives. Cependant, l’accumulation de pression est plus élevée dans les extrudeuses contrarotatives. La conception des vis est généralement modulaire dans la mesure où divers éléments de transport et de mélange sont disposés sur les arbres pour permettre une reconfiguration rapide en cas de changement de processus ou de remplacement de composants individuels en raison de l'usure ou de dommages corrosifs. Les tailles de machines vont de 12 mm à 380 mm.
AVANTAGES
Un grand avantage de l’extrusion est que les profilés tels que les tuyaux peuvent être fabriqués à n’importe quelle longueur. Si le matériau est suffisamment flexible, les tuyaux peuvent être fabriqués en grandes longueurs, même enroulés sur une bobine. Un autre avantage est l'extrusion de tuyaux avec coupleur intégré comprenant un joint en caoutchouc.
Heure de publication : 25 février 2022
