Les bases de l'extrusion : l'apprivoisement de la vis

Allan Griff | 19 septembre 2021

La planète Terre tourne à une vitesse de 0,0007 tr/min. Facile à calculer : Un tour par jour, divisé par 24 pour obtenir des tours/heure puis par 60 pour obtenir des tours/min = tr/min. Quant à la vitesse linéaire, cela dépend de l'endroit où vous habitez. Dans le nord de la Californie où je me trouve, il fait 38 degrés de latitude nord et nous nous déplaçons à environ 730 milles à l'heure. C'est à peu près la vitesse du son, mais nous ne le sentons ni ne l'entendons car l'air qui nous entoure se déplace tout aussi rapidement. C'est beaucoup plus rapide qu'à l'intérieur de n'importe quelle extrudeuse - dans un baril de 12 pouces/30 cm, fonctionnant rapidement à 100 tr/min, une particule à la paroi du baril atteint toujours seulement 314 pieds/min, ou 0,36 mile par heure. Rien de tout cela n'est important dans le fonctionnement d'une extrudeuse, mais pour nous, ingénieurs, c'est amusant.

Il est cependant important de comprendre le fonctionnement d'une vis. Voici une version condensée de la section sur les vis simples dans mon manuel d'utilisation de l'extrusion de plastiques (24e édition, 2021).

Nous exprimons la longueur du système en tant que rapport longueur/diamètre (L/D). Le L/D le plus courant est d'environ 24:1 ; certains sont plus longs à 30: 1 ou même plus, et quelques-uns sont aussi courts que 20: 1. Plus de longueur peut signifier plus de sortie si le chauffage, la fusion ou le mélange sont des limites de sortie

Une vis standard comporte trois zones :

De nombreuses vis sont à pas carré, ce qui signifie que la distance d'un pas à l'autre est la même que le diamètre. Cela facilite l'obtention de L/D simplement en comptant les tours. La partie sous l'ouverture d'alimentation ne doit pas être incluse dans L/D, mais beaucoup de gens comptent car cela fait paraître la vis plus longue.

Le taux de compression d'une vis est le rapport du volume du premier vol au volume du dernier, généralement compris entre deux et quatre. Il est souvent considéré comme le rapport des profondeurs du premier au dernier canal dans une vis à pas constant. Le taux de compression est utile, mais il s'agit d'un nombre indéfini et ne peut pas décrire correctement une vis à moins qu'au moins une profondeur de canal ne soit connue.

La largeur de vol (épaisseur) est d'environ 10% du diamètre du canon. Les vols plus larges gaspillent la longueur de la vis et développent trop de chaleur dans les dégagements de la paroi du canon, tandis que les vols étroits peuvent permettre trop d'écoulement (fuite) dans ces dégagements. Pour éviter la stagnation là où le vol rencontre la racine, les coins sont arrondis

Les vis sont généralement en acier usinable, mais les surfaces de vol les plus proches du canon sont en outre traitées pour retarder l'usure. Pour une utilisation légère, un durcissement à la flamme suffit. La totalité de la surface de la vis peut être durcie par nitruration, mais le traitement habituel est une coiffe en alliage dur sur ces surfaces de vol.

Les barils sont des cylindres en acier généralement doublés d'un alliage résistant à l'usure.

Le jeu entre les pas de vis et le canon des vis neuves est compris entre 0,005 et 0,010 po (0,125 à 0,25 mm), moins pour les très petites vis et plus pour les très grosses. Un ajustement plus serré serait plus coûteux à fabriquer et développerait trop de chaleur. Une certaine usure au-delà de ces valeurs est généralement inoffensive et peut même être utile, alors assurez-vous qu'il y a un réel problème avant de reconstruire ou de remplacer (comme une surchauffe car la vis doit tourner plus vite pour le même rendement).

Les vis peuvent être conçues par ordinateur si nous connaissons la résistance (pression à la pointe de la vis), le débit de sortie souhaité et les viscosités des matériaux, mais c'est toujours une bonne idée de "préparer" l'ordinateur avec une certaine expérience avant de couper le métal.

Le chromage d'une vis peut augmenter le glissement sur la racine (ce qui est bon) et empêche la corrosion, en particulier lorsqu'il est hors de la machine, mais n'est pas nécessaire pour la plupart des plastiques. Pour les matériaux très abrasifs, toute la surface de la vis peut être trempée. Enfin, le PVDC et certains fluoroplastiques ont besoin de métaux spéciaux, car les matériaux à base de fer se corrodent et le placage ne dure pas assez longtemps.

Certaines vis sont percées d'un passage central. Le refroidissement par eau sur toute la longueur améliore le mélange dans les derniers vols. L'huile est utilisée avec du PVC rigide pour maintenir la pointe de la vis à environ 300 ° F (150 ° C), de sorte que le PVC ne se dégrade pas à cet endroit. Le refroidissement de la vis uniquement à mi-chemin dans le canon est effectué avec certains plastiques pour éviter de coller à la racine de la vis dans la zone d'alimentation.

Une section Maddock est une longueur de vis d'environ deux diamètres de long, normalement trouvée quelques tours avant la fin, avec de grandes rainures (appelées flûtes) par paires au lieu de vols.

Chaque flûte d'entrée a une sortie correspondante, avec une arête de barrière entre elles (voir dessin ci-dessous). Le dégagement au canon au-dessus de cette crête est d'environ 0,020 à 0,030 po. (0,50 à 0,75 mm). Les premiers Maddocks avaient des cannelures parallèles à l'axe de la vis, mais maintenant d'autres sont hélicoïdales.

La masse fondue pénètre dans les cannelures d'entrée, s'écoule sur la crête de la barrière et sort par les sorties. Les granulés non fondus ne peuvent pas passer en entier, mais sont cisaillés et aplatis et passent finalement sous forme de fonte. De plus, la masse fondue plus froide reste dans la zone de cisaillement élevé plus longtemps que la masse fondue plus chaude, offrant une plus grande uniformité thermique. On l'appelle souvent une tête de mélange Maddock, mais elle est rarement à l'extrémité (tête) de la vis, et est plus une passoire qu'un mélangeur.

Une vis barrière a une section qui occupe la majeure partie de la zone de compression, avec un vol supplémentaire qui forme deux canaux parallèles - un pour la fonte et un pour les granulés. Le dégagement entre le nouveau vol et le canon est suffisamment grand pour que la fonte formée dans le canal de granulés puisse refluer dans le canal de granulés, mais suffisamment petit pour bloquer les granulés, qui mesurent environ 0,060 po (1,5 mm). Les pastilles restent dans leur canal principal, mais sont drainées de l'excès de fonte et génèrent ainsi plus de chaleur de friction lorsqu'elles se frottent les unes contre les autres. Par conséquent, la fusion est plus efficace par rpm. Au fur et à mesure que le matériau descend dans la vis, plus de matière fondue est produite, de sorte que le canal de matière fondue augmente en volume. Le canal de granulés, cependant, devient plus petit à mesure que moins de granulés restent non fondus, jusqu'à ce que la section se termine finalement, les granulés ont disparu et un seul vol emporte la masse fondue à travers la zone de dosage. Il est courant de combiner une telle barrière avec une section Maddock dans la zone de comptage, ou un autre dispositif de mélange spécial.

La section de barrière sur le dessin n'a que 4 diamètres de long, mais elle est raccourcie pour plus de clarté ; la longueur habituelle est d'au moins 10 diamètres.

Les goupilles de mélange sont des anneaux de goujons faisant saillie à partir de la racine de la vis pour perturber l'écoulement rationalisé comme les roches dans un ruisseau, améliorant ainsi le mélange. Ils sont généralement placés dans le dernier quart de la vis.

Les barils rainurés ont des rainures axiales ou hélicoïdales dans le baril, dans une zone d'alimentation séparée refroidie à l'eau, pour améliorer l'admission des plastiques durs et glissants comme le polyéthylène haute densité. Une vis avec une alimentation moins profonde et une zone de dosage plus profonde est nécessaire, souvent sans aucune compression. Parce qu'une zone de mesure profonde donne un mauvais mélange, du matériel supplémentaire est nécessaire, soit une section de mélange intensif à l'extrémité de sortie de la vis, soit un mélangeur statique dans la tête.

Pour l'extrusion ventilée (en deux étapes), une vis très longue est utilisée, car tout le matériau doit être fondu avant l'évent, qui est généralement d'environ 70% de la longueur totale. Cette première partie est une vis à trois zones normale, mais elle redevient soudainement profonde, réduisant la pression de fusion afin qu'un vide puisse être appliqué à travers un trou dans le canon (l'évent) pour évacuer l'air, l'humidité ou d'autres substances volatiles. La masse fondue continue en aval, est recomprimée, passe par une section finale de dosage et de mélange, puis sort par la filière.

Des matériaux peuvent être ajoutés par le trou d'évent, tels que des gaz et des agents moussants, des déchets, de la résine de mélange et des micro-additifs. Même des non-thermoplastiques peuvent être insérés, comme la fibre de verre, qui n'a pas à fondre et est beaucoup moins abrasive lorsqu'elle est ajoutée au matériau fondu plutôt que mélangée avec des particules d'alimentation dures et solides.

Dans une vis ventilée, le deuxième étage doit enlever ce que le premier étage (arrière) met dans la zone d'évent et doit également travailler contre la résistance de la tête. Par conséquent, la capacité de pompage du deuxième étage doit être supérieure à la capacité du premier étage, qui fonctionne contre une résistance nulle - ou bien l'alimentation doit être contrôlée séparément - pour éviter que le plastique fondu ne sorte de l'évent. Le rapport habituel des profondeurs de dosage avant/arrière est compris entre 1,5 et 2,0. Cependant, les canaux profonds ne peuvent pas bien pomper contre la haute pression, de sorte qu'une vis ventilée typique ne peut fonctionner que contre une résistance maximale (y compris les écrans) d'environ 2500 psi (17 MPa). Pour une résistance de tête plus élevée, une alimentation contrôlée ou une pompe à engrenages est nécessaire pour permettre la ventilation.

Les vis à double filet ont deux chemins parallèles dans une partie ou la totalité de la vis. Dans la zone de mesure, cela facilite le transfert de chaleur, il est donc parfois utilisé là où des températures très élevées sont nécessaires, comme le revêtement par extrusion. On pense qu'une zone d'alimentation à double volée donne une alimentation plus douce (moins de pulsations), mais on la voit rarement aujourd'hui. Toutes les vis de barrière sont à double pas dans leurs sections de barrière, mais les deux chemins ne sont pas égaux, comme expliqué ci-dessus. Dans une vis à ondes, les deux (ou trois) chemins sont de largeur égale, mais il y a une barrière entre eux suffisamment basse pour que la fonte puisse s'écouler. Les profondeurs du canal ont des augmentations et des diminutions ondulatoires, déphasées les unes par rapport aux autres, donc lorsqu'un chemin est peu profond, le chemin à travers la barrière est profond et la fonte s'écoule du peu profond vers le profond. Un demi-tour plus tard, les profondeurs sont inversées. La fonte s'écoule toujours des eaux peu profondes vers les profondeurs, de sorte qu'elle se déplace d'avant en arrière à travers la barrière au fur et à mesure qu'elle descend, ce qui est bon pour le mélange et stabilise l'écoulement.

A propos de l'auteur

Allan Griff est un ingénieur d'extrusion chevronné, débutant dans le service technique pour un important fournisseur de résine, et travaillant seul depuis de nombreuses années en tant que consultant, témoin expert dans des affaires juridiques, et surtout en tant qu'éducateur via des webinaires et des séminaires, à la fois public et en interne, et maintenant dans sa nouvelle version audiovisuelle. Il a écrit Plastics Extrusion Technology, le premier livre pratique sur l'extrusion aux États-Unis, ainsi que le Plastics Extrusion Operating Manual, mis à jour presque chaque année et disponible en espagnol et en français ainsi qu'en anglais. Pour en savoir plus, consultez son site Web, www.griffex.com, ou envoyez-lui un courriel à [email protected].

Aucun séminaire en direct n'est prévu dans un avenir proche, ou peut-être jamais, car son séminaire audiovisuel virtuel est encore meilleur qu'en direct, dit Griff. Pas de déplacement, pas d'attente pour les dates en direct, mêmes diapositives PowerPoint mais avec des explications audio et un guide écrit. Regardez à votre rythme ; la participation de groupe est offerte pour un prix unique, y compris le droit de poser des questions et d'obtenir des réponses détaillées par e-mail. Appelez le 301/758-7788 ou envoyez un e-mail [email protected] pour plus d'informations.

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