Brevet FR2636560A1 — publié le 19900323

La présente invention a pour objet un dispositif de modification en continu en fonctionnement des caractéristiques d une machine d'extrusion. Les machines d'extrusion ou extrudeuses sont généralement constituées d'une ou plusieurs vis entrainées en rotation à l'intérieur d'un fourreau allongé dans lequel sont ménagés des alésages pour le logement des vis. Les vis sont munies. sur leur périphérie. de filets en hélice qui entrainent vers 1 aval la matière introduite par une extrémité amont du fourreau. En jouant sur le pas des vis, on peut soumettre la matière à différents traitements, par exemple de trituration, de malaxage ou de compression. La matière est ainsi entrainée jusqu'à l'extrémité aval du fourreau qui peut être muni d'une filière d extrusion ou bien d'un simple orifice de sortie dans le cas où la matière ne doit pas être soumise à une extrusion. Pour faire varier le traitement réalisé -au cours de l'avancement de la matière dans le fourreau, les vis sont constituées de zones successives ayant des filets de pas ou de formes différents. Par exemple, on pourra utiliser des sections de convoyage à pas large ou des sections à pas reserré ou même inversé pour réaliser un freinage et par conséquent une compression de la matière. A cet effet. les vis peuvent être constituées de tronçons creux, juxtaposés et enfilés sur un arbre central relié à un moteur d'entrainement en rotation. Pour que la rotation de l'arbre soit transmise aux tronçons de vis, ceux-ci sont munis, sur leur paroi interne, de rainures qui s'engagent dans des cannelures correspondantes ménagées le long de l'arbre central. Jusqu à présent. l'adaptation des caractéristiques des machines d'extrusion à différents matériaux et à divers procédés est réalisée en modifiant les profils des vis grace à l'empilement de tronçons interchangeables et en réglant au moyen de cales d'épaisseur la distance entre l'extrémité des vis et la pièce disposée à l'extrémité du fourreau du côté de la sortie de la matière.. Cette opération. quoique rendue plus aisée et plus rapide par l'emploi de tronçons interchangeables. nécessite cependant toujours un temps et un travail non négligeables et doit se faire à l'arrêt. La présente invention a pour but de s 'af- franchir des inconvénients précités et de rendre une telle opération possible en continu et en fonctionnement. Selon 1 invention, le dispositif de modification en continu et en fonctionnement des caractéristiques d'une machine d'extrusion comportant un premier élément constitué par un fourreau, un deuxième élément constitué par au moins une vis disposée dans ledit fourreau et des moyens de déplacement axial de l'un desdits éléments par rapport à l'autre, est caractérisé en ce que les moyens de déplacement sont constitués par au moins un vérin dont la partie mobile est reliée à l'un desdits éléments déplaçable axialement. Selon une caractéristique de l'invention. l'élément mobile du vérin est solidaire du fourreau, la vis étant fixe axialement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément mobile du vérin est solidaire de la vis, le fourreau étant fixe. La présente invention a également pour objet une machine d'extrusion munie d'un tel dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig.1 représente en perspective avec arrachement partiel une machine d'extrusion munie du dispositif conforme à l'invention, - la Fig.2 représente la machine d'extrusion de la Fig.7 en coupe par un plan vertical passant par l'axe de la vis et la boucle de régulation du déplacement du fourreau de la machine d'extrusion, - la Fig.3 représente. en coupe par un plan vertical, une machine d'extrusion munie d'une variante du dispositif selon l'invention, - les figures 4 et 5 sont deux vues schématiques d'une vis d'une machine d'extrusion munie de convergents à entrefers multiples et variables grâce au dispositif selon l'invention, En se reportant tout d'abord aux figures 1 et 2, on voit que la machine de traitement de matiére ou extrudeuse comprend une vis 1 entrainée en rotation autour de son axe å l'intérieur d'une enceinte allongée formant un fourreau 2 qui l'enveloppe. La vis 1 est munie de filets ou autres organes périphériques et la paroi interne du fourreau 2 forme un lobe. La vis 1 peut être constituée avantageusement par un arbre 3 cannelé sur une partie de sa longueur et sur lequel sont empilés des tronçons de vis constitués de manchons dont la partie intérieure est munie de cannelures correspondant à celles de l'arbre et dont la partie extérieure est munie de filets à pas variés ou autres organes périphériques de traitement et de transport. Cette vis 1 est entrainée en rotation à l'intérieur du fourreau 2 par l'intermédiaire de l'arbre 3 qui est lui-même entrainé par un motoréducteur schématisé en 4. La vis 1 comporte également à son extrémité aval par rapport au sens de déplacement de la matière, un écrou 5 se vissant sur l'extrémité de l'arbre 3 pour maintenir les tronçons de vis en place. Cet écrou 5 a la forme d'une pointe qui coopère avec un convergent 6 monté à l'extrémité aval du fourreau 2. Cet écrou 5 et la face interne du convergent 6 conduisant éventuellement à une filière de sortie forme un espace 7 de géométrie conique ou cylindroconique. La distance entre cet écrou de pointe de vis et ce convergent est appelée "entrefer". Pour certain produit traité, l'extrémité de l'écrou 5 est constituée par une face plane. Le fourreau 2 comporte à son extrémité amont, toujours par rapport au sens de déplacement de la matière, un orifice 8 d'introduction de la matière. Selon l'invention, le fourreau 2 est déplaçable axialement par rapport à la vis 1 et son déplacement est commandé par un vérin désigné dans son ensemble par une référence 10 A cet effet, le fourreau 2 est solidaire d'un fourreau complémentaire 11 qui constitue un organe de guidage de l'arbre 3 et sur la face extérieure duquel est vissé un manchon 12. Le manchon 12 comporte un épaulement 13 constituant Je piston du vérin 10. Un cylindre 14 monté sur un manchon 12 ménage avec ce dernier deux chambres 15a et 15b situées de part et d'autre du piston 13. La chambre 15b est obturée par un fond de vérin 16 interposé entre le cylindre 14 et le manchon 12. Le cylindre 14 comporte un conduit 17a d'alimentation en fluide sous pression de la chambre 15a et le fond -de vérin 16 comporte également un conduit d'alimentation en fluide sous pression de la chambre 15b. Des joints d'étanchéité 18 sont interposés entre le cylindre 14 et le manchon 12, entre le piston 13 et le cylindre 14 et également entre le fond de vérin 16, le cylindre 14 et le manchon 12, Les conduits 17a et 17b sont reliés par des canalisations respectivement 19a et 19b à un circuit de fluide sous pression 20 comprenant, entre autres, une électrovanne proportionnelle double voie 21. D'autre part, le circuit 20 comportant une canalisation 25 d'amenée de fluide sous pression à l'électrovanne 21 comprend d'une part une pompe 25a reliée à un bac 26 de réserve de fluide et d'autre part une soupape de régulation 27 montée en parallèle avec la pompe 25a. Le circuit 20 comprend également une canalisation 28 de retour de fluide munie d'un filtre 28a. L'alimentation en fluide sous pression est elle-méme commandée par une boucle dé régulation 22 en fonction de signaux pouvant provenir d'un capteur 23 de déplacement axial du fourreau 2 ou d'un capteur de pression ou de température 24 situé le long du fourreau 2 à des endroits particulièrement informatifs, tels que dans le convergent ou dans la filière ou encore au niveau du moto-réducteur 4. La boucle de régulation 22 comprend en série, un potentiomètre de consigne 22a, un comparateur 22b relié au capteur de mesure correspondant. un régulateur 22c proportionnel intégral et dérivé et un convertisseur 22d relié aux bobines de l électrovanne 21 et assurant la commande puissance entre le traitement du signal de consigne et ladite électrovanne. La boucle de régulation comprend également un réducteur de pression de pilotage 2?e. Les signaux peuvent également provenir de capteurs de débit. ou de vitesse, ou d'épaisseur des joncs. ou du film extrudé, ou de capteurs de visco sité. d'indice de fluidité, ou de densité de la matière extrudée ou d'autres capteurs divers, par exemple acoustiques, électriques, électromagnétiques. optiques, spectroscopiques pouvant mesurer la qualité de la dispersion et du mélange ou encore la puissance ou l'énergie consommée ou bien encore le degré d'avancement d'une réaction chimique. Selon une variante illustrée à la Fig.3, la machine d'extrusion comporte un fourreau fixe, une vis déplaçable axialement, les éléments identiques au précédent mode de réalisation étant désignés par les mêmes références. Dans ce cas, le fourreau 2 est solidaire du bâti 30 de la machine d'extrusion. Le bâti 30 comporte au moins deux colonnes horizontales 31 de guidage, parallèles à l'axe de la vis 1. L ensemble moto-réducteur 4 entrainant en rotation la vis 1 par l'intermédiaire de l'arbre 3 est monté coulissant axialement dans un rebord 30a du bâti 30 et comporte une embase 32 guidée par les colonnes horizontales 31. Le déplacement de l'ensemble constitué par l'embase 32, le moto-réducteur 4. l'arbre 3 et la vis 1, est commandé par des vérins 33. Pour cela. le cylindre 33a de chaque vérin 33 est fixé sur le bâti 30 et le piston 33a de chaque vérin est solidaire de l'embase 32. Comme pour la variante précédente, 1' alimen- tation des vérins 33 en fluide sous pression est commandée par une boucle de régulation en fonction de signaux venant de divers capteurs, comme par exemple le capteur 23 de déplacement axial du fourreau 2 ou du capteur de pression ou de température 24. Ce dispositif de modification, soit de la position du fourreau mobile par rapport à la vis fixe, ou soit de la position de la vis mobile axialement par rapport au fourreau fixe, permet un réglage fin, continu, reproductible et sur une large gamme, des paramétres de la machine d'extrusion affectant les caractéristiques de la matière traitée.En particulier, le taux de compression, la température d'autoéchauffement et l'énergie spécifique de travail dissipé dans la matière peuvent être réglés pour obtenir la qualité de matière souhaitée, Ce réglage est donc obtenu de façon automatique par un asservissement de la position de l'un des éléments de la machine d'extrusion par rapport à l'au- tre commandant les paramètres précités. en fonction de leur mesure directe ou, indirectement, en fonction de la qualité de la matière obtenue.On obtient ainsi une qualité plus constante et reproductible de la matière traitée, Ce dispositif peut donc compenser une bonne partie des variations provenant de différences entre des lots successifs de la matière brute, ainsi que compenser des variations causées par l'usure progressive de la machine d'extrusion et l'augmentation de ses jeux fonctionnels. La large gamme de réglabilité ainsi obtenue permet d'envisager une simplification du nombre de modules de vis différentes à tenir en stock par le constructeur. et donc une réduction de leur coût. Il en résulte également une accélération des essais de mise au point de matériaux nouveaux. Le dispositif suivant la présente invention peut être utilisé pour modifier, par exemple, l'entre fer d'un convergent ou les entrefers multiples de plusieurs convergents. En effet, on sait que dans l'entrefer 7, entre l'écrou de pointe 5 et le convergent 6, règne un champ de cisaillement qui contribue au mélange et à la dispersion des charges ou pigments dans la matière, et qui génère un auto-échauffement de la matière par dissipation visqueuse de la puissance mécanique. Cependant, dans les machines d extrusion qui ne possèdent pas un réglage de 1 entrefer, cet échauffement, difficile à maitriser, peut être excessif et nuisible, car la nature du champ hydrodynamique n'est pas favorable au transfert de chaleur ni à son évacuation par refroidissement des parois. Grâce au dispositif selon la présente invention, le coulissement axial du fourreau 2 ou de la vis 1 par rapport à l'autre élément, permet de contrôler l'épaisseur de l'entrefer et, par ce moyen, le degré d'auto-échauffement ou de dégradation thermomécanique de la matière traitée, ou la qualité de son mélangeage. Ainsi, l'entrefer peut être asservi en continu et en marche à la propriété choisie pour la matière. D'autre part, la taille de la zone où le cisaillement est actif et réglable peut être augmentée avec un convergent et des pointes de vis de grande longueur. Cette configuration est applicable aux machines d extrusion à simple ou double vis co- ou contrarotative, sans modification importante ou fondamentale. Dans certains cas, il est nécessaire de multiplier les zones de cisaillement, comme représenté à la Fig.4. A cet effet. la vis 1 se prolonge par une succession de modules la, lb, li.. . composés chacun de deux cônes 41, 42 d'angles différents accolés par la base et d'un tronçon de liaison muni d'un filet 43 de pompage de la matière. Le fourreau 2 est lui-même assemblé à partir de segments 2a, 2b, 2c... permettant le démontage, et son profil interne crée vis-à-vis des modules de vis deux chambres dissymétriques A et B, de forme parallélépipédique suivant leur section axiale. Les chambres B sont conçues pour avoir en tous points un entrefer nettement supérieur à celui des chambres A. Ainsi, on peut donc facilement maitriser les paramétres matière grâce au réglage des chambres A par déplacement axial d'un des éléments par rapport à l'autre, l'effet des chambres B étant négligeable en comparaison. On dispose également grâce à ce dispositif de zones de passage étroit entre le fourreau et les arêtes 44 constituées par la base des cônes cités précédemment, Dans ces zones, toute la matière est forcée de passer dans un entrefer très étroit, mais très bref, et dont les parois sont en mouvement de rotation relative. Cette disposition à entrefers multiples et variables permet une augmentation du volume actif de cisaillement, duquel découle un plus long temps de séjour permettant à ce type de cisaillement d'atteindre sa pleine efficacité, une amélioration du contrôle thermique de l'auto-échauffement, par augmen tation de la surface d'échange entre le fourreau et la vis OU peuvent se situer des canaux de refroidissement, et une possibilité de pratiquer l'alternance de zones de cisaillement et de filets de pompage, ce qui est favorable à l'obtention d'une dispersion homogène depuis l'échelle microscopique jusqu'à l'échelle macroscopique. Le dispositif selon la présente invention permet également de mettre en oeuvre une variation portant sur le temps que passe la matière dans une zone de cisaillement, plutôt que sur l'intensité dudit cisaillement. La Fig.5 montre un exemple de configuration dans lequel l'entrefer des zones D et D est grand par rapport à celui de la zone active C qui est donc prépondérante, et dont la longueur active est réglable par déplacement axial de l'un des éléments de la machine d'extrusion par rapport à l'autre, Il est à noter que les systèmes à entrefers multiples et variables et à entrefers variables en longueur tels que représentés aux figures 4 et 5 sont adaptés aux machines d'extrusion à simple vis, mais ils peuvent également être montés sur des machines d'extrusion à double vis co- ou contra-rotatives grâce à une réduction du diamètre des deux vis permettant de les rendre indépendantes et non-engrenees. On voit donc que l'invention permet de modifier en continu et en fonctionnement les caractéristiques d'une machine d'extrusion à simple ou double vis, REVENDICATIDNS 1. Dispositif de modification en continu et en fonctionnement des caractéristiques d'une machine d'extrusion comportant un premier élément constitué par un fourreau (2), un deuxième élément constitué par au moins une vis (1) disposée dans ledit fourreau et des moyens de déplacement axial de l'un desdits éléments (1, 21 par rapport à l'autre, caractérisé en ce que des moyens de déplacement sont constitués par au moins un vérin 110 ; 53) dont la partie mobile (12, 13 ; 33b) est reliée à l'un desdits éléments (1, 2) déplaçables axialement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile 112. 13) du vérin (10) est solidaire du fourreau (2), la vis (1) étant fixe axialement. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile (33b) du vérin (33) est solidaire de la vis (1). le fourreau (2) étant fixe, 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le vérin (10) est constitué, d'une part, par un manchon (12) fixé sur un fourreau complémentaire (11) solidaire du fourreau (2) comportant un épaulement (13) formant un piston et, d autre part, par un cylindre (14 > ménageant avec le piston (13) deux chambres (15a, 15b) situées de part et d'autre dudit piston. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que l'élément mobile (33b) du vérin (33) est fixe à une embase (32) solidaire de la vis (1), ladite embase (32) étant guidée axialement par des colonnes (31) supportées par le bâti (30) de la machine d'extrusion, 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alimentation des vérins (10 ; 33) en fluide sous pression est commandée par une boucle de régulation (22 > en fonction de signaux provenant de capteurs judicieusement placés dans la machine d'extrusion ou le long de la matière extrudée. 7. Machine d'extrusion équipée d'un dispositif de modification en continu et en fonctionnement de ses caractéristiques selon l'une quelconque des revendications précédentes.