Brevet FR2905890A1 — publié le 20080321

PROCEDE ET DISPOSITIF D'HOMOGENEISATION ET DE FILTRATION D'UN MATERIAU VISCOELASTIQUE [001] L'invention concerne le domaine de l'extrusion des matériaux plastiques ou viscoélastiques, et en particulier le domaine de 1"extrusion de matériaux caoutchoutiques. [2] La mise en oeuvre industrielle de ces matériaux, avant de réaliser leur mise en forme par injection ou par passage dans une filière, exige de procéder à une homogénéisation en température et en viscosité la plus complète possible de manière à maîtriser les caractéristiques mécaniques du produit fini. [3] Les procédés d'extrusion classiques permettant d'assurer ces fonctionnalités comprennent une vis dont la forme des filets est adaptée pour faire circuler le matériau, tout en fragmentant et en recombinant les flux. Ils peuvent comprendre une grille de filtration disposée en aval du flux, de manière à éliminer les matières étrangères indésirables. [4] Ces procédés sont en général très pénalisant sur les performances en débit et en température des moyens d'extrusion, en raison des pertes de charge élevées qu'ils entraînent. Cette pénalisation est encore augmentée si on ajoute un système de filtration. L'accumulation des matières peut en effet occasionner l'obturation des filtres, ce qui contribue à alourdir l'exploitation. [5] Il est connu de l'art antérieur un dispositif d'extrusion comportant deux ou plusieurs vis de malaxage et de transport disposées coaxialement et de manière concentrique les unes par rapport aux autres dans un même corps, dans lequel les fonds de filet d'une vis de diamètre supérieur comportent des orifices permettant de faire communiquer l'espace balayé par les filets de la vis de diamètre supérieur avec l'espace balayé par les filets de la vis de diamètre immédiatement inférieur. Ce type de dispositif est décrit à titre d'exemple dans le brevet FR 1 270 314 ou bien encore dans le brevet FR 2 008 656. [6] De tels dispositifs permettent d'obtenir un certain niveau d'homogénéisation, mais 30 sont limités dans cette action dans la mesure où le matériau passe directement de l'espace 2905890 2 balayé par les filets de la vis de plus grand diamètre dans l'espace balayé par les filets de la vis de diamètre immédiatement inférieur. En outre, en raison de ce type de montage, les vis doivent tourner à des vitesses différentes les unes par rapport aux autres de manière à fournir le travail nécessaire au transfert du matériau. 5 [007] Ceci conduit à des montages mécaniques complexes, en particulier lorsque l'on souhaite réaliser un dispositif comportant plus de deux vis concentriques. [8] Le procédé de filtration et de filtrage d'un matériau viscoélastique selon l'invention consiste à interposer un tube cylindrique fixe comprenant des évidements traversant la paroi dudit tube cylindrique entre l'espace balayé par les filets d'une vis de diamètre 10 inférieur et l'espace dans lequel débouchent des orifices pratiqués dans les fonds de filet d'une vis de diamètre supérieur. Les deux vis étant elles même disposées coaxialement de manière concentrique l'une par rapport à l'autre dans un corps. [9] L'invention concerne également un dispositif d'extrusion d'homogénéisation et de filtration apte à mettre en oeuvre le procédé. 15 [010] Ce dispositif d'extrusion d'un matériau viscoélastique comporte deux ou plusieurs vis de malaxage et de transport disposées coaxialement et de manière concentrique dans un même corps. Les fonds de filet d'une vis de diamètre supérieur comportent des orifices permettant de faire communiquer l'espace balayé par les filets de ladite vis de diamètre supérieur avec l'espace balayé par les filets de la vis de diamètre immédiatement inférieur. 20 Ces deux espaces sont donc concentriques et séparés par l'épaisseur de la paroi sur laquelle sont disposés les filets de la vis de diamètre supérieur. [11] Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que l'on interpose entre l'espace dans lequel débouche les orifices pratiqués dans le fond des filets de la vis de plus grand diamètre et l'espace balayé par les filets de la vis de diamètre inférieur un tube 25 cylindrique fixe comprenant des évidements traversant la paroi dudit tube cylindrique. [12] Toujours selon l'invention, le dispositif peut comprendre un moyen permettant de forcer le flux de matériau à passer au travers des orifices pratiqués dans les fonds de filet de la vis de diamètre supérieur puis dans les évidements pratiqués dans le tube cylindrique. 2905890 3 [013] Cette disposition permet d'améliorer l'homogénéisation du matériau. En effet le flux est divisé une première fois en passant au travers des orifices, puis une deuxième fois en passant dans les évidements pratiqués dans le tube cylindrique, avant d'être entraîné par les filets de la vis de diamètre inférieur. 5 [014] De plus, le matériau subit un cisaillement important lors du passage entre les différentes pièces du fait des mouvements relatifs de ces pièces les unes par rapport aux autres. [15] Le tube cylindrique peut également jouer le rôle d'un filtre. Il suffit pour ce faire de réduire en conséquence la taille des évidements de manière à empêcher les particules 10 indésirables de matériau de passer. [16] On observe en outre que cette capacité d'homogénéisation, de travail mécanique et de filtration s'obtient avec une perte de charge relativement limitée en raison de la faible valeur des distances dites passives, sur lesquelles le déplacement du matériau est assuré par la seule pression régnant en amont. Cette distance passive est formée, au premier 15 ordre, par la longueur des orifices traversant les fonds de filets de la vis de diamètre supérieur et par l'épaisseur du tube cylindrique. Cette faible valeur de la perte de charge a pour effet de limiter l'augmentation de la température du matériau. [17] Enfin, compte tenu du fait que le tube cylindrique n'est pas entraîné en rotation, ledit tube cylindrique joue le rôle de la paroi interne du corps d'une extrudeuse. Il est alors 20 possible de faire tourner les vis à la même vitesse de rotation, ce qui autorise de rendre ces pièces solidaires, et de les entraîner à l'aide d'un organe mécanique commun. Le montage et la réalisation d'un tel système en sont donc grandement simplifiés, en regard du montage et de la réalisation des systèmes connus. [18] La description qui suit permettra d'apprécier les autres avantages d'un procédé et 25 d'un dispositif d'homogénéisation et de filtration selon l'invention, et s'appuie sur la figure 1 qui représente une vue schématique dudit dispositif et qui permet d'illustrer un mode de réalisation préférentiel. [19] Le dispositif illustré par la figure 1 comprend un corps d'extrudeuse 1 monté sur un châssis (non représenté). Une vis 2 comportant des filets 21 est entraînée en rotation par un 30 ensemble moteur (non représenté). Un système d'alimentation (non représenté) placé en 2905890 4 amont permet d'introduire le matériau viscoélastique dans le dispositif. La forme des filets 21, représentée ici de manière schématique, est adaptée selon les méthodes connues de l'homme du métier, au débit et à la température que l'on désire obtenir en sortie du dispositif. 5 [020] Lorsque le dispositif est en fonctionnement, le flux de matériau circule dans le sens de la flèche F, à l'intérieur de l'espace balayé par les filets 21 de la vis 2, et situé entre la paroi intérieure du corps 1 de l'extrudeuse et le fond des filets de la vis 2. Cet espace est fermé en aval par une paroi 43 qui constitue le moyen permettant de forcer le flux de matériau à passer dans les orifices pratiqués dans les fonds de filet de la vis de diamètre 10 supérieur. La paroi 43 est montée de manière à être rendue solidaire du corps 1. [021] Les fonds de filets 21 situés dans la partie aval de la vis 2 comportent des orifices 22, qui permettent de faire communiquer l'espace balayé par les filets de ladite vis avec un espace intérieur aménagé dans le noyau de la vis 2. [22] Il en résulte que le flux F est forcé, sous l'effet de la pression, de passer par les 15 orifices 22 pour se diriger vers l'espace intérieur aménagé dans le noyau de la vis 2. [23] Cet espace intérieur comprend une seconde vis 3 dont l'axe de rotation est confondu avec l'axe de rotation de la vis de diamètre supérieur 2. Au niveau des orifices pratiqués dans la vis de diamètre supérieur, le diamètre de l'espace balayé par les filets 31 de la vis de diamètre inférieur 3 est inférieur au diamètre intérieur de l'espace aménagé 20 dans le noyau de la vis de diamètre supérieur 2. [24] Le dispositif est complété par une tête 5, solidaire du corps 1, et située dans la partie aval du dispositif. [25] Un tube cylindrique fixe 4 est interposé entre l'espace balayé par les filets 31 de la vis de diamètre inférieur 3 et l'espace dans lequel débouchent les orifices 22. Ce tube 25 cylindrique comporte des évidements 41 traversant la paroi du tube cylindrique, de telle sorte que le flux F est dirigé depuis les orifices 22 à travers les évidements 41 afin d'être repris par les filets 31 de la vis 3 de diamètre inférieur, qui mélangent le matériau de nouveau et le dirigent vers la sortie du dispositif. 2905890 5 [26] Comme cela a déjà été dit plus haut, ces fragmentations multiples ont pour effet d'améliorer l'effet d'homogénéisation sans pour autant provoquer un échauffement important du matériau. Le parcours dit passif, pendant lequel le matériau est propulsé par le seul effet de la pression générée par la vis de grand diamètre, peut être extrêmement 5 faible et se réduire à la seule épaisseur du tube cylindrique qui peut être comprise entre 1 et 10 mm. [27] On cherchera par ailleurs à minimiser l'épaisseur du tube cylindrique 4 pour faciliter le vidage du dispositif avant une phase d'arrêt, afin de réduire au maximum la quantité de matériau restant dans le dispositif 10 [028] Les évidements 41 pratiqués dans le tube cylindrique peuvent être de taille et de forme extrêmement variable selon que l'on souhaite réaliser une simple homogénéisation ou que l'on désire réaliser un filtrage du matériau. [029] Lorsque le dispositif est utilisé comme homogénéisateur la forme des évidements 41 est adaptée pour séparer le plus efficacement possible les flux de matériau traversant les 15 filets 21 de la vis de diamètre supérieur. Une forme en fente semble procurer la meilleure efficacité, et l'angle de la fente avec la direction des génératrices du tube cylindrique doit être adapté à la vitesse de rotation des vis. La direction générale des fentes peut être alignée selon un angle compris entre 0 et 90 avec la direction des génératrices du tube cylindrique. 20 [030] En réduisant la taille des évidements 41, le dispositif fait alors fonction de filtre. La taille des évidements, qui peuvent avantageusement prendre la forme de trous cylindriques, peut être réduite, si l'on prend soin par ailleurs d'augmenter le nombre desdits évidements 41 de manière à ne pas pénaliser le dispositif par une perte de charge trop élevée. 25 [031] De manière à réduire la perte de charge du filtre il est possible de donner aux parois des évidements 41 une forme évasée de telle sorte que la section de l'évidement augmente dans le sens de la progression du matériau à travers le filtre. Il est ainsi possible de retenir les matières indésirables en amont du filtre, tout en favorisant le passage du matériau dans l'évidement. 2905890 6 [032] Cette perte de charge peut encore être réduite en augmentant le diamètre de la vis 2 de diamètre supérieur au niveau de la zone de transfert aval comme cela est illustré sur la figure 1. Cette disposition permet d'augmenter la surface globale du filtre par rapport au débit du dispositif. 5 [033] Lorsque le dispositif fait fonction de filtre, il peut être intéressant de prévoir un exutoire permettant d'évacuer les impuretés qui restent bloquées dans l'espace amont du dispositif A cet effet, la paroi 43 est munie d'un conduit 42 qui se prolonge au niveau de la tête 5 par une sortie 52, laquelle peut comporter également un organe d'évacuation 6, 62 fermé par un obturateur amovible 61. 10 [034] Les particules ne pouvant pas passer au travers des évidements 41 du tube 4, sont réduites mécaniquement par le mouvement de la partie interne de la vis de diamètre supérieur 2 autour du tube cylindrique 4 jusqu'à ce que leur taille soit suffisante pour passer au travers d'un évidement 41. Si la particule ne peut pas être réduite, elle est alors repoussée vers l'extrémité du tube en direction de la paroi 43. 15 [035] Il suffit alors d'enlever l'obturateur 61 pour vider l'espace où se sont accumulées ces impuretés par l'intermédiaire des conduits 42, 52, 62. On évite alors un bouchage des évidements 41 pratiqués dans le tube cylindrique 4, sans avoir besoin d'interrompre l'utilisation du dispositif pour changer ou nettoyer le filtre. [36] Pour faciliter le montage de l'ensemble des organes, la paroi 43 est rendue solidaire 20 du tube cylindrique 4. De cette manière le montage et le démontage du tube cylindrique 2 peut s'opérer simplement en retirant la tête d'extrusion 5. [37] Un autre avantage du dispositif selon l'invention est de pouvoir faire tourner les vis à la même vitesse de rotation. En effet, les filets entraînent le matériau selon un mouvement de translation par rapport à une paroi fixe. Cet effet est obtenu par les filets 21 25 vis-à-vis de la paroi intérieure du corps 1, et de manière identique par les filets 31 vis-à-vis de la paroi intérieure du tube cylindrique 4. [38] Il est alors facile de rendre les vis solidaires les unes des autres en les disposant de manière concentrique et coaxiale les unes par rapport aux autres. Seule la vis de plus grand diamètre nécessite d'être reliée à un organe d'entraînement moteur, ce qui simplifie grandement la réalisation du dispositif. 2905890 7 [39] On peut également réaliser un ensemble comprenant plusieurs étages successifs en prolongeant la tête 5 du corps 1, et en pratiquant des orifices dans la partie aval de la vis 3 permettant de faire communiquer l'espace balayé par les filets 31 de la vis 3 avec un espace intérieur aménagé dans le noyau de la vis 3 qui travaillerait en collaboration avec 5 une vis de diamètre inférieur (non représentée sur la figure 1). [40] Cette cascade de vis collaborant successivement les unes avec les autres peut en outre être réalisée dans un encombrement très réduit en réalisant des vis concentriques. [41] Il est alors possible d'affecter aux différents tubes cylindriques des fonctions plus spécifiques en dédiant les tubes de diamètre élevé à des fonctions de filtration, et les tubes 10 de diamètre inférieur à des fonctions d'homogénéisation. [42] Dans ce but il est possible de faire varier le diamètre des différentes vis, ou encore de donner aux vis des formes coniques. On peut ainsi concevoir aisément que le diamètre de la vis 3 puisse augmenter à nouveau en aval de la partie du dispositif où cette vis collabore avec la vis 2. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'extrusion d'un matériau viscoélastique comportant deux (2, 3) ou plusieurs vis de malaxage et de transport disposées coaxialement et de manière concentriques dans un corps (1), dans lequel les fonds de filet d'une vis de diamètre supérieur (2) comportent des orifices (22) permettant de faire communiquer l'espace balayé par les filets (21) de ladite vis de diamètre supérieur (2) avec l'espace balayé par les filets (31) de la vis de diamètre immédiatement inférieur (3), caractérisé en ce que un tube cylindrique (4) fixe comprenant des évidements (41) traversant la paroi dudit tube cylindrique est interposé entre l'espace balayé par les filets (32) de la vis de diamètre inférieur (3) et l'espace dans lequel débouchent les orifices (22). 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'espace balayé par les filets de la vis de plus grand diamètre est fermé par une paroi (43) de sorte que, lorsque le dispositif est en fonctionnement, le matériau est forcé à passer dans les orifices (22) puis dans les évidements (41). 3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la paroi (43) est solidaire du tube cylindrique (4). 4) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel la paroi (43) comporte un orifice (42) communiquant avec un exutoire (52, 62) fermé par un moyen d'obturation 20 amovible (61). 5) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le tube cylindrique (4) est amovible. 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les vis (2,3) sont rendues solidaires l'une de l'autre par l'intermédiaire de leurs noyaux respectifs. 25 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les évidements (41) sont des trous cylindriques. 8 2905890 9 8) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les évidements (41) sont des fentes faisant un angle donné avec les génératrices du tube cylindrique (4). 9) Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'angle des fentes est compris entre 0 et 90 . 5 10) Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9 dans lequel les parois des évidements (41) ont une forme évasée de telle sorte que la section de l'évidement augmente dans le sens de la progression du matériau à travers le tube cylindrique (4). 11) Procédé d'homogénéisation et de filtrage d'un matériau viscoélastique dans lequel on interpose un tube cylindrique (4) fixe comprenant des évidements (41) traversant la 10 paroi dudit tube cylindrique entre l'espace balayé par les filets (32) d'une vis de diamètre inférieur (3) et l'espace dans lequel débouchent des orifices (22) pratiqués dans les fonds de filet d'une vis de diamètre supérieur (2), les deux vis (2, 3) étant disposées coaxialement de manière concentrique l'une par rapport à l'autre dans un corps (1). 15 12) Procédé d'homogénéisation et de filtrage selon la revendication 11, dans lequel on dispose d'un moyen (43) permettant de forcer le flux de matériau à passer au travers des orifices (22) disposés dans les fonds de filet de la vis de diamètre supérieur (2). 13) Procédé d'homogénéisation et de filtrage selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel on fait tourner les vis (2, 3) à la même vitesse. 14) Procédé d'homogénéisation et de filtrage selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel on dispose plus de deux vis en cascade. 15) Procédé d'homogénéisation et de filtrage selon l'une des revendications 11 à 14, dans lequel on ajuste le diamètre des évidements (41) pour réaliser le filtrage avec le tube cylindrique (4) de plus grand diamètre. 16) Procédé d'homogénéisation et de filtrage selon l'une des revendications 11 à 15, dans lequel le matériau viscoélastique est un matériau caoutchoutique.