Brevet FR2938205A1 — publié le 20100514

FILIERE D'EXTRUSION A DOUBLE PROFIL [001] Le domaine de l'invention concerne l'extrusion de profilés formés majoritairement d'un mélange de caoutchouc. [002] De manière connue, ces profilés sont obtenus par l'intermédiaire d'extrudeuses comprenant une partie amont dans laquelle le mélange caoutchouteux est plastifié et mis sous pression, et une partie aval dans laquelle le mélange traverse une filière d'extrusion destinée à conférer au produit un profil transversal dont les caractéristiques géométriques sont déterminées avec précision. La filière d'extrusion est constituée en règle générale d'une première paroi fixe ou mobile, et généralement plane ou cylindrique et d'une deuxième paroi fixe, placée en vis-à-vis de la première paroi et dont le profil est adapté pour obtenir le profil transversal du produit extrudé. L'espace entre la première et la deuxième paroi forme l'entrefer de la filière. [3] En modifiant de manière connue les paramètres tels que la pression en amont de la filière, la vitesse de sortie du mélange, et la température du mélange, l'homme du métier va chercher à optimiser le rendement de la machine d'extrusion dans le but d'obtenir un produit présentant les meilleures caractéristiques géométriques. [4] Toutefois, certaines qualités de mélange, plus communément connus sous le nom de mélanges décohésifs, se prêtent mal à cette optimisation. En effet, les forces de cisaillement qui s'exercent sur la surface du mélange en contact avec la paroi fixe de la filière d'extrusion ont pour effet de provoquer des déchirures à la surface du profilé, et viennent à rebours des efforts entrepris pour obtenir une géométrie précise. [5] Pour lutter contre ces inconvénients, des solutions ont été proposées pour adapter les paramètres de fonctionnement de la machine d'extrusion ou le profil de la 25 filière d'extrusion dans le but de réduire ce phénomène de décohésion. [6] Une première solution, présentée ici comme l'art antérieur le plus proche, consiste à utiliser une filière d'extrusion classique et à diminuer la vitesse d'extrusion tout en maintenant une pression relativement élevée en amont de la filière. Bien que satisfaisante du point de vue de la géométrie du profilé obtenu, cette solution demeure un 30 pis aller en regard de ses performances économiques défavorables. [7] Le brevet a pour objet de proposer une adaptation du profil de la filière permettant d'améliorer de façon notable le débit d'extrusion, tout en conservant une qualité de surface du profilé conforme aux exigences géométriques attendues. [8] La filière d'extrusion selon l'invention est formée d'une première paroi et d'une deuxième paroi fixe placée en vis-à-vis de la première paroi et destinée à conférer au profilé de caoutchouc un profil transversal donné, Cette filière se caractérise en ce que la deuxième paroi comprend une partie amont formant un entrefer de hauteur H avec la première paroi et une partie aval formant un décrochement de hauteur h par rapport à la partie amont de ladite deuxième paroi. [9] L'entrefer entre la première paroi et la partie aval de la deuxième paroi est alors égal à H+h. [0010] On s'arrange alors pour régler les paramètres de fonctionnement du dispositif d'extrusion de telle sorte que le point de décollement Pd définit comme le point au-delà duquel la pression s'exerçant sur le mélange est nulle, soit disposé sur la partie aval de la deuxième paroi, à une distance d en aval du décrochement de la deuxième paroi et formé par le bord amont de la partie aval de ladite deuxième paroi. [0011] Lors de l'extrusion du mélange au travers de la filière ainsi définie, ledit mélange sous pression circule de la partie amont de la filière formée par la première paroi et la partie amont de la deuxième paroi vers la partie aval de la filière. Le décrochement de hauteur h a pour effet de créer une forte baisse des contraintes de cisaillement au niveau de la surface du mélange en contact avec la partie aval de la deuxième paroi, ce qui a pour conséquence de libérer les contraintes internes dans le mélange et de réduire fortement le seuil d'apparition des craquelures et autres déchirures spécifiques aux mélanges dits décohésifs. [0012] Cet artifice de réalisation de la filière permet d'augmenter de manière significative le débit et la vitesse d'extrusion permettant d'améliorer de la sorte le rendement de la machine, sans altérer les caractéristiques géométriques du profilé réalisé. [0013] La description qui suit s'appuie sur un mode préférentiel de réalisation de l'invention, et sur les figures 1 à 4 dans lesquelles : la figure 1 représente une vue schématique en coupe (A-A) d'une filière selon l'art antérieur connu, la figure 2 représente une vue de face de la filière selon l'art antérieur connu, la figure 3 représente une vue schématique en coupe (A-A) d'une filière selon l'invention, la figure 4 représente une vue de face de la filière selon l'invention. [0014] La filière d'extrusion selon l'art antérieur connu représentée à la figure 1 comprend une première paroi 1. Cette paroi peut être fixe dans le cas d'un moyen d'extrusion dit à nez plat. Cette paroi peut être également de forme cylindrique et mobile en rotation dans le sens de la flèche R autour d'un axe (non représenté). La seconde paroi 2 de la filière est une paroi fixe disposée en vis-à-vis de la paroi 1. [0015] La deuxième paroi 2 définit le profil transversal du profilé à extruder selon une géométrie telle que représentée à titre illustratif à la figure 2. Cette deuxième paroi est fixe. L'espace entre la première paroi 1 et la deuxième paroi 2, forme l'entrefer de la filière. La distance entre la première paroi et la deuxième paroi de la filière, variable transversalement en fonction de la géométrie du profil, est notée H. [0016] La filière d'extrusion est disposée dans la partie aval du dispositif d'extrusion (non représenté). Ce dispositif d'extrusion peut être formé à titre d'exemple d'une vis disposée dans un fourreau débouchant dans une voûte dont la paroi 3 est raccordée à la deuxième paroi de la filière. A cet effet, la partie arrière de l'outillage supportant la deuxième paroi de la filière, forme un angle Wo avec la deuxième paroi 2. [0017] Le mélange sous pression arrive en amont de la filière et s'écoule dans le sens de la flèche F dans la filière pour acquérir le profil transversal désiré. [0018] L'homme de l'art va agir sur les paramètres du dispositif d'extrusion pour régler les paramètres de pression et de vitesse d'extrusion de manière à obtenir le débit optimum. [0019] De manière connue, il s'arrange pour que le point de décollement Pd définit comme étant le point en aval duquel la pression exercée sur le mélange est nulle, soit placé dans une zone idéalement située en amont le la sortie de la filière et disposée approximativement entre les trois quart et les deux tiers de la longueur totale de la filière. Pour une vitesse d'extrusion donnée, on ajuste le niveau de pression dans la voûte pour que le point de décollement Pd soit situé dans cette zone, en s'arrangeant par ailleurs pour ne pas dépasser la température maximale tolérée par le mélange de caoutchouc non vulcanisé. [0020] Lorsque le point de décollement Pd est situé dans cette zone, on observe alors une meilleure stabilité des conditions d'extrusion. En effet, une augmentation de la pression dans la voûte aura pour effet de déplacer vers l'aval le point de décollement Pd. A l'inverse, toute diminution de la pression aura pour effet de déplacer ce point vers l'amont. Dans le cas d'une extrudeuse dite à rouleau, dont la première paroi est de forme sensiblement cylindrique, on s'arrange pour que le point Pd soit disposé au droit de la génératrice du cylindre située au plus proche de la deuxième paroi, de manière à minimiser les effets d'un déplacement de ce point en avant ou en arrière de cette position idéale. En effet, la variation de diamètre du rouleau peut avoir une incidence sur l'épaisseur du profilé. [0021] Cette contrainte est également un facteur limitant dans la mise au point de la filière d'extrusion en ce qu'il ne permet pas d'augmenter la pression de manière illimitée ce qui aurait pour effet de placer le point de décollement Pd à l'extrémité aval de la filière. Il en résulterait alors de fortes variations de géométrie transversale en raison des effets bien connus de foisonnement des matériaux caoutchoutiques. [0022] La filière selon l'invention est représentée sur les figures 3 et 4. Cette filière à sensiblement les mêmes caractéristiques que la filière décrite dans les paragraphes qui précèdent. Elle s'en distingue toutefois en ce que la deuxième paroi comporte une partie amont 21 formant un entrefer de hauteur H avec la première paroi, et une partie aval 22 formant un décrochement de hauteur h par rapport à la partie amont 21 de ladite deuxième paroi. L'entrefer entre la première paroi et la partie aval de la deuxième paroi est alors sensiblement égal à H+h. [0023] La figure 3 permet de mettre en évidence le fait que ce décrochement entre l'amont et l'aval de la deuxième paroi a sensiblement la même valeur, égale à h, sur toute la longueur transversale de la filière. [0024] La hauteur du décrochage, fixée expérimentalement, dépend de la nature du matériau décohésif et de la géométrie du profil à obtenir. Cette hauteur peut valablement être située entre 0,08 et 0,2 fois la valeur moyenne de l'entrefer H. On observera que la valeur H varie transversalement de manière à déterminer le profil géométrique du profilé en caoutchouc. C'est la raison pour laquelle, en règle générale, on choisira une valeur H proche de la valeur l'entrefer au centre de la filière. [0025] En pratique, la hauteur de l'entrefer, qui correspond sensiblement à l'épaisseur du profilé, a une valeur comprise entre 0,5 mm et 25 mm pour les profilés couramment utilisés pour la fabrication des pneumatiques destinés à équiper les véhicules de tourisme . [0026] De manière similaire à ce qui a été développé dans les paragraphes ci-dessus, on s'arrange, lors du réglage des paramètres d'extrusion, pour que le point de décollement Pd soit situé sur la partie aval de la deuxième paroi. Idéalement, ce point de décollement est situé à une distance d du décrochement. La distance d est utilement comprise entre 5 et 25 fois la valeur de la hauteur h. La longueur de la partie aval de la deuxième paroi 21 est ajustée pour que le point de décollement Pd soit situé en amont de l'extrémité aval de ladite partie aval de la deuxième paroi 21. [0027] Le tableau ci après permet de mettre en évidence les résultats d'extrusion obtenus avec un mélange dit décohésif expérimental. La filière utilisée est placée en aval d'une extrudeuse à vis et comprend une première paroi cylindrique mobile en rotation par rapport à la deuxième paroi. Résultats expérimentaux h en mm P V m/min 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 M a p Art A 4,5 4 3 2,5 1 antérieur 23 Kg/min 2,8 5,35 8,2 10,7 (h=0) Temp °C 105 120 125 128 A 4,5 4,5 4 3,5 3 3 3 2,5 2 h = 0,5 23 Kq/min 2,8 4 5,4 6,8 8 9,3 10,7 11,9 Temp °C 105 115 122 126 129 132 133 135 A 5 4,5 4 4 3 h = 1 28 Kq/min 2,65 5,2 8,1 10,7 Temp °C 105 120 135 130 A 4,5 4,5 4 3,5 3,5 3 3 4 h = 1 20 Kg/min 2,7 4,2 5,2 6,85 8 9,2 10,55 Temp °C 100 110 115 122 123 123 125 A 5 4,5 4 4 5 h = 1,5 25 Kq/min 3,2 6,45 9,4 12,55 Temp °C 105 125 128 130 [0028] Au cours des cinq plans d'expérience, on a fait varier la valeur du décrochement h (colonne h en mm) depuis une valeur nulle, assimilée à une filière selon l'art antérieur connu, jusqu'à une valeur de 1,5 mm. [0029] Pour chacune des valeurs de h, et pour une pression donnée (colonne P Mpa) on a mesuré les effets d'une variation de vitesse d'extrusion (ligne V m/min), et donc du débit de sortie (ligne Kg/min) sur la température du mélange (ligne Temp °C) en sortie de la filière, et on a noté de manière qualitative (ligne A) l'aspect de la surface supérieure du profilé obtenu. La note d'aspect est reliée au nombre et à la profondeur des craquelures observées. Les valeurs de A varient de 1 (aspect très détérioré), à 5 (aspect excellent). Le seuil d'acceptabilité est fixé à la note 4. [0030] On observe que, pour une filière ne comportant pas de décrochement (expérience N°1) on obtient les meilleures conditions d'extrusion pour une valeur de pression relativement faible et pour une vitesse de sortie très faible comprise entre 1 et 2 m/min, ce qui correspond, dans le cas d'espèce, à un débit compris entre 2, 8 Kg/min et 5,35 Kg/min. [0031] L'expérience N° 2 a été faite avec une filière d'extrusion dont la deuxième paroi comportait un décrochement d'une hauteur de 0,5 mm. L'amélioration observée est sensible pour les valeurs de vitesse élevées pour lesquelles on observe toutefois une élévation limitante de la température. [0032] Les expériences N°3 et N°4 ont été faites avec une filière d'extrusion dont la deuxième paroi comportait un décrochement d'une hauteur de 1 mm. Pour une valeur de pression basse (expérience N°4) on obtient des notes d'aspect équivalentes aux précédentes mais on observe que le niveau de température est abaissé pour les hautes vitesses. Ce constat autorise à augmenter la pression (expérience N° 3). Il en résulte une nette amélioration de l'aspect du profilé dans les hautes vitesses, sans que la température du mélange en sortie de filière ne s'élève au delà du seuil admissible. [0033] L'expérience N°5 a été faite en relevant à 1,5 mm la hauteur du décrochement. Dans ce dernier cas on a observé que, quelles que soit les conditions de vitesse, le point de décollement Pd était situé au niveau du décrochement entre la partie amont et la partie aval de la deuxième paroi. Il en résultait une instabilité géométrique du profil jugée inacceptable, bien que les notes d'aspect soient toutes considérées comme satisfaisantes ou bonnes. [0034] Ce plan d'expérience permet de conclure que, dans le cas du mélange utilisé pour le test, et dans le cas de la géométrie du profil transversal choisie, la hauteur h optimale du décrochement se situe dans le voisinage du millimètre. Il permet surtout de constater que pour un mélange et pour une géométrie donnée l'effet du décrochement est sensible et permet d'augmenter de manière significative la vitesse et donc le débit d'extrusion sans dépasser les limites thermiques imposées par le mélange. [0035] La description ci-dessus concerne un mode préféré de réalisation de l'invention. Il est néanmoins tout a fait envisageable d'appliquer les enseignements de l'invention à des configurations d'extrusion dans lesquelles la première paroi est fixe (cas des extrudeuses dites à nez plat). [0036] Dans ce cas, on peut aussi prévoir de réaliser un décrochement de valeur h sur la partie aval de la première paroi de la filière de sorte que, l'entrefer entre les parties amont des première et deuxième paroi est égal à H, et que l'entrefer entre les parties aval des première et deuxième paroi est égal à H+2h. REVENDICATIONS1) Filière d'extrusion d'un mélange composé majoritairement de caoutchouc, formée d'une première paroi (1) et d'une deuxième paroi (2) fixe placée en vis-à-vis de la première paroi et destinée à conférer au profilé de caoutchouc un profil transversal donné, caractérisé en ce que la deuxième paroi (2) comprend une partie amont (21) formant un entrefer de hauteur H avec la première (1) paroi et une partie aval (22) formant un décrochement de hauteur h par rapport à la partie amont (21) de ladite deuxième paroi, de sorte que l'entrefer entre la première paroi (1) et la partie aval de la deuxième paroi (21) est égal à H+h. 2) Filière d'extrusion selon la revendication 1 dans laquelle la première paroi (1) est d'allure sensiblement plane, et fixe par rapport à la deuxième paroi (2). 3) Filière d'extrusion selon la revendication 2 dans laquelle la première paroi (1) comprend également une partie amont formant un entrefer de hauteur H avec la partie amont de la deuxième paroi (21), et une partie aval formant un décrochement de hauteur h par rapport à la partie amont de ladite première paroi, de sorte que l'entrefer entre la partie aval de la première paroi et la partie aval de la deuxième paroi (21) est égal à H + 2h. 4) Filière d'extrusion selon la revendication 1 dans laquelle la première paroi (1) est d'allure sensiblement cylindrique, et mobile en rotation par rapport à la deuxième paroi. 5) Filière d'extrusion selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le rapport h/H est compris entre 0,08 et 0,2. 6) Filière d'extrusion selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le décrochement a une hauteur sensiblement égale à h sur toute la longueur transversale de la filière. 7) Procédé d'extrusion d'un mélange composé majoritairement de caoutchouc dans lequel on utilise une filière d'extrusion selon l'une des revendications 1 à 6, et dans lequel, lorsque la filière est en fonctionnement, on définit un point de décollement Pd en aval duquel la pression s'exerçant sur le mélange est nulle, et dans lequel on règle les valeurs de pression et de vitesse d'extrusion de manière à ce que ledit point de décollement Pd soit disposé sur la partie aval de la deuxième paroi (21), à unedistance d du décrochement de la partie aval de la deuxième paroi par rapport à la partie amont de ladite deuxième paroi.. 8) Procédé selon la revendication 7 dans lequel la valeur de ladite distance d est comprise entre 5 et 25 fois la valeur de la hauteur du décrochement h.5