Brevet FR3022823A1 — publié le 20160101

EXTRUDEUSE COMPORTANT UN FOURREAU FILETE [001] L'invention se rapporte au domaine de l'extrusion des matériaux visqueux plastiques, et plus particulièrement des matériaux viscoélastiques tels que du caoutchouc. [002] Traditionnellement, ces matériaux sont mis en forme à l'aide d'un moyen d'extrusion comprenant une vis filetée, mise en rotation dans un fourreau cylindrique et débouchant sur des moyens de profilage. [3] De manière à améliorer les caractéristiques des produits obtenus, de nombreuses adaptations ont été apportées à la conception des extrudeuses et plus particulièrement des vis d'extrudeuses. On retrouve ainsi, de manière connue, une zone d'alimentation, destinée à recevoir les matériaux dans un état solide ou peu visqueux, puis une zone de travail ou de plastification dans laquelle on élève la pression et la température du matériau afin de pouvoir en assurer le transfert en aval du dispositif, une zone d'homogénéisation dans laquelle le matériau est malaxé pour assurer une bonne régularité de ses propriétés, et une partie finale débouchant dans une filière d'extrusion ou dans un dispositif de mise en forme tel qu'un moule. [4] L'essentiel de l'énergie fournie au matériau provient de l'énergie mécanique transmise par la vis d'extrusion qui se transforme en énergie thermique sous l'effet du cisaillement que subit le matériau en passant entre les filets de la vis et le fourreau lisse des différentes zones de travail énoncées ci-dessus. [5] Dans un but d'amélioration des performances générales du dispositif, l'augmentation du débit d'extrusion peut se faire en augmentant la vitesse de rotation de la vis. Cette solution reste toutefois limitée en ce qu'elle contribue à augmenter la quantité d'énergie fournie au matériau et par voie de conséquence sa température, ce qui peut s'avérer préjudiciable à la conservation de ses propriétés. [6] Toujours dans cette même perspective, il est aussi possible d'augmenter le pas de la vis afin de faciliter le transfert du matériau. Mais cette solution reste limitée à l'extrusion de matériaux peu ou très peu visqueux ne nécessitant pas des pressions de transfert élevées ni l'apport d'une quantité de travail trop importante. [007] Aussi, la voie la plus couramment employée pour traiter des matériaux plus visqueux à grand débit, consiste à augmenter le diamètre de la vis et à redimensionner l'installation à la hausse, ce qui n'est pas sans incidences sur le coût du dispositif d'extrusion. [8] Par soucis d'économie, on peut également chercher à introduire les matériaux à froid, c'est-à-dire à la température ambiante de l'atelier, pour éviter le coût d'une étape préliminaire de réchauffage et de plastification. Le matériau introduit est alors fortement visqueux et nécessite l'apport d'une grande quantité d'énergie pour pouvoir être extrudé dans une filière. [9] L'invention a pour objet de proposer une solution alternative permettant d'augmenter le débit de l'extrudeuse tout en maitrisant la taille du dispositif et la puissance à mettre en oeuvre. [0010] L'extrudeuse selon l'invention comprend plusieurs zones affectées chacune à une fonction rhéologique particulière disposées axialement depuis une extrémité amont jusqu'à une extrémité aval de l'extrudeuse. [0011] L'extrudeuse comprend une vis sans fin de diamètre donné comportant dans chacune des zones au moins un filet hélicoïdal, s'étendant radialement depuis un arbre central de la vis sur une hauteur, selon un sens et selon un pas définis pour chacune des zones, et entrainée en rotation autour d'un axe dans un fourreau. L'extrudeuse se caractérise en ce que le fourreau comporte au moins un filet hélicoïdal définissant au moins un chemin hélicoïdal dans lequel une partie du flux de matériau est destiné à progresser, et parcourant chacune desdites zones en s'étendant radialement vers l'intérieur selon une hauteur du filet du fourreau qui est comprise entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur du filet de la vis. [0012] La présence d'un fourreau fileté sur toute la longueur de l'extrudeuse permet d'augmenter la section de passage du matériau et d'augmenter le débit. La forme hélicoïdale du filet de la vis permet également de contribuer à son avancement. [0013] Il a été constaté, lors des tests effectués en laboratoire, que pour une hauteur de filet du fourreau comprise entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur du filet de la vis, on arrive à obtenir une augmentation significative du débit de l'extrudeuse et en même temps, à optimiser le travail apporté au mélange qui traverse ledit chemin hélicoïdal. En effet, il a été constaté que, pour des hauteurs du filet du fourreau supérieures à 0,5 fois la hauteur du filet de la vis, le mélange n'arrive plus à être entraîné dans le chemin hélicoïdal lors de la rotation de la vis et qu'il reste bloqué dans des zone de stagnation notamment au fond des gorges du filet du fourreau. Il a également été constaté qu'un filet du fourreau de faible hauteur, inférieure à 0,1 fois la hauteur du filet de la vis, n'a pratiquement pas d'effet sur l'augmentation du débit de l'extrudeuse ou sur le travail apporté au mélange. [0014] Ainsi, en ajustant en plus le pas du filet ou des filets du fourreau on obtient un débit de matériau passant dans le ou les chemins hélicoïdaux délimités par le ou les filets du fourreau compris entre 10 et 50% du débit total de matériau passant dans le dispositif d'extrusion. [0015] De préférence, la hauteur du filet du fourreau est égale à 0,3 fois la hauteur du filet de la vis et on ajuste le pas du filet du fourreau de sorte que la part de flux de matériau passant dans ledit chemin hélicoïdal du fourreau est de 30% du flux total. [0016] Enfin, en adaptant, comme on le verra par la suite, le nombre, la hauteur, le pas et la forme des filets de la vis et du fourreau dans chacune des zones, on optimise le travail apporté au matériau tout en conservant les performances de débit attendues. [0017] L'extrudeuse selon l'invention peut aussi comprendre isolément ou en combinaison les caractéristiques suivantes : [0018] les filets du fourreau forment une hélice tournant en sens inverse au sens de l'hélice formée par les filets de la vis. [0019] dans chacune des zones, le pas des filets du fourreau est supérieur ou égal au pas des filets de la vis. [0020] l'extrudeuse comprend une ou plusieurs zones assurant chacune séparément une fonction rhéologique parmi les fonctions suivantes : [0021] une zone d'alimentation, dédiée à l'introduction et la plastification du matériau, [0022] une zone de mise en pression, dédiée à la montée en température et en pression du matériau, [0023] une zone d'homogénéisation, dédiée à l'homogénéisation des propriétés rhéologiques du matériau, [0024] une zone de stabilisation, dédiée à la stabilisation du flux de matériau avant la sortie au travers d'une filière d'extrusion. [0025] dans la zone d'alimentation, chaque filet de la vis comporte au moins une découpe destinée à favoriser l'accroche mécanique du matériau entrant, et disposée de sorte qu'aucune découpe ne soit dans l'alignement axial d'une découpe disposée sur les filets adjacents. [0026] dans la zone d'alimentation, la vis comprend au moins quatre filets. [0027] dans la zone de mise en pression, la vis comprend un filet unique. [0028] dans la zone de mise en pression, la vis a un pas compris entre 0,5 et 1,5 fois le diamètre de la vis. [0029] dans la zone de mise en pression, le diamètre de l'arbre de la vis est inférieur au diamètre de l'arbre de la vis dans la zone située en amont ou en aval de ladite zone de mise en pression. [0030] dans la zone d'homogénéisation, la vis comprend au moins deux filets. [0031] dans la zone d'homogénéisation, la vis a un pas compris entre 1 et 1,5 fois le diamètre de la vis. [0032] dans la zone d'homogénéisation, les filets de la vis ou du fourreau sont interrompus de manière à former des espaces annulaires cylindriques. [0033] dans la zone d'homogénéisation, l'arbre de la vis ou le fourreau comportent des doigts s'étendant radialement, et disposés de manière à circuler dans lesdits espaces annulaires cylindriques. [0034] dans la zone de stabilisation, la vis et le fourreau comportent chacun deux filets. [0035] L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : [0036] La figure 1 représente une vue générale schématique en coupe d'une extrudeuse selon l'invention. [0037] La figure 2 représente une vue en coupe et plus détaillée de la zone d'alimentation. [0038] La figure 3 représente une vue en coupe et plus détaillée de la zone de mise en pression. [0039] La figure 4 représente une vue en coupe et plus détaillée de la zone d'homogénéisation. [0040] La figure 5 représente une vue en coupe et plus détaillée du fourreau dans la zone d'homogénéisation. [0041] La figure 6 représente une vue en coupe et plus détaillée de la zone de stabilisation. [0042] Le dispositif d'extrusion illustré à la figure 1 est formé d'une vis sans fin 2 entrainée en rotation par un ensemble motoréducteur (non représenté) autour d'un axe )0(' dans un fourreau 1. L'extrudeuse comprend une pluralité de zones spécifiques A, P, H et S disposées successivement en aval les unes des autres le long de l'axe )0(', en considérant que le matériau s'écoule de l'amont vers l'aval dans le sens de la flèche portée par l'axe )0('. [0043] Dans chacune des zones, l'arbre 20 de la vis supporte un ou plusieurs filets hélicoïdaux 21 s'étendant radialement vers l'extérieur. Le nombre de filets, la hauteur hl et la forme et le pas des filets de la vis peuvent varier d'une zone à une autre comme on le verra par la suite. Les filets de la vis forment une hélice dont le sens de rotation est constant sur toute la longueur de la vis. Dans le cas de la vis illustrée à la figure 1, le sens de rotation de l'hélice est celui des aiguilles d'une montre. [0044] Le fourreau 1 supporte un ou plusieurs filets hélicoïdaux 11 dont la hauteur h2, la forme et le pas peuvent également varier selon la zone considérée. Ces filets s'étendent sur toute la longueur du fourreau depuis son extrémité amont jusqu'à son extrémité aval. [0045] Dans les figures on a illustré un fourreau fileté sur toute sa longueur comportant deux filets ayant un pas constant sur toute la longueur du fourreau. [0046] De préférence selon l'invention, le pas des filets hélicoïdaux 11 du fourreau 1 est compris entre une et quatre fois le diamètre de la vis 2. [0047] L'espace libre 12 de hauteur h2 situé entre la base du ou des filets 11 portés par le fourreau 1 et délimité par lesdits filets, forme un ou plusieurs chemins hélicoïdaux dans lesquels une part du flux de matériau est amené à circuler. [0048] Le sens de rotation de l'hélice formée par les filets du fourreau est inverse au sens de rotation de l'hélice formée par les filets de la vis. Et, dans le cas du fourreau servant de support à la présente description, les filets tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. L'inversion du sens des filets du fourreau par rapport au sens des filets de la vis permet ainsi de fournir un travail mécanique supplémentaire au matériau sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la vitesse de rotation de manière excessive. [0049] Le diamètre de la vis D est défini par la valeur hors tout mesurée entre les extrémités radiales des filets de la vis. [0050] Pour que les gains en débit soient significatifs, il convient que la hauteur h2 des filets du fourreau (voir figure 3) représente un pourcentage significatif de la hauteur h1 des filets de la vis. Lors des tests effectués en laboratoire, il s'est avéré qu'un pourcentage de l'ordre d'au moins 10% soit un seuil minimal pour obtenir les avantages recherchés, lesquels sont liés à l'augmentation de débit, cumulée avec la possibilité de traiter des matériaux visqueux voire très visqueux en les introduisant à froid, tout en obtenant en sortie de l'extrudeuse un état rhéologique optimum en vue de la mise en forme d'un profilé au travers d'une filière. [0051] En règle générale, on s'arrange pour que le débit de matériau passant entre le ou les filets 11 du fourreau 1 ou, dit d'une autre manière, dans le ou les chemins hélicoïdaux de hauteur h2 délimités par le ou les filets 11 du fourreau, soit compris entre 10 et 50% du débit total de matériau passant dans le dispositif d'extrusion. [0052] Pour atteindre cette performance, et pour favoriser l'écoulement du matériau dans les filets du fourreau, on ajustera donc le pas des filets du fourreau, de manière à ce qu'il soit, dans chacune des zones, supérieur ou égal au pas des filets de la vis. [0053] Le nombre de filets du fourreau peut utilement être égal à deux. [0054] La figure 2 est une vue plus détaillée de la zone d'alimentation A située en amont de l'extrudeuse dans laquelle le matériau est introduit par un orifice 10. Au niveau de la zone d'alimentation, la vis comporte un nombre important de filets dont le pas est compris entre une et deux fois le diamètre D de la vis. [0055] De bons résultats ont été obtenus avec une vis comportant au moins quatre filets. [0056] Les filets de la vis situés dans cette zone d'alimentation A, sont munis de découpes 22 destinées à favoriser l'accroche et à entrainer le matériau entrant. Les résultats les plus significatifs ont été obtenus lorsque chaque filet comporte au moins une découpe disposée de sorte qu'aucune découpe ne soit dans l'alignement axial d'une découpe disposée sur les filets adjacents. [0057] La figure 3 représente la zone de mise en pression P, dans laquelle la pression ainsi que la température du matériau augmentent. Cette augmentation de pression va servir à compenser les pertes de charge engendrées par la circulation du matériau dans les étages disposés en aval. A cet effet il convient de réduire le pas de la vis qui se situe alors entre 0,5 et 1,5 fois le diamètre D de la vis. La montée en pression va commander le débit global de l'extrudeuse. Aussi, pour ne pas réduire le débit dans cette zone, il est proposé de réduire le diamètre de l'arbre et d'augmenter en conséquence la hauteur hl des filets de la vis. [0058] Dans cette zone P la vis ne comporte, de manière préférentielle, qu'un seul filet. [0059] La montée en température est liée tout à la fois au cisaillement du matériau entre les filets de la vis et les filets du fourreau et au glissement du matériau sur les filets de la vis ou du fourreau. Ce deuxième effet étant réduit, comme cela a été indiqué ci-dessus, dans le cas de l'extrudeuse faisant l'objet de l'invention, il est nécessaire de prévoir une zone plus particulièrement dédiée à cette fonction. [0060] C'est dans la zone d'homogénéisation H, en référence aux figures 4 et 5, que va donc se faire la majeure partie du travail mécanique convertie sous forme thermique par le matériau. C'est à ce niveau également que les propriétés rhéologiques, telles que la température, la fluidité et l'homogénéité de la répartition de ces deux caractéristiques sont obtenues. [0061] Dans cette zone le pas de la vis est ramené à un pas compris entre 1 et 2 fois le diamètre D de la vis. [0062] Pour améliorer l'homogénéité du matériau on va favoriser le nombre de subdivisions du flux traversant cette zone en augmentant le nombre de filets de la vis et du fourreau. Pour favoriser ce brassage, une première solution consiste donc à réaliser des espaces annulaires libres 23, en interrompant les filets de la vis ou les filets du fourreau sur de courtes distances axiales de manière à rediriger les flux. [0063] En référence aux figures 5 et 6, on peut également augmenter le travail fourni en créant des obstacles, prenant ici la forme de doigts fixes 12 portés par le fourreau, et s'étendant radialement vers l'intérieur dans lesdits espaces annulaires 23 libres créés au niveau des filets de la vis. De la même manière, il est aussi possible de faire porter les doigts par la vis et de créer lesdits espaces annulaires correspondants en interrompant axialement les filets du fourreau. [0064] Pour que le matériau atteigne les propriétés optimales attendues, la zone d'homogénéisation H s'étend, axialement, en règle générale, sur une longueur représentant au moins un tiers de la longueur totale de l'extrudeuse. [0065] La zone de stabilisation S située en aval du dispositif d'extrusion permet d'ajuster le débit et la pression du flux de matériau avant d'introduire ce dernier dans la filière d'extrusion (non représentée) pour donner une forme définitive au profilé destiné à être utilisé dans un dispositif de transformation ultérieur. [0066] Dans cette zone, le pas de la vis est également compris entre une et deux fois le diamètre D de la vis. [0067] L'extrudeuse selon l'invention comprend donc des zones fonctionnelles configurées selon les indications décrites ci-dessus, disposées selon l'ordre proposé, et agissant en combinaison les unes avec les autres. De nombreuses adaptations de l'invention sont donc possibles dans lesquelles on peut faire varier la longueur axiale d'une zone par rapport à une autre, ou encore le nombre, la hauteur, le pas des filets dans chacune des zones. [0068] Dans un exemple de réalisation de l'invention, avec une extrudeuse comprenant une vis 2 de diamètre de 150mm, une hauteur du pas hl de 30mm et tournant dans un fourreau fileté 1 à trois filets 11 dont la hauteur du filet h2 est égale à 10mm, le pas est égal à 450mm, on a obtenu un débit passant dans les filets du fourreau 11 égal à 30% du débit total de matériau passant dans l'extrudeuse. [0069] Les modes de réalisation de l'invention servant de base à la présente description ne sont donc pas limitatifs, pour autant qu'ils permettent d'obtenir les effets techniques tels que décrits et revendiqués. REVENDICATIONS1. Extrudeuse destinée à la mise en forme d'un flux de matériau viscoélastique, comprenant plusieurs zones (A, P, H, S), affectées chacune à une fonction rhéologique particulière et disposées axialement depuis une extrémité amont jusqu'à une extrémité aval de l'extrudeuse, et comprenant une vis sans fin (2) de diamètre donné (D), comportant dans chacune des zones au moins un filet hélicoïdal (21), s'étendant radialement depuis un arbre central (20) de la vis sur une hauteur (h1), selon un sens et selon un pas définis pour chacune des zones, et entrainée en rotation autour d'un axe (XX') dans un fourreau (1), caractérisée en ce que le fourreau (1) comporte au moins un filet hélicoïdal (11) définissant au moins un chemin hélicoïdal (12) par lequel une partie du flux de matériau est destiné à progresser, et parcourant chacune desdites zones en s'étendant radialement vers l'intérieur selon une hauteur (h2) du filet du fourreau qui est comprise entre 0,1 et 0,5 fois la hauteur (h1) du filet de la vis 2. Extrudeuse selon la revendication 1, dans laquelle le filet du fourreau forme une hélice tournant en sens inverse au sens de l'hélice formée par le filet de la vis. 3. Extrudeuse selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle, dans chacune des zones, le pas du filet du fourreau est supérieur ou égal au pas du filet de la vis. 4. Extrudeuse selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une ou plusieurs zones assurant chacune séparément une fonction rhéologique parmi les fonctions suivantes : - une zone d'alimentation (A), dédiée à l'introduction et la plastification du matériau, une zone de mise en pression (P), dédiée à la montée en température et en pression du matériau, - une zone d'homogénéisation (H), dédiée à l'homogénéisation des propriétés rhéologiques du matériau, - une zone de stabilisation (S), dédiée à la stabilisation du flux de matériau avant la sortie au travers d'une filière d'extrusion. 5. Extrudeuse selon la revendication 4, dans laquelle, dans la zone d'alimentation (A), chaque filet de la vis (21) comporte au moins une découpe (22) destinée à favoriser l'accroche mécanique du matériau entrant, et disposée de sorte qu'aucune découpe ne soit dans l'alignement axial d'une découpe disposée sur les filets adjacents. 6. Extrudeuse selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans laquelle, dans la zone d'alimentation (A), la vis comprend au moins quatre filets. 7. Extrudeuse selon la revendication 4, dans laquelle, dans la zone de mise en pression (P), la vis comprend un filet unique. 8. Extrudeuse selon la revendication 7, dans laquelle, dans la zone de mise en pression (P), la vis a un pas compris entre 0,5 et 1,5 fois le diamètre (D) de la vis. 9. Extrudeuse selon la revendication 8, dans laquelle, dans la zone de mise en pression (P), le diamètre de l'arbre (20) de la vis (2) est inférieur au diamètre de l'arbre de la vis dans la zone située en amont ou en aval de ladite zone de mise en pression (P). 10. Extrudeuse selon la revendication 4, dans laquelle, dans la zone d'homogénéisation (H), la vis comprend au moins deux filets. 11. Extrudeuse selon la revendication 10, dans laquelle, dans la zone d'homogénéisation (H), la vis a un pas compris entre 1 et 1,5 fois le diamètre (D) de la vis. 12. Extrudeuse selon la revendication 10 ou la revendication 11, dans laquelle, dans la zone d'homogénéisation (H), les filets de la vis ou du fourreau sont interrompus de manière à former des espaces annulaires cylindriques (23). 13. Extrudeuse selon la revendication 12, dans laquelle, dans la zone d'homogénéisation (H), l'arbre de la vis ou le fourreau comportent des doigts (12) s'étendant radialement, et disposés de manière à circuler dans lesdits espaces annulaires cylindriques (23). 14. Extrudeuse selon la revendication 4, dans laquelle, dans la zone de stabilisation (S), la vis et le fourreau comportent chacun deux filets.