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En anglaisRÉSUMÉ
Le procédé d’extrusion de film à plat de polymère ou « cast film » est un procédé industriel complexe, principalement utilisé dans le domaine de l’emballage (alimentaire, produits techniques), permettant de fabriquer des films sophistiqués d’épaisseur de quelques dizaines de micromètres. Ce procédé permet même de combiner plusieurs matériaux polymères en films multicouches. Le procédé d’extrusion du film monocouche, quant à lui, aboutit à d’excellentes propriétés optiques et dimensionnelles, avec des grandes vitesses de production.
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David SILAGY : Ingénieur Arts & Métiers, Docteur en Sciences et Génie des Matériaux de l’École Nationale Supérieure des Mines de Paris Chef du Service des Technologies de Transformation des Thermoplastiques d’ARKEMA, CERDATO
INTRODUCTION
Le procédé d’extrusion de film à plat de polymère, couramment dénommé « cast film » ou « film casting » est avec le soufflage de gaine, l’un des procédés permettant de fabriquer des films (d’épaisseur variant de 10 à 300 µm). On préférera l’extrusion de film à plat dans le cas où le polymère est peu visqueux et se prête mal à des opérations de soufflage de gaine (cas des polyamides), dans le cas où le produit doit être couché sur un substrat (polyéthylène basse densité ou haute densité, polypropylène, polyéthylène téréphtalate), dans le cas où le film est destiné à être biétiré (cas du polypropylène ou polyéthylène téréphtalate). Au cours des dernières années, les exigences du marché du film ont conduit à des développements intensifs dans la technologie d’extrusion de film à plat, ce qui débouche sur un procédé de production mature pour la fabrication de films de haute précision dimensionnelle à partir d’un très large panel de matériaux polymères.
Les films produits par extrusion à plat sont principalement utilisés dans le marché de l’emballage. Il peut s’agir d’emballage alimentaire ou d’emballage de produits techniques, marchés qui tous les deux conduisent au développement de films sophistiqués, à très haute technicité, soit par le nombre de matériaux associés, soit par les épaisseurs relatives des couches obtenues. Ainsi, la coextrusion est une technique de plus en plus rencontrée dans le procédé d’extrusion de film à plat, avec des systèmes allant de façon exceptionnelle jusqu’à 11 couches, mais restant généralement limités à 5 couches.
Cet article se limite essentiellement au procédé d’extrusion du film monocouche. Le procédé d’extrusion de film plat est réputé pour permettre d’obtenir d’excellentes propriétés optiques et dimensionnelles. Le refroidissement par le biais d’un rouleau thermostaté permet d’atteindre de grandes vitesses de production (plusieurs centaines de mètres par minute) et influence significativement les morphologies obtenues dans le film.
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6. Modélisation de l’étape d’étirage
Le procédé cast film fait l’objet depuis 1966 du développement de modèles de complexité croissante destinés à prédire la géométrie du film (largeur et distribution d’épaisseur) et l’apparition de limites d’étirabilité en fonction des paramètres de transformations utilisés dans le procédé. La figure 22 illustre l’ensemble des paramètres qui entrent en jeu au cours de l’étape d’étirage. On peut constater que ces paramètres sont nombreux et ne sont pas toujours accessibles à l’opérateur sur la machine.
6.1 Enjeux de la modélisation
Toute approche scientifique d’un procédé de mise en forme fait intervenir plusieurs catégories d’hypothèses et l’extrusion de film à plat nécessite de décrire de façon précise trois d’entre elles :
-
la cinématique de l’écoulement ;
-
la rhéologie du polymère fondu ;
-
la description des phénomènes thermiques.
Nous allons voir que les auteurs vont plus ou moins enrichir ces trois familles d’hypothèse, au cours de l’histoire. En effet, l’écoulement du polymère fondu dans ce procédé est complexe à décrire.
• L’observation de la géométrie du film au cours de l’étirage met en évidence les phénomènes de neck-in NI et une diminution de l’épaisseur qui s’effectue de façon inhomogène e (x, y ). Une cinématique 2D (dans laquelle les paramètres dépendent de 2 variables) paraît incontournable.
• L’écoulement est élongationnel et le caractère élastique du polymère fondu joue un rôle prépondérant lors de l’étirage. Ce dernier sera donc mieux décrit en supposant que le comportement du polymère est viscoélastique, plutôt que newtonien ou pseudo-plastique.
• Le polymère s’écoule de la sortie de la filière (à une température généralement comprise entre 200 et 300 oC) dans l’air à 20 oC,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - SAKAKI (S.), KAJIWARA (T.), FUNATSU (K.) - Three Dimensional Flow Simulation of a Film Casting Process dans Polymer...
1 Constructeurs de machines (liste non exhaustive)
Axon Plastics Machinery AB
Battenfeld Gloucester Europe Ltd
Berstorff GmbH
Black Clawson Converting Machinery LLC
Brückner Maschinenbau GmbH
Collin Dr, GmbH
Davis Standard France
Dolci Extrusion SpA
Ghioldi SpA
Kuhne, GmbH
Macchi SpA
Macro Engineering and Technology Inc
Marshall and Williams Company – Plastics Machinery Division
Primplast SRL
Reifenhäuser GmbH
SML Extrusion Technology
Wayne Machine & Die Company
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SOLLOGOUB (C.) - Étude du procédé d’extrusion couchage de films polymères sur tôle d’acier. - École nationale supérieure des mines (2003).
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