Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Le procédé de transformation des matières plastiques le plus répandu reste la fabrication par extrusion. Le rôle d’une filière d'extrusion est de fournir à la sortie de l'outillage un produit de dimension donnée, parfaitement uniforme du point de vue des débits et des températures, et en absence totale d’hétérogénéité. Ces caractéristiques sont essentielles pour obtenir un produit de qualité lors des phases qui suivent l'extrusion (étirage, conformation, refroidissement...). L'écoulement dans une filière est avant tout un problème de distribution. La conception géométrique de cet outillage doit permettre d’aboutir à une distribution satisfaisante, et ceci sous des débits même élevés. Les progrès de la simulation numérique et le développement des outils informatiques permettent aujourd'hui d'aborder la conception des filières d'extrusion de manière rationnelle et performante.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Bruno VERGNES : Ingénieur ENSTA (École nationale supérieure des techniques avancées) - Docteur ès Sciences - Maître de recherche à l'École des Mines de Paris
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Jean-François AGASSANT : Ingénieur civil des Mines, Docteur ès Sciences - Professeur à l'École des Mines de Paris - Responsable du groupe de recherches « Écoulements viscoélastiques » au CEMEF (Centre de mise en forme des matériaux, UMR CNRS 7635)
INTRODUCTION
La fabrication en continu de semi-produits ou de produits finis de section constante (plaques, feuilles, films, tubes, profilés…) par extrusion à travers une filière est de loin le procédé de transformation des matières plastiques le plus répandu. En 2001, par exemple, le tonnage de matières transformées par extrusion en France s'est élevé à 2,1 millions de tonnes, soit 47 % de la consommation totale de produits thermoplastiques.
Par ordre d'importance décroissante, toujours en tonnage de matière transformée, les différents produits concernés par ce procédé sont :
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les films soufflés : principalement des polyéthylènes (PE-BD, PE-BDL, PE-HD) et, en particulier, depuis une dizaine d'années, les nouveaux polyéthylènes métallocènes ;
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les feuilles et plaques : PVC, polypropylène, polystyrène ;
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les tubes : presque exclusivement du PVC, avec un peu de polyéthylène (principalement haute densité), mais aussi du polyamide et des silicones ;
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les profilés : principalement du PVC ;
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enfin, les isolations de câbles électriques ou téléphoniques : PVC, polyéthylène basse densité et formulations spécifiques fortement chargées.
Une ligne d'extrusion est généralement constituée des éléments suivants :
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une extrudeuse, monovis ou bivis, qui permet de fondre ou de plastifier le polymère, de le mettre en pression, et de fournir un débit de matière régulier, à une température aussi homogène que possible ;
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la filière, de géométrie plus ou moins complexe, qui donne au produit la forme requise.
À la sortie de la filière, le produit peut subir éventuellement d'autres traitements mécaniques (conformation, étirage, soufflage…), tout en étant refroidi, puis conditionné.
Le rôle principal que doit jouer une filière d'extrusion est de fournir à la sortie de l'outillage un produit de dimension donnée, parfaitement uniforme du point de vue des débits et des températures. Cela est particulièrement important pour les phases qui suivent l'extrusion proprement dite (étirage, conformation, refroidissement…) pour lesquelles toute hétérogénéité en sortie de filière ne pourrait qu'être aggravée et conduire à un produit incorrect.
L'écoulement dans une filière est donc un problème de distribution et la conception géométrique de ces outillages doit permettre de réaliser cette distribution au mieux, pour des conditions de débit le plus élevé possible. Cette conception a longtemps été fondée sur l'empirisme et l'expérience des bureaux d'études et des utilisateurs. Grâce aux progrès de la simulation numérique et au développement des outils informatiques, une approche plus scientifique du problème permet aujourd'hui de conforter l'expérience des praticiens et d'aborder la conception des filières d'extrusion de manière rationnelle et performante.
Nota : pour plus de détails, le lecteur pourra se reporter aux dossiers Extrusion monovis [AM 3 650] et [AM 3 651], dans ce traité.
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Description des géométries étudiées
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6. Conclusions et perspectives
La compréhension et la modélisation des écoulements dans les filières d'extrusion ont permis, depuis bientôt 30 ans, d'effectuer beaucoup de progrès dans la conception des outillages et dans l'optimisation de leurs conditions de fonctionnement. Cette approche n'est cependant en aucun cas exclusive et ne permettra sûrement jamais de remplacer totalement l'expérience de l'homme de métier.
En effet, aussi sophistiqué soit-il, un modèle de calcul repose toujours sur des hypothèses restrictives (en particulier, le choix de la loi de comportement et des conditions aux parois des outillages, glissement ou adhésion en particulier) et ne peut prétendre, à lui seul, répondre à tous les problèmes rencontrés dans la pratique quotidienne. Il faut donc considérer ces méthodes comme des aides à la conception, qui pourront amener des résultats d'autant plus parlants qu'on leur associera une solide expérience et, surtout, un excellent sens physique.
Les méthodes de calcul que nous venons de présenter sont longtemps restées l'apanage des centres de recherche ou des grands groupes industriels, en raison des moyens de calcul que nécessitait leur mise en application. La révolution qui, depuis vingt ans, bouleverse le paysage informatique a deux conséquences importantes :
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les progrès considérables effectués sur la capacité de calcul des machines permettent actuellement une approche beaucoup plus ambitieuse des problèmes. Le calcul des écoulements 3D est maintenant devenu presque banal, les lois de comportement et les couplages peuvent être de plus en plus évolués, ce qui entraîne nécessairement une nette amélioration de la prédictivité des modèles ;
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l'évolution radicale des rapports performances/prix du matériel informatique permet aujourd'hui à de petites entreprises d'accéder à des moyens de calcul réservés jusque-là à certains laboratoires privilégiés, ce qui commence à entraîner une diffusion importante des modèles de simulation dans le tissu industriel et à favoriser l'accès d'une approche plus scientifique des problèmes aux entreprises de la transformation des matières plastiques.
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Conclusions et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - VERGNES (B.) - Calcul des écoulements de polymères fondus dans les filières d'extrusion. - Thèse d'État, Université de Nice (1985).
-
(2) - AGASSANT (J.F), AVENAS (P.), SERGENT (J.-Ph), VERGNES (B.), VINCENT (M.) - La mise en forme des matières plastiques. - 3e édition, Lavoisier, Paris (1996).
-
(3) - BABUZKA (I.) - Error bounds for finite element method. - Num. Math., 16, p. 322-333 (1971).
-
(4) - BREZZI (F.) - On the existence, uniqueness, and approximation of saddle-point problems arising from Lagrange multipliers. - Rev. Fr. Autom. Inform. Rech. Oper., 8, p. 129-151 (1974).
-
(5) - GRUAU (C.), COUPEZ (T.) - 3D tetrahedral, unstructured and anisotropic mesh generation with adaptation to natural and multidomain metric. - Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 194, p. 4951 (2005).
-
(6) - SAILLARD (P.), VERGNES...
Bibiographie complémentaire
ARNOLD (J.) - Die Makers Handbook. - SPE serie (2000).
MICHAELI (W.) - Extrusion Dies for Plastics and Rubber. - Design and Engineering Computations, 3e édition, Carl Hanser, Munich (2003).
O'BRIEN (K.T.) - Computer Modeling for Extrusion and Other Continuous Polymer Processes. - Hanser Gardner, Cincinnati (1992).
HAUT DE PAGE2 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
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Logiciels généraux (codes d'écoulement 2D et/ou 3D)
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Fluent http://www.fluent.com/
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PolyDynamics Inc. http://www.polydynamics.com/
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Rheotek Inc. http://www.rheotek.com/
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Transvalor SA http://www.transvalor.com
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Logiciels dédiés (généralement 1.5D)
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Compuplast International Inc. http://www.compuplast.com/
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IKV, Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen IKV http://www.rwth-aachen.de/ikv/
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PolyDynamics Inc. http://www.polydynamics.com/
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Régulation thermique hétérogène
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Rollepaal...
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