Si vous avez déjà vu une de ces machines à pâtes faire tourner la pâte dans le tube et que vous vous demandez comment fonctionne la fabrication du plastique,-vous n'êtes pas complètement hors de propos. L'extrusion de vis est fondamentalement ce concept, sauf que tout est plus chaud, sous plus de pression, et vous ne pouvez certainement pas manger ce qui en sort.
Pourquoi la rotation bat la fusion (généralement)
Voici le problème du plastique. Il ne conduit pas la chaleur. Métal? Bien sûr, jetez-le dans un four et il fondra assez rapidement. Mais du plastique ? C'est têtu, ce truc. Vous le laissez reposer dans un four en essayant de le faire fondre et deux choses se produisent : l'extérieur brûle alors que l'intérieur est encore solide, ou vous attendez si longtemps que tout le lot se dégrade en déchet.
C'est là que la vis rotative entre en jeu, et honnêtement, celui qui a compris cela mérite plus de crédit qu'il n'en a probablement obtenu.
Ce qui est génial, ce n'est pas seulement la rotation -, c'est aussi le fait que le plastique se réchauffe. Cela semble bizarre, non ? Mais lorsque vous faites avancer des pellets de plastique avec une vis tournante à l'intérieur d'un baril étanche, toute cette friction entre les pellets, entre le plastique et le baril, entre le plastique et la vis elle-même-tout cela génère de la chaleur. Une vraie chaleur. Le type qui fait fondre le plastique efficacement sans se dégrader.
J'ai vu des gars essayer d'extruder du plastique avec des forets modifiés ou des vis sans fin provenant de quincailleries. Cela ne se passe jamais bien. Soit le plastique ne fond pas correctement, soit vous obtenez cette bouillie incohérente qui obstrue tout. Ces vis reposent sur une véritable science, même si elles semblent simples.
La vis elle-même (pas votre foret moyen)
Une vis d'extrusion appropriée est longue. Genre, vraiment long par rapport à sa largeur. La plupart mesurent entre 20 et 30 fois leur diamètre. C'est beaucoup de conneries. Mais vous avez besoin de cette longueur, car la fonte du plastique prend du temps et de la distance. - Le matériau doit progressivement chauffer, fondre, se mélanger et créer une pression au fur et à mesure de son déplacement dans le baril.
La vis n'est pas uniforme non plus. Il s'effile. Les canaux où se trouve le plastique deviennent moins profonds à mesure que vous vous déplacez de l'extrémité d'alimentation vers la sortie. Cette compression effectue deux tâches essentielles : elle élimine les poches d'air et crée la pression nécessaire pour forcer le plastique fondu à travers la matrice ou la buse que vous avez à la fin.
La plupart des vis décentes ont également un placage chromé ou un autre revêtement lisse. Le plastique qui colle à la vis tourne simplement sur place au lieu d'avancer. Vous voulez que ce matériau glisse, sans s'accrocher pour la vie.
Et l’autorisation compte plus que vous ne le pensez. Trop d'espace entre la vis et le canon ? Le plastique coule vers l’arrière au lieu d’avancer, ce qui tue votre production. Les extrudeuses industrielles maintiennent des tolérances d'environ 0,001 fois le diamètre de la vis, c'est pourquoi elles coûtent ce qu'elles coûtent. Une vis de 25 mm tournant à l'intérieur d'un canon de 25,025 mm nécessite une grande précision d'usinage.
Trois zones, trois emplois
Zone d'alimentation : entrée du matériel
La gravité laisse tomber les pellets de votre trémie dans la première section de la vis où les canaux sont les plus profonds. La vis les saisit et commence à avancer. Assez simple, sauf quand ce n'est pas le cas.
Certains plastiques ne coulent pas bien. Les matériaux à faible-densité aiment franchir l'ouverture au lieu de tomber. Les flocons recyclés-en particulier ceux provenant de bouteilles écrasées-se compressent trop facilement et peuvent coincer les choses. La température compte ici aussi. Si la gorge d'alimentation devient trop chaude (par exemple, de la chaleur s'échappant du baril), les pellets commencent à fondre prématurément. Ensuite, vous vous retrouvez avec du matériel collant qui ne sera pas transmis, et tout votre processus sera sauvegardé.
Des chemises d'eau froide autour de la gorge d'alimentation aident à éviter cela. Garder la trémie au frais n'est pas paranoïaque-c'est éviter les maux de tête.
Zone de compression : là où la magie opère
C'est là que les granulés solides deviennent du plastique fondu. Les vols de vis deviennent progressivement moins profonds, comprimant le matériau à mesure qu'il fond. Cette fusion se produit à cause de la friction-entre les pellets frottant ensemble, le plastique tirant contre le canon, tout générant de la chaleur par les forces de cisaillement.
Pensez-y comme si vous étaliez du beurre de cacahuète froid avec un couteau. Au début, il ne bouge pas facilement, mais toute cette friction et cette pression le réchauffent jusqu'à ce qu'il se propage en douceur. Même principe, sauf que le "beurre de cacahuète" atteint 200-300 degrés selon votre matériau.
Le taux de compression-la profondeur de la section de dosage par rapport à la section d'alimentation-doit correspondre à votre plastique. La plupart des plastiques courants ont une compression comprise entre 2:1 et 4:1. Trop agressif et vous générerez une pression excessive qui peut endommager la vis ou brûler le matériau. Trop doux et vous ne créerez pas suffisamment de pression pour pousser votre dé de manière cohérente.
J'ai vu des extrudeuses avec de mauvais taux de compression lutter toute la journée. Soit la sortie augmente et chute de manière aléatoire, soit le moteur s'enlise à cause d'une contre-pression excessive. Faire correspondre la géométrie des vis au matériau n’est pas facultatif.
Zone de comptage : poussée finale
Au moment où le plastique atteint la section de dosage, il doit être complètement fondu et mélangé. Les canaux peu profonds et à profondeur constante-font ici exactement ce que leur nom suggère-ils mesurent un flux constant de matériau. Cette section crée la pression finale nécessaire pour forcer la fusion à travers votre matrice.
Si tout a fonctionné correctement en amont, cette zone offre une sortie fluide et régulière. Si l'alimentation était incohérente ou si la zone de compression n'a pas complètement fait fondre le matériau ? C'est là que vous le verrez-en termes de sortie pulsée, de variations de température ou de problèmes de qualité dans votre produit final.
Les matériaux se comportent différemment
Tous les plastiques ne fonctionnent pas bien avec le même design de vis. PLA et ABS ? Assez indulgents, ils fonctionneront sur la plupart des vis standard sans trop de problèmes. Le PETG devient collant et nécessite une attention particulière au contrôle de la température, sinon il commencera à se dégrader et à brunir.
Le nylon coule comme de l'eau une fois fondu, il peut donc supporter une compression plus forte. TPU et autres matériaux flexibles ? Cauchemars. Ils se compriment au lieu de transporter, vous avez donc besoin de vis spécialement conçues avec des sections d'alimentation rainurées pour les saisir correctement.
Les matériaux chargés-contenant des fibres de verre ou des particules de carbone-usent rapidement les vis. C'est là qu'interviennent les vis nitrurées ou spécialement durcies. Sautez cela et vous userez une vis chromée en mois au lieu de plusieurs années.
Le bilan thermique dont personne ne parle assez
Voici quelque chose qui fait trébucher les gens : les éléments chauffants de votre baril ne sont pas vraiment là pour faire fondre le plastique. Bizarre, non ? Leur tâche principale est d’empêcher le plastique de refroidir et de se solidifier prématurément. La fusion elle-même se produit lorsque la vis travaille sur le matériau-échauffement par cisaillement à cause de toute cette friction et de cette pression.
C'est pourquoi un fonctionnement trop lent d'une extrudeuse à vis peut causer des problèmes. Une faible vitesse de vis signifie moins de travail mécanique, ce qui signifie moins de chauffage par cisaillement. Ensuite, vous comptez davantage sur les réchauffeurs de fûts, et tout à coup vous revenez au problème de chauffage par conduction qui rend le traitement du plastique difficile en premier lieu.
D’un autre côté, trop vite et vous générez une chaleur excessive. Le plastique qui reste trop longtemps au-dessus de son point de fusion se dégrade. Il se décolore, dégage des fumées, perd ses propriétés mécaniques. Chaque plastique a un temps de séjour maximum à la température de traitement. Dépassez-le et vous faites de la ferraille.
Quand les choses tournent mal
Et ils se tromperont. Les extrudeurs ne se soucient pas de votre emploi du temps.
Un pont dans la trémie ? Cela signifie généralement que votre matériau a de mauvaises caractéristiques d'écoulement ou que vous essayez de traiter des flocons trop compressibles. Les solutions vont de l'utilisation d'un vibrateur à trémie au mélange d'un matériau plus fluide.
Sortie incohérente ? Il peut s'agir d'une sortie de l'alimentation, d'une matrice partiellement obstruée ou de pas de vis usés laissant le matériau glisser vers l'arrière. Le dépannage demande de la patience et de l’observation.
Du plastique décoloré ou brûlé ? Soit vous chauffez trop, soit vous chauffez trop lentement, soit vous avez des points morts dans votre baril où le matériau repose et cuit. Les points morts signifient généralement une accumulation de contamination ou une vis endommagée.
Une contre-pression excessive arrête votre moteur ? Mauvais taux de compression, restriction de matrice trop élevée ou le plastique n'a pas complètement fondu et vous essayez de forcer les solides à passer.
La sécurité n'est pas facultative
Tout ce qui se passe sur une extrudeuse en fonctionnement peut vous blesser. Les surfaces du canon sont suffisamment chaudes pour provoquer instantanément de graves brûlures. La vis tourne avec suffisamment de couple pour briser les os si vous êtes coincé. Et il y a de la pression-beaucoup de pression-à l'intérieur de ce baril. J'ai vu des joints soufflés projeter du plastique fondu dans une pièce.
Portez toujours des gants-résistants à la chaleur lorsque vous touchez quoi que ce soit à proximité du canon. Gardez vos mains éloignées de la vis et de toute ouverture d'alimentation pendant le fonctionnement. Assurez-vous d'avoir une bonne ventilation, car certains plastiques dégagent des fumées désagréables à la température de traitement, surtout s'ils commencent à se dégrader.
Les changements de matrice sont particulièrement dangereux. Vous travaillez avec des surfaces chaudes tout en manipulant du plastique fondu sous pression. Utilisez des outils, pas vos mains. Attendez que la pression baisse. Ne vous précipitez pas.
Pensées finales
L'extrusion de vis n'est pas intuitive au début. L’idée selon laquelle le plastique se réchauffe par friction plutôt que par un chauffage externe semble rétrograde. Mais une fois que vous comprenez ce mécanisme-que la vis rotative génère des forces de cisaillement qui font fondre et mélangent le matériau-l'ensemble du processus prend plus de sens.
Adaptez la géométrie de vos vis à votre matériau, contrôlez vos températures pour éviter une fusion ou une dégradation prématurée, maintenez une alimentation constante et, surtout, respectez la capacité de la machine à vous blesser. Faites ces choses et vous extruderez du plastique avec succès, que ce soit pour l'impression 3D à filament, à granulés-ou tout autre projet que vous abordez.
N'oubliez pas : c'est cette rotation qui fait le vrai travail.