Permettez-moi de commencer par quelque chose qui m'a marqué.
L'année dernière, j'ai visité unfabrication de profilésusine à Dongguan. Le superviseur de l'atelier, Old Zhou, a pointé du doigt une extrudeuse en marche et m'a dit : « Vous voyez cette chose ? Le principe est très simple. Ce n'est pas différent de presser du dentifrice hors d'un tube.
Je pensais qu'il plaisantait.
Il s'avère qu'après s'être lancé dans ce secteur, il n'avait pas tort-du moins pas sur le concept de base. Le moulage par extrusion, comme son nom l'indique, consiste à presser une substance à travers une ouverture pour former une forme. Tout comme lorsque vous pressez l’extrémité d’un tube de dentifrice, le dentifrice extrudé a la forme d’un petit trou rond. Le principe du moulage par extrusion de plastique est similaire, sauf que votre doigt est remplacé par une vis rotative, le dentifrice devient du plastique fondu et l'ouverture du tube devient un moule usiné avec précision-.
Mais « simple » a un sens très différent lorsqu’on parle de production industrielle.
Alors qu'est-ce qu'on extrude exactement ici
L'extrusion de profilés est le processus de création de formes plastiques continues par extrusion. Cela n'inclut pas les produits en feuilles ou en films. Beaucoup de gens confondent « extrusion » en tant que concept général avec « extrusion de profil » en particulier. L'extrusion de plastique est une grande famille-le film soufflé, le film coulé et l'extrusion de feuilles comptent tous. Mais l'extrusion de profilés fait spécifiquement référence aux produits ayant une section transversale cohérente-. Le cadre en PVC autour de votre fenêtre, la tubulure intraveineuse de l'hôpital, même la paille de votre boisson McDonald's -le coupent n'importe où sur sa longueur, et la forme transversale-de la section reste la même. C'est un profil.
Les produits fabriqués par extrusion de profilés peuvent être solides, comme les revêtements en vinyle, ou creux, comme les pailles.
Comment en faire des creux ? Vous devez placer une épingle ou un mandrin à l’intérieur de la matrice et souffler de l’air au centre pour empêcher le produit de s’effondrer. La première fois que j'ai entendu cela, j'ai dû y réfléchir une seconde, mais ensuite cela avait du sens-si vous faites quelque chose de creux et que vous ne le soutenez pas de l'intérieur, bien sûr, il va s'effondrer.
Ce qu'une vis peut faire
Le cœur d’une extrudeuse est cette vis. Ce qui est drôle, c’est que pour une industrie aussi massive, le composant le plus critique ressemble à une vis à bois surdimensionnée.
La vis tourne à une vitesse contrôlée, généralement jusqu'à 120 tr/min, poussant les billes de plastique vers l'avant à travers le canon. Le baril est chauffé à la température de fusion requise, qui varie de 200 degrés à 275 degrés selon le polymère que vous utilisez.
Mais cette vis ne fait pas que pousser le matériau vers l’avant. Il s'agit simultanément de transporter, comprimer, fondre et homogénéiser. Lorsque des granulés de plastique tombent de la trémie, ils sont solides. Au fur et à mesure que la vis les pousse vers l'avant, ils sont chauffés par des radiateurs externes sur le canon tout en étant également cisaillés entre les volées de vis et la paroi du canon. Au moment où ils atteignent l’avant, ils sont complètement fondus.
Voici quelque chose qui est souvent négligé : la température du fût est en grande partie le résultat du chauffage par cisaillement, et parfois vous avez en fait besoin d'un refroidissement supplémentaire pour maintenir le plastique dans sa fenêtre de traitement.
La plupart des gens supposent que l’extrudeuse utilise simplement ces radiateurs externes pour faire fondre le plastique. En réalité, le chauffage par cisaillement représente une part importante de l’apport énergétique. J'ai vu des opérateurs expérimentés régler des machines en réduisant la puissance du chauffage et en laissant le cisaillement faire une plus grande partie du travail-économise de l'électricité, bien sûr, mais plus important encore, la fusion induite par le cisaillement-a tendance à être plus uniforme.
A propos de cette mort
C’est dans la matrice que se produit la véritable magie de l’ingénierie. Je ne suis pas fan du langage fleuri, mais c'est vrai-le dé est le composant le plus exigeant techniquement de tout le système.
Pensez-y. Le plastique fondu est un fluide. Lorsqu'il sort du dé, il gonfle (die swell, comme on l'appelle). En refroidissant, il rétrécit. Différentes pièces refroidissent à des rythmes différents, le retrait n'est donc même pas uniforme. Pour obtenir un produit final qui correspond aux spécifications de conception, les canaux d'écoulement de la filière doivent tenir compte de tout cela.
Et une matrice n’est pas seulement un morceau d’acier percé d’un trou. Une matrice équilibrée est essentielle pour un bon contrôle dimensionnel. "Équilibré" signifie que la matière fondue s'écoule à peu près à la même vitesse sur toute la section transversale-. Si le débit est irrégulier, votre profil apparaît épais d'un côté et mince de l'autre, ou une partie refroidit avant l'autre, et vous avez alors des problèmes.
Je connais une usine qui fabrique des profils complexes. Ils ont passé trois mois rien que pour les essais. La section transversale-avait sept ou huit rainures irrégulières, la paroi la plus fine inférieure à 1 mm et la plus épaisse près de 8 mm. Avec ce genre de variation, atteindre l’équilibre des flux est un cauchemar.
Ce n'est pas fini tant qu'il ne fait pas froid
Le plastique qui sort de la matrice est encore mou. Un peu comme du fromage chaud. Vous devez verrouiller cette forme rapidement.
L’approche la plus courante est le refroidissement par eau. Le profil passe directement de la filière dans un réservoir d'eau. À l'intérieur du réservoir, il y a des dispositifs de dimensionnement qui maintiennent le profil encore - mou en forme pendant qu'il durcit. Pour les produits qui nécessitent des tolérances plus strictes, vous ajoutez un étalonnage sous vide-le profil souple passe à travers un calibrateur, le vide est appliqué à l'extérieur et de petits trous autour du périmètre aspirent le plastique vers l'extérieur contre les parois du calibrateur. Il s’agit essentiellement d’un formage sous vide continu.
Le refroidissement semble être la partie ennuyeuse du processus, mais il existe de nombreuses façons de le gâcher. Refroidissez trop vite et le gradient de température entre l'intérieur et l'extérieur crée une contrainte interne.-la déformation apparaît plus tard. Refroidissez trop lentement et votre débit en souffre, et le profil est encore mou lorsque l'extracteur l'attrape et vous vous étirez.
Température de l'eau, débit, longueur du calibrateur,-vitesse de transport-tout doit être coordonné.
Le transport-contrôle et coordonne la vitesse à laquelle le profil est extrait de la matrice. Cette vitesse doit correspondre au taux d'extrusion. Trop vite et le profil s'étire finement. Trop lent et la matière s'accumule à la sortie de la filière. Cela semble simple. Le réglage, ce sont tous des détails.
Quelques mots sur les matériaux
Les gens du secteur de l'extrusion aiment plaisanter : « Nous extrudons du plastique, mais ce que nous perdons en réalité, ce sont nos cheveux. » Si vous vous trompez de formulation, tout va de travers.
Les matériaux typiques comprennent le polyéthylène, le polypropylène, le polyacétal, l'acrylique, le nylon, le polystyrène, le PVC, l'ABS et le polycarbonate. Entre autres.
Cela fait beaucoup de noms, mais dans la production réelle, vous n'en avez généralement affaire qu'à une poignée.
PVCest roi dans le monde des profils. Pas de seconde proche. Fenêtres de bâtiment, tuyaux d'évacuation, goulottes de câbles-il y en a partout. La teneur élevée en chlore rend le PVC difficile à enflammer et limite le dégagement de chaleur. Il est auto-extinguible, ce qui signifie qu'il cesse de brûler une fois que vous retirez la source d'inflammation. Pour les matériaux de construction, la résistance au feu est énorme. De plus, le PVC est bon marché, résistant à la corrosion- et vous pouvez le rendre rigide ou flexible en ajoutant des plastifiants. Bien sûr, il présente des inconvénients : une fenêtre de traitement trop étroite et une mauvaise stabilité thermique. Vous devez charger la formulation avec des stabilisants, sinon elle se dégradera avant même de sortir de la filière.
PEest principalement destiné aux tuyaux. Les conduites de gaz utilisent du polyéthylène car il résiste à la corrosion du gaz et de l’environnement souterrain. Les conduites d’eau l’utilisent pour la même raison et aident à garder l’eau pure. Sa bonne flexibilité lui permet de gérer les tassements du sol. Les joints thermofusionnés - finissent par être plus résistants que le tuyau lui-même.
ABSprésente une excellente résistance aux chocs grâce au composant butadiène, même à basse température. Mais l’exposition aux UV provoque des microfissures, les applications extérieures doivent donc être prudentes.
ASAest un excellent matériau pour une utilisation en extérieur, pour les profils qui seront exposés au soleil pendant de longues périodes. Beaucoup de gens ne connaissent pas celui-ci. Il s'agit essentiellement d'ABS avec le butadiène remplacé par de l'ester acrylate, ce qui augmente considérablement la résistance aux intempéries.
Quant à tous les autres éléments entrant dans la composition d'une formulation : des colorants pour l'apparence, des stabilisants UV pour empêcher la photodégradation, des antioxydants pour ralentir le vieillissement, des lubrifiants pour améliorer l'écoulement et réduire la friction, des retardateurs de flamme pour réduire l'inflammabilité. Également des stabilisants thermiques, des charges, des durcisseurs, des auxiliaires de fabrication... Une formulation mature peut comporter une douzaine de composants, chacun étant composé par de nombreux essais et erreurs.
La co-extrusion mérite sa propre section
La co-extrusion consiste à extruder simultanément plusieurs couches de matériau. Vous utilisez deux extrudeuses ou plus qui alimentent différents plastiques à des débits contrôlés dans une seule tête de filière, qui les combine sous la forme souhaitée.
Pourquoi s'embêter ?
Parce que dans de nombreuses applications-du monde réel, aucun polymère ne peut à lui seul répondre à toutes les exigences. Supposons que vous souhaitiez un profil dont la couche externe doit être dure,-résistante à l'usure et belle-, tandis que la couche interne doit être douce, élastique et capable de former un joint. Un matériau ne peut pas faire les deux. La co-extrusion vous permet d'exécuter deux matériaux à la fois, de les fusionner dans la filière et ils sortent comme une seule pièce intégrée.
La coextrusion à double duromètre fusionne deux matériaux avec des zones de dureté différentes à travers la même filière, conférant au produit à la fois rigidité structurelle et flexibilité. Joints de portes et fenêtres, joints d'appareils électroménagers, diverses applications d'étanchéité industrielles-c'est là que cela apparaît.
Les joints de portière de voiture en sont un exemple classique. La partie qui se clipse sur la tôle est rigide. La partie qui entre en contact avec la vitre ou le panneau de carrosserie est molle. Deux matériaux, un passe à travers la filière. Si vous les fabriquiez séparément et essayiez de les coller ensemble, cela coûterait plus cher et la liaison ne serait pas aussi fiable.
Cela devient plus complexe. La tri-extrusion fait passer trois matériaux compatibles différents à travers une seule matrice, souvent utilisée pour les dispositifs médicaux et les cathéters. Les tubes médicaux ont des exigences exigeantes : - la couche interne doit être biocompatible car elle entre en contact avec le sang ou les médicaments, la couche intermédiaire a besoin de résistance et de résistance à la torsion, la couche externe doit être lubrifiante pour l'insertion. Trois fonctions, trois matériaux, un seul coup.
La file d'attente sur un atelier de production
Une ligne complète d’extrusion de profilés, du début à la fin, ressemble à peu près à ceci :
Système de stockage/séchage du matériau → Extrudeuse → Changeur de tamis → Matrice → Réservoir d'étalonnage/refroidissement → Transport-off → Coupeur → Collecte/empilage
Déjà couvert l'extrudeuse. Le changeur de tamis est destiné à la filtration-capture les morceaux non fondus et les contaminants. Le transport-est cette paire de rouleaux tirant le profil vers l'avant à vitesse constante. Les fraises sont de différents types selon le produit-scie, cisaille, coupe volante.
Les profilés flexibles sont généralement enroulés sur des machines de bobinage dédiées. Les profils rigides sont sciés ou cisaillés à longueur.
Certains produits nécessitent également-un traitement en ligne. Le poinçonnage, le perçage et le rainurage sont des opérations typiques. L'impression jet d'encre permet le marquage de lots et de produits. Le poinçonnage en ligne-est bien plus efficace que hors ligne car le profil continue de se déplacer le long de la ligne-la tête de poinçonnage se déplace avec lui, frappe et c'est fait.
Note rapide sur la qualité
De nombreuses usines ne prêtent pas beaucoup d'attention à une configuration appropriée-tant que le profil semble acceptable, elles supposent que l'extrudeuse est correctement configurée.
Cela fait mouche. La mentalité dans de nombreuses usines est "si elle est expédiée, tout va bien", et une fois que la machine atteint un état-de-bon, personne n'y touche. Mais pour un même produit, l’optimisation des paramètres peut réduire la consommation d’énergie de 20 % et améliorer significativement la cohérence.
Le contrôle de la température est primordial. Un contrôle précis de la température produit un bon produit et minimise les coûts énergétiques. Les thermocouples nécessitent une vérification régulière. Lorsqu'une puce auparavant bien équilibrée- commence à produire des profils inégaux, c'est souvent parce que les thermocouples ne contrôlent plus correctement la température de la puce. Les thermocouples dérivent avec le temps -l'affichage indique 180 degrés, mais la température réelle pourrait être de 195 degrés -et les problèmes s'installent lentement.
Où va tout ça
Cette partie n'a pas besoin de beaucoup de détails car les profils sont partout.
L'extrusion de profilés est l'un des procédés-à volume de fabrication le plus élevé dans la fabrication de plastiques, produisant de tout, des tuyaux aux fenêtres en passant par les tubes médicaux.
La construction est celle qui en utilise le plus. Cadres de fenêtres, cadres de portes, revêtements extérieurs, plinthes, chemins de câbles-tous extrudés.
Le médical utilise le plus de précision. Les tubes goutte-à-goutte et les cathéters sont des composites de matériaux plastiques et de renforts, nécessitant une stérilisation après-fabrication.
L'automobile est celle qui utilise le plus de variété. Joints, bandes de garniture, tubes, protection des faisceaux de câbles -une seule voiture peut avoir des dizaines de profils extrudés différents.
Les biens de consommation vont de soi. Pailles, cintres, sangles d'emballage, tringles à rideaux...
Réflexions finales
L'extrusion de profilés est un processus de fabrication-en grand volume connu pour son gaspillage minimal, son faible coût, son délai d'exécution rapide et sa polyvalence avec les matières premières. Il peut également atteindre des propriétés spécifiques telles que la résistance aux flammes, la durabilité, la résistance chimique et la résistance à la chaleur.
Tout est vrai en ce qui concerne les puces des manuels. Mais ce qui donne vraiment à ce processus sa pérennité, je pense, c’est la continuité. Le moulage par injection fonctionne par cycles - le moule s'ouvre, le moule se ferme, il y a un temps mort entre les tirs. L'extrusion continue simplement à pomper le matériau. Vous pouvez l'exécuter 24 heures d'affilée si vous le souhaitez. Cet avantage de continuité en termes de coûts est presque écrasant lorsqu'il s'agit de production en grand volume-.
Bien sûr, il y a des limites. Vous ne pouvez créer que des produits à section transversale constante-. La précision est inférieure à celle du moulage par injection. Les géométries 3D complexes sont hors de question. Mais dans sa timonerie, rien d’autre ne s’en rapproche.
Les avancées technologiques et matérielles continuent de remodeler le paysage de l’extrusion de profilés. L'intégration de logiciels avancés de conception et de simulation, le développement de -polymères hautes performances- élargissent tout ce qui est possible en termes de profils innovants et multifonctionnels.
Des profils qui ne pouvaient pas être réalisés il y a dix ans peuvent l'être aujourd'hui. Des paramètres qui dépendaient auparavant entièrement de l'intuition des opérateurs chevronnés peuvent désormais être simulés par logiciel. L’industrie continue d’avancer. Les principes sous-jacents n’ont pas beaucoup changé en un siècle, mais la gamme de ce que vous pouvez réaliser ne cesse de croître.
Encore une chose, Joyeux Noël !