Guide de conception des éléments de vis des extrudeuses à double vis

Découvrir : les extrudeuses à double vis corotatives à engrenages

Les vis de ces extrudeuses populaires présentent certaines caractéristiques clés qui les rendent si efficaces :

1. Rotation parallèle et dans le même sens : Les deux vis tournent côte à côte dans le même sens. Cela crée un cisaillement constant entre les filets et la paroi du cylindre. L'intensité de ce cisaillement peut être ajustée avec précision en choisissant des combinaisons spécifiques d'éléments de vis et en ajustant l'espacement.
2. Superbe action de mixage : Grâce à leur conception géométrique et à leur mouvement corotatif, ces vis excellent dans la distribution et le mélange des matériaux – parfait pour le compoundage ! À mesure que le matériau pénètre et se ramollit, les vis fonctionnent ensemble de manière unique. Au point d'engrènement, une vis aspire le matériau dans l'espace tandis que l'autre le repousse, provoquant un mouvement du matériau entre les vis selon un motif en « ∞ ». Cela crée des vitesses relatives élevées, idéales pour un mélange et une homogénéisation parfaits. De plus, l'espace très serré dans la zone d'engrènement assure un cisaillement élevé, conduisant à une plastification uniforme.
3. Centrale de traitement réactif : Ces extrudeuses ne sont pas de simples mélangeurs ; elles peuvent également servir de réacteurs chimiques dynamiques ! Une fois les matériaux fondus dans le cylindre, ils peuvent subir diverses réactions chimiques comme la polymérisation ou le greffage. Cette capacité, appelée extrusion réactive, permet de créer de nouveaux polymères, de modifier des polymères existants (comme les polyoléfines), de fonctionnaliser des polymères pour en améliorer les propriétés ou la compatibilité, et de mélanger différents matériaux. Elle couvre également les modifications physiques telles que le remplissage, le compoundage, la trempe et le renforcement des plastiques.
4. Conception modulaire « en blocs de construction » : Une grande variété d'éléments de vis est disponible : éléments de transport, blocs de malaxage (pour le cisaillement), éléments de mélange, éléments à filetage inversé (pour augmenter la pression ou le temps de mélange), etc. Tels des blocs de construction, ces éléments peuvent être disposés et combinés sur l'arbre de la vis selon les besoins spécifiques du matériau et du procédé. Cette modularité permet des conceptions de vis optimisées et adaptées à diverses formulations.

Découvrez les éléments de base : types d'éléments à double vis

En général, selon leur structure et leur fonction, les éléments de vis courants se répartissent en trois catégories principales : éléments de transport, éléments de cisaillement et éléments de mélange/dispersion. Examinons chacun d'eux.

(1) Éléments de transmission : les moteurs

Les éléments de transport sont principalement conçus pour déplacer la matière le long du cylindre de l'extrudeuse. Ils se déclinent en deux types principaux : transport vers l'avant (déplacement du matériau vers la sortie de l'extrudeuse) et transport inverséLes éléments inverseurs repoussent le matériau vers l'arrière, agissant comme un barrage temporaire. Cela augmente le temps de séjour du matériau, améliore le remplissage des canaux de la vis (degré de remplissage), crée une pression et améliore considérablement l'efficacité du mélange.

Les principales caractéristiques de conception des éléments de transport comprennent la profondeur du canal, le pas (la distance parcourue par le filetage de la vis en une rotation), l'épaisseur du filet et le jeu (espace entre la vis et le corps), comme illustré à la figure 1. Leur fonction principale est le transport, de sorte que le matériau les traverse généralement relativement rapidement. plomb C'est sans doute le facteur le plus critique ici. Un débit plus important signifie un débit plus élevé (plus de matière extrudée par heure) et un temps de séjour plus court, mais un mélange potentiellement moins complet.

Remarque : D = diamètre extérieur de la vis, d = diamètre de la racine de la vis, P = pas, L = pas

Voici quand différentes tailles de mine sont généralement utilisées :

• Éléments de plomb de grande taille : Utilisé lorsque le rendement élevé est la priorité, pour les matériaux sensibles à la chaleur nécessitant un temps de passage minimal (pour éviter la dégradation) et souvent placé à proximité des orifices d'aération (zones de dégazage) pour maximiser la surface du matériau pour une meilleure élimination des matières volatiles.
• Éléments à teneur moyenne en plomb : Choisi lorsqu'un équilibre entre transport et mélange est nécessaire. Souvent utilisé dans les séquences où l'avance diminue progressivement pour augmenter progressivement la pression.
• Petits éléments de plomb : Principalement utilisé dans la zone de fusion pour créer de la pression, améliorer l'efficacité de la fusion, augmenter l'intensité du mélange et améliorer la stabilité globale de l'extrusion.

(2) Éléments de cisaillement : les malaxeurs

Éléments de cisaillement, communément appelés blocs de pétrissage, sont des machines puissantes pour le mélange intensif. Elles appliquent des forces de cisaillement élevées et excellent à la fois pour la distribution (écartement des composants) et la dispersion (décomposition des agglomérats) des matériaux. Les paramètres clés sont le nombre de lobes ou « têtes », l'épaisseur de chaque bloc et l'angle de décalage entre les blocs adjacents (voir figure 2). Elles sont généralement utilisées en groupe. L'angle entre les blocs influence l'écoulement du matériau à travers eux. L'interaction étroite entre les blocs sur les deux vis crée un effet de « disque de broyage », forçant le mélange et l'échange de matériaux. Lorsque plusieurs blocs sont combinés, ils peuvent former un angle de spirale net, contribuant au déplacement axial du matériau tout en le mélangeant intensément.

Regardons les paramètres :

• Angle de décalage (α) : Les angles courants sont de 30°, 45°, 60° et 90°. Pour les blocs décalés vers l'avant (facilitant l'avancement du matériau), un angle plus important se traduit généralement par une capacité de transport réduite. Cela augmente le temps de séjour et améliore la qualité du mélange. Les blocs décalés vers l'arrière entravent l'écoulement vers l'avant, augmentant ainsi considérablement la pression et l'intensité du mélange.
• Épaisseur (t) : L'épaisseur varie généralement de 7 à 19 mm, selon l'application. L'épaisseur influence l'intensité du cisaillement et le style de mélange. Les blocs plus épais génèrent davantage de cisaillement, mais leur efficacité de mélange distributif peut être légèrement inférieure à celle des blocs plus minces, qui offrent souvent un meilleur mélange distributif.

Les éléments de transport et de cisaillement varient également en fonction de la nombre de têtes (ou lobes) – généralement des modèles à tête simple, double ou triple (figure 3).

Le nombre de têtes influence les performances : pour les éléments à action directe, un nombre de têtes plus élevé signifie généralement une capacité de transport plus faible, un couple volumique plus faible, un mélange potentiellement moins distributif, mais une intensité de cisaillement accrue. Pour les éléments à action inverse, un nombre de têtes plus élevé peut signifier une capacité de transport vers l'arrière plus élevée (barrière plus résistante) et un mélange moins distributif.

Élément de vis à tête unique

Offre une efficacité de transport optimale (par canal) et son pas plus épais minimise les fuites de matière (refoulement). Son volume ouvert global est plus petit que celui des modèles multi-têtes.

Élément de vis à double tête

Le choix standard et polyvalent pour les vis bi-rotatives. Génère moins de cisaillement que les éléments à triple tête. Couramment utilisé pour l'alimentation solide, le transport de matière fondue et les zones de dégazage. Reconnu pour son chauffage uniforme et ses excellentes propriétés autonettoyantes.

Élément de vis à triple tête

Offre un cisaillement plus élevé, idéal pour la fusion, la dispersion et le mélange intensif. Permet un contrôle plus flexible de la répartition de la pression et de la température dans le fourreau. Peut produire d'excellents effets de dégazage, mais produit généralement un rendement inférieur à celui des éléments à double tête avec le même plomb.

(3) Éléments de mélange : les homogénéisateurs

Les éléments de mélange font souvent référence à éléments dentés (qui peuvent être dotés de dents/rainures droites ou hélicoïdales taillées à l'extrémité des filets de vis), comme illustré à la figure 4. Le but principal de ces rainures est de créer des connexions entre les canaux de vis adjacents, favorisant ainsi les échanges de matière. Cela favorise l'homogénéisation de la matière fondue et améliore le mélange longitudinal (le long de l'axe de la vis). L'interruption du filet de vis par des rainures réduit légèrement les capacités de transport et de mise en pression de ces éléments. Cependant, cela augmente également le niveau de remplissage dans les canaux de vis et prolonge le temps de séjour de la matière dans cette section.

Le nombre, la forme et la disposition des dents (ou rainures) sont des paramètres de conception clés. La forme des dents sert principalement à perturber l'écoulement du matériau et à accélérer l'homogénéisation. Un nombre plus élevé de dents entraîne généralement un effet de mélange plus prononcé. Cependant, il est crucial, lors de la conception et de l'exploitation, d'éviter un cisaillement excessif susceptible d'endommager les molécules de polymère.

Assembler le tout : combiner les éléments de vis

Une configuration complète de vis d'extrudeuse est généralement divisée en sections ou zones fonctionnelles, chacune conçue pour une tâche spécifique. Une configuration courante comprend cinq sections principales (figure 5) :

1. Section de transport (zone d'alimentation)

But: Transportez de manière fiable le matériau solide (granulés ou poudre) de la trémie d'alimentation vers l'extrudeuse et empêchez le matériau de refluer dans l'ouverture d'alimentation.

Éléments typiques : Éléments de transport de plomb de grande taille (souvent à double tête).

2. Section de fusion (zone de transition)

But: Faire fondre le matériau solide complètement et uniformément grâce au transfert de chaleur du canon et à la chaleur de friction générée par le cisaillement.

Éléments typiques : Petits éléments de transport de plomb, souvent combinés avec des blocs de malaxage (éléments de cisaillement) pour introduire efficacement l'énergie.

3. Section de mixage

But: Assurer un mélange et une homogénéisation parfaits de composants simples ou multiples (par exemple, polymère + additifs, polymères différents). Peut impliquer un mélange distributif (répartition uniforme des composants) et dispersif (décomposition des agglomérats ou des gouttelettes).

Éléments typiques : Combinaisons de blocs de pétrissage (différentes épaisseurs et angles décalés) et d'éléments de mélange spécialisés (comme des éléments dentés). Des éléments de transport inversés peuvent être utilisés ici pour augmenter le temps de séjour et l'intensité du mélange.

4. Section de dégazage (zone de ventilation)

But: Éliminer l'humidité, l'air emprisonné, les monomères, les oligomères et autres impuretés volatiles de la masse fondue pour améliorer la qualité du produit final. Nécessite un remplissage partiel des canaux de vis dans cette zone.

Éléments typiques : Éléments de transport en plomb de grande taille (souvent dotés de canaux plus profonds) pour maximiser l'exposition de la surface sous vide. Souvent précédés d'un joint fondu (par exemple, un élément inversé ou un petit élément en plomb) pour éviter les fuites de vide.

5. Section d'homogénéisation et de dosage (zone de filière)

But: Transportez la masse fondue entièrement mélangée vers la filière, créez une pression suffisante et stable pour l'extrusion, homogénéisez davantage la température de fusion et assurez un débit de sortie constant.

Éléments typiques : Petits éléments de transport en plomb pour une pression fiable. Inclut parfois des éléments de mélange doux pour une homogénéisation finale de la température.

En résumé