Changeur de tamis d'extrusion et filtration de la matière fondue : Comment réduire la contamination et les fluctuations de pression

Lorsque les produits extrudés commencent à présenter des taches noires, des particules de gel, des marques de surface aléatoires ou de courtes périodes d'instabilité dimensionnelle, la plupart des transformateurs s'intéressent d'abord à la matière première, aux réglages de température ou à l'état de la filière. Ces vérifications sont raisonnables, mais elles ne sont pas toujours à l'origine du problème.

Dans de nombreuses lignes d'extrusion, le véritable point de départ est le système de filtration. Le changeur de tamis d'extrusion et son paquet de tamis se trouvent entre l'extrudeuse et la filière, et ne se contentent pas d'attraper la saleté. Il contrôle la contamination, ajoute une contre-pression qui affecte le comportement de la matière fondue et, lorsque les tamis sont changés, introduit des événements de pression qui peuvent se propager directement dans les dimensions du produit.

Si l'installation de filtration est mal adaptée à l'application, le résultat n'est généralement pas un échec spectaculaire. Il s'agit plutôt d'une série de problèmes évitables : défauts de surface récurrents, dérive de la pression, rebuts supplémentaires après les changements de tamis et temps d'arrêt inutiles.

Cet article explique pourquoi la filtration est importante dans l'extrusion, comment fonctionne un changeur de tamis d'extrusion, comment envisager le changement de tamis en continu ou manuellement, et quelles questions poser lors de l'évaluation de la filtration dans le cadre d'une ligne.

Pourquoi les lignes d'extrusion ont-elles besoin d'un système de filtration ?

Un système de filtration existe parce que le polymère fondu est rarement aussi propre que le produit fini l'exige. Même avec une résine vierge de haute qualité, le flux de matière fondue peut contenir des contaminants. Une fois que ces contaminants passent le point de filtration, ils peuvent apparaître sous forme de défauts visibles, endommager les canaux d'écoulement de la filière ou s'accumuler à des endroits où il sera plus difficile de les éliminer par la suite.

Origine de la contamination

Les contaminants présents dans un polymère fondu se répartissent généralement en trois catégories :

• Particules matérielles inhérentes. De nombreuses résines contiennent de petites quantités de gels, d'agglomérats de poids moléculaire élevé ou de fragments non fondus qui se forment pendant la polymérisation ou la granulation. Il ne s'agit pas de défauts dans l'approvisionnement en résine, mais d'une caractéristique normale de la transformation des polymères. Pour savoir comment les différents plastiques se comportent lors de l'extrusion et pourquoi les propriétés des matériaux sont importantes, voir [Plastiques courants utilisés en extrusion : Une introduction pratique aux matériaux les plus courants].
• Sous-produits de dégradation. La dégradation thermique à l'intérieur du cylindre peut produire des fragments carbonisés, des particules réticulées ou des taches décolorées - en particulier lors de longs tirages, d'opérations à haute température ou lorsque le matériau stagne dans des zones mortes.
• Contaminants étrangers. Les particules métalliques provenant de l'usure de l'équipement, la poussière provenant de la manipulation, le papier ou les fibres provenant de l'emballage et la contamination croisée provenant des cycles précédents. Lorsque des matériaux recyclés ou rebroyés sont utilisés, cette catégorie s'élargit considérablement.

Ce que fait réellement le Screen Pack

Le paquet de tamis - généralement une ou plusieurs couches de grillage métallique tissé montées sur une plaque de rupture - se trouve sur le chemin de la matière fondue en amont de la filière. Sa fonction est souvent décrite comme consistant simplement à “attraper les particules”. C'est vrai, mais c'est incomplet. Dans la pratique, le tamis joue trois rôles :

1. Rétention des contaminants. La fonction la plus évidente. Les tamis empêchent physiquement les particules plus grandes que l'ouverture de la maille d'atteindre la filière, ce qui évite les dommages au niveau du canal d'écoulement, l'accumulation des lèvres de la filière et les défauts de surface sur le produit fini.
2. Contribution à la contre-pression. Le paquet de tamis crée une résistance à l'écoulement qui augmente la pression de la matière fondue en amont. Cette contre-pression supplémentaire aide la section de dosage de la vis à fournir un cisaillement et un mélange plus uniformes. Un tamis propre n'ajoute qu'une faible quantité de pression, mais au fur et à mesure que la contamination s'accumule, la contre-pression augmente progressivement, ce qui accroît la charge de la vis et risque de réduire le rendement.
3. Diagnostics de processus. Un tamis usagé est l'un des outils de diagnostic les plus sous-utilisés dans le domaine de l'extrusion. L'inspection de l'écran après son retrait - en examinant la couleur, la distribution et le type de matériau piégé - peut révéler des informations sur la qualité de la résine, les schémas de dégradation et les tendances en matière de contamination qui seraient autrement invisibles.

Ce qui se passe en l'absence d'une filtration adéquate

Un fonctionnement sans filtration - ou avec une filtration trop grossière pour l'application - risque d'entraîner plus que des défauts de surface du produit :

• Dégâts de la mort. Les contaminants durs (particules métalliques, fragments fortement réticulés) peuvent marquer ou bloquer les canaux d'écoulement des filières, ce qui nécessite une maintenance ou un remplacement coûteux.
• Temps d'arrêt non planifié. Une filière bloquée ou un canal d'écoulement endommagé oblige souvent à arrêter la ligne, ce qui est beaucoup plus perturbant et coûteux qu'un changement de crible planifié.
• Qualité irrégulière. Sans la contribution à la contre-pression d'un paquet de tamis correctement chargé, l'uniformité de la matière fondue peut se dégrader, entraînant des variations subtiles mais persistantes dans le produit fini.

Fonctionnement d'un changeur de crible à extrusion

Avant de comparer les différentes méthodes de changement de tamis, il est utile de comprendre la structure mécanique de base et, plus important encore, la dynamique de la pression qui est à l'origine de la plupart des problèmes de qualité liés à la filtration.

Composants essentiels

Un ensemble typique de filtration par fusion se compose de trois éléments :

• L'écran (ou le paquet d'écrans). Une ou plusieurs couches de grillage métallique tissé qui assurent la filtration proprement dite. Les mailles les plus fines retiennent les particules les plus petites mais génèrent une contre-pression plus importante.
• La plaque de rupture. Disque d'acier perforé qui soutient le paquet de tamis contre la pression de la matière fondue. Sans lui, le tamis se déformerait ou se romprait sous l'effet de la charge.
• Le corps du changeur d'écran. Le boîtier qui maintient le paquet de tamis et la plaque de rupture dans le flux de matière fondue et qui fournit un mécanisme pour remplacer le tamis lorsqu'il est chargé.

Comment la contre-pression se développe-t-elle au fil du temps ?

Lorsqu'un nouveau dégrilleur est installé, il ajoute une résistance relativement faible à l'écoulement. Au fur et à mesure qu'il retient les contaminants, la surface ouverte effective diminue et la contre-pression augmente. Ce n'est pas un problème en soi - une contre-pression modérée contribue à l'uniformité de la matière fondue. Mais au fur et à mesure que la contamination s'accumule :

• La pression en retour continue d'augmenter
• Augmentation de la charge du moteur à vis
• La température de la matière fondue peut augmenter en raison de l'accroissement de l'énergie de cisaillement.
• La production peut diminuer progressivement

À un moment donné, l'écran doit être modifié. Et c'est là qu'intervient la variable la plus importante du processus.

L'événement de la chute de pression

Lorsqu'un tamis chargé est retiré et remplacé par un nouveau, la résistance à l'écoulement chute soudainement. Il ne s'agit pas d'un changement subtil, mais d'une brusque variation de pression qui se propage dans le flux de matière fondue jusqu'à la sortie de la filière.

Comme le souligne Allan Griff, spécialiste de l'extrusion : “Lorsque les tamis obstrués sont remplacés, la pression chute soudainement, la température de la matière fondue peut faire de même, et la vitesse de rotation de la vis ou la vitesse de la ligne doit être ajustée pour maintenir les mêmes dimensions de produit.” Il ajoute qu'il en va de même pour les produits profilés et les matrices plates, “le changement de température de la matière fondue peut affecter la forme du produit”.” (Technologie des plastiques - Les écrans : une affaire d'intelligence)

Cette chute de pression est le principal coût du changement manuel de tamis. Le changement soudain de l'alimentation en matière fondue à la sortie de la filière provoque :

• Variation de l'épaisseur de la paroi dans les produits de tuyauterie
• Décalages dimensionnels qui persistent jusqu'à ce que le processus se stabilise à nouveau
• Un segment de la ferraille de produit extrudé pendant la transition de pression qui ne respecte pas la tolérance

Pour les produits soumis à des exigences strictes, ce segment de rebut représente une perte importante de matière et de temps - en particulier lorsque les changements d'écran sont fréquents.

Changement d'écran continu ou manuel

C'est la décision d'équipement que la plupart des acheteurs doivent comprendre. Il ne s'agit pas de choisir “mieux” ou “moins bien”, mais d'adapter le changeur de crible aux conditions de production réelles.

Changement manuel de l'écran (type plaque coulissante / boulon)

Comment cela fonctionne-t-il ? La ligne est arrêtée ou ralentie. L'opérateur retire le porte-écran, remplace le paquet d'écrans chargé par un nouveau et réengage le porte-écran. La ligne est ensuite ramenée à sa vitesse.

Où il s'insère :

• Conception mécanique simple et éprouvée avec un coût d'équipement réduit
• Entretien simple - moins de composants, plus facile à entretenir
• Bien adapté aux opérations où les changements d'écran sont peu fréquents et où le produit dispose d'une fenêtre de traitement confortable.
• Pratique pour les lignes multi-produits à faible tirage où la ligne s'arrête déjà régulièrement pour des changements de couleur ou de matériau - les changements d'écran peuvent être intégrés dans le temps d'arrêt existant.

Le compromis : Chaque changement d'écran produit une chute de pression. Pour les produits ayant des tolérances serrées, chaque changement génère un segment de rebut et exige que le processus se stabilise à nouveau.

Changement d'écran en continu

Comment cela fonctionne-t-il ? Les changeurs de tamis en continu utilisent des conceptions à double station ou à entraînement hydraulique qui permettent de remplacer une section du tamis tandis que l'autre reste dans le flux de matière fondue. La transition est gérée de manière à ce que la fluctuation de la pression pendant le changement soit minimisée - non pas éliminée, mais réduite à une plage que la plupart des produits peuvent tolérer.

Où il s'insère :

• Produits sensibles aux dimensions (tubes à parois minces, profils optiques, tubes de précision) où même de brèves perturbations de la pression créent des défauts visibles.
• Opérations de broyage intensif ou de recyclage de matériaux où les changements de tamis sont fréquents
• Longues séries continues où chaque interruption coûte cher en temps de production et en rebuts

Le compromis : Un coût d'équipement plus élevé, une plus grande complexité mécanique et, surtout, une logique de fonctionnement différente. Un changeur de crible en continu ne peut pas être utilisé de la même manière qu'un changeur de crible manuel.

Comme le souligne Parkinson Technologies : “Ne pas connaître et comprendre ces deux points de données [pression de tamisage propre et augmentation acceptable de la pression] conduira à un point de consigne de contrôle de la pression incorrect... Cela conduit à penser que les machines à bande continue doivent être exploitées de la même manière [que les machines à plaques coulissantes]. Ce n'est jamais le cas.” (Parkinson Technologies - Contrôle du temps et de la pression)

Les changeurs de crible en continu qui sont associés à des capteurs de pression et à des points de réglage appropriés donnent les résultats les plus stables. Il s'agit également d'un point d'intégration naturel avec les systèmes de pompes à fusion - pour savoir comment les pompes à engrenages et les capteurs de pression fonctionnent ensemble pour stabiliser la production, voir [→ Pompe de fusion pour l'extrusion : Quand elle est utile et quand elle n'est pas nécessaire].

Cadre décisionnel

Comment la filtration affecte directement la qualité des produits

Un système de filtration s'annonce rarement comme “le problème”. Il se manifeste généralement par des symptômes qui semblent provenir d'ailleurs. Cette section établit une correspondance entre les problèmes de qualité courants et leurs causes liées à la filtration, afin que vous puissiez déterminer si vos propres problèmes peuvent être liés à l'installation du changeur de crible.

Taches noires et particules de gel

Ce que vous voyez : Petites taches sombres ou grumeaux translucides sur la surface du produit ou incrustés dans celle-ci.

Connexion de filtration : Un tamis trop grossier pour l'application permet à des particules contaminantes plus grosses - fragments carbonisés, gels, matériaux réticulés - de passer à travers et d'atteindre la filière. Dans les produits transparents ou de couleur claire, même les petites particules deviennent des défauts clairement visibles.

Pour une approche systématique de la recherche de la source des taches noires (filtration, dégradation ou contamination), voir [→ Les points noirs dans l'extrusion : comment remonter à la source réelle].

Stries de surface et lignes d'écoulement

Ce que vous voyez : Lignes longitudinales ou variations subtiles de texture dans le sens de l'extrusion.

Connexion de filtration : Le blocage partiel et inégal du tamis crée une résistance à l'écoulement non uniforme dans la zone du tamis. Il en résulte des différences de distribution de pression dans la matière fondue entrant dans la filière, qui se traduisent par des différences de vitesse sur la section transversale - visibles sous forme de stries de surface.

Fluctuation dimensionnelle

Ce que vous voyez : Modifications périodiques ou intermittentes de l'épaisseur de la paroi, du diamètre extérieur ou de la géométrie de la section transversale.

Connexion de filtration : La chute de pression qui se produit lors des changements de tamis se propage jusqu'à la sortie de la filière sous la forme d'un changement temporaire du taux d'écoulement de la matière fondue. Le produit extrudé pendant cette transition présente une variation dimensionnelle mesurable. L'instabilité de la pression due au colmatage progressif du tamis peut également entraîner une dérive dimensionnelle plus lente et plus subtile.

Pour diagnostiquer une variation de l'épaisseur de la paroi due à toutes les causes courantes (pas seulement la filtration), voir [→ Variation de l'épaisseur de la paroi d'extrusion : Causes, diagnostic et solutions rapides].

Incohérence des couleurs (contenu recyclé)

Ce que vous voyez : Des changements de couleur subtils, des stries de couleur ou des taches visibles d'une nuance différente.

Connexion de filtration : Les matières premières recyclées ou rebroyées contiennent souvent de petites quantités de différents types de polymères, de colorants ou de matériaux dégradés. Si le tamis est trop grossier pour capturer ces particules, elles passent au travers et apparaissent sous forme d'incohérences de couleur - particulièrement visibles dans les produits de couleur claire ou translucide.

Autodiagnostic

Si vous rencontrez l'un des problèmes ci-dessus et que vous n'avez pas récemment évalué votre système de filtration - sélection des mailles, fréquence des changements, méthode de changement et comportement de la pression pendant les changements - il est généralement utile de commencer par là. Si la filtration semble adéquate mais que les défauts de surface persistent, la cause première peut se trouver ailleurs dans le processus. Pour un cadre de diagnostic plus large, voir [→ Dépannage de l'extrusion plastique : Un guide pratique pour diagnostiquer les problèmes de ligne rapidement].

Quand vous n'avez pas besoin d'un changeur d'écran en continu

Toutes les lignes d'extrusion ne bénéficient pas d'un changement de tamis en continu. C'est la section que de nombreux fournisseurs sautent - mais elle est importante, car la mise à niveau lorsque les conditions d'exploitation ne l'exigent pas ajoute des coûts et de la complexité sans retour significatif.

Matière vierge propre + produits à tolérance modérée. Lors du traitement de la résine vierge de haute pureté, le chargement du tamis est lent et les changements sont peu fréquents. Si le produit a une fenêtre dimensionnelle confortable, le rebut d'un changement de tamis manuel est court et acceptable. Un simple changeur à plaque coulissante ou à boulon est tout à fait approprié.

Lignes multi-produits à court terme. Les lignes qui changent fréquemment de couleurs, de matériaux ou de types de produits prévoient déjà des arrêts planifiés dans leur cycle. Les changements d'écran peuvent être intégrés dans les temps d'arrêt existants - il n'y a pas de pénalité supplémentaire pour l'arrêt, car la ligne s'arrête déjà pour d'autres raisons.

Large fenêtre de traitement + contrôle de la pression existante. Certains produits ont des tolérances suffisamment larges pour que la perturbation de la pression due à un changement manuel du tamis se situe dans la plage acceptable. Si la ligne est également équipée d'un capteur de pression qui permet la compensation, l'impact pratique d'un changement manuel peut être minime.

Le principe de base : ne pas mettre à niveau pour le plaisir de mettre à niveau. Le choix d'un changeur de tamis doit être guidé par deux variables : la fréquence à laquelle vous devez réellement changer de tamis (déterminée par le niveau de contamination) et la perturbation dimensionnelle que votre produit peut tolérer lors d'un changement de tamis. Si les deux variables indiquent “changements peu fréquents” et “produit tolérant”, un système manuel est le bon choix.

Ce qu'il faut demander dans votre appel d'offres

Lors de l'évaluation des devis de lignes d'extrusion, la section filtration est souvent sous-définie dans les propositions des fournisseurs. Ces questions vous aideront à comprendre ce que vous obtenez réellement - et si cela correspond à vos conditions de production.

1. Plage de filtration. Quelles configurations de tamis le système peut-il accepter ? Peut-il s'adapter à différentes tailles de mailles en fonction de l'évolution de vos exigences en matière de matériaux ou de produits ?

2. Méthode de changement d'écran. S'agit-il d'une plaque à glissière manuelle, d'une plaque semi-automatique ou d'une plaque continue entièrement automatique ? Le changement nécessite-t-il un arrêt complet de la ligne, une réduction de la vitesse ou aucun des deux ? Ces éléments déterminent directement l'ampleur de l'interruption de la production causée par chaque changement.

3. Comportement de la pression lors du changement d'écran. Quelle est la plage de fluctuation de pression prévue ? Le système est-il équipé - ou compatible - avec un capteur de pression pour un contrôle en boucle fermée ? Pour les produits sensibles aux dimensions, il s'agit de l'une des spécifications les plus importantes à clarifier.

4. Exigences en matière d'entretien et d'utilisation. Combien d'opérateurs sont nécessaires pour un changement d'écran ? Quels sont les dispositifs de sécurité pour les opérations à chaud ? Dans quelle mesure le changeur de crible est-il accessible pour le nettoyage et l'inspection de routine ?

5. Compatibilité des matériaux. Quelle est la plage de viscosité des matières fondues que le changeur de crible peut traiter ? Existe-t-il des caractéristiques de conception pour les matériaux fortement chargés (fibre de verre, charges minérales) ou les produits d'alimentation abrasifs ? Les matériaux qui provoquent un chargement rapide du tamis ou une usure importante nécessitent une ingénierie différente de celle des résines propres et à faible viscosité.

Conclusion

Un changeur de crible d'extrusion n'est pas seulement un accessoire matériel entre l'extrudeuse et la filière. Il fait partie de la logique du processus de la ligne.

Le système de filtration doit accomplir deux tâches à la fois : empêcher la contamination de pénétrer dans la matière fondue, sans créer de pression que le produit ne peut tolérer. Le meilleur choix n'est pas “manuel ou continu” dans l'abstrait - c'est celui qui correspond à votre charge de contamination, à la fréquence de changement des tamis, à la tolérance du produit et au coût des temps d'arrêt.

Si vous constatez des défauts de surface ou des fluctuations dimensionnelles et que vous n'avez pas évalué votre système de filtration récemment, c'est généralement le premier point à examiner. Faites-nous part de vos spécifications de matériaux et de vos exigences de production - nous pourrons vous aider à déterminer si votre installation de filtrage actuelle est la cause probable de ces problèmes.

Questions fréquemment posées

Q1 : Qu'est-ce qu'un changeur de crible d'extrusion ?

R : Un changeur de tamis d'extrusion est un dispositif monté entre l'extrudeuse et la filière qui maintient le paquet de tamis de filtration de la matière fondue dans la trajectoire du flux. Il permet de remplacer les tamis chargés, soit en arrêtant la ligne (type manuel), soit en passant d'une station de filtration à l'autre en cours de production (type continu). Au-delà de la filtration, le paquet de tamis contribue également à la contre-pression qui affecte le mélange de la matière fondue et la stabilité du procédé.

Q2 : Comment fonctionne un changeur de crible en continu ?

R : Les changeurs de tamis en continu utilisent des conceptions à double station (telles que des systèmes à double boulon, à double piston ou à bande continue) qui maintiennent une position de filtre active dans le flux de matière fondue tandis que l'autre est mise hors ligne pour le remplacement du tamis. Cela permet à la ligne de continuer à fonctionner pendant les changements, en minimisant la perturbation de la pression qui se produirait autrement lors d'un arrêt complet et d'un changement. Différentes conceptions permettent d'atteindre cet objectif de différentes manières, mais l'objectif technique est le même : maintenir la stabilité du flux de matière fondue et de la pression pendant le renouvellement du tamis.

Q3 : À quelle fréquence faut-il changer les écrans d'une extrudeuse ?

R : La fréquence de remplacement des tamis dépend de la propreté du matériau, de la finesse des mailles de filtration et de l'augmentation acceptable de la contre-pression. Avec de la résine vierge propre, les changements peuvent n'être nécessaires que toutes les heures ou même toutes les équipes. Avec des matières premières recyclées ou contaminées, les changements peuvent être beaucoup plus fréquents. La plupart des opérations surveillent la pression de la matière fondue en amont du paquet de tamis - lorsque la pression augmente jusqu'à un seuil prédéterminé au-dessus de la ligne de base du tamis propre, il est temps de procéder au changement.

Q4 : Un changeur de crible peut-il entraîner des problèmes dimensionnels dans les produits extrudés ?

R : Oui. Lorsqu'un tamis chargé est remplacé par un tamis neuf, la chute soudaine de la résistance à l'écoulement crée un événement de pression qui se propage jusqu'à la sortie de la filière. Cela entraîne un changement temporaire du taux d'alimentation en matière fondue, qui peut se traduire par une variation de l'épaisseur de la paroi, une fluctuation du diamètre extérieur ou des modifications de la géométrie de la section transversale. L'ampleur dépend de la charge du tamis avant le changement et de la sensibilité du produit aux perturbations de la pression.

Q5 : Qu'est-ce qu'une plaque de rupture et quelle est son importance ?

R : La plaque de rupture est un disque d'acier perforé qui se trouve derrière le paquet de tamis et le soutient mécaniquement contre la pression de la matière fondue. Sans plaque de rupture, le tamis se déformerait ou se romprait sous la charge. Elle permet également de convertir le flux rotatif de la vis en un flux plus linéaire avant que la matière fondue n'entre dans la filière.

Pour en savoir plus

Technologie des plastiques / Griffex - Soyez astucieux avec les écrans (Allan L. Griff)

https://griffex.com/wp-content/uploads/2020/09/Griff-screensPT.pdf

Parkinson Technologies - Changeur d'écran : Mouvements d'écran temporisés ou contrôlés par pression

https://parkinsontechnologies.com/index.php/blog/screen-changer-timed-vs-pressure-control-screen-movements