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1 - DESCRIPTION DES GÉOMÉTRIES ÉTUDIÉES

2 - ÉQUATIONS GÉNÉRALES DE LA MÉCANIQUE DES FLUIDES VISQUEUX

  • 2.1 - Caractère spécifique des écoulements de polymères fondus
  • 2.2 - Équations de la mécanique et de la thermique

3 - MÉTHODES DE SIMPLIFICATION

4 - MÉTHODES DE RÉSOLUTION

  • 4.1 - Écoulements monodirectionnels
  • 4.2 - Écoulements bidirectionnels

5 - EXEMPLES DE RÉSULTATS

6 - APPLICATION AUX ÉCOULEMENTS DE COEXTRUSION

7 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

| Réf : A3655 v1

Description des géométries étudiées
Modélisation des écoulements dans les filières d’extrusion

Auteur(s) : Bruno VERGNES, Jean‐François AGASSANT

Date de publication : 10 févr. 1993

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Auteur(s)

  • Bruno VERGNES : Ingénieur ENSTA (École Nationale Supérieure des Techniques Avancées) - Docteur ès Sciences - Maître de Recherche à l’École des Mines de Paris - Responsable‐adjoint du Groupe de recherches « Écoulements viscoélastiques » au CEMEF (Centre de Mise en Forme des Matériaux )

  • 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 » et Codirecteur du CEMEF‐URA CNRS n 1374

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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 plastiques le plus répandu. En 1991 par exemple, le tonnage de matières transformées par extrusion en France s’est élevé à 1,30 million de tonnes, soit 47 % de la consommation totale de produits thermoplastiques [1].

Par ordre d’importance décroissante, toujours en tonnage de matière transformée, les différents produits concernés par ce procédé sont :

  • les films soufflés : 610 000 t, principalement des polyéthylènes (PE‐BD : 73 % ; PE‐BDL : 18 % ; PE‐HD : 9 %) ;

  • les feuilles et plaques : 262 000 t (PVC, polypropylène, polystyrène) ;

  • les tubes : 246 000 t, presque exclusivement du PVC, avec un peu de polyéthylène (principalement haute densité) ;

  • les profilés : 142 000 t, principalement du PVC ;

  • enfin, les isolations de câbles électriques ou téléphoniques : 120 000 t (PVC et polyéthylène basse densité).

Une ligne d’extrusion est généralement constituée des éléments suivants :

  • 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 ;

  • 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 et est encore souvent fondée sur l’empirisme et l’expérience des bureaux d’études et des utilisateurs. Toutefois une approche plus scientifique du problème, allant de pair avec le développement des moyens informatiques, 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 à l’article Extrusion [A 3 650], dans ce traité.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-a3655


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1. Description des géométries étudiées

1.1 Filières de gaines (figure 1)

Elles sont utilisées en extrusion‐soufflage pour la réalisation de films de faible épaisseur (entre 10 et 300 µm). Les plus performantes et les plus utilisées ont une géométrie hélicoïdale : le polymère fondu arrive à la partie inférieure par le canal d’entrée, est réparti à la périphérie du poinçon par une série de canaux radiaux, chacun de ces canaux débouchant dans un chenal hélicoïdal, usiné autour du poinçon. La profondeur de ce chenal diminue lorsque l’on progresse de bas en haut, alors que le jeu entre le poinçon et le carter de la filière augmente. On obtient ainsi une bonne distribution du polymère sur toute la périphérie de la filière, tout en évitant les lignes de ressoudure.

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1.2 Filières de tubes (figure 2)

Ce sont des filières de géométrie axisymétrique, constituées d’un poinçon relié au carter par des ailettes réparties régulièrement sur la périphérie. Les flux de matière, séparés au passage des ailettes, se ressoudent ensuite en aval de celles‐ci. Ce type de géométrie permet de couvrir une gamme très large de produits, depuis les tubes à usage médical de quelques millimètres de diamètre jusqu’aux tubes d’adduction d’eau pouvant atteindre 2 m de diamètre.

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1.3 Filières de plaques (figure 3)

Elles permettent de fabriquer des produits plats, d’épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm pour les feuilles et de 0,8 à 25 mm pour les plaques, sur des largeurs allant de quelques centimètres à plusieurs mètres. Les plus performantes sont les filières en porte‐manteau : le polymère fondu provenant de l’extrudeuse se répartit dans un canal de section variable (le porte‐manteau ), qui va permettre une distribution la plus uniforme possible sur toute la largeur de l’outillage. Des corrections éventuelles peuvent être apportées au moyen de la barre d’étranglement, ainsi qu’au moyen des lèvres finales flexibles, réglables en...

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