Modélisation des écoulements dans les filières d'extrusion

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 matières plastiques le plus répandu. En 2001, par exemple, le tonnage de matières transformées par extrusion en France s'est élevé à 2,1 millions de tonnes, soit 47 % de la consommation totale de produits thermoplastiques.

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

• les films soufflés : principalement des polyéthylènes (PE-BD, PE-BDL, PE-HD) et, en particulier, depuis une dizaine d'années, les nouveaux polyéthylènes métallocènes ;

• les feuilles et plaques : PVC, polypropylène, polystyrène ;

• les tubes : presque exclusivement du PVC, avec un peu de polyéthylène (principalement haute densité), mais aussi du polyamide et des silicones ;

• les profilés : principalement du PVC ;

• enfin, les isolations de câbles électriques ou téléphoniques : PVC, polyéthylène basse densité et formulations spécifiques fortement chargées.

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 fondée sur l'empirisme et l'expérience des bureaux d'études et des utilisateurs. Grâce aux progrès de la simulation numérique et au développement des outils informatiques, une approche plus scientifique du problème 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 aux dossiers Extrusion monovis [AM 3 650] et [AM 3 651], dans ce traité.