Extrudeuses, type à vis multiples

Introduction

Les extrudeuses à vis multiples sont des machines de transformation continue des polymères qui utilisent deux ou plusieurs vis dans un cylindre chauffé pour transporter, fondre, mélanger, dévolatiliser, faire réagir et mettre en forme des plastiques ou des formulations à base de plastique. Dans la pratique industrielle, le terme est le plus souvent utilisé pour les extrudeuses à double vis, mais il inclut également les machines à triple vis, quadruple vis, octuple vis, de type anneau, à rouleaux planétaires et à système multi-rotation (MRS), chacune développée pour répondre à des exigences spécifiques de mélange, de débit ou de dévolatilisation.

Par rapport aux machines à vis unique, les extrudeuses à vis multiples offrent un transport par déplacement positif plus fort, une distribution du temps de séjour plus contrôlable et une plus grande flexibilité pour le compoundage, l'extrusion réactive, la ventilation et l'alimentation directe de poudres ou de charges. Leur évolution a été motivée par les demandes d'un rendement plus élevé, d'un meilleur mélange distributif et dispersif, d'une meilleure dévolatilisation et d'un contrôle plus strict de la qualité des matériaux dans des secteurs tels que les masterbatch, les compounds techniques, le PVC, l'alimentation, les produits pharmaceutiques et les polymères spéciaux.

Histoire et développement

L'extrusion à vis multiples s'est développée à partir du principe plus large de l'extrusion à vis qui a émergé avec l'industrialisation du traitement des plastiques au XXe siècle. La machine à double vis est devenue la configuration multiscrew dominante car elle offrait un équilibre pratique entre l'intensité du mélange, la capacité de pompage et le contrôle du processus.

Plusieurs étapes importantes ont façonné le domaine :

• L'industrialisation de la double vis a établi la référence moderne pour le traitement multiscrew, en particulier dans les formes co-rotatives imbriquées et contre-rotatives utilisées pour le compoundage et la production de profilés.
• La conception modulaire des éléments de vis a permis un traitement spécifique à la configuration, permettant de réorganiser les barils, les blocs de malaxage, les éléments de transport et les sections de ventilation pour différentes formulations et réactions.
• Les architectures multiscrew spécialisées telles que les extrudeuses à rouleaux planétaires et les systèmes MRS ont été introduites pour améliorer la dévolatilisation et le traitement de matériaux sensibles ou à haute teneur en solides en créant de multiples chemins de fusion et de mélange.
• Les nombres de vis d'ordre supérieur tels que les concepts à triple et quadruple vis ont été proposés pour des tâches de compoundage de niche où des zones d'imbrication supplémentaires ou un volume libre pouvaient améliorer le rendement ou la dispersion dans des systèmes hautement chargés.

Aperçu technique

Une extrudeuse à vis multiples fonctionne en combinant le transport mécanique et le cisaillement contrôlé à l'intérieur d'un ou plusieurs canaux de vis imbriqués ou non imbriqués. Dans les conceptions imbriquées, les vis créent une action d'auto-nettoyage qui réduit les zones stagnantes et améliore l'uniformité thermique et matérielle.

Principes de fonctionnement de base

• Alimentation et transport : L'alimentation solide entre dans une ou plusieurs vis et est transportée vers l'avant par la rotation et la géométrie du canal.
• Fusion : Le transfert de chaleur se produit par chauffage du cylindre, chauffage par cisaillement et travail de compression dans le canal de la vis.
• Mélange : Le matériau est divisé, recombiné, étiré et réorienté, ce qui améliore à la fois le mélange distributif et le mélange dispersif.
• Dévolatilisation : Les zones de ventilation éliminent l'humidité, les monomères résiduels, les solvants ou les sous-produits de réaction dans des conditions atmosphériques ou sous vide.
• Pressurisation et alimentation de la filière : La matière fondue est amenée à une pression stable avant de passer à travers une filière, un granulateur, une filière à feuille, une filière à cordons ou un système de formage en aval.

Caractéristiques techniques typiques

• Vitesse de la vis : Les extrudeuses industrielles à double vis co-rotatives fonctionnent couramment de quelques centaines à environ 1200 tr/min dans les applications de compoundage à grande vitesse.
• Débit : La capacité varie de la production à l'échelle du laboratoire à des débits industriels de centaines à plusieurs milliers de kg/h, les systèmes plus grands étant conçus pour le compoundage et la dévolatilisation à haut volume.
• Temps de séjour : Les vis multiples offrent généralement un temps de séjour plus court et plus contrôlable que de nombreux systèmes à vis unique à basse vitesse, ce qui profite aux matériaux sensibles à la chaleur.
• Génération de pression : Les systèmes à double vis imbriqués reposent sur le déplacement positif, mais le profil de pression peut être délibérément façonné par la sélection des éléments et la ventilation ; certaines zones de processus fonctionnent à une pression proche de zéro pour faciliter les opérations séquentielles.
• Consommation énergétique spécifique : La demande énergétique dépend fortement de la vitesse de la vis, de la formulation et de l'intensité du mélange. Les systèmes de compoundage à fort cisaillement consomment plus d'énergie que les systèmes de transport simples, mais ils peuvent réduire les étapes de traitement en aval et améliorer la constance du produit.

Notes quantitatives pratiques

• Taille des flocons liée au granulateur ou à la granulation : Lorsque les extrudeuses multiscrew sont associées à des lignes de recyclage, l'alimentation déchiquetée ou en flocons en amont se situe généralement dans la plage approximative de 5 à 15 mm, selon le recycleur et la conception de l'alimentateur.
• Humidité résiduelle après déshydratation centrifuge : Après déshydratation mécanique, l'humidité résiduelle est généralement réduite à environ 1 à 3 %, et un séchage thermique supplémentaire peut suivre lorsque une très faible humidité est requise.
• Intensité de fonctionnement liée au rotor ou à la vis : Les systèmes de compoundage à grande vitesse peuvent fonctionner jusqu'à 1200 tr/min, tandis que les conceptions à basse vitesse privilégient la construction de pression et le traitement doux.
• Mise à l'échelle du rendement : Les plus grandes plateformes multiscrew sont disponibles en diamètres allant approximativement de 25 à 145 mm dans les gammes commerciales d'extrudeuses à double vis co-rotatives, le rendement augmentant avec le diamètre de la vis, le rapport L/D et la formulation.

Principaux types et variantes

Sous-types de double vis

Les extrudeuses à double vis sont couramment classées selon :

• Sens de rotation : Co-rotatif ou contre-rotatif.
• Engrenement des vis : Imbriqué ou non imbriqué.
• Géométrie : Parallèle ou conique.

Les machines co-rotatives imbriquées dominent le compoundage en raison de l'action d'auto-nettoyage et de la modularité flexible, tandis que les systèmes contre-rotatifs sont souvent choisis pour les profils PVC, les tuyaux et les formulations sensibles au cisaillement.

Applications et utilisations

Les extrudeuses à vis multiples sont utilisées lorsque une vis unique ne peut pas fournir suffisamment de mélange, de dévolatilisation ou de flexibilité de processus.

• Compoundage de polymères : Incorporation de charges, de fibre de verre, de retardateurs de flamme, de modificateurs d'impact, de colorants, de stabilisateurs et de polymères recyclés.
• Production de masterbatch : Concentrés de pigments ou d'additifs à forte charge qui exigent une dispersion forte.
• Extrusion réactive : Polymérisation in-situ, greffage, extension de chaîne, compatibilisation et mélange réactif.
• Dévolatilisation et purification : Élimination des solvants, de l'eau, des résidus de monomères ou des sous-produits, en particulier dans le PET et les compounds spéciaux.
• Résines techniques et matériaux haute performance : Gestion thermique et rhéologique précise pour les formulations exigeantes.
• Traitement du PVC : Particulièrement avec les systèmes contre-rotatifs ou coniques pour les profilés rigides, les tuyaux et les compounds pour câbles.
• Produits multicouches : Les systèmes multiscrew spécialisés peuvent prendre en charge les structures en couches, y compris les architectures d'extrudat avec plusieurs flux de matériaux.
• Recyclage et retraitement : La sortie de la ligne de lavage, les flocons et les polymères récupérés peuvent être re-compoundés après séchage et contrôle de la contamination.

Une utilisation inadaptée est la production simple, à faible coût et à haut volume de flux de fusion simples où le mélange est minimal ; dans de tels cas, une extrudeuse à vis unique est généralement plus économique et plus facile à utiliser.

Innovations technologiques et automatisation

Les développements récents se sont concentrés sur l'amélioration de la stabilité du processus, du nettoyage et de l'intégration.

• Les éléments de vis modulaires permettent une adaptation rapide aux changements de recettes ou d'objectifs de production.
• La ventilation sous vide et l'alimentation latérale améliorent l'élimination de l'humidité et l'incorporation de charges.
• La surveillance en ligne de la pression de fusion, du couple, de la température et de la charge du moteur prend en charge le contrôle en boucle fermée.
• L'automatisation et la gestion des recettes réduisent la dépendance à l'opérateur et améliorent la répétabilité dans les usines de compoundage.
• L'intégration de l'Industrie 4.0 utilise de plus en plus des enregistrements de processus numériques, la maintenance prédictive et la surveillance énergétique.

Dans les usines haute performance, l'extrudeuse fait souvent partie d'un système plutôt que d'une machine autonome, reliée à des doseurs gravimétriques, à la filtration de la matière fondue, à des granulateurs à cordons ou sous-marins, à des sécheurs et à des lignes d'emballage.

Aspects environnementaux et de durabilité

Les extrudeuses à vis multiples contribuent à la durabilité principalement par la compatibilité avec le recyclage, l'efficacité matérielle et la flexibilité de formulation.

• Elles peuvent traiter des recyclats post-consommation ou post-industriels après lavage et séchage, permettant le recyclage mécanique en nouveaux compounds.
• Une forte dévolatilisation aide à réduire les solvants et monomères résiduels, améliorant l'adéquation aux applications en contact alimentaire ou à haute pureté lorsque les réglementations le permettent.
• Une efficacité de mélange élevée peut réduire les rebuts et la production hors spécifications.
• Lorsqu'elles sont utilisées avec une conception de vis optimisée et un contrôle du moteur, la consommation d'énergie peut être réduite par rapport à des itinéraires de traitement multi-étapes moins efficaces.

Le compromis en matière de durabilité est que le fonctionnement à fort cisaillement et à grande vitesse peut augmenter la demande d'énergie, de sorte que l'avantage environnemental dépend de la question de savoir si la machine remplace plusieurs étapes en aval ou ajoute simplement de la complexité.

Impact économique et sur le marché mondial

Les extrudeuses à vis multiples occupent une position stratégique sur le marché des machines pour plastiques car elles se situent à l'intersection de la qualité du compound, du volume de production et de la complexité de la formulation. La demande est étroitement liée à la croissance des compounds automobiles, des masterbatch d'emballage, des produits de construction, des fils et câbles, des matériaux médicaux et des polymères recyclés.

Les fournisseurs commerciaux proposent un large spectre de tailles, des systèmes de laboratoire et pilotes aux lignes industrielles avec des diamètres de vis supérieurs à 100 mm et des packages étendus d'équipements périphériques. Les fabricants occupant des positions reconnues dans ce segment comprennent des entreprises établies d'équipements de compoundage spécialisées dans les plateformes à double vis co-rotatives, les systèmes PVC haute pression, les technologies planétaires et de dévolatilisation, et les lignes modulaires à l'échelle pilote.

Défis actuels et innovations

• Usure et maintenance : Les charges abrasives, la fibre de verre et les compounds chargés de minéraux accélèrent l'usure des vis et des cylindres.
• Sensibilité thermique : Certains polymères se dégradent si le temps de séjour ou le cisaillement devient excessif.
• Complexité du processus : Plus de vis et plus d'éléments augmentent les exigences de configuration et les compétences de l'opérateur.
• Nettoyage et changement : Les changements fréquents de produits peuvent augmenter les temps d'arrêt, en particulier dans les formulations fortement chargées ou réactives.
• Cohérence de l'alimentation : Un rendement stable dépend d'un dosage fiable, de la fluidité des poudres et du contrôle de l'humidité.

L'innovation actuelle se concentre sur l'amélioration de la métallurgie résistante à l'usure, du profilage optimisé des vis, de la dévolatilisation à faible temps de séjour, des meilleurs systèmes d'alimentation et de la simulation de jumeau numérique/processus pour la conception des recettes et la mise à l'échelle.

Perspectives d'avenir

L'extrusion à vis multiples devrait rester centrale dans le compoundage avancé et le recyclage car elle combine le traitement continu, la grande flexibilité de formulation et l'intégration avec l'automatisation. Les domaines de croissance les plus forts seront probablement le compoundage à teneur recyclée, les masterbatch spéciaux, la compatibilisation réactive et le traitement à haute constance de charges d'alimentation difficiles.

Les développements futurs mettront probablement l'accent sur :

• Des conceptions de vis et de cylindre à plus faible consommation d'énergie
• Une meilleure ventilation pour les flux recyclés et contaminés
• Une plus grande utilisation de la simulation pour la mise à l'échelle et le dépannage
• Un contrôle qualité en ligne plus intégré
• Une utilisation élargie dans les chaînes de traitement de l'économie circulaire

Résumé

Les extrudeuses à vis multiples sont des processeurs continus avancés utilisés lorsque l'extrusion à vis unique conventionnelle est insuffisante pour le mélange, la dévolatilisation ou le contrôle de la formulation. Leurs principales formes incluent les machines à double vis, triple vis, planétaires, MRS et de type anneau, les systèmes à double vis restant la norme industrielle pour le compoundage et le traitement réactif.

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