La mesure de la viscosité du polymère fondu pendant le processus d'extrusion a une importance primordiale pour la qualité de la fusion, une importance bien plus grande que la surveillance de la température et de la pression.
Figure 1 : Machine d'extrusion.
Table des matières
Le moulage par extrusion est un procédé de fabrication hautement efficace et polyvalent, utilisé dans divers secteurs industriels, pour produire des profilés continus tels que des tubes, des feuilles, des films, etc. Il permet une cadence de production élevée, une utilisation optimale des matériaux et la création de formes transversales complexes avec une qualité constante. L'extrusion joue un rôle majeur dans la production mondiale de polymères et de plastiques. Ces dernières années, les progrès en matière d'automatisation, de suivi des processus en temps réel et de matériaux durables, ainsi que l'importance des procédés de recyclage, ont permis d'améliorer la précision et de réduire l'impact environnemental en réduisant les déchets.
La surveillance des processus en temps réel est essentielle pour garantir des produits de haute qualité. De grandes avancées ont été réalisées dans la surveillance de la température et de la pression des procédés d'extrusion. Cependant, la surveillance de la viscosité en ligne, bien qu'étant l'un des facteurs critiques affectant l'écoulement et le remplissage de la matrice, plus important encore que la température et la pression, se heurte à de multiples défis. Différentes méthodes de mesure de la viscosité ont été testées, avec des résultats plus ou moins bons en termes de coût, d'étalonnage, de répétabilité, etc., ce qui affecte la confiance de l'opérateur. Dans ces circonstances, Rheonics Le viscosimètre en ligne SRV permet des mesures de viscosité répétables dans les conditions difficiles des machines d'extrusion, comblant ainsi le vide pour un contrôle complet du processus d'extrusion de polymère.
L'extrusion peut être définie comme un processus de fabrication continu utilisé pour créer des objets (un extrudat) avec un section transversale cohérente en forçant un matériau fondu à travers une filière ou un orifice pour lui donner une forme. Une extrudeuse peut également être utilisée dans le cadre d'autres procédés de fabrication (thermoformage, injection, soufflage, etc.). L'extrusion est largement utilisée dans le plastique, métal et caoutchouc industries pour produire des produits comme tuyaux, tubes, feuilles, films et profilés.
Cette étude de cas porte principalement sur l'extrusion de polymères. Contrairement à l'extrusion de métaux, l'extrusion de polymères peut être réalisée en continu tant que le matériau alimente la machine d'extrusion. L'extrusion est principalement utilisée pour les thermoplastiques, mais les élastomères et les thermodurcissables peuvent également être traités.
Une machine d'extrusion se compose généralement des éléments suivants. trémie, où le matériau polymère est introduit. A vis d'alimentation est en rotation constante le long d'une baril. La vis est alimentée par un entraînement par moteur unité et boîte de vitesses et force le matériau à s'écouler à travers un la. Éléments chauffants, situés au-dessus du cylindre à une température contrôlée, ramollissent et font fondre le polymère. Après la matrice, on peut utiliser un moule à une ou plusieurs cavités, où le matériau fondu est refroidi pour prendre la forme souhaitée. Certaines machines utilisent un pompe à engrenages entre l'extrémité du canon et la filière pour maintenir une pression constante bien définie dans le matériau sortant.
La capacité de l'ensemble vis et cylindre à extruder un matériau donné dépend des caractéristiques du matériau plastique, des caractéristiques ou de la construction de la vis et du cylindre et des conditions dans lesquelles le système est utilisé.
Figure 2 : Pièces principales de la machine d’extrusion de polymères.
L'extrusion de polymères est un procédé complexe qui nécessite un contrôle précis de multiples paramètres pour garantir une production de haute qualité. Malgré les progrès technologiques, plusieurs défis persistent, tant au niveau du procédé d'extrusion que de ses systèmes de contrôle. Ces difficultés peuvent avoir un impact sur la régularité du produit, l'efficacité et les coûts globaux de fabrication.
Les principaux paramètres du procédé sont la vitesse de rotation de la vis, les températures de la filière et du fourreau, la viscosité et la température de fusion, le débit massique, la pression de fusion et la vitesse de refroidissement, etc. [1]. La température et la pression sont considérées comme les paramètres les plus fréquemment surveillés en ligne dans le procédé d'extrusion grâce aux multiples technologies disponibles. Cependant, la viscosité de fusion (définie comme la résistance du fluide à l'écoulement) est difficile à mesurer ou à surveiller en ligne, bien qu'elle soit l'un des paramètres les plus cruciaux du procédé. La viscosité de la matière fondue est liée à de multiples caractéristiques, telles que :
Une viscosité élevée du fluide fondu peut entraîner un mauvais écoulement, une pression excessive et un colmatage de la filière, entraînant des défauts tels qu'une rugosité de surface et un gauchissement. À l'inverse, une faible viscosité peut entraîner un affaissement, un retrait excessif ou des propriétés mécaniques faibles. L'objectif est alors de maintenir la viscosité aussi constante que possible tout au long du processus d'extrusion.
Dans la plupart des cas, les plastiques sont des matériaux pseudo-plastiques, ce qui signifie qu'ils deviennent moins visqueux (plus faciles à s'écouler) lorsqu'ils sont déplacés (cisaillement) plus rapidement. Par conséquent, il n'existe pas de relation linéaire entre la pression et l'écoulement, ni entre la contrainte de cisaillement (force par unité de surface, mesurée principalement en Pa) et le taux de cisaillement (vitesse de déplacement des couches parallèles du fluide, mesurée en s-1).
Actuellement, il n'existe aucun capteur en ligne adapté pour surveiller la viscosité en temps réel des matières fondues extrudées. Les rhéomètres capillaires sont des instruments de laboratoire bien connus pour étudier les propriétés rhéologiques des polymères. Ils utilisent un piston pour forcer la matière fondue à travers une filière capillaire (très fine), qui tente de simuler le processus en cours dans la machine d'extrusion. Bien qu'il s'agisse d'un instrument de test de viscosité reconnu, il ne fournit pas de données en ligne en temps réel sur le fluide fondu. Les principaux problèmes de cette méthode sont les suivants :
SRV est Rheonics Viscosimètre en ligne adapté à de larges plages de viscosité, de température et de pression. Rheonics Le SRV utilise une sonde très compacte, dont les instructions d'installation sont simples et ne nécessitent ni maintenance ni réétalonnage. Grâce à sa conception compacte, le SRV offre une grande polyvalence d'installation, comme illustré aux figures 3 et 4.
Figure 3: Rheonics Viscosimètre SRV en ligne slimline avec connexion filetée.
Figure 4: Rheonics Viscosimètre SRV en ligne Conception de cellules à plaquettes Stargate.
Rheonics Le SRV permet la visualisation en ligne et en temps réel de paramètres clés tels que la viscosité dynamique et la température dans les machines d'extrusion. Le capteur s'intègre facilement aux systèmes de surveillance et de contrôle locaux grâce à une électronique puissante prenant en charge plusieurs protocoles industriels. Pour plus d'informations, consultez le Vitrines et Écrans Numériques Rheonics Page.
Rheonics Les capteurs stockent également les données de mesure et d'état dans un historique embarqué. Cet enregistreur automatique est accessible via le Rheonics Le logiciel RCP est utile pour une vue historique des paramètres surveillés.
Installation perpendiculaire
Rheonics Le SRV est situé perpendiculairement au flux de fusion avec une immersion suffisante pour que l'élément de détection de la sonde soit en contact avec le fluide.
Le principal avantage de cette installation est qu'elle est probablement la plus simple à installer. Le SRV peut être installé dans les ports existants utilisés par les capteurs de température ou de pression, à la différence près que la sonde SRV doit dépasser de la conduite, ce qui en fait une sonde intrusive et invasive.
Cette installation perpendiculaire présente toutefois le principal inconvénient d'exposer la sonde à une force de flexion importante en raison de la viscosité et de la vitesse élevées du fluide. La charge visqueuse peut constituer un problème pour la sonde SRV standard installée perpendiculairement, en augmentant le bruit ou en endommageant la sonde. Pour connaître les relations entre la taille de la ligne et les limitations de débit massique ou volumique, voir la section « Limites de la sonde en installation perpendiculaire » ou l'article. Sondes SR pour fluides très visqueux et vitesses de fluide élevées.
Les principaux éléments à prendre en compte pour cette installation sont la taille de la conduite, la vitesse ou le débit du fluide et les plages de viscosité. La taille de la conduite doit être supérieure à 50-55 mm (2") afin que l'élément sensible de la sonde SRV soit correctement exposé au fluide. Les plages de vitesse et de viscosité du fluide sont comparées au tableau de la section « Limites de la sonde en installation perpendiculaire » afin de vérifier les forces auxquelles la sonde sera soumise. Rheonics propose le SRV-HP pour les cas de haute pression et de forces de flexion élevées.
Figure 5: Rheonics Installation perpendiculaire SRV dans la ligne d'extrusion.
Installation parallèle insérée dans le coude
Certaines extrudeuses sont équipées d'un coude juste avant la filière pour accueillir des instruments de mesure, comme des capteurs de température, axialement par rapport au flux. Ceci peut également être utilisé pour Rheonics Viscosimètre en ligne SRV pour une installation parallèle.
Le principal avantage réside ici dans la réduction de la force exercée sur la sonde par le fluide, par rapport à une installation perpendiculaire. Une installation parallèle maintient également l'élément sensible centré sur la ligne, évitant ainsi les dépôts susceptibles d'altérer les mesures. Sonde Slimline SRV-X6 peut être utilisé pour une perte de charge minimale et est compatible avec des conduites inférieures à 50-55 mm (2").
La principale limitation de cette installation réside dans l'utilisation d'un coude avant la filière. Cela nécessite de nombreuses interventions sur la machine et modifie l'orientation du matériau extrudé. Cette option d'installation est donc réservée aux extrudeuses déjà équipées d'un coude. De plus, cette installation peut être sujette à l'encrassement ou à la stagnation du fluide à la base du capteur, sur la paroi du coude. Cela n'affecte pas les mesures, mais n'est souhaitable sur aucune ligne.
Figure 6: Rheonics Installation parallèle SRV dans le coude de la ligne d'extrusion.
Adaptation du procédé de fabrication de cellules de plaquettes à insertion parallèle en ligne – SRV Stargate
Rheonics Le Stargate-SRV-EM, également appelé Stargate Variant, est conçu pour placer la sonde SRV suspendue au centre de la ligne, installée en ligne dans les conduites de procédé, comme dans un adaptateur de cellule de wafer. Cette solution présente l'avantage de résister aux fluides à haute viscosité et à grande vitesse, et de réduire les risques de dépôts.
Pour cette installation, une section d'extension dans la ligne est généralement nécessaire et cette intervention peut ne pas être possible pour certains clients en raison de coûts, de reprises ou de problèmes de gestion thermique.
Notez que l'arrière de la sonde est orienté vers le fluide, ce qui est nécessaire pour supporter des forces élevées. De plus, la variante SRV Stargate doit être commandée dans la même taille que la ligne d'extrusion, sauf si des adaptateurs de réduction et d'expansion peuvent être utilisés en ligne.
Figure 7: Rheonics Installation parallèle de « cellules à plaquettes » SRV dans la ligne d'extrusion.
Zone de détection en contact avec le fluide
Rheonics L'exigence principale d'installation du viscosimètre en ligne SRV est que la zone de détection soit immergée dans le fluide sans dépôts ni accumulations de fluide, car ceux-ci peuvent affecter les lectures. La zone de détection SRV est illustrée à la figure 8.
Figure 8 : Zone de détection SRV.
Haute température
Les procédés d'extrusion nécessitent généralement une température du fluide comprise entre 180 et 220 °C (360 et 430 °F). Cette température peut varier en fonction du matériau, de la vitesse et de la conception de la vis. Rheonics Le viscosimètre en ligne SRV peut être configuré pour des températures allant jusqu'à 285 °C (545 °F). L'utilisateur doit sélectionner la température nominale appropriée lors de la commande. Le tableau suivant présente les températures nominales de la sonde SRV. Certains procédés d'extrusion peuvent atteindre des températures très élevées, jusqu'à 350/370 °C (670/700 °F), dans ce cas, nous vous suggérons de contacter Rheonics Équipe de soutien à pour plus d'informations.
Tableau 1 : Températures nominales du viscosimètre en ligne SRV
| Code de température SRV | Limite de température |
|---|---|
| T1 | Capteur conçu pour fonctionner dans des fluides de procédé jusqu'à 125 °C (250 °F) |
| T2 | Capteur conçu pour fonctionner dans des fluides de procédé jusqu'à 150 °C (300 °F) |
| T3 | Capteur conçu pour fonctionner dans des fluides de procédé jusqu'à 175 °C (350 °F) |
| T4 | Capteur conçu pour fonctionner dans des fluides de procédé à des températures supérieures à 250 °C (480 °F) |
| T5 | Capteur conçu pour fonctionner dans des fluides de procédé à des températures supérieures à 285 °C (545 °F) |
À noter: Câble de capteur et électronique des capteurs ont des limites de température différentes qui ne doivent pas être dépassées.
Haute pression
Les procédés d'extrusion peuvent atteindre des pressions très élevées, jusqu'à 10,000 670 psi, 70 bars ou XNUMX MPa. Rheonics SRV doit être configuré en conséquence.
Tableau 2 : Pressions nominales du viscosimètre en ligne SRV pour l'extrusion
| Code de pression SRV | Limite de pression |
|---|---|
| P3 | Capteur conçu pour une pression de fluides de procédé jusqu'à 200 bar (3000 psi) |
| P4 | Capteur conçu pour une pression de fluides de procédé jusqu'à 350 bar (5000 psi) |
| P5 | Capteur conçu pour une pression de fluides de procédé jusqu'à 500 bar (7500 psi) |
| P6 | Capteur conçu pour une pression de fluides de procédé jusqu'à 750 bar (10000 XNUMX psi) SRV-HP |
| P7 | Capteur conçu pour une pression de fluides de procédé jusqu'à 1000 15000 bar (XNUMX XNUMX psi), SRV-HP |
| P8 | Capteur conçu pour une pression de fluides de procédé jusqu'à 1500 20000 bar (XNUMX XNUMX psi), SRV-HP |
Raccordement et étanchéité du processus de la sonde
Pour les applications à haute pression, la sonde et le raccord de processus doivent être conçus pour la plage de pression prévue. Pour installation perpendiculaire Rheonics Il offre généralement une interface filetée G1/2". Pour un raccordement parallèle en coude, une bride ou un filetage peut être utilisé. La variante d'installation de cellules à plaquettes peut être intégrée via une interface à bride client à l'aide d'un O-Ring ou joint métallique. Les ports d'installation existants sur la machine peuvent être réutilisés pour monter le Rheonics sonde de capteur.
Contact Rheonics Équipe de soutien à pour discuter des options d'installation appropriées dans vos machines d'extrusion.
Limites de la sonde en installation perpendiculaire
Dans certaines conditions, les fluides à haute viscosité peuvent affecter la sonde SRV en cas d'installation perpendiculaire. Les forces de flexion causées par l'écoulement du fluide peuvent endommager la sonde (figure 9). Ces forces dépendent généralement de la viscosité et de la vitesse du fluide. Le graphique suivant illustre la relation entre la vitesse d'un fluide (m/s) et la viscosité dynamique (Pa.s). Les clients peuvent utiliser ce graphique pour déterminer si les conditions du procédé peuvent endommager une sonde SRV standard.
Figure 9 : Forces de flexion sur la sonde dues à la viscosité et à la vitesse du fluide.
Figure 10 : Graphique montrant la vitesse du fluide sur l’axe des X et la viscosité dynamique maximale autorisée sur l’axe des Y pour le SRV.
En règle générale, une vitesse limite de 12 m/s est recommandée pour l'utilisation du SRV dans des installations perpendiculaires. Dépasser cette limite peut entraîner des bruits parasites sur les mesures ou endommager la sonde. Le tableau suivant indique l'impact de cette vitesse sur le débit volumique et massique pour différentes tailles de conduite.
En savoir plus sur le Type-Sondes SR pour mesurer les fluides très visqueux et les vitesses de fluides élevées.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2665917422000150
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141391013004497
https://www.dynisco.com/userfiles/files/27429_Legacy_Txt.pdf
HK Bruss – Mesure de la viscosité pour le contrôle et la surveillance automatiques de l'uniformité des processus d'extrusion
Rheonics - Sondes SR pour fluides très visqueux et vitesses de fluide élevées.
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