Les bases de l'extrusion : l'apprivoisement de la vis

Allan Griff | 19 septembre 2021

La planète Terre tourne à une vitesse de 0,0007 tr/min. Facile à calculer : Un tour par jour, divisé par 24 pour obtenir des tours/heure puis par 60 pour obtenir des tours/min = tr/min. Quant à la vitesse linéaire, cela dépend de l'endroit où vous habitez. Dans le nord de la Californie, où je me trouve, nous sommes à 38° de latitude nord et nous nous déplaçons à environ 730 milles à l'heure. C'est à peu près la vitesse du son, mais nous ne la ressentons ni ne l'entendons car l'air autour de nous se déplace tout aussi vite. C'est beaucoup plus rapide qu'à l'intérieur de n'importe quelle extrudeuse : dans un fût de 30 cm/12 pouces, fonctionnant rapidement à 100 tr/min, une particule sur la paroi du fût n'atteint toujours que 314 pieds/min, soit 0,36 miles par heure. Rien de tout cela n’est important pour faire fonctionner une extrudeuse, mais pour nous, ingénieurs, c’est amusant.

Il est cependant important de comprendre le fonctionnement d’une vis. Voici une version condensée de la section sur les vis simples dans mon manuel d'utilisation de l'extrusion de plastiques (24e édition, 2021).

Nous exprimons la longueur du système sous forme de rapport longueur/diamètre (L/D). Le L/D le plus courant se situe autour de 24:1 ; certains sont plus longs à 30 : 1 ou même plus, et quelques-uns sont aussi courts que 20 : 1. Plus de longueur peut signifier plus de rendement si le chauffage, la fusion ou le mélange sont des limites de rendement.

Une vis standard comporte trois zones :

De nombreuses vis sont à pas carré, ce qui signifie que la distance d'une volée à l'autre est la même que le diamètre. Cela facilite l'obtention de L/D simplement en comptant les tours. La partie située sous l'ouverture d'alimentation ne doit pas être incluse dans L/D, mais de nombreuses personnes comptent car elle donne l'impression que la vis est plus longue.

Le taux de compression d'une vis est le rapport du volume du premier pas au volume du dernier, généralement compris entre deux et quatre. Il est souvent considéré comme le rapport entre la première et la dernière profondeur de canal dans une vis à pas constant. Le taux de compression est utile, mais il s'agit d'un nombre indéfini et ne peut pas décrire correctement une vis à moins de connaître au moins une profondeur de canal.

La largeur de vol (épaisseur) est d'environ 10 % du diamètre du canon. Des ailettes plus larges gaspillent la longueur de la vis et développent trop de chaleur dans les dégagements par rapport à la paroi du canon, tandis que des ailettes étroites peuvent permettre un débit (fuite) trop important dans ces dégagements. Pour éviter la stagnation là où la volée rencontre la racine, les coins sont arrondis

Les vis sont généralement en acier usinable, mais les surfaces de vol les plus proches du canon sont en outre traitées pour retarder l'usure. Pour une utilisation légère, un durcissement à la flamme suffit. La surface entière de la vis peut être durcie par nitruration, mais le traitement habituel consiste à appliquer un capuchon en alliage dur sur ces surfaces de vol.

Les barils sont des cylindres en acier généralement recouverts d'un alliage résistant à l'usure.

Le jeu entre les vols de vis et le canon sur les vis neuves est compris entre 0,005 et 0,010 po (0,125 à 0,25 mm), moins pour les très petites vis et plus pour les très grosses. Un ajustement plus serré serait plus coûteux à réaliser et développerait trop de chaleur. Une certaine usure au-delà de ces valeurs est généralement inoffensive et peut même être utile, alors assurez-vous qu'il y a un problème réel avant de reconstruire ou de remplacer (comme une surchauffe car la vis doit tourner plus vite pour le même résultat).

Les vis peuvent être conçues par ordinateur si nous connaissons la résistance (pression à la pointe de la vis), le débit souhaité et la viscosité des matériaux, mais c'est toujours une bonne idée d'« assaisonner » l'ordinateur avec une certaine expérience avant de couper du métal.

Le chromage d'une vis peut augmenter le glissement sur la racine (ce qui est une bonne chose) et empêcher la corrosion, en particulier lorsqu'elle est hors de la machine, mais est inutile pour la plupart des plastiques. Pour les matériaux très abrasifs, toute la surface de la vis peut être durcie. Enfin, le PVDC et certains plastiques fluorés nécessitent des métaux spéciaux, car les matériaux à base de fer se corrodent et le placage ne dure pas assez longtemps.

Certaines vis sont percées avec un passage central. Le refroidissement par eau sur toute la longueur améliore le mélange dans les derniers vols. L'huile est utilisée avec du PVC rigide pour maintenir la pointe de la vis à environ 300 °F (150 °C), afin que le PVC ne s'y dégrade pas. Le refroidissement de la vis uniquement à mi-chemin du canon est effectué avec du plastique pour éviter de coller à la racine de la vis dans la zone d'alimentation.