Comment résoudre les problèmes courants de qualité dans le procédé d’extrusion de tubes en plastique ?

Causes profondes des défauts de qualité dans l’extrusion de tubes en plastique

Humidité, dégradation thermique et instabilité de la fusion : l'humidité résiduelle dans les granulés plastiques provoque la formation de vapeur durant l'extrusion, ce qui engendre des bulles et des vides dans le produit. Si la tolérance en température du plastique est dépassée, les chaînes polymères peuvent se rompre et le plastique peut changer de couleur. L'humidité, la température et la forme des granulés peuvent causer toute une variété de défauts de surface. Selon le journal Polymer Processing, environ 37 des 100 problèmes d'extrusion sont liés à des facteurs matériels.

Facteurs liés à l'équipement : usure de la filière, mauvais alignement des outils et boîtes de calibrage sous vide sales

Le décalage de l'entrefer de la filière, dû à l'usure de celle-ci, entraîne une épaisseur variable et incohérente de la paroi des tubes en PVC supérieure à 0,3 mm. Un désalignement axial des outils d’à peine 0,5 degré perturbe la répartition radiale de la masse ; de même, des boîtes de calibrage sous vide sales ou obstruées ne fournissent pas l’aspiration adéquate nécessaire au contrôle du formage. Cela pose problème pour le calibrage volumétrique et la finition de surface du produit. Des rapports sectoriels indiquent qu’environ trois défauts sur cinq concernant les dimensions d’un produit sont dus aux équipements, et près de 30 % des défauts de surface résultent de systèmes sous vide défaillants. Les problèmes mécaniques obligent les fabricants à planifier, en temps utile, des réglages, un suivi de l’usure, une maintenance et un nettoyage.

Défauts de surface dans l’extrusion de tubes en plastique et solutions

Phénomènes de fracture de la masse fondue : aspect « peau de requin », aspect « peau d’orange » et encrassement des bords de filière

Les défauts de surface tels que l'aspect « peau de requin » et l'aspect « écorce d'orange » apparaissent à la sortie de la filière en raison de la reprise élastique et des instabilités d'écoulement. Les problèmes au niveau des lèvres de la filière, dus à la contamination et à une répartition thermique inhomogène dans la filière, peuvent s’aggraver. Lorsque la dégradation du polymère intervient sous l’effet de la chaleur et d’un cisaillement excessif, ces défauts deviennent plus marqués. Selon le dernier rapport sectoriel publié par Plastics Today en 2023, un tiers des lignes de production de PEHD font état de ces défauts de qualité. Heureusement, plusieurs solutions permettent d’atténuer ces défauts, mais nous devrons examiner ces options en détail.

Les solutions correctives comprennent :

1. Le polissage des lèvres de la filière afin d’éliminer les accumulations et de rétablir un écoulement laminaire
2. La réduction des vitesses de ligne afin de diminuer le cisaillement sans affecter le débit
3. Un contrôle plus rigoureux de la température de fusion, avec une tolérance de ±5 °C entre les zones de la filière
4. La surveillance en temps réel de la rhéologie de la fusion, intégrée aux systèmes de commande, a permis, dans le cadre d’études pilotes, de réduire de 40 % la fréquence des fractures de fusion.

Défauts de vibration mécanique : anneaux et rainures de tremblement dus à des problèmes du système sous vide et du système de refroidissement

Les anneaux de tremblement et les rainures hélicoïdales indiquent une résonance mécanique, le plus souvent causée par un désalignement des calibreurs sous vide ou par des écoulements turbulents dans le système de refroidissement. En 2023, une étude sectorielle a révélé que 68 % des défauts susmentionnés étaient attribuables à un désynchronisme des systèmes d’entraînement déséquilibrés et à des roulements de pompes à vide, provoquant des fluctuations cycliques de pression.

Certaines mesures pouvant être prises comprennent :

- Alignement laser des manchons de calibrage et des calibreurs sous vide

- Installation d’amortisseurs de pulsations sur les conduites d’alimentation en vide

- Élimination des turbulences grâce à l’optimisation de la vitesse d’écoulement et de la répartition du fluide frigorigène

Le maintien de la pression sous vide dans une fourchette de variation de 0,5 bar permet de stabiliser la réduction des rebuts liés aux rainures à hauteur de 75 %. Incohérences dimensionnelles dans l’extrusion de tubes en plastique

Causes et contrôles de processus

Les variations du diamètre extérieur (OD) et de l'épaisseur de paroi peuvent considérablement compliquer les classes de pression et les installations sur site. Les principales causes de ces problèmes sont : les à-coups volumétriques de l’alimentation, provoquant des fluctuations de pression pendant la fusion ; un refroidissement non uniforme entraînant des taux de retrait différents selon les parties de la pièce ; et un désalignement des filières usées. Tous ces facteurs contribuent à une géométrie défectueuse. En outre, une instabilité de la dépression dans le système sous vide provoque un déplacement longitudinal de l’ensemble du tube. Des recherches en ingénierie de l’extrusion ont montré que le passage à une alimentation gravimétrique permet de réduire la variabilité de l’alimentation et les incohérences matérielles jusqu’à 70 %. Pour les entreprises d’extrusion souhaitant obtenir une qualité supérieure de leurs produits extrudés, un contrôle rigoureux du procédé est essentiel.

Les inspections routinières des filières et les réglages au laser pour maintenir l’intégrité du jeu entre les filières, ainsi que la rétroaction en temps réel sur l’épaisseur de paroi et le réglage automatique des boulons de filière grâce à une micrométrie laser en ligne, sont devenues des normes industrielles. Le refroidissement ingénierie (via des boîtes de calibrage sous vide), associé à des redresseurs d’écoulement et à des zones segmentées de débit d’eau, contribue également à atteindre la qualité requise.

Ensemble, ces mesures permettent de maintenir systématiquement les tolérances dimensionnelles à ±0,5 % et de réduire les rebuts de plus de 30 %.

Pannes de gestion thermique lors de l’extrusion de tubes en plastique

Chauffage et refroidissement différentiels : une surchauffe provoque la dégradation de la chaîne polymère thermique et libère du polymère PVC, entraînant l’apparition de stries jaunes et de taches sombres de PE. Des contraintes internes se créent en cas de refroidissement insuffisant ; par ailleurs, lorsqu’un matériau thermoplastique est manipulé ou stocké dans ces conditions, il se déforme et devient ovale. La quantité de thermoplastique gaspillée dépasse 30 % si la température est maintenue au-dessus ou en dessous de 8 degrés Celsius dans les zones de refroidissement et/ou de chauffage pendant le procédé d’extrusion. En effet, des plages de température variables entraînent un écoulement non uniforme du matériau dans les différentes sections et provoquent une solidification du thermoplastique à des rythmes différents et incomplets, ce qui engendre également un écoulement différentiel du matériau entre les différentes sections de la filière. Les problèmes liés à la température ne sont pas faciles à détecter ni à résoudre, mais ils peuvent être associés à un ou plusieurs des problèmes courants de contrôle du procédé.

Identification des points chauds grâce à la cartographie thermique infrarouge des transitions du fût et de la (des) zone(s) de filière.

Visualisation de l'écoulement et analyse CFD de l'hydraulique du (des) bain(s) de refroidissement afin d'éliminer les zones mortes et d'assurer un trempe uniforme.

Vérification annuelle du régulateur de température selon les normes NIST, traçable jusqu'à ±1 %.

Réglage spécifique par zone des paramètres PID et débit d'eau de refroidissement, fondé sur la dynamique de la température de fusion, afin d'atteindre et de rétablir l'équilibre thermique (limitation de la dégradation, de la déformation et de la perte de précision dimensionnelle).

FAQ

Quelles sont les causes des défauts liés à l’humidité dans l’extrusion de tubes en plastique ?

Les défauts liés à l’humidité surviennent lorsque l’humidité présente dans les granulés plastiques se transforme en vapeur durant l’extrusion, provoquant la formation de bulles ou de vides dans le produit final.

Comment les problèmes liés à l’équipement entraînent-ils des défauts dans le procédé d’extrusion ?

Les défauts dus à l’usure de la filière d’extrusion, au mauvais alignement des outillages et à l’encrassement de la boîte de calibrage sous vide entraînent une épaisseur de paroi, un calibrage et une régularité de surface inconstants.

Quels défauts observons-nous à la surface des tubes en plastique issus de l’extrusion ?

Les défauts de surface incluent les phénomènes de fracture de fusion : peau de requin, peau d’orange et vibrations mécaniques, anneaux de vibration et sillons mécaniques.

Quelle est l’explication des incohérences dimensionnelles survenant au cours du procédé d’extrusion ?

Les incohérences dimensionnelles comprennent les à-coups volumétriques de l’alimentation, le refroidissement non uniforme et l’instabilité du système sous vide. Ces incohérences affectent le diamètre extérieur, l’ovalité et l’épaisseur de paroi.

La gestion thermique influence la qualité des tuyauteries en plastique.

Une gestion thermique inefficace peut provoquer une surchauffe, une décoloration, une déformation ou même un déséquilibre des températures, ce qui peut entraîner une augmentation des taux de rebuts pendant la production et nuire à l’intégrité dimensionnelle.