[ juillet 2011 ]

Pour la préparation de matières premières céramiques, il est habituel d’avoir une suite de différentes étapes de transformation avec simplement des forces gravitaires ou bien avec des mélangeurs à vis/à jetée, et en final des malaxeurs et extrudeuses. Malgré un transfert énergétique long et important, l’homogénéité des particules de faible granulométrie est bien souvent insuffisante pour obtenir un produit final de haute qualité et malgré tout elle ne permet pas de travailler avec un faible taux rebut.
L’utilisation d’un mélangeur intensif Eirich permet une préparation techniquement simplifiée des masses céramiques par injection haute ou basse pression. L’utilisateur obtient en plus d’une homogénéisation nettement améliorée, une réduction de la contamination de par une faible abrasion sur les outils. De plus, il n’y a plus besoin d’un prémélange partiel pour certaines matières, suivi de l’habituelle étape de réintégration des prémélanges. Grâce la combinaison de plusieurs étapes de transformation (mélange à sec, séchage, plastification et granulation) dans une seule machine et à l’ajout en une seule fois de tous les composants, il y a là un vrai potentiel de développement pour une augmentation de la qualité et une diminution des coûts. Sans aucune difficulté, il est possible, à partir des machines de laboratoires, d’obtenir une extrapolation pour la définition des équipements de production.

Compoundage dans le mélangeur intensif Eirich

L’élément principal du nouveau procédé de fabrication est le mélangeur intensif Eirich, qui par son principe unique de construction avec une cuve de mélange tournante et un outil de mélange excentré, prend une place particulière, compte tenu de son aptitude à maîtriser la performance et la flexibilité par rapport aux autres systèmes de mélange. La forme des outils peut être adaptée selon l’influence du transport des matériaux liée à la rotationde la cuve de mélange et en fonction des contraintes spécifiques sur le produit. La plage de rotation de l’outil, avec une vitesse périphérique variable de 1 m/s à 30 m/s. est aisément sélectionnable. De plus, cette vitesse est facilement adaptable aux différentes étapes de transformation rencontrées lors d’une préparation. Le faible diamètre de l’outil en comparaison du diamètre de la cuve de mélange permet de maîtriser des couples extrêmes mis en jeu lors de mélanges très visqueux.

Le mélangeur intensif Eirich, en fonctionnement dans les industries céramiques depuis plusieurs dizaines d’années, offre une possibilité unique de préparer aussi bien un mélange à sec avec une combinaison de matières particulièrement fines ou bien une distribution variée de granulats ou encore des produits fortement plastiques. Cette possibilité est unique dans une même machine, et avec un résultat excellent. Le choix de paramètres de fonctionnement corrects ainsi qu’une bonne adaptation lors des différentes étapes sont décisifs pour la réussite de la préparation.
La particularité des mélangeurs Eirich est de permettre à l’utilisateur de réaliser une transformation complète de ses matières premières dans une seule cuve [1, 2]. Les différentes étapes de préparation qui dans ce cas peuvent être réalisées avec une machine unique, commencent avec le mélange à sec de tous les composants pulvérulents ainsi que la matière thermoplastique ou le mélange thermoplastique, et éventuellement les liquides nécessaires ou les additifs pâteux.
À ce mélange de matièrespremières peuvent également être ajoutés les carottes et/ou les déchets en provenance du procédé d’injection. Un déchiquetage des éléments crus n’est pas nécessaire pour les petites pièces formées, ni pour les masses plastiques utilisées. Alors qu’avec les autres systèmes de mélange, les masses thermoplastiques doivent être souvent fondues séparément, le mélangeur intensif Eirich permet un réchauffement simultané avec le réchauffement des produits secs. Le réchauffement des mélanges de matières à des températures allant jusqu’à 200°C se fait par l’intermédiaire de chaleur de frottement ainsi que par l’ajout de chaleur au travers des parois de la cuve.
L’apport calorifique sur les parois tournantes se fait soit par l’intermédiaire d’un chauffage par rayonnement (celui-ci existe déjà depuis des dizaines d’années mais a maintenant été largement optimisé), ou par un chauffage à induction tel qu’il est utilisé depuis quelques années dans les applications industrielles. Le chauffage à induction possède une performance et des variables de flexibilité qui sont des avantages certains pour une production quotidienne. Avec de nombreux liants ou additifs thermoplastiques, il se produit, à une certaine température, un effet de collage qui conduit à une liaison spontanée de la poussière avec la masse. Ce point de transformation est un bon indicateur pour la conduite automatique du procédé dans les différentes étapes de production, en particulier lors de la production de granulats.
Avec la fonte des liants, une phase plastique-collante se forme, indépendamment de la teneur en liant ou du type de liant. Lors de l’obtention du point de fusion, il est constaté une prise maximum de puissance par l’outil de mélange. De ce fait, la conception retenue prend en compte simultanément le mode d’entraînement de l’outil et la motorisation suffisante, ce qui est décisif pour un bon malaxage dans le mélangeur. Ainsi la masse thermoplastique étant totalement dispersée pendant la préparation, elle permet un enrobage complet de la surface des particules. Le produit obtenu après plastification doit ensuite être de nouveau, mais très brièvement, re-mélangé/re-malaxé. En règle générale, la désagglomération pratiquement totale et l’enrobage des particules solides par des thermoplastiques, se sont déjà réalisés au cours de la fusion du mélange. Si l’homogénéité du mélange obtenu n’est pas encore suffisante, on pourra aisément maintenir la température dans cette étape de transformation par l’intermédiaire d’un refroidissement et continuer par un malaxage de cisaillement pour obtenir une homogénéisation supplémentaire de la masse plastique.
Tous les systèmes de mélange et/ou malaxage existants avec parois refroidies présentent le désavantage que le transfert thermique est limité à travers la paroi d’échange de par la très faible différence de température, ce qui impacte de façon négative sur toutes les opérations d’extrapolation.
Pour permettre également un fonctionnement de cette étape de transformation sur des machines de plus grandes capacités, on utilise un refroidissement par vaporisation qui est déjà connu depuis des années. Dans le cas le plus simple et en particulier pour les thermoplastiques à haut point de fusion et des températures de produits de l’ordre de 150 – 180°C, le refroidissement peut être réalisé dans des conditions atmosphériques par ajout d’eau sur la surface du produit.
Dans le mélangeur Evactherm avec un fonctionnement sous vide, il est alors possible d’obtenir des températures inférieures de 100°C. Le liquide au contact de la surface des produits solides s’évapore spontanément et les calories sont évacuées efficacement. Il est à noter qu’aucune trace du liquide ajouté ne reste dans le produit.
En complément des températures de refroidissement déterminées, obtenues par ajout automatisé de liquide en fonction de la température, on peut également réaliser des courbes de refroidissement en ajoutant des quantités de liquide un peu plus importantes. La quantité de liquides ajoutés sera fixée de sorte que l’on obtienne une vaporisation complète de la masse hermoplastique enrobée. Comme alternative, on peut envisager l’introduction de gaz liquides comme agent de refroidissement, tels que par exemple du CO2 liquide ou de l’azote. Les gaz liquides ainsi introduits pour le refroidissement se gazéifient et ne laissent aucune trace résiduelle.

Granulation des matières premières

Ensuite, différentes variantes de transformation sont envisageables pour la fabrication des granulés de matières :
a) Extrusion avec diminution de la chaleur
b) Refroidissement par vaporisation avec fragmentation
c) Refroidissement par vaporisation avec fragmentation et granulation complémentaire en aval
d) Fragmentation par granulateurs à couteaux
Pour obtenir des granulats dans la géométrie souhaitée, avec une certaine coulabilité et une répartition granulométrique, la masse plastique obtenue dans le mélangeur se laisse facilement transporter vers un extrudeur chauffé, équi pé de simples plaques de filières à trous géométriques. Il n’existe aucune homogénéisation, ni ré chauf fement. Dans l’extrudeur luimême, on fait uniquement un étirement de produit en forme de spa ghettis, qui en sortie de filières sont transformés en granulats suite à la chute de température. En alternative, et pour diminuer le nombre d’équipements utilisés, la préparation des granulats peut être réalisée dans son intégralité dans le mélangeur Eirich. Il est possible d’obtenir, par un refroidissement rapide des masses chaudes (en dessous du point de solidification) des masses plastiques pendant que simultanément grâce à l’outil de mélange rotatif tournant à grande vitesse, on obtient une transformation de la masse plastique en une structure de granulés. Grâce à la possibilité de sélectionner la vitesse de l’outil et le taux de refroidissement, on peut influencer la répartition granulométrique. Une optimisation complémentaire des granulats dans leur répartition et leur sphéricité peut être réalisée en procédant à une nouvelle élévation de température jusqu’à la limite du point de fusion. Le produit ainsi granulé peut être ensuite vidangé ou refroidi sur une surface de refroidissement extérieure ou repris directement dans une machine à mouler par injection.

Prémélanges et micro-granulats

De nombreux industriels envisagent, pour leur production quotidienne, de remplacer leur procédé en plusieurs étapes, avec ce nouveau procédé où tout se fait dans une seule cuve avec des temps de préparation nettement raccourcis et une manipulation moindre.
Avant que la masse réchauffée ne passe dans un état plastique intégral, quelques degrés avant le point de fusion des thermoplastiques, il se forme juste une structure en forme de granulés sans poussière, avec une excellente homogénéisation entre les différentes matières sèches ainsi qu’un excellent enrobage des particules par les thermoplastiques. La structure ainsi obtenue est comparable à du caviar et est particulièrement adaptée pour être travaillée ensuite dans un malaxeur ou un extrudeur avec cisaillement afin de parer aux démélange, voire même aux défauts engendrés sur le mélange des matières sèches rencontrées sur ces équipements. De par le réchauffage déjà réalisé dans le mélangeur à une température proche du point de fusion, la masse pourrait être transférée sans refroidissement vers l’étape suivante de fabrication (malaxage, extrudeur). Dans ce cas, le débit de ces équipements serait accru par la réduction des temps de chauffage et de malaxage.
Cette façon de produire a aussi un impact positif sur l’usure des organes de malaxage lors de la préparation des masses. De plus, les homogénéités des produits obtenus sont nettement supérieures. Elles sont le reflet de la qualité du mélange avec des matières sèches bien homogènes et bien dispersées. Comme M. Gerl l’a démontré avec la fabrication des pièces produites par injection à basse et haute pression, et avec utilisation d’un mélangeur Eirich, le temps de préparation, par rapport à un procédé classique, pourrait passer de plusieurs heures à quelques minutes [1, 2]. Des études comparatives, réalisées sur des pièces frittées par le centre technique de Rheinbach, montrent des caractéristiques équivalentes. Ce point a été également confirmé par des clients.
Par une utilisation complémentaire du vide avec le procédé Evactherm, on pourrait presque obtenir un dégazage complet du produit, et donc de meilleures caractéristiques de préparation et de meilleures qualités techniques du produit. Le danger lié à la contamination du produit peut être évité en utilisant un matériau approprié et résistant à l’usure.
Alors que dans le malaxeur, à cause de la géométrie complexe des outils de malaxage, il est difficile d’utiliser des outils en céramique ou en métal dur, dans le mélangeur Eirich la cuve et les outils sont d’une exécution plus simple, et peuvent être revêtus de céramique ou même de métal dur hautement résistants à l’usure.