La présente invention a pour objet une extrudeuse comprenant une vis d'extrusion rotative montée dans un cylindre chauffant, entre un dispositif d'alimentation en matériau brut à extruder à l'état fondu et une filière d'extrusion, une cheminée de dégazage agencée sur le cylindre, entre un premier segment de vis servant à la mise en fusion du matériau et un second segment de vis servant au refoulement du matériau fondu à extruder par la filière, un premier dispositif de réglage du débit de matériau délivré par le premier segment de vis et un second dispositif de réglage du débit de matériau délivré par le second segment de vis à la filière.
Comme on le sait, afin d'assurer un fonctionnement correct d'une telle extrudeuse comprenant une cheminée de dégazage, il est nécessaire non seulement de régler le débit de matériau délivré à la filière par le second segment de vis mais aussi de régler le débit de matériau délivré par le premier segment de vis en amont de la cheminée de dégazage. En effet, si le débit de matériau délivré par le premier segment de vis devient plus faible que celui délivré par le second segment, la filière recevra trop peu de matériau, ce qui affectera la qualité (uniformité) de l'extrudat. Dans le cas contraire, l'excès de matériau fondu délivré par le premier segment s'échappera par la cheminée de dégazage entraînant ainsi une perte indésirable de ce matériau.
C'est pourquoi on a proposé d'utiliser les deux dispositifs pour régler les débits de matériau délivrés respectivement par les premier et second segments de la vis d'extrusion.
Les dispositifs de réglage proposés à cet effet sont prévus de manière à former une boucle d'asservissement de la pression à la sortie du premier et du second segments de vis et cela en vue de maintenir les débits correspondants à une valeur désirée. Cette solution est basée sur la relation mathématique qui existe entre les pressions qui règnent à la sortie des deux segments, d'où la nécessité d'utiliser des moyens de calcul relativement compliqués. De plus, le réglage de la pression du matériau se trouvant en amont de la cheminée de dégazage pose plusieurs problèmes pratiques importants.
La présente invention a pour but de fournir une extrudeuse permettant d'assurer une extrusion uniforme par un réglage simple des débits à la sortie des premier et second segments de vis, et cela en obviant aux inconvénients cités.
L'extrudeuse faisant l'objet de l'invention est caractérisée par le fait que le premier dispositif de réglage comprend un organe de réglage du débit de matériau délivré par le premier segment de vis, un détecteur disposé en aval de cet organe et au voisinage de la cheminée, un régulateur et un actionneur agissant sur cet organe, que ce détecteur est agencé de manière à détecter la présence du matériau et à délivrer au régulateur un signal de détection correspondant d'une part à la présence et d'autre part à l'absence du matériau, que ce régulateur est agencé de manière à déterminer, à partir du signal de détection, la valeur du degré de remplissage de la vis en regard de ce détecteur, à élaborer un signal d'erreur de remplissage correspondant à la différence algébrique entre cette valeur et une valeur de consigne déterminée, et à transmettre le signal d'erreur à l'actionneur,
que l'actionneur est agencé de manière à commander l'organe de réglage en fonction de ce signal d'erreur et à effectuer un asservissement du degré de remplissage à la valeur de consigne, à laquelle correspond le débit désiré de matériau délivré par le premier segment de vis, que le second dispositif de réglage comprend un second organe de réglage du débit de matériau refoulé par le second segment de vis, un capteur de pression disposé en amont de ce second organe, un second régulateur et un second actionneur, que ce capteur de pression est agencé de manière à délivrer au second régulateur un signal de pression correspondant à la pression de la matière délivrée par le second segment de vis,
que ce second régulateur est agencé de manière à délivrer au-second actionneur un signal d'erreur de pression correspondant à la différence algébrique entre la valeur de la pression mesurée correspondant au signal de pression et une valeur de consigne correspondant à un débit désiré de la matière extrudée et que le second actionneur est agencé de manière à commander ce second organe en fonction du signal d'erreur de pression et à effectuer un asservissement de pression à la valeur de consigne, à laquelle correspond le débit désiré de la matière extrudée, le tout de manière que les deux débits de matériau délivré respectivement par les premier et second segments de vis puissent être réglés à une même valeur par les premier et second dispositifs de réglage.
Le dessin annexé représente, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'extrudeuse selon la présente invention.
La fig. 1 montre une vue schématique de l'extrudeuse selon cette forme d'exécution, destinée à l'extrusion d'une matière plastique.
La fig. 2 montre un schéma d'une boucle de réglage de l'extra- deuse selon la fig. 1.
La fig. 3 montre schématiquement une partie de la zone de dégazage de l'extrudeuse selon la fig. 1.
La fig. 4 montre l'évolution d'un signal de détection délivré lors de chaque révolution de l'extrudeuse, dans la boucle de réglage selon la fig. 2.
La fig. 5 montre l'évolution du degré de remplissage de la vis d'extrusion dans la zone de dégazage de l'extrudeuse.
Les fig. 6 à 9 représentent diverses formes d'exécution d'un détecteur faisant partie de la boucle de réglage selon la fig. 2.
L'extrudeuse représentée schématiquement sur la fig. I présente un cylindre horizontal 1 chauffé par un dispositif 2 de chauffage, une vis 3 d'extrusion montée dans ce cylindre avec une position axiale fixe et entraînée en rotation par un dispositif 4 d'entraînement, et un dispositif 5 d'alimentation destiné à alimenter l'extrudeuse en matière plastique pulvérulente ou granuleuse constituant, en l'occurrence, le matériau brut destiné à l'extrusion à travers une filière 6. L'extrudeuse est munie, en outre, d'une cheminée 7 de dégazage servant à l'échappement des gaz ou vapeurs engendrés lors de la mise en fusion de la matière plastique.
Le dispositif 2 de chauffage représenté schématiquement sur la fig. 1 peut être de tout type approprié comprenant par exemple des résistances électriques entourant le cylindre I et permettant de le chauffer à une température de l'ordre de 200 C, par exemple.
Cette température est généralement suffisante pour assurer la mise en fusion de la matière plastique traitée dans l'extrudeuse. Cette dernière peut être munie, en outre, de moyens de refroidissement non représentés permettant de maintenir le cylindre I à une température constante bien déterminée et cela malgré tout apport aléatoire de chaleur telle que la transformation en chaleur de l'énergie mécanique fournie par le dispositif 4 d'entraînement. L'extrudeuse peut également être refroidie de manière à empêcher la formation de bouchons de matière plastique partiellement fondue, au voisinage du dispositif 5 d'alimentation, lesquels bouchons peuvent, comme on le sait, constituer un obstacle à l'obtention d'une alimentation uniforme à partir de ce dispositif 5.
L'extrudeuse décrite comprend deux dispositifs de réglage dont un premier dispositif sert à régler le débit Qd de la matière plastique refoulée par un premier segment de vis situé en amont de la cheminée 7 de dégazage et le second dispositif sert à régler le débit Qe de la matière plastique refoulée par un second segment de vis et extrudée par la filière 6. Ces deux dispositifs de réglage sont destinés à assurer une extrusion uniforme et cela en maintenant constamment les débits Qd et Qe à la même valeur.
Le premier dispositif de réglage comprend un organe de réglage mobile 8 de forme annulaire, agencé de manière à pouvoir coulisser axialement en regard et à faible distance d'une saillie annulaire 9 qui interrompt le filet 3' vers la fin du premier segment de vis situé en amont de la cheminée 7 de dégazage. L'organe 8 et la saillie 9 forment ainsi entre eux un passage annulaire 10 de faible section constante, la longueur axiale de ce passage étant variable en fonction de la position axiale de cet organe 8 par rapport à la saillie 9. Le déplacement axial de cet organe permet ainsi de faire varier la perte de pression subie par la matière plastique re foulée par le premier segment de vis, à travers le passage annulaire 10. Cette variation de la perte de pression à travers le passage 10 permet le réglage du débit Qd.
Comme il ressort des fig. 1 et 2, le réglage du débit Qd, par le déplacement de l'organe 8, s'effectue automatiquement par une boucle de réglage comprenant un détecteur 11, un régulateur Rd et un actionneur Ad agissant sur l'organe 8 du premier dispositif de réglage. Le détecteur 11 est agencé dans la zone de dégazage, au voisinage de la cheminée 7 et, en l'occurrence, juste en amont de cette cheminée. il sert à détecter la présence de la matière platique se présentant en regard de lui. Là fonction et la structure de ce détecteur 11, ainsi que celles des autres parties de la boucle de réglage, seront discutées plus en détail par la suite.
Le second dispositif de réglage du débit Qe de matière plastique extrudée comprend un organe de réglage mobile 12 de forme annulaire, agencé de manière à pouvoir coulisser axialement en regard, et à une faible distance, d'une saillie annulaire 13 disposée sur la tête de la vis 3, à la sortie du second segment de vis. L'organe 12 et la saillie 13 forment ainsi entre eux un passage annulaire 14 de faible section transversale constante, la longueur de ce passage étant également variable en fonction de la position axiale de cet organe 12. Ce dernier coopère donc avec la saillie 13 de manière à permettre une variation de la perte de charge' subie par la matière refoulée vers la filière 6 et, par conséquent, un réglage du débit Qe de la matière extrudée.
Comme il ressort de la fig. 1 le réglage du débit Qe, par le déplacement de l'organe 12, s'effectue également automatiquement dans une boucle de réglage comprenant un capteur 15 de pression, un régulateur Re et un actionneur Ae agissant sur l'organe 12 du second dispositif de réglage.
Ce capteur 11 mesure la pression de la matière plastique, juste en amont du passage annulaire 14 et transmet au régulateur Re un signal de pression Pe correspondant à cette pression de la matière refoulée par le second segment de vis. Le régulateur Re comprend un comparateur (non représenté) qui reçoit, d'une part, ce signal de pression Pe et, d'autre part, un signal Pec de pression de consigne correspondant à un débit désiré Qec, et qui élabore un signal d'erreur de pression AP. Ce signal d'erreur AP est transmis à l'actionneur Ae, lequel peut être un servo-moteur, hydraulique ou pneumatique, servant à déplacer l'organe 12 de réglage, en fonction de ce signal d'erreur AP, de manière à amener la pression Pe à la valeur de consigne Pec correspondant au débit dési réQec.
Le cas échéant, le signal de consigne peut être un signal de débit de consigne Qec Dans ce cas, il conviendra d'associer au régulateur Re un générateur de fonction permettant de déterminer la pression de consigne F > ec correspondant à Qec et cela suivant la caractéristique du second segment de vis, laquelle caractéristique correspond à la variation essentiellement linéaire de Qe en fonction de Pe.
Cette boucle comprenant l'organe de réglage 12 forme ainsi une boucle d'asservissement de pression servant à maintenir le débit de la matière plastique traversant le passage 14 et extrudée par la filière 6 à une valeur constante désirée Qec qui correspond à la pression de consigne Pec-
Comme il ressort de ce qui précède, les organes de réglage 8 et 12 permettent donc de faire varier de manière analogue les débits Qd et Qe, respectivement. Toutefois, le réglage en boucle fermée s'obtient de manière différente pour le débit Qd que pour le débit Qe. En effet, la boucle décrite de réglage du débit Qe est basée sur un asservissement de pression, lequel dépend de la relation qui existe entre le débit Qe et la pression Pe de la matière extrudée.
En revanche, le principe de fonctionnement de la boucle de réglage du débit Qd, décrite plus en détail ci-dessous, est basé sur le comportement de la matière se trouvant à la pression atmosphérique dans la zone de dégazage située en amont de la cheminée de dégazage 7 et en aval du passage annulaire 10 délimité en partie par l'organe 8 de réglage.
Cette boucle de réglage du débit Qd est basée sur un asservissement du degré de remplissage de la vis 3, par la matière dans la zone de dégazage située en amont de la cheminée 7. En effet, lorsque l'extrudeuse fonctionne normalement, il y a seulement un remplissage partiel, par la matière plastique, de l'espace situé en amont de cette cheminée et délimité axialement par deux spires successives du filet 3' de la vis. Les fig. 2 et 3 montrent une masse M de matière plastique fondue se trouvant à la pression atmosphérique et remplissant partiellement cet espace entre deux spires successives sl et s2.
Le degré de remplissage X de la vis, dans la zone de dégazage, est un paramètre qui peut être défini comme suit:
X=Vm/Vf où Vm est le volume de la matière occupant partiellement l'espace entre deux spires successives du filet 3' de la vis, et Vf le volume total de cet espace.
Le débit Qe de matière refoulée par la vis 3 vers la cheminée 7 est évidemment fonction de ce degré X de remplissage du filet 3', de sorte qu'il est possible d'effectuer un réglage automatique du débit Qd en asservissant ce degré de remplissage X à une valeur de consigne Xc correspondant à un débit Qdc désiré pour des valeurs fixes des autres paramètres qui influent sur Qe, tels que, par exemple, la viscosité du matériau et la vitesse de rotation de la vis d'extrusion 3.
Avant de décrire plus en détail la boucle de réglage du débit de Qd basée sur un tel asservissement de X, il convient de noter que la hauteur du filet 3' de la vis extrudeuse reste essentiellement constante entre deux spires successives sl et s2. Par conséquent, le volume Vf délimité axialement par ces deux spires est constant et essentiellement proportionnel au pas xp (voir fig. 3) de la vis 3, à cet endroit. De même, le volume Vm est également essentiellement proportionnel à la longueur axiale xm de la masse M de matière occupant partiellement l'espace entre les deux spires sl et s2 (voir fig. 2 et 3).
Il s'ensuit que:
EMI2.1
Il est donc possible de déterminer le degré de remplissage X par une mesure de la longueur xm, xp étant constant.
A cet effet, le détecteur 11 est disposé en amont de la cheminée 7 et cela à une distance inférieure au pas xp du filet 3' de la vis 3, dans la zone de cette dernière où se situe la cheminée 7.
La fig. 4 montre l'évolution du signal S délivré par le détecteur 11, en fonction de la position angulaire T de la vis 3.
Comme on le voit sur cette figure, le signal Sxd est un signal logique qui correspond à un I logique lorsque soit le filet 3' (voir fig. 1 et 3a), soit la matière M (voir fig. 2) se trouve en regard du détecteur 11.
En revanche, lorsque ni le filet 3', ni la matière M ne se trouve en regard du détecteur 11, ce dernier délivre un signal Sxd qui correspond à un 0 logique.
Lors du fonctionnement de l'extrudeuse, la position axiale de la vis 3 reste fixe, tandis que sa position angulaire v varie uniformément en fonction du temps, étant donné que la vis extrudeuse tourne à vitesse constante. On obtient ainsi un défilement du filet 3' et de la matière M en regard du détecteur 11 de manière que ce dernier puisse détecter leurs apparitions successives et cycliques. La flèche F représentée sur la fig. 3 indique schématiquement le sens de ce défilement. Il convient toutefois de rappeler que cette flèche sert uniquement à illustrer le mouvement relatif par rapport au détecteur 11 de la matière M refoulée par la vis extrudeuse 3, étant entendu que la position axiale de cette dernière est fixe.
Pendant l'apparition du filet 3' en regard du détecteur 11 (voir fig. 4), ce dernier délivre un signal 1 logique représenté par l'impulsion If sur la fig. 4. Comme cette figure l'indique, en outre, le
signal Sxd devient un 0 logique lorsque la vis 3 continue à tourner
et le filet 3' ne se trouve plus en regard du détecteur 11. De plus,
lorsque la matière M refoulée par la vis 3 apparaît ensuite devant le détecteur 11, le signal Sxd délivré par ce dernier redevient un 1 logique et se maintient aussi longtemps que la matière M, suivie par le filet 3', reste en regard du détecteur. Aussitôt que le flanc arrière du filet 3' disparaît, ce détecteur délivre un signal 0 logique, la partie vide du filet 3' se trouvant alors de nouveau en regard du capteur.
Comme on le voit sur la fig. 2, le régulateur Rd comprend un
intégrateur 17 qui reçoit le signal Sxd et délivre un signal Xd, cor
respondant à l'intégrale de Sxd par rapport au temps et consti
tuant une mesure du degré de remplissage effectif Xd du filet 3'
par la matière plastique. Un comparateur 18 reçoit ce signal Xd,
le compare à un signal de consigne Xc correspondant à une valeur
de consigne désirée Xc du degré de remplissage, et délivre un signal d'erreur de remplissage AX correspondant à la différence algébrique entre Xd et Xc. Le régulateur Rd comprend finalement un interrupteur 19 commandé par un relais 20 qui reçoit le signal Std du détecteur 11 et est agencé de manière à s'exciter pour fermer l'interrupteur 19 lorsque Sxd passe d'un 1 logique à
un 0 logique.
La fig. 5 montre l'évolution du signal Xd délivré par l'intégrateur 17 à partir du moment où la masse M de matière apparaît en
regard du détecteur (Sx = I) et jusqu'au moment où le flanc ar
rière de la spire du filet 3' refoulant ce matériau disparaît, Sxd re
devient 0, et l'interrupteur 19 se ferme pour transmettre le signal de commande AX à l'actionneur Ad. Ce dernier peut être constitué par un servo-moteur hydraulique ou pneumatique, agencé de
manière à déplacer l'organe 12 en fonction du signal de commande AX afin de régler la longueur axiale du passage annulaire 14 et cela de manière que le degré de remplissage effectif Xd devient
égal à Xc, AX étant alors égal à zéro.
On obtient donc ainsi un asservissement en boucle fermée du
degré X de remplissage à la valeur de consigne Xc correspondant
au débit désiré Qd.
En fonctionnement continu de l'extrudeuse, le degré de rem
plissage X est généralement d'environ 50% dans la zone de déga
zage située en amont de la cheminée 7. Divers principes de mesure
et formes d'exécution peuvent être envisagés pour le détecteur 11
servant à la mesure du degré de remplissage.
La fig. 6 montre schématiquement une forme d'exécution d'un
détecteur mécanique comprenant une membrane souple 21 dispo
sée dans un orifice ménagé dans la paroi du cylindre 1 dans la
zone de dégazage, juste en amont de la cheminée 7. La mem
brane 21 est agencée de manière à faire légèrement saillie vers l'in
térieur du cylindre 1. Elle actionne un micro-interrupteur 22 de
manière à le fermer lorsque soit le filet 3', soit la matière plasti
que M vient en regard du détecteur 11 et repousse cette mem
brane 21 vers l'extérieur. Le détecteur 11 comprend en outre des
moyens (non représentés) associés au micro-interrupteur 22 de
manière à délivrer un signal de détection Sxd correspondant à un
1 logique lorsque ce micro-interrupteur est fermé et à un 0 logique
lorsqu'il est ouvert. Ce signal logique Sxd sert donc à déterminer
le degré de remplissage X comme décrit plus haut.
La fig. 7 montre schématiquement une forme d'exécution d'un
détecteur pneumatique permettant d'injecter un jet d'air compri
mé dans le cylindre 1 de l'extrudeuse et cela par l'intermédiaire
d'un tube 23 débouchant dans la zone de dégazage et relié à tra
vers une soupape 24 à une source 25 d'air comprimé à pression
constante. par exemple à 0,1 kg/cm2 au-dessus de la pression at
mosphénque. Ce détecteur est muni d'un capteur 26 de pression
relié au tube 23 et agencé de manière à délivrer un signal logi
que Sxd.
Lorsque la sortie du tube 23 est dégagée, comme représenté
sur la fig. 7, l'air est injecté avec un débit déterminé et la pression
mesurée par le capteur de pression 26 correspond à une valeur p1
relativement faible. En revanche, lorsque soit le filet 3' de la vis, soit la matière plastique M se trouve en regard de la sortie du tube 23 et obture cette sortie, le débit du fluide injecté devient à peu prés nul et la pression mesurée par ce capteur 26 atteint une valeur P2, plus élevée que pl. Ce capteur 26 est ainsi agencé de manière à délivrer un signal logique Sxd correspondant à un 1 logique (à la pression P2) et à un 0 logique (à la pression pl), ce signal étant destiné à déterminer le degré de remplissage comme décrit plus haut.
La fig. 8 montre schématiquement un détecteur ultrasonique comprenant, d'une part, un générateur d'ultrasons disposé de manière à diriger des trains d'ondes ultrasoniques, à travers la cheminée 7 de dégazage, sur la vis extrudeuse 3. D'autre part, le détecteur comprend un récepteur 28 qui reçoit les ondes réfléchies, soit par l'âme de la vis 3 lorsqu'elle est vide comme représenté sur la fig. 8, soit par le filet 3' de la vis, soit par la masse M de matière plastique. Le temps qui sépare l'émission de chaque impulsion, par le générateur 27 de la réception de l'impulsion réfléchie, est mesuré par des moyens électroniques non représentés, ce temps étant évidemment différent selon que la matière plastique M ou le filet 3' se trouve, ou non, sur le chemin des ondes émises et réfléchies.
Ces moyens seront agencés de manière à délivrer un signal Sxd qui correspond à un 1 logique, lorsque la matière plastique M (ou le filet 3') se trouve en regard du détecteur 11 et à un 0 logique en l'absence de cette matière ou du filet 3'. Le signal logique Sxd ainsi obtenu est destiné à déterminer le degré de remplissage Xd comme décrit plus haut.
Les fig. 9a et 9b montrent, respectivement, en coupe longitudinale et transversale, un détecteur optique comprenant un émetteur de lumière 29 dirigeant un faisceau 30 de lumière à travers deux fenêtres transparentes 31 et 32, vers un récepteur 33, comprenant une cellule photeélectrique par exemple. Comme on le voit sur la fig. 9b, ces fenêtres 31 et 32 sont disposées transversalement sur la paroi du cylindre 1, de manière que le faisceau 30 puisse les traverser suivant une corde de ce cylindre, située dans la zone de dégazage au niveau du filet 3'. Ainsi, lorsqu'une spire du filet 3' ou la matière plastique M vient en regard des fenêtres 31 et 32, le faisceau 30 est intercepté et le récepteur 33 ne reçoit pas de lumière.
Ce récepteur 33 est agencé de manière à délivrer, dans ce cas, un signal Sxd correspondant à un 1 logique. En revanche, lorsque ni une spire du filet 3', ni la matière M ne se trouve en regard des fe nêtres 31 et 32, le récepteur 33 délivre un signal correspondant à un 0 logique. Le signal Sxd ainsi obtenu sert à déterminer le degré de remplissage Xd comme décrit plus haut.
Il convient de noter que le détecteur 11 peut être réalisé autrement que décrit ci-dessus. En effet, la détection de la présence ou l'absence de la matière plastique M et des spires du filet 3' peut être effectuée, en outre, selon d'autres principes de mesure.
Ainsi, par exemple, le détecteur 11 peut être agencé de manière à effectuer une mesure capacitive, la vis 3 elle-même pouvant former une électrode d'une capacité tandis qu'une autre électrode est formée d'une plaque métallique ayant la forme d'un segment du filet 3' de la vis 3 et suspendue au-dessus de cette vis dans la zone de dégazage, au niveau de la surface intérieure du cylindre 1 de l'extrudeuse et isolée électriquement de celui-ci. Ainsi, lorsque cette électrode suspendue se trouve entre deux spires successives du filet 3', une mesure de la capacité permet de détecter la présence ou l'absence de la matière plastique M, laquelle est un dié lectriq ue.
De même, le détecteur 11 peut être agencé de manière à effectuer une mesure radio-active. Dans ce cas, une substance radioactive telle que le krypton peut être disposée sur l'âme de la vis 3, entre les spires du filet 3'. tandis qu'un capteur de rayonnement radio-actif peut être monté en regard de la cheminée de dégazage.
La présence de la matière plastique M en regard du détecteur produira une absorption de l'énergie radio-active émise par la vis, permettant ainsi au capteur de distinguer entre la présence et l'ab- sence de cette matière et d'émettre un signal logique correspon dant Sxd servant à déterminer le degré de remplissage X comme décrit plus haut.