Quiconque a utilisé une ligne de film soufflé à trois -couches sait qu'il est plus difficile qu'il n'y paraît d'obtenir une uniformité intercouche constante. Vous pouvez disposer de trois extrudeuses parfaitement calibrées, d'un contrôle précis de la température dans chaque zone, et néanmoins vous retrouver avec un film dont une couche est 40 % plus épaisse d'un côté et 60 % plus fine de l'autre - ou dont la couche de liaison migre de manière inégale, compromettant l'adhérence sur l'ensemble du rouleau.
La plupart des guides de dépannage désignent le débit de l'extrudeuse ou le débit d'air de l'anneau de refroidissement comme étant la cause. Et ces variables comptent. Mais dans de nombreux cas, la cause profonde se situe plus en amont : dans la conception de la tête de filière elle-même. Comprendre comment la géométrie de la tête de filière contrôle la distribution intercouche est la première étape pour diagnostiquer et prévenir ces problèmes.
Ce que fait réellement la tête de filière
Dans unMachine de soufflage de film à trois -couches, la tête de filière reçoit trois flux de fusion séparés provenant de trois extrudeuses - généralement une couche centrale et deux couches de peau - et les combine à l'intérieur du corps de filière en une seule structure annulaire co-extrudée avant que la fusion combinée ne sorte par l'espace de la filière sous forme de tube.
La tête de filière doit accomplir trois choses simultanément :
Répartissez chaque flux de matière fondue uniformément sur toute la circonférence de 360 degrés de la filière annulaire.
Empilez les trois couches dans le bon ordre sans mélanger ni déstabiliser l'interface entre elles
Contrôlez l'épaisseur relative de chaque couche en gérant la résistance à l'écoulement de la matière fondue dans chaque canal
Si l'une de ces trois choses ne va pas - et qu'il existe de nombreuses façons pour chacune d'elles de mal tourner -, le résultat est une non-uniformité entre les couches.
Mandrin en spirale contre. Spider Die : le choix fondamental
Il existe deux architectures principales de tête de filière utilisées dansMachine de soufflage de film à trois -couches, et ils gèrent la distribution circonférentielle de manière très différente.
Spider Die (Matrice annulaire avec pattes d'araignée)
La filière araignée utilise des pattes de support radiales (« pattes d'araignée ») pour maintenir le mandrin au centre de la filière, la matière fondue s'écoulant autour des pattes et se recombinant en aval. Les lignes de soudure des jambes - où les flux de fusion divisés se rejoignent - sont la faiblesse fondamentale de cette conception. Les lignes de soudure créent des zones de faiblesse mécanique et, de manière plus critique pour les films multicouches, des points où l'épaisseur de la couche peut varier. Les couches ne se recombinent pas à l'identique après s'être divisées autour des jambes.
Les matrices araignées sont mécaniquement plus simples et moins chères, mais elles sont désormais relativement rares dans la production sérieuse de films multicouches, précisément parce que les lignes de soudure compromettent l'uniformité des couches intercouches, en particulier dans les applications de films barrières.
Matrice de mandrin en spirale
La matrice à mandrin en spirale est la conception dominante dans la production moderne de films à trois couches-. Dans cette conception, chaque flux de matière fondue entre dans la matrice par un orifice d'alimentation central, puis s'écoule dans une rainure en spirale usinée dans la surface du mandrin. Au fur et à mesure que la fonte progresse le long de la spirale, elle déborde progressivement du terrain en spirale et se distribue circonférentiellement par une combinaison d'écoulement en spirale et d'écoulement axial entraîné par la pression-.
Au moment où la matière fondue atteint la sortie de la filière, elle a été distribuée par le chevauchement de plusieurs canaux en spirale - généralement 4 à 8 spirales par couche dans une filière moderne - qui fait efficacement la moyenne des variations circonférentielles. Le résultat est une répartition de l'épaisseur considérablement plus uniforme qu'une matrice araignée ne peut obtenir.
Comment la géométrie des canaux en spirale contrôle l'uniformité
Dans la conception du mandrin en spirale, la géométrie spécifique des canaux détermine la qualité de répartition de chaque couche. C’est là que la conception des têtes de filière devient véritablement complexe.
Pas et profondeur de la spirale
Le pas (espacement entre les tours en spirale) et la profondeur (section transversale du canal-) de chaque canal en spirale contrôlent l'équilibre entre le flux hélicoïdal (le long de la spirale) et le flux axial (vers la sortie de la filière). Un canal plus profond favorise une distribution plus hélicoïdale avant le débordement. Un canal moins profond fait déborder la matière fondue et avance axialement plus tôt.
Pour une répartition uniforme :
Un canal trop peu profond fait avancer la matière fondue principalement axialement à partir du point d'alimentation, entraînant une variation d'épaisseur dans un motif aligné avec l'emplacement de l'orifice d'alimentation (un « point de graisse » à 0 degré et un amincissement à 180 degrés).
Un canal trop profond retarde l'avancement axial et peut provoquer une accumulation de pression qui déstabilise l'interface de fusion.
La géométrie optimale de la spirale dépend de la viscosité de fusion et du débit du matériau traité -, c'est pourquoi les filières conçues pour le LLDPE ne fonctionnent pas nécessairement aussi bien avec le HDPE ou l'EVA sans reconfiguration.
Nombre de départs en spirale
Plus de départs de spirale par couche (le nombre de canaux en spirale individuels alimentés depuis le port d'entrée) signifie plus de chevauchement des chemins de distribution autour de la circonférence, ce qui permet de moyenner plus efficacement les variations d'épaisseur. Les matrices à trois couches-hautes-performances pour films barrières minces peuvent utiliser 6 à 8 départs en spirale par couche. Les matrices économiques pour les emballages PE simples ne peuvent en utiliser que 4. La différence apparaît directement dans la variation de l'épaisseur circonférentielle - généralement ± 3 % pour les matrices à démarrage multiple-de haute qualité- contre ± 6 à 8 % pour les conceptions plus simples.
Empilement intercalaire : là où les trois flux de fusion se rencontrent
La gestion de la distribution circonférentielle pour chaque couche n'est qu'une partie du problème. Les couches doivent également se rencontrer de manière contrôlée et stable afin de maintenir le rapport d'épaisseur conçu.
Position d'empilage
Les couches peuvent être combinées à l’intérieur du dé de deux manières :
Combinaison interne :Les trois flux de fusion fusionnent à l'intérieur du corps de la filière, bien en amont de la sortie de la filière, et se déplacent sous la forme d'une fusion multicouche -combinée jusqu'à l'espace de la filière. Cela donne plus de temps à l'interface pour se stabiliser avant de sortir, ce qui réduit le risque d'instabilité de couche dans la zone de sortie de la filière. Cependant, cela nécessite une correspondance précise de la viscosité entre les couches adjacentes - les viscosités incompatibles à l'interface créent une instabilité d'encapsulation (la couche de viscosité inférieure- tente de migrer et d'entourer la couche de viscosité supérieure-).
Combinaison externe :Les couches sont maintenues séparées jusqu'à ce qu'elles soient très proches de la sortie de la filière, puis combinées dans une zone finale courte. Cette approche pardonne mieux les différences de viscosité mais donne moins de temps de stabilisation.
La plupart des matrices de film soufflé -à trois couches modernes utilisent une combinaison interne avec une zone de transition soigneusement conçue où les couches convergent progressivement plutôt que brusquement, ce qui réduit le risque de perturbation de l'interface.
Longueur du terrain de matrice
Le terrain de filière est la section parallèle à la sortie de la filière où les trois couches s'écoulent ensemble dans le canal annulaire avant de sortir sous forme de tube. Une longueur de terrain plus longue :
Lisse les différences de vitesse entre les couches
Permet aux interfaces de fusion de se stabiliser
Réduit les différences d'orientation induites par le flux-entre les couches
Une terre trop courte entraîne des couches qui ne sont pas complètement équilibrées - une couche peut se déplacer plus rapidement que les couches adjacentes, ce qui crée un cisaillement à l'interface et une épaisseur de couche inégale après la sortie et le gonflement de la fonte.
Les longueurs typiques des pistes de filière sont de 15 à 30 mm pour les applications de film soufflé standard, avec des pistes plus longues utilisées pour les films barrières minces ou les matériaux à haute viscosité-.
Emplacement du port d'alimentation et équilibre de pression
Chacune des trois extrudeuses se connecte à la tête de filière via un port d'alimentation. L'emplacement et la géométrie de ces ports d'alimentation affectent l'uniformité d'une manière qui est facile à négliger.
Alimentation symétrique
Dans une filière bien conçue-, les trois orifices d'alimentation sont positionnés de manière à ce que chaque flux de matière fondue entre avec la même chute de pression depuis l'orifice d'alimentation jusqu'à la sortie de la filière. Le placement asymétrique de l'orifice d'alimentation crée une répartition inégale de la pression autour de la circonférence, ce qui se traduit par un motif épais/fin cohérent dans le film final -, généralement selon un motif sinusoïdal avec le pic à l'emplacement de l'orifice d'alimentation.
Croix-Tête contre. Orientation des matrices de pile
Matrices à tête transversale- :Les extrudeuses alimentent par le côté, perpendiculairement à l'axe de la filière. Mécaniquement plus simple, mais le virage à 90 degrés du flux de fusion crée une asymétrie de pression qui nécessite une géométrie de canal minutieuse pour compenser.
Matrices de pile (en ligne) :Les extrudeuses alimentent le long de l’axe de la filière. Plus complexe à construire, mais la géométrie symétrique de l'alimentation facilite la réalisation d'une distribution uniforme.
Gradient de température dans le corps de la filière
La viscosité à l'état fondu est-sensible à la température. Si différentes parties du corps de la filière sont à des températures différentes - en raison d'un chauffage inégal, d'une perte de chaleur dans l'environnement ou d'une conduction d'un canal à un autre -, la viscosité de la matière fondue change, ce qui modifie la résistance à l'écoulement et la répartition de l'épaisseur.
Les têtes de filière modernes à trois -couches utilisent plusieurs zones de chauffage contrôlées indépendamment :
Zones séparées pour le corps, le mandrin et l'anneau de filière
Chauffages à commande PID-avec retour de thermocouple en plusieurs points
Isolation entre les zones pour empêcher la migration de chaleur entre les canaux
Une variation de température, même de 5 degrés, à travers la filière peut modifier la viscosité du LLDPE de 15 à 20 %, ce qui est suffisant pour provoquer une non-uniformité mesurable de l'épaisseur. C'est pourquoi le contrôle de la température de la tête de filière est tout aussi important que la géométrie de la filière - une filière bien conçue-fonctionnant à des températures mal contrôlées produira toujours un film variable.
Ajustement de l'écart de matrice et ses limites
L'espace de filière - la fente annulaire entre la pointe du mandrin et l'anneau de filière à travers laquelle la matière fondue sort - contrôle l'épaisseur globale du film et le débit. La plupart des matrices de production incluent un système de réglage manuel ou automatique de l'écart entre les matrices (généralement 8 à 16 boulons de réglage individuels ou un système de lèvres flexibles-automatique) qui permet aux opérateurs de compenser la non-uniformité de l'épaisseur-à la sortie de la matrice.
Cependant, l’ajustement de l’écartement de la matrice est un outil de correction et ne remplace pas une bonne conception de la matrice. L'ajustement de l'espace de filière pour compenser un problème de distribution créé par la géométrie du canal en spirale ou l'asymétrie de l'orifice d'alimentation entraîne un espace de filière inégal autour de la circonférence -, ce qui crée des problèmes secondaires, notamment une instabilité d'écoulement de matière fondue, des dépôts sur les lèvres de la filière et des dommages physiques à la lèvre de la filière au fil du temps.
Si un film nécessite plus de ± 1,5 mm de variation de l'espacement de la matrice autour de la circonférence pour obtenir une épaisseur uniforme, la cause sous-jacente est presque certainement un problème de conception ou d'état de la matrice qui doit être résolu directement.
Implications pratiques pour les producteurs de films
Comprendre comment la conception des matrices affecte l'uniformité des couches intercalaires a des implications directes sur la sélection des équipements, le dépannage des processus et la maintenance :
Lors de l'achat ou de la spécification d'une machine :Demandez le nombre de démarrages en spirale par couche, la méthode de combinaison de matrices (interne ou externe) et la configuration de la zone de température. Un fournisseur qui ne peut pas répondre clairement à ces questions est un signal d’alarme.
Lors du dépannage d’une variation d’épaisseur :Avant d'ajuster l'écartement de la matrice ou l'anneau de refroidissement, cartographiez le modèle de variation sur la largeur du rouleau et autour de la circonférence. Un motif sinusoïdal culminant à un emplacement cohérent indique un problème de géométrie du port d'alimentation ou de canal en spirale. Une variation aléatoire sur le rouleau est plus susceptible d'être un problème de refroidissement ou de stabilité des bulles.
Pour l'entretien :La propreté des matrices affecte directement la distribution. Le matériau brûlé ou dégradé dans un canal en spirale crée une résistance locale à l'écoulement qui produit des stries épaisses/fines. Des programmes de nettoyage réguliers - avec un démontage et une inspection appropriés de la matrice - sont essentiels pour maintenir les performances de distribution pour lesquelles la matrice a été conçue.
Conclusion
La tête de filière d'unMachine de soufflage de film à trois -couchesest le composant le plus influent pour l'uniformité des couches intermédiaires - plus que les extrudeuses, plus que l'anneau de refroidissement et plus que les ajustements des paramètres de processus. La géométrie du canal en spirale contrôle la distribution circonférentielle. La conception de l'empilement et du terrain contrôle la stabilité intercouche. La géométrie de l'orifice d'alimentation et le zonage de température déterminent si l'intention de conception est réellement réalisée en production.
Les opérateurs et les ingénieurs qui comprennent ces relations peuvent diagnostiquer plus rapidement les problèmes d'uniformité d'épaisseur, prendre des décisions d'achat d'équipement plus judicieuses et obtenir une qualité de film plus constante sur les lignes qu'ils utilisent déjà.
