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Procède et appareil pour la fabrication de tuyaux en matière thermo- plastique.
La présente invention se rapporte à un appareil et à un procédé pour fabriquer en résine thermoplastique des tuyaux ayant une surface intérieure lisse et de meilleures propriétés mécaniques.
Le terme "tuyau" est employé ici pour désigner un objet creux allongé auto-portant dont Inapplication principale est le transport des fluides.
Dans la fabrication des tuyaux par le procédé habituel d'extrusion de résine thermoplastique fondue, le tuyau refroidi de l'extérieur a une surface extérieure brillante mais une surface intérieure qui a tendance à être rugueuse et à présenter de petites fissures. La rugosité de la surface intérieure est particulièrement
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marquée lorsque les résines thermoplastiques utilisées sont partiel- lement cristallines et présentent un changement de volume important à la solidification. Cette rugosité est un inconvénient sérieux dans de nombreuses applications.
Suivant l'invention, un appareil pour la fabrication de tuyaux en matière thermoplastique, qui comprend une tête, une filière chauffée attachée à cette tête, la filière chauffée ayant un orifice définissant sensiblement la surface extérieure du tuyau, un mandrin définissant sensiblement la surface intérieure du tuyau, ce mandrin étant disposé dans l'axe de la tête et de la filière, et un dispositif pour introduire de la matière thermoplastique à l'état fondu sous pression dans la tête, est caractérisé en ce que le mandrin comprend (1) une section chauffée et (2) une section refroi- die voisine de la section chauffée et se poursuivant à l'intérieur de la tête et de la filière au moins jusqu'à un plan définissant la face de la filière,
un dispositif étant prévu pour chauffer la section chauffée du mandrin, un dispositif pour refroidir la section refroidie du mandrin, un dispositif pour refroidir le tuyau et un dispositif pour extraire le tuyau de la filière.
Les propriétés mécaniques du tuyau extrudé sont de pré- férence encore améliorées au cours d'une opération supplémentaire du procédé suivant l'invention en déformant mécaniquement la matière thermoplastique pour produire une orientation moléculaire biaxiale.
L'invention sera bien comprise en se référant aux dessins qui accompagnent la description. Dans ces dessins :
Fig. 1 est une vue générale de l'appareil convenant pour la fabrication de tuyaux par le procédé de l'invention;
Fig. 2 est une section transversale de la filière et du noyau représentés à la Fig. 1 prise suivant la ligne 2-2 de cette figure ;
Fig. 3 est une vue de côté en élévation en partie en coue d'un laminoir (le mandrin étant supprimé pour la clarté du dessin) convenant pour l'orientation moléculaire biaxiale du tuyau
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thermoplastique après l'extrusion;
Fig. 4 est une vue d'extraite en élévation du laminoir de la Fig. 3;
Fig. 5 est une coupe longitudinale d'un mandrir. refroidi par eau convenant pour le laminoir de la Fig. 3;
Fig. 6 est une vue d'ensemble représentant l'appareil de la Fig. 1 pour la fabrication de tuyaux et l'appareil des Figs. 3 et 4 pour l'orientation moléculaire biaxiale du tuyau.
A la Fig. 1, le dessin représente une extrudeus 1 pour faire fondre les matières thermoplastiques et pomper la masse fondue. La vis de l'extrudeuse est entraînée par un moteur électri- que et un train d'engrenages à vitesse variable placé dans la botte 3. La matière thermoplastique en pastilles est introduite dans la trémie 4 d'où. elle est malaxée et chauffée par le travail mécanique de la vis d'extrusion, et est poussée vers la tête 5 à l'état fondu.
Dans cette tête 5, le courant de matière thermoplastique fondu fait un coude, puis passe sur le mandrin à l'intérieur de la filière.
Une mince peau élastique se forme autour de la section froide du mandrin à l'intérieur de la filière, tandis que la masse de matière plastique fondue est encore sous la pression engendrée par l'extru- deuse. Cette peau est détachée du mandrin par le dispositif d'extrac- tion 8 agissant sur le tuyau formé et coopérant avec la pression de l'extrudeuse. Le dispositif d'extraction 8 est commandé par un moteur électrique et un engrenage situé en 9. La surface extérieure est façonnée par la plaque de filière 6 au moment où le produit extrudé sort de la filière.
Revenant à la Fig. 2 qui est une coupe transversale de tête 5 prise suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1 le corps 11 de la tête est attaché au corps de l'extrudeuse 12 et supporte la filière 13 qui est munie d'un dispositif de chauffage tel qu'un ruban électrique 14 enroulé autour de l'extérieur de la filière. La filiè- re est maintenue à une température supérieure au point d'écoulement de la matière thermoplastique choisie, mais inférieure à la tempéra- ture à laquelle la matière thermoplastique se décompose. A
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l'intérieur de la tête et dans l'axe de la tête et de l'ensemble de la filière se trouve un mandrin cylindrique 22 et 16 qui définit la surface intérieure du produit extrudé.
Le mandrin cylindrique est supporté par une bride 15 qui ferme l'extrémité postérieure de la pièce transversale. Le mandrin est constitué de deux parties prin- cipales, une section refroidie 16 isolée thermiquement du reste du mandrin en aiguisant l'intérieur de la section chauffée voisine 22 pour former une arête vive 17 au point où elle entre en contact Avec la section refroidie. La section refroidie du mandrin 16 est main- tenue en place par un tuyau fileté 18 qui passe à travers un tampon
19 et se visse dans l'extrémité postérieure d'un trou fileté tra- versant entièrement la section refroidie. Un bouchon creux 20 est vissé dans l'extrémité antérieure de la section refroidie, des trous radiaux 21 étant répartis autour de ce bouchon.
Le tuyau 18 conduit l'eau de refroidissement vers la section refroidie 16 où elle est dirigée par les trous 21 contre la masse du produit extrudé 24 et s'écoule ensuite par le tuyaufabriqué. La section chauffée du mandrin est constituée d'une coque métallique 22 qui a été aiguisée pour former une arête vive 17 -au point où elle entre en contact -avec la section refroidie 16. La coque est écartée du tuyau 18 con- duisant l'eau de refroidissement par le bouchon 19. La coque 22 est chauffée par un appareil de chauffage à résistance électrique 23 immédiatement en dessous de sa surface, qui est noyé dans la matière thermi-isolante remplissant l'espace entre la coque 22 et le tuyau 18.
Grâce à l'appareil de cLauffage 23, le coque peut être chauffée à la température d'extrusion et on peut maintenir une différence de température nette entre les sections chauffée et refroidie du mandrin.
En fonctionnement, la matière thermoplastique fondue 25 est forcée à travers la plaque perforée 28 dans la tête 11 par la vis d'extrusion 27 et passe ensuite par l'orifice .annulaire entre la filière chauffée 13 et le mandrin 22,16. Une peau épaisse de poly- mère solide se forme autour du mandrin froid tandis que la. masse fondue reste fluide à la température d'extrusion et sous une
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pression importante. La peau qui se forme semble être -élastique et est facilement détachée du mandrin, particulièrement lorsque la pression de l'extrudeuse cesse. La disparition de la pression de l'extrudeuse permet à la peau de se dilater légèrement ce qui réduit fortement la tendance éventuelle de la peau à adhérer au mandrin après refroidissement.
La peau est entraînée dans la filiè- re où se forme la surface extérieure. Le refroidissement est pour- suivi de l'intérieur du tuyau par le mandrin qui peut s'étendre en partie au delà de la face de la filière et par de l'eau de refroi- dissement à l'intérieur du tuyau.
Le procédé peut être amorcé en introduisant un tube pré- fabriqué de résine thermoplastique dans la filière sur l'extrémité refroidie du mandrin et en retirant le tube d'amorçage à l'aide du dispositif d'extraction après avoir mis en marche le courant de matière plastifiée de l'extrudeuse.
La section froide du mandrin 16 peut être considérée comme faite de deux parties: (1) la partie s'étendant depuis l'extré- mité de la section chauffée jusqu'.au plan de la face de la filière, et (2) la partie s'étendant au delà du plan de la face de la filiè- re.
La longueur de la seconde partie du mandrin n'est pas critique. En général, une longueur ne dépassant pas 10% de la lon- gueur sur laquelle la surface extérieure du produit extrudé reste à l'état liquide, convient. Des résultats favorables peuvent être obtenus, mené lorsque l'extrémité du mandrin se trouve au droit de la face de la filière, bien que pour la plupart des applications, des vitesses d'extrusion plus élevées puissent être obtenues lorsque le mandrin dépasse légèrement de la filière.
La longueur de la section refroidie du mandrin à l'inté- rieur de la filière est plus importante, mais n'est pas davantage critique. La longueur désirable ne semble pas dépendre du diamètre du tuyau. En général, une extrémité froide plus longue à l'intérieur de la filière doit être utilisée lorsqu'on augmente La vitesse d'ex-
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trusion. Les propriétés du polymère extrudé doivent également entrer en considération. Un point de fusion plus net et un degré plus important de contraction ou de solidification exigent une section de refroidissement plus courte du mandrin. Compte tenu de ces condi- tions, la longueur du mandrin froid dans la filière doit être de 1/2 à 2 pouces (6-50 mm).
Il est très durable que la température d'un bout à l'autre du mandrin tombe brusquement .au point de jonction entre l'extrémité chauffée du mandrin 22 et de la section froide 16. Ces sections peuvent être thermiquement isolées l'une de l'autre par une mince pièce d'édartement en matière isolante telle que le poly- tétrafluoréthylène, l'amiante ou des substances semblables, ou de préférence par une arête vive et un espace d'air, comme décrit plus haut.
La section froide doit être refroidie par un courant d'eau froide ou de liquide de refroidissement semblable, bien qu'un gaz puisse être utilisé dans certaines circonstances. En général, le fluide de refroidissement passe du mandrin à l'intérieur du tuyau qui vient de se former où il soumet le produit extrudé à un nouveau refroidissement. Un tampon coulissant à l'intérieur du produit extru- dé supporté par le noyau de la filière au moyen d'une tige peut être utilisé pour limiter le fluide de refroidissement à la partie chauds du tuyau, de façon que le tuyau extrudé soit entièrement rempli de fluide de refroidissement dans cette section, ce qui assure un refroidissement uniforme.
Si le tuyau extrudé est fermé .au moyen d'un tampon coulissant, il peut être nécessaire de prévoir un orifice de sortie du fluide de refroidissement par le mandrin.
En variante, la section du tuyau extrudé peut être remplie en extra- dant vers le haut sous un angle d'environ 10 sur l'horizontale.
Dans le cas de tuyau de petit diamètre., le passage de fluide de re- froidissement est généralement suffisamment rapide pour que le tuyau reste rempli de fluide de refroidissement sans ces artifices. Dans certains cas, il est également utile d'employer un agent de refroidis-
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senent fluide à l'intérieur du tuyau sous une pression généralement de l'ordre de 50 livres/pouce carré (3,5 kg/cm2)).afin que le tuyau obtenu conserve une section tr.ansversale circulaire.
La section Chauffée du mandrin doit être maintenue à une température supérieure au point de fusion du polymère extrudé. Vu l'espace réduit disponible pour l'appareil de chauffage à résistance électrique et, par conséquent, la capacité de chauffage limitée du mandrin et à cause des pertes thermiques inévitables du mandrin au système de refroidissement, le maintien de cette température pré- sente parfois certaines difficultés. Dans ces cas, l'exécution du procédé peut être facilitée enAugmentant la température de l'eau de refroidissement. On notera toutefois que la température de l'eau de refroidissement doit être bien inférieure au point de solidifi- cation de la matière thermoplastique choisie.
Dans des conditions d'extrusion .appropriées, le produit extrudé sortant de la filière a une peau intérieure solidifie d'environ 10 à 20 millièmes de pouce (0,25 - 0,50 mm) d'épaisseur, mesurée en Introduisant une sonde aiguille dans la masse fondue au niveau de la filière. Une couche extérieure fondue de matière plastique est présente autour de la peau qui est ensuite de nouveau refroidie de l'intérieur. Si le produit extrudé est complètement refroidi de l'intérieur, on obtient une surface extérieure terne et rugueuse due aux mêmes phénomènes que ceux qui produisent une surfa- ce intérieure rugueuse lorsqu'on utilise une boite de façonnage refroidie.
Un procédé .approprié pour ..améliorer :La surface extérieure du tuyau consiste à faire passer le tuyau extrudé à travers un gabarit s'adaptant étroitement, fait d'une feuille de résine de poly- tétrafluoroéthylène de l/32 à 1/4 pouce d'épaisseur (0,75 à 6 mm).
Ce gabarit lisse la surface et en même temps forme un joint étanche à l'eau. Un courant d'eau est dirigé sur la matière plastique du côté de la feuille de polytétrafluoréthylène opposée à la filière. La couches extérieure fondue du tuyau est -alors lissée et refroidie
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brusquement, ce qui donne une surface brillante et lisse.
D'une manière générale, le refroidissement brusque de la surface extérieu- re doit se produire lorsque la couche extérieure fondue du polymère a. environ 10 millièmes de pouce d'épaisseur, bien que le refroidis- sement puisse être efficacement exécute sur des couches extérieures de matière thermoplastique fondue -allant jusqu'à 100 millièmes de pouce (2,5 mm) d'épaisseur.
Dans le cas de tuyaux à paroi épaisse, il est.avantageux de refroidir brusquement, mais seulement après qu'une couche intérieure solidifiée Assez épaisse (jusqu'à 100 mil- liges de pouce par exemple) se soit formée parce que les contrain- tes créées par le refroidissement rapide de l'extérieur ont tendance à compenser celles imposées par le refroidissement intérieur. Lors- qu'un tuyau à paroi épaisse est fabriqué en refroidissant brusque- ment une couche extérieure épaisse, des vides peuvent se former dans les parois.
Le tuyau extrudé est retiré de la filière par un dispo- sitif d'extraction qui peut être constitué d'un jeu de rouleaux entraînés par un moteur électrique à vitesse réglée et un train d'engrenages ou un autre dispositif d'arrachement connu dans la partie. Les pressions d'extraction sont modérées dans les conditions indiquées plus haut et aucun appareil spécial n'est nécessaire pour cette opération.
Le tuyau sortant du dispositif d'extraction passe dans un laminoir où le diamètre et la longueur du tuyau sont augmentés simultanément tandis que l'épaisseur de paroi est réduite sous l'action de plusieurs rouleaux coniques tournant de façon épicycli- que -autour d'un .évasement dans un mandrin à. l'intérieur du tuyau.
La rotation des rouleaux réduit l'épaisseur de paroi de la matière thermoplastique à raison de 0,1 à 10% de la réduction totale déter- minée d'avance à chaque passe.
L'appareil utilisé pour l'orientation moléculaire biaxiale du tuyau comprend un mandrin qui s'évase vers l'extérieur dans la direction d'alimentation de la masse thermoplastique, plusieurs
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rouleaux coniques tournant de façon épicyclique autour de l'évase- ment du mandrin, un dispositif pour entraîna les rouleaux, un dis- positif pour refroidir le mandrin et un dispositif pour faire passer la masse thermoplastique formant le tuyau sur l'évasement du mandrin dans le sens de diamètre croissant.
La température du tuyau au cours du travail mécanique doit être maintenue à une valeur intérieure au point de fusion de la matière thermoplastique. En outre, le travail méoanique du tuyau s'accompagne d'un dégagement de chaleur, de telle sorte qu'il est nécessaire de refroidir le mandrin, particulièrement sa section évasée, à une température bien en dessous du point de fusion de la matière thermoplastique.
Le rapport de déformation dans le sens axial est défini ci-.,après par le rapport entre la longueur finale du tube divisé par la longueur initiale de la masse formant le tube. Si la densité de la matière plastique est supposée constante, (ce qui est expé- rimentalement le cas dans les limites du troisième chiffre signi- ficatif pour de nombreux types de polymères qui ont été étudiés) ce rapport est égal .au rapport entre la section transversale de la aasse formant le tuyau et la section transversale finale du produit.
Le taux de déformation dans le sens pérphérique est le rapport entre l'épaisseur de paroi initiale de la masse formant le tuyau et l'épaisseur finale divisé par le taux d'orientation axial.
Les définitions données ci-dessus permettent d'effectuer des mesures du degré de déformation sur la base du diamètre et des épaisseurs de paroi de la masse avant orientation et du produit fini. Ces définitions sont -également en accord avec les définitions courantes de taux de déformation dans des feuilles, c'est-à-dire le rapport entre la longueur finale et la longueur initiale.
Lorsqu'on lamine une matière en feuille, les contraintes extérieures principales se disposent dans un plan passant par les axes des rouleaux et aboutissent à une déformation essentiellement
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uniaxiale de la matière plastique. En outre, les forces de compres- sion des rouleaux engendrent un système de contraintes biaxial., de telle sorte qu'une certaine orientation blaxiale se produit. Les limites réelles de la réduction d'épaisseur par passe de rouleau sont également tirées de considérations pratiques.
Si le rouleau tournant .autour du mandrin tourne lentement par rapport à la vitesse d'alimentation de la masse constituant le tuyau, le motif de laminage en hélice sera déformé et ne produira pas la bonne .appro- nation désirée d'un véritable 1-minage périphérique. Le produit obtenu aura tendance à être déforma et d'une épaisseur non unifor- me. La pression nécessaire pour faire avancer la masse augmente également très rapidement lorsque la vitesse du laminoir est réduite.
Le résultat final est une trop grande réduction d'épaisseur due au laminage par passe qui a également tendance à déformer le tube.
D'autre part, on rencontre des difficultés si le laminoir tourne trop rapidement par rapport à la vitesse d'alimentatio. Des quantités de chaleur considérables sont dégagées .au cours du Laminage et cette chaleur doit être dispersée par un refroidissement uniforme et efficace du mandrin. Si l'alimentation est .arrêtée et qu'on laisse tourner le laminoir, même les matières thermoplastiques à point de fusion élevé, comme les polyamides, sont fondues par la chaleur pro- duite par le laminage en dépit d'un refroidissement efficace du mandrin. A nouveau, d'un point de vue pratique, il est nécessaire de fabriquer des tuyaux à une vitesse déterminée et de préférence à une vitesse aussi grande que possible dans les limites imposées par les propriétés désirées.
En ce qui concerne le diamètre final du tuyau, celui-ci est largement déterminé par le diamètre de la partie la plus large du mandrin, bien qu'un faible retrait ne dépassant généralement pas 4%, et dans de nombreux cas inférieur à 4%, se produise après que le tuyau Laminé a quitté le mandrin. Ce retrait dépend de la matière plastique utilisée, de la quantité de travail nécanique et de l'efficacité du refroidissement. Le degré d'extension dans
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le sens périphérique peut être facilement déterminé par la forme du mandrin et par les diamètres de la masse employée.
Le rapport d'extension axial peut être varié une fois que le rapport d'orientation périphérique a été déterminé par les dimen- sions des rouleaux et du mandrin et peut être réglé dans une gamme raisonnable par un déplacementaxial du mandrin au cours duquel la. surface du mandrin se rapproche ou s'éca. te du rouleau.
En pratique, les rapports d'extension axial et périphéri- que ne sont pas variables indépendamment dans une gamme indéfi- nie par suite de la géométrie d'un tube. La limite théorique est imposée par le fait que la dimension minimum de la masse servant à former le tube est un lingot solide de matière plastique non orientée.
Dans ce cas, un tuyau d'un diamètre d'ensemble D et d'une épaisseur de paroi T peut avoir des rapports d'extension axiale X et d'extension périphérique Y limités par l'équation
XY2 = D/T - 1
Certaines propriétés telles que la résistance à la trac- tion ne sont pas dans un rapport linéaire .avec les rapports d'exten- sion, toutefois, et par conséquent les rapports d'extension néces- saires pour produire le rapport de résistance à la traction axiale/ périphérique de 2 diffère d'un polymère à l'autre et l'extension maximum dans chaque sens varie de façon correspondante.
Les figs. 3 et 4 sont une vue en élévation et en bout d'un laminoir suivant l'invention. Le rouleau 29 du laminoir est attaché à son arbre moteur 30 par une clavette 31 et une vis 32.
L'arbre 30 tourne librement dans des paliers 33 et 34 qui supportent l'arbre et le rouleau et sont à leur tour fixés sur un châssis 35.
Un pignon conique 36 fixé sur l'arbre 30 par la clavette 37 et l'écrou de blocage 38 est monté de l'autre côté du châssis 35. L'en- semble du pignon et du rouleau est monté sur la plaque 35 peut être déplacé à l'aide d'une rainure et d'une languette sur la plaque centrale 39 qui est fixée de façon rigide sur l'arbre moteur creux 40. A loutre extrémité, la plaque 35 est supportée par la tige
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41,; des vis de blocage étant prévues pour fixer la tige 41 sur la plaque 35. Deux autres ensembles de rouleaux identiques à celui décrit ci-dessus sont places à 1200 l'un de 1-'autre -autour de l'axe principal du laminoir.
Ces ensembles sont supportés par le châssis commun 39 et par des barres 42, 43 et 44 qui supportent la tige 41 et ses équivalents, étant fixés à ces barres par des paires de goupilles coniques 45, 46, 47, 48, 49 et 50. Le pignon 36 (et ses équivalents) tournent de :façon épi cyclique autour de l'entour de l'engrenage fixe 51 qui à son tour est boulonné sur le châssis por- teur 52. Le cylindre acteur 40 est supporté par le palier 53 attaché ! au châssis 52 et par un second palier et châssis 54 attachés en .arrière du palier 53. Entre les paliers 53 et 54 un anneau de poussée
55 est fixé sur l'arbre moteur creux 40 supportant ainsi les rouleaux' contre la poussée axiale.
Une roue dentée 58 est également attachée à l'arbre moteur 40 en arrière du second palier 54. Cette roue consti- tue un moyen d'entraîner le laminoir par l'intermédiaire d'un moteur à vitesse variable et d'un train d'engrenage (non représenté sur 1a Fig. 3). Lorsqu'on fait tourner l'arbre 40, lsemble constitué par les rouleaux et pignons et engrenages est entraîné épicycliquement autour de l'engrenage central 51.
Le rouleau 29 et ses équivalents présentent deux surfaces coniques 59 et 60. L'ensemble de la réduction d'épaisseur est effec- tué par l'action de laminage de la surface de rouleau 59 sur la sur- face essentiellement conique du mandrin non représenté sur ces dessins. La seconde surface 60 assure une action de serrage initiale dans la partie cylindrique du mandrin de façonnage et facilite le fonctionnement de l'appareil.
Pour la simplicité de la description, on supposera que les .axes des rouleaux, des arbres et des engrenages recoupent l'axe principal de l'appareil. Dans ce cas, 1'.action des rouleaux sera comprise en reliant un cône défini par la ligne de contact de l'en- grenage central avec un sommet déterminé par le point d'intersection de l'axe des rouleaux planétaires avec l'axe principal de la rachi -
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na tout entière. Le système planétaire est donc un système de cônes roulant sur ce cône central, les sommets de tous les c8nes étant coincidants et les cônes planétaires étant définis par leurs engre- nages respectifs. Si la surface des rouleaux se trouve à la surface de ces cônes planétaires* roulants., Inaction est alors un mouvement da roulement simple.
Cependant, si la surface des rouleaux se trouve sur un cône .ayant le même sommet que le cône planétaire roulant mais un angle au sommet plus grande on introduit alors une composan- te de force de cisaillement perpendiculaire à la ligne de contact et qui tend à faire -avancer la matière thermoplastique sous les rouleaux. Cette situation peut être appelée "suravancement", ce qui signifie que la surface du cône est entraînée plus rapidement que la vitesse requise pour un véritable contact de roulement. Un faible degré de suravancement est un avantage certain pour le laminage de nombreux tubes de matières thermoplastiques. Les rouleaux repré- sentés aux Figs. 3 et 4 sont construits de façon à procurer ce suravancement.
Les axes de rouleaux sont déplacés latéralement de f4çon qu'ils ne se recoupent pas sur l'axe du laminoir mais passent par l'axe principal et que la plus petite distance soit de 1/10 à 1/1 du diamètre de la masse du tuyau à l'axe principal. Ceci in- troduit une composante de force qui tend à faciliter l'introduction de la matière plastique dans les rouleaux. L'importance de ce déca- lage ne dépasse en général pas le rayon du tuyau.
Une caractéristique des rouleaux qui facilite l'action d'alimentation de ce décalage est la présence d'une seconde surface conique qui exerce un léger laminage avant que la matière formant le tube entre en contact avec la portion évasée du mandrin. La force axiale requise pour pousser la matière dans le laminoir est forte- ment réduite par cette caractéristique associée -au décalage.
Passant à présent à la Fig. 5, on y voit une coupe d'un mandrin qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention en Association avec le laminoir représenté aux Figs. 3 et 4.
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Ce mandrin comprend une surface extérieure 67 .ayant essentiellement la forme d'un cane tronqué qui aboutit à une section cylindrique 68. Le mandrin est supporté par un tube de métal à parois épaisses 69 auquel il est-attaché. Le noyau intérieur est un tampon conique 70 dans la surface duquel sont découpées une série de rainures circulaires profondes 71, 72, 73 et 74. Une fente est découpée dans chacune des réglons séparant ces rainures, les régions voisines étant fendues à 180 l'une par rapport à l'Autre de- façon à créer un trajet tortueux en dessous de la surface du mandrin.
Des orifices d'entrée 75 relient le premier canal 71 au tube 69 et s'étendent dans la surface extérieure et les orifices de sortie 77 s'étendent dans la dernière région 76 jusqu'à la dernière rainure 74 de façon à assurer la sortie de l'eau de refroidissement.
Lorsque le mandrin est utilisé dans l'alignement de l'ex- trudeuse, il peut être désirable de faire passer l'eau dans le man- ; drin par l'espace annulaire ménagé entre la tige de support et la surface intérieure du tube.
La Fig. 6 est une vue d' ensemble du laminoir et de l'extru- deuse. La sortie d'une extrudeuse 78 est équipée d'une tête 79.
La matière thermoplastique est introduite dans la trémie 80 de l'extrudeuse et plastifiée par rotation d'une vis d'extrusion puis poussée dans la pièce transversale sous l'action de la @is. A l'in- térieur de la tête, un passage annulaire est défini par la partie extérieure de la filière et par un noyau intérieur refroidi à l'eau 81. L'eau de refroidissement est amenée au noyau par le tube 82.
A la sortie, l'eau quitte l'espace annulaire entre le mandrin et le produit extrudé 83 et sert à refroidir le mandrin central .évasé du laminoir. La matière thermoplastique est donc extrudée sous forme d'un tube ayant un diamètre inférieur et une épaisseur de paroi supé- rieure à ceux du produit final désiré.
Lorsque la masse quitté l'extrudeuse, elle est serrée et poussée en avant par des rouleaux 84 vers le laminoir. Le laminoir comprend le mandrin refroidi par l'eau 85 qui est supporté au centre du cône refroidi de :La filière par la. tige 94. L'eau de refroi-
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dissement légèrement chauffée par le noyau d'extrusion interne s'écoule par le passage -annulaire formé entre la tige et le produit extrudé plastique 87, de là à travers et .autour de l'évasement du mandrin et sort par le tube formé 86 servant sinai à refroidir le mandrin.
La masse 87 est poussée dans le laminoir par le même dispositif de serrage qui sert à retirer le tube de l'extrudeuse.
Les rouleaux 88 qui servent à réduire la masse à l'épaisseur désirée sont entraînés par le système d'engrenage épicyclique 89, les rou- leaux étant entraînés par la rotation de l'arbre 90 qui à son tour est entraîné par le train d'engrenage 91 et 92 relié à une source de force motrice appropriée par exemple un moteur électrique à vites- se variable 93.
En ce qui concerne les dimensions du mandrin, le diamètre est clairement déterminé par le diamètre du produit désiré et par le système de rouleaux. Le mandrin est de forme conique lorsque des rouleaux coniques sont utilisés. L'angle inclus du mandrin doit être plus grand de 3 que l'angle inclus des rouleaux afin d'obtenir de bons résultats. Un .angle inclus d'environ 45 donne des résultats excellents, mais l'angle inclus peut ne pas dépasser 20 ou -attein- dre 70 pour différentes formes de l'invention. L'angle est détermi- né en partie par la nécessité de n'effectuer qu'une faible réduction d'épaisseur par passe de chaque rouleau pour établir un système de force essentiellement biaxila.
La réduction d'épaisseur par tour est donnée par l'expression
EMI15.1
Réduction/tour * et la réduction par passe de chaque rouleau est obtenue en divisant cette formule par le nombre total de rouleaux. # test la réduction totale d'épaisseur de l'ensble de la masse formant le tuyau., exprimée en pouces, f est la. vitesse d'avancement de la masse, en pouces par minute., R est le nombre de tour par minute de la tête de laminage et L la longueur -axiale de la partie évasée du mandrin, en pouces. Les rouleaux sont de préférence décalés de façon que leur
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;axe ne recoupe pas l'.axe du laminoir.
Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la plus petite distance entre les roui .-aux et le mandrin décroît linéairement avec la distance dans le laminoir.
..Ainsi, lorsqu'on utilise des rouleaux coniques avec un mandrin d'un angle de 45 , le mandrin ayant un diamètre maximum de 2,193 pouces (56 mm) et un minimum de 1,180 pouce (30,1 mm) et si l'on déplace l'axe des rouleaux de 5/8 de pouce (15 mm) de l'axe principal, on constate que la surface du cône du mandrin doit être concave avec un rayon de courbure de 6 pouces (152 mm) dans une construction géomé- trique basée sur des dessins à l'échelle.
La température du mandrin 85 doit rester uniforme pour assurer l'uniformité du produit. Il est préférable que le mandrin soit chauffé à une température d'environ 60 C pour la plupart des matières thermoplastiques* Une réduction brusque des besoins de force motrice pour le laminage et une .amélioration de la qualité de surf=ce du tube achevé seproduisenetlors que la température du man- drin est augmentée jusqu'à 60 C environ, la température exacte variai plus ou moins suivant la matière plastique. Au-dessus d'une tempé- rature de mandrin d'environ 60 C, la puissance nécessaire pour entraîner le laminoir reste pnatiquement inchangée usqu'à ce qu'on se rapproche du point de fusion cristalline.
Il est essentiel que la température du mandrin soit maintenue bien en dessous du point de fusion cristalline de la matière thermoplastique fabriquée afin d'empêcher la fusion de la matière par le travail mécanique fourni. D'une manière générale, le fluide de refroidissement amené au mandrin doit être maintenu au moins à 50 C en dessous du point de fusion cristalline du polymère.
Le procédé de l'invention peut être modifié sous plusieurs rapports. Par exemple, le diamètre de la masse peut être .augmenté en faisant passer la masse par deux ou plusieurs laminoirs succes- sifs. On peut également exercer une traction sur la ma,se afin d'assurer une extension par traction en même temps qu'une extension par compression et mettre la masse et le tube obtenus sous pression d'un gaz inerte pour faciliter l'avancement de la mass dans le
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laminoir.
En général, le laminoir peut compter un nombre de rouleaux indifférent mais a de préférence trois rouleaux parce que cet agen- cement possède un effet auto-centrant qui permet la formation d'un tuyau uniforme. Toutefois, lorsqu'on fabrique des tuyaux de grand diamètre et particulièrement lorsqu'on désire réaliser une réduction considérable de l'épaisseur, il peut être plus avantageux d'utiliser un nombre de rouleaux plus important Afin d'obtenir le degré requis de travail avec la vitesse de rotation minimum.
En ce qui concerne les motières polymères qui peuvent être transformées en tuyaux par le procédé de l'invention, on com- prendra. que n'importe quel polymère thermoplastique susceptible d'être transformé en tuyau par extrusion d'une masse fondue peut être traité suivant l'invention.
En particulier, les polymères sui- vants conviennent pour le procédé: Polyamides tels que polyhexamé- thylène adipamide, polyhexaméthyle sébaçamide et polycaprolactame., polyoxyméthylènes tels que polyoxyméthylène dicarboxylate, polyozy- méthylène diéther, et polyoxyméthylène glycols} polyéthylène à basse densité, à degré de ramification élevé, polyéthylène à densité élevée, polypropylène, copolymères d'éthylène .avec des monomères vinyliques tels que l'acétate de vinyle, vinyl méthyl éther, styrène, divinyl benzène., et 1-oléfines contenant -; à 20 atomes de carbone, téréphtalate de polyéthylène glycol, et résines de polyester analo- gues et résines de polycarbonate.
De petites quantités d'additifs tels que des pigments, des charges, des .antioxydants, des agents protecteurs contre les rayons ultraviolets, des agents de démoulage, etc. peuvent être ajou- tées .aux polymères cités sans modifier le procédé de l'invention.
Les exemples qui suivent illustrent le procédé de l'inven- tion, mais ne la limitent pas.
EXEMPLE I. - Fabrication d'un tuyau en résine de polyoxyméthylène,
On utilise pour l'extrusion d'un tuyau dans un appareil
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semblable à celui des Figs. 1 et 2 décrites plus haut une résine de
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polyozyméthylène dlacétate à poids moléculaire élevé décrite dans le brevet anglais n 770. 717. La résine thermoplastique est plastifiée et pompée dans la pièce transversale à l'aide d'une extrudeuse de 2 ponces (50 mm) équipée d'une vis de compression graduelle 20/1.
Le mandrin à l'intérieur de la pièce transversale a un diamètre extérieur de 1,050 pouce (26 mm) et une longueur totale de 3-1/2 pouces (82 mm), la longueur de la partie refroidie étant 1-1/4 pouce (31 mm) et dépassant d'1/4 de pouce (6 mm) de la filière. L'Alésage de 1'extrudeuse est maintenu à une température de 190 C, la tempéra- ture de la filière est 195 C. On obtient des tuyaux d'excellente qualité ayant une surface intérieure brillante à la vitesse de 24 pouces (60 cm) par minute- L'épaisseur de paroi du produit est d'en- viron 150 millièmes de pouce (3,7 mm). La pression de la masse fondue mesurée à l'intérieur de la pièce transversale est 1200 livres/pouce carré (84 kg/cm2).
Dans d'autres essais, la pression de la masse fondue varie de 800 livres/pouce/carré à 2350 livres/pouce carré
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(56 kg/#,2 - 165 kg/cra ) sans détérioration de la qualité du tuyau.
LE II. - Fabrication de tay-aux en régine e -polyheMaétl.ylèU!2 :gdlpamidr,,.
On fabrique des tuyaux d'excellente qualité dont l'inté- rieur est parfaitement lisse à partir d'une résine de polyhexaméthy- lène adipamide à poids moléculaire élevé (viscosité en solution, mesurée par ASTM D-789, comprise entre 225 et 275). Le même appareil que dans l'exemple précédent est employé dans les conditions suivan- tes : Température de l'alésage 280 à 300 C, température de la filiè- re 290 à 300 C et température de la pièce transversale 290 C.
La pression d'extrusion est 750 livres/pouce carré (52 kg/cm2) mesurée à la pièce transversale. La vitesse d'extrusion est 23 pou- ces (58 cm) de tuyau par minute. Les compositions de polyamide sont sensibles à l'oxydation et à la décoloration à température élevée.
L'aspect du produit est fortement amélioré en maintenant le tuyau chaud sortant de la filière dans une couche d'azote jusqu'à ce qu'il
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ait refroidi à 200 C environ. Les dimensions du produit sont: Diamètre extérieur 1,365 pouce, diamètre intérieur 1,000 pouce (34,9 - 25,4 mm).
EXEMPLE III. - Fabrication de tuyaux en Tésine de polyéthylène à haute densité.
On obtient des tuyaux de bonne qualité à partir d'une résine de polyéthylène à haute densité dont la densité (mesurée après conditionnement d'un échantillon refroidi brusquement à 100 C pendant 1 heure) est de 0,94 g/cm3 et dont l'indice de fusion mesuré par ASTM D-1238 est environ 0,5. L'appareil est le même que dans les exemples précédents. Les conditions d'extrusion sont : Tempéra- ture de l'alésage 180-190 C, température de la pièce transversale de la filière 190-200 C, le tuyau est formé à la vitesse de 18-1/2 pou- ces (470 mm) par minute.
EXEMPLE IV. - Fabrication de tuyaux orientés biaxialement en résine de 1 méthylène.
Le polymère utilisé dans cet exemple est une résine de polyoxyméthylène caractérisée par un poids moléculaire moyen supé- rieur à 15.000 et une constante de dégradation thermique à 222 C de moins de 1% en poids par minute, comme décrit dans le brevet américain n 2.768.994.
La masse est extrudée à un diamètre intérieur de 1,185 pouce (30,1 mm) et à un diamètre extérieur de 1,615 pouce (41 mm) et une épaisseur de paroi de 0,215 pouce (5,5 cm) suivant le pro- cédé décrit plus haut. Cette masse passe dans un laminoir en substance comme décrit plus haut et comme représenté aux Figs. 3, 4 et 5 des dessins annexés. La section évasée du mandrin mesure 1,593 pouce (40,4 mm) dans le sens de la longueur et son diamètre est de 1,180 pouce (30 mm) au petit bout et de 2,195 pouces (56 mm) au grand bout.
La surface conique du mandrin présente un angle
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inclus de 31 sur une dis"""""'''''''' .;1"" vK vüC. l ^""1 """--ft+ inclus 31 sur une distance de o,485 pouce z- ¯, rsm) --"""' .....':(u..&..1.'" au petit bout de la surface conique et un angle inclus de 40 pour
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le reste de l'évasement, ce qui correspond donc à peu près à une surface concave d'un rayon de 6 pouces (152 mm) déterminé comme idéal pour les rouleaux de ce laminoir. Les axes sont décalés de 5/8 de pouce (15 mm) hors de la ligne des centres du laminoir, ce qui facilite l'avancement. Lc mandrin est refroidi à l'intérieur par un courant d'eau rapide (5 à 10 gallons par minute - 19 à 38 1/min) maintenu à une température d'environ 60 C.
Le mandrin est réglé à l'écartement désiré à l'aide d'une vis .agissant sur la barre de tension supportant la tête évasée. La tête est vissée jusqu'à ce qu'elle soit en contact .avec les rouleaux puis retirée de façon à laisser un espace -axial minimum de 0,110 pouce (2,7 mm). La masse est introduite dans le laminoir à la vitesse de 6-1/2 pouces (165 mm) par minute à une vitesse de 144 tours/minute. Le tuyau obtenu a une surface intérieure et extérieure lisse brillante, un diamètre extérieur de 2,378 pouces (50 mm), un diamètre intérieur de 2,135 pouces (54 mm) et une épaisseur de paroi de 0,120 pouce (3 mm).
Les rapports de déformation ainsi obtenus sont donc: axial 1,11; périphérique 1,61. Dans le tableau I, les propriétés du tuyau obtenu sont comparées à celles d'un tuyau extrudé de la même manière à des dimensions comparables, mais non orientées par le procédé de laminage' décrit ci-dessus.
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TABLEAU I. TARLE4U Propriétés des tuyaux de polyoxym6thyléne extrudés et orientés t.
Extrudé Orienté Propriétés AT1:Al PériDhé;t"ioue ..6.Tia,l PérIphériQue ' Résistance à la flexion livres/pouce carré Résistance finale livres/ ; pouce carré 9600 8100 8500 14.000 Allongement, % 30 20 60 50 Résistance aux chocs par chute d'un poids en pieds/livres à la tempé- r.ature ordinaire 27 67 Fragilité à basse tempé- rature -28 C -58 C Résistance à l'éclatement 10 hrs.4100 5600 45 C dans l'eau 100 hrs.3050 4300
1000 hrs.2250 3400
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EXEMPLE V. - tuyaux orientés biaxialementen Nylon 66 - (polyhexaméthylène-adipa- mide).
Une masse pour la fabrication de tuyaux est fabriquée à partir d'un polyhexaméthylène adipamide à poids Moléculaire élevé, qualité pour extrusion. Le mandrin est refroidi avec de l'eau à 60 C et de l'huile est -amenée à l'extérieur de la masse passant dans le laminoir. Les autres conditions d'expérience sont les mêmes que dans l'exemple précédent. Les dimensions de la masse initiale de fabrication du tuyau sont 1,170 pouce (30 mm) de diamètre interne, 1,580 pouce (40 mm) de diamètre extérieur et une épaisseur de paroi de 0,205 pouce (5 mm). Après dilatation sur le mandrin, le tuyau a un diamètre interne de 2,140 pouces (29 mm), un diamètre externe de 2,370 pouces (34,9 mm) et une épaisseur de paroi de 0,115 pouce (2,9 mm).
L'espace du mandrin a été réglé comme décrit plus haut à une distance de 0,115 pouce (2,9 mm). On utilise une vitesse d'ali- mentation de 10 pouces (254 mm) par minute avec 156 tours par minute de laminoir. Les taux de déformation sont donc 1,13 dans le sens longitudinal- et 1,63 dans le sens périphérique.
Dans le Tableau II, un tuyau de Nylon fabriqué suivant ces indications et un tuyau de Nylon extrudé à des dimensions com- parables mais non laminé possède les propriétés suivantes:
TABLEAU II.
Propriétés de tuyau blaxialement orienté en polyhexaméthylène adipomide.
Extrudé Orienté Essai Axial Périphérique-Axial Périphérique Résistance à la flexion livres/pouce carré 6000 5500 15.000 Résistance à l'éclatement 10 hrs. 3200 5500 livres/pouce carré 100 hrs. 2700 5300 45 C dans l'eau 1000 hrs. 2400 5000 Résistance aux chocs par chute de poids (pieds/ livres) C 70 126 Fragilité à basse tempé- rature, C -34 -71
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EXEMPLE VI. -
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Tuyaux de lIolYD:t:QuYlène orientés bi'2lY:f:alement.
Du polypropylène ayant un indice de fusion de 0,39, mesuré par le procédé ASTM D-1238-52-T est extrudé sous la forme d'une masse, diamètre intérieur 0,955 pouce (24 mm), diamètre extérieur 1,344 pouce (34,1 mm) et épaisseur de paroi 0,195 pouce (5 mm). La masse est laminée sur un mandrin dont l'évasement a un petit diamètre de 0,950 pouce (24 mm), un grand diamètre de 1,650 pou ce (42 mm), une longueur de 1,100 pouce (28 mm), le mandrin étant refroidi à l'intérieur par un courant d'huile. Un peu d'huile est également ajoutée à la surface extérieure du polypropylène au cours de son passage entre les rouleaux. Les dimensions finales du produit sont: diamètre extérieur 1,825 pouce (46 mm), diamètre intérieur 1,610 pouce (41 mm) et, par conséquent, épaisseur de paroi 0,107 pou- ce (2,4 mm).
Le rapport de déformation est donc 1,24 dans le sens longitudinal et 1,46 dans le sens périphérique. La résistance à la flexion du tuyau non orients dont les dimensions sont comparables est de 4.300 livres/pouce carré (302 kg/cm ) dans le sens axial et 3.150 livres/pouce carré (221 kg/cm2) dans le sens périphérique, un faible degré d'orientation étant introduit par l'extrusion.
Après orientation, la résistance axiale à la flexion reste à 4.000 livres/pouce carré (281 kg/cm2) environ, mais la résistance à la flexion périphérique augmente jusqu'à 5.800 livres/pouce carré (407 kg/cm2). La fragilité à basse température est de +18 C dans l'échantillon non orienté, mais de -16 C dans la matière orientée.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.