Systèmes d'alimentation et de dosage des matières premières pour extrusion : aperçu général

Cette page se concentre sur la conception et l'exploitation des doseurs de solides en vrac à l'entrée d'un processus d'extrusion. Le succès d'un processus d'extrusion dépend en effet autant de la conception du système de dosage des matières premières que du profil de vis ultérieur de l'extrudeuse. Une alimentation non contrôlée des matériaux entraînera en effet des problèmes de formulation dans l'extrudeuse et un processus difficile à maîtriser, pouvant même générer des produits hors spécifications.

1. Comment alimenter une extrudeuse en matières en vrac ?

L'apport de matières premières (poudres ou granulés) vers une extrudeuse doit être dosé. Cela peut être réalisé par : un ou plusieurs systèmes de dosage, qui dosent le matériau soit de manière volumétrique, lorsque la précision requise n'est pas trop élevée, soit de manière gravimétrique (perte de poids) lorsque la précision est critique (par exemple, si une réaction chimique se produit dans l'extrudeuse, nécessitant une stœchiométrie spécifique). Cette opération peut être effectuée par différents types de doseurs, tels que des convoyeurs à vis ou des convoyeurs à bande.

Le matériau dosé est généralement acheminé vers l'entrée de l'extrudeuse grâce à une trémie. Comme les gaz (résultant de la compression dans l'extrudeuse ou d'une réaction chimique) remontent vers l'entrée de l'extrudeuse, il est important de prévoir un évent pour évacuer l'excès d'air/gaz et éviter de perturber le dosage et l'écoulement du matériau vers la machine.

2. Mélange des matières premières

Le dosage d'un seul matériau n'est pas très intéressant (sauf peut-être pour compacter une poudre définie). Plusieurs ingrédients doivent donc être dosés vers une extrudeuse afin d'obtenir une formulation répondant aux besoins spécifiques d'une application pour une entreprise (composés plastiques renforcés, extrusion réactive, recettes alimentaires enrichies, etc.).

Une étape de mélange est donc souvent réalisée avant l'étape d'extrusion afin de garantir une bonne homogénéité des matières premières. Une mauvaise homogénéité entraînera en effet une qualité inconsistante du produit extrudé, car l'extrusion a une capacité limitée de mélange rétroactif. Le mélange peut être effectué soit en lot (gâchée), auquel cas le produit mélangé sera dosé vers l'extrudeuse par un seul doseur, soit en continu, auquel cas plusieurs doseurs, dosant chacun un ingrédient, alimentent un mélangeur continu qui décharge à son tour en continu vers l'entrée de l'extrudeuse. Bien sûr, des processus plus complexes sont possibles, où l'un des ingrédients est en fait un prémélange qui a été mélangé avant le dosage vers le mélangeur continu.

3. Différents systèmes d'alimentation pour une ligne d'extrusion

3.1 Mélange en lot (gâchée)

Une méthode simple pour contrôler le ratio des matières premières vers une ligne d'extrusion consiste à avoir une étape de mélange avant le dosage vers l'extrudeuse. Cela peut être réalisé avec un système conventionnel de mélange à sec qui pèsera les différentes matières premières dans les proportions souhaitées, les chargera dans un mélangeur (généralement un mélangeur à ruban, ou un mélangeur à pales), mélangera pendant une certaine durée pour atteindre l'homogénéité requise, puis déchargera les matières mélangées dans une trémie d'où un système de dosage volumétrique ou gravimétrique prélèvera les matières mélangées pour les introduire dans l'entrée de l'extrudeuse.

Figure 1 : Système de mélange en lot (gâchée) et dosage vers une ligne d'extrusion

Ce type de processus présente l'avantage d'être simple à contrôler, tant en termes de mélange que de dosage (un seul doseur) vers la ligne d'extrusion. En revanche, il nécessite de l'espace, des équipements et peut être limité en capacité.

3.2 Mélange continu

L'alternative consiste à éviter d'avoir un mélangeur en lot (gâchée) dans le processus, mais au contraire à inclure un mélangeur continu directement au-dessus de l'extrudeuse. Les mélangeurs continus sont en effet très compacts tout en étant capables d'atteindre des débits volumétriques élevés. Le mélangeur est alimenté en poudre ou en granulés par plusieurs doseurs (généralement 1 par matière première) fonctionnant de préférence en perte de poids (dosage gravimétrique).

Cette option est plus compacte et mieux adaptée aux processus d'extrusion atteignant des capacités élevées. Elle peut cependant être plus difficile à contrôler, car la précision de plusieurs doseurs doit être assurée.

Certaines alternatives peuvent être envisagées :

• Pour les formulations complexes, il peut être nécessaire de faire un hybride entre les 2 processus présentés ci-dessus : les mélangeurs continus peuvent en effet accueillir au maximum 4 à 5 doseurs en perte de poids ; si davantage sont nécessaires, il peut être utile de réaliser un prémélange avec un mélangeur en lot (gâchée) en amont du processus et de doser ce prémélange avec un doseur en perte de poids.
• Dans les composés plastiques, si les granulés ont de bonnes propriétés d'écoulement, il peut être possible d'éviter un mélangeur continu et d'alimenter directement le matériau vers l'entrée de l'extrudeuse, où le mélange induit par la vis d'extrusion sera suffisant pour atteindre la qualité souhaitée.