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.
The present invention relates to an extruder comprising a rotary extrusion screw mounted in a heating cylinder, between a device for supplying raw material to be extruded in the molten state and an extrusion die, a degassing chimney arranged on the cylinder, between a first segment of screw used for melting the material and a second segment of screw used for the discharge of the molten material to be extruded through the die, a first device for adjusting the flow rate of material delivered by the first segment of screw and a second device for adjusting the flow rate of material delivered by the second screw segment to the die.
As is known, in order to ensure correct operation of such an extruder comprising a degassing chimney, it is necessary not only to adjust the flow rate of material delivered to the die by the second screw segment but also to adjust the flow rate. of material delivered by the first segment of screw upstream of the degassing chimney. Indeed, if the material flow delivered by the first screw segment becomes lower than that delivered by the second segment, the die will receive too little material, which will affect the quality (uniformity) of the extrudate. Otherwise, the excess molten material delivered by the first segment will escape through the degassing chimney thus causing an undesirable loss of this material.
This is why it has been proposed to use the two devices to adjust the flow rates of material delivered respectively by the first and second segments of the extrusion screw.
The adjustment devices proposed for this purpose are provided so as to form a pressure control loop at the outlet of the first and second screw segments, with a view to maintaining the corresponding flow rates at a desired value. This solution is based on the mathematical relationship which exists between the pressures which prevail at the outlet of the two segments, hence the need to use relatively complicated calculation means. In addition, the adjustment of the pressure of the material located upstream of the degassing chimney poses several important practical problems.
The object of the present invention is to provide an extruder making it possible to ensure uniform extrusion by simple adjustment of the flow rates at the outlet of the first and second screw segments, and this while obviating the aforementioned drawbacks.
The extruder forming the subject of the invention is characterized in that the first adjustment device comprises a member for adjusting the flow rate of material delivered by the first segment of the screw, a detector placed downstream of this member and in the vicinity of the chimney, a regulator and an actuator acting on this member, that this detector is arranged so as to detect the presence of the material and to deliver to the regulator a detection signal corresponding on the one hand to the presence and on the other hand to the absence of the material, that this regulator is arranged so as to determine, from the detection signal, the value of the degree of filling of the screw opposite this detector, to develop a filling error signal corresponding to the algebraic difference between this value and a determined setpoint value, and to transmit the error signal to the actuator,
that the actuator is arranged so as to control the adjustment member as a function of this error signal and to perform a slaving of the degree of filling to the set value, to which corresponds the desired flow rate of material delivered by the first screw segment, that the second adjustment device comprises a second member for adjusting the flow rate of material delivered by the second screw segment, a pressure sensor disposed upstream of this second member, a second regulator and a second actuator, that this pressure sensor is arranged so as to deliver to the second regulator a pressure signal corresponding to the pressure of the material delivered by the second screw segment,
that this second regulator is arranged so as to deliver to the second actuator a pressure error signal corresponding to the algebraic difference between the value of the measured pressure corresponding to the pressure signal and a setpoint corresponding to a desired flow rate of the extruded material and that the second actuator is arranged so as to control this second member as a function of the pressure error signal and to perform a pressure control to the set value, to which corresponds the desired flow rate of the extruded material, the all so that the two flow rates of material delivered respectively by the first and second screw segments can be adjusted to the same value by the first and second adjustment devices.
The accompanying drawing shows, schematically and by way of example, an embodiment of the extruder according to the present invention.
Fig. 1 shows a schematic view of the extruder according to this embodiment, intended for the extrusion of a plastic material.
Fig. 2 shows a diagram of an adjustment loop of the extruder according to FIG. 1.
Fig. 3 schematically shows part of the degassing zone of the extruder according to FIG. 1.
Fig. 4 shows the evolution of a detection signal delivered during each revolution of the extruder, in the adjustment loop according to FIG. 2.
Fig. 5 shows the evolution of the degree of filling of the extrusion screw in the degassing zone of the extruder.
Figs. 6 to 9 show various embodiments of a detector forming part of the adjustment loop according to FIG. 2.
The extruder shown schematically in FIG. I has a horizontal cylinder 1 heated by a heating device 2, an extrusion screw 3 mounted in this cylinder with a fixed axial position and driven in rotation by a drive device 4, and a feed device 5 intended for feeding the extruder with powdered or granular plastic material constituting, in this case, the raw material intended for extrusion through a die 6. The extruder is also provided with a degassing chimney 7 for 'escape of gases or vapors generated during the melting of the plastic material.
The heating device 2 shown schematically in FIG. 1 can be of any suitable type comprising, for example, electrical resistors surrounding cylinder I and allowing it to be heated to a temperature of the order of 200 ° C., for example.
This temperature is generally sufficient to ensure the melting of the plastic material treated in the extruder. The latter can also be provided with cooling means, not shown, making it possible to maintain the cylinder I at a well-determined constant temperature and this despite any random supply of heat such as the transformation into heat of the mechanical energy supplied by the device. 4 training. The extruder can also be cooled so as to prevent the formation of plugs of partially molten plastic material in the vicinity of the feed device, which plugs can, as is known, constitute an obstacle to obtaining a feed. uniform from this device 5.
The extruder described comprises two adjustment devices, a first device of which is used to adjust the flow rate Qd of the plastic material discharged by a first screw segment located upstream of the degassing chimney 7 and the second device is used to adjust the flow rate Qe of the plastic material forced by a second screw segment and extruded by the die 6. These two adjustment devices are intended to ensure uniform extrusion and this by constantly maintaining the flow rates Qd and Qe at the same value.
The first adjustment device comprises a movable adjustment member 8 of annular shape, arranged so as to be able to slide axially opposite and at a short distance from an annular projection 9 which interrupts the thread 3 'towards the end of the first segment of screw located upstream of the degassing chimney 7. The member 8 and the projection 9 thus form between them an annular passage 10 of small constant section, the axial length of this passage being variable as a function of the axial position of this member 8 relative to the projection 9. The axial displacement of this member thus makes it possible to vary the pressure loss undergone by the plastic material re-trod by the first screw segment, through the annular passage 10. This variation of the pressure loss through the passage 10 allows the flow rate Qd to be adjusted. .
As can be seen from fig. 1 and 2, the flow rate Qd is adjusted by moving member 8, performed automatically by an adjustment loop comprising a detector 11, a regulator Rd and an actuator Ad acting on member 8 of the first control device. setting. The detector 11 is arranged in the degassing zone, in the vicinity of the chimney 7 and, in this case, just upstream of this chimney. it is used to detect the presence of the plastic material appearing opposite it. The function and structure of this detector 11, as well as those of the other parts of the adjustment loop, will be discussed in more detail below.
The second device for adjusting the flow rate Qe of extruded plastic material comprises a movable adjusting member 12 of annular shape, arranged so as to be able to slide axially opposite, and at a small distance, an annular projection 13 arranged on the head of screw 3, at the exit of the second screw segment. The member 12 and the projection 13 thus form between them an annular passage 14 of small constant cross section, the length of this passage also being variable depending on the axial position of this member 12. The latter therefore cooperates with the projection 13 of so as to allow a variation in the pressure drop 'undergone by the material discharged towards the die 6 and, consequently, an adjustment of the flow rate Qe of the extruded material.
As can be seen from FIG. 1 the flow rate adjustment Qe, by the displacement of the member 12, is also carried out automatically in an adjustment loop comprising a pressure sensor 15, a regulator Re and an actuator Ae acting on the member 12 of the second control device. setting.
This sensor 11 measures the pressure of the plastic material, just upstream of the annular passage 14 and transmits to the regulator Re a pressure signal Pe corresponding to this pressure of the material delivered by the second screw segment. The regulator Re comprises a comparator (not shown) which receives, on the one hand, this pressure signal Pe and, on the other hand, a reference pressure signal Pec corresponding to a desired flow rate Qec, and which generates a signal d 'AP pressure error. This error signal AP is transmitted to the actuator Ae, which can be a servo-motor, hydraulic or pneumatic, serving to move the adjustment member 12, as a function of this error signal AP, so as to cause the pressure Pe at the setpoint value Pec corresponding to the desired flow rate.
If necessary, the setpoint signal can be a setpoint flow signal Qec In this case, it will be necessary to associate with the regulator Re a function generator making it possible to determine the setpoint pressure F> ec corresponding to Qec and that according to the characteristic of the second screw segment, which characteristic corresponds to the essentially linear variation of Qe as a function of Pe.
This loop comprising the adjustment member 12 thus forms a pressure control loop serving to maintain the flow rate of the plastic material passing through the passage 14 and extruded through the die 6 at a desired constant value Qec which corresponds to the set pressure. Pec-
As emerges from the foregoing, the regulating members 8 and 12 therefore make it possible to vary the flow rates Qd and Qe, respectively, in a similar manner. However, the closed loop control is obtained differently for the flow Qd than for the flow Qe. Indeed, the described loop for adjusting the flow rate Qe is based on a pressure control, which depends on the relationship which exists between the flow rate Qe and the pressure Pe of the extruded material.
On the other hand, the operating principle of the flow control loop Qd, described in more detail below, is based on the behavior of the material found at atmospheric pressure in the degassing zone located upstream of the stack. degassing 7 and downstream of the annular passage 10 delimited in part by the adjustment member 8.
This flow rate adjustment loop Qd is based on a control of the degree of filling of the screw 3, by the material in the degassing zone located upstream of the chimney 7. In fact, when the extruder is operating normally, there is only a partial filling, by the plastic material, of the space located upstream of this chimney and delimited axially by two successive turns of the thread 3 'of the screw. Figs. 2 and 3 show a mass M of molten plastic material located at atmospheric pressure and partially filling this space between two successive turns sl and s2.
The degree of filling X of the screw, in the degassing zone, is a parameter which can be defined as follows:
X = Vm / Vf where Vm is the volume of the material partially occupying the space between two successive turns of the thread 3 'of the screw, and Vf the total volume of this space.
The flow rate Qe of material delivered by the screw 3 towards the chimney 7 is obviously a function of this degree X of filling of the thread 3 ', so that it is possible to carry out an automatic adjustment of the flow rate Qd by controlling this degree of filling X to a setpoint value Xc corresponding to a desired flow rate Qdc for fixed values of the other parameters which influence Qe, such as, for example, the viscosity of the material and the speed of rotation of the extrusion screw 3.
Before describing in more detail the flow rate adjustment loop of Qd based on such a control of X, it should be noted that the height of the thread 3 'of the extruder screw remains essentially constant between two successive turns sl and s2. Consequently, the volume Vf delimited axially by these two turns is constant and essentially proportional to the pitch xp (see FIG. 3) of the screw 3, at this location. Likewise, the volume Vm is also essentially proportional to the axial length xm of the mass M of material partially occupying the space between the two turns sl and s2 (see FIGS. 2 and 3).
It follows that:
EMI2.1
It is therefore possible to determine the degree of filling X by measuring the length xm, xp being constant.
For this purpose, the detector 11 is placed upstream of the chimney 7 and this at a distance less than the pitch xp of the thread 3 'of the screw 3, in the zone of the latter where the chimney 7 is located.
Fig. 4 shows the evolution of the signal S delivered by the detector 11, as a function of the angular position T of the screw 3.
As can be seen in this figure, the signal Sxd is a logic signal which corresponds to a logic I when either the thread 3 '(see fig. 1 and 3a), or the material M (see fig. 2) is opposite. detector 11.
On the other hand, when neither the thread 3 ', nor the material M is located opposite the detector 11, the latter delivers a signal Sxd which corresponds to a logical 0.
During the operation of the extruder, the axial position of the screw 3 remains fixed, while its angular position v varies uniformly with time, since the extruder screw rotates at constant speed. One thus obtains a movement of the net 3 ′ and of the material M facing the detector 11 so that the latter can detect their successive and cyclical appearances. The arrow F shown in FIG. 3 schematically indicates the direction of this scrolling. It should however be remembered that this arrow serves only to illustrate the relative movement with respect to the detector 11 of the material M forced by the extruder screw 3, it being understood that the axial position of the latter is fixed.
While the net 3 'appears opposite the detector 11 (see FIG. 4), the latter delivers a logic signal 1 represented by the pulse If in FIG. 4. As this figure further indicates, the
signal Sxd becomes a logical 0 when screw 3 continues to turn
and the thread 3 'is no longer located opposite the detector 11. In addition,
when the material M discharged by the screw 3 then appears in front of the detector 11, the signal Sxd delivered by the latter again becomes a logic 1 and is maintained as long as the material M, followed by the thread 3 ', remains opposite the detector. As soon as the rear flank of the net 3 'disappears, this detector delivers a logic 0 signal, the empty part of the net 3' then being again facing the sensor.
As seen in fig. 2, the Rd regulator includes a
integrator 17 which receives the signal Sxd and delivers a signal Xd, cor
responding to the integral of Sxd with respect to time and consti
killing a measure of the effective degree of filling Xd of the 3 'thread
by the plastic material. A comparator 18 receives this signal Xd,
compares it with a reference signal Xc corresponding to a value
desired setpoint Xc of the degree of filling, and delivers a filling error signal AX corresponding to the algebraic difference between Xd and Xc. The regulator Rd finally comprises a switch 19 controlled by a relay 20 which receives the signal Std from the detector 11 and is arranged so as to be energized to close the switch 19 when Sxd changes from a logic 1 to
a logical 0.
Fig. 5 shows the evolution of the signal Xd delivered by the integrator 17 from the moment when the mass M of material appears in
sight of the detector (Sx = I) and until the moment when the rear flank
the reel of the 3 'thread repressing this material disappears, Sxd re
becomes 0, and the switch 19 closes to transmit the control signal AX to the actuator Ad. The latter can be constituted by a hydraulic or pneumatic servo-motor, arranged in
so as to move the member 12 as a function of the control signal AX in order to adjust the axial length of the annular passage 14 and this so that the effective degree of filling Xd becomes
equal to Xc, AX then being equal to zero.
We thus obtain a closed loop control of the
degree X of filling at the corresponding setpoint Xc
at the desired flow rate Qd.
In continuous operation of the extruder, the degree of rem
X-pleating is typically around 50% in the dega
zage located upstream of the chimney 7. Various measurement principles
and embodiments can be envisaged for the detector 11
used to measure the degree of filling.
Fig. 6 schematically shows an embodiment of a
mechanical detector comprising a flexible membrane 21 available
sée in an orifice in the wall of cylinder 1 in the
degassing zone, just upstream of the chimney 7. The mem
brane 21 is arranged so as to project slightly towards the in
of cylinder 1. It activates a micro-switch 22 of
so as to close it when either the 3 'net or the plastic material
that M comes opposite detector 11 and pushes back this mem
brane 21 outward. The detector 11 further comprises
means (not shown) associated with the microswitch 22 of
so as to deliver a detection signal Sxd corresponding to a
Logic 1 when this microswitch is closed and at a logic 0
when opened. This logic signal Sxd is therefore used to determine
the degree of filling X as described above.
Fig. 7 schematically shows an embodiment of a
pneumatic detector for injecting a compressed air jet
me in cylinder 1 of the extruder and this via
a tube 23 opening into the degassing zone and connected to tra
to a valve 24 to a source 25 of pressurized compressed air
constant. for example at 0.1 kg / cm2 above the pressure at
mosphenque. This detector is equipped with a pressure sensor 26
connected to tube 23 and arranged so as to deliver a logi signal
than Sxd.
When the outlet of the tube 23 is clear, as shown
in fig. 7, the air is injected with a determined flow rate and the pressure
measured by the pressure sensor 26 corresponds to a value p1
relatively low. On the other hand, when either the thread 3 'of the screw, or the plastic material M is located opposite the outlet of the tube 23 and closes this outlet, the flow rate of the injected fluid becomes roughly zero and the pressure measured by this sensor 26 reaches a value P2, higher than pl. This sensor 26 is thus arranged so as to deliver a logic signal Sxd corresponding to a logic 1 (at the pressure P2) and a logic 0 (at the pressure p1), this signal being intended to determine the degree of filling as described more high.
Fig. 8 schematically shows an ultrasonic detector comprising, on the one hand, an ultrasonic generator arranged so as to direct ultrasonic wave trains, through the degassing chimney 7, onto the extruder screw 3. On the other hand, the The detector comprises a receiver 28 which receives the reflected waves, either by the core of the screw 3 when it is empty, as shown in FIG. 8, either by the thread 3 'of the screw, or by the mass M of plastic material. The time which separates the emission of each pulse, by the generator 27 from the reception of the reflected pulse, is measured by electronic means not shown, this time obviously being different depending on whether the plastic material M or the net 3 'is find, or not, on the path of the emitted and reflected waves.
These means will be arranged so as to deliver a signal Sxd which corresponds to a logical 1, when the plastic material M (or the thread 3 ') is located opposite the detector 11 and to a logical 0 in the absence of this material or thread 3 '. The logic signal Sxd thus obtained is intended to determine the degree of filling Xd as described above.
Figs. 9a and 9b show, respectively, in longitudinal and transverse section, an optical detector comprising a light emitter 29 directing a beam 30 of light through two transparent windows 31 and 32, towards a receiver 33, comprising a photelectric cell for example. As seen in fig. 9b, these windows 31 and 32 are arranged transversely on the wall of cylinder 1, so that the beam 30 can pass through them along a chord of this cylinder, located in the degassing zone at the level of the net 3 '. Thus, when a turn of the net 3 'or the plastic material M comes opposite the windows 31 and 32, the beam 30 is intercepted and the receiver 33 does not receive light.
This receiver 33 is arranged so as to deliver, in this case, a signal Sxd corresponding to a logic 1. On the other hand, when neither a turn of the thread 3 ', nor the material M is located opposite the windows 31 and 32, the receiver 33 delivers a signal corresponding to a logical 0. The signal Sxd thus obtained is used to determine the degree of filling Xd as described above.
It should be noted that the detector 11 can be made other than described above. In fact, the detection of the presence or absence of the plastic material M and of the turns of the thread 3 'can also be carried out according to other measurement principles.
Thus, for example, the detector 11 can be arranged so as to perform a capacitive measurement, the screw 3 itself being able to form an electrode of a capacitance while another electrode is formed of a metal plate having the shape of 'a segment of the thread 3' of the screw 3 and suspended above this screw in the degassing zone, at the level of the inner surface of the cylinder 1 of the extruder and electrically insulated therefrom. Thus, when this suspended electrode is located between two successive turns of the thread 3 ', a measurement of the capacitance makes it possible to detect the presence or absence of the plastic material M, which is an electric dié.
Likewise, the detector 11 can be arranged so as to perform a radioactive measurement. In this case, a radioactive substance such as krypton can be placed on the core of the screw 3, between the turns of the thread 3 '. while a radioactive radiation sensor can be mounted opposite the degassing stack.
The presence of the plastic material M facing the detector will produce an absorption of the radioactive energy emitted by the screw, thus allowing the sensor to distinguish between the presence and the absence of this material and to emit a signal. corresponding logic Sxd used to determine the degree of filling X as described above.