Extrudeuses de granulés : est-il possible de mélanger directement les granulés avec des additifs ?

L'impression de pellets, également connue sous le nom de fabrication de pellets fondus (FGF), est surtout associée au moulage par injection, mais elle est aussi largement utilisée dans l'impression 3D FDM, notamment dans des conditions professionnelles ou industrielles. Elle permet à l'utilisateur de créer des mélanges personnalisés à partir du polymère de base et des additifs choisis, le tout sous forme de pellets. Le FGF est la méthodologie idéale pour l'impression et le prototypage grand format, ainsi que pour la fabrication du filament lui-même. L'impression 3D avec des pellets nécessite une imprimante 3D équipée d'une trémie à pellets et d'une extrudeuse de pellets, comme l'extrudeuse de pellets Dyze Pulsar à haut débit, qui est compatible avec la plupart des imprimantes 3D à grande échelle ou installée sur des bras robotisés.

L'impression 3D avec des pellets présente de nombreux avantages. Les coûts de production sont nettement inférieurs (de 60 à 90 %) par rapport à l'impression 3D avec filament car les pellets sont plus largement disponibles et moins transformés que le filament, ce qui réduit leur coût et leur temps de production. De plus, la FGF permet d'utiliser des matériaux recyclés et elle convient à l'impression grand format, comme les travaux de construction. Un excellent exemple d'extrudeuse de pellets intégrée à un équipement AM à grande échelle est le robot extrudeur de pellets qui fait partie du système Flexbot de CEAD.

Image 1. Impression 3D grand format de pellets avec le Flexbot de CEAD AM. Source : CEAD.

Compoundage de plastique

Le compoundage des plastiques est une pratique très courante dans l'industrie des plastiques. Elle consiste à mélanger des polymères fondus avec divers additifs pour obtenir des propriétés thermomécaniques améliorées ou avancées. Le mélange est ensuite formé en extrudat (brins de plastique), refroidi, et passé dans le granulateur qui découpe l'extrudat en pellets. Le compoundage du plastique est un excellent moyen d'améliorer les propriétés du matériau d'impression 3D.

Image 2. Un échantillon d'un masterbatch de PETG. Source : Dyze Design.

Cela se fait par l'ajout d'un masterbatch de couleur pour modifier la couleur du polymère, ou d'un masterbatch d'additifs pour améliorer les performances thermomécaniques du plastique (meilleure imprimabilité, débit plus élevé ou plus grande rigidité) ou lui donner des propriétés particulières. Certaines des propriétés qui peuvent être obtenues par le mélange de pellets sont les suivantes :

• Résistance et flexibilité : les polymères peuvent être mélangés à des fibres de carbone ou de verre pour améliorer les propriétés thermomécaniques.
• Tolérance aux UV : la dégradation du plastique peut être ralentie en ajoutant au mélange des composés protégeant des rayons UV.
• Additifs pour la sécurité alimentaire : il faut s'assurer que les plastiques destinés à entrer en contact avec les aliments sont sûrs pour cet usage.
• Caractéristiques antimicrobiennes : le compoundage des plastiques est également utilisé pour fabriquer des mélanges qui inhibent la croissance des germes à la surface du plastique, une caractéristique extrêmement importante en médecine.
• Retardement du feu : certains polymères sont enrichis de substances qui empêchent ou inhibent la propagation du feu, une qualité très utile dans l'industrie automobile ou aérospatiale.
• Détection magnétique : il est possible de mélanger des pellets de polymère avec des pellets détectables magnétiquement pour obtenir un filament détectable magnétiquement.
• Protection contre les décharges électrostatiques (ESD) : en mélangeant des pellets de sécurité ESD avec une base polymère, on obtient un matériau de sécurité ESD.
• Couleur : le compoundage du plastique permet un mélange de couleurs pratiquement illimité.

Le compoundage est effectué par des entreprises professionnelles à l'aide d'équipements spécialisés tels que des co-niveleuses, des vis jumelées (co-rotatives et contre-rotatives) et des mélangeurs internes pour assurer le bon mélange des polymères et des additifs. Le résultat de ce processus est constitué de pellets prêts à être utilisés dans une imprimante 3D équipée d'une extrudeuse de pellets.

Mélange de pellets

Le mélange des pellets est effectué par les vis de mélange mentionnées plus haut. Une vis de mélange comporte trois zones différentes, chacune ayant un rôle à jouer dans le processus de mélange :

1. La zone d'alimentation, par laquelle les pellets sont transportés vers le bas de l'extrudeuse.
2. La zone de transition (compression), où l'air est retiré du mélange de pellets pendant qu'il est chauffé et fondu.
3. La zone de mesure, dont la tâche est de faire monter la pression et de stabiliser le débit de sortie.

Il existe des variantes du modèle ci-dessus, avec des vis dont les sections de mesure sont modifiées, comme la vis Maddock, pour améliorer encore le mélange et l'homogénéisation de la masse fondue.

Image 3. Types de vis de mélange, avec les sections (1) d'alimentation, (2) de transition, (3) d'évacuation et (4) de mesure. Source : Dyze Design.

La section de mélange supplémentaire dans la section de mesure de la vis présente des inconvénients (exigences de couple, échauffement dû aux mouvements de cisaillement supplémentaires) et les performances de la vis, voire le rendement, peuvent être affectés.

Le meilleur type de vis pour le mélange des pellets plastiques est la double vis. C'est la solution la plus couramment utilisée dans le mélange des plastiques. Un exemple de vis jumelée est constitué de deux vis qui s'emboîtent et qui co-rotent à l'intérieur d'un baril fermé afin d'assurer un mélange correct de la matière fondue et une production homogène.

Vidéo 1. Une simulation de compoundage avec un système d'extrusion à double vis. Source : EnginSoftSpa.

L'avantage d'une extrudeuse à double vis par rapport à une extrudeuse à vis unique est que dans un système d'extrusion à deux vis, le bon écoulement du matériau ne dépend pas des propriétés d'écoulement du matériau puisque deux vis augmentent l'efficacité du pompage. De plus, dans un système d'extrusion à deux vis, la transition thermique entre le baril et le matériau est plus régulière et plus rapide que dans un système à une vis.

Certaines vis ne contiennent pas la section de mélange afin de réduire le poids et la longueur de la vis. Un exemple d'extrudeuse de pellets dont la vis ne contient pas la section de mélange est l'extrudeuse de pellets Pulsar de Dyze. La Pulsar est dotée d'un mécanisme spécial anti-exsuder ajouté près de la buse. Cet ajout améliore considérablement le mélange en ajoutant un chemin de mélange et une séparation fixe à la matière fondue juste avant qu'elle ne passe par la buse. Outre le mécanisme anti-bouillonnement, la Pulsar possède un bon cisaillement dans la vis elle-même.

Vidéo 2. L'extrudeuse de pellets Pulsar de Dyze au travail. Source : Dyze Design.

Ces deux caractéristiques combinées compensent l'absence de l'étape de mélange dans la vis, et assurent une homogénéisation correcte du mélange de polymères. Une expérience impliquant l'extrudeuse de pellets Pulsar de Dyze, un masterbatch de pellets PETG et 1,6 % de pellets de couleur a donné un résultat satisfaisant, avec une excellente cohérence des couleurs et une homogénéité du matériau.

Image 4 : Une expérience impliquant l'extrudeuse de pellets Pulsar de Dyze, un masterbatch de pellets de PETG et 1,6 % de pellets de couleur. Source : Dyze Design.

Le compoundage plastique par le biais du mélange de pellets est une technologie qui permet non seulement aux fabricants à moyenne et grande échelle de réduire le temps et le coût de production, mais aussi d'avoir un meilleur contrôle sur le mélange de polymères pour des applications spécifiques, puisque des pellets et des filaments spéciaux peuvent être créés à partir de pellets plastiques comme base et de l'ajout d'un masterbatch de couleur ou d'additif.