Single srew extrusion study of rubber: experimental approach and simulation
Étude de l'extrusion monovis de mélanges d'élastomères : approche expérimentale et simulation numérique
Résumé
The understanding and the modeling of the physics phenomena involved during the single screw extrusion process of rubber is the aim of this research work. After the formulation of a white rubber compound, different rheological experiments have been performed. Addition of zinc stearate was done on the same compound, in order to increase the slipping effect. We showed that the volume rheology remained unchanged and we suggested different slipping laws, using the classical methods found in the literature. A systematic experimental study was carried out, first of all on an industrial extruder (5 screws, representative of the one used in production), then on a laboratory extruder (simple and modular profiles). Information was obtained through experimental parameters, such as pressure, flow rate, temperature and filling rate. Then, thanks to the experimental results and their interpretation, we were able to compare the performance of different geometries and compounds. Morover, we were able to extrapolate the results from a laboratory to an industrial scale. The one dimensional approach shown the importance of side effects, related to the very pseudoplastic nature of the material. In consequence, the 1D model cannot be used. Then, we moved to a two dimensional FEM method, including different coupling, that was validated step by step. The experimental comparison showed a disagreement between experimental and simulation results. The comparison between a true three dimensional computation and a coupling 2D computation revealed a bigger difference with the decrease of the pseudoplastic coefficient. Like for the 1D approach, the 2D coupled (longitudinal/transversal) approach produced errors for rubber product, due to the very low pseudoplastic coefficient. The future seems to be moving towards a 3D approach. We presented a feasibility study of the flow along screw parts. Comparison with experiment was satisfactory.
La compréhension et la modélisation des phénomènes physiques qui sont mis en jeu au cours du procédé d'extrusion monovis de mélange d'élastomère constituent l'objectif du travail de recherche. Après formulation d'un mélange clair, celui-ci a fait l'objet de plusieurs campagnes d'essais rhéologiques. Le même mélange a été rendu plus glissant par l'ajout de stéarate de zinc. Nous avons pu montrer que la rhéologie de volume restait proche de celle du mélange précédent et proposer différentes lois de glissement, dépendantes de la géométrie, par l'intermédiaire des dépouillements classiques de la littérature. Une étude expérimentale systématique a été entreprise, tout d'abord, sur une extrudeuse industrielle (5 vis différentes représentatives des vis utilisées en production), puis sur une extrudeuse de laboratoire (profils simples et modulaires). Des informations ont été obtenues par le relevé de paramètres tels que la pression, la température, le débit, le taux de remplissage (démontage)... Ainsi, à partir des résultats expérimentaux et de leurs interprétations, nous avons pu comparer les performances des différentes géométries et mélanges, et extrapoler les résultats d'une machine à l'autre. L'approche de modélisation 1D a mis en évidence la grande importance des effets de bord, liée au caractère très pseudoplastique du produit utilisé. En conséquence, le modèle 1D est inutilisable. On s'est alors dirigé vers un calcul en deux dimensions par éléments finis. Il intègre différents couplages qui ont été réalisés et validés au fur et à mesure. La comparaison à l'expérience montre un certain nombre de désaccords. La comparaison entre un vrai calcul 3D et le calcul à deux dimensions couplé montre un écart grandissant lorsque le coefficient de pseudoplasticité diminue. Comme pour l'approche 1D, le couplage longitudinal/transversal est pris en défaut pour des caoutchoucs à cause d'un indice de pseudoplasticité très faible. L'avenir semble donc passer par un vrai calcul tridimensionnel. Nous en avons montré la faisabilité en simulant l'écoulement dans de petits tronçons de vis. L'accord avec l'expérience est satisfaisant.