Introduction

Pour un tuyau UHMWPE, transformer le polymère en tube n'est que la première partie du problème de fabrication.

Le plus difficile est de maintenir ce tube cohérent sur toute sa longueur.

Un tuyau peut avoir le diamètre nominal correct tout en présentant des variations d'épaisseur de paroi, de densité, de structure interne ou de contrainte résiduelle. Ces variations sont étroitement liées à ce qui se passe avant que le matériau n'atteigne la matrice de formage.

L'UHMWPE rend le problème plus compliqué car son poids moléculaire extrêmement élevé lui confère une viscosité à l'état fondu très élevée et une très mauvaise fluidité à l'état fondu. C'est l'une des raisons pour lesquelles l'UHMWPE est généralement traité par moulage par compression ou par extrusion par piston plutôt que traité comme le polyéthylène conventionnel dans un processus d'extrusion standard.

Pour l'extrusion par bélier, la poudre est compactée par incréments successifs et poussée à travers une filière chauffée. Le résultat de la production dépend non seulement du matériau lui-même, mais également de la régularité avec laquelle la poudre est alimentée, compactée, chauffée et déplacée à travers le système de formage.

C’est là que commence l’uniformité des murs.

La paroi du tuyau est construite avant d'atteindre la matrice

Il est facile de supposer que la matrice de formage détermine l’épaisseur finale de la paroi.

La filière détermine certes le profil, mais la matière entrant dans la filière a déjà traversé plusieurs étapes importantes.

La poudre UHMWPE entre dans la machine et est progressivement compactée par un vérin alternatif. Chaque mouvement du vérin comprime une partie de la poudre et pousse la matière consolidée vers la zone de formage chauffée. Braskem décrit cela comme un tassement et un mouvement successifs de poudre à travers une filière chauffée, la section interne de la filière déterminant le profil final.

Cela crée une situation de production très différente de celle de l’extrusion de vis ordinaire.

Une extrudeuse PE conventionnelle transporte en continu une masse fondue de polymère fluide. Dans l'extrusion à vérin UHMWPE, le matériau est déplacé principalement par déplacement positif et compression.

Si la charge de poudre est incohérente, les conditions de formation peuvent également devenir incohérentes.

Le tuyau ne peut donc pas être contrôlé correctement en regardant uniquement l'ouverture de la filière.

L'emballage en poudre a un effet direct sur le processus de formage

Avant que la poudre UHMWPE ne devienne une structure polymère continue, les particules de poudre doivent être mises en contact étroit.

Le degré et l'uniformité du compactage influencent le comportement du matériau lors du chauffage et de la consolidation ultérieurs.

Une charge de poudre inégale peut créer des différences locales de densité. Lorsque le matériau entre dans la section chauffée, ces différences peuvent affecter la rapidité avec laquelle les différentes régions se consolident.

Ceci est particulièrement pertinent pour les produits à parois-épaisses.

Un tuyau UHMWPE épais ne chauffe pas instantanément toute sa paroi. La chaleur doit se déplacer des surfaces chauffées vers le matériau à l’intérieur du mur. L'UHMWPE a également une conductivité thermique relativement faible, de sorte que la répartition de la température à travers la section doit être soigneusement contrôlée pendant le traitement. Les recherches sur le traitement de l'UHMWPE montrent que le comportement thermique du matériau et sa mobilité limitée à l'état fondu font des conditions de traitement un élément important de la qualité du formage.

L’objectif de production n’est donc pas simplement de « chauffer la poudre ».

Il s’agit d’atteindre des conditions thermiques suffisantes dans toute la section de formage tout en maintenant le contrôle de la pression et des dimensions.

La température doit être suffisamment élevée - mais pas de manière aléatoire

L'UHMWPE ne réagit pas à la température de la même manière qu'un polymère à faible-viscosité.

Son point de fusion est d'environ 155 degrés, mais la fusion complète des particules de poudre nécessite des températures de traitement plus élevées et le matériau présente toujours une fluidité extrêmement médiocre, même au-dessus de son point de fusion.

Cela crée une fenêtre de traitement importante.

Si les conditions thermiques sont insuffisantes, les particules de poudre risquent de ne pas se consolider correctement.

Si le matériau est exposé à des conditions thermiques excessives ou reste trop longtemps à une température élevée, la dégradation thermique devient un problème. La littérature sur le traitement indique également que l'UHMWPE a une mauvaise conductivité thermique, ce qui peut provoquer une accumulation locale de chaleur à l'intérieur du matériau.

Pour la production de tuyaux, le problème ne se limite donc pas à la température affichée sur un régulateur de chauffage.

Le matériau lui-même doit atteindre les conditions thermiques requises dans toute la section de formage.

C’est l’une des raisons pour lesquelles la filière chauffée constitue une partie importante du processus.

La matrice chauffée contrôle le temps de séjour

La matrice de formage fait bien plus que donner au tuyau sa forme finale.

Sa longueur chauffée détermine la durée pendant laquelle le matériau compacté reste dans des conditions thermiques contrôlées avant de quitter la zone de formage.

Braskem identifie spécifiquement la longueur de la zone de filière chauffée, le pas du vérin et la régularité du mouvement du vérin comme facteurs affectant le taux de production.

Considérez ce qui se passe si le mouvement du bélier change.

Un mouvement plus rapide modifie la quantité de matériau traversant la section chauffée par unité de temps. L'histoire thermique du matériau change avec lui.

Un mouvement plus lent fait le contraire.

Cela signifie que la vitesse de production ne peut être séparée du contrôle thermique. Augmenter la puissance sans tenir compte de la capacité de chauffage et de la longueur de la filière peut perturber les conditions requises pour une consolidation cohérente.

Pour cette raison, la production de tubes UHMWPE est un processus coordonné plutôt qu'une simple opération « entrée de poudre, sortie de tube ».

Le mouvement du bélier peut créer une pulsation de processus

Il existe une autre caractéristique qu’il est facile de négliger.

Un système d'extrusion à vérin utilise un mouvement alternatif plutôt qu'une rotation continue de la vis.

Le bélier avance, compacte la poudre et pousse le matériau vers l'avant. Il revient ensuite pour le prochain cycle de charge et de compactage.

Cela signifie que le processus contient un mouvement cyclique inhérent.

Les recherches sur l'extrusion par vérin UHMWPE indiquent que l'alimentation et le compactage intermittents rendent le processus techniquement quasi-continu et que l'action d'emboutissage cyclique peut contribuer aux contraintes résiduelles dans le produit extrudé. Plusieurs-systèmes de piston ont été développés pour réduire les pulsations et rapprocher le processus d'un fonctionnement continu.

Pour la production de tubes, il est donc important de maintenir un mouvement stable du vérin.

Si le mouvement est irrégulier, les conditions de pression et de livraison du matériau peuvent également fluctuer.

L’objectif n’est pas simplement de générer suffisamment de force. La force doit être appliquée de manière répétée et cohérente.

La géométrie de la matrice détermine le profil final du tuyau

Une fois que le matériau est suffisamment consolidé et chauffé, il passe à travers la filière de formage.

La section interne de la filière établit la géométrie tubulaire. Dans la production de tuyaux, cela inclut la relation entre le diamètre extérieur, le diamètre intérieur et l'épaisseur de paroi.

Une modification de la géométrie de formage modifie la répartition des matériaux autour du tuyau.

Pour cette raison, la conception de la matrice doit être considérée en même temps que le matériau qui y entre. Une filière théoriquement correcte ne peut pas compenser une alimentation en poudre instable ou un compactage incohérent en amont.

La filière doit également résister à des charges mécaniques importantes. Le vérin doit surmonter la résistance créée par le matériau UHMWPE hautement visqueux et le frottement associé au processus de formage. Braskem identifie la puissance hydraulique et la résistance mécanique des composants de l'extrudeuse parmi les facteurs affectant la productivité et la qualité du produit.

Le refroidissement peut modifier les dimensions finales

Le tuyau ne cesse de changer dès sa sortie de la filière chauffée.

Le refroidissement provoque la contraction et la stabilisation de la structure du polymère.

Pour une section tubulaire, la surface externe et la surface interne peuvent ne pas connaître exactement le même historique thermique. La vitesse de refroidissement influence donc la stabilité dimensionnelle et les contraintes résiduelles.

Cela devient d’autant plus important que les dimensions des tuyaux et l’épaisseur des parois augmentent.

L’objectif du refroidissement n’est pas simplement de refroidir le tuyau le plus rapidement possible. Il s'agit d'amener le profilé formé dans un état dimensionnel stable sans créer de différences thermiques inutiles à travers le mur.

C'est également la raison pour laquelle les équipements de refroidissement et de façonnage en aval sont considérés comme faisant partie du système d'extrusion à coulisseau UHMWPE lui-même.

Pourquoi l'épaisseur des parois n'est pas contrôlée par un seul chiffre

Lorsque les acheteurs spécifient un tuyau UHMWPE, l'épaisseur de paroi est normalement donnée comme exigence dimensionnelle.

Cependant, lors de la fabrication, le maintien de cette épaisseur de paroi dépend de la combinaison de plusieurs conditions de processus.

C'est pourquoi l'épaisseur de paroi ne doit pas être considérée comme quelque chose qui est « créé par la seule matrice ».

La matrice définit la géométrie, mais la stabilité de l'ensemble du processus de formage détermine la cohérence avec laquelle cette géométrie est reproduite.

Que se passe-t-il si le processus est instable ?

L’instabilité du processus ne produit pas nécessairement immédiatement un défaut évident.

Un tuyau peut toujours paraître lisse de l’extérieur.

Cependant, un traitement incohérent peut affecter l’uniformité dimensionnelle, la consolidation interne et les contraintes résiduelles. Les recherches sur l'extrusion par piston identifient spécifiquement les contraintes résiduelles comme l'une des conséquences du processus de compression intermittente, le recuit étant utilisé dans certains produits d'extrusion pour réduire ces contraintes.

Ceci est particulièrement important pour les tuyaux UHMWPE car le matériau est sélectionné pour des services exigeants tels que le transport de boues abrasives.

La paroi du tuyau doit conserver son intégrité structurelle tandis que la surface intérieure est exposée à un impact continu de particules et à une usure par glissement.

La cohérence de la fabrication est donc liée à la performance du service. L’excellente résistance à l’usure de l’UHMWPE ne peut compenser une mauvaise qualité de formage.

Comment les fabricants surveillent le processus

Une ligne de production stable nécessite des points de contrôle tout au long du processus de formage plutôt qu'une simple inspection dimensionnelle finale.

La poudre brute a besoin d’une alimentation constante. L'étape de compactage nécessite un mouvement stable du vérin. Le système de chauffage a besoin d’une capacité suffisante et de conditions thermiques stables. La matrice de formage doit conserver sa géométrie sous charge mécanique. Le refroidissement doit stabiliser le profil fini.

Le tuyau final peut ensuite être vérifié quant aux exigences dimensionnelles et autres caractéristiques de qualité spécifiées.

Cette approche est plus utile que de s’appuyer sur une seule mesure finale.

Si un tuyau présente un écart dimensionnel, la compréhension de la séquence complète de formage permet de déterminer si le problème provient de l'alimentation en poudre, du compactage, du chauffage, des conditions de la filière ou du refroidissement.

Conclusion

La fabrication de tuyaux UHMWPE ne consiste pas simplement à chauffer de la poudre de polymère et à la forcer à travers un moule.

La partie difficile consiste à maintenir un environnement de formage stable pendant qu'un matériau avec un poids moléculaire extrêmement élevé et une très mauvaise fluidité à l'état fondu est compacté, chauffé, consolidé et façonné.

Dans l'extrusion par vérin, le conditionnement de la poudre, le mouvement du vérin, la longueur de la filière chauffée, les conditions thermiques, la géométrie de la filière et le refroidissement contribuent tous à la structure finale du tuyau.

C'est pourquoi le contrôle de la qualité des parois des tuyaux UHMWPE commence bien avant que le matériau n'atteigne la matrice de formage finale.

Pour un fabricant de tuyaux miniers, le véritable défi de fabrication n’est pas seulement de produire un tuyau UHMWPE aux bonnes dimensions. Elle produit ces dimensions de manière constante d'une section de tuyau à l'autre tout en préservant la structure polymère consolidée qui confère à l'UHMWPE sa résistance à l'abrasion et sa ténacité.

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