La consommation d’énergie liée à l’extrusion du plastique fait partie de ces coûts que l’on ne remarque vraiment que lorsque la facture apparaît. Si la ligne fonctionne jour après jour, l’impact s’accroît. La vraie question n’est donc pas de réduire quelques pour cent quelque part ; il s'agit de déterminer où va réellement l'énergie. Une fois cette image en place, les moyens de réduire la consommation d’énergie des extrudeuses commencent à sembler spécifiques et réalisables.
Où une extrudeuse utilise de l'énergie
Dans une extrudeuse à vis typique, environ 60 à 70 % de la puissance va au moteur et au système d'entraînement, 20 à 30 % au chauffage du fût (de nombreuses lignes l'estiment à la main) et le reste au refroidissement, aux auxiliaires et aux pertes (Fig. 1). Ces chiffres sont utiles comme point de départ approximatif – et varient sans aucun doute d’une ligne à l’autre – mais ce ne sont pas des règles. Même au sein d'une même ligne, les parts relatives changeront en fonction de la conception des vis, du matériau, du débit, des points de consigne de température et de la manière dont la ligne est exploitée.
Le moteur est parfois décrit comme faisant simplement tourner la vis. Cette description manque la plupart du travail. En fait, l'entraînement doit transporter les solides à travers le baril, les ramollir et les faire fondre, mélanger la matière fondue, créer une pression et vaincre la résistance au cisaillement. L'énergie est consommée dans toutes ces étapes. Une partie devient utile pour fondre et mélanger ; une partie devient de la chaleur qui doit être évacuée par refroidissement. Ainsi, le rendement du moteur et le comportement du processus ne peuvent pas être évalués séparément.
Efficacité du moteur et du variateur
Les machines plus anciennes peuvent encore utiliser des moteurs à courant continu ou des moteurs à courant alternatif standard avec un contrôle de vitesse électromagnétique (qui peuvent fonctionner, mais sont souvent moins efficaces que les entraînements plus modernes). Un variateur de fréquence est désormais une référence courante : il vous permet de faire fonctionner la vis à la bonne vitesse pour la charge plutôt que de la faire fonctionner à une vitesse élevée fixe et de l'étrangler ailleurs. Mais l’avantage pratique va au-delà de l’électricité : un meilleur contrôle de la vitesse améliore la stabilité du processus et réduit l’apport d’énergie mécanique inutile.
Un variateur de fréquence est désormais une référence commune. Cela permet à la vitesse de la vis de correspondre à la charge réelle au lieu de fonctionner à une vitesse élevée fixe et d'être étranglée ailleurs. L’avantage pratique n’est pas seulement électrique. Un meilleur contrôle de la vitesse peut également améliorer la stabilité du processus et réduire l’apport d’énergie mécanique inutile.
Les moteurs synchrones à aimants permanents sont une autre option. Un PMSM peut être plus efficace qu'un moteur à induction triphasé standard, et la différence est souvent plus visible à faible vitesse et à faible charge. Le gain exact dépend de la taille du moteur, du profil de charge, de la méthode de contrôle et du reste de la chaîne cinématique. En pratique, un moteur et un variateur bien adaptés ont plus de valeur qu’un moteur plus gros fonctionnant bien en dessous de sa plage efficace. Une puissance installée plus élevée ne signifie pas automatiquement de meilleures performances. Cela peut signifier des pertes à vide plus élevées, un facteur de puissance plus faible et une consommation d'énergie plus élevée par kilogramme de produit.
Chauffage des fûts et efficacité thermique
Le chauffage du fût est la deuxième charge majeure. Les bandes chauffantes conventionnelles en fonte d'aluminium sont courantes, mais elles ne sont pas particulièrement efficaces. Une partie importante de la chaleur peut être perdue dans l’air ambiant. Dans un atelier chaud, cette perte s’ajoute également à la charge de refroidissement, ce qui constitue une double pénalité.
L'isolation aide. Il en va de même pour les méthodes de chauffage alternatives telles que le chauffage électromagnétique et les serpentins de chauffage infrarouges ou nano-infrarouges. Ces conceptions sont souvent promues pour une efficacité thermique plus élevée, une réponse plus rapide et une température de surface plus faible. Dans certaines comparaisons d'équipements, il a été rapporté que le passage de bandes en fonte d'aluminium non isolées à des appareils de chauffage isolés à haut rendement réduisait l'énergie de chauffage d'environ 30 à 50 %. Ce chiffre doit être traité comme un exemple directionnel et non comme un résultat garanti. Les économies réelles dépendent de la conception du fût, des points de consigne de température, de l'état de l'isolation, des conditions ambiantes et du processus lui-même.
L’efficacité du chauffage est également une question de processus. Si une zone est constamment refroidie alors que le radiateur continue d’ajouter de l’énergie, le problème ne vient peut-être pas uniquement du radiateur. Il peut s'agir d'un cisaillement excessif dans cette zone, d'un mauvais contrôle de la température ou d'une conception de vis qui génère plus de chaleur que ce dont le processus a besoin. Remplacer les radiateurs sans remédier à ces conditions peut laisser de côté une grande partie des économies potentielles.
Conception de vis et optimisation des processus
La majeure partie de l’énergie qui fait fondre le polymère ne provient pas des bandes chauffantes. Cela vient de la vis. Le moteur entraîne la vis et la vis coupe le matériau. Cette énergie mécanique se transforme en chaleur. C'est pourquoi la configuration des vis a un effet si direct sur la consommation d'énergie de l'extrudeuse.
Les blocs de pétrissage, leur angle, leur longueur et leur position influencent tous l'intensité du cisaillement et le temps de séjour. Un cisaillement plus important peut améliorer le mélange dispersif, mais il augmente également la température de fusion et peut augmenter la charge du moteur. Si une zone demande régulièrement de l'eau de refroidissement importante, c'est le signe que la vis génère plus de chaleur que le processus ne peut en utiliser. Le moteur fonctionne, le matériau chauffe et le système de refroidissement élimine la chaleur supplémentaire. D’un point de vue énergétique, c’est une boucle qui mérite d’être examinée.
La conception des vis doit être équilibrée par rapport au matériau, au rendement, aux exigences de mélange et au produit final. Toutes les applications d’extrusion ne nécessitent pas un cisaillement maximal. Parfois, un profil de vis plus doux, combiné à des éléments de mélange appropriés, donne de meilleures performances globales. La formulation compte également. L'ajout d'un lubrifiant efficace ou la réduction de la viscosité de la matière fondue peut réduire le courant du moteur et la chaleur de cisaillement. Le résultat est moins d’énergie électrique transformée en chaleur qui doit ensuite être évacuée.
Capacité de production et énergie par tonne
La consommation d’énergie par tonne est une mesure plus utile que la puissance nominale du moteur. Une grande extrudeuse fonctionnant à faible rendement peut consommer plus d'énergie par kilogramme qu'une machine plus petite fonctionnant à proximité de sa plage d'efficacité. Le même principe s’applique au sein d’une même machine.
Par exemple, une extrudeuse de 75 mm fonctionnant à une petite fraction de sa capacité aura généralement un profil énergétique médiocre par rapport à la même machine fonctionnant plus près de sa plage de sortie conçue. Les chiffres exacts dépendent du matériau, de la vis, de l’entraînement et du profil de température, mais la direction est claire. L’utilisation compte. Il en va de même pour le démarrage, l’arrêt, la purge et les modifications matérielles. Chaque minute d'inactivité consomme encore de l'énergie, et les changements fréquents et inefficaces s'ajoutent au total.
La gestion de la production fait donc partie de la gestion de l’énergie. Planifier des cycles plus longs, réduire les temps d'inactivité, adapter la machine à la tâche et maintenir les paramètres de processus dans une fenêtre efficace peuvent être aussi importants que n'importe quel changement matériel.
Une vue système de la réduction de l’énergie d’extrusion
Une réduction efficace de l’énergie dans l’extrusion du plastique est rarement une solution à un seul composant. Cela provient généralement d'une combinaison de sélection de moteur et d'entraînement, d'efficacité de chauffage du fût, de configuration des vis, de formulation des matériaux, de paramètres de processus, de débit et de gestion de la production. Améliorer un domaine tout en ignorant les autres peut déplacer le problème plutôt que de le résoudre. Par exemple, un moteur à haut rendement peut ne pas générer les économies escomptées si la vis génère un cisaillement excessif et que le système de refroidissement travaille dur pour le retirer. Un meilleur système de chauffage peut ne pas être d’une grande aide si le contrôle de la température est instable ou si le fût est mal isolé.
Pour les fabricants d’équipements d’extrusion, l’efficacité énergétique est étroitement liée à la conception des machines, à la configuration des vis, à la sélection des entraînements et au contrôle des processus. JWELL développe des équipements d'extrusion pour différents matériaux et applications, avec une configuration système adaptée aux exigences de production spécifiques. L'approche pratique consiste à évaluer l'ensemble de la ligne : ce dont le matériau a besoin, ce dont le produit a besoin et comment la machine est réellement utilisée. Cela génère généralement des économies plus durables que la poursuite d’une seule revendication d’efficacité.
La question de savoir où va l'électricité a une réponse technique : dans le variateur, dans les réchauffeurs de fûts, dans le cisaillement et dans les nombreuses pertes qui apparaissent lorsqu'une ligne passe en dessous de sa plage efficace. La meilleure question est de savoir quelle quantité d’énergie nécessite chaque tonne de produit et ce qui peut être changé pour la réduire. Cela déplace l’attention des étiquettes des composants vers les performances du système. Dans l'extrusion, les économies d'énergie les plus fiables proviennent généralement de l'adaptation du moteur et de l'entraînement à la charge, de l'amélioration de l'efficacité thermique, de la conception de la vis pour le processus réel et du fonctionnement de la ligne à un rendement raisonnable avec une gestion de production disciplinée.