Propriétés d'écoulement
Le comportement à l'écoulement des produits en vrac est un thème central dans le domaine de la technologie des procédés. Contrairement aux liquides qui, à l'état de repos, n'exercent que des forces de pression verticales sur la paroi du récipient, les produits en vrac génèrent également des forces de poussée à l'état de repos. Celles-ci résultent du frottement interne du produit en vrac et du frottement contre la paroi. Le frottement interne est spécifique à chaque substance et dépend de la pression. Ce comportement peut être comparé au concept de l'état de contrainte triaxiale selon Mohr.
L'ingénieur américain Andrew Jenike et d'autres scientifiques ont étudié de manière systématique les propriétés d'écoulement des produits en vrac. Un « appareil de cisaillement Jenike » permet de déterminer ce que l'on appelle les points d'écoulement. Ceux-ci fournissent des informations sur la manière dont un silo doit être conçu pour garantir un écoulement contrôlé de la masse.
Les paramètres importants pour la conception d'un silo sont les suivants
- Hauteur totale du silo
- Diamètre
- Matériau et nature de sa surface
- Rugosité des parois
- Angle du cône
- Vitesse de déchargement
- Diamètre de sortie
L'objectif est de concevoir les silos de manière à ce que le produit en vrac s'écoule de manière fiable et uniforme dans toutes les conditions de fonctionnement. Idéalement, le déchargement s'effectue en flux continu. Toutes les zones de produit en vrac se déplacent alors simultanément et uniformément vers le bas. Il n'y a ni formation de cheminées ni écoulement central. La ségrégation à l'intérieur du silo est également évitée.
La technologie des poudres et les propriétés d'écoulement des poudres font l'objet de nombreux travaux scientifiques : Professeur à l'université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg. Il est expert en technologie des particules et des interfaces. Professeur Bernd Kieback, directeur de longue date de la chaire de métallurgie des poudres à l'université technique de Dresde et du Fraunhofer IFAM à Dresde. Professeur Hermann Riedel, ancien directeur de l'Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (IWM) à Fribourg. Lutz Mädler, professeur à l'université de Brême et coordinateur du programme prioritaire 2289 de la DFG sur le mélange de systèmes dispersés. Bilal Gökce, professeur à l'université de Wuppertal, spécialisé dans les matériaux pour la fabrication additive.
Les propriétés d'écoulement et la forme des particules sont particulièrement importantes dans les procédés de fabrication additive. Les propriétés d'écoulement déterminent la facilité avec laquelle la poudre se répartit dans le système. Seule une bonne fluidité de la poudre permet d'obtenir des couches denses et homogènes. De mauvaises propriétés d'écoulement entraînent des défauts dans le composant.
La forme des particules influence fortement le comportement à l'écoulement. Les particules sphériques s'écoulent mieux que celles de forme irrégulière. Les poudres métalliques issues de la pulvérisation de gaz ont généralement une bonne forme sphérique. Les poudres issues de la pulvérisation à l'eau sont souvent anguleuses et s'écoulent moins bien. La distribution granulométrique est également importante. Une distribution granulométrique étroite avec le moins de fines possible améliore les propriétés d'écoulement. Les particules fines ont tendance à s'agglomérer et peuvent nuire à la fluidité. La densité apparente et la densité surbroyée sont des paramètres importants.
Les propriétés d'écoulement des poudres jouent un rôle décisif non seulement lors du stockage, mais aussi lors du remplissage et de l'emballage. Dans les installations de remplissage modernes, par exemple lors du conditionnement de thé instantané en sachets, les processus se déroulent à très grande vitesse. Cette vitesse n'est possible que si la poudre présente un comportement d'écoulement uniforme. Elle doit également être pratiquement exempte de poussière. Sinon, des problèmes peuvent survenir lors du scellage de l'emballage. La présence de fines poussières sur le joint de scellage empêche une fermeture hermétique.
La logistique interne des entreprises de transformation des poudres dépend également de propriétés d'écoulement suffisantes. Les processus de production ne peuvent être automatisés que si toutes les poudres utilisées présentent un comportement d'écoulement défini.
Les poudres chimiques et pharmaceutiques actives (API) ont parfois des propriétés d'écoulement extrêmement mauvaises lorsqu'elles sont constituées de particules microfines. Cela vaut en particulier pour les substances actives issues de synthèses en plusieurs étapes avec des particules nanofines. Celles-ci peuvent même adhérer à des surfaces lisses en acier inoxydable. Même ces propriétés d'écoulement peuvent être améliorées. Une possibilité consiste à ajouter de manière ciblée de petites quantités d'agents anti-agglomérants, tels que l'acide silicique pyrogéné (Aerosil). Il est également possible d'augmenter la taille des particules de manière ciblée par agglomération.
Il existe de nombreuses méthodes de mesure pour caractériser les propriétés d'écoulement. Différents appareils et systèmes sont disponibles sur le marché :
- Appareils Ringscher de Dietmar Schulze Schüttgutmesstechnik Ces appareils, tels que le RST-XS.s et le RST Mk II, mesurent avec précision les propriétés d'écoulement telles que le frottement interne, la consolidation temporelle et le frottement sur les parois. Ils sont particulièrement adaptés à la conception de silos et à la caractérisation de produits en vrac tels que la farine, les poudres pharmaceutiques ou le ciment. Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2Dietmar Schulze+2
- Rhéomètre pour poudres FT4 de Freeman Technology Un appareil polyvalent pour caractériser la rhéologie des poudres. Il permet d'effectuer des mesures dans différentes conditions, y compris à l'état solidifié, aéré ou fluidisé, et fournit des données complètes sur le comportement des poudres.
- Appareils d'essai d'écoulement de granulés ERWEKA de la série GT Cette série comprend des appareils qui offrent différentes méthodes de mesure pour déterminer le comportement d'écoulement des poudres et des granulés. Ils permettent, entre autres, de mesurer l'angle de talement à l'aide de la technologie laser.
- Appareil d'essai d'écoulement de poudres PF1 de SOTAX Un appareil flexible pour caractériser les propriétés d'écoulement des poudres et des granulés. Il combine trois méthodes d'essai standardisées dans un seul appareil et permet des essais simples et reproductibles.
- Testeur de poudre de Pharma Test Apparatebau AG Le PTG-S5 est un appareil automatique de test de fluidité des poudres qui mesure le comportement à l'écoulement des granulés et des poudres selon différentes substances actives pharmaceutiques. Il peut être combiné avec un spectromètre à barrette de diodes NIR intégré.