Procédé de fabrication des tuiles en terre cuite

Procédé de fabrication des tuiles en terre cuite 

La première étape du procédé est l’extraction des matières premières dans les carrières, en particulier de la terre argileuse. Cette étape est cruciale car elle définit les nuances d’argile qui seront utilisées tout au long du procédé. Les argiles sontchoisies en fonction de leurs caractéristiques plastiques et minéralogiques et vont être garantes du niveau de qualité finale du produit.

La seconde étape du procédé est la préparation de la pâte argileuse. Celle-ci commence par l’émiettage des mottes d’argile et l’ajout de sable. Le mélange obtenu contient environ 70% d’argile pour 30% d’inertes. Le mélange subit ensuite des étapes successives de broyage (réduction granulométrique) à l’aide de broyeurs à cylindres, de désagrégateurs et de malaxeurs. La finesse et la granulométrie sont très importantes car elles influent directement sur la plasticité de la pâte argileuse (capacité à se déformer sans s’endommager).

La matière est ensuite entreposée dans de grandes caves et stockée pendant plusieurs jours. Les écarts de température successifs améliorent la qualité de l’argile, notamment sa plasticité. Il s’agit de la période de desquamation. La matière est ensuite récupérée dans la cave pour être dirigée vers la troisième étape μ l’extrusion. Au cours de cette étape la matière va transiter par le malaxeur, la chambre à vide, le fourreau, le convergent et enfin la filière. Le malaxeur permet d’homogénéiser la pâte avant son passage dans la vis. C’est à ce moment du procédé que les additifs peuvent être ajoutés et que l’hygrométrie est corrigée. C’est une étape critique car les inertes (majoritairement le sable) et l’eau doivent être bien répartis pour obtenir une matière homogène. Dans le cas contraire, il y aura un fort risque d’apparition de défauts dans la suite du procédé (Foudrinier, 2007). La chambre à vide permet de créer la dépression nécessaire à l’évacuation de l’air au sein du mélange argileux. La présence d’air empêche la bonne cohésion de la pâte et se traduit par l’apparition de feuillets à la sortie de la filière. Une fois désaérée, la pâte arrive dans la vis sans fin qui la pousse dans la filière d’extrusion.

L’argile extrudée est ensuite découpée avant d’être mise en forme. La mise en forme de la galette d’argile est réalisée par pressage au cours de l’étape de façonnage. Ces travaux de thèse s’appuient sur cette étape. Elle sera décrite plus en détails dans le premier chapitre de ce manuscrit. Une fois mis en forme, les produits sont séchés. Le séchage s’effectue dans des chambres ou tunnels de séchage dont la température est amenée progressivement à 80-100°C pendant une durée allant de 6 à 72 heures. De l’air chaud pulsé permet d’extraire la majeure partie de l’eau présente dans la tuile. Au cours du séchage, la teneur en eau du produit est diminuée, selon un cycle prédéfini, jusqu’à 3 à 5 %. La mise au point du programme de séchage est délicate car elle doit être adaptée aux matières premières, à la forme du produit et aux types de séchoir.

La sixième étape correspond à la cuisson des produits dans des fours. Elle se fait en trois phases μ le préchauffage, la cuisson et le refroidissement. Le cycle dure entre 12 et 48 heures en fonction du produit avec une température de cuisson comprise entre 900°C et 1200°C. Au cours de cette étape, le matériau atteint ses caractéristiques définitives (résistance mécanique, porosité, résistance au gel, dimensions, couleur…). Au cours de la dernière étape, les tuiles sont contrôlées. Les produits défectueux sont retirés de la ligne de production, tandis que les autres sont palettisées et mis en attente d’expédition aux clients.

Enjeux et attendus industriels

L’étape de mise en forme des tuiles génère, à elle seule, environ un tiers du rebut. Cela représente plusieurs millions de produits par an et par usine. La connaissance et le contrôle de cette étape est donc nécessaire pour améliorer la performance industrielle. De plus, il est très difficile de détecter et d’écarter les produits défectueux dès la sortie de cette étape. Avant d’être mis au rebut, ils subissent donc les étapes de séchage et de cuisson qui sont les principales consommatrices d’énergie.

Les attendus industriels autour de ces travaux de thèse sont multiples. Le premier porte sur la compréhension des phénomènes générateurs de défauts. Les défauts, engendrés au cours du façonnage des tuiles, sont décomposables en cinq familles. On distingue les défauts d’aspect, de couleur, de finition, de cohésion et de fonctionnalité. Un autre enjeu industriel est la mise en place d’un outil de simulation permettant de prévoir l’influence des paramètres du procédé et du produit sur l’apparition des défauts. Les principaux paramètres du procédé portent sur le type d’outillage (ouvert ou fermé, interface métallique ou caoutchouc), la position de la galette dans la presse, l’humidité et l’homogénéité du mélange… Les paramètres des produits portent notamment sur la géométrie, la nature du mélange de fabrication utilisé, la présence d’additifs de surface,…

Les outils numériques

La définition des différentes pathologies de pressage met en évidence une influence majeure des écoulements dans l’apparition des défauts. Pour répondre aux besoins industriels, l’utilisation d’outils numériques apparaît donc indispensable. Dans le cadre de ces travaux, trois logiciels commerciaux ont été utilisés. La majeure partie des travaux reposeront sur l’utilisation du logiciel commercial FORGE® 2009. Il s’agit d’un logiciel de simulation numérique par éléments finis, commercialisé par TRANSVALOR. Il est issu des travaux de recherche conduits au CEMEF (Centre de Mises en Forme des Matériaux) depuis les années 1990. Plusieurs raisons nous ont orientés vers l’utilisation de ce logiciel, souvent décrit dans la bibliographie (Boyère, 1999 ν Aliaga, 2000 ν Cardinaux, 2008 ν Rey, 2007 ν Coupez et al, 2000, …). En effet, il s’agit d’un logiciel métier dédié à la simulation numérique de procédés de mise en forme comme le forgeage à chaud, la frappe à froid,… qui sont des procédés équivalents au façonnage des tuiles à la fois d’un point de vue de la cinématique des outillages et du point de vue du comportement plastique de la matière. Ce logiciel permet le calcul de grandes déformations tout en limitant les temps de calculs. Il repose sur l’utilisation de maillages formés d’éléments simples (triangle et tétraèdre d’ordre 1) et remaillés en cours de simulation (Coupez, 1994). Le module d’optimisation fonctionnant autour d’un algorithme évolutionnaire couplé à un métamodèle (Do, 2006 ν Roux, 2011) permet d’effectuer des analyses inverses. Le second logiciel utilisé est le logiciel commercial IMPETUS AFEA© . Il s’agit d’un logiciel dédié aux calculs numériques nonlinéaires. Il a été développé principalement pour traiter les problèmes dynamiques en grandes déformations. Ce logiciel a été retenu pour simuler le comportement hyper-élastique des membranes en caoutchouc utilisées dans les outillages. Son fonctionnement, basé sur une formulation riche d’éléments NURBS (Hughes et al 2004), permet la simulation de grandes déformations sans remaillage. Enfin, le troisième logiciel utilisé est ABAQUSTM. Il s’agit d’un logiciel généraliste de calculs par éléments finis. Il a principalement été utilisé pour mailler les géométries utilisées dans IMPETUS AFEA© .

Table des matières

Introduction générale
1 Procédé de fabrication des tuiles en terre cuite
2 Enjeux et attendus industriels
3 Les outils numériques
4 Objectifs et démarche scientifiques
5 Structure du manuscrit
Chapitre 1 : Matériau et procédés de mise en forme
1 Composition, structure et élaboration de la pâte d’argile
1.1 Eléments constituants
1.1.1 Matières premières plastiques : les minéraux argileux
1.1.2 Matières premières non plastiques : les inertes
1.1.3 L’eau
1.2 Le mélange étudié
1.2.1 Pourquoi ce mélange ?
1.2.2 Composition du mélange
1.3 Procédé d’élaboration des échantillons
2 Comportement d’une pâte d’argile
2.1 Détermination des limites d’Atterberg
2.1.1 Détermination de la limite de liquidité à la coupelle
2.1.2 Détermination de la limite de liquidité au cône de pénétration
2.1.3 Détermination de la limite de plasticité au rouleau
2.2 Essais de caractérisation de la plasticité
2.2.1 Méthode indirecte
2.2.2 Méthodes directes
2.3 Comportement rhéologique
3 L’étape de façonnage
3.1 Les presses
3.1.1 La presse à barillet
3.1.2 La presse à plateau
3.1.3 L’estampeuse
3.2 Les outils de pressage
3.2.1 Outillage métallique
3.2.2 Outillage à interface caoutchouc
3.2.3 Outillage en plâtre
4 Les pathologies de façonnage
5 Conclusion partielle
Chapitre 2 : Modélisation du comportement rhéologique du mélange argileux
1 Comportements rhéologiques en mécanique des milieux continus
1.1 Définitions et notations
1.2 Comportement élastique
1.2.1 Elasticité linéaire
1.2.2 Déformation élastique non linéaire
1.3 Comportement plastique et viscoplastique
1.3.1 Solide parfaitement plastique
1.3.2 Solide plastique avec écrouissage
1.3.3 Matériau parfaitement viscoplastique
1.3.4 Comportement élasto-visco-plastique
1.4 Critère de plasticité
1.5 Bilan
2 Méthodes et protocoles de caractérisation rhéologique
2.1 Méthode d’identification du comportement rhéologique
2.2 Protocoles d’essais
2.2.1 Essais de compression libre
2.2.2 Essais de flexion quatre points
2.2.3 Essais de cisaillement
2.2.4 Essais de compression confinée
2.2.5 Essais de traction-compression
2.3 Résultats et discussion
2.3.1 Identification du comportement rhéologique du mélange industriel J
2.3.2 Influence de la teneur en eau
2.3.3 )nfluence de la pression d’extrusion
3 Conclusion partielle
Chapitre 3 : Modélisation du comportement aux interfaces
1 Bibliographie
1.1 Modèles de comportement tribologique
1.1.1 Modèle de Coulomb
1.1.2 Modèle de Tresca et de Coulomb limité Tresca
1.1.3 Modèles de Norton
1.2 Les études du frottement Argile / acier dans la littérature
2 Méthodes et protocoles de caractérisation tribologique
2.1 Essais de caractérisation globale
2.2 Essais de caractérisation locale
2.3 Caractérisation de l’adhésion
3 Résultats et discussion
3.1 Etude de l’interface argile – acier
3.1.1 Caractérisation du frottement par la méthode globale
3.1.2 Caractérisation du frottement par la méthode locale
3.1.3 Caractérisation de l’adhésion
3.2 Etude de l’interface argile membrane
3.2.1 Caractérisation du frottement
3.2.2 Caractérisation de l’adhésion
3.2.3 Effet de l’utilisation d’additif de surface sur le frottement argile – membrane
3.3 Etude du frottement de la membrane sur la résine
4 Conclusion partielle
Chapitre 4 : Etude des défauts de façonnage
1 Modélisation de l’initiation des décohésions
1.1 Mécanique des milieux granulaires
1.1.1 Frottement et cohésion en milieu granulaire
1.1.2 Loi de cohésion capillaire
1.1.3 Critères d’endommagement des matériaux granulaires
1.2 Mécanique de l’endommagement continu
1.3 Critères de fissuration
1.4 Méthodes et résultats expérimentaux
1.4.1 Essais de caractérisation
1.4.2 )dentification d’un modèle de fissuration
1.4.3 Discussion autour du critère retenu
1.4.4 Validation sur le pressage d’une géométrie semi-industrielle
2 Etude qualitative des défauts d’écoulement : cas d’un produit industriel
2.1 Roulement de terre et recollement de matière
2.2 Décollement des barrettes
2.3 Mauvais remplissage
3 Défauts engendrés par des variations des réglages procédés
3.1 Manque de couleur
3.2 Défauts géométriques
4 Conclusion partielle
Conclusion générale

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