Façonnage

Un article de TerraWiCotta.

Le façonnage du produit comprend deux étapes, la préparation de la pâte, et la mise en forme qui se réalise principalement par extrusion pour la brique et certaines tuiles, et par extrusion suivie de pressage pour les autres tuiles.

Sommaire 1 Préparation de la pâte 1.1 Préparation sèche 1.2 Préparation semi humide 1.3 Enfossage 2 Façonnage 3 Traitement sous vide 4 Contrôle de l’humidité et traitement à la vapeur 5 Feuilletage 6 Procédés de façonnage 6.1 Briques pleines pressées 6.2 Briques pleines et briques apparentes perforées filées 6.3 Produits creux 6.4 Tuiles 6.5 Carreaux 7 Mouleuses et filières 7.1 Mouleuses 7.2 Filières 8 Presses et moules 8.1 Presses revolver 8.2 Moules de plâtre 8.3 Moules d’acier 8.4 Moules avec feuille de caoutchouc 9 Autres équipements de mise en forme et presse à briques 10 Équipements annexes de façonnage

Préparation de la pâte

Les rôles de l’étape de préparation de la pâte sont multiples et importants :

• éliminer les cailloux et les autres impuretés (racines, ferrailles,…) ;
• émietter les argiles et obtenir la granulométrie souhaitée ;
• doser les divers composants et former des mélanges bien homogènes ;
• humidifier et homogénéiser ces mélanges en vue d’obtenir la bonne plasticité de la pâte.

On peut travailler le mélange de production en condition sèche (en poudre), semi humide (en pâte) ou humide (en barbotine). La préparation sèche s’applique aux argiles jusqu’à des humidités de 10 %, la préparation semi humide entre 10 et 30 % et la préparation humide avec des produits jusqu’à 40 % d’humidité. Le choix se fait selon l’humidité de l’argile de la carrière, le procédé de mise en forme, la qualité recherchée du mélange et particulièrement sa granulométrie et le type de produit. En pratique, la préparation humide, avec des barbotines, n’est pas utilisée dans l’industrie des tuiles et briques.

Préparation sèche

La préparation sèche est développée dans des carrières qui sont sèches (schistes argileux) et dans les régions sèches, car il y est souvent possible d’obtenir des argiles sèches directement à la sortie de la carrière. Cette préparation présente de nombreux avantages car il est possible d’obtenir des granulométries très fines : les particules sèches s’effritent alors que les particules plus humides s'écrasent par déformation plastique. Ainsi à sec, on peut atteindre des taux de réduction élevés et le broyage peut se réalise en une seule étape. On peut réaliser industriellement des granulométries maximales de 100 µm, soit cinq fois meilleures que celles données par les préparations semi humides. On peut rappeler que cette granulométrie est la taille typique pour la préparation de la matière première du mélange du ciment avant cuisson. L’argile et l’éventuel dégraissant seront broyés ensemble. Un tel niveau de granulométrie assure :

• une grande homogénéité du produit ;
• une grande qualité de peau et un bel aspect esthétique ;
• un frittage à plus basse température ou une résistance mécanique très améliorée, ce qui permet de diminuer le poids des tuiles de 10 à 20%.

la suppression des grains de chaux. La préparation sèche est particulièrement intéressante pour les argiles calcaires car une très fine granulométrie permet d’éviter les grains de chaux (voir chapitre 9). A cause de ces avantages, la préparation sèche est spécialement intéressante pour les tuiles et elle s’y développe aussi en dehors de pays à climats secs. Sa rentabilité doit être examinée au cas par cas : l’installation de broyage est plus complexe mais il n’y en a qu’une seule. Il faut sécher partiellement l’argile. Par ailleurs, l’énergie spécifique nécessaire au broyage augmente avec la finesse du grain final. Généralement, l’argile est stockée l’été dans de très grandes capacités fermées qui la gardent protégée de l’environnement. Après un premier traitement qui comprend un désintégrateur à cylindres dentés et des épierreurs, certains lots d’argile trop humides peuvent être séchés jusqu’au niveau où la particule roule, s’effrite et ne colmate plus. La terre argileuse et ses ajouts sont alors placés dans un broyeur à marteaux, dans un broyeur planétaire à boulets ou dans un broyeur pendulaire. Ils fonctionnent en continu, broient et mélangent les composants. Un séparateur recueille et trie le pulvérisé. Le grain trop gros est recyclé dans le broyeur. Un générateur auxiliaire de gaz chaud est parfois nécessaire pour sécher en continu les matières trop humides. Les broyeurs à marteaux tournent à grande vitesse et implique souvent une maintenance élevée. Dans un broyeur planétaire à boulets, les boules roulent libres sur une piste de broyage circulaire comme une couronne à billes géante, sur lequel on introduit le produit à broyer. Les capacités courantes varient de 5 à 100t/h. Le temps de séjour est assez important et la courbe des granulométries est très large dans sa partie fine. Il faut par ailleurs une grosse structure d’entraînement et de mise en charge des boulets. Un broyeur pendulaire est une technologie plus récente pour l’argile. Il contient plusieurs pendules (2 à 4) qui, entraînés par la force centrifuge, écrasent l’argile entre un galet tournant librement au bout du pendule et la carcasse externe du broyeur. Il existe des gammes de broyeurs pendulaires avec des débits dépassant 100 t/h. Le broyeur contient peu d’argile en permanence, sa structure est plus légère car la charge est appliquée par la force centrifuge et la consommation énergétique est plus faible que celle des broyeurs précédents. Par sa grande section ouverte, il permet une ventilation facile. Par ailleurs, il peut travailler avec des taux d’humidité plus élevé. Après le broyage fin, il ne reste plus qu’à remouiller le mélange et le malaxer pour obtenir l’humidité de façonnage. Avec ce mélange plus fin, il faut cependant se méfier de défauts potentiels : plus grande sensibilité au séchage, formation de cœur noir et plus grande sensibilité au gel.

Préparation semi humide

La préparation semi humide est la préparation habituelle en Europe du Nord. Les mélanges de façonnage peuvent cependant être de consistances assez différentes, aussi les types de machines utilisés sont-ils nombreux. La préparation comprend les étapes suivantes :

• Elimination des impuretés : cailloux, racines, déchets métalliques, gros blocs de calcaire… avec des épierreurs à cylindre à gorge, des épierreurs coniques et des séparateurs magnétiques ;
• Concassage et fragmentation de l’argile, pour favoriser l’humidification et le mélange fin des composants. Ce concassage et cet émiettement sont réalisés par des brise-mottes cylindriques, des désagrégateurs, des trémies brise-mottes, suivant la nature de l’argile ;
• Dosage des différents composants : argiles, dégraissants et ajouts éventuels. On emploie des distributeurs doseurs, linéaires ou circulaires (doseurs à bande, doseurs à boîtes, doseurs rotatifs à plateau…), qui assurent des débits constants. On utilise aussi des distributeurs d’ajout, à plus faible débit mais à plus grande précision. Il y a souvent un contrôle pondéral en ligne réalisé par des bascules sur les bandes en continu ;
• Le broyage et le mélange s’effectuent dans des broyeurs qui sont généralement à meules verticales, ou à cylindres horizontaux :
  • Dans le broyeur à meules, deux ou quatre meules verticales, de grand diamètre (par exemple 2m diamètre et 1 m de largeur) et de grande masse (10 à 20t) roulent autour d’un axe vertical et pressent l’argile au travers d’un fond perforé formant tamis (surface de 4 à 8m2). Les largeurs des fentes sont de 10 à 20mm Les positions des meules sont légèrement décalées pour augmenter la largeur de la piste de broyage. Un système permet aux meules de se soulever en cas de particule très dure ;
  • Dans le broyeur horizontal à cylindres, l’argile est laminée entre deux cylindres parallèles à axes horizontaux, placés dans le même plan horizontal. L’argile arrive par-dessus. Les rouleaux, avec des diamètres de 0.5 à 1.4m et des longueurs jusqu’à 1.5m, tournent avec une vitesse inégale (rapport jusqu’à 1 à 2) de façon à saisir et déchirer les morceaux d’argile et non simplement les comprimer. L’écartement des cylindres détermine la dimension maximale des grains. L’état de surface des rouleaux est fondamental pour un laminage fin et les rayures d'usure doivent être reprises par des rectifications périodiques et fréquentes, et donc généralement effectuées sur place. La fréquence des usinages peut être journalière. Les cylindres sont équipés de système de serrage, pour en modifier l’écartement, et de sécurités qui permettent leur ouverture quand la force de réaction est trop grande (particule très dure). Le débit de ces broyeurs à cylindres est fonction de l’écartement. Pour un débit constant, il faut augmenter la vitesse périphérique des rouleaux quand on diminue l’écartement. Comme les vitesses maximales actuelles sont de 15- 20m/s (environ 400t/min), il y a une limitation de principe sur les écartements minima acceptables économiquement à laquelle s’ajoutent les limitations dues à la rigidité et la stabilité des rouleaux et des systèmes de positionnement et aux vibrations. En pratique, il difficile de travailler avec des écartements plus petits que 0.5mm. Pour évaluer les débits de ces équipements, il faut aussi considérer que le taux de remplissage de l’espace inter rouleaux est inférieur à 1.
  • On utilise plusieurs équipements successifs. Comme on écrase des grains plastiques et qu’on ne les effrite pas, il n’est pas possible d’avoir des rapports de réduction des diamètres de particules obtenus à chaque étape supérieurs à environ 3. On obtient donc les diamètres de particules typiques suivants :

broyeur à meules : 10 mm ; broyeur à cylindres dégrossisseur : 3 mm ; broyeur à cylindres finisseur : 0,8 mm. Les tuiles sont souvent terminées avec de petits écartements (0.5 à 1mm), alors que les briques emploient des écartements plus grands (0.8 à 1.5mm).

• Humidification finale et homogénéisation obtenues par malaxage. Cette opération est réalisée par des malaxeurs à tamis à axe horizontal ou vertical. Le mélange est mouillé dans un malaxeur mouilleur qui comprend deux arbres horizontaux et parallèles munis de pales qui tournent en sens inverse.

A ces équipements, il faut ajouter les différents moyens de manutention : convoyeur à bande, convoyeur à vis, convoyeur vibrant, élévateur à godets, transporteurs à bande, répartiteur, alimenteur,…, des équipements de stockage : trémie de stockage,…, équipements de mesure de débit : cellules de pesée,… ainsi que les équipements de contrôle et régulation. Si le processus indiqué de préparation de la pâte reste valable dans la plupart des cas, le détail de la composition du train de machines est fonction de la nature de la pâte, du mode de façonnage utilisé ultérieurement et du type de produits fabriqués.

Enfossage

On pratique souvent l’enfossage intermédiaire, ou ensilage, encore appelé aussi injustement pourrissage. Cette opération consiste à stocker l’argile ayant déjà subi sa préparation, contenant une partie de son eau de façonnage, et partiellement aérée, pendant une certaine durée (quelques jours à quelques semaines) dans des fosses ou silos de stockage avant la mise en forme finale. Les buts de l’enfossage sont :

• l’homogénéisation de l’humidité du mélange ;
• l’amélioration de l’uniformité de sa composition. Comme le tas de stockage annuel, ce stockage permet d’accroître à nouveau l’homogénéisation des compositions par des dépôts horizontaux dans la fosse avec des reprises verticales. Ce stockage intermédiaire est réalisé dans une installation de stockage couverte avec les moyens de manutention adaptés ;
• la formation d’un stock de production intermédiaire qui permet d’en améliorer la régularité ;

On note parfois une action plastifiante additionnelle de l’enfossage. Elle serait liée à l’oxydation, dégradation biologique de la matière organique présente et à la formation d’acides organiques qui modifieraient le pH et changeraient les conditions électrostatiques autour des micelles d’argile. D’où le nom de pourrissage qui lui est parfois donné. Un pourrissage complet dépend de la matière organique, de la température et peut demander un temps très long (quelques semaines à quelques mois). Pour des raisons économiques, l’enfossage intermédiaire est généralement plus court que le temps de pourrissage optimal et l’amélioration de la plasticité quand elle a lieu, est limitée.

Une installation d’enfossage est construite sous abri et comprend un système de distribution de l’argile dans la fosse en bandes horizontales parallèles (stacker) et un système de reprise verticale perpendiculaire (gratteur à godets) de façon de bénéficier au mieux de l’effet de mélange du tas. Au lieu d’utiliser une fosse à terre, avec ses systèmes d’alimentation et de reprise, on trouve parfois dans les briqueteries des tas de terre intermédiaires dans un hall. Ce système, qui ne nécessite pas d’investissement, ne garantit cependant pas l’uniformité de la fosse à terre précédente : Le mélange est mal contrôlé et l’eau s’évapore des parois par temps chaud. Quels que soient les produits fabriqués, le rôle de la préparation est très important, et il est souvent sous-estimé par rapport au séchage et à la cuisson. Une bonne préparation va éviter des dosages irréguliers, des variations d'humidité et la présence d’inclusions, sources de défauts dans le produit final. S’il est fréquent d’attribuer la casse ou la fêle des produits au séchage ou à la cuisson, c’est souvent en fait la préparation qui en est responsable. Un dosage irrégulier du mélange risque de donner des produits de caractéristiques variables. Une mauvaise homogénéisation de la pâte peut provoquer des fissures au cours du séchage. Une élimination insuffisante de certaines impuretés risque de favoriser des amorces de fissures ou l’apparition d’éclatements sur les produits cuits (éclatements de grains de chaux).

Façonnage

Le façonnage a essentiellement deux rôles :

• donner à la pâte une cohésion suffisante. La cohésion, partiellement développée par la préparation, est parachevée grâce à l’élimination de l’air occlus dans l’argile (désaération), à l’amélioration de la plasticité par un mouillage additionnel, par une injection de vapeur d’eau sous pression et par une intensification de la compression de la pâte ;
• donner à l’argile la forme désirée pour le produit.

Traitement sous vide

La désaération de la pâte par mise sous vide avant son passage dans l’extrudeuse finale a pour but de diminuer la porosité du produit, d’améliorer la plasticité et de donner une plus grande cohésion qui facilite le passage au travers de la filière. En effet les bulles d’air présentes dans le mélange sont écrasées durant l’extrusion, se retrouvent comme des disques allongés et aplatis dans le colombin d’argile et favorisent l’apparition de défauts. Le traitement sous vide limite ces porosités mais il n’est efficace que si les particules d’argile ne sont pas trop grosses (particules fragmentées, aplaties), si l’air peut diffuser rapidement dans la matière (capillaires disponibles) et si le temps de séjour est suffisamment long. La pression totale de l’atmosphère est limitée par la tension de l’eau à la température et est souvent de 5 à 10% de la pression atmosphérique. Une partie de l’humidité de l’argile est donc pompée et une partie de la chaleur de condensation reprise. En résumé, le traitement améliore la plasticité, permet de travailler avec des argiles plus sèches et augmente la résistance mécanique en sec. Par contre le séchage devient plus difficile (moins de porosité) et la résistance au gel a pu être diminuée si le vide et/ou si l’apport de dégraissant était insuffisant. Parfois aussi le recollement des filets d’argile (derrière les noyaux des filières) devient plus difficile.

Contrôle de l’humidité et traitement à la vapeur

Le contrôle de l’humidité est fondamental dans le façonnage car il assure la constance des propriétés mécaniques du mélange. L’humidité initiale peut varier en fonction de la position de la terre dans la carrière, des conditions de stockage, des conditions atmosphériques. Quand c’est possible, on ajuste généralement de l’eau au mélange final dans un mouilleur mélangeur. L’humidité est mesurée directement en continu par des capteurs capacitifs, ou de façon indirecte par la mesure de la puissance électrique instantanée de la mouleuse. Il est plus facile d’extruder des produits plus humides. Par contre, il faut que le produit étiré possède un certain niveau de propriété mécanique : il ne s’affaisse pas sous son propre poids ni ne se déforme au coupeur à fil. Par ailleurs, il faudra éliminer cette humidité supplémentaire au séchage. Pour les produits extrudés, on travaille généralement avec des concentrations d’eau entre 15 et 30 % selon les mélanges argileux. Depuis une vingtaine d’années, il est apparu une nouvelle technique de mouillage qui consiste à ajouter au mouilleur mélangeur, juste avant l’étireuse, non pas de l’eau froide, mais de la vapeur sous pression (de 200 à 700 kPa). On emploie de la vapeur saturée ou surchauffée. On peut alors chauffer l’argile par la chaleur de condensation en limitant l’augmentation d’humidité. La quantité de vapeur ajoutée est de 40 à 50 kg pour 1 t d’argile (entraînant une augmentation de l’humidité de 4 à 5 %). On peut de la sorte étirer des pâtes à des températures variant de 60 à 90 °C, ce qui améliore considérablement la plasticité et l’uniformité dans la mouleuse. Si le séchage suit immédiatement l’extrusion, la haute température le facilite.

Feuilletage

Quand des morceaux d’argile plastiques sont déformés dans une mouleuse ou dans une presse, les taux locaux de déformation sont très différents selon la pièce produite, la position dans la filière et le débit. Il y a des glissements relatifs entre les différentes couches d’argile (au contact du corps de l’extrudeuse, sur l’hélice) et des cisaillements relatifs entre ces couches. Ces glissements relatifs vont produire une orientation préférentielle des particules d’argile et des autres charges lamellaires (mica) de façon à minimiser les contraintes. Les feuillets d’argile vont s’aligner dans le sens du déplacement. Après cette déformation plastique, le produit devient très anisotrope. Le cisaillement est d’autant plus grand que la vitesse de l’argile et le débit sont élevés car la vitesse au contact des surfaces des moules et des filières est très faible de toute façon. Au début de la déformation, la cohésion est conservée. Après un certain taux de cisaillement, variable selon les argiles, un décollement entre les couches, appelé feuilletage (« lamination » en anglais) va apparaître, qui limite la déformation applicable. Le feuilletage est lié à la thixotropie de la masse d’argile. Un fort cisaillement diminue localement les propriétés mécaniques de la masse d’argile, ce qui favorise encore plus la localisation de la déformation et le dépassement local du cisaillement critique. Par ailleurs dans l’opération d’extrusion, le pain d’argile doit être capable de se coller / recoller de façon efficace : collage initial des différents blocs d’argile à l’entrée de l’hélice d’extrusion, recollage à la sortie de l’hélice d’extrusion et après les étriers des filières. Un mauvais recollage est aussi une source de feuilletage. Le feuilletage peut provenir du façonnage mais aussi de la préparation (malaxage trop poussé). Le feuilletage sera limité par :

• l’introduction de la désaération de l’argile qui supprime les bulles allongées et améliore donc de façon très significative la résistance au feuilletage ;
• le contrôle de l’humidité qui intervient directement sur la plasticité ;
• le dessin approprié des hélices, et surtout de la pale d’extrémité, et des étriers des filières ;
• le choix adapté de la pression de fonctionnement et de la vitesse. Les faibles vitesses limitent le feuilletage.
• l’amaigrissement de la pâte quand elle est trop grasse.

Procédés de façonnage

En terre cuite, on utilise principalement deux procédés principaux: le filage (moulage ou extrusion) et le pressage.

Briques pleines pressées

La matière première utilisée est généralement le lehm, que l’on trouve en France par exemple dans le Nord, en Normandie et dans la région parisienne. C’est un matériau très maigre, fortement chargé en silice. Les argiles sont façonnées telles quelles, venant de la carrière, avec un pourcentage d’eau faible (de l’ordre de 15 %). On utilise des presses à plateau (pression de 5 à 10 MPa) dont la cadence de production est de 600 à 800 briques/h (briques de dimensions 6 × 11 × 22 cm environ). De nouvelles presses automatiques permettent une cadence beaucoup plus élevée, mais nécessitent un séchage préalable de la terre et une granulométrie appropriée.

Briques pleines et briques apparentes perforées filées

Dans certaines installations de production de briques apparentes, la pâte subit une préparation qui rejoint celle des produits creux. Dans certaines fabrications, on façonne une ébauche par filage qui est ensuite pressée (briques rebattues ou briques repressées). Après façonnage, un aspect de surface est souvent donné : rugosité de surface (sablage, impression…) et couleur (engobe, éventuellement émaillage). Briques pleines apparentes « fait main » ou « soft mud » On fabrique aussi des briques à partir de mélanges d’argile très humide. La matière est projetée dans un moule en bois puis démoulé

Produits creux

La technique de fabrication décrite concerne l’élaboration de briques creuses pour murs, de briques plâtrières, de blocs à perforations verticales, de produits pour planchers et sous plafonds, et de boisseaux (conduits de fumées). Ces produits sont réalisés en continu par extrusion /filage d’un mélange argileux au travers de filières au moyen d’extrudeuses, souvent appelées mouleuses dans l’industrie de la terre cuite. Le produit filé est ensuite coupé à la dimension à l’aide d’un coupeur à fil.

Tuiles

Il y a lieu de considérer les trois grands types de tuiles :

• les tuiles canal : elles sont généralement façonnées comme les produits creux, par filage ; certaines sont cependant pressées ;
• les tuiles plates : elles sont souvent façonnées par filage. Parfois, les tuiles sortant de la mouleuse sont pressées pour leur donner leur forme définitive ;
• les tuiles à emboîtement : elles sont façonnées par pressage d’une galette, elle-même coupée dans une ébauche préalablement filée.

Après façonnage les tuiles peuvent être engobées pour apporter les couleurs et aspects recherchés.

Carreaux

Le façonnage par extrusion à l’aide de mouleuses constitue le mode le plus répandu de mise en forme des carreaux de terre cuite. La mouleuse délivre un ruban continu de pâte plastique, qui est soit simplement tronçonné par un coupeur à fil, soit découpé suivant une forme spécialement choisie (hexagone, fuseau, trèfle, écaille, etc.) par un coupeur spécial fonctionnant suivant le principe de l’emporte-pièce. Dans certains cas, les éléments ainsi découpés subissent un re-pressage, généralement en moules d’acier ou de plâtre.

Mouleuses et filières

Certains produits pleins et les produits creux sont obtenus par le passage du mélange argileux sous pression au travers d’une filière à l'extrémité d'une extrudeuse (appelée aussi mouleuse).

Mouleuses

Selon la nature et l'humidité du mélange ainsi que la complexité du produit à réaliser, l’extrudeuse va être conçue pour l’extrusion dure (humidité inférieure à 18 %) ou semi dure (humidité entre 18 et 30 %).

Les mouleuses sont constituées des éléments suivants :

• un mélangeur mouilleur dans lequel le mélange argileux est re-mélangé, mouillé, avec ajout éventuel de vapeur, et propulsé à l’aide de deux arbres parallèles munis de pales, au travers d’une grille qui le fragmente en petits morceaux qui tombent dans une chambre à vide ;
• la chambre à vide où s’effectue le dégazage de l’argile, en fonction de la taille des particules et de leur temps de séjour ;
• un bourreur reprend les particules d’argiles pour les pousser de façon répartie dans l’extrudeuse;
• l’extrudeuse proprement dite, qui est un cylindre avec une hélice unique, qui reprend le mélange argileux sortant de la chambre à vide dans la zone de chargement, le presse de façon uniforme pour le densifier, le compacter, supprimer les vides, remplir complètement les spires, le comprime dans la zone de compression en lui appliquant une pression uniforme et le véhicule vers la bouche de la mouleuse, aussi appelée gueulard. Enfin le mélange s’écoule à l’extérieur de la machine à travers la filière. Les efforts de compression de l’argile appliqués par l’hélice sont repris par le palier du bout de l’hélice;
• des moteurs, des entraînements mécaniques et des réducteurs pour faire fonctionner les éléments précédents. Pour des produits délicats à étirer, les mouleuses sont équipées de variateurs de vitesse ou de moteurs à vitesse variable pour adapter les poussées à la production.

Le mélange argileux avance dans l’hélice comme un écrou, dont on a bloqué la rotation, se déplace le long d’une tige filetée qui tourne sur elle-même. Si le remplissage est bien uniforme, la pression du mélange croît au fur et à mesure qu’il se rapproche de la filière. Le coefficient de frottement de l’hélice avec le mélange argileux doit être faible. Comme l’hélice s’use et sera rechargée, elle a généralement un profil assez simple (vis à un filet, noyau à section constante) et un pas constant mais avec une inclinaison variable, en s’éloignant du centre (10 à 30°). Les hélices sont généralement de grand diamètre avec un nombre limité de tours ; souvent le pas de vis est égal au diamètre. Près de la sortie, l’hélice comprend souvent deux ou trois filets pour augmenter la pression et réduire le coup d’hélice. Le coup d’hélice est la trace que l’hélice peut laisser dans un colombin qui se referme mal. La bouche ou gueulard précède immédiatement la filière. Cette pièce a plusieurs fonctions :

• changer graduellement la forme du pain argileux de rond à rectangulaire ;
• annuler les vitesses radiales provoquées par le dernier coup d’hélice ;
• égaliser les pressions et homogénéiser les vitesses de sortie, en valeur et en direction ;
• permettre à la fissure en forme de S provoquée par l’hélice de se refermer.

Elle sera donc régulière et aussi longue que possible dans la limite des frottements acceptables. Le débit volumique théorique (m3/s) d'une mouleuse est égal au volume d’une spire multiplié par la vitesse de rotation (nombre de tours/seconde). En pratique la production est nettement plus petite (par exemple de 30 à 60 % du débit volumique théorique) car il y a des retours du mélange argileux entre l’hélice et le corps. Par ailleurs des morceaux de mélange peuvent rester collés sur l’hélice et tournent avec elle sans avancer, ce qui diminue d’autant le volume utile de la spire. Une grande partie de l’énergie fournie à l’extrudeuse passe en chaleur et réchauffe partiellement le mélange. Le débit pratique des mouleuses est conditionné par plusieurs facteurs :

• la forme des produits à filer et donc la perte de charge dans la filière ;
• le rapport des sections hélice / filière est important dans le rendement volumétrique ;
• la vitesse de rotation de l’hélice et le pas de cette dernière ;
• la plasticité de la pâte et son humidité ;
• la régularité de l’alimentation. Il faut toujours travailler dans des conditions où l’alimentation est suffisante et ne limite pas la production de l’hélice de la mouleuse.

Le débit de sortie filière est lié à la pression finale d’extrusion, une plus grande pression à l’extrémité de la mouleuse étant obtenue avec un plus grand débit. Les gammes de pression usuelles sont de 15 à 30 bars. On notera qu’une forte pression diminue légèrement le retrait au séchage comme on le verra plus loin. Une tendance actuelle est d’augmenter la pression dans la mesure du possible de façon à travailler avec des mélanges plus durs, plus secs (moins de retrait et moins d’énergie de séchage à fournir) ou contenant moins d’argile. On est cependant limité par la technologie (très gros cylindre à forte pression avec des joints tournants), la qualité des produits et l’usure des hélices et filières. Pour limiter l’usure, on utilise des hélices en fonte de chrome. On trouve aussi des hélices recouvertes de revêtements durs (hardfacing, projection plasma, pastilles de carbures cémentés brasées,) En pratique, on mesure la puissance instantanée (ou l’intensité électrique) consommée par la mouleuse ainsi que la pression au gueulard. On adapte alors la quantité d’humidité fournie à la terre au mélangeur mouilleur. On trouve couramment des mouleuses avec des diamètres de 25 à 120 cm, des débits de 3 à 100 t /h et des pressions au gueulard jusqu’à 35b. La vitesse de rotation de l’hélice est lente (10 à 30 tours/min).Les vitesses du colombin sont souvent de l’ordre de 20 m/mn.

Il existe aussi des extrudeuses pour l’extrusion en pâte dure (de 12 à 16 % d’humidité) qui sont utilisées principalement aux États Unis, Canada, Australie et Afrique du Sud. Le colombin est extrudé très sec, à haute pression (25 à 45 bar). On peut alors utiliser des mélanges plus pauvres en argile. Par contre l’usure des extrudeuses est plus importante et la technique ne s’applique pas à des profils complexes des briques perforées.

Filières

La filière est la pièce placée à l’extrémité de la mouleuse au travers de laquelle le pain argileux est poussé. Elle donne donc au produit sa forme définitive. Un schéma de principe de filière est montré à la figure 20.

Pour les ébauches de tuiles et pour les briques pleines, la filière est un simple trou profilé dans une plaque épaisse. Pour les produits creux, la filière est beaucoup plus complexe. On utilise des noyaux internes fixés à des tiges, elles-mêmes reliées à des étriers transversaux. Pour des briques apparentes perforées, la filière comprend donc une douzaine de noyaux. Pour une brique alvéolée, il y a un noyau par alvéole, soit typiquement une centaine, et la filière est très complexe. Les étriers transversaux freinent le mélange argileux et y provoquent des décollements. Pour un bon recollement, on allongera la longueur des tiges supports mais on sera limité par la rigidité de l’ensemble, qui garantit la stabilité des épaisseurs des parois des produits. Souvent on n’utilise pas de sections profilées pour les étriers, préférant laisser se créer des profils argileux dans les parties mortes. Pour éviter des déformations et flexions du produit, des ruptures localisées ou des feuilletages, tous les filets argileux qui sortent de la filière doivent avoir la même vitesse. Le réglage, pour qu’il en soit ainsi, s’appelle « l’équilibrage de la filière » et constitue une opération délicate et artisanale qui conditionne la qualité des produits. Il faut bien sûr :

• une plasticité du mélange argileux parfaitement homogène et constante au niveau de la filière et au niveau de chaque paroi individuelle ;
• une pression homogène dans le gueulard et des pertes de charge locales (et frottements) égales à travers la filière. Les formes symétriques et uniformes de produits sont évidemment plus faciles à équilibrer.

L’équilibrage s’effectue en modifiant les dimensions des canaux de la filière et en introduisant éventuellement des « freins », petites pièces glissées/vissées dans le corps de la filière ou autour des tiges des noyaux, susceptibles de freiner localement le flot d’argile. Ce réglage peut souvent se faire de l’extérieur. On trouve aussi maintenant des filières multiples qui permettent d’extruder plusieurs produits à la fois. Pour un débit donné, la vitesse de sortie des produits est plus faible (jusqu’à 1m/min). La qualité des produits s’améliore souvent. Tous les éléments de la filière sont soumis à l’abrasion du mélange. Ils s’usent en fonction de la quantité extrudée, de la pression d’extrusion et de l’abrasivité du mélange (liée en particulier au quartz et autres dégraissants). Après un certain temps de fonctionnement, la filière usée doit être changée, sinon les épaisseurs des parois et le poids de la brique augmenteraient au-delà de l’acceptable. Pour maximiser la durée de vie des filières, qui sont longues à changer et à régler, on utilise des matériaux très résistants à l’abrasion (c'est-à-dire à la fois durs et résilients : aciers à outil trempés, aciers au manganèse). On peut aussi utiliser des matériaux rechargeables (stellite, carbures cémentés, chromage dur 0,2 mm).

Presses et moules

Les tuiles à emboîtement sont fabriquées par pressage d’une ébauche filée entre deux moules dans une presse.

Presses revolver

Les presses le plus couramment utilisées sont des presses dites revolver . Elles comportent un tambour tournant, à axe horizontal, de forme pentagonale, hexagonale ou octogonale, dont chaque face reçoit un moule inférieur, tandis que le moule supérieur est porté par un plateau qui s’abaisse lorsqu’une des faces du tambour est en position horizontale. La surface de pressage peut comprendre un ou plusieurs moules individuels. Le nombre de faces est lié aux angles par rapport à l’horizontale que prennent les faces non horizontales. Le tambour à 5 faces était bien adapté au chargement manuel, mais ceux à 6 ou 8 faces sont plus faciles à fabriquer et conviennent bien à l’automatisation. L’augmentation de la taille des tuiles fait que les presses automatiques actuelles ont plutôt 6 faces que 8. Différentes opérations sont réalisées sur les différentes faces du tambour, de façon typique :

• plaquage de la galette sur le moule, avec une légère pré compression pour que la galette reste en place ;
• pressage complet de la galette avec mise en pression contrôlée du moule supérieur ;
• ébavurage par un cadre métallique affûté qui vient s’emboîter sur le moule inférieur ;
• démoulage de la tuile du moule inférieur, reprise par des ventouses à vide et positionnement sur un support de séchage. Ces deux dernières opérations sont réalisées sur la même face.

De façon habituelle, on diminue la vitesse de descente du plateau supérieur en fin de pressage de façon à réduire la vitesse de déformation de l’argile et à limiter les efforts et les contraintes résiduelles.

Ces presses sont généralement électromécaniques. Dans ce cas, elles possèdent des excentriques, des cames et des croix de Malte qui permettent de produire le cycle de pressage adapté. Ces presses sont relativement peu coûteuses mais peu flexibles. Elles sont donc utilisées pour les produits répétitifs des grandes séries. Les presses sont parfois hydrauliques, ce qui permet d’avoir de plus grandes forces de pressage, de contrôler exactement le mouvement du piston au cours des différentes phases du pressage et de s’adapter facilement aux différents types de tuile et accessoires. Par contre la vitesse est généralement plus faible. Elles sont utilisées pour les pièces plus complexes, avec des plus petites séries. Les moules sont fixés mécaniquement ou hydrauliquement sur la presse et sont changés manuellement ou de façon automatique. L’alimentation des galettes et l’évacuation des tuiles étaient faites de façon manuelle. Elles sont maintenant réalisées généralement de façon automatique par des automates ou des robots. Suivant le développement de la presse, le niveau de régulation et contrôle est variable.

La puissance est fonction de la force maximale et de la vitesse. La force de pressage est liée à la plasticité et à l’humidité du mélange argileux, à la forme de la tuile (section et complexité) et à l’épaisseur de la bavure. Il existe d’autres dessins de presse qui sont moins utilisés que la presse revolver comme la presse à table rotative, plus simple mais moins rapide, Elle est souvent hydraulique. La fabrication des tuiles à la presse est faite de différentes manières selon la nature du moule :

• moules de plâtre ;
• moules d'acier ;
• moules avec feuille de caoutchouc.

Moules de plâtre

Le moule de plâtre produit de très bons états de surface de la tuile (très lisses) et la tuile se démoule facilement. Le plâtre est poreux et un peu d’eau est comprimée au pressage. Quand la pression est relâchée, l’eau ressort partiellement et facilite le démoulage. Le moule individuel est peu coûteux mais il s’use rapidement. Il faut donc utiliser des mélanges argileux assez humides (20 à 30 %). Malgré cela, il faut changer fréquemment les moules de plâtre, parfois plusieurs fois par jour (environ toutes les 1 000 à 3 000 pièces), sinon l’épaisseur des produits devient trop importante. Il convient donc d’avoir un atelier de fabrication de moules de plâtre. Par ailleurs les abondants déchets de plâtre doivent être traités séparément. On utilise la technique du moule « ouvert ». On prend une ébauche d’argile de format nettement plus grand que nécessaire et les moules se referment à une position fixe en laissant un espace périphérique de l’ordre de quelques mm (par exemple 4 mm). Il y a donc formation d’une bavure qu’il faut ébavurer puis recycler. La pression maximale de pressage est fonction de cette bavure et est, bien sûr, limitée. Le procédé ne nécessite pas d’ajustage serré, le moule étant toujours rempli. Le procédé supporte bien l’usure des moules.

Moules d’acier

Les moules en fonte ou en acier sont plus chers à usiner, plus durables, mais le démoulage est plus difficile et l’état final de surface souvent moins bon. Le produit est plus facile à sécher car on emploie une pâte plus sèche (humidité < 20 %). Ces moules sont donc utilisés quand le produit le permet. On travaille aussi généralement en « moules ouverts ». Pour faciliter le démoulage, on emploie des huiles qu’on pulvérise sur le moule. On utilise aussi l’air comprimé soufflé entre le moule et la tuile. Une autre technique est l’application d’un choc électrique sur les moules : cette tension attire de l’eau au contact du moule par électrophorèse, et produit une couche de gaz par électrolyse, ce qui facilite le démoulage. Il est aussi possible de travailler en moule « fermé ». Dans ce cas, le moule se referme presque complètement, sans être complètement fermé, l’écart final entre moules est plus faible. La bavure est de faible importance. On peut travailler avec des pressions plus fortes et plus uniformes. Par contre le moule doit être précis, et l’ébauche doit être très bien contrôlée en poids et, parfaitement positionnée sur le moule.

Moules avec feuille de caoutchouc

On peut aussi utiliser des moules en matières synthétiques recouverts de feuilles de caoutchouc fixées et plaquées sur le moule en faisant le vide avant pressage. Il s’agit de membranes préformées fixes de 1 mm d’épaisseur ou de feuilles fines en rouleau qui se déroulent lentement à chaque pressage pour répartir l’usure. La remise à l’air permet l’éjection facile de la tuile. L’emploi de cette feuille limite cependant les reliefs qui peuvent être produits.

Autres équipements de mise en forme et presse à briques

Il existe d’autres équipements de mise en forme, adaptés aux autres procédés de façonnage, en conditions humides ou en conditions sèches. Ils ont été développés principalement pour les briques apparentes et sont employés de façon extensive dans certains pays européens et aux États-Unis :

• les machines de fabrication des briques apparentes dites moulées main (« soft mud »). Ce procédé simule le procédé manuel ancien et produit des aspects esthétiques intéressants qui mettent en relief la structure de la brique. Ces machines sont utilisées avec des argiles très humides, de l’ordre de 30 %. La pâte est poussée dans des moules d’acier préalablement saupoudrés de sable, par une lame en spirale (Mould chain press). On trouve aussi des machines qui préparent des ébauches de brique, les poudrent et les projettent dans un moule. Différents effets de surface peuvent être obtenues avec des sablages, des lavages superficiels,…

On peut arriver à des productions de l’ordre de 40 000 briques à l’heure ;

• des presses à brique. Le mélange assez sec (humidité 18 %) est pressé dans un moule. On fabrique des briques pleines avec des creux (frog) qui économise l’argile et sont plus facilement démoulables.

Équipements annexes de façonnage

Les mouleuses et les presses ne peuvent travailler qu’avec un certains nombre d’équipements auxiliaires. Parmi les équipements annexes au façonnage, on notera les coupeurs à fil. Le fil est monté sur un archet et un automatisme permet de réaliser des coupes verticales alors que le produit filé se déplace horizontalement. Pour limiter l’usure et les casses, le fil se déroule et est lentement renouvelé. En cas de casse, le fil peut être changé automatiquement. Des formes complexes de coupe peuvent être réalisées avec un asservissement et des capteurs de déplacement. Les améliorations des coupeurs concernent la précision de la coupe, les cadences, la fiabilité du matériel et le choix du fil. Un fil trop gros déformera la pièce extrudée. Un fil trop fin peut casser. Pour les briques à perforation verticale, la coupe doit être très efficace, adaptée à la faible épaisseur des parois et très perpendiculaire pour limiter les épaisseurs de la rectification. Pour les briques de parement et les pavés, on chanfreine éventuellement les angles, avec de grandes cadences de coupe (jusqu’à 40 000 briques/h). C’est généralement à la fin du formage que l’on trouve les postes de texturation de surface et les applications d’engobes. Cependant, il est plus facile de traiter ces points quand on a étudié la cuisson et la discussion des traitements de surface a été repoussée au chapitre 9.