Les matériaux en vrac sont des produits manipulés « en vrac ». Une pièce LEGO est une brique, mais 1 000 pièces versées dans un sac sont des matériaux en vrac. L’amidon de maïs, le sable, la farine, la poudre de revêtement en poudre, le gravier, la nourriture pour chat, le Cap’n Crunch, les pièces de monnaie, les vis, les billes de polystyrène, la grenaille de plomb et les vers gommeux sont des matériaux en vrac.
Les applications abondent où vous devez déplacer des choses en vrac. Imprimantes 3D à frittage sélectif, mangeoires pour animaux, moules à injection de bricolage, fabricants de PCB à base de toner, revêtement en poudre domestique, trieurs ou assembleurs automatiques LEGO/domino/tout ce que vous voulez, jardiniers automatisés, accessoires d’airsoft – la manipulation de matériaux en vrac fait partie du piratage. Les cours de sciences au collège couvrent les solides et les liquides, mais rarement les matériaux en vrac.
La plupart des pirates prient simplement pour que cela fonctionne et tapent dans la corbeille quand ce n’est pas le cas. L’industrie fait mieux, mais le terme d’argot « bin rash », le résultat à long terme de tapotement un bac de 300 tonnes avec des masses (vidéo), montre qu’ils ne réussissent pas tout le temps non plus. En même temps, c’est un espace amusant que vous pouvez expérimenter avec des ustensiles de cuisine. Alors venez avec nous pour une courte série sur les bases de la manutention de matériaux en vrac.
Arching, Ratholes et Slurping
Dans une poubelle typique, il y a un conique ou pyramidal entonnoir en bas avec un cylindre ou un rectangle vertical section au-dessus. L’articulation s’appelle le hanche. L’entonnoir se termine par un ouverturesouvent avec un contrôle portail.
Le matériau en vrac a peu de force de cohésion par rapport à un solide, mais bien sûr, cela varie selon les matériaux. Par exemple, la grenaille de plomb a peu de force de cohésion et coule facilement. La farine a une force de cohésion plus élevée et est difficile à verser. Un matériau ne s’écoule que lorsque les forces à travers une section du matériau sont supérieures à la force de cohésion du matériau.
Imaginez que le bac ne contienne qu’une petite quantité de sable humide, juste au-dessus de la porte, et que nous ouvrions la porte. Le sable va-t-il tomber ? Le sable comble maintenant l’ouverture, et les forces sont les mêmes qu’avec n’importe quel autre pont. Nous voulons que le pont tombe en panne de manière fiable.
Habituellement, le premier petit morceau échouera et tombera. Mais ce faisant, il peut laisser derrière lui une surface incurvée. Si le matériau arqué peut combler l’ouverture, il ne s’écoulera pas du tout. Un peu tombe, laissant une cavité au toit arrondi, et l’écoulement s’arrête. Le matériel a arqué.
Si le bac est lisse et que l’entonnoir a un angle prononcé, le matériau s’écoule par débit massique. Tout le matériau s’écoule, et dans la section cylindrique, l’écoulement est uniquement vertical. La surface supérieure du matériau descendra sans se réorganiser jusqu’à ce qu’elle atteigne la hanche. Pour de nombreux matériaux, une paroi interne lisse et un angle de cône supérieur à 60 degrés constituent une bonne règle de conception pour le débit massique.
Plutôt que de glisser à l’interface mur-matériau, si l’entonnoir est trop émoussé ou les murs trop rugueux, le matériau peut rester cohérent quelque part à l’intérieur. C’est écoulement en entonnoir. Le matériau forme son propre entonnoir plus pointu à l’intérieur, et seul le matériau à l’intérieur de l’entonnoir coule. Le flux d’entonnoir n’est pas intrinsèquement mauvais, mais a plus de problèmes potentiels. (page utile des problèmes de flux ici).
Il pourrait trou de rat – le matériau s’écoule, mais fait un trou presque vertical au-dessus de l’ouverture. La majeure partie du matériau ne bouge pas, et lorsque le trou atteint la surface, l’écoulement s’arrête, et vous avez un trou de rat stable. Même si le trou de rat n’est pas stable, le matériau à l’extérieur ne bouge pas, alors vous auriez tout aussi bien pu faire un bac plus petit. Pire encore, le matériau piégé pourrait pourrir ou se décomposer, ou se compacter en une masse solide.
Quelques conseils de conception. Les coins des bacs rectangulaires ont plus de mur pour « soutenir » le matériau, de sorte que des accrochages se produisent souvent dans les coins. Utilisez un bac rond si vous avez le choix. De plus, le diamètre du trou de rat sera un peu plus grand que la diagonale de l’ouverture. Les ouvertures en fente fonctionnent parfois mieux que les trous ronds.
Le déluge
Lorsque le matériel est déversé, il peut fluidifier, devenant non pas des morceaux mais des particules indépendantes. Déposer une cuillère à café de farine à hauteur de poitrine. Il se transforme en un nuage de poussière au lieu de tomber en tas.
L’alimentation dans un trou de rat peut entraîner une fluidification lorsque le nouveau stock tombe directement à travers. Pire encore, cela peut faire tomber une partie du mur du trou à rats. Tout s’écrase d’un coup, à grande vitesse, appelé inondation – le nouveau matériau et tombe dans le trou sous forme de fluide et se décharge à grande vitesse.
Cela peut briser la porte ou tout ce que le bac alimente, et de nombreuses poudres présentent un danger respiratoire ou même un risque d’explosion lorsqu’elles se mélangent trop finement à l’air. Et cela peut conduire à la ségrégation.
Ségrégation
Dans la plupart des matériaux en vrac, il y a des particules de tailles variables et souvent des matériaux différents : gravier de fond, noix mélangées, pot de vis mélangées. L’effet noix du Brésil, où un pot de noix mélangées se retrouve avec les noix du Brésil en haut et les cacahuètes en bas, est une forme de ségrégation.
Mélanger le sel et les pois secs et verser le mélange à travers un entonnoir sur une assiette. Le mélange forme un tas conique. Les pois roulent sur le tas et finissent sur les bords de l’assiette. L’alimentation à partir d’un petit tuyau central ou d’une goulotte permet de séparer les plus gros matériaux près des murs. Si la trémie est ensuite vidée par écoulement en entonnoir, le matériau final est principalement du sel. Les pois restent derrière.
Un remède consiste à avoir une grande section de cylindre avec un débit massique et à maintenir la surface du matériau au-dessus de la hanche. Ensuite, le matériau est retiré dans le même ordre qu’il est arrivé, que ce soit du mur ou du centre. Les inserts peuvent également aider à résoudre les problèmes de ségrégation. Un cône pointant vers le haut sur les entretoises à l’intérieur de l’entonnoir force le matériau du centre à se mélanger avec celui qui a été déposé, et une plaque de chicane sous l’entrée peut changer le caractère d’entrée d’un point central à de nombreuses alimentations plus petites. Parfois, le simple fait d’abaisser l’entrée peut aider.
Autres issues
Laisser tomber des croustilles dans un bac vide de deux mètres garantit la casse, mais même un abus relativement léger peut briser les particules, comme le montre la poussière au fond de la boîte Cap’n Crunch. Vraisemblablement, nos céréales du matin ont été chargées dans le sac à l’usine sans quelques centimètres de poudre de couleur beige – elles ont dû s’abraser pendant le transport.
Certains matériaux développent une charge statique lorsqu’ils bougent, ce qui peut interférer avec le mouvement. Les bacs en acrylique ou en polycarbonate découpés au laser sont souvent coupables. Une expérience simple – frottez un ballon dans vos cheveux, puis maintenez-le contre le matériau que vous souhaitez déplacer en vrac. S’il ramasse le matériau, un bac métallique mis à la terre est une solution.
Certains matériaux sont abrasifs. Le papier de verre est du sable collé au papier après tout. En plus des matériaux de bac plus résistants, l’induction délibérée d’un écoulement en entonnoir peut protéger les murs. Un grand entonnoir juste assez émoussé pour canaliser le flux constitue une bonne trémie pour un abrasif.
TL;DR
La semaine prochaine, nous examinerons plus en profondeur les propriétés des matériaux en vrac, et la semaine suivante, nous nous pencherons sur les machines pour déplacer les solides en vrac. Cela a été une visite éclair de certains termes et problèmes que le simple fait de mettre des matériaux en vrac dans un bac peut présenter. J’espère que cela a au moins aidé à mettre des noms sur certaines des leçons que vous avez apprises en jouant dans la cuisine ou dans le bac à sable.
S’il est possible de résumer, le TL; DR pour la plupart des conceptions de bacs est :
- Utilisez un bac rond avec des parois internes lisses.
- Gardez les parois de la section de l’entonnoir au-dessus d’une inclinaison de 60 degrés.
- Plus l’ouverture est grande, plus votre vie est simple. Les fentes peuvent être bonnes.
- Si la surface est inclinée vers le bas à l’intérieur, c’est un signe d’avertissement.
- Attention à la ségrégation.
À la semaine prochaine!
