Que faire lorsqu'un système d'entraînement n'est pas suffisamment performant ? Quand une unité de montage automatisée exige une forte puissance pour en encombrement minimal ? Quand un moteur doit fournir des vitesses de rotation élevées tout en fonctionnant en continu ? Les processus automatiques appliqués au traitement des matériaux modernes imposent des exigences rigoureuses aux systèmes d'entraînement des unités de montage. De ce fait, la sélection du moteur adéquat est souvent un problème épineux pour les fabricants de machines-outils. La rédactrice technique Trixy Schmidt a interviewé deux experts reconnus dans ce domaine. Le PDG de DEPRAG Rolf Pfeiffer et la chef de produit pour les moteurs pneumatiques Dagmar Dübbelde ont donné une réponse surprenante au cours de cette interview : Dans certaines applications exigeantes en matière de rapport poids-puissance, une turbine à air comprimé s'avère être la solution idéale.
Trixy Schmidt : Si en tant que fabricant de machine je suis à la recherche du moteur idéal pour mon application, la question qui se pose est la suivante : suis-je à la recherche d'un système entraînement électrique ou pneumatique ? DEPRAG a plusieurs décennies d'expérience dans la fabrication de moteurs pneumatiques, mais fabrique également des appareils électriques pour les applications de vissage. Quels sont les arguments en faveur de l'air comprimé en tant que fluide de travail ?
Rolf Pfeiffer : Avec l'avènement de l'industrie minière et le début de la construction de tunnels au 19ème siècle, les outils pneumatiques se sont rendus indispensables. Lorsque dans un environnement potentiellement explosif, une seule étincelle était susceptible de provoquer un accident, l'usage d'un moteur électrique était impensable. Ceci vaut toujours à l'heure actuelle. S'il y a un risque d'explosion, comme par exemple dans les installations de stockage en vrac des sites de fabrication de produits chimiques, tout parle en faveur du recours à un moteur pneumatique. En milieu médical, on a en revanche recours au moteur pneumatique parce qu'il peut être stérilisé.
Dagmar Dübbelde : Qui plus est, la conception simple des moteurs et des outils à main pneumatiques leur confère une résistance aux impuretés et à l'humidité, et ils présentent par ailleurs une capacité de charge jusqu'à l'arrêt. Mais leur avantage principal réside sans doute dans le fait que pour une même puissance d'entraînement, ils sont de 20 à 30 % plus légers et moins encombrants que leurs homologues électriques. C'est la raison pour laquelle on trouve également des moteurs pneumatiques dans les chaînes de montage automatisées, comme par exemple dans les systèmes de boulonnage.
Trixy Schmidt : La pièce maîtresse d'un système d'entraînement pneumatique est souvent un moteur à palettes. Or les critiques lui reprochent de ne pas exploiter la force d'expansion de l'air comprimé de manière efficace et de consommer par conséquent plus d'énergie électrique qu'un moteur électrique.
Dagmar Dübbelde : Pour traiter correctement cette question, il faut l'aborder d'une manière différente. Les moteurs pneumatiques et les moteurs électriques ne sont en effet pas directement comparables. Au bout du compte, c'est l'application qui détermine le choix du système d'entraînement. Comparons par exemple la courbe de couple d'un moteur pneumatique avec celle d'un moteur électrique au sein d'une machine d'emballage. Cette application requiert une vitesse de rotation de 450 tr/min. Pour la pose d'un ruban d'emballage, il faut également pouvoir compter sur un couple de 25 Nm avec une vitesse de rotation réduite pendant une plus longue période. Les moteurs électriques ne peuvent pas être surchargés pendant une longue période, dans la mesure où cela entraîne une surchauffe indésirable. Par conséquent, si l'on opte pour un moteur électrique, il faut choisir un modèle adapté au couple de charge, ce qui se traduit par une puissance requise de 1170 W (25 Nm fois 450 tr/min divisé par 9550).
L'approche est tout à fait différente si l'on opte pour moteur pneumatique. Sa courbe de couple favorable et sa faible montée en température sous charge permettent en effet de satisfaire les deux exigences ci-dessus à une moindre puissance. Le choix portera donc naturellement sur un moteur pneumatique avec un couple nominal de 15 Nm et une vitesse nominale de 275 tr/min. Etant donné que le couple de travail est inférieur au couple nominal, à faible charge le moteur tourne à proximité de la vitesse de ralenti de 450 tr/min. La puissance requise du moteur pneumatique ne s'élève ainsi qu'à 430 W, soit à peine le tiers de celle du moteur électrique préconisé. L'efficacité et l'intérêt d'un moteur pneumatique apparaissent dès lors sous un jour très différent.
Rolf Pfeiffer : Outre les moteurs à palettes, qui sont le plus fréquemment utilisés, il existe également des principes d'entraînement qui font un usage encore plus efficace de l'air comprimé. Et c'est là que la technologie innovante de la turbine entre en scène : La turbine est une machine à fluide cinétique, et ce type de machine utilise la force d'expansion de l'air comprimé de manière beaucoup plus efficace que les moteurs à palettes. Ceci a pour effet de réduire d'environ un tiers le besoin en air du moteur. Le rapport poids-puissance (Kg/kW) est incomparable, n'atteignant même pas la moitié de celui du moteur à palettes A titre d'exemple : en remplaçant un moteur à palettes de la taille d'un poing par un moteur à turbine de même taille, je peux presque doubler sa puissance.
Trixy Schmidt : Peut-on donc en déduire que les moteurs pneumatiques à turbine se caractérisent par une grande efficacité énergétique et un rapport poids-puissance exceptionnellement faible ?
Rolf Pfeiffer : Absolument. Mais les avantages de tels moteurs ne s'arrêtent pas là. Nous avons déjà souligné leur faible encombrement. Ceci rend les moteurs à turbine particulièrement adaptés pour les applications robotiques ou en milieu confiné, comme par exemple à l'intérieur du fuselage des avions, mais également dans toutes sortes de machines à main. Nous proposons par exemple une meuleuse à turbine qui pour un poids d'à peine 1,8 kg développe une puissance de 2,2 kilowatts. Un dispositif de même poids pour l'ébavurage, le polissage ou la coupe avec un moteur à palettes ne développe ainsi pas plus de 1 kW. Par rapport à un outil électrique, l'avantage de ce faible rapport poids-puissance au rapport de poids est encore plus manifeste : un broyeur électrique de même puissance pèse pas moins de 5,7 kg.
Dagmar Dübbelde : Il convient d'insister une nouvelle fois sur la faible consommation d'air des systèmes d'entraînement à turbine. Ceux-ci consomment en moyenne un tiers d'air comprimé en moins que les moteurs à palettes, et si leur vitesse est régulée à l'aide d'un régulateur centrifuge, la consommation d'air au ralenti peut être réduite de 50 % supplémentaires. Aucun autre moteur pneumatique ne peut se targuer d'en faire autant ! La turbine ne nécessite pas d'huile, et il n'y a aucune pièce d'usure. Sans oublier le bruit quasiment inaudible. Voici de solides arguments en faveur de l'utilisation de moteurs à turbine.
Trixy Schmidt : Les moteurs à turbine se caractérisant par des vitesses de rotation élevées, ils sont prédestinés pour des applications à fonctionnement en continu. Quelles sont les applications les plus indiquées pour ce genre de propriétés ? Pour quels procédés industriels peuvent-ils être employés ?
Rolf Pfeiffer : En premier lieu, pour des applications stationnaires tels que le meulage, le fraisage, le polissage ou le perçage des métaux, mais également du bois. En bref, pour toutes les applications où une vitesse constante élevée du moteur est nécessaire à des fins de qualité. On peut également envisager l'utilisation d'un moteur à turbine dans les outils à main nécessitant une forte puissance pour un poids réduit.
Dagmar Dübbelde : Et bien sûr également dans les utilisations en espace confiné. Je pense notamment à des unités d'alimentation de forage dans lesquels le recours à un moteur à turbine permet d'atteindre à dimension égale une puissance sensiblement plus élevée.
Trixy Schmidt : La conception d'un moteur à turbine est en revanche bien plus complexe que celle d'un moteur à palettes. Je ne mentionnerai que la géométrie de l'aube de turbine. Leur prix peut-il être compétitif par rapport à d'autres solutions ?
Rolf Pfeiffer : Lors de la fabrication d'une turbine, la conception est nettement plus cher que la production. Or il s'avère que DEPRAG dispose d'ores et déjà de toute une gamme de systèmes d'entraînement à turbine. Nous pouvons mettre au point des moteurs à turbine dans une plage de puissance comprise entre 500 et 50.000 W.
Dagmar Dübbelde : Dans le cadre du développement de notre meuleuse à turbine innovante, mais aussi dans le cadre de notre branche Green Energy, où nous avons développé une turbine de détente de gaz inédite pour la conversion des gaz inutilisés en électricité, nous disposons déjà d'un grand nombre d'outils logiciels sur lesquels nous pouvons nous appuyer pour la conception de turbines adaptées aux besoins de nos clients.
Trixy Schmidt : Cela signifie donc que DEPRAG est en mesure de fournir des turbines personnalisées rapidement et de manière flexible ?
Rolf Pfeiffer : Tout à fait, et ce notamment grâce à l'excellente collaboration que nous entretenons avec l'Université des sciences appliquées d'Amberg-Weiden pour le développement et le test de nouveaux modèles de turbines. Le calcul et la conception de la turbine pour la meuleuse à turbine DEPRAG a ainsi été réalisé sous la supervision du Professeur Andreas Weiß. L'université dispose d'un centre de test pour systèmes d'entraînement et autres actionneurs pneumatiques, où les calculs de conception et les simulations de flux CFD ont été vérifiés pour les turbines Curtis utilisées au sein de la meuleuse. Grâce à l'étude intensive de cette thématique, nous avons développé en commun avec cet établissement une réelle compétence en matière de conception et de fabrication de turbines.
Trixy Schmidt : Donc, si je résume, DEPRAG s'est déjà impliquée de manière très intensive dans des projets de conception de turbine, et ses experts ont pris une avance considérable par rapport aux autres fabricants. Toute entreprise à la recherche d'une turbine comme solution d'entraînement pour son application a par conséquent la garantie d'y trouver des interlocuteurs qualifiés qui sauront la conseiller sur tous les aspects de la mise en œuvre de son projet ?
Rolf Pfeiffer : Encore mieux. J'oserai prétendre qu'un tel projet ne peut actuellement être réalisé par l'un de nos concurrents aussi rapidement et habilement que par DEPRAG. Conformément à notre philosophie d'entreprise, nous couvrons toute la chaîne de valeur, de la conception à la maintenance, avec les plus hautes compétences.
Trixy Schmidt : Je vous remercie pour cette très intéressante entrevue.
La société DEPRAG SCHULZ GMBH & CO. KG est basée à Amberg en Bavière. Cette entreprise de taille moyenne compte environ 600 collaborateurs dans plus de 50 pays. Les compétences de base de ce fabricant de machines-outils et d'unités d'assemblage comprend incluent, outre le domaine des moteurs pneumatiques, les technologies de vissage et d'automatisation, avec de nombreuses solutions d'alimentation. En outre, le département Green Energy est impliqué dans le développement d'une turbine de détente de gaz innovante (GET - Green Energy Turbine) et bon marché capable de convertir en énergie utile même de petites quantités résiduelles de gaz.
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