Autrefois, alors que les coûts énergétiques et la sensibilisation environnementale étaient moindres, on ne portait pas toujours une attention particulière à la consommation d'air des machines. Les concepteurs choisissaient généralement les actionneurs pneumatiques selon divers critères ponctuels : ce qui avait déjà été utilisé, ce qui était disponible en stock, « ça semble à peu près correct », en consultant un simple graphique pression/force et en surdimensionnant d'un diamètre « par précaution ». Cela signifie que les actionneurs de nombreuses machines plus anciennes sont surdimensionnés, et il est tout à fait possible et justifié de réduire la pression de service ainsi que la redondance et le gaspillage.
L'air comprimé des machines n'est pas seulement consommé pour actionner les vérins pneumatiques. Les autres postes de consommation courants comprennent notamment :
Chacun de ces éléments doit être examiné individuellement pour optimiser le rendement et la consommation d'air.
Les générateurs de vide pneumatiques utilisent une buse Venturi, fondée sur le principe de Bernoulli, pour créer le vide en accélérant le débit d'air à travers un étranglement. Les buses des générateurs sont conçues pour fonctionner individuellement ou comme éléments d'un générateur à plusieurs étages. Elles sont spécifiquement conçues pour atteindre des niveaux de vide élevés, des débits élevés pour des temps d'évacuation courts, ou une combinaison polyvalente des deux. Le passage de l'air comprimé à travers une buse directement vers l'atmosphère peut représenter un poste de consommation très élevé. Les données de catalogue permettent de déterminer la pression d'alimentation optimale pour obtenir le débit et la dépression requis. Les générateurs de vide sont souvent conçus pour offrir leur niveau de vide maximal à seulement 4 bars. Augmenter la pression à 6 bars n'améliore pas le niveau de vide, même si le débit, lui, augmente.
Les jets d'air servent à éjecter des pièces des convoyeurs et des boîtiers. Il existe différentes façons d'optimiser la consommation d'énergie : en concentrant le débit à l'aide de buses, ou en utilisant un réservoir pour accumuler de l'énergie tout en ne libérant qu'une brève impulsion.
Les pistolets à air sont couramment utilisés pour le nettoyage et l'élimination de la poussière et des particules. En plus de présenter un danger potentiel, ils constituent également un autre poste de consommation élevée. Les pistolets à air modernes sont munis d'un régulateur intégré qui abaisse la pression à seulement 2 bars, ainsi que d'un embout de sécurité doté d'orifices de décompression.
Les fuites doivent être éliminées dans la mesure du possible, mais il est clair que plus la pression est élevée, plus les pertes sont importantes.
Les volumes morts dans les systèmes pneumatiques, comme le remplissage et la purge de longues canalisations de grand diamètre à chaque cycle de vérin, constituent une autre source de gaspillage d'énergie. Le fait de monter les distributeurs plus près des actionneurs permet de raccourcir la longueur des canalisations. Réduire le diamètre des tuyaux peut aussi aider, mais cela limitera également la mise sous pression et, dans une plus large mesure, les temps de purge; il convient donc de simuler ou de calculer ces paramètres afin d'atteindre le rendement requis.
Des pertes d'énergie surviennent également en raison des écoulements non laminaires et turbulents. Le frottement dans les tuyaux ainsi que les tourbillons causés par des rayons de courbure serrés, des coudes ou des écoulements supersoniques peuvent tous entraîner des pertes de rendement supplémentaires dans les systèmes pneumatiques, et sont influencés par la pression de service.
Pour la conception et la construction de nouvelles machines, réduire la pression de service de, disons, 6 à 4 bars, ne réduit pas nécessairement la consommation d'air. Si les composants sont correctement dimensionnés pour l'application — ce qui comprend non seulement l'actionneur, mais aussi les canalisations, les raccords et l'unité d'alimentation en air, entre autres — il peut être préférable de conserver une pression plus élevée. Par exemple, si une machine est conçue pour fonctionner à 4 bars, elle nécessitera des vérins de plus grand diamètre pour obtenir la même force qu'une machine à 6 bars, et les canalisations devront avoir un plus grand alésage pour atteindre le débit requis à une pression différentielle plus faible. Des actionneurs, supports, canalisations et raccords plus volumineux coûtent généralement plus cher. De plus, des vérins plus grands ajoutent du poids à la machine (un facteur critique s'ils s'ajoutent à la charge utile d'autres actionneurs) et occupent davantage d'espace.
Hum… peut-être que cela ne semble pas si avantageux, finalement?
Si toutes les machines et tous les appareils raccordés à un système de compression peuvent fonctionner à une pression d'air réduite, il est alors possible non seulement de réduire les pressions locales, mais aussi de réduire la pression de l'ensemble du réseau. Les systèmes de compression peuvent être optimisés en fonction d'une demande de pression et de débit donnée, ce dont il faut tenir compte. Des pressions de réseau plus faibles se traduisent par des pertes par fuite moindres.
Les réseaux d'air doivent pouvoir absorber les pointes de demande et les fluctuations; réduire les pressions et la capacité de débit de pointe, bien que cela puisse permettre d'économiser de l'énergie, pourrait entraîner des chutes de pression et des pertes de production.
La meilleure approche consiste à faire appel à des ingénieurs d'application spécialisés qui peuvent soutenir l'optimisation de la machine en fonction de toutes vos priorités — rendement de la machine, coûts de construction, coûts sur le cycle de vie, efficacité énergétique, etc. Nous recommandons également fortement d'examiner la solution dans son ensemble plutôt qu'une seule fonction à la fois. Même le fait de limiter la discussion au remplacement des actionneurs pneumatiques par des entraînements électriques peut constituer une généralisation erronée. Par exemple, est-il logique d'utiliser une pince électrique sophistiquée au bout d'un système de prélèvement-dépôt si une pince pneumatique peut faire le travail? Contrairement aux pinces électriques, les pinces pneumatiques ne consomment pas d'énergie lorsqu'elles exercent une force constante pour saisir une pièce. Dans la plupart des cas, il est possible d'économiser de 50 à 60 % de la masse. Ce facteur est essentiel à l'extrémité du bras, car il permet de réduire la taille de tous les actionneurs de soutien — rotatifs, X-Y et Z. Les économies sur l'ensemble du système peuvent être considérables, tant sur le plan des coûts d'achat que des coûts d'exploitation.
Il est recommandé de se concentrer sur l'objectif à atteindre et de laisser les spécialistes de Festo vous accompagner dans la configuration de votre machine. Ils le feront à l'aide de logiciels d'ingénierie qui vous fourniront les outils, les données et la documentation nécessaires pour prendre des décisions éclairées, tant au niveau des composants que du système.
L'une des façons les plus efficaces d'économiser de l'argent sur l'air comprimé consiste à assurer le dimensionnement adéquat de l'ensemble de la « chaîne pneumatique », du compresseur et du sécheur ou réservoir jusqu'à la distribution et aux éléments de travail comme les unités de traitement de l'air, les distributeurs, les canalisations, les raccords et les actionneurs. Des économies de 50 % en consommation d'énergie sont réalisables et peuvent être modélisées à l'aide de logiciels gratuits comme l'outil de dimensionnement pneumatique de Festo.
Les systèmes d'air comprimé typiques comprennent notamment :
1. Les distributeurs pneumatiques commutant des actionneurs pneumatiques comme les vérins, les pinces et les brides
2. Les générateurs de vide fondés sur les principes de Venturi et de Bernoulli, qui produisent du vide en faisant passer l'air comprimé à travers une buse — utilisés avec des ventouses pour les applications de prélèvement-dépôt ou l'aspiration de liquides
3. Les systèmes d'éjection par air pour déplacer ou éjecter des pièces
4. Les jets d'air pour le séchage
5. L'air pour fournir une pression de « tête » au-dessus des liquides à des fins de distribution ou de pompage
La pression d'air peut être réduite dans l'ensemble du réseau, ce qui signifie que les compresseurs généreront une pression plus faible ou s'arrêteront lorsqu'une pression plus basse est atteinte. Le réservoir d'air et le réseau de distribution peuvent être réglés pour fonctionner à une pression plus faible, généralement réduite de 7,5 bars à 6, voire 5 bars. Si une pression plus élevée est requise à un ou plusieurs points d'utilisation individuels, un surpresseur comme le type DPA de Festo peut être utilisé localement. Lorsqu'une redondance a préalablement été intégrée à un système d'air comprimé, la réduction de la pression de service réduit directement la consommation d'énergie.
Les systèmes pneumatiques utilisant l'air comprimé présentent plusieurs avantages clés :
Les gains rapides en matière d'entretien des systèmes pneumatiques consistent à entretenir ou à remplacer régulièrement les filtres à air des unités de traitement de l'air, à détecter les fuites (à l'oreille ou, de préférence, par ultrasons) et à les réparer immédiatement, ainsi qu'à vérifier l'absence de coudes ou de restrictions dans les canalisations. Ces mesures simples et rapides permettent généralement de réduire les coûts de 5 à 10 %.