Les petites installations de moulage par injection adoptent des servomoteurs à entraînement direct pour la plastification synchrone et la récupération d'énergie lors de l'ouverture et de la fermeture des moules.

Pourquoi les mouleuses par injection de petit tonnage abandonnent-elles l'hydraulique ?

Un conventionnel Machine de moulage par injection hydraulique est un appareil extrêmement inefficace.Un moteur électrique fonctionne en continu à une vitesse de 1 500 à 1 800 tr/min, entraînant un Pompe hydraulique L'huile est pressurisée à une pression de 140 à 210 bars. Cette huile sous pression circule à travers des vannes proportionnelles et directionnelles – chacune présentant une fuite contrôlée dissipant l'énergie sous forme de chaleur – pour actionner des vérins qui serrent le moule, font tourner la vis, injectent le métal en fusion et éjectent la pièce. Même lorsque la machine est à l'arrêt – pendant la phase de refroidissement, qui représente 40 à 60 % du temps de cycle total – le moteur continue de tourner, la pompe assure la circulation de l'huile et la consommation d'énergie se poursuit. Le rendement global du système, de l'entrée électrique à la sortie mécanique au niveau du serrage, est d'environ 30 à 45 % ; le reste est dissipé sous forme de chaleur dans l'huile hydraulique, qui nécessite ensuite un refroidisseur pour être évacuée.

J'ai travaillé pendant plus de dix ans chez Vicks Servo sur la modernisation de machines de moulage par injection, et j'ai comparé la consommation énergétique de machines hydrauliques à celle de machines modernisées par servomoteurs à entraînement direct sur des dizaines d'installations. Les données sont sans équivoque : une machine de moulage par injection hydraulique de 200 tonnes consommant en moyenne 18 à 22 kW sur un cycle de 45 secondes peut être modernisée avec servomoteurs à entraînement direct qui consomment en moyenne 8 à 12 kW — soit une réduction de 45 à 55 % — et le temps de cycle passe de 45 secondes à 36-38 secondes car la rotation de la vis servo-entraînée et le mouvement de la pince sont plus rapides et peuvent se chevaucher d'une manière que le séquençage hydraulique empêche.

Comment fonctionne l'architecture servo à entraînement direct dans le moulage par injection

UN Servo à entraînement direct Le système de moulage par injection remplace trois sous-systèmes hydrauliques par trois servomoteurs : (1) Un servomoteur directement couplé à la vis de plastification par un réducteur, éliminant ainsi le moteur hydraulique, le distributeur proportionnel et les pertes d'énergie dans le circuit hydraulique entre la pompe et l'entraînement de la vis. (2) Un servomoteur entraînant un mécanisme à vis à billes pour l'injection, remplaçant le vérin d'injection hydraulique par un actionneur électromécanique de précision qui assure un contrôle de la vitesse d'injection à 0,1 mm/s près et un contrôle de la pression de maintien à 0,1 MPa près. (3) Un servomoteur entraînant le mécanisme d'ouverture et de fermeture du moule, généralement par un système à genouillère ou à vis à billes, qui assure un contrôle de la force de fermeture par le couple moteur plutôt que par la pression hydraulique, garantissant une répétabilité de la force de fermeture à 0,5 % près sur des milliers de cycles.

L'idée architecturale clé : chaque servomoteur ne consomme du courant que pendant sa phase de mouvement spécifique. Durant la phase de refroidissement (40 à 60 % du cycle), les trois servomoteurs sont à l'arrêt et ne consomment aucun courant, hormis la consommation en veille de l'électronique de commande (20 à 50 watts). Dans une machine hydraulique, le moteur de la pompe fonctionne en continu pendant toute la phase de refroidissement, consommant 5 à 8 kW de puissance à vide, sans autre effet que le chauffage de l'huile hydraulique. Sur plus de 6 000 heures de fonctionnement par an, cette seule consommation à vide représente un gaspillage d'électricité de 30 000 à 48 000 kWh, soit environ 3 000 à 5 000 dollars par machine et par an aux tarifs industriels chinois actuels.

Récupération d'énergie : comment le freinage régénératif transforme le cycle d'ouverture-fermeture du moule en source d'énergie

Le cycle d'ouverture-fermeture du moule d'une machine de 200 tonnes consiste à accélérer un plateau mobile de 800 à 1 200 kg de l'arrêt à environ 800 mm/s en 0,3 à 0,5 seconde, puis à le décélérer jusqu'à l'arrêt complet en fin de course. L'énergie cinétique de cette masse en mouvement — environ 250 à 380 joules à vitesse maximale — est dissipée sous forme de chaleur par un papillon hydraulique dans une machine conventionnelle. Sur plus de 800 000 cycles par an, cela représente 200 à 300 mégajoules (55 à 83 kWh) d'énergie récupérable par machine — une valeur modeste, mais significative à l'échelle d'une usine de 20 à 30 machines.

Un système servo à entraînement direct récupère cette énergie par freinage régénératif : lorsque le servomoteur décélère le plateau, il fonctionne comme un générateur, convertissant l’énergie cinétique du plateau en énergie électrique injectée dans le bus CC. L’énergie récupérée peut ensuite être : (1) immédiatement consommée par un autre axe servo accélérant simultanément (chevauchement synchrone de la plastification et de la fermeture du moule), ou (2) stockée dans la batterie de condensateurs du variateur pour être utilisée lors de la phase d’accélération suivante. Le rendement de récupération est d’environ 70 à 85 %, ce qui signifie que 70 à 85 % de l’énergie cinétique du plateau est récupérée et réutilisée au cours du même cycle ou du cycle suivant, au lieu d’être dissipée sous forme de chaleur.

Cette récupération d'énergie explique pourquoi les servomachines à entraînement direct peuvent atteindre une consommation énergétique totale inférieure à 0,30 kWh/kg de matériau traité, contre 0,55 à 0,75 kWh/kg pour les machines hydrauliques et 0,40 à 0,55 kWh/kg pour les machines hybrides (servopompe + hydraulique). Cette différence de 0,25 à 0,45 kWh/kg, pour une production annuelle de 500 tonnes de matériau, représente une économie d'électricité annuelle de 125 000 à 225 000 kWh, soit environ 10 000 à 18 000 dollars par machine.

Plastification synchrone : la réduction du temps de cycle qui double le retour sur investissement

Dans une machine d'injection hydraulique conventionnelle, le cycle se déroule de manière strictement séquentielle : fermeture du moule → injection → maintien de la pression → plastification (rotation de la vis) → refroidissement → ouverture du moule → éjection. La phase de plastification — durant laquelle la vis tourne pour fondre et acheminer la dose suivante de matériau — ne peut commencer qu'une fois la phase de maintien de la pression terminée, car la même pompe hydraulique assure les deux fonctions. Dans un système servo à entraînement direct, le servomoteur de plastification et le servomoteur d'injection sont indépendants ; ils peuvent fonctionner simultanément. Ceci permet plastification synchrone: la vis commence à tourner pour plastifier la prochaine injection pendant que la pièce refroidit encore dans le moule et que la phase de maintien de la pression est en cours d'exécution par le servomoteur d'injection.

La réduction du temps de cycle grâce à la plastification synchrone dépend de la géométrie et du matériau de la pièce : pour les emballages à parois minces (polypropylène, épaisseur de paroi de 0,5 à 1,0 mm, temps de refroidissement de 6 à 8 secondes), la phase de plastification se chevauche entièrement avec le refroidissement, réduisant le temps de cycle de 15 à 20 %. Pour les pièces techniques (polyamide, Avec une épaisseur de paroi de 2 à 3 mm et un temps de refroidissement de 15 à 25 secondes, le chevauchement est partiel mais réduit tout de même le temps de cycle de 8 à 12 %. Pour une série d'applications typiques de faible tonnage, la réduction moyenne du temps de cycle est de 12 à 18 %, ce qui, pour une machine produisant 500 000 cycles par an, se traduit par une capacité de production supplémentaire de 60 000 à 90 000 cycles sans machine supplémentaire.

Comparaison de précision : comment un servomoteur à entraînement direct améliore la qualité des pièces et la capacité de processus

Le passage d'un système hydraulique à un servomoteur à entraînement direct est souvent présenté comme une solution permettant des économies d'énergie – et ces économies sont bien réelles – mais le gain de précision est sans doute encore plus précieux pour les mouleurs de pièces de haute précision. Un vérin hydraulique contrôle la vitesse d'injection via une vanne proportionnelle qui réagit à un signal électrique avec une latence de 20 à 50 millisecondes. Pendant cette latence, la vis d'injection continue de tourner ; or, pour une application d'emballage à parois fines avec un temps de remplissage de 0,3 seconde, une latence de 30 ms représente une variation de 10 % dans le contrôle de la vitesse de remplissage. Un servomoteur à entraînement direct, relié directement à la vis d'injection par une vis à billes, réagit à une mise à jour de la consigne de position en 1 à 2 millisecondes, éliminant ainsi la latence hydraulique et assurant un contrôle de la vitesse de remplissage à 0,5 % près de la consigne sur toute la course d'injection.

Les améliorations concrètes de la qualité que j'ai mesurées sur les machines modernisées : (1) La répétabilité du poids des pièces passe d'un écart type de 0,3 à 0,5 % du poids d'injection (hydraulique) à 0,08 à 0,15 % (asservie), soit une amélioration d'un facteur 3 qui réduit directement les rebuts dus aux pièces trop lourdes ou trop légères. Pour un mouleur produisant 10 millions de pièces par an à un coût de matière de 0,15 $ par pièce, une réduction de 0,3 % du poids d'injection grâce à une meilleure répétabilité permet d'économiser 4 500 $ par an rien qu'en coût de matière. (2) La variation dimensionnelle, mesurée par l'écart type d'une dimension critique sur une étude de capabilité portant sur 100 injections, s'améliore généralement de 40 à 60 %. Une machine hydraulique avec un Cp de 1,2 sur une dimension critique peut atteindre un Cp de 1,6 à 1,8 après modernisation avec une servocommande, passant ainsi d'une capabilité de processus « acceptable » à une capabilité « excellente ». (3) Les rebuts de démarrage — les 5 à 15 tirs jetés au début de chaque série de production pendant que l'huile hydraulique atteint sa température et sa viscosité de fonctionnement — sont pratiquement éliminés car le système servo atteint sa pleine précision en 2 à 3 cycles de démarrage, quelle que soit la température ambiante.

Le calcul des économies d'énergie est simple, mais le calcul de l'amélioration de la précision nécessite de comprendre votre taux de rebut actuel et la valeur de chaque point de pourcentage de réduction. Une mouleuse produisant 500 tonnes de matériau par an avec un taux de rebut de 3 % jette 15 tonnes de matériau. À un coût moyen de 2,00 $/kg, cela représente 30 000 $ de rebuts par an. Réduire le taux de rebut à 1,5 % grâce à une servocommande de précision améliorée permet d'économiser 15 000 $ par an, soit l'équivalent des économies d'électricité annuelles, et de diviser par deux la période d'amortissement de la modernisation. Vicks Servo fournit des données de capacité de processus issues des machines modernisées afin d'étayer l'analyse de rentabilité de l'amélioration de la précision, en complément de l'analyse standard des économies d'énergie.

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