Choisir la bonne presse : guide expert pour options mécaniques, hydrauliques et servo

La technologie de presse — qu'elle soit mécanique, hydraulique ou servo — joue de nombreux rôles

Il y a des choix en matière de presses, ce qui est une bonne chose. Le débat n'est pas de savoir laquelle est la meilleure, mais laquelle est la bonne pour le travail à accomplir. Il y a des compromis en coût, fonction et qualité entre les principaux types de presses qu'on pourrait choisir.

C'est un débat amical, et les cartes sont sur la table pour tous.

Revue rapide de la technologie

Selon Stephanie Price, ingénieure d'application senior chez Promess Inc, Brighton, Mich., beaucoup de gens dans l'industrie n'apprécient pas pleinement les avantages de la technologie de presse servo. Inversement, Mike Josefiak, ingénieur mécanique chez Greenerd Press & Machine, Nashua, N.H., fait un bon argument que la presse hydraulique est la meilleure solution pour certaines applications. Et Jim Landowski, vice-président chez Komatsu America Industries LLC basé à Chicago, vous dirait qu'il y a encore des situations où une presse mécanique traditionnelle est très bien.

Une presse mécanique convertit le mouvement de rotation d'un volant d'inertie en mouvement linéaire du bélier pressant sur la pièce. Comme Landowski l'a décrit, vous pouvez « imaginer le cercle, avec zéro en haut et 180 en bas. Une presse mécanique va de zéro à travers 180 et retour à zéro, ou 360, en un mouvement continu. » La course n'a pas de force en haut et force maximale en bas, donc « selon l'outil, vous pourriez commencer à pousser le matériau à 160 degrés ou environ. Mais quand ça arrive à 180, la pièce est finie, parce que votre coulisseau remonte. »

Comme Bob Southwell, vice-président exécutif de AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, l'a expliqué, la plupart des presses servo sont des versions du même arrangement, « sauf que vous alimentez un entraînement mécanique avec un moteur servo, versus un volant d'inertie avec un mécanisme embrayage-frein. » Une presse mécanique a une course fixe et une vitesse constante. Mais « ajoutez un moteur servo, et maintenant vous pouvez programmer le profil de mouvement. Vous pouvez ralentir, faire une pause, effectuer un re-frappe rapide, et faire diverses choses qui n'étaient jamais possibles avec une presse mécanique standard. » Il y a aussi une version à entraînement direct (moteur servo à vis à billes), avec de meilleures caractéristiques de couple que l'hybride servo-mécanique.

Une presse hydraulique combine un ensemble de pompes, vannes et tuyaux pour engager le bélier avec du fluide sous pression. Bien que cette approche ait des avantages, ils n'incluent pas le genre de contrôle de mouvement couvert ci-dessus. Donc une presse servo offre des capacités additionnelles et résout un certain nombre de problèmes qui surviennent avec les presses purement mécaniques ou hydrauliques.

Nouveaux matériaux, nouveaux défis

Landowski a observé que le passage vers des alliages avancés entraîné par l'allègement automobile et d'autres facteurs stimule la demande pour les presses servo. Comme il l'a dit, « pensez à l'acier comme un liquide, il doit couler... Vous ne travaillez pas le matériau, vous travaillez avec le matériau. »

Les matériaux plus durs nécessitent des ajustements fins de la vitesse du bélier « pour laisser le matériau couler correctement, sinon ça devient comme du taffy et commence à se défaire. » Par exemple, il a dit, former une coupelle dans un alliage dur pourrait nécessiter de ralentir de 30 à 15 IPM sur la course d'un 3" (76,2 mm), à un taux de changement précis — et peut-être variable.

Seul un contrôle servo pourrait gérer cela, étant donné que les ajustements se produisent en millisecondes.

L'avantage principal d'un servo, a déclaré Landowski, est la flexibilité de travailler avec différents métaux en réglant le flux du matériau. « C'est pour ça qu'on a des gens qui viennent essayer diverses options. Je peux faire une bonne pièce ou une mauvaise pièce juste en changeant la vitesse du coulisseau. »

Southwell a acquiescé et a rapporté que ces défis de matériaux ont abouti à une part de marché de presse servo d'environ 80 % dans la fabrication automobile nord-américaine. « Les aciers à haute résistance et ultra-haute résistance et aluminums sont beaucoup plus difficiles à former que les matériaux de dix à quinze ans auparavant. Et la capacité d'un servo à ajuster le profil de formage s'est avérée extrêmement bénéfique pour la base de clients. »

Josefiak de Greenerd a acquiescé que le contrôle servo a un avantage en temps de réponse versus l'hydraulique, dans lequel la réponse est amortie, mais a dit qu'il n'avait pas « vu beaucoup d'applications où ce niveau de contrôle dans le profil de mouvement impacte matériellement si vous faites un bon produit ou pas. » Mais il a reconnu que « le re-frappe est un bon exemple de fonction servo-only. Aller au fond et puis re-frapper dans une fraction de seconde n'est pas quelque chose que vous pouvez faire avec l'hydraulique. »

Si vous n'avez pas besoin de contrôler la vitesse, Landowski a argumenté, vous n'avez peut-être pas besoin d'un servo.

« Si vous faites des rondelles, par exemple, ou de petits rivets ou quelque chose comme ça, vous n'allez pas ralentir la presse, vous n'allez pas contrôler la vitesse. Vous voulez faire autant de pièces que possible, aussi vite que possible. » C'est là qu'une presse mécanique brille, a-t-il dit. C'est aussi là où les presses hydrauliques sont les moins appropriées.

Polyvalence du servo en assemblage

Southwell a ajouté que la capacité d'une presse servo à être facilement reprogrammée pour différentes pièces est un autre facteur dans leur succès, même dans le monde automobile à haut volume.

« La plupart des systèmes de presse sont conçus pour faire tourner plusieurs types de pièces. Ils feront tourner un outil pendant une heure, le changeront et en rouleront un autre. Virtuellement personne ne configure une presse et la fait juste tourner... Il n'y a pas moyen qu'ils puissent rester compétitifs. Nous vendons beaucoup de systèmes aux OEM à travers les Tier Ones et Tier Twos pour de grandes familles de pièces différentes ou jeux de matrices à travers une seule presse. »

La polyvalence de la presse servo va bien au-delà de la programmation facile et s'étend aux opérations d'assemblage délicates, a dit Price de Promess.

En restant sur un exemple automobile, Price a pointé vers l'assemblage d'une charnière de porte. Elle a expliqué qu'une presse servo offre à la fois une haute précision et une boucle de rétroaction inhérente capable de surveiller de près la position et la force. Donc, en pressant la charnière ensemble, Promess est aussi capable de jauger la résistance résultante dans l'articulation, de telle sorte qu'ils peuvent s'assurer que la porte ne s'ouvre ni trop facilement ni trop raide pour être inconfortable pour le propriétaire de la voiture.

Cette capacité d'activer une pièce mobile et de mesurer les forces en temps réel donne aussi l'opportunité de desserrer les tolérances des pièces, réduisant ainsi les coûts des composants. Comme Price l'a expliqué, sans rétroaction pendant l'assemblage, les ingénieurs sont souvent forcés de concevoir et fabriquer avec des tolérances très serrées pour s'assurer que les pièces s'emboîtent correctement.

« Ils utilisent le fait que la presse est allée à une certaine profondeur, et basé sur leurs tolérances serrées, supposent que la pièce a été assemblée correctement. Ils n'ont pas d'analyse de signature pour vérifier cela. »

Avec une presse servo, ils pourraient plutôt desserrer les tolérances et surveiller les données pendant le processus d'assemblage pour déterminer que ce qu'ils ont pressé ensemble est réellement correctement en place. Price a dit que les capacités de détection intégrées de leurs presses servo ont produit des réductions de taux de rebut jusqu'à 50 % dans certains cas.

Price a aussi souligné que si une application nécessitait une détection additionnelle (au-delà de la rétroaction du moteur servo), il est facile de l'intégrer avec leurs systèmes.

« Nous avons des clients utilisant neuf à dix transducteurs de pression différents, ou transducteurs de position, ou cellules de charge externes. Nous pouvons prendre toutes ces informations pour comprendre ce qui se passe dans le processus », a-t-il dit. « Et nous pouvons réagir à cela pendant le processus. Et parce que tout est électrique, c'est très simple à configurer. Branchez juste un transducteur dans un conditionneur de signal numérique. Le contrôleur peut alors prendre ce signal et l'utiliser pour prendre une détermination. »

Presses, contrôle et compromis

Les presses hydrauliques ne sont pas aveugles dans ce domaine. Josefiak a dit qu'il y a des contrôleurs de mouvement dédiés aux systèmes hydrauliques avec « des temps de balayage extrêmement rapides qui regardent la pression des deux côtés d'un actionneur hydraulique. Et ensuite en utilisant des transducteurs de pression à action rapide, nous pouvons montrer la force réelle appliquée au travail. » Un tel système met à jour la mesure de force en moins d'une milliseconde. De son avis, les applications nécessitant une mesure de force plus rapide sont « peu et loin entre. »

Selon Southwell, les presses servo sont bien meilleures que les presses hydrauliques pour faire des pièces complexes qui nécessitent une série de matrices. Il y a des années, cela aurait été fait en transférant les pièces à la main de presse en presse, a-t-il expliqué. Mais maintenant « la seule façon de compétitionner » est de transférer mécaniquement les pièces d'étape en étape dans une seule presse. Mais « quand vous utilisez plusieurs stations pour faire une pièce, vous avez un chargement excentré, qui est très préjudiciable à un entraînement hydraulique. »

Josefiak a contre-argumenté que « le chargement excentré est préjudiciable aux systèmes mécaniques et hydrauliques. Les deux gèrent ces charges excentrées avec une construction appropriée et un guidage de la structure en acier. Nous avons des systèmes utilisant plusieurs cylindres hydrauliques pour permettre un chargement excentré bien plus grand qu'une presse servo-mécanique standard. »

Il y a aussi une certaine controverse sur les applications nécessitant l'utilisation d'huile alimentaire comme lubrifiant. Landowski a rapporté que « plusieurs clients sont passés de l'hydraulique aux presses servo-mécaniques uniquement à cause de cylindres qui suintent et les glissières qui gouttent sur le matériau. Toutes les pièces doivent être nettoyées après formage pour enlever toute contamination possible. Les clients nous ont aussi dit que nettoyer les lubrifiants alimentaires est moins coûteux que non-alimentaires en raison des régulations FDA ou EPA. »

Josefiak a dit qu'ils ont satisfait aux standards médicaux et de sécurité alimentaire sur un certain nombre de projets « en modifiant l'étanchéité dans leurs presses pour utiliser de l'huile alimentaire à la place des huiles industrielles standard. » Alors que Landowski a déclaré que leurs presses servo standard hors étagère n'ont besoin d'aucune modification, « juste l'huile alimentaire pour l'entraînement de la presse et le lubrifiant de coulisseau. » Un client « fabrique des bouchons en caoutchouc pour tubes à essai. Chaque course de la presse livre 65 à 75 bouchons en caoutchouc, et les lubrifiants non-alimentaires invalideraient ce processus particulier. »

L'hydraulique domine le repoussage profond

Selon Southwell, « l'avantage d'une presse hydraulique est que vous avez la pleine capacité de tonnage ou de force à travers toute la course. Donc, si c'est une presse de 200 tonnes et que vous avez une course de douze pouces, vous pouvez appliquer 200 tonnes de pression tout le long de cette course. Avec une presse servo qui a le même entraînement mécanique excentrique que la presse mécanique originale, vous avez l'engrenage, l'arbre à manivelle ou un arbre centrique, et un entraînement par engrenage central. Il y a une courbe de tonnage ou de couple, et la force que vous pouvez appliquer varie selon l'angle de l'arbre du moteur par rapport au bas. » Ce n'est pas le cas pour les presses servo à entraînement direct comme celles faites par Promess, mais ces systèmes deviennent très chers à mesure que le tonnage augmente. Promess culmine à 1 MN (~100 tonnes) dans un seul cylindre, par exemple.

La capacité d'appliquer une force pleine à travers toute la course rend les presses hydrauliques parfaites pour les applications de repoussage profond, et Josefiak est allé jusqu'à dire que c'est « la seule option qui a vraiment du sens. »

Un exemple récent qu'il a cité est un projet pour produire « des réservoirs de pression relativement grands. Nous avons installé un système automatisé qui charge de grands blanks plats dans une presse de repoussage profond qui a une course de travail de cinq pieds. » Le système a plusieurs opérations, a-t-il expliqué. La première utilise une presse de 170 tonnes pour repousser deux moitiés du réservoir. Cela est suivi par une poinçonneuse automatisée et le rognage et soudage en aval. La clé ici, a dit Josefiak, est qu'une telle course de travail « n'est pas quelque chose qui est facilement réplicable avec une presse servo. Donc le repoussage profond est un domaine où l'hydraulique domine encore. Et c'est à travers plusieurs industries. C'est plus le processus que l'industrie. »

Josefiak a dit que l'hydraulique « fait aussi très bien dans les situations avec un temps de cycle très long, où nous pouvons gérer une consommation d'énergie très faible dans une pression constante sur la zone de lit et relativement peu coûteuse d'un point de vue investissement. » Le moulage par compression offre un exemple majeur. « Habituellement, le moulage par compression va être une combinaison de temps, température et pression formant un matériau en forme », a expliqué Josefiak. La presse tiendrait un matériau relativement mince contre une forme de matrice positive ou négative sous pression. « La durée pourrait être aussi courte que cinq secondes, ou aussi longue que deux heures. Et très souvent... nous essayons de maintenir une température de plateau constante sur la zone de travail d'environ 300 à 700 degrés, et d'essayer de contrôler une pression très constante sur la zone de travail. » Cela assure que le matériau formé est uniforme partout. La technique est utilisée pour des choses comme les revêtements de benne automobile (y compris les nouveaux revêtements de benne composites) et les plafonds de voiture faits avec un matériau comme de la moquette. Un autre exemple qu'il a listé est « la compaction de poudre pour faire des meules d'oxyde d'aluminium. »

Considérations de coût

De manière générale, l'investissement en capital pour une presse servo dépasse celui des presses mécaniques ou hydrauliques traditionnelles. Mais il y a des coûts d'exploitation et facteurs connexes à considérer qui rendent cette comparaison presque inutile. De plus, toutes les presses d'un type donné ne sont pas égales, même pour les mêmes valeurs de tonnage/couple.

Commençons par la consommation d'énergie. Une presse hydraulique doit maintenir la pression dans les lignes pour déplacer le bélier sur demande, et cela signifie faire tourner les pompes à travers les cycles. Cela se compare défavorablement avec une presse servo, qui utilise l'électricité seulement quand le bélier bouge. Selon Landowski, cela donne une économie d'énergie d'environ « 50 % avec une presse servo, selon la taille de la machine. » Price a fait référence à une étude de l'Université de Kassel, qui a trouvé la presse servo à 90 % d'efficacité en conversion d'énergie, versus 57 % pour le système hydraulique comparable. Southwell a dit que Honda a étudié leurs propres systèmes et publié la découverte que les presses servo livraient une économie de 30 % en consommation d'énergie réelle.

Southwell a aussi indiqué que certaines presses AIDA utilisent un « système de gestion d'énergie 100 % à base de condensateurs. » Cela stocke l'énergie de travail requise dans des condensateurs, qui sont rechargés pendant la partie non-travail de la course. Cela « réduit considérablement la charge de pointe », a-t-il expliqué, versus une presse mécanique ou hydraulique, qui ont un « pic énorme quand elles s'engagent pour la première fois. » Le tirage de courant AIDA est « assez plat. Donc votre pic de débit réel pourrait être seulement 20 à 30 % de la charge de pointe des systèmes mécaniques ou hydrauliques. C'est critique, car les compagnies d'électricité doivent dimensionner l'électricité qu'elles livrent au client par la charge de pointe. »

Josefiak a contre-argumenté que dans un environnement de haute production il y a peu ou pas de temps mort, donc « ça n'a pas vraiment d'importance » que les pompes hydrauliques tournent en continu. Et « dans les systèmes où nous avons des temps morts longs de 10 minutes ou plus, nous pouvons installer un contrôle de moteur « soft start » qui arrête le moteur pour économiser l'énergie. » Fait intéressant, bien que cette option n'ajoute que 2 % à 3 % du coût du système, Josefiak a rapporté qu'il n'y a jamais eu de forte demande pour elle. Il a ajouté que passer d'une pompe à déplacement fixe à une pompe à déplacement variable peut aussi « dramatiquement réduire notre consommation d'énergie au ralenti. » Mais cela n'est encore devenu la norme aux États-Unis.

Avec toutes ses pompes, vannes, tuyaux et flexibles, la technologie hydraulique est souvent critiquée pour être plus complexe et plus intensive en maintenance que les systèmes basés sur servo. Price a dit que leurs presses servo ne nécessitent rien de plus qu'un graissage bisannuel des vis à billes — et même cela est très prudent. Inversement, maintenez les lignes hydrauliques sous haute pression pendant des mois, à travers cycle après cycle, et tôt ou tard quelque chose va fuir ou un sous-composant va échouer. Le contre-argument, a dit Josefiak, est que « personne n'utilise plus de raccords NPT. Il y a une gamme de joints métal-métal et style O-ring, construits avec de meilleurs matériaux, qui ont fait un bien meilleur travail pour contrôler les fuites. » De plus, a-t-il dit, les composants individuels sont relativement peu coûteux et faciles à réparer, tandis que « faire des réparations sur un système servo est dramatiquement plus cher. »

Ce dernier point nous amène au sujet du dimensionnement correct des composants pour le travail. C'est vrai que si vous grillez un moteur servo en quelques années, vous êtes face à une grosse facture de réparation. Mais Price a dit que leurs systèmes tournent routinièrement pendant 20 ans sans de telles pannes, parce qu'ils sont conçus avec un facteur de sécurité de 2,5x. Les entraînements sont dimensionnés pour tourner dans le courant continu du moteur servo, au lieu du pic, donc la presse peut tenir la pièce indéfiniment sans surchauffer et échouer.

De même, les vis à billes auront une capacité de charge dynamique de 2,5x la force nominale de la presse. Par exemple, la vis à billes dans une presse Promess 40 kN a une capacité de charge dynamique de 134 kN et une capacité de charge statique de 320 kN. Price a dit qu'un tel système peut être attendu de performer sans panne pendant 22+ ans quand il tourne un travail avec une force moyenne de 30 kN, à 16 cycles/min sur 14 heures/jour. Comparez cela à seulement 32 semaines pour une vis à billes évaluée à 40 kN charge dynamique ; même à une évaluation de 80 kN, le système durerait moins de cinq ans.