La technologie d'économie d'énergie pour les machines d'extraction en soufflage (EBM) n'est plus un aspect secondaire de la commercialisation, mais une exigence commerciale rigoureuse. Pour la plupart des usines de soufflage, l'électricité est désormais le deuxième coût contrôlable après la résine, et dans les régions où les tarifs sont élevés ou où l'on doit rendre compte des émissions de carbone, c'est le coût qui augmente le plus rapidement. Une seule machine d'extraction en soufflage qui fonctionne trois services par jour sur des bidons en HDPE peut consommer plus d'électricité en un an que tout un bâtiment de bureau de même superficie. Pourtant, la même machine, spécifiée correctement, peut produire les mêmes produits avec bien moins d'énergie.
Apollo, une usine Wanplas basée à Zhangjiagang, près de Shanghai, a passé plus de vingt ans à construire des machines d'extrusion et de soufflage automatiques. Elle compte plus de 4 000 modèles à l'installation dans plus de 90 pays. Dans ce parc matériel, le modèle est constant : la différence entre une machine performante et une inefficace est rarement due à un seul composant révolutionnaire. Elle résulte plutôt de l'accumulation d'une douzaine de décisions d'ingénierie délibérées, qui permettent de réduire de quelques points de pourcentage chaque sous-système.
Cet article décompose précisément dans quelles parties de l’appareil s’accorde l’énergie, puis passe en revue chaque sous-système successivement : l'entraînement de l’extrudeur, l'unité de puissance hydraulique, le chauffage du boîtier et de la tête de moule, l’air comprimé et le refroidissement du moule. Il explique la différence mesurable entre les pompes à débit fixe, les pompes à variable tunée au rendement, les unités servo-hydrauliques et le fonctionnement entièrement électrique. Il compare le chauffage par mica, céramique, halogène infrarouge et induction sur une base comparable. Il quantifie le rendement réel de la récupération de l’air de soufflage. Et il conclut par une feuille de route de retrofit hiérarchisée que tout atelier peut appliquer à des machines déjà en service, qu’elles portent le nom d’Apollo ou un autre (Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy ou Graham Engineering).
Dans l'ensemble, les performances énergétiques sont exprimées de la façon dont les ingénieurs devraient l'exprimer : comme consommation d'énergie spécifique en kWh par kilogramme de produit, et en kWh par mille pièces, mesurée à la frontière de la machine. Le coût relatif et le retour sur investissement sont exprimés dans des bandes qualitatives et avec des bases d'indexation plutôt que des chiffres absolus, car les tarifs, les droits et les salaires locaux varient bien trop largement pour qu'un seul nombre soit utile.
Pourquoi la consommation d'énergie est aujourd'hui une spécification EBM cruciale
La consommation d'énergie n'est plus une spécification secondaire dans le moulage par soufflage et extrusion ; c'est un critère de sélection principal qui détermine directement si une ligne de production de conteneurs reste compétitive au cours de sa durée de vie de dix ans. Trois forces se sont convergées pour rendre cela vrai, et aucun d'entre elles n'a de probabilité de s'inverser.
La première force est la volatilité des tarifs. Les prix de l'électricité dans de nombreuses régions exportatrices sont devenus bien moins prédictibles que cela n'était il y a dix ans, et le moulage par soufflage est par nature une opération intensive en matière d'électricité. À la différence du coût de la résine, qui peut souvent être transmis au client grâce à des contrats indexés, les coûts d'électricité sont généralement entièrement absorber par le transformateur. Une machine spécifiée à l'aide uniquement du prix d'achat et de la capacité de production peut tranquillement consommer plusieurs fois sa valeur patrimoniale en matière d'électricité pendant sa durée de vie opérationnelle.
La deuxième force est le comptabilisation du carbone, imposée par les réglementations et les clients. Les titulaires de marques dans les domaines de l'emballage alimentaire, pharmaceutique et chimique quotidien demandent de plus en plus aux fournisseurs d'emballages des données sur les émissions du Scope 3. Ces données ne peuvent être produites sans la mesure de l'énergie par machine. Un convertisseur qui ne peut pas communiquer le nombre de kWh pour mille pièces dans un emballage donné se trouve dans un désavantage concurrentiel, quelle que soit la qualité des pièces.
La troisième force est la maturation de la technologie elle-même. Les unités de puissance servo-hydrauliques, les moteurs synchrones à magnésime permanente et le chauffage par induction dans le tube étaient toutes des nouveautés onéreuses il y a quinze ans. Aujourd'hui, elles constituent un élément de routine, fortement soutenue et disponible auprès de plusieurs fournisseurs de composants, ce qui a réduit tant la prime de prix que le risque technique. Ce qui était autrefois une option expérimentale est aujourd'hui une configuration technique commune jugée justifiable.
L'économie liée à la consommation d'énergie spécifique
La mesure la plus utile dans cette discussion est la consommation d'énergie spécifique, exprimée en kWh par kilogramme de produit fini. Elle normalise les différences dues à la taille de la machine, à la géométrie du conteneur et aux schémas de changement, permettant de comparer une ligne avec des bouteilles de 200 ml et une ligne avec des tambours de 220 l sur la même échelle. Pour une machine à extrusion en soufflage par moulage en HDPE bien configurée, la consommation d'énergie spécifique liée aux limites de la machine se situe généralement entre 0,55 et 0,95 kWh/kg. Des machines construites avant la généralisation des moteurs d'extrudeurs à fréquence variable, des enveloppes d'isolation et des systèmes à air en boucle fermée dépassent fréquemment 1,2 kWh/kg pour les mêmes pièces.
Cette différence d'environ 0,4 kWh/kg ne parait pas énorme jusqu'à ce qu'elle soit multipliée par la productivité annuelle. Une machine qui convertit 400 tonnes de HDPE par an en menant à l'accès à un désavantage de 0,4 kWh/kg consomme 160 000 kilowatt-heures supplémentaires par an, sans augmentation de la production. Exprimée en index, avec une machine moderne efficace fixée à une base de 100 points, une machine archaïque mal configurée se situe autour de 140 à 165 points d'indice, pour un programme de production identique.
L'efficacité énergétique du soufflage par extrusion ne résulte pas d'une seule composante. Elle résulte de l'attaque systématique de six sous-systèmes, chacun contribuant entre 3 et 60 % de la charge totale de l'appareil, et de la mesure du résultat, plutôt que de l'assumer.
Où va réellement l'électricité ? : Distribution de l'énergie dans une machine à écoulement varié sous pression (EBM)
Dans une machine de moulage par soufflage et extrusion à station unique produisant des bidons d'un litre de PE HD, le moteur de l'extrudeur consomme la plus grande part de la puissance totale, généralement entre 45 et 60 %, suivi de l'unité de pompage hydraulique, du chauffage du baril et de la matrice, de l'air comprimé et du refroidissement du moule. Comprendre cette répartition est la condition préalable à tout programme énergétique rationnel, car des efforts consacrés à l'optimisation d'un sous-système représentant 4 % de la charge ne peuvent jamais rivaliser avec une amélioration modeste d'un sous-système représentant 50 %.
La répartition ci-dessous est une configuration représentative : une machine monostat avec extrudeuse monotrunion de 90 mm, L/D = 25 : 1, extrusion continue avec une tête à couvercles d'une seule couche, unité de serrage hydraulique et déflashage intégré à la machine. La productivité est d'environ 60 à 80 kg/h de PEHD avec un débit de fusion d'environ 0,3 g/10 min à 190 °C et 2,16 kg, mesuré selon la norme ASTM D1238. La masse du récipient est d'environ 180 à 220 g. La température ambiante est supposée être de 25 °C.
Tableau 1 : Décomposition de l’énergie consommée par une machine EBM à bidon en HDPE de 5 litres.
| Sous-système | Part de la puissance totale de la machine | Schéma de charge | Mécanismes principaux de l'épargne |
|---|---|---|---|
| Moteur d'extrudeur (moteur, boite de vitesses, vis) | 45–60% | Continuité, quasi-stabilité | Classe de moteur IE4/IE5, écrou à barres, boîte d'alimentation à gorge, discipline de température du flux. |
| Unité hydraulique (fixation, convoyeur, tige de soufflage, égrenage) | 10-20 % | Très intermittentes, phases d'arrêt et de maintien prolongées | Pompe servo-hydraulique, commande à détection de la charge, dimensionnement de l'accumulateur, actionnement entièrement électrique. |
| Chauffage du barrel, de l'adaptateur et de la tête de matriçage | 8 % à 15 % | Élevé au démarrage, faible cycle de travail en état stable | Veste d'isolation, chauffage par induction ou infrarouge, auto-entraînement PID, consolidation de la zone |
| Air comprimé (air soufflé plus pneumatiques) | 8 % à 15 % | Déploiement de charges pulsées à fort effort instantané | Récupération de l'air soufflé, détection des fuites, pré-champ pré-champ double et impact principal, adaptation de la pression |
| Circuit de refroidissement du ramasseuse et du moule. | 6–12 % | Continu à fluctuations saisonnières | Réglage réglé en hausse de la température de l'eau, refroidissement libre, échangeur de chaleur à plaques, pompes à vitesse variable |
| Accessoires (concasseur, convoyeur, chargeur, séchoir). | 3–6 % | Intermittente, souvent laissée allumée | Verrous liés à la demande, affûtage des lames du concasseur, convoyage adapté |
Trois conclusions pratiques découlent directement de ce tableau. Premièrement, tout programme énergétique qui ignore l’extrudeur ne traite que la moitié du problème. En deuxième lieu, l’unité de puissance hydraulique est le sous-système dont la différence entre la demande moyenne et la demande de pointe est la plus importante, ce qui est précisément la raison pour laquelle il réagit si fortement au contrôle par servo. Troisièmement, l’air comprimé et le chauffage constituent ensemble une part comparable à celle des systèmes hydrauliques et ils sont généralement beaucoup moins coûteux à améliorer.
Il est également intéressant de constater ce que cette décomposition exclut délibérément. Les charges à l'échelle de l'installation telles que la salle du compresseur central, les ventilateurs de la tour de refroidissement, l'éclairage et le système d'approvisionnement en eau et d'air (HVAC) sont en dehors de la limite de la machine. Un convertisseur comparant les machines de différents fournisseurs doit vérifier si les chiffres de consommation indiqués sont mesurés à l'extrémité de la machine ou incluent une part de ces installations accessoires, car la différence peut dépasser 20 %. Les normes d'approbation EUROMAP 60.1 et 60.2 existent spécifiquement pour supprimer cette ambiguïté en définissant la limite de mesures et le cycle de référence.
Technologie de commande servo-hydraulique et limites de l'efficacité des pompes.
L'unité hydraulique de puissance est le sous-système où l'écart entre la puissance installée et le rendement utile est le plus important, ce qui en fait le ciblage le plus efficace en termes d'effort d'ingénierie. En extrusion par soufflage, l'unité de serrage, la traverse du chariot, le mouvement de la tige de soufflage et les cylindres de déflaschage demandent tous des impulsions courtes de grandes débits séparées par de longues périodes de demande proche de zéro. Une pompe conventionnelle de displacement fixe ne peut pas distinguer entre ces états.
Pourquoi une pompe à volume fixe consomme-t-elle autant d'énergie ?
Une pompe à volume constant, actionnée par un moteur à induction à vitesse constante, fournit un même débit chaque seconde que le moteur est en marche, peu importe ce dont la machine a besoin. Lorsque l’appareil de serrage est fermé et simplement en position de retenue, ou lorsque la machine attend que le pourtour atteigne sa longueur, ce débit n’a pas de destination utile. Il est évacué via une soupape de surpression, et toute l’énergie hydraulique est convertie en chaleur dans l’huile. Cette chaleur doit ensuite être évacuée par un refroidisseur d’huile, ce qui consomme à son tour de l’eau de refroidissement et de l’énergie de la pompe. L’installation paie donc à deux reprises : une fois pour générer ce débit inutile, et une seconde fois pour éliminer la chaleur qu’il produit.
Pendant un cycle typique de production par injection extrudée, le travail hydraulique utile ne représente qu'une fraction du temps total du cycle. Le reste est inactif, en attente ou statique. Il s'agit de l'inactivité structurelle qui est éliminée par la technologie servo.
Pompes à déplacement variable sensées à la charge
Une pompe à variation de débits et à commande à détection de la charge ajustera l'angle de sa plate-forme oscillante de telle manière que le débit fourni corresponde à la demande et que la pression du système suit la charge, plus une petite marge. Cela supprime la majeure partie de la perte de volume de la vanne de déchargement et constitue une véritable amélioration par rapport à la variation de volume fixe, mais le moteur principal continue de tourner à pleine vitesse, de sorte que la drague, les frictions des coussins, la fuite interne de la pompe et la marge de pression de réserve continuent de consommer de l'énergie même lorsque la machine ne fait rien. Les systèmes à commande à détection de la charge réagissent également plus lentement aux exigences soudaines en matière de débit qu'un système servo bien réglé, car la plate-forme oscillante possède une inertie mécanique.
Moteur servo et pompe à engrenages
Un bloc servo-hydraulique associe un moteur servo à permanent magnétique à une pompe à déplacement fixe et enroule la boucle sur la pression et le débit au travers du propre train d'entraînement. Lorsque la machine a besoin de débit, le moteur accélère ; lorsqu'elle ne le fait pas, le moteur ralentit jusqu'à une marche lente ou s'arrête complètement. Pendant les phases de maintien, le système d'entraînement servo fournit uniquement le faible débit nécessaire pour compenser les fuites internes, de sorte que la puissance d'entrée mesurée pendant le maintien chute à une fraction minimale de la valeur en fonctionnement plutôt que de rester à la charge maximale de la pompe.
Sur un cycle EBM complet, la réduction résultant de la consommation de l'unité hydraulique oscille généralement entre 15 % et 40 % par rapport à une baseline de déplacement fixe. Le point où se situe la machine dépend en grande partie du cycle de travail. Une machine à faible vitesse et pour petits conteneurs, avec des périodes de repos de courte durée, se situe près du domaine inférieur car la pompe est généralement très occupée. Une machine de grande capacité qui produit des rotules de 200 L, dans laquelle l'unité de serrage reste en place pendant une période de refroidissement prolongée à chaque cycle, se situe près du domaine supérieur.
Les systèmes servo-hydrauliques apportent trois avantages secondaires qui sont souvent à la hauteur de l’économie d’énergie. La température de l’huile est nettement plus basse, ce qui prolonge la durée de vie des joints et des tuyaux et réduit la charge sur le circuit de refroidissement de l’huile. Le bruit à la machine diminue notablement, ce qui est important pour la conformité des lieux de travail. La répétabilité de la pression et du débit s’améliore, ce qui stabilise la programmation de la parton et la répartition de l’épaisseur de mur.
Extrusion et moulage à soufflage entièrement électriques
Les machines entièrement électriques remplacent entièrement l'unité de puissance hydraulique par des vis à bielle pilotées par servo-moteur et des mécanismes à cliquet pour le serrage, le déplacement et la rotation du mandrin. Sans huile, sans vannes de déchargement et sans refroidisseur d'huile, les pertes en réserve sont amenées à zéro, et le train d'entraînement transforme l'alimentation électrique en travail mécanique avec la plus haute efficacité de toute l'architecture examinée dans cet article. La série entièrement électrique d'Apollo couvre des contenants de 200 ml à 20 litres et est le plus souvent spécifiée pour les applications pharmaceutiques, médicales et chimiques quotidiennes à haute pureté, où le risque de contamination par l'huile est inacceptable.
Les limites applicables sont importantes. L’activation entièrement électrique est la plus intéressante dans les situations où les cycles sont courts et fréquents, où les heures de fonctionnement annuelles sont nombreuses, où les dimensions des conteneurs sont petites ou moyennes et où les exigences de propreté sont strictes. Elle devient peu pratique d’utiliser une telle architecture lorsque le volume des conteneurs augmente, car la force de serrage et la longueur de course nécessaires pour les gros bidons d’origine industrielle conduisent les modules à souder et les balais à atteindre une région où le fonctionnement hydraulique reste plus compact, plus robuste et plus économique. Pour la série ABLD d’Apollo, qui couvre les contenants de 20 l à 1500 l, l’architecture servo-hydraulique reste la plus recommandée.
Tableau 2 : Comparaison de l'architecture hydraulique et d'entraînement pour les machines EBM
| Architecture du moteur. | Classe de consommation d'énergie | Vitesse de réponse | Être en marche. | Charge de refroidissement de l'huile | Coût de capital relatif |
|---|---|---|---|---|---|
| Pompe à déplacement fixe, moteur à vitesse constante. | La plus forte consommation (livre de référence : 100) | Moyen | Haut niveau | Haut niveau | Faible |
| Pompe à décalage variable avec détection de charge | Moderate (index 78–88) | Moyen | Moyen à élevé | Moyen | Moyen |
| moteur servo avec pompe à engrenages fixes (servo-hydraulique) | Faible (60-85) | Rapide. | Moyen | Faible | Haut niveau |
| Pompe servo double avec circuits de pression et de compression indépendants | Très faible (indice 55-75) | Très rapide. | Moyen | Faible | Très élevé |
| Entièrement électrique (vis à tiges servo et clignotant) | Le plus faible (indice 50-70) | Très rapide. | Faible | Aucune. | Prémium |
Les valeurs indiquées ci-dessus se réfèrent uniquement à l'énergie hydraulique et à l'énergie d'actionnement, en tenant compte d'une valeur de référence de 100 index points, sur un cycle représentatif pour un bidon de 5 litres. Il ne faut pas les interpréter comme des valeurs d'ensemble de l'installation. Puisque l'unité de puissance hydraulique représente 10 à 20 % de la puissance totale de l'installation, un passage de la capacité fixe vers la commande servo-hydraulique entraîne généralement une réduction de 3 à 8 % de la consommation totale de l'installation, ce qui est significatif, mais doit être compris dans les limites.
Efficacité énergétique de l'extrudeur : classe du moteur, géométrie de l'axe et kWh/kg.
L'extrudeur est le consommateur principal d'énergie dans toutes les machines à soufflage et extrusion continue ; une amélioration de 1 % à cet endroit vaut plus qu'une amélioration de 10 % dans le circuit de broyage. L'efficacité de l'extrudeur dépend de trois facteurs interactifs : l'efficacité électrique du moteur et de l'entraînement, l'efficacité mécanique de la transmission et l'efficacité thermodynamique avec laquelle la vis transforme le travail de l'arbre en fusion à la température et avec l'homogénéité requises.
Classes d'efficacité des motorisations conformes à la norme IEC 60034-30-1
L'IEC 60034-30-1 définit les classes d'efficacité IE1 à IE5 pour les moteurs à courant alternatif alimentés en ligne, et cette classification est la spécification la plus claire à la disposition d'un acheteur de machines. La différence entre un moteur IE2 et un moteur IE4 ou IE5 de même puissance est de quelques points de pourcentage d'efficacité, mais ces points s'appliquent continuellement à la charge maximale de la machine, vingt-quatre heures sur vingt-quatre.
Un moteur à induction AC standard, entraîné par un convertisseur de fréquence variable, reste le système de propulsion des extrudeuses le plus courant et, lorsqu'il est spécifié à une efficacité IE3, il représente un choix tout à fait respectable. L'information importante est que l'efficacité des moteurs à induction diminue sous charge partielle et à vitesse réduite. Les extrudeuses fonctionnent très souvent à 50 à 75 % de leur vitesse nominale, précisément dans la région où les courbes d'efficacité des moteurs à induction commencent à décliner, et où le facteur de puissance du moteur se détériore.
Un moteur synchrone à aimants permanents, ou PMSM, se comporte différemment. Comme le champ rotor est fourni par des aimants plutôt que par un courant induit, les pertes rotor sont considérablement moindre et la courbe d'efficacité reste constante sur une gamme de vitesses beaucoup plus large. Les drives d'extrudeur PMSM atteignent généralement l'efficacité IE4 et, dans les tailles de châssis plus importantes, IE5. Ils fonctionnent également plus froidement, ce qui réduit les pertes des ventilateurs du moteur et prolonge la durée de vie des roulements et de l'isolation. Pour une configuration à entraînement direct, un PMSM peut parfois éliminer entièrement la boîte de transmission, ce qui permet de réduire les pertes de transmission de deux à quatre %.
Géométrie de l’axe et barils avec rainures
La conception du vis détermine le pourcentage du travail de l'arbre qui se transforme en matière fondu utile et celui qui devient une chaleur de flexion inutile, qui doit être dissipée par la suite par des ventilateurs de refroidissement du baril. Un vis de dosage à un seul parcours se fonde essentiellement sur le délayage et la flexion pour fondre le polymère. Un vis à barrière sépare physiquement le lit solide du bassin de matière fondu grâce à un deuxième parcours, ce qui fond le polymère de façon plus uniforme à des taux de flexion réduits. Pour le HDPE et le PP, un vis à barrière bien conçu, avec une section de mélange, réduit d'habitude de façon marquée la consommation spécifique d'énergie, tout en améliorant la homogénéité de la matière fondu et en abaissant sa température de plusieurs degrés.
Un barillet d'alimentation creusé modifie la physique à l'autre extrémité de la vis. Les rainures axiales taillées dans la zone d'alimentation refroidie intensément augmentent considérablement l'efficacité de transport des solides, de sorte que le rendement devient beaucoup moins sensible à la pression à l'entrou de la vis. La vis peut alors délivrer la même production à une vitesse inférieure. Une vitesse de vis plus faible entraîne ainsi une moindre production de chaleur de cisaillement, une température de fusion plus basse, une demande de refroidissement inférieure en aval et une consommation d'énergie spécifique plus faible. L'alimentation creuse est particulièrement précieuse lorsque l'on utilise de l'HDPE à haut poids moléculaire et à faible débit de fusion, ce qui correspond précisément à la classe de matériaux utilisée pour les réservoirs de carburant, les fûts chimiques et les bidons.
Ratio L/D : 24 : 1 contre 30 : 1
Le ratio longueur/diamètre est souvent considéré comme si une longueur plus importante était de toute façon meilleure. En termes d'énergie, cette relation n'est pas monotone. Un tambour de 24 : 1 est plus court, dispose d'une superficie plus petite à chauffer et impose une résistance plus faible à l'araignée, ce qui en fait le choix le plus économique à un débit modéré. Un tambour de 30 : 1 offre un temps de séjour plus élevé et une meilleure capacité de fusion et de mélange, ce qui permet un débit plus élevé par révolution et une meilleure manipulation de la matière recyclée et du mastic d'addition. Néanmoins, la longueur supplémentaire augmente également les pertes de chaleur superficielle, l'abus de couple et la longueur du trajet thermique.
La méthode d'application praticée par Apollo est claire. Pour les récipients en PEHD et en PP univois, avec un faible taux de recyclat, un rapport de 24 : 1 à 25 : 1 correspond à la consommation d'énergie spécifique la plus basse. Lorsque la formulation comporte un important taux de recyclat, de masticurs colorés ou qu'une extrusion co-extrusion à plusieurs couches est utilisée, un rapport de 28 : 1 à 30 : 1 est justifié, car augmenter la pression sur une vis de courte durée permet de générer plus de chaleur de cisaillement que le surplus de longueur de tambour ne coûte.
Tableau 3 : Configuration de l'extrudeur et consommation spécifique d'énergie pour le PEHD
| Configuration de l'extrudeur | Consommation d'énergie spécifique typique (kWh/kg) | Tendance de température de fonte | Privilégiée pour |
|---|---|---|---|
| Tuyau à paroi lisse, vis de dosage conventionnelle, moteur IE2 à induction. | 0,40-0,48 | Élevée et entraînée par flexion | Machines anciennes, opérations à faible charge |
| Barrel droit, vis à barrière avec section de mélange, entraînement par convertisseur IE3 | 0,33-0,40 | Modéré | Réseaux en PEHD et en PP polyvalents |
| Tube d'alimentation à toisons, vis de barrière, entraînement par inverseur IE3 | 0.29–0.36 | Faible à modérée | Le HDPE à haute masse moléculaire et les grades à faible MFR |
| Tuyau de charge à rainure, vis de barrière, moteur IE4 / IE5 – MMSM. | 0,25-0,32 | Faible | Opération en trois équipes à une charge forte, projets prioritaires en termes d'énergie |
| Idem que précédemment, avec entraînement direct (boîte de vitesses éliminée) | 0,24–0,30 | Faible | Tailles de machines sélectionnées dans lesquelles couple et vitesse correspondent exactement |
Ces chiffres correspondent à la consommation spécifique d'énergie pour l'extrudeuse en PBHD seulement, à l'exception des hydrauliques, de l'air comprimé et du refroidissement. Ils supposent un fonctionnement à l'état d'équilibre, à 70 à 85 % de la vitesse nominale de la vis, avec des profils de température de la fusion correctement adaptés. Les différents résines modifient considérablement les valeurs de référence : le PP se situe généralement légèrement en dessous du PBHD, le PVC rigide nécessite un fort taux de cisaillement et une gestion soignée de la chaleur, le PC et le PA exigent des températures de fusion plus élevées et par conséquent un apport d'énergie plus important, et le PETG se situe entre les polyoléines et les résines techniques.
Un levier souvent négligé est la discipline de la température de fusion. Pour chaque 10°C de température de fusion inutile générée, il faut d'abord adapter le couple du moteur et la puissance du chauffage, puis la retirer à nouveau par le refroidissement du moule, ce qui prolonge le temps de cycle dans le processus. La température de fusion excessive est donc pénalisée trois fois. Les ingénieurs d'installation d'Apollo constatent régulièrement que les machines existantes fonctionnent de 15 à 25°C plus chaudes que ne le requiert la résine, simplement parce qu'un profil de température a été copié d'un travail non lié plusieurs années auparavant et n'a jamais été revu.
Chauffage du bâton et de la tête de matriçage : technologie de chauffage, isolation et contrôle des zones.
Le chauffage du fût et de la tête de matrice représente généralement de 8 à 15 pour cent de la puissance totale de la machine, et c'est le sous-système dans lequel les économies d'énergie les plus importantes du site sont généralement réalisées. Durant une exploitation en régime stable, la majeure partie de la chaleur qui maintient la fusion à température est en fait générée par le frottement visqueux découlant de la vis, et non par les chauffages. Le travail réel des chauffages en régime stable est de remplacer la chaleur perdue vers l'environnement, et une grande partie de cette perte est évitable.
Comparaison des technologies de chauffage
Les résistances à bande en mica sont le choix traditionnel : une bobine à résistance enrubannée sur une isolation en mica au sein d'un tube en acier. Elles sont économiques et disponibles dans le monde entier, mais le contact avec le fourreau est imparfait, elles rayonnent librement par leur surface extérieure et leur charge maximale est limitée. Les résistances à bande céramique placent la bobine de résistance à l'intérieur de briques céramiques avec une couche isolante derrière, ce qui conduit une plus grande chaleur vers l'intérieur et permet des températures de fonctionnement plus élevées ainsi qu'une plus longue durée de vie. Les résistances en aluminium moulé et en bronze moulé permettent un contact thermique excellent grâce à leur moulage autour de l'élément, et elles peuvent intégrer des passages de refroidissement, ce qui les rend attrayantes pour les zones qui nécessitent à la fois le chauffage et un refroidissement rapide.
Convecteur infrarouge à halogènes transfer energy primarily by radiation at short wavelengths rather than by conduction. They reach operating temperature very quickly and respond fast to control signals, which reduces overshoot and shortens start-up. Their limitation is that radiant transfer depends on the emissivity and cleanliness of the target surface, so performance can drift as the barrel surface oxidises.
Les autobus de chauffage à induction adoptent une approche fondamentalement différente. Au lieu de chauffer un élément extérieur et de conduire la chaleur vers l'intérieur, une bobine d'induction génère des courants d'eddye directement dans la paroi du fourreau en acier. Parce que le fourreau lui-même devient la source de chaleur, il n'y a pas de perte d'interfaces entre l'élément et le fourreau, et la surface extérieure de l'autobus de chauffage à induction reste relativement froide. Les réductions rapportées dans l'énergie de chauffage par rapport aux bandes de mica non isolées sont importantes, et l'autobus sert également d'isolation. Le chauffage à induction élimine également le mode de défaillance classique d'un chauffage à bande consumé, non détecté dans une zone intermédiaire, alors que les zones voisines compensent.
Tableau 4 : Comparaison des technologies de chauffage des barils et des têtes de meulage
| Métode de chauffage | Classe d'efficacité du transfert de chaleur | Vitesse de mise en température | Perte de surface sans isolation | Durée de vie du service. | Coût relatif |
|---|---|---|---|---|---|
| Chauffage par bande de mica | Faible | Moyen | Haut niveau | Les installations courtes à moyennes | Faible |
| Résistances à bande céramique | Moyen | Moyen | Moyen | Long | Moyen |
| Chauffage à induction en alliage d'aluminium avec passages de refroidissement. | Moyen à élevé | Moyen | Moyen | Long | Haut niveau |
| Convecteur infrarouge à halogène | Haut niveau | Très rapide. | Moyen | Moyen | Haut niveau |
| Doudoune de chauffage par induction | Très élevée | Rapide. | Bas (le vêtement est isolé par construction) | Très long | Très élevé |
Habits d'isolation : la mesure la plus rentable sur la machine.
L'ajout de capots isolants amovibles sur les tremplins des poêles du fût, de l'adaptateur et de la tête d'injection réduit les pertes radiantes et conventionnelles de surface d'environ 20 à 40 %. Le chiffre exact dépend de la température de fusion, de la vitesse d'air ambiant autour de la machine et de la proportion de surface concernée. Les températures de fusion élevées et les installations à courants d'air fréquents font baisser la réduction vers la limite supérieure.
Trois facteurs pratiques déterminent si la mesure est effective. Premièrement, les gaines doivent être amovibles et correctement ajustées de manière à ne pas compromettre l'accès aux thermocouples, aux bornes du chauffage et aux viseurs de l'écran. Les gaines qui empêchent les réparations sont retirées et ne sont jamais remises en place. Deuxièmement, la tête de matrice est souvent la zone la plus précieuse à isoler, car elle fonctionne à haute température avec une surface largement exposée et ne reçoit pas de contribution de chaleur de cisaillement, contrairement au cylindre. Troisièmement, l'isolation réduit la charge thermique qui atteint le panneau électrique de la machine et l'air environnant, ce qui génère une deuxième économie indirecte dans les installations climatisées.
Un contrôle par zones, la position du thermocouple et une régulation automatique PID
La qualité du contrôle est aussi importante que l’équipement des chauffages. Un circuit PID mal ajusté qui oscille autour du point de consigne consomme de l’énergie dans deux directions : les chauffages débordent, puis les ventilateurs de refroidissement de barillets fonctionnent pour ramener la température à sa valeur normale. Chaque kilowattheure dépensé dans ce cycle est entièrement perdu. Les régulateurs PID dits auto-ajustables modernes éliminent la plupart de ces pertes en identifiant individuellement les caractéristiques thermiques de chaque zone.
La position du thermocouple est plus importante que de nombreux utilisateurs le pensent. Un thermocouple placé dans un puits peu profond réagit à la température de surface du réchauffeur plutôt qu'à la température de la matière fondante, ce qui contraint le contrôleur à arrêter prématurément le réchauffeur avant de redresser la situation. Les thermocouples dans des puits profonds placés de manière à ressentir la paroi de la cuve à proximité de la matière fondante donnent un signal plus précis et permettent un contrôle plus lent et moins énergivore. Apollo spécifie des thermocouples dans des puits profonds par zone avec un réglage automatique indépendant sur toutes les machines des Séries ABLB et ABLD.
Enfin, prenez en considération la séquence de démarrage. L'ardeur simultanée de toutes les zones engendre un pic de demande simultané important, ce qui peut déclencher des frais de demande sur le tarif de l'usine en matière d'électricité. Une routine de démarrage progressive, par étapes, où les zones s'avisent dans une séquence contrôlée avec une phase de trempage pour permettre à la chaleur de traverser la paroi du fût, floute le pic de demande et réduit le risque de stress thermique sur le fût et la vis.
L'air comprimé : le coût énergétique le plus sous-estimé dans la coulée sous pression
L’air comprimé est l’énergiseur le plus coûteux par unité d’énergie livrée dans une usine de moulage par soufflage, et il est également le plus à risque de gaspillage. La production d’air comprimé est intrinsèquement inefficace : seule une fraction de l’énergie électrique fournie au compresseur finit par constituer un travail pneumatique utile, le reste étant rejeté sous forme de chaleur. Chaque fuite, chaque barre de pression inutile et chaque mètre cube d’air évacué dans l’atmosphère représentent donc des coûts d’électricité multipliés.
Quelle quantité d'air une machine EBM a réellement besoin
La soufflerie à extrusion comprend deux utilisations distinctes de l'air comprimé, avec des exigences bien différentes. L'air soufflant gonfle le parison contre la cavité du moule et fonctionne généralement entre 6 et 10 bar, selon la géométrie du conteneur, l'épaisseur de paroi et la résine. L'air de commande actionne les valves, les actionneurs à pin de soufflerie, les éjecteurs et le transport, et ne nécessite généralement pas plus de 6 bar.
Une erreur fréquente consiste à faire fonctionner toute la machine, et souvent toute l'usine, à la pression la plus élevée qu'un seul consommateur exige. La puissance du compresseur augmente en fonction de la pression de décharge, donc chaque bar inutile imposant une pénalité permanente sur tout l'air produit. La séparation du circuit d'air soufflé sous haute pression du circuit d'air de régulation à usage général, soit avec un amplificateur spécial, soit avec un réseau de distribution d'air approprié, représente l'une des mesures d'air comprimé les plus efficaces existantes.
Blowage à deux étapes : pré-ventilateur et ventila-teur principal
Le soufflage à deux étapes divise l'inflation en une phase de soufflage précoce à faible pression qui élargit doucement le parison et l'aligne contre la cavité, puis en une phase de soufflage principale à haute pression qui termine la formation et presse la matière contre la surface du moule pour mieux définir les détails et favoriser le contact de refroidissement. L'avantage énergétique est évident : la majeure partie du volume du récipient est remplie à faible pression, et seule la phase finale de formation nécessite une pression maximale. Le soufflage à deux étapes améliore également la répartition de l'épaisseur de la paroi et réduit le risque de bouchage de la parison sur les sections fines, d'où l'apport des arguments qualité et énergétique confondus.
Systèmes de récupération de l'air évacué.
À la fin de la phase de soufflage, l'air contenu dans le récipient fini est toujours à pression de soufflage maximale ou presque. Dans une machine conventionnelle, une valve d?éjection la relâche dans l'atmosphère, rejetant toute l'énergie de compression et produisant un puissant bruit. Un système de récupération de l'air de soufflage, au lieu de cela, conduit l'air d?éjection à travers une vanne de contrôle vers un récepteur à pression plus basse, qui fournit ensuite de l'air de pré-soufflage, des pneumatiques de la machine ou restitue l'air au stade intermédiaire du compresseur.
Les taux de récupération réalistes se situent entre 25 et 50 % du volume d'air soufflé. L'endroit où s'installe une installation spécifique dépend de plusieurs facteurs. Les contenants de plus grandes tailles récupèrent plus d'air absolu par cycle. Des pressions d'aspiration plus élevées laissent plus d'énergie récupérable. Des cycles plus courts découlent en plus d'événements de récupération par heure. À l'inverse, les contenants très petits, les cycles longs et les pressions d'aspiration faibles réduisent l'intérêt de la récupération, car le coût fixe du récepteur, des valves et de l'installation de tuyaux est amorti par un volume récupéré plus petit. Les systèmes de récupération offrent également un avantage secondaire bienvenu : le bruit à la machine baisse de manière significative, car l'air à haute pression n'est plus rejeté directement dans l'atmosphère.
Conception de détection et de distribution des fuites
La fuite est l'impôt silencieux sur l'air comprimé. Dans les installations qui n'ont jamais mis en place un programme de détection systématique, la fuite représente souvent une part importante de la production totale d'air comprimé, et comme les fuites fonctionnent vingt-quatre heures sur vingt-quatre, y compris les weekends et les arrêts, elles consomment de l'énergie quand aucune production n'a lieu. Les équipements de détection de fuites à ultrasons identifient la fuite par leur signature de haute fréquence caractéristique, permettant au technicien d'examiner toute l'installation pendant son fonctionnement normal sans devoir arrêter quoi que ce soit. Un examen ultasonique trimestriel associé à un suivi des réparations permet d'identifier les fuites et de réduire ainsi l'énergie consommée.
La conception de la distribution compte presque autant. Un taillage inadapté des canalisations crée une perte de pression, ce que les opérateurs compensent généralement en augmentant la pression de décharge du compresseur, ce qui pénalise l'ensemble du système. Un réseau principal de taille appropriée, une capacité locale de réception suffisante près de la machine pour tamponner la demande pulsée d'essorage et des raccordements finaux suffisamment longs et généreusement dimensionnés permettent au compresseur de fonctionner au point de réglage le plus bas viable. Les récepteurs locaux sont particulièrement importants dans le moulage par injection de qualité parce que le profil de demande est fortement pulsé ; sans tamponnage, le compresseur observe des basses pressions répétées et effectue des cycles inutiles.
Tableau 5 : Mesures d’air comprimé pour les machines EBM
| Mesure | Effet sur l'énergie de l'air comprimé | Avantage secondaire | Investissement relatif |
|---|---|---|---|
| Détection et réparation par ultrasons des fuites trimestrielles | Réduction importante, répétitive. | Stabilise la pression du système. | Faible |
| Séparer les niveaux de pression de l'air soufflé et de l'air de régulation | Réduction modérée à importante | Une durée de vie plus longue des valves et des raccords | Moyenne |
| Séquencement en deux phases du pré-ventilage et de l'essorage principal | Réduction modérée | Distribution plus homogène de l'épaisseur des parois | Faible |
| Système de récupération de l'air soufflant (25-50 % de récupération) | Grande réduction | Réduction considérable du bruit | Moyen à élevé |
| Récepteur local de taille adaptée aux besoins en soufflage pulsé | Réduction modérée | Moins de cycles de charge et de décharge du compresseur. | Faible |
| Recuperation de la chaleur du compresseur pour la production d'eau chaude sanitaire. | Pas de modification pour l'énergie aérienne, compensation du combustible de chauffage | Réduit la charge du chaudière | Moyen |
Efficacité du refroidissement et des chillers dans les moules
Le raffraîchissement des moules consomme 6 à 12 % de la puissance liée à la machine et simultanément régule le temps de cycle, ce qui en fait le sous-système où l'optimisation de l'énergie et l'optimisation de la productivité peuvent entrer en conflit. Une eau plus froide réduit le temps de raffraîchissement et augmente la production, mais la production d'une eau plus froide nécessite un effort énergétique disproportionné de la part de la machine de refroidissement. La réponse correcte n'est pas l'eau la plus froide possible ; c'est la température de l'eau la plus élevée qui permet d'atteindre le temps de cycle et la stabilité dimensionnelle requis.
Température de l'eau et coefficient de rendement du refroidisseur
L'efficacité du condenseur est définie par son coefficient de performance, qui correspond au rapport de la chaleur retirée et de l'énergie électrique consommée. Ce coefficient augmente significativement lorsque la température de consigne de l'eau refroidie augmente, car le cycle de réfrigération a moins de dénivelée thermique à surmonter. À titre indicatif, la température de l'évaporateur augmentée d'un degré Celsius améliore de quelques pourcent l'efficacité du condenseur.
La plupart des applications de moulage par soufflage avec extrusion sur du HDPE et du PP font circuler l'eau de refroidissement du moule entre 8 et 15 °C. De nombreuses usines préparent volontiers l'eau au bas de cette fourchette pour raison d'habitude. En réalité, la géométrie du contenant, l'épaisseur des parois et la cristallinité de la résine déterminent ce qui est réellement nécessaire. Les contenant industriels à parois épaisses bénéficient vraiment d'une eau plus froide. Les flacons à parois minces se refroidissent généralement correctement à 12 ou 15 °C, et la différence de puissance du refroidisseur entre 8 et 14 °C sur une année complète est marquée. Le risque de faire fonctionner le système à une température trop basse ne se limite pas à l'économie d'énergie : en dessous du point de rosée local, de la condensation se forme sur les surfaces du moule et sur les conduites de refroidissement, ce qui provoque des défauts à la surface du contenant et de la corrosion dans le moule.
Rafraîchissement naturel et échangeurs de chaleur à plaques
Le refroidissement gratuit, parfois appelé fonctionnement économe, utilise les conditions ambiantes pour rejeter la chaleur du processus sans faire fonctionner le compresseur. Lorsqu'une faible température de la mèche humide est mesurée à l'extérieur, une tour de refroidissement ou un refroidisseur à sec peut produire une eau suffisamment froide pour servir directement le processus par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur à plaques, le refroidisseur mécanique étant en veille ou fonctionnant à charge partielle. Dans les climats tempérés, cela peut couvrir une partie significative des heures de refroidissement annuelles ; dans des climats froids, cela peut couvrir la plupart de l'hiver.
Un échangeur de chaleur plat situé entre le circuit de la tour de refroidissement et le circuit fermé du processus est essentiel dans cette configuration. Il permet de séparer l'eau de la tour libre, qui contient de l'oxygène dissout, une charge biologique et des matières en suspension, de la boucle fermée propre qui alimente les moules. Sans cette séparation, les canaux de refroidissement des moules s'encrassent rapidement, le transfert de chaleur se dégrade, les temps de cycle augmentent et l'installation perd bien plus que ce que n'a jamais permis l'utilisation de la refroidissement à vent.
Canaux de refroidissement conforme et conception thermique du moule
La conception du canal de refroidissement à l'intérieur du moule détermine l'efficacité de l'extraction de la chaleur par l'eau. Les canaux classiques forés en ligne droite sont limités par la géométrie de la forage et laissent souvent des zones chaudes aux poignées, aux finitions du col, aux zones de pinçage et aux coins de la base. Les canaux de refroidissement conformes, produits par la fabrication additive ou en fabriquant le moule à partir de couches agrafées, suivent le contour de la cavité à un décalage constant. Le résultat est une extraction de la chaleur plus uniforme, moins de zones chaudes, un temps de refroidissement plus court et un retrait de forme réduit.
Le refroidissement conforme entraîne des coûts relativement importants en matière de moulage et n'est justifié pour toutes les productions. Il est économique dans le cas de moulages de grande série, qui fonctionnent longtemps, où une réduction de la durée de cycle, aussi minime soit-elle, se traduit par une production annuelle significative, et où les variations de torsion ou de rétraction ont historiquement généré des rebuts. Dans le cas de moulages à court cycle ou fréquemment modifiés, les canaux conventionnels, associés à une attention méticuleuse aux débits de l'écoulement, procurent la plupart des avantages à un coût bien inférieur.
Pompe et contrôle du débit
Les pompes à eau de refroidissement sont souvent la charge négligée. Une pompe à vitesse fixe, dimensionnée pour la situation la plus désastreuse, fonctionne à pleine puissance, peu importe le nombre de stations en activité ou la pièce montée. L'installation d'un drive à vitesse variable et à commande de la pression différentielle permet au moteur de la pompe de suivre la demande réelle. En outre, puisque la puissance de la pompe varie environ avec le cube du débit, même une légère diminution du débit entraîne une réduction considérable de la puissance. Il est également important de s'assurer que le débit dans chaque circuit reste turbulent plutôt que laminaire ; le débit turbulent transfère la chaleur plusieurs fois plus efficacement, donc un débit légèrement supérieur dans le circuit approprié peut réduire le temps de refroidissement beaucoup plus que le débit beaucoup plus élevé distribué imprudemment dans tous les circuits.
Mesure de ce que vous économisez : surveillance de l'énergie, kWh par kilogramme et norme ISO 50001
Aucune mesure d'économie d'énergie ne doit être mise en œuvre sans un moyen de la vérifier, car les économies non mesurées ont tendance à disparaître. La comptabilisation de la consommation d'énergie par machine est la base de tout programme d'économie crédible, et elle est peu coûteuse par rapport à presque toutes les autres mesures évoquées dans cet article.
Mesure de l'énergie par machine et indicateurs pertinents
Un compteur d'énergie triphasé installé sur la coupure principale de la machine enregistre la puissance active, la puissance réactive, le facteur de puissance et l'énergie cumulative à de courtes intervalles, ce qui permet de convertir l'énergie, qui est présentée sous forme d'élément abstrait du niveau d'installation, en un paramètre opérationnel sur lequel un superviseur peut agir. Une fois que ces données existent, deux indicateurs assument la grande partie du travail utiles.
La consommation d'énergie spécifique en kWh par kilogramme est normalisée par le poids de la pièce et constitue l'indicateur correct pour comparer l'efficacité des machines, les configurations des vis et les changements de résine. La consommation d'énergie par mille pièces, exprimée en kWh pour 1 000 pièces, est l'indicateur correct pour les devis commerciaux et les rapports des clients sur les émissions de carbone, car les clients achètent des conteneurs, et non des kilogrammes. Une installation doit suivre ces deux indicateurs. Un changement qui améliore la consommation d'énergie en kWh par kilogramme tout en la détériorant en kWh par 1 000 pièces signifie généralement que le poids des pièces a augmenté, ce qui constitue un problème de coût de la résine dissimulé dans un indicateur d'énergie.
Lien de l'énergie à l'OEE
Les données énergétiques deviennent magnifiques quand elles sont réparties par rapport à l'efficacité globale du dispositif. La raison est simple : une machine chauffée, pressurisée et faisant fonctionner son extrudeur, mais ne produisant aucun récipient commercialisable, consomme une grande partie de sa puissance de production maximale, sans rien produire. Les états d'inactivité et non productifs consomment généralement une part considérable de la puissance de fonctionnement, car les réchauffeurs, les pneumatiques et le compresseur demeurent activés.
Cela signifie que les pertes de disponibilité entraînent une pénalité énergétique qui ne se reflète jamais dans un calcul OEE classique. Le tracé des kWh consommés par rapport au nombre de pièces acceptables produites, heure par heure, révèle exactement quels shifts, quelles modifications et quels modes de panne sont les plus coûteux. Dans de nombreuses usines, cette analyse révèle que l'opportunité de réduction d'énergie la plus importante n'involue pas de mise à niveau technologique, mais l'élimination du fonctionnement à l'arrêt prolongé au cours des modifications et des phases de contrôle qualité.
Systèmes de base
L'ISO 50001 fournit le cadre du système de management de l'énergie : stratégie, points de référence, indicateurs de performance de l'énergie, plans d'action et évaluation de la gestion. L'ISO 50006 fournit des conseils pratiques pour l'établissement de points de référence et d'indicateurs, ce qui est le domaine dans lequel la plupart des installations ont le plus de difficultés. La certification n'est pas nécessaire pour en tirer profit ; la seule adoption de la discipline des points de référence et des indicateurs procure la plus grande partie de l'avantage.
Du côté des machines, EUROMAP 60.1 et 60.2 définissent des procédures de mesure standardisées et des conditions de référence pour la performance énergétique des machines plastiques, ce qui rend les comparaisons entre les fournisseurs pertinentes. Sans une limite de mesure commune et un cycle de référence défini, les chiffres de consommation indiqués par les différents fournisseurs ne sont pas comparables. La norme IEC 60034-30-1 régit la classification de l'efficacité des moteurs, et les acheteurs doivent spécifier clairement la classe IE requise dans les spécifications d'achat plutôt que de se contenter de ce que comprend la configuration standard du fournisseur. La conformité CE conformément à la directive relative aux machines, avec la norme EN 422 abordant spécifiquement la sécurité des machines à moulage sous pression, reste une exigence séparée et ne doit pas être confondue avec la performance énergétique.
Construire une base de comparaison fiable
Une base de référence est utile seulement si elle tient compte des variables qui justifient une variation de la consommation d’énergie. Ces variables comprennent le mélange de produits, la qualité de la résine et le taux de coulée, le ratio de recyclage, la température ambiante et le nombre d’heures de fonctionnement. Une base de référence fondée sur une seule semaine de production estivale fera ressembler chaque mois d’hiver à une amélioration. Apollo recommande d’établir des bases de référence sur au moins un cycle complet de production couvrant le mélange de produits normal de l’usine, exprimé en points d’indice avec la période de référence fixée à 100 points d’indice, puis de suivre la déviation mensuelle en appliquant la normalisation du mélange de produits.
La feuille de route de modernisation pour économiser l'énergie d'Apollo
L'ordre correct d'implémentation est aussi important que les mesures en elles-mêmes, car les gains de faible coût obtenus au début permettent de financer les améliorations à fort coût qui seront nécessaires plus tard, et parce que la comptabilisation doit précéder l'investissement. La feuille de route ci-dessous présente l'ordre que les ingénieurs d'Apollo recommandent aux clients exploitant des machines d'extrusion par moulage par soufflage, qu'elles aient été fournies par Apollo ou par un autre fournisseur.
Tableau 6 : Mesures de réduction de l'énergie par EBM classées par ordre de priorité
| Mesure | Économies sur le sous-système concerné | Économies sur la consommation totale d'énergie de la machine | Difficultés d'implantation | Investissement relatif | Classe d'amortissement |
|---|---|---|---|---|---|
| Programme de dépistage et de réparation des fuites d'air comprimé | 10–30% | 1–4 % | Facile à utiliser | Faible | Courte |
| Gilets d'isolation pour les têtes de buse et de matrice | 20-40 % | 2–5% | Facile à utiliser | Faible | Courte |
| Mesure de l'énergie par machine et tableau de bord | Mesure facilitante | 3–8 % grâce à un changement de comportement | Facile à utiliser | Faible | Courte |
| Révision du profil de température de fusion et réglage automatique du PID | 5–15% | 2–6% | Facile à utiliser | Faible | Courte |
| Éleveur de l'eau refroidie : augmentation du niveau de température dans les limites du procédé | 8 à 20 % | 1–3 % | Facile à utiliser | Faible | Courte |
| Verrous d'équipements auxiliaires (broyeur, convoyeur, chargeur) | 20-40 % | 1-2 % | Facile à utiliser | Faible | Courte |
| Séquencement à deux étapes de pré-ventilation et de ventilation principale | 10%-25% | 1–3 % | Modéré | Moyenne | Courte |
| Variateurs à vitesse variable sur les pompes d'eau de refroidissement | 25–45 % | 1–3 % | Modéré | Moyen | Moyen |
| Système de récupération de l'air soufflant | 25–50 % | 2–6% | Modéré | Moyen à élevé | Moyen |
| Unité de puissance servo-hydraulique après-vente | 15–40 % | 3 à 8 % | Difficile | Haut niveau | Moyen |
| Rechauffement libre avec échangeur de chaleur à plaques | 30-70 % saisonnier | 2 à 6 % annuels | Difficile | Haut niveau | Moyen |
| Vestes de chauffage par induction sur le tube et la tête de matriére | 30 à 60 % | 3–7 % | Difficile | Très élevé | Moyen à long terme |
| Mise à niveau du moteur de l'extrudeur pour passer à IE4/IE5 | 8–18% | 4–10 % | Difficile | Très élevé | Moyen à long terme |
| Conversion du barillet à vis d'absorption et du corps de remplissage à engrenage | 10%-25% | 5–14 % | Difficile | Très élevé | Moyen |
| Remplacement par une machine entièrement électrique | Changement de l’architecture de l’installation | 15–30% | Projet | Prémium | Long |
Comment lire la feuille de route ?
Veuillez noter que les pourcentages indiqués dans les deuxième et troisième colonnes ne sont pas additifs. Une réfection de chauffage par induction après l'installation de boîtiers d'isolation réduit notamment les pertes de chaleur, mais apporte un bénéfice plus faible que celui indiqué dans le tableau séparément. La même chose s'applique à l'air comprimé : après la réparation des fuites et la normalisation de la pression, un système de récupération de l'air soufflé fonctionne sur une base plus petite. Le séquençage a donc des conséquences financières réelles, et les mesures peu coûteuses doivent toujours être les premières, tant parce qu'elles financent les mesures plus coûteuses que parce que leur adoption établit une base de référence réduite, contre laquelle les opérations plus coûteuses doivent être justifiées.
Observez également que les mesures ayant le plus grand impact global sur la machine, la conversion des vis et du tuyau, ainsi que la mise à niveau du moteur à rotor synchronisé permanent (PMSM), sont celles qui concernent l'extrudeur. Cela provient directement de la Table 1. Une usine qui a mis en œuvre toutes les mesures faciles et qui a encore besoin d'une transformation majeure doit finalement y arriver.
Comment les ingénieurs d’Apollo réduisent la consommation d’énergie dans chaque série ?
Apollo, une usine Wanplas, intègre les performances énergétiques à la machine dès la phase de spécification, plutôt que de les traiter comme une liste d'accessoires optionnels, car la mise en œuvre de l'efficacité est toujours plus coûteuse que le fait de l'intégrer dès le début. Avec dix séries et plus de quatre-vingts modèles, couvrant des contenants de 200 ml à 1500 l, la configuration est spécifique pour chaque application, mais la philosophie technique de base est cohérente sur tout le gamut.
Série ABLB, 200 ml à 20 L
La série ABLB comprend huit types de machines couvrant les dimensions de contenants qui dominent le conditionnement des produits alimentaires et boissons, des produits chimiques quotidiens et des produits pharmaceutiques. Étant donné que ces machines opèrent de courtes périodes de cycle avec de nombreuses heures annuelles, Apollo donne la priorité aux mesures qui proportionnent le nombre de cycles : des unités de puissance servo-hydraulique pour les circuits de serrage et de déplacement, une séquence à deux étapes de pré-soufflage et de soufflage principal, des têtes de matrices isolées et des thermocouples à puits profond avec réglage automatique indépendant par zone. Les moteurs des extrudeurs sont spécifiés avec une commande à ondes sinusoïdales de niveau IE3, de série, et des moteurs à rotors permanents Ie4 disponibles lorsque la cadence des cycles du client le justifie.
Série ABLD, de 20 à 1500L
La série ABLD couvre les contenants à grande capacité, les fûts industriels, les récipients destinés aux produits chimiques en vrac intermédiaires et les pièces techniques de grandes dimensions. Ces machines présentent des caractéristiques énergétiques fondamentalement différentes : les cycles sont longs, les forces de serrage sont élevées et la phase de rétention lors du refroidissement domine le cycle. C'est précisément à ce niveau que la technologie servo-hydraulique offre les avantages relatifs les plus importants, car une pompe à déplacement fixe laisserait la fluidité s'échapper par la soupape de décharge pendant la majeure partie de chaque cycle. La dimension des accumulateurs est considérée comme une décision énergétique, ainsi que comme une décision relative au processus, car un accumulateur correctement dimensionné permet à une pompe de plus petite capacité de couvrir une demande par pic importante.
Tout électrique Series, 200ML to 20L
La série entièrement électrique élimine complètement l'unité de puissance hydraulique. Pour les clients qui produisent des conteneurs pharmaceutiques, des emballages médicaux ou des bouteilles chimiques de haute pureté pour usage quotidien, l'absence d'huile hydraulique supprime un vecteur de contamination que, même avec un niveau optimal de discipline d'entretien, on ne peut pas éliminer complètement. L'argument de l'énergie est tout aussi pertinent pour les usines dont les tarifs d'électricité sont élevés et qui fonctionnent en trois shifts, où la consommation quasi nulle à l'état de veille se cumule sur plusieurs milliers d'heures annuelles. Apollo positionne la série entièrement électrique comme le choix recommandé lorsque les exigences en termes de volume de conteneurs, de fréquence de cycles et de nettoyage convergent dans la même direction.
La manutention de matériaux et l'écosystème plus large de Wanplas
Les performances énergétiques ne s’arrêtent pas à la machine. Les machines Apollo travaillent avec du PE, du PP, du PVC, du PA, du PC, de l’ABS, du PS, de l’EVA, du TPU et du PETG, et chaque matériau présente son propre profil énergétique. L’HDPE à haute masse moleculaire et faible débit de fusion exige plus de couple et profite le plus de barils d’alimentation à rainures. Le PVC exige un faible ciseau et un contrôle thermique strict pour éviter la dégradation, ce qui signifie que la qualité du contrôle du chauffage est plus importante que la puissance brute du chauffage. Le PC et le PA nécessitent un séchage complet, et le séchoir devient lui-même un consommateur important d’énergie, c’est pourquoi les séchoirs déshumidifiants à commande de point de rosée avec une régénération basée sur la demande sont à choisir.
Lorsqu'un convertisseur génère une importante quantité de matière recyclée, le broyeur et le système de transport deviennent une partie du panorama énergétique. La quantité et la qualité des particules influent directement sur la consommation énergétique spécifique de l'extrudeur. Pour les installations qui passent à un recyclage fermé complet, l'usine Polyretec de Wanplas fournit des lignes de lavage et de pelletage, tandis que l'usine Kerke de Wanplas fournit des extrudeurs à chaînes parallèles et co-rotantes pour le mélange et le pelletage du matériau recyclé afin d'obtenir une matière première homogène et stable dont la densité volumique et le débit de fusion sont constants. Une matière première homogène est elle-même une mesure énergétique, car une densité volumique stable et un débit de fusion constant permettent à l'extrudeur de soufflage de fonctionner à un point d'opération constant et optimal au lieu de devoir être réglé en continu.
Mise en service, vérification et soutien
Apollo teste les machines dans son usine de 8 000 m² à Zhangjiagang avant leur expédition, et des ingénieurs sont disponibles pour les installations et la mise en service sur place. La vérification de l'efficacité énergétique lors de la mise en service est simple et doit être demandée dans le cadre du protocole d'acceptation : consigner l'énergie réglée sur la machine pendant un cycle de production défini à la cadence contractuelle, calculer les kWh/kg et les kWh pour 1 000 pièces, puis enregistrer ces valeurs comme points de référence de la machine à 100 points. Ce point de référence devient ensuite la référence pour toute la durée de vie de la machine, permettant de détecter immédiatement toute dégradation ultérieure.
Dans l'ensemble de la marque Wanplas, l'engagement commun comprend la personnalisation des machines pour les moules et la tension électrique, l'installation sur site par des ingénieurs, le suivi de l'état d'utilisation, l'inspection de l'usine avant l'expédition, une allowance gratuite de pièces de rechange annuelle, une garantie de transport, une garantie de capacité de production et une garantie des normes de qualité. Les fournisseurs concurrents, notamment Bekum, Kautex Maschinenbau, Uniloy, Graham Engineering et Automa, offrent leurs propres packages énergétiques, et les acheteurs doivent les comparer sur une base commune de mesure plutôt que sur des affirmations à caractère général. Les conditions de référence définies dans EUROMAP 60.1 et 60.2 existent précisément à cette fin.
Questions fréquentes
Combien d'électricité utilise une machine de moulage par extrusion de forme typique par kilogramme de produit ?
Une machine à PEHD à un poste unique configurée correctement produisant des bidons de 5 l consomme typiquement entre 0,55 et 0,95 kWh par kilogram de produit fini mesuré à la borne de la machine, y compris le train d’extrusion, la hydraulique, le chauffage de la cuve et la pneumatique montée sur la machine. L’extrudeur seul représente habituellement 0,25 à 0,45 kWh/kg de ce total. Les machines plus anciennes, équipées de pompes à volumes fixes, de chauffeurs à bande de mica et sans enveloppe isolante, consomment fréquemment plus de 1,2 kWh/kg pour des pièces identiques. Assurez-vous toujours que le chiffre indiqué par le fournisseur inclut les installations de l’usine, telles que la chambre comprimante et le condenseur, car cela peut faire varier le nombre de plus de 20 %.
Une machine EBM servo-hydraulique permet-elle vraiment d'économiser de 15 à 40 % d'énergie ?
Ce tableau s'applique spécifiquement à l'unité de puissance hydraulique et non à l'ensemble de la machine. Étant donné que l'unité de puissance hydraulique représente environ 10 à 20 % de la puissance totale de la machine dans le moulage par soufflage et extrusion, un retrofit servo-hydraulique permet habituellement de réduire de 3 à 8 % la consommation totale de la machine. Les machines à phases de maintien longues, à grandes sections d'accumulateur ou à cycles lents se situent à l'extrémité supérieure, car la pompe conventionnelle serait autrement inutilisée pendant la majeure partie du cycle. Les machines à cycles rapides destinées à des conteneurs de petite taille se situent à l'extrémité inférieure.
Dans quels cas, une machine EBM entièrement électrique est-elle plus judicieuse qu'une machine servo-hydraulique ?
Le soufflage et l'extrusion entièrement électriques est le plus adapté pour les récipients allant de 200 ml à environ 20 litres, pour des volumes élevés, les environnements des salles blanches ou des usines pharmaceutiques, ainsi que pour les usines avec des charges d'électricité élevées et de nombreuses heures d'utilisation annuelles. Au-dessus d'environ 30 litres, et surtout pour les machines à tête accumulateur produisant de grands tambours industriels, l'actionnement hydraulique ou servo-hydraulique reste plus pratique en raison de la très forte force de serrage et les longueurs de course de l'actuation. Le coût relatif de l'équipement entièrement électrique est élevé, donc le retour sur investissement dépend fortement des heures d'utilisation annuelles.
Dans quelle mesure les vêtements isolants du tuyau peuvent-on réduire la consommation d'énergie pour la fonte ?
Les jupes d'isolant mis en place sur les chauffeurs de bande réduisent typiquement les pertes de surface radiante et convective du bac et de la tête du moule de 20 à 40%, selon la température de fusion, le débit d'air ambiant et la couverture. Étant donné que le chauffage du bac et de la tête du moule représente environ 8 à 15% de la puissance totale de la machine, cela signifie une réduction de 2 à 5% de la consommation totale à un investissement relatif modéré et avec un délai de récupération rapide. La tête du moule est souvent la zone la plus importante à isoler car elle est chaude, présente une surface exposée importante et ne reçoit aucune contribution de chaleur de cisaillement de la vis.
Que signifie un système de récupération de l'air insufflé ? Et quelle quantité d’air est réellement récupérée ?
Un système de récupération de l'air de soufflage capture l'air encore sous pression libéré par le conteneur à la fin de la phase de soufflage et le dirige, par l'intermédiaire d'une vanne antiretour, vers un récepteur tampon à pression réduite qui alimente les pneumatiques pré-soufflage, la machine ou l'étage intermédiaire du compresseur. Les taux de récupération, qui vont de 25 à 50 % du volume d'air de soufflage, sont réalistes sur les machines qui produisent des contenants plus volumineux en cycles courts et à pression de soufflage élevée. Ce système réduit également le niveau sonore notablement, car l'air à haute pression n'est plus évacué directement dans l'atmosphère.
Quelle mise à niveau visant à économiser l'énergie dois-je faire en premier sur une machine EBM plus ancienne ?
Commencez par la détection des fuites d'air comprimé et la dimensionnement de la pression, puis les vêtements d'isolation des cylindres et des têtes de moulage, puis l'appareil de mesure de l'énergie par machine. Ces trois techniques nécessitent un investissement relatif faible, leur implémentation est aisée et le retour sur investissement est rapide. Il est recommandé d'installer le compteur rapidement, même si ce dernier ne permet pas de réaliser une économie de fond direct, car il transforme chaque mesure suivante, qui est un simple allégation, en résultat vérifié. Une fois ces fondations mises en place, il est logique d'évaluer une unité de puissance servo-hydraulique, un moteur extrudeur à moteur à aimants permanents ou un chauffage par induction.
L'exécution du recyclage affecte-t-elle la consommation d'énergie d'une machine EBM ?
Oui. Les granulats recyclés ont une densité volumique plus faible et une géométrie non uniforme des particules par rapport aux pellets vierges, ce qui réduit l'efficacité du transport des solides dans la zone d'acheminement et peut augmenter la consommation d'énergie spécifique de 3 à 10 % pour le même débit. Le broyeur lui-même ajoute une charge parasite. Les barres d'acheminement en forme de rainure, la taille uniforme des plaques et un taux de recyclage contrôlé permettent de restaurer la majeure partie de cette perte. Lorsque la qualité des granulats recyclés varie énormément, la transformation des matériaux récupérés en une charge homogène, à l'aide d'équipement à double hélice de l'usine Kerke de Wanplas, stabilise le point de fonctionnement de l'extrudeur et se renverse souvent dans la seule réduction de la variabilité.
Quelles normes s'appliquent à la mesure de la consommation d'énergie des machines de soufflage ?
EUROMAP 60.1 et 60.2 définissent les procédures de mesure et les conditions de référence utilisées pour comparer les performances énergétiques des machines plastiques sur une base comparable. La classification de l'efficacité des moteurs par IEC 60034-30-1 se fait dans les bandes IE1 à IE5, et les acheteurs doivent indiquer explicitement la classe nécessaire dans les spécifications d'achat. L'ISO 50001 fournit le cadre du système de gestion de l'énergie, et l'ISO 50006 traite des cales de base et des indicateurs de performance énergétique. La sécurité des machines est régie de façon indépendante, avec l'EN 422 qui s'occupe des machines de moulage par soufflage dans le cadre de la norme CE, et la vitesse de coulée des résines est mesurée conformément à l'ASTM D1238 ou l'ISO 1133.
Augmenter la température de l'eau refroidie peut-il vraiment permettre de réaliser des économies importantes d'énergie ?
Oui, et c'est l'une des mesures les moins onéreuses disponibles. Le coefficient de performance du condenseur s'améliore sensiblement pour chaque degré que la température de réglage de l'évaporateur augmente, car le cycle de réfrigération doit surmonter moins de dénivellations de température. De nombreuses usines maintiennent l'eau de refroidissement du moule à 8°C par habitude, alors que 12 à 15°C suffirait pour respecter le temps de cycle dans les récipients à parois minces. La limite est la condensation : l'eau en dessous du point de rosée local prouve de l'eau sur les surfaces du moule et les tuyaux de réfrigération, ce qui produit des défauts et la corrosion de surface. Vérifiez le temps de cycle et la qualité des pièces au réglage plus élevé avant de le rendre permanent.
Conclusion.
La technologie d'économie d'énergie pour les machines EBM ne constitue pas une seule fonction pouvant être cochée sur un formulaire de commande. Elle s'articule autour d'une démarche d'ingénierie à plusieurs niveaux. Elle commence par identifier la consommation d'énergie dans chacune des phases, puis s'attaque à chaque sous-système en fonction de sa part, et dépend totalement de la mesure pour confirmer que les économies sont réelles et durables.
Les constats tirés de l’ensemble des installations Apollo montrent une hiérarchie claire. La propulsion de l’extrudeur, qui représente de 45 à 60 % de la puissance totale de la machine, est le poste où l’économie de consommation nette est la plus importante, accessible par l’utilisation des classes de moteurs IE4 et IE5, la géométrie des vis à barrière, les corps de remplissage en lame et la gestion disciplinée de la température de fusion. L’onduleur à puissance hydraulique, qui représente de 10 à 20 % de la puissance totale, répond fortement au contrôle servo car son taux d’utilisation est si intermittent, ce qui permet de réduire de 15 à 40 % sa puissance dans ce sous-système. Le chauffage des corps de remplissage et l’air comprimé génèrent un volume comparable et permettent de réaliser des économies beaucoup moins onéreuses, grâce notamment aux manteaux isolants réduisant les pertes de surface de 20 à 40 % et au système de récupération de l’air battu qui restitue 25 à 50 % du volume d’air soufflé. La refroidissement des moules clôture le cycle, dans lequel l’augmentation du point de consigne de l'eau et le refroidissement naturel génèrent des économies qui ne coute pratiquement rien à mettre en œuvre.
La recommandation pratique n'a pas varié, quelle que soit la marque ou l'âge de la machine. Installez d'abord un capteur d'énergie par machine. Réparez les fuites d'air compressé et izolez ensuite le fût et la tête de mortaise car ces travaux nécessitent un faible investissement, sont faciles à mettre en œuvre et offrent un temps de remboursement court. Déterminez les besoins en kWh/kg et en kWh pour 1 000 pièces et consignez-les comme indicateurs de suivi par rapport à une valeur de référence de 100 points d'indice. Liées aux données OEE, ces indicateurs font apparaître les heures d'inactivité, et ensuite, engagez-vous dans les améliorations à investissement élevé et très élevé pour la cale extrudante et la hydraulique.
Apollo, une usine Wanplas qui possède plus de vingt ans d'expérience dans l'extrusion et le soufflage et qui utilise plus de 4 000 machines dans plus de 90 pays, précise ces mesures dans les séries ABLB, ABLD et la série entièrement électriquement pilotée. Les acheteurs évaluant de nouvelles capacités devraient demander des valeurs d'énergie liées aux bornes de machine mesurées dans des conditions de référence selon le protocole EUROMAP, préciser explicitement la classe de moteur IE et inclure une course de vérification de l'énergie dans le protocole d'acceptation. Un appareil choisi dans ces conditions continuera de rapporter des bénéfices longtemps après qu'un appareil choisi uniquement sur le critère du prix d'achat n'ait plus été le matériel le plus coûteux du parquet.
