FORMATION «TECHNIQUE DU VIDE»

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1 FORMATION «TECHNIQUE DU VIDE» 1

2 2/ Définition générale du vide 2

3 a) Le vide - généralité Par définition, Le vide est : «une absence d éléments et de pression» Sur terre, la pression atmosphérique au niveau de la mer est de Bar (1 Bar pour simplifier). Cette pression est due au poids intrinsèque des couches d air présentes dans l atmosphère. C est pour cela que plus on monte en altitude, moins on subit le poids de l air, plus la pression diminue. A 1800m, la pression est d environ 0.8 Bar. L objectif des générateurs de vide est donc de réduire la pression issue de l atmosphère dans une ventouse pour pouvoir manipuler un produit. Ainsi, c est la pression atmosphérique présente à l extérieur de la ventouse qui «porte» la pièce sur la surface de contact. (voir schéma ci-dessous) ventouse vide pièce à manipuler atmosphère 3

4 b) Pression relative / Pression absolue Dans les applications courantes de manipulation industrielle, nous utilisons généralement la pression atmosphérique (env. 1 bar ) comme la valeur «0» ce qui correspond donc à une mesure relative. Nous parlons donc de pression négative lorsque il s agit du vide (Ex: -0.8 Bars). 4

5 b) Pression relative / Pression absolue Attention: les constructeurs de générateurs de vide pneumatiques (effet venturi) utilise généralement la mesure relative alors que les constructeurs de générateurs de vide électriques (pompes à vide) utilise généralement la mesure absolue (plus utilisée dans l industrie chimique). Les généralistes utilisent les valeurs de pressions relatives pour les applications à vérins, pince, manomètre etc. Ainsi, lorsqu on parle d un réseau d air comprimé à 6 Bars, on a en absolu, 7 Bars. On parlera donc pour l un de -0.8 Bar (relatif) et pour l autre, de 0.2 bars(absolu). 5

6 Tableau récapitulatif 6

7 c) Les unités de pression Pour le pneumatique : On utilise généralement le Bar (de 0 à 10 bars) pour les applications à vérins, pince, manomètre. Pour le vide : On utilise le mbar (200 mbars = 0.2 Bar) Pour simplifier, on utilise aussi le pourcentage de vide (80% de vide = -800 mbars relatif = 200 mbars absolu). Pour mesurer une pression on utilise un manomètre (aiguille) ou un pressostat (électronique) Pour mesurer le vide on utilise un vacuomètre ou un vacuostat. Il y a beaucoup d unités différentes suivant les pays ou les habitudes de chacun. 7

8 Tableau de conversion vide/pression 8

9 d) Les unités de débit (suite) L unité de débit est particulièrement conseillée pour la comparaison de volumes ou de débits, lorsque les phénomènes se produisent à différentes pressions (exemple : comparaison de la consommation d air d un venturi fonctionnant à 4 bars avec celle d un venturi fonctionnant à 6 bars). Pour mesurer un débit d air on utilise des débitmètres plus ou moins perfectionnés suivant le degré de précision voulu.(ex: flotteur, massique etc.) Pour effectuer des conversions, on se sert de la relation de Boyle-Mariotte : P1xV1=P2xV2 ou (Q= débit et P= pression) Q Nl/min Q l/min 9 P barsabsolus

10 Pompes à vide et turbines Vs venturi Conversion de l en Nl Nl = l x pression absolue Par exemple : une pompe qui donne 300 mbars absolus signifie en Nl : 40 x 0,3 => 12 Nl 10

11 Pompes à vide et turbines Vs venturi Conversion de Nl en l l = Nl / Pression absolue Par exemple : un venturi qui donne 12 70% de vide signifie en l : 12/0,3 => 40 l 11

12 d) Les unités de débit (suite) ATTENTION: Les constructeurs de compresseurs utilise le m³/h à pression relative. Ex:10 m³/h à 5 Bars. Pour vérifier le fonctionnement d une application venturi par rapport à un compresseur, il faut recalculer le débit d air détendu maxi du compresseur. On a donc avec : Q Nl/min Q l/min barsabsolus Q(Nm³/h) = 10 x 6 = 60 Nm³/h. Pour revenir à des Nl/mn (utilisé pour les venturis) On multiplie le résultat par 1000 et on divise par 60 : 60 Nm³/h x 1000 / 60 = 1000 Nl/mn. On pourra donc ici utiliser 4 venturis ayant une consommation de 250 Nl/mn à 5 Bars. P 12

13 e) Les différentes techniques de génération du vide Il existe 2 grandes familles de générateurs de vide utilisés dans la manipulation industrielle. - Les générateurs de vide pneumatique (venturi mono ou multi étagé et amplificateurs d air) - Les générateurs de vide électrique (pompes à vide et turbines) Voici un tableau de préconisation de matériel suivant l application Energie choisie: Besoin de force et de rapidité entre 40% et 90% de vide (application étanche et semi poreuses = 80% des applications) Besoin de fort débit aspiré entre 0% et 40% de vide (application à forte porosité = 20% des applications) Mono- étagé Pneumatique -Multi- Étagé -Ampli d air palettes Turbine Electrique 13

14 a) Venturi et réseau vide. a1 - Fonctionnement Fonctionnement d un venturi. Comme son nom l indique, ce type de générateur de vide utilise l effet venturi (phénomène physique) qui se caractérise par l alimentation en pression d un profil buse + mélangeur bien particulier. L air comprimé en A (filtré et non lubrifié) s écoule à travers la buse D, et accroit sa vitesse. Le jet d air expulsé par la buse est ensuite capté par le mélangeur E et enfin s échappe par le silencieux B. Le vide découle d une dépression créée dans la chambre entourant la buse D. L air aspiré en C emprunte le même chemin que l air moteur pour finir dans le silencieux B On parle donc d un débit consommé en A par la buse D, d un débit aspiré en C et d un débit refoulé en B qui correspond à l addition des deux. A D E B C 14

15 diamètre intérieur de tube (mm) a) Venturi et réseau vide. a2) Dimensionnement réseau vide Règles de base pour l utilisation d un venturi dans un réseau de vide: - Chaque venturi à une pression optimale de fonctionnement qui correspond à une valeur maximale de débit aspiré au niveau de vide maximum atteignable par celui-ci. Si on sous alimente en pression le venturi, celuici chute en taux de vide et si on le sur alimente, la consommation d air augmente d autant qu on augmente la pression en dégradant le débit aspiré et le vide Consommation d air Vide Aspiration Pression d alimentation Longueur de tube (m) 5 - Il est aussi important de surdimensionner le Ø intérieur des tubes du réseau de vide surtout si le venturi se trouve loin de l application pour éviter tout phénomène de perte de charges (voir courbe ci-contre). - Supprimer les fuites du réseau vide (ventouse usée, raccordement non étanche, tube coupé etc.) - Dimensionner correctement le venturi pour éviter les lachés de pièce (surtout dans les applications à porosité) 10 2, aspiration (Nl/min) 15

16 a) Venturi et réseau vide. a3 - Dimensionnement des venturis Pour les applications étanches : - Définir le volume à vider qui correspond généralement à la somme des volumes internes de chaque ventouse + le volumes des tuyauteries et des raccords. - Définir un temps de vidage en fonction du cycle machine car c est de ce dernier que dépend la consommation du venturi. En effet, dans les applications étanches, plus on veut aller vite, plus on augmente la puissance du venturi (en augmentant le Ø de buse) donc la consommation. (exemple : Avec un venturi type GVM3, on peut facilement soulever une voiture du moment ou il n y a pas de fuite et que les ventouses sont bien dimenssionnées).un tableau des temps de vidage pour un volume d un litre est disponible dans la documentation en page 6. étanche 16

17 a) Venturi et réseau vide. a3 - Dimensionnement des venturis (suite) Pour la manipulation de produits poreux (même avec une faible porosité). Le paramètre le plus pénalisant est sans conteste le débit de fuite issu de la porosité du produit manipulé. Dans ce cas, il est obligatoire de choisir un venturi pouvant fournir assez de débit (au taux de vide souhaité) pour compenser la fuite équivalente à la porosité du produit. L essai pratique est toujours préférable à l étude théorique et elle peut donc être fait en utilisant un venturi étalon qui servira à quantifier le débit de fuite à travers le produit manipulé. Un exemple : Le venturi d essai choisi (GV15N) peut atteindre le vide maximum de 90% avec un débit aspiré de 75 Nl/mn (courbe ci-contre). Lors de l essai pratique avec la ventouse choisie pour l application, on arrive à obtenir seulement 40% de vide (lecture sur le vacuomètre) à cause de la porosité du produit manipulé. (voir schéma ci-contre) 17

18 a) Venturi et réseau vide. a3 - Dimensionnement des venturis (suite) Cette mesure nous permet de définir le débit de fuite équivalent à la porosité de l application. Pour cela, on part du vide atteint lors de l essai (40%) on remonte sur la courbe du venturi choisi (GV15N courbe 4) et on trace une droite pour trouver le débit de fuite. On a donc ici une fuite de 40 Nl/min. Dans cet exemple, on doit soulever une charge de 75 N en utilisant une ventouse d une force de 100 N à 90% (cf catalogue). En utilisant la méthode des produits en croix, on obtient seulement une force de 44 N qui est donc insuffisante (100x40/90= 44). En utilisant le même graphique, et à partir de la valeur obtenue, on peut donc chercher un venturi qui avec le même débit de fuite permet d atteindre un niveau de vide supérieur. Le venturi 2 permet d atteindre un vide de 70% qui avec la ventouse de l exemple permet d obtenir une force de 78 N. (100x68/90 = 78). Ce sera donc le venturi adapté à l application. 18

19 a) Venturi et réseau vide. a4 - Documentation technique Consommation du venturi en rapport à son Ø de buse Taux de vide maximum atteint par le venturi et aspiration maxi. -Les version «N» sont optimisées pour un taux de vide élevé avec un débit aspiré faible. (applications étanche et semi poreuse-) -Les versions «T» sont optimisés pour un taux de vide moyens avec un débit aspiré supérieur au «N». (application poreuse). -Les versions «X» sont optimisés pour de fort débits aspirés avec un taux de vide faible. (application à porosité importante) 19

20 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses La principale application du vide dans les installations industrielles est la prise et la manipulation de pièces. La force du vide est donnée en fonction de l utilisation des ventouses. La ventouse est un système de prise qui permet de manipuler tout type de produit avec des poids, des superficies, des formes et des dimensions différentes Les principaux critères à prendre en compte pour le choix d une ventouse sont: - la forme - le diamètre - la force - le matériau 20

21 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) La forme Ventouses Plates (sans butées): Pour la manipulation d objets plats ou légèrement déformés, rigides et lisses. Resistent à des efforts latéraux importants Ventouses plates (avec butées): Pour la prise d objets petits, flexibles, déformables, etc. Très bonne résistance aux efforts latéraux et aux manipulations horizontales et verticales. Ventouses à soufflets : Pour la prise d objets sphériques, cylindriques, ovoides, etc. Plus il y a de soufflets, plus ces caractéristiques sont amplifiées. Elles permettent des prises à des niveaux différents, un effet rotule, un mouvement de soulèvement et des prises avec angle. 21

22 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) Le diamètre De ce paramètre dépend la force de la ventouse et il est subordonné à la surface disponible sur le produit. Le nombre des ventouses à utiliser n est pas seulement lié à la somme des forces; il est en fait indispensable de distribuer cette force de façon homogène sur toute la surface de l objet. OUI NON Cette répartition des forces évite que le poids de l objet aux extrémités ne modifie la géometrie et donc la surface utile de prise. 22

23 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) La force La force d une ventouse est proportionelle à la superficie au vide. Et elle dépend également de sa forme générale, de sa souplesse, de sa matière, etc, et surtout du niveau de vide atteint à l intérieur de la ventouse elle-même. 23

24 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) Le coefficient de sécurité Les forces exprimées sur les différents catalogues sont des forces réelles généralement mesurées à 90% de vide, qui tiennent compte de diminutions lièes à des caractéristiques spécifiques de chaque ventouse et d un coefficient de sécurité égale à : 2 pour prise horizontale 4 pour prise verticale Pour des applications avec des accélérations, le coefficient de sécurité sera calculé en conséquence. 24

25 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) Les matériaux 25

26 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) Récapitulatif Les principaux paramètres à considérer pour choisir correctement une ventouse sont: Forme de la charge: sphérique plate, galbée, cylindrique, ovoidale, Matière de la charge: poreuse, étanche, déformable, rigide, fragile. Etat de surface: lisse, granuleuse, structurée, abrasive Aspect de la charge: humide, huileux, poussiéreux, visceux, sec Poids: lourd, léger Température: choisies de 40 C à 250 C selon les matières Orientation de la prise: horizontale, verticale, angulaire, différence de niveaux Type de prise: manipulation, levage, bridage, dépilage Temps de cycle: brusque accélération et/ou descélération. 26

27 b) Ventouses et accessoires. b1 - ventouses (suite) Les bandes mousse Une autre utilisation de la bande mousse, fournie dans ce cas en anneau, est d augmenter la capacité des ventouses standards à s adapter à des objets de formes ondulées ou irrégulières. Les bandes de mousse à cellules fermées (imperméables), spécifique pour le vide, sont collées sur un support métallique ou directement sur le plan de travail. On obtient ainsi de grands volumes de vide (même avec des formes irrégulières) adaptés pour soulever des charges lourdes ou pour brider des objets durant une phase d usinage. Ils sont fournis au détail (en rouleau) ou déjà prémontés sur un support. 27

28 b) Ventouses et accessoires. b2 - inserts Rivetés en usine A canule 28

29 b) Ventouses et accessoires. b2 - inserts (suite) Avec vis démontable Avec sortie radiale 29

30 b) Ventouses et accessoires. b3 - systèmes ressort / rotule Ces accessoires sont conseillés pour des manipulations horizontales de produits situés à des niveaux différents. Axial Radial Les systèmes ressorts existent en versions standard ou anti-rotation (pour des ventouses ovales par exemple) avec un raccordement au vide soit axial soit radial. Ils sont conseillés pour la prise de produits bombés ou en rotation. Montées sur une ventouse plate, ils donnent une force nettement supérieure à une ventouse à soufflets (de même diamètre). 30

31 b) Ventouses et accessoires. b4 - palpeurs Utilisés en cas de prise irrégulière, il en existe de 2 types : Ceux mecaniques qui une fois en contact avec le produit s ouvrent et laissent passer le vide. (pas de fuite à la fermetture) Ceux à bille qui se ferment automatiquement lors d une absence pièce. (Légère fuite à la fermeture ne pas utiliser en prise verticale) 31

32 b) Ventouses et accessoires. b5 - silencieux Ils sont utilisés à l échappement des venturis. Il en existe 2 types : diffusant, qui procure une meilleure atténuation sonore et une filtration de l échappement (possibilité de colmatage) et, débouchant qui avec un niveau sonore légèrement supérieur permet d éviter le colmatage dans le cadre d applications particulièrement poussièreuses. Nous conseillons généralement l utilisation de silencieux débouchants. Dans certaines applications, on peut aussi collecter les échappements afin de garantir une ambiance propre et silencieuse. diffusant débouchant (incolmatable) 32

33 b) Ventouses et accessoires. b6 - vacuostat Les Vacuomètres sont des instruments de mesure identiques aux manomètres mais avec l info à droite pour indiquer le 0 relatif et la valeur de vide à gauche. Les principaux utilisés sont ceux à ressort (Bourdon) et ils sont généralement amortis (glycérine ou silicone). Pour des manipulations ou du bridage d objets, un niveau de vide minimum est toujours déterminé pour garantir la sécurité de l installation. Pour s assurer que le vide nécessaire est réellement disponible, on utilise des vacuostats. Il en existe de 3 types: Pneumatiques Electriques Electroniques 33

34 b) Ventouses et accessoires. b7 - filtre à vide Exitant sous différentes formes et dimensions les filtres à vide sont utilisés pour éliminer la poussière avant que celle ci n atteigne le venturi. Ils ne sont cependant pas indispensables pour des venturis. Ils peuvent être mis à proximité du venturi ou aussi décentralisés (pastille en matériau filtrant). Dans les filtres, les cartouches filtrantes, lavables et/ou interchangeables, sont de trois types: En papier, avec filtration de 5µ. Ils ne sont pas compatibles avec des ambiances humides et ne peuvent être nettoyés humides. En polyester, avec filtration de 3µ. Filtration élevée aussi en présence d une légère humidité et ils peuvent être nettoyés humides. En Inox, avec filtration de 50-60µ. La filtration limitée est compensée par la possibilité de travailler en ambiance très humide. 34

35 4/ Application client a) Exemple 1 (application étanche) b) Exemple 2 (application poreuse ou à fuite) 35

36 a) Exemple 1 (application étanche) CDC : -Prise pièces plastiques en sortie de presse -Moule 8 empreintes -Cycle : (10 secondes) Injection = 5 s Temps de prise maxi = 1 s (pour atteindre 70% de vide minimum). Déplacement (venturi en fonctionnement) = 1 s Expulsion vers emballage = 1 s Déplacement (venturi non fonctionnel) = 1 s Attente = 1s -Matière pièce = PA66 20 % FV -Surface lisse (étanche) -poids = 20g -Température pièce = 60 -Distance venturi/ nourrice à vide = 5 m -Distance nourrice à vide/ventouse = 2.5m 55mm 24mm Définir : -la ventouse appropriée -le réseau de vide optimal -le venturi idéal pour satisfaire les temps de cycle. 36

37 a) Exemple 1 (application étanche) Choix ventouse : Pour garantir une certaine tolérance de mise en position du robot, nous allons choisir une ventouse à soufflets type VSA. La largeur de la pièce nous contraint à choisir une ventouse de Ø inférieure à 24mm. Partons donc sur une VSA 20 qui à 90% de vide génère une force de 7.7 N ce qui est largement suffisant. L application n a pas vraiment de contrainte si ce n est la température de la pièce en sortie de presse (60 ). Nous choisirons donc le nitrile (NBR) comme matériaux (Cf. Ventouses et accessoires) Le test de porosité (cf 3/a3) démontre que l application est étanche. Choix réseau vide: 8 empreintes sont présentent dans le moule donc 8 VSA20NBR sont nécessaires avec 8 tubes de raccordement à une seule nourrice à vide (distance 2.5m). La nourrice adaptée à cette application est une NVS8 (1 arrivée en tube 8x10 et 8 sorties en tube 6x8). Nous avons 5 mètres de tube 8x10 donc le débit optimum à utiliser suivant cette longueur est de 70Nl/mn pour ne pas générer de pertes de charges. (Cf.3/a2). 37

38 a) Exemple 1 (application étanche) Définition du venturi - Calcul du temps de vidage : Il me faut connaître le volume total du réseau (tube + ventouse) section tube Ø8int = (pi x r²) = 0.50cm² donc volume = 0.5x500 =250cm³ section tube Ø6int = (pi x r²) = 0.28cm² donc volume = 0.28x250 =70cm³ par tube donc 8x70= 560cm³. Volume VSA 20 = 1.15cm³ donc volume total ventouses = 8x1.15 = 9.2 cm³ VOLUME TOTAL = =819 cm³ = 0.82 l. Temps de vidage maxi souhaité = 1s Pour utiliser le tableau des temps de vidage P6 du catalogue, je dois retrouver l équivalent pour un litre à vider : si j ai besoin de vider 0.82l à 70% de vide en 1 seconde alors je dois pouvoir vider 1l à 70% de vide en 1.2 seconde. D après le tableau, le GVP 15N ferait l affaire (1.16 seconde pour vider 1 litre à 70% de vide). De plus, d après le catalogue P22, son débit aspiré est de 70Nl/mn ce qui correspond au débit maxi du tube utilisé. Comme nous voulons un soufflage pour expulser la pièce rapidement, nous choisirons la version GVPD15N (la lettre «D» correspond au soufflage). 38

39 b) Exemple 2 (application poreuse ou à fuite) CDC : -Prise de carton sur convoyeur pour palettisation -Pas de contrainte de temps pour la prise -Vide de travail souhaité minimum = 60% -Matière Carton naturel (porosité) -poids = 10 Kg -Dimensions 30cmx30cmx10cm -Distance venturi/ nourrice à vide = 0.2 m (sur tête de robot) -Distance nourrice à vide/ventouse = 0.5m -Consommation minimum. Définir : -la ou les ventouses appropriées -le venturi idéal pour compenser les fuites de porosité sans générer de sur consommation 39

40 b) Exemple 2 (application poreuse ou à fuite) Choix ventouse : Le carton étant légèrement déformable, nous allons choisir une ventouse à soufflets type VSA. Afin d éviter la prise au centre du carton,nous allons disposer 1 ventouse sur chaque angle du carton (voir dessin ci-contre).le carton à une masse de 10Kg divisé par 4 ventouses utilisable à 60% de vide minimum. Si d après la doc (P75) on utilise une VSA53, on obtient 59N de force à 90% de vide ce qui correspond à 39N pour 60 % de vide. 39x4 = 156N donc cette ventouse convient à l application avec un peu de marge supplémentaire. Le carton étant un matériau abrasif, nous utiliserons le Caoutchouc naturel (NR) (Cf. Ventouses et accessoires) Réalisation du test de porosité (cf 3/c) : 55% de vide avec un GVP12N et une VSA53NR Cela signifie que la fuite de porosité par ventouse est de 15Nl/mn donc si on utilise 4 ventouses, on aura 60Nl/mn de débit de fuite. Pour atteindre les 60% de vide souhaité il nous faut un venturi capable de compenser cette fuite de 60Nl/mn à 60% de vide. On utilisera donc d après la courbe ci contre un GVP 25N Choix réseau vide: Les distances de tubes étant assez courte, nous pouvons utiliser une nourrice NVS4 (une entrée 8x10 et 4 sorties 6x8) (Cf.3/a2) 60 Nl/mn 15 Nl/mn 40

41 diamètre intérieur de tube (mm) d) Choix de la distribution pneumatique Les tableaux ci-contre vous aide à choisir les bons Ø et longueur de tube destinés à l alimentation en pression des venturis. Ex: Mon venturi consomme 150 Nl/mn. Mon tube A.C. mesure 6 m de long. 2,5 Je ne dois pas être en 2 dessous d un Øint. de 6mm. 1,5 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 Longueur de tube (m) consommation (Nl/min) 41

42 Fin de la formation 42

43 L avenir Dans un souci d innover en permanence, COVAL est le premier spécialiste du vide à intégrer des électro-pilotes dans une vanne de commande déjà associée au venturi. Ainsi, sur les nouvelles génération de vanne pour venturi, l utilisateur n a qu à connecter sa pression, son réseau vide et son automate au venturi pour que celui-ci soit opérationnel. 43

44 L avenir (suite) De nouveaux systèmes ont été conçus pour fortement diminuer la nuisance sonore et la consommation. 44 -Pour les applications étanches, il est maintenant possible de réaliser de la régulation de vide (série GVMAX). Ainsi, le venturi s arrête de consommer lorsque le seuil préréglé est atteint. Par un système de clapet, le vide est maintenu dans le réseau. Une évolution du GVMAX est prévu prochainement. Celui-ci se verra doté d un détendeur, d un soufflage intégral et d un nouveau vacuostat

45 L avenir (suite) - Pour toutes les applications, il est désormais possible de réguler la pression d utilisation pour économiser de l énergie tout en diminuant les nuisances sonores (série GEM). 45

46 L avenir (suite) Une nouvelle gamme de ventouse automobile à vue le jour en Celle-ci permet une accroche supérieure dans les application à surface lisse et étanche. 46

47 L avenir (suite) Futures gamme de mini venturi en ligne compact intégrant la technologie «TWIN TECH» du GEM. Sortie mars