Une comparaison pratique basée sur 15 critères de choix, avec un accent sur les économies d'énergie, les données et l'impact TCO lors du passage de l'air comprimé à l'électrique.

Résumé exécutif​ 

Ce blog vous aide à faire un choix judicieux entre des actionneurs linéaires pneumatiques et électriques.

• La comparaison se fait sur la base de 15 facteurs (voir Tableau 1), de sorte que non seulement l'énergie, mais aussi les performances et la faisabilité sont prises en compte (notamment le design, la puissance, la vitesse, la précision, la répétabilité et le contrôle de mouvement).
• En plus de l'actionneur lui-même, les aspects système jouent un rôle important : l'air comprimé nécessite un équipement périphérique supplémentaire et introduit des pertes (compression, fuites, conditionnement), tandis que les solutions électriques offrent plus de régulabilité et de programmabilité—et sont mieux intégrées dans des environnements PLC/bus de terrain pour le diagnostic et la surveillance.
• Le blog aborde également les facteurs qui influencent le CTO (total cost of ownership), tels que l'entretien, l'environnement/température/bruit et la durée de vie prévue, et approfondit la collecte de données : quels signaux (par exemple, position, courant, température, codes d'erreur) vous pouvez exploiter, comment cela soutient la surveillance de l'état et la maintenance prédictive, et comment cela contribue à une disponibilité accrue et à une utilisation plus efficace de l'énergie.

Conclusion en gros : la pneumatique reste intéressante pour des mouvements simples et rapides de bout en bout dans des environnements robustes ; l'électrique est souvent meilleur lorsque la précision, la flexibilité, les données et l'efficacité énergétique sont importantes. Utilisez les 15 facteurs pour étayer cela par application.

Introduction

Le choix entre des actionneurs linéaires pneumatiques et électriques est aujourd'hui plus qu'une simple comparaison de performances : il détermine également combien d'énergie (et donc de coûts) votre installation consomme. L'air comprimé est un vecteur énergétique coûteux et s'accompagne en outre de pertes lors de la compression, des fuites et du conditionnement. En passant à des actionneurs électriques, il est possible de réaliser des économies d'énergie significatives dans de nombreuses applications—mais seulement lorsque la solution est judicieusement dimensionnée et intégrée. C'est pourquoi ce document traite de 15 facteurs qui permettent de faire le bon choix, allant de la conception, de la puissance et de la précision à la maintenance, la collecte de données et le coût total de possession (CTP).

Qu'est-ce qu'un actionneur ?

Selon Wikipedia, un "actionneur" est une partie d'une machine responsable du mouvement et du contrôle d'un mécanisme ou d'un système. Un "actionneur linéaire" est un actionneur qui peut soit pousser ou tirer avec une force, soit déplacer une charge de manière linéaire vers des positions spécifiques. Bien que les structures soient similaires, les différences entre les actionneurs commencent avec leur source d'énergie, qui peut être hydraulique (liquide), pneumatique (air) ou électrique.

Le bon type d'actionneur linéaire est déterminé par la manière dont il répond aux exigences de l'application, telles que la charge, la vitesse, la précision, etc.

Les actionneurs pneumatiques peuvent par exemple se déplacer à très grande vitesse et les actionneurs électriques offrent le contrôle le plus précis, car la pression de l'air et des liquides est plus difficile à réguler que l'électricité.

Dans cet article de blog, nous comparons les avantages et les inconvénients des actionneurs pneumatiques et des actionneurs électriques pour vous aider à prendre la bonne décision pour votre prochain projet. L'efficacité énergétique et un TCO plus bas en font partie, mais ce n'est pas tout. Voici 15 facteurs à considérer lorsque vous choisissez entre des actionneurs pneumatiques ou électriques.​

Tableau 1. Comparaison des actionneurs pneumatiques vs. électriques (aperçu de 15 facteurs)

Conception

Les actionneurs pneumatiques ont un design plus simple, tandis que les actionneurs électriques utilisent des composants plus complexes, tels qu'une vis et un moteur électrique.

Le design simple d'un actionneur pneumatique est également plus compact que celui d'un actionneur électrique, mais lorsque vous prenez en compte tous les autres composants nécessaires pour créer la pression d'air, l'ensemble peut finalement occuper plus d'espace. Plus d'informations à ce sujet plus tard.

Voici une comparaison entre un actionneur pneumatique typique et un cylindre électrique avec vis à billes.

Un actionneur pneumatique est également plus facile et plus rapide à installer grâce à sa conception simple. Cependant, le profil de mouvement est plus difficile à ajuster une fois que l'actionneur est déterminé. Un actionneur électrique nécessite également un dimensionnement et une programmation plus complexe pour définir les paramètres à l'avance, mais le profil de mouvement peut être modifié assez facilement tant que le couple, la vitesse ou l'inertie requis n'augmente pas.

Bien que la conception de base des actionneurs pneumatiques soit similaire, les actionneurs électriques peuvent être entraînés par différents mécanismes, notamment une vis à billes, une vis trapézoïdale, un pignon et crémaillère, une courroie et une poulie, etc. Le mécanisme utilisé influence les spécifications finales — telles que la charge, la vitesse et la précision — afin que l'actionneur corresponde mieux aux exigences d'une application spécifique.

Voici quelques exemples de différents types d'actionneurs électriques.

Il existe également différents designs d'actionneurs pneumatiques, car le nombre de pistons dans le cylindre peut varier. Plus de pistons signifie plus de puissance, mais cela nécessite également plus d'air comprimé.

Force et vitesse

Traditionnellement, les actionneurs pneumatiques offrent des vitesses plus élevées et des forces plus faibles par rapport aux actionneurs électriques. Cependant, certains facteurs — tels que le pas (pitch/lead) de la vis dans un actionneur électrique ou le nombre de cylindres dans un actionneur pneumatique — peuvent influencer cette comparaison.

Dans un actionneur pneumatique, la force est calculée en multipliant la surface du piston (facteur de force) par la pression de l'air dans le cylindre. Dans un actionneur électrique, la force linéaire est convertie à partir du couple du moteur.

Il est difficile de maintenir une vitesse ou une force constante lorsque l'on travaille avec de l'air comprimé. Étant donné que la tension et le courant sont plus faciles à réguler, les actionneurs électriques peuvent maintenir la force et la vitesse de manière beaucoup plus cohérente, même sans rétroaction dans une boucle fermée. Pour les actionneurs électriques, il est également possible d'utiliser un réducteur avec un certain rapport de réduction, ce qui permet d'augmenter la force au détriment de la vitesse.

Il existe de nombreuses options pour les actionneurs électriques, alors assurez-vous de choisir le bon. Par exemple, remplacer une vis à billes par un autre type avec un pas/avance plus grand modifie les spécifications finales, comme vous pouvez le voir dans le graphique ci-dessous.

Source: https://www.medicaldesignbriefs.com/component/content/article/mdb/features/articles/26236

Les actionneurs pneumatiques fonctionnent généralement entre 5 et 8 bars, tandis que les actionneurs électriques convertissent le couple moteur et la vitesse de rotation (RPM) en une force linéaire et une vitesse linéaire.

Pour augmenter la force ou la vitesse d'un actionneur pneumatique, il faut plus de pistons et/ou une pression d'air plus élevée (bar).

Pour augmenter la force, la vitesse ou l'accélération d'un actionneur électrique, un couple plus élevé d'un moteur plus grand ou plus long est nécessaire. Cela entraîne une consommation d'énergie plus élevée, mais grâce à un design réfléchi, il est donc possible de choisir l'efficacité maximale qui répond néanmoins aux exigences de l'application.

Précision & répétabilité

Les actionneurs électriques dominent en précision et en répétabilité, ce qui les rend idéaux pour des applications avec plusieurs points de positionnement.

Source: https://www.linearmotiontips.com/does-my-system-need-high-accuracy-or-repeatability-or-both/

Étant donné que la tension et le courant sont plus faciles à réguler que la pression d'air, les actionneurs électriques peuvent contrôler leur position avec une grande précision et répéter cette position avec le même profil de mouvement. Les actionneurs pneumatiques sont généralement choisis pour un positionnement simple de bout en bout, car ils ne peuvent tout simplement pas atteindre la même précision et répétabilité que les actionneurs électriques.

Les actionneurs électriques utilisent des servomoteurs ou des moteurs pas à pas, qui offrent naturellement une grande précision d'arrêt et un bon contrôle du couple. Le couple de maintien de ces moteurs empêche en outre la dérive de la position.

Les actionneurs pneumatiques deviennent progressivement plus avancés car ils appliquent des techniques de contrôle similaires à celles des actionneurs électriques. Cependant, des capteurs supplémentaires et une programmation supplémentaire sont nécessaires pour atteindre la précision et la répétabilité "prêtes à l'emploi" des actionneurs électriques.

Options "motion control'​

Avec un contrôle plus précis du couple, de la vitesse et de l'accélération/décélération, les actionneurs électriques peuvent faire beaucoup plus avec des profils de mouvement que les actionneurs pneumatiques.

À titre d'illustration, le profil de mouvement suivant montre ce qu'un actionneur électrique ou un moteur peut réaliser.

Source: https://www.digikey.com/en/blog/motion-control-profiles-good-better-and-best

Il sera difficile de reproduire ce profil de mouvement exact avec un actionneur pneumatique.

Les actionneurs électriques sont les plus adaptés pour répéter des profils de mouvement spécifiques grâce à leur précision et leur exactitude. Les actionneurs pneumatiques sont limités dans la génération de profils de mouvement, et une fois mis en œuvre, ces profils sont plus difficiles à modifier.

En raison de leur haute répétabilité, les actionneurs électriques sont souvent choisis pour des applications avec plusieurs points de positionnement et des situations où plusieurs axes doivent être synchronisés.

Pour les actionneurs électriques, des centaines de positions cibles peuvent être enregistrées et conservées pour un fonctionnement multi-point. Les vibrations et les charges d'impact peuvent être minimisées grâce à des profils de mouvement personnalisés, tels que des courbes en S, tandis que les actionneurs pneumatiques dépendent d'un butoir dur et d'un ressort.

Source: https://www.linearmotiontips.com/how-to-reduce-jerk-in-linear-motion-systems/

La commande de position absolue est en développement depuis un certain temps pour les actionneurs électriques. Les encodeurs absolus multi-tours aident à réduire l'espace nécessaire, car les capteurs de homing et de fin de course externes ne sont plus nécessaires. La dernière génération d'actionneurs utilise des encodeurs absolus mécaniques, ce qui élimine le besoin de batterie de secours.

Efficacité énergétique & coût total

Un autre grand avantage des actionneurs électriques est l'efficacité.

Les actionneurs pneumatiques fonctionnent avec un rendement d'environ 10 à 25 %, ce qui est même inférieur à celui des actionneurs linéaires hydrauliques avec un rendement d'environ 40 %.

Les actionneurs électriques, en revanche, fonctionnent avec un rendement d'environ 80 %.

Ci-dessous, une comparaison des coûts énergétiques d'un actionneur pneumatique avec ceux d'un actionneur électrique dans la même application, avec un coût théorique de 0,08 $/kWh.

Si l'on ne considère que le coût initial, les actionneurs pneumatiques sont le meilleur choix. En comparaison : les actionneurs électriques ont des coûts initiaux plus élevés, mais des coûts opérationnels et de maintenance plus bas.

Lorsque vous examinez cependant le TCO (coût total de possession), les actionneurs électriques se révèlent être les gagnants. Cela s'explique par le fait que la force pneumatique nécessite plus d'énergie pour être générée et est en outre moins efficace que l'énergie électrique dans la conversion en force linéaire.

Les coûts à court terme comprennent les coûts d'achat et d'installation, mais le TCO inclut les coûts de remplacement, l'installation de conduits d'air et l'entretien. N'oubliez pas que les compresseurs d'air ont également besoin d'électricité pour fonctionner.

Des roulements sont deux exemples d'application des conseils sur le mouvement linéaire.

L'application n° 1 concerne une application de découpe de nouilles, et l'application n° 2 concerne 
le soudage par points de résistance.

Source: https://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

Les comparaisons du TCO entre les actionneurs linéaires pneumatiques et électriques incluent de nombreuses variables et hypothèses. Parfois, cela dépend de la conception des raccords de tuyauterie, de la facilité d'entretien des systèmes et de la manière dont vous les utilisez. Pour les applications qui ne nécessitent pas de précision ou de durée de vie continue, les actionneurs pneumatiques peuvent permettre d'économiser de l'argent.

Collecte de données

Plus de données conduit à une efficacité accrue en rendant la maintenance plus prévisible.

Les actionneurs électriques sont également les gagnants dans cette catégorie.

Le contrôle des moteurs électriques et des actionneurs a connu ces dernières années un développement rapide, rendant les systèmes de régulation avancés désormais extrêmement faciles à déployer. La collecte de données est simple à mettre en œuvre car de nombreux capteurs de mesure, tels que les capteurs de courant et de température, sont déjà intégrés ou les données critiques présentent un comportement prévisible. De plus en plus de protocoles de communication réseau industriels, tels qu'EtherNet/IP, Profinet et EtherCAT, sont directement disponibles pour se connecter à divers PLC, HMI et IPC. Bien que les actionneurs pneumatiques progressent également, il peut être difficile d'atteindre un niveau où les données peuvent être utilisées en temps réel pour contrôler un processus ou prédire l'usure.

Environnement, température et son

Étant donné que les systèmes d'actionneurs électriques peuvent contenir des composants sensibles, tels que des moteurs, des encodeurs et des capteurs, les actionneurs pneumatiques sont généralement mieux adaptés aux environnements difficiles. Cependant, il est toujours important de prêter attention à la classification IP et/ou aux spécifications pour comprendre quelles conditions environnementales sont réellement appropriées. Aujourd'hui, il existe des actionneurs électriques conçus pour des environnements extrêmes ou pour une utilisation sous l'eau, ce qui n'est pas nécessairement le cas pour les actionneurs pneumatiques.

Exemple d'un actionneur électrique pour une utilisation sous l'eau

Source: https://actintime.be/blog/concens-uw100-onderwater-actuator

Les actionneurs pneumatiques peuvent parfois offrir une plage de température plus large que les actionneurs électriques (environ -30 à 180°C par rapport à la plage typique de 0 à 70°C).

Mais à des températures ambiantes élevées, les joints d'étanchéité peuvent échouer, ce qui ralentit le fonctionnement.

Des températures élevées peuvent également affecter la durée de vie de la graisse dans les roulements de moteur et provoquer une dilatation des métaux, ce qui augmente le frottement et l'usure dans un actionneur électrique.

Les actionneurs pneumatiques produisent en outre plus de bruit en raison de l'air comprimé, bien que cela se soit amélioré au fil des ans, pour des applications où le bruit est vraiment très critique, le meilleur choix reste électrique.

Entretien

Si vous n'êtes pas fan de l'entretien, les actionneurs électriques sont le meilleur choix.

Les besoins en maintenance d'un actionneur pneumatique sont beaucoup plus importants que ceux d'un actionneur électrique. Il doit y avoir un approvisionnement constant en air comprimé provenant d'un réservoir, ce qui n'est pas simple à entretenir. En plus de l'actionneur lui-même, il y a de nombreux composants supplémentaires qui nécessitent de l'entretien, tels que :

·        compresseur

·        vannes

·        raccords

·        silencieux (muffler)

·        unité de lubrification

·        filtre-régulateur-lubrifiant (FRL)

·        vanne magnétique

·        tuyaux d'air

Un actionneur électrique nécessite un entretien minimal car il y a moins de pièces susceptibles de s'user, grâce à la faible friction des roulements et des guidages linéaires. Un graissage occasionnel peut être nécessaire dans des applications spécifiques pour atteindre la durée de vie souhaitée.

Prévenir les fuites d'air est essentiel dans les actionneurs pneumatiques. À mesure que les joints s'usent, la force fournie par l'actionneur change, ce qui réduit encore la précision et la répétabilité. Les actionneurs pneumatiques dépendent de joints de tige et de piston étanches pour éviter les fuites d'air dues à l'usure. Parfois, il peut falloir longtemps pour régler ou ajuster correctement le flux d'air.

Source: https://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

Durée de vie

Les actionneurs pneumatiques et les actionneurs électriques offrent une durée de vie L10 moyenne, basée sur la durée de vie des roulements.

La durée de vie d'un moteur électrique peut être calculée, tandis que la durée de vie d'un actionneur pneumatique ne peut être que estimée. Prédire le moment où les joints d'air échouent est très difficile, donc un entretien périodique est essentiel pour les actionneurs pneumatiques.

La clé pour prolonger la durée de vie des actionneurs pneumatiques est de s'assurer que la tige et les joints de piston restent en bon état. L'usure de ces joints est inévitable. Lorsque les fuites d'air augmentent, l'efficacité, la puissance, la vitesse et la réactivité se détérioreront.

La clé pour prolonger la durée de vie des actionneurs électriques est de maintenir la température de fonctionnement basse. Travaillez toujours pour les deux types dans les limites spécifiées.

Applications idéales

Les similitudes et les différences de conception entre les actionneurs pneumatiques et électriques entraînent des différences dans leurs caractéristiques.

Par conséquent, les caractéristiques grossières et simples des actionneurs pneumatiques sont idéales pour des applications de base nécessitant un positionnement rapide de bout en bout, tandis que la précision des actionneurs électriques les rend très adaptés au positionnement multi-points, aux profils de mouvement avancés et à la synchronisation multi-axes. Même dans la catégorie intermédiaire d'applications où la vitesse n'est pas importante et où seules 2 positions sont nécessaires, comme pour l'ouverture d'une vanne, l'actionneur électrique est souvent la solution la plus appropriée.

Les actionneurs pneumatiques peuvent fonctionner dans des environnements plus sales que la plupart des actionneurs électriques standard. Mais des températures élevées peuvent réduire la durée de vie des deux types.

Si des fonctionnalités avancées sont nécessaires—comme le retour d'information en boucle fermée ou la collecte de données—les actionneurs électriques offrent une solution intégrée et pérenne qui est beaucoup plus facile à utiliser.

Résumé

En termes simples, le choix entre des actionneurs pneumatiques et électriques se résume à la simplicité, la précision, l'efficacité et l'entretien.

• Les actionneurs pneumatiques sont plus petits, faciles à installer et adaptés aux applications simples à course courte avec un mouvement de bout en bout.
• Les actionneurs électriques répondent à des exigences plus strictes grâce à leur précision et leur répétabilité supérieures, et sont idéaux pour de longues courses, le positionnement multi-points et des profils de mouvement avancés.

Bien que le prix d'achat des actionneurs pneumatiques soit inférieur, il faut tenir compte du coût total de possession, y compris l'achat, l'énergie et l'entretien. N'oubliez pas que les compresseurs d'air consomment également de l'électricité.

À long terme, les actionneurs électriques peuvent avoir des coûts opérationnels et de maintenance plus bas.

Le passage du pneumatique à l'électrique est particulièrement pertinent pour les applications nécessitant une position, une vitesse, une accélération et une force avec une plus grande précision et répétabilité. De plus, elles sont meilleures pour la collecte de données et les applications multi-axes synchronisées.

Avec l'accent actuel sur l'efficacité et la réduction des coûts, nous nous attendons à ce que la demande d'actionneurs linéaires avec une efficacité énergétique supérieure et un design plus compact ne cesse d'augmenter au cours des prochaines années.

Crédit : Ce document est basé sur un document rédigé par Johann Tang, Spécialiste Produit chez Oriental Motor USA. Merci à Johann Tang pour la mise à disposition des idées et de la structure originales qui ont servi de base à ce livre blanc.

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