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Au-delà des performances : réaliser des économies grâce aux systèmes à accouplement direct

24 Jan 2022
Experts Kollmorgen

Les avantages en termes de performances offerts par les moteurs à accouplement direct sont bien documentés : les meilleures performances du secteur, une précision supérieure, un rendement plus élevé, une plus grande fiabilité et un fonctionnement plus silencieux. En effet, contrairement à une configuration de mouvement classique, un système à accouplement direct relie le moteur rotatif ou linéaire directement à la charge, ce qui réduit le nombre de pièces mobiles dans le système. La suppression de ces pièces (réducteur, courroies, poulies et composants associés) permet d'obtenir un fonctionnement très dynamique qui offre plusieurs avantages. En savoir plus sur les avantages de la technologie de l'accouplement direct.

Toutefois, un aspect souvent négligé du système de mouvement à accouplement direct est l'avantage financier par rapport à un système classique. Lorsque l'on compare le coût d'un moteur à accouplement direct à une configuration traditionnelle, l'accouplement direct peut sembler plus coûteux. Mais si l'on compare le système global sur la durée, l'on constate qu'un système à accouplement direct est plus rentable qu'un système conventionnel. Par le biais de calculs et d'exemples issus de la situation sur le marché américain, nous allons ventiler les économies d'un système à accouplement direct. 

Coût réduit des pièces

La suppression des engrenages, poulies, joints, paliers et autres composants associés permet de réaliser des économies immédiates par rapport à un système classique. Commençons par examiner le coût total du système et voyons comment il est possible de déduire ces composants du coût du moteur. 

Économie de coûts sur les pièces
= Coût du moteur – [(engrenages) + (courroies) + (poulies) + (vis-mères) + (joints) + (Paliers)]

Les composants de la transmission mécanique peuvent coûter plus de 300 dollars par système. On déduit donc ce montant du coût du moteur. Même si le coût initial d'un moteur à accouplement direct peut être supérieur à celui d'un moteur traditionnel à transmission mécanique, la suppression de ces pièces représente une économie immédiate qui se traduit par des gains supplémentaires à long terme une fois le moteur posé.

Réduction de la main-d'œuvre

La diminution du nombre de pièces entraîne une réduction du besoin de main-d'œuvre, car il n'est pas nécessaire d'assembler, de monter et d'aligner les poulies, carters, paliers, courroies et autres composants du système. Un moteur à accouplement direct peut être directement monté sur la machine et il est auto-portant avec ses propres paliers. Ceci permet non seulement de produire plus rapidement la machine, mais aussi d'économiser sur la main-d'œuvre. 

Économies de main-d'œuvre pour la pose
= (Labor rate) + (Hours) + (Number of Machines)

Les gains dépendront du nombre de systèmes, des taux horaires du marché et du nombre d'heures nécessaires, mais, selon nos estimations, avec un taux de main-d'œuvre de 150 dollars de l'heure pour deux heures de travail sur deux systèmes, les coûts de main-d'œuvre seront de 600 dollars. Si l'on ne considère qu'une seule machine et que l'on intègre les économies sur le coût des pièces évoquées précédemment, le gain total est de 900 dollars.

Un gain supplémentaire est apporté par l'élimination des moteurs surdimensionnés utilisés pour entraîner les réducteurs, de l'ordre de 500 à 1 500 dollars, et qui nécessitent un réglage plus fin des charges à forte inertie. L'accouplement direct fait disparaître la question du ratio des inerties, ce qui représenterait des gains supplémentaires si nous les prenions en compte.  
 

Diminution des coûts de maintenance

Une pièce qui n'existe pas ne peut pas s'user. En supprimant la transmission mécanique du système, on élimine le besoin d'entretenir ou de remplacer des engrenages. Même si des frais annexes tels que la recherche de fournisseurs, la commande et le stockage des pièces sont nécessaires pour la maintenance, nous utiliserons la définition la plus simple des coûts de maintenance pour calculer les économies possibles, à savoir la main-d'œuvre et les pièces. 

On peut voir les choses comme suit :

Coûts de maintenance
= [(Gears) + (Timing Belts) + (Pulleys) + (Lead Screws) + (Seals) + (Bearings)] + (Labor Rate + Hours)

Cette formule permet de constater que le coût de maintenance d'une transmission mécanique inclurait le coût des pièces plus celui de la main-d'œuvre pour poser ces pièces. Par exemple, si le coût total des pièces remplaçables était de 300 dollars et qu'il fallait 2 heures pour les poser à un taux horaire de 150 dollars, le coût total de maintenance serait de 600 dollars pour les pièces et la main-d'œuvre. Si l'on ajoute à cela les coûts des pièces initiales et de la main-d'œuvre d'installation, on obtient un coût global total de 1 200 dollars pour toute la durée de vie de cette machine.

Diminution des temps d'arrêt, augmentation des revenus

En utilisant moins de pièces demandant moins de temps de maintenance, on diminue le temps d'arrêt global de la machine, ce qui permet d'augmenter la production et donc les revenus. Les temps d'arrêt imprévus constituent l'un des principaux coûts de toute entreprise. Ils se manifestent par les coûts de maintenance associés décrits ci-dessus, mais aussi par la main-d'œuvre inoccupée, l'impact sur les autres processus et la diminution de la productivité. Pour simplifier, nous allons calculer les coûts générés par les temps d'arrêt en considérant le temps d'arrêt total, la cadence moyenne de production et la marge brute réalisée sur chaque unité. 

Coûts des temps d'arrêt
= (Duration of Downtime) + (Lost Unite Production + Unit Cost)

La variable ici est le temps d'exploitation effectif. Pour un système ayant 10 heures de temps d'exploitation prévu et 2 heures de temps d'arrêt et produisant 500 unités pendant cette période avec une marge brute de 25 dollars par unité, le montant des pertes s'élèvera à 3 125 dollars pour les 2 heures de temps d'arrêt. Rien qu'en diminuant de moitié le temps d'arrêt, soit 1 heure, vous réaliserez plus de 1 700 dollars d'économies. Soit déjà au moins 2 900 dollars d'économie avec l'accouplement direct. 
 

Meilleures performances, production accrue

La suppression de la transmission mécanique dans le système en couplant directement le moteur à la charge permet d'éliminer l'hystérésis, le jeu ou la perte de mouvement quelle que soit la direction. L'avantage est une précision supérieure du positionnement, de la vitesse et du mouvement, ce qui permet d'améliorer l'efficacité et donc les performances. 

On peut mesurer de différentes manières les économies de coût obtenues par une amélioration des performances. Il pourra y avoir moins de défauts, moins de main-d'œuvre, plus de commandes, etc. Toutefois, aux fins de notre démonstration, nous allons nous intéresser au rendement. Avec la technologie d'accouplement direct, toutes choses étant égales par ailleurs, nous allons voir comment augmenter la production plutôt que diminuer les coûts en augmentant le rendement.

Le rendement se calcule comme le volume divisé par le temps (R = V/T). Plus le volume produit pendant un temps donné est important, plus le processus est efficace. Nous pouvons considérer ceci comme une augmentation du revenu brut potentiel, comme la différence de volume multipliée par le coût unitaire.  

Revenu brut
= ((lx – ly)/T) + (Unit Cost)

Dans ce cas, on peut soustraire ce qu'un moteur traditionnel produit en une heure du volume produit par un moteur à accouplement direct et observer le nombre total de biens produits. Chez un client en possession d'une machine d'alimentation de presse, Kollmorgen a constaté une augmentation de la précision de 0,05 à 0,13 mm. Un autre client à constaté une hausse de 13 % du rendement à haute vitesse. Si l'on prend l'exemple de cette augmentation, on peut voir qu'en passant de 500 unités à 565 par heure à 15 dollars l'unité, on ajoute 975 dollars de revenu brut du produit par heure. Naturellement, il n'est pas tenu compte ici des coûts supplémentaires de matière nécessaires pour maintenir cette cadence. Mais cela se traduit par un plus grand nombre de pièces produites ou une réduction du temps de démarrage et de main-d'œuvre.

Bilan

Quel que soit le point du cycle de vie considéré (nouvelle installation ou maintenance d'un système existant), un moteur à accouplement direct permet de réaliser des économies considérables. Des coûts initiaux à un meilleur rendement, considérons la situation dans son ensemble pour déterminer comment les différents composants fonctionnent de manière globale :
  • Économies sur le coût des pièces = Coût du moteur – [(engrenages) + (courroies) + (poulies) + (vis-mères) + (joints) + (paliers)]
  • Économies de main-d'œuvre pour la pose = (taux horaire) * (heures) * (nombre de machines)
  • Coûts de maintenance = [(engrenages) + (courroies) + (poulies) + (vis-mères) + (joints) + (paliers)] + (taux horaire * heures)
  • Coûts des temps d'arrêt = durée de l'arrêt * (unités de production perdues * coût unitaire)
  • Revenu brut = ((Ix – Iy)/T) * coût unitaire

Les gains les plus importants proviennent de la diminution du nombre de pièces permise par la technologie de l'accouplement direct. La diminution du nombre de pièces s'accompagne d'une diminution des besoins de main-d'œuvre pour la pose et la maintenance, d'une diminution des temps d'arrêts consécutifs à une défaillance et d'une hausse du temps de fonctionnement, ce qui permet d'augmenter la production.

Conception d'un système à accouplement direct pour votre machine

Si l'on considère le système complet sur un cycle de vie typique, il est évident qu'un système à accouplement direct permet de réaliser des économies par rapport à un système traditionnel. Toutefois, les économies et les gains de production dépendront de la machine, de l'emplacement et du secteur d'activité. Il est important de choisir et d'adapter le système à vos besoins et à ceux de la machine. 

Kollmorgen propose différents types de systèmes à accouplement direct, disponibles avec tout un choix de moteurs, variateurs, systèmes d'asservissement et autres composants nécessaires pour construire des machines plus efficaces et rentables. Avant de concevoir votre prochaine machine, pensez à consulter l'un des experts de Kollmorgen pour tirer le meilleur parti de votre système.

À propos de l'auteur

Experts Kollmorgen

Kollmorgen Experts

Ce blog est le fruit d'une collaboration entre une équipe d'experts en mouvement et en automatisation de Kollmorgen, comprenant des ingénieurs, du personnel du service clientèle et des experts de la conception. Quelle que soit l'avancée de votre projet, nous sommes là pour vous aider.

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