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Par Kirt Boston, Responsable programme et Bob Walters, Ingénieur commercial régional de Donaldson Torit
La découpe au plasma et au laser sont des procédés de base de la fabrication des métaux flexibles. Toutefois, ils génèrent des particules extrêmement fines qui peuvent présenter des risques pour les machines et les employés.
La découpe thermique crée des particules qui nécessitent d’être filtrées. La matière extraite lors de la découpe produit du mâchefer, de la fumée et des particules fines générées thermiquement. Le mâchefer se dépose généralement sur la partie inférieure du sol de l’atelier, tandis que les fumées et les particules fines s’élèvent au-dessus de la pièce usinée, sauf si l’élévation thermique est compensée par un flux d’air descendant approprié (généré par le système de dépoussiérage). La granulométrie des particules varie entre moins de 1 micron et 12 microns. Un système de filtration correctement choisi et installé est donc requis.
La conception du système dépend de l’environnement de découpe et des paramètres des procédés. Une grande table de découpe plasma impose des exigences différentes de celles d’une petite table de découpe au laser. La découpe plasma produit des particules de tailles différentes de celles de la découpe au laser. Même les fonctions associées, telles que les systèmes automatisés de filtration de matières, ont un impact sur la conception des systèmes en raison de l’allongement du temps de découpe. Ce facteur doit être pris en compte dans les exigences de conception, tout comme le type et l’épaisseur du matériau, la largeur du trait de découpe et l’emboîtement des composants.
En substance, un système de dépoussiérage bien conçu doit pouvoir transformer l’ensemble de l’enveloppe de découpe en un système efficace de récupération des fumées.
Conception orientée vers la sécurité
La mise en œuvre d’une récupération de la poussière est essentielle pour des raisons à la fois environnementales et opérationnelles. Au cours des années récentes, l’OSHA a considérablement réduit les limites d’exposition autorisées pour de nombreuses poussières, notamment le manganèse et le chrome hexavalent issus des métaux de coupe riches en chrome, tels que l’acier inoxydable. L’EPA continue de se concentrer non seulement sur la réduction des particules de 2,5 microns et de taille inférieure, mais aussi sur d’autres composés métalliques comme le cadmium, le chrome, le plomb, le manganèse et le nickel, qui sont tous dégagés par une grande diversité d’opérations de fabrication et de finition des métaux.
L’air utilisé pour contrôler les fumées et contaminants de découpe thermique peut contenir des étincelles à haute température. Si ces étincelles ne sont pas éliminées, elles peuvent être dirigées vers un combustible potentiel à travers le système du dépoussiéreur. Le contrôle des sources d’ignition est donc essentiel pour éviter les risques de dommages et d’incendie. De plus, si l’air filtré est renvoyé vers la zone de production, des filtres secondaires peuvent confirmer les performances opérationnelles des filtres primaires en assurant que l’air renvoyé est purifié et inoffensif.
Les ateliers doivent également prendre en compte les risques liés à la collecte de particules de différents matériaux incompatibles entre eux. Il peut par exemple s’agir de particules métalliques dissemblables avec lesquelles des métaux et des oxydes métalliques peuvent provoquer un risque de réaction thermique. Les risques de combustion influent sur les décisions d’agencement et de conception du système de filtration. La NFPA (National Fire Protection Association) publie plusieurs normes applicables pour contribuer à réduire les nombreux risques associés aux poussières métalliques combustibles.
Hotte
Un dépoussiéreur efficace repose sur l’usage de hottes qui capturent et contrôlent efficacement les particules. Les performances du système sont limitées à ce que peut accomplir la hotte. Le fait d’acheter le dépoussiéreur le plus cher et d’installer des filtres à l’efficacité élevée n’augmentera pas l’efficacité globale au-delà de 50 % si la hotte ne capture que la moitié de la poussière et des fumées.
Lors d’une découpe thermique, la table de découpe constitue la hotte de collecte. La hotte doit permettre d’extraire des volumes d’air cohérents en continu afin de capturer les contaminants. Dans le cas contraire, de la poussière et de la fumée s’échappent.
Figure 1 : Support à nanofibres d’un filtre qui recouvre le substrat. Cette configuration empêche les particules de se charger dans les profondeurs du filtre, et assure un nettoyage à contre-courant efficace pour prolonger la durée de vie du filtre.
Filtration en surface ou filtration en profondeur
La zone des fibres, et non la surface du filtre, est la clé d’une filtration efficace. La conception d’un filtre doit, par conséquent, inclure une grande quantité de petites fibres afin d’augmenter la surface de fibres disponible par ordre de grandeur.
Le matériau filtrant de base traditionnel amélioré avec une couche de nanofibres assure les meilleures performances de filtration pour récupérer les particules fines issues de la découpe thermique. Cette couche de nanofibres renforce considérablement l’efficacité du matériau filtrant lors du traitement des particules générées thermiquement. Les nanofibres évitent également aux particules fines de s’intégrer profondément dans les fibres du filtre, forçant les particules à s’accumuler à sa surface (voir Figure 1). Cela crée un filtre de chargement en surface extrêmement efficace.
La filtration en surface montre ses avantages lors du nettoyage par impulsions du filtre. La plupart des dépoussiéreurs nettoyés par impulsions comprennent un collecteur d’air comprimé et un système de robinet à membrane. Lorsqu’une électrovanne pilote est sous tension, le robinet à membrane permet à l’air comprimé de quitter le collecteur sous la forme d’une « impulsion », qui force les particules à sortir de la surface du filtre. Un nettoyage à contre-courant efficace permet d’extraire la poussière du matériau filtrant vers un récipient de stockage.
Les filtres de surface arrêtent les particules à la surface du support, où elles sont facilement expulsées, prolongeant ainsi la durée de vie du filtre et réduisant la consommation d’énergie (voir la Figure 2). Si les particules ne sont pas arrêtées à la surface, les filtres effectuent un chargement en profondeur qui permet aux fumées de pénétrer en profondeur dans le support. Il est très difficile, voire impossible de décharger ces particules filtrées en profondeur lors du nettoyage à contre-courant. Cela réduit la durée de vie du filtre et augmente la consommation d’énergie.
Chargement en surface
Chargement en profondeur
Charge de poussière
La quantité de poussière produite par une application, ou sa charge de poussière, influe sur la taille du dépoussiéreur requis dans la mesure où une charge de poussière supérieure augmente la charge de travail du dépoussiéreur. Sur une période donnée, la découpe au laser peut produire moins de poussières que le procédé au jet de plasma. Bien que le débit d’air requis pour capturer les fumées des processus de découpe au plasma et au laser puisse être identique, les tailles des dépoussiéreurs peuvent varier selon les charges de poussière.
Une charge de poussière moins élevée produite par une découpe au laser peut suggérer une charge de travail moins importante pour le dépoussiéreur, mais la granulométrie des particules a elle aussi son importance. Les plus petites particules de poussière présentes sur le filtre tendent à former un gâteau comportant des petits espaces vides entre les particules, qui au final augmentent la pression requise pour extraire l’air à travers la couche de poussière. Si ce point n’est pas pris en compte, un dépoussiéreur peut consommer plus d’énergie que nécessaire et requérir un nettoyage plus fréquent.
Charge calorifique
Tous les systèmes de dépoussiérage comportent des limites de température et toute augmentation de la charge calorifique peut nécessiter une construction différente. Dans certains cas, de l’air plus froid peut nécessiter d’être insufflé dans le système pour maintenir la température totale de l’air dans les limites de fonctionnement du dépoussiéreur.
La charge calorifique et la conception de la hotte varient également entre les procédés. L’oxycoupage, par exemple, génère des charges de poussière relativement faibles, mais produit une chaleur considérable. Cette charge calorifique supplémentaire doit être prise en compte lors de la sélection des matériaux de construction du dépoussiéreur, et notamment des filtres. La découpe au plasma et au laser libèrent généralement une charge calorifique moins importante, mais des charges de poussières plus lourdes.
La conception de la table peut également avoir un impact sur la charge calorifique. Par exemple, les lignes de coupe structurelles peuvent employer une torche à plasma pour couper des poutres ou des feuillards, en dégageant des étincelles et du métal fondu qui jaillissent par une fente étroite située sous la zone de découpe. Cette opération génère des charges calorifiques supérieures à celles des zones ouvertes descendantes des tables de coupe classiques.
Facteurs d’automatisation
L’automatisation joue également sur les considérations en matière de dimensionnement du dépoussiéreur. Lors d’une découpe manuelle, les opérateurs enlèvent les pièces de la table, puis chargent de nouveaux feuillards. Pendant ce temps d’immobilisation, un dépoussiéreur peut « rattraper » le nettoyage à contre-courant sous conditions de charges élevées.
Les systèmes de manipulation automatisés des matériaux permutent les feuillards finis en quelques minutes, de sorte que la découpe et le retrait des pièces se produisent au même moment. Cette fonction augmente la productivité de l’atelier, mais complexifie la récupération des poussières, notamment du fait que le dépoussiéreur est exposé à un temps de découpe plus long et qu’il dispose de moins de temps pour « récupérer ». Une telle automatisation conduit souvent à des charges plus élevées de poussière et de fumée, et un dépoussiéreur doit être dimensionné correctement pour s’adapter à ces charges.
Stabilisation de la pression
Pour capturer efficacement la fumée et la poussière d’un processus de coupe, un ventilateur fait circuler l’air derrière la pièce usinée, par la table de coupe pour créer un débit d’air (voir Figure 3). Le ventilateur fournit l’énergie nécessaire pour compenser les turbulences et les pertes par friction dues au déplacement de l’air depuis la zone de découpe, par les conduits, le dépoussiéreur, le matériau filtrant et le gâteau de poussières.
Un système de dépoussiérage conçu correctement doit extraire constamment le volume d’air requis (en mètres cube par minute ou CFM). L’excès d’air raccourcit la durée de vie du filtre, tandis qu’un débit insuffisant réduit l’efficacité de capture du système. L’énergie requise pour compenser la résistance du système, ou la pression statique, varie avec le temps à mesure que les filtres s’encrassent.
Les valeurs de pression statique sont souvent exprimées en pouces de colonne d’eau, qui représentent des fractions simples d’une livre par pouce carré, soit environ 27,7 pouces d’eau pour environ 1 PSI. Un filtre neuf et propre présente initialement une très faible résistance au débit d’air, souvent inférieure à un pouce, mais avec le temps, l’accumulation de poussière sur les filtres augmente cette résistance de plusieurs pouces. Les filtres doivent être remplacés lorsque la résistance commence à dépasser un certain point. Dans de nombreux cas, cinq ou six pouces peuvent être observés, mais parfois les filtres ne sont pas considérés comme obstrués tant que leur résistance n’a pas atteint des niveaux considérablement plus élevés.
Pour prolonger la durée de vie opérationnelle du matériau filtrant, un dépoussiéreur moderne emploie des filtres de nettoyage à contre-courant. Ce reconditionnement périodique permet à ces systèmes de fonctionner continuellement sans nécessiter tout le temps le remplacement des filtres.
Volume d’air et conception du système
En mode de fonctionnement normal, un dépoussiéreur atteint une condition stable et « modérée » dans laquelle les filtres présentent une résistance relativement uniforme de quelques pouces de plus que lorsqu’ils sont neufs, en raison du « gâteau de poussières » qui se forme à la surface du support. Avec le temps, un certain degré de chargement en profondeur et d’autres phénomènes finissent par obstruer petit à petit le support, en augmentant progressivement la résistance. À un moment donné, il sera plus rentable de remplacer les filtres plutôt que d’essayer de continuer à les faire fonctionner avec des niveaux d’énergie plus élevées sur le ventilateur.
Pour garantir des performances efficaces pendant la durée effective de vie des filtres, les ventilateurs sont généralement dimensionnés de manière à délivrer le volume d’air souhaité à la perte de charge « obstruée » des filtres, c’est-à-dire à la perte de charge maximale ou « terminale ».
Pour assurer une durée de vie opérationnelle optimale des filtres, un dépoussiéreur doit disposer d’un volume d’air contrôlé pour éviter d’extraire trop d’air dans le système. Les systèmes de dépoussiérage comprennent donc souvent un clapet sur le ventilateur destiné à réguler les variations de résistance des filtres à mesure qu’ils s’obstruent. La fermeture partielle du clapet assure que le ventilateur extrait uniquement le volume d’air souhaité lorsque les filtres présentent une résistance relativement faible. Toutefois, les clapets ne sont pas le seul moyen de contrôler un débit d’air. Les moteurs à vitesse réglable permettent de réguler la vitesse du ventilateur, et par conséquent les performances, afin non seulement de contrôler le débit d’air, mais aussi de favoriser les économies d’énergie.
Plus le volume d’air requis pour contrôler la poussière et les fumées de la découpe est important, plus le système de dépoussiérage est volumineux. Pour cette raison, de nombreux systèmes de découpe de grande dimension sont compartimentés, ou configurés en zones. Cette approche nécessite un débit d’air uniquement dans l’espace situé sous le lit de découpe, ce qui se traduit par un volume d’air inférieur et donc, un système de dépoussiérage plus petit.
Dans d’autres cas, les pièces découpées peuvent présenter des ouvertures préexistantes qui nécessitent d’extraire de l’air supplémentaire, auquel cas les dépoussiéreurs doivent être conçus en fonction de cette exigence de capacité supplémentaire. Augmenter la capacité du dépoussiéreur permet dans ce cas d’assurer que le système maintient le débit descendant nécessaire dans les ouvertures pour permettre une évacuation efficace de la poussière.
Enfin, le ventilateur du dépoussiéreur doit générer un débit d’air suffisant à travers la table de découpe pour créer les vitesses descendantes requises et permettre de capturer les fumées ascendantes. Le débit de l’air doit généralement atteindre 150 à 250 CFM pour permettre de contrôler efficacement les fumées, mais cette exigence peut augmenter en fonction de la conception et de la taille de la table, ainsi que du procédé de découpe.
Performances du système
De nombreuses variables ont une influence sur les performances du système de dépoussiérage lors de la découpe thermique, et un système bien conçu comprenant des conduits, ventilateurs et un matériau filtrant doit prendre en considération toutes les variables et tous les éléments. Lorsqu’il est bien conçu, le système doit maintenir une vitesse de débit d’air descendant constante pour évacuer efficacement la poussière à travers plusieurs conditions de filtre et de coupe opérationnelle.
Résultat :
concevoir et intégrer un système de dépoussiérage efficace pour la découpe thermique n’est pas un exercice universel. La prise en compte de tous les facteurs mentionnés contribue à assurer que l’atelier tire au maximum profit de son système de dépoussiérage.
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