Il futuro del testing è elettrico
Dopo settant’anni di predominio dei sistemi idraulici, è arrivata la seconda rivoluzione nel campo dei test. L’azionamento elettrico sta sostituendo i sistemi idraulici nei laboratori di tutto il mondo e i vantaggi vanno ben oltre le prestazioni.
STEP Lab è nata nel 2007 come pioniera di questa rivoluzione e, sin dal primo giorno, si è dedicata allo studio e allo sviluppo di sistemi di prova basati su azionamenti elettrici. STEP Lab si concentra su tecnologie in grado di sostituire quelle idrauliche in modo efficiente e con prestazioni elevate. La gamma di prodotti è attualmente suddivisa in due famiglie principali: EA e UD.
Le due tecnologie
Serie EA
Attuatori elettromeccanici, basati su viti a ricircolo di sfere ad alta precisione e affidabilità.
Questa tecnologia trova la sua migliore applicazione in:
- Prove dinamiche sul circuito di controllo di posizione e forza, fino a 35 Hz, con accelerazioni fino a 4 G
- Prove statiche sul circuito di controllo della posizione
- Prove statiche sul circuito di controllo della forza (prove di scorrimento)
Attualmente la gamma di attuatori elettromeccanici copre un ampio intervallo di forze: da <1 kN a oltre 200 kN di forza dinamica. Questi valori consentono di sostituire il 95% delle applicazioni idrauliche mondiali nel campo delle prove.
Serie UD
Attuatori elettrodinamici basati su motori lineari ad alta dinamica.
Questa tecnologia è la migliore sul mercato per le seguenti applicazioni:
- Prove dinamiche sul circuito di controllo della posizione e della forza, con una frequenza di prova superiore a 250 Hz, e accelerazioni pari a >90 G
- Prove ad alta velocità di deformazione
- Riproduzione in laboratorio dell’acquisizione di curve temporali ad alta dinamica
Il carico dinamico (di fatica) massimo raggiunto dagli attuatori elettrodinamici è di 100 kN. In realtà, la tecnologia dei motori lineari consente di superare tale valore.
Vantaggi operativi dei sistemi elettrici
L’azionamento elettrico presenta un’efficienza molto elevata grazie a due caratteristiche importanti:
Trasmissione diretta
L’energia elettrica trasformata in energia meccanica viene applicata direttamente al dispositivo in prova (DUT), in particolare negli attuatori elettrodinamici (motori lineari). In questi attuatori non è presente alcuna trasmissione meccanica: la forza elettromagnetica viene trasmessa direttamente dal motore lineare all’asta dell’attuatore. Ciò consente di ottenere un’efficienza del sistema molto elevata, solitamente superiore all’85%.
Effetto “KERS” (Sistema di recupero dell’energia cinetica)
Nella prova ciclica, durante la metà del ciclo quando la macchina deve ridurre l’energia di un campione, tale energia viene recuperata e immagazzinata in condensatori, per essere riutilizzata nella fase successiva. Questo effetto diventa molto più rilevante quando la velocità e la frequenza di prova aumentano.
Queste due caratteristiche consentono di risparmiare dal 60% all’80% di energia totale rispetto al sistema di prova idraulico e, in determinate condizioni (frequenza di prova = frequenza naturale del campione), il risparmio supera il 90%.
Risparmio energetico tipico rispetto al sistema idraulico
Risparmio alla frequenza di prova di risonanza
Efficienza della trasmissione diretta (motori lineari)
Dove l’elettrico la fa da padrone
I vantaggi dell’azionamento elettrico riguardano precisione, dinamica, consumo energetico, tempo di funzionamento, costi di esercizio e impatto ambientale. Di seguito è riportata un’analisi completa di ogni aspetto rilevante, corredata, ove disponibile, da dati comparativi reali.
Precisione e ripetibilità
Elettrico
- Preciso su tutto l’intervallo di velocità (0,1 – 4.000 mm/s)
- Controllo di posizione e velocità a circuito chiuso con una ripetibilità inferiore a 1 µm
- Non è influenzato dalle variazioni di temperatura né dall’isteresi meccanica
Idraulico
- È possibile ottenere una buona precisione (ma solo dopo una lunga messa a punto del PID)
- I limiti delle valvole meccaniche riducono la precisione alle velocità estreme
- La temperatura dell’olio, la compressibilità, l’isteresi delle valvole e l’attrito delle guarnizioni influiscono tutti sulla ripetibilità
Prestazioni nelle prove dinamiche
Per le prove di fatica, ciò che conta è il valore RMS del carico applicato, il che significa che un attuatore dinamico può fornire un’ampiezza di picco superiore a quella indicata dai suoi valori nominali statici. Per le prove di urto o di picco, i motori CC senza spazzole sono in grado di sopportare un sovraccarico di corrente momentaneo per generare una forza supplementare per alcuni secondi. Non sono necessari speciali circuiti idraulici di accumulo della pressione.
| Specifiche | Elettrico (ad es. STEP Lab KUD080-L2) | Idraulico (COMPETITOR) |
|---|---|---|
| Corsa | 300 mm / 12 in | 250 mm / 10 in |
| Performance di picco | 41 kN @ 5.0 m/s | 33.5 kN @ 3.5 m/s (180 gpm HPU) |
| HPU obbligatorio | Non necessario | 525,600 unit (1,960 l) |
| Tempo di funzionamento (tipico) | 95% (+876 hours/year) | 85% |
Consumo energetico ed efficienza operativa
Il passaggio dall’azionamento idraulico a quello elettrico rappresenta un cambiamento epocale nella gestione energetica e nella riduzione dei costi. A differenza delle centraline idrauliche, che devono funzionare continuamente a piena pressione indipendentemente dalla richiesta, gli attuatori elettrici consumano energia solo durante il movimento. Inoltre, utilizzano condensatori integrati per il recupero dell’energia cinetica (KERS), catturando l’energia durante la decelerazione e reimmettendola nel sistema. Una ricerca indipendente condotta dall’Università di Scienze Applicate di Ostfalia conferma che i sistemi elettrici possono essere fino a 6 volte più efficienti rispetto alle configurazioni idrauliche tradizionali.
Analisi comparativa dei costi (per 1.000 ore di funzionamento)
| Parametri | Elettrico (e.g. STEP Lab KUD080-L2) | Idraulico (Competitor) |
|---|---|---|
| Assorbimento di potenza | 85 kW | 270 kW |
| Consumo energetico | 85 MWh | 270 MWh |
| Costo di gestione annuale* | $ 53.800 | $ 170.880 |
*In base a un costo energetico di 85 $/MWh.
Risparmio annuo grazie al passaggio all’elettrico
Costi di manutenzione
I sistemi idraulici richiedono una manutenzione regolare dei fluidi e delle guarnizioni. Gli attuatori elettrici richiedono solo una lubrificazione periodica delle guide lineari; per il resto, la manutenzione è ridotta a zero.
| Articolo | Elettrico (all’anno) | Idraulico (all’anno) |
|---|---|---|
| Olio | $0 | $2,500 |
| Filtri | $0 | $750 |
| Tubi e guarnizioni | $0 | $3,000 |
| Chiller | $500 | $500 |
| Totale | $500 | $6750 |
Sicurezza, ambiente e rumore
Elettrico
- Nessuna perdita d’olio, nessun rischio di incendio dovuto al fluido idraulico
- Assenza di vapori d’olio, compatibile con le camere bianche
- Nessun costo di smaltimento degli oli usati
- Rumore dell’attuatore: ~55 dB a riposo, ~68 dB in funzione
- Non è necessaria alcuna protezione acustica né insonorizzazione
Idraulico
- Le perdite d’olio richiedono una pulizia regolare del pavimento
- I vapori di petrolio inquinano l’aria e l’ambiente
- Smaltimento regolamentato e costoso degli oli usati
- Rumore dell’HPU: ~72 dB (spesso è necessario indossare protezioni acustiche)
- Potrebbe essere necessaria un’infrastruttura speciale per l’isolamento acustico
Conclusioni
Il passaggio dai test idraulici a quelli elettrici non è una prospettiva futura, ma una transizione già in atto. La tecnologia è ormai matura, l’applicazione è molto diffusa e il costo totale di proprietà favorisce sempre più i sistemi elettrici sotto diversi aspetti: precisione, consumo energetico, manutenzione e impatto ambientale.
Grazie alle architetture completamente elettriche, i sistemi di STEP Lab garantiscono un funzionamento più pulito, una maggiore precisione e costi di ciclo di vita inferiori rispetto alle alternative idrauliche.
Se state cercando una macchina di prova completamente elettrica, STEP Lab offre una delle soluzioni più avanzate e affidabili disponibili sul mercato.
| Caratteristiche | Elettrico | Idraulico |
|---|---|---|
| Precisione | Precisione a tutte le velocità; controllo a circuito chiuso di posizione e velocità | Funziona bene dopo una lunga messa a punto del PID; presenta difficoltà a velocità molto elevate o molto basse |
| Intervallo di forza | Intervallo <1 kN – 200 kN; copre il 95% dei casi d'uso | da 1 kN a 2.000 kN; preferibilmente oltre i 200 kN |
| Prove dinamiche | Fino a oltre 250 Hz; possibilità di sovraccarico di picco tramite aumento della corrente del motore | Funziona, ma è limitato dalla risposta meccanica della valvola |
| Consumo energetico | 60–80% in meno; recupero di energia KERS durante le prove cicliche | Funzionamento continuo a piena potenza indipendentemente dal fabbisogno effettivo |
| Installazione | Plug and play (solo collegamento elettrico) | Configurazione complessa; richiede un impianto idraulico |
| Manutenzione | Minima (solo lubrificazione periodica delle guide lineari) | Cambi regolari dell’olio, sostituzione delle guarnizioni, gestione delle perdite |
| Inquinamento atmosferico e ambientale | Zero (compatibile con le camere bianche) | Vapori di olio, perdite, smaltimento costoso degli oli usati |
| Rumore di funzionamento | Di solito inferiore a 60 dB | Elevato (potrebbe essere necessario indossare protezioni acustiche o adottare misure di insonorizzazione) |
FAQ
Gli attuatori elettrici possono sostituire completamente quelli idraulici?
Qual è la differenza tra attuatori elettromeccanici ed elettrodinamici?
Quanta energia consentono di risparmiare realmente gli attuatori elettrici?
In genere tra il 60% e l’80% rispetto a un sistema idraulico equivalente. Ciò è reso possibile da due meccanismi: la trasmissione diretta (senza perdite meccaniche) e un sistema di recupero dell’energia cinetica (KERS) che cattura e immagazzina l’energia durante la fase di decelerazione delle prove cicliche. In condizioni di prova risonanti, il risparmio può superare il 90%.
Gli attuatori elettrici sono adatti agli ambienti delle camere bianche?
Quanto è complessa l’installazione rispetto a un sistema idraulico?
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