Linearführung mit geringer magnetischer Permeabilität für starke Magnetfelder
Die rasante technologische Entwicklung der vergangenen Jahre hat die Entstehung neuer Anwendungen mit Magnetfeldern in einer Vielzahl von Branchen vorangetrieben – von medizinischen Geräten wie MRT-Systemen bis hin zu halbleiterbezogener Ausrüstung wie Elektronenstrahllithografie-Systemen. In diesem Artikel betrachten wir die Leistungsanforderungen an Linearführungskomponenten, die innerhalb von Magnetfeldern eingesetzt werden, und stellen eine Linearführung mit geringer magnetischer Permeabilität vor, die sich für solche Umgebungen eignet.
Abb. 1 Magnetisches Feld
Metalle und magnetische Felder
Das Magnetfeld ist ein Raum, in dem von elektrischen Strömen oder permanent magnetisierten Materialien magnetische Kräfte ausgeübt werden. Es lässt sich durch Feldlinien beschreiben, die Richtung und Stärke des Feldes angeben. Bestimmte Materialien wie Eisen, Nickel, Kobalt und entsprechende Legierungen reagieren stark auf Magnetfelder. Durch ein äußeres Magnetfeld können sich ihre magnetischen Domänen ausrichten, sodass das Material selbst ein magnetisches Moment ausbildet. Dieses Verhalten bezeichnet man als Ferromagnetismus. Eisen ist eines der bekanntesten ferromagnetischen Materialien.
Abb. 2 Links nicht-magnetisches Material und rechts ferromagnetisches Material
Technologien zur Nutzung von Magnetfeldern
Eisen ist kostengünstig, leicht zu verarbeiten und findet sich in unzähligen Anwendungen im Alltag. Es ist Basis vieler moderner Technologien mit hohem Komfortnutzen. Dennoch gibt es Bereiche, in denen ferromagnetische Materialien wie Eisen grundsätzlich nicht eingesetzt werden können.
Medizintechnik: MRT-Geräte (Magnetresonanztomographie)
MRT-Geräte, wie sie in klinischen Umgebungen eingesetzt werden, sind ein bekanntes Beispiel für die Nutzung von Magnetfeldern. Während einer MRT-Untersuchung erzeugt das Gerät ein starkes Magnetfeld, mit dem detaillierte Bilder des Körperinneren erstellt werden. Da ein MRT im Wesentlichen ein großer, leistungsstarker Magnet ist, würde er Gegenstände aus ferromagnetischen Materialien wie Eisen mit gefährlicher Kraft anziehen. Aus diesem Grund müssen Patienten vor der Untersuchung alle metallischen Gegenstände ablegen, und Untersuchungen bei Patienten mit Herzschrittmachern sind ggfs. nicht möglich. Ebenso muss die in der Nähe eines MRT-Geräts verwendete Ausrüstung aus Materialien bestehen, die gegenüber starken Magnetfeldern unempfindlich sind.
Abb. 3 MRT-Gerät
Halbleiterindustrie: Elektronenstrahllithographie
Ferromagnetische Materialien eignen sind auch nicht für die Elektronenstrahllithographie, einer in der Halbleitertechnik eingesetzten Technologie. Wie der Name sagt, verwenden diese Systeme einen Elektronenstrahl, um elektronische Schaltkreise zu erzeugen. Mit heutiger Technologie lassen sich damit Strukturen mit Linienbreiten von bis zu 2 nm (2 Millionstel Millimeter) herstellen. Schon geringste magnetische Einflüsse in der Umgebung können jedoch den Elektronenstrahl ablenken und so die präzise Abbildung des gewünschten Schaltkreises beeinträchtigen. Daher benötigen solche Systeme Komponenten aus Materialien, die entweder keinerlei Magnetismus aufweisen oder nur ein sehr schwaches Magnetfeld erzeugen.
Abb. 4 Leiterplatte
Anforderungen an Maschinenkomponenten in Magnetfeldern
Die relative magnetische Permeabilität definiert die Kenngröße, wie stark ein Material von einem Magnetfeld beeinflusst wird. Sie wird als Verhältnis der magnetischen Permeabilität eines Materials zur magnetischen Permeabilität des Vakuums definiert. Je näher dieser Wert bei 1 liegt, desto geringer ist die Beeinflussung des Materials durch ein Magnetfeld. Die für Maschinenbauteile üblichen Eisenwerkstoffe besitzen eine relative magnetische Permeabilität zwischen etwa 50 - 5.000.
Je nach Maschinentyp sind Werkstoffe mit sehr niedriger relativer magnetischer Permeabilität für die metallischen Komponenten unverzichtbar. Dazu gehören eben MRT-Geräte, Lithographiesysteme für die Halbleiterindustrie oder ähnlichen Anlagen.
Eine niedrige magnetische Permeabilität allein reicht jedoch nicht aus. Beispielsweise gilt für metallische Maschinenkomponenten üblicherweise eine Oberflächenhärte von etwa HRC 60 als angemessen. Werkstoffe mit niedriger Magnetpermeabilität wie SUS316 weisen jedoch meist eine geringe Oberflächenhärte von nur etwa HRC 30 auf. Solche Materialien bieten daher nicht die erforderliche Härte für Maschinenbauteile und würden sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Lebensdauer der Komponenten einschränken. Bei herkömmlichen Materialien ergibt sich somit zwangsläufig ein Zielkonflikt zwischen niedriger magnetischer Permeabilität und hoher Oberflächenhärte.
Wie lässt sich also beides – geringe magnetische Permeabilität und hohe Oberflächenhärte – in Maschinenkomponenten realisieren, die überwiegend aus einem ferromagnetischen Werkstoff wie Eisen bestehen?
Die Linearführung HSR-M3 mit geringer magnetischer Permeabilität
Abb. 5 Die Linearführung HSR-M3 mit geringer magnetischer Permeabilität
THK hat die Linearführung HSR-M3 mit geringer magnetischer Permeabilität entwickelt, damit sie den Auswirkungen starker Magnetfelder widerstehen kann und sich somit für den Einsatz in MRT-Geräten, Halbleiter-Produktionsanlagen und anderen Vorrichtungen eignet. Ihr größter Vorteil ist ihre sehr niedrige magnetische Permeabilität, die dank des speziell verwendeten Materials eine relative magnetische Permeabilität von nur 1,02 aufweist. Mit einer Führungsschiene und einem Wagen aus diesem Material kann die Linearführung auch unter Einfluss starker Magnetfelder ihre maximale Leistung erbringen, sodass diese Einflüsse im praktischen Betrieb keine Rolle mehr spielen.
Neben der geringen magnetischen Permeabilität besitzt das bei der HSR-M3 verwendete Material auch eine im Vergleich zu den meisten anderen Materialien mit geringer magnetischer Permeabilität eine hohe Oberflächenhärte mit HRC40. Dadurch ergeben sich höhere Tragzahlen und mehr Konstruktionsfreiheit, da sich Lastschwerpunkte weiter vom Führungssystem entfernen lassen.
Abb. 6 HRC-Härte und relative magnetische Permeabilität von Materialien
Die Linearführung HSR-M3 mit geringer magnetischer Permeabilität ist Teil der Modellreihe HSR, die selbst eine lange Erfolgsgeschichte in unterschiedlichsten Maschinen vorweisen kann und weltweit den Standard für Linearführungen gesetzt hat. Zudem entsprechen die Abmessungen der ISO-Norm. Dazu verfügt sie ebenfalls über eine Selbstjustierungsfunktion, die Montagefehler ausgleicht, sowie über gleiche Tragzahlen in allen Hauptrichtungen, die unterschiedliche Einbaulagen ermöglicht. Dies zusammen ermöglicht die Integration in bestehende Anlagen, ohne dass größere konstruktive Änderungen erforderlich sind.
Früher standen Linearführungen mit geringer magnetischer Permeabilität ausschließlich als Sonderanfertigungen zur Verfügung. Heute jedoch ist das Modell HSR-M3 mit den Baugrößen 15 – 25 und dynamischen Tragzahlen von 2,3 – 7,4 kN Teil des Standardprogramms.
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