Low-Magnetic Permeability Linear Guide HSR-M3 for Strong Magnetic Fields
Les rapides progrès technologiques de ces dernières années ont favorisé l'émergence de nouvelles applications exploitant les champs magnétiques dans de nombreux secteurs, allant des dispositifs médicaux tels que les machines d'IRM aux équipements liés aux semi-conducteurs comme les systèmes de lithographie par faisceau d'électrons. Cet article examine les exigences de performance des composants de mouvement linéaire utilisés dans des champs magnétiques, et présente un guidage linéaire à faible perméabilité magnétique, adapté à ces environnements.
Image 1 : Champ magnétique
Métaux et champs magnétiques
Un champ magnétique est un espace où s'exercent des forces magnétiques, provoquées par des courants électriques ou des matériaux magnétisés de façon permanente. Il peut être décrit par des lignes de champ qui indiquent sa direction et son intensité. Certains matériaux, comme le fer, le nickel, le cobalt et leurs alliages, réagissent fortement aux champs magnétiques. Sous l'effet d'un champ magnétique externe, leurs champs magnétiques peuvent s'aligner, conférant ainsi au matériau un moment magnétique. Ce phénomène est appelé « ferromagnétisme ». Le fer est l'un des matériaux ferromagnétiques les plus connus.
Image 2 : Matériau non magnétique à gauche - Matériau ferromagnétique à droite
Technologies d'utilisation des champs magnétiques
Le fer est peu coûteux, facile à travailler et omniprésent dans la vie quotidienne. Il est à la base de nombreuses technologies modernes qui offrent un grand confort d'utilisation. Cependant, il existe des domaines où les matériaux ferromagnétiques comme le fer sont fondamentalement inadaptés.
Technologie médicale : Systèmes d'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique)
Les appareils à IRM, utilisés en milieu clinique, sont des exemples bien connus d'application à champs magnétiques. Lors d'un examen d’IRM, le système génère un champ magnétique puissant permettant de produire des images détaillées de l'intérieur du corps. Un appareil à IRM étant essentiellement un aimant de grande taille et de forte puissance, il pourrait attirer avec une force dangereuse les objets en matériaux ferromagnétiques, comme le fer. C'est pourquoi les patients doivent retirer tout objet métallique avant l'examen, et les examens peuvent être impossibles chez les patients porteurs d'un stimulateur cardiaque. De même, les équipements utilisés à proximité d'un appareil d'IRM doivent être fabriqués à partir de matériaux insensibles aux puissants champs magnétiques.
Image 3 : Scanner IRM
Industrie des semi-conducteurs : lithographie par faisceau d'électrons
Les matériaux ferromagnétiques ne conviennent pas non plus à la lithographie par faisceau d'électrons, une technologie utilisée dans la fabrication des semi-conducteurs. Comme son nom l'indique, ce procédé utilise un faisceau d'électrons pour créer des circuits électroniques. La technologie actuelle permet de réaliser des structures dont la largeur des lignes atteint les 2 nm (deux millionièmes de millimètre). Cependant, même les plus infimes influences magnétiques de l'environnement peuvent faire dévier le faisceau d'électrons, et ainsi compromettre la précision de l'imagerie du motif du circuit souhaité. Par conséquent, ces systèmes nécessitent des composants fabriqués à partir de matériaux totalement amagnétiques, ou ne générant que des champs magnétiques extrêmement faibles.
Image 4 : Circuit imprimé
Exigences relatives aux composants des machines dans des champs magnétiques
La perméabilité magnétique relative définit le paramètre qui indique l'influence d'un champ magnétique sur un matériau. Elle est définie comme le rapport entre la perméabilité magnétique du matériau et celle du vide. Plus cette valeur est proche de 1, moins le matériau est affecté par un champ magnétique. Les matériaux à base de fer, couramment utilisés pour les composants de machines, ont une perméabilité magnétique relative comprise entre 50 et 5 000 environ.
Selon le type de machine, des matériaux à très faible perméabilité magnétique relative sont indispensables pour les composants métalliques. C'est le cas notamment des scanners IRM, des systèmes de lithographie pour l'industrie des semi-conducteurs et d'équipements similaires.
Cependant, une faible perméabilité magnétique ne suffit pas à elle seule. Par exemple, les composants métalliques de machines nécessitent généralement une dureté de surface d'environ 60 HRC. Les matériaux à faible perméabilité magnétique, tels que l'acier inoxydable SUS316, présentent généralement une dureté de surface bien inférieure, d'environ 30 HRC seulement. De ce fait, ces matériaux n'offrent pas la dureté requise pour les composants de machines et limiteraient leurs performances et leur durée de vie. Avec les matériaux conventionnels, il en résulte inévitablement un compromis entre faible perméabilité magnétique et dureté élevée.
Comment alors parvenir à une faible perméabilité magnétique et à une dureté de surface élevée sur des composants de machines principalement constitués d'un matériau ferromagnétique, tel que le fer?
Le guidage linéaire HSR-M3 à faible perméabilité magnétique et à dureté de surface élevée
Image 5 : Le guidage linéaire HSR-M3 pour les applications avec de forts champs magnétiques
THK a développé la gamme de guidage linéaire HSR-M3 avec une faible perméabilité magnétique. Ce guidage résiste aux champs magnétiques intenses et convient donc aux appareils d'IRM, aux équipements de fabrication de semi-conducteurs et à d'autres installations. Son principal atout réside dans sa perméabilité magnétique extrêmement faible, atteignant une valeur de seulement 1,02 grâce à un matériau spécialement sélectionné. Le rail de guidage et le patin étant tous deux fabriqués dans ce matériau, ce guidage linéaire offre des performances optimales, même sous l'influence de champs magnétiques intenses, rendant ces influences négligeables en pratique.
Outre sa faible perméabilité magnétique, le matériau utilisé dans le HSR-M3 présente également une dureté de surface élevée de HRC 40, supérieure à celle de la plupart des autres matériaux à faible perméabilité magnétique. Il en résulte des capacités de charge supérieures et une plus grande flexibilité de conception, les points d’application des efforts pouvant être positionnés plus loin du centre des guidages.
Image 6 : Dureté HRC et perméabilité magnétique relative de différents matériaux
Le guidage linéaire à faible perméabilité magnétique HSR-M3 fait partie de la série HSR, ce qui fait qu’il bénéficie d'une longue expérience et d'une grande fiabilité dans une large gamme de machines, et est devenu la référence mondiale en matière de guidages linéaires. Ses dimensions sont conformes aux normes ISO. Il intègre également une fonction d'auto-alignement qui compense les erreurs de montage, ainsi que des capacités de charge égales dans toutes les directions principales, permettant différentes orientations d'installation. L'ensemble de ces caractéristiques permet une intégration simplifiée dans les systèmes existants, sans nécessiter de modifications majeures de conception.
Auparavant, les guidages linéaires à faible perméabilité magnétique n'étaient disponibles que sous forme de solutions sur mesure. Aujourd’hui, le modèle HSR-M3 fait partie de la gamme de produits standard THK, avec des tailles de guidage de 15 à 25 et des capacités de charge dynamique de 2,3 à 7,4 kN.
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