Guida lineare a bassa permeabilità magnetica HSR M3 per campi magnetici intensi
I rapidi sviluppi tecnologici degli ultimi anni hanno favorito la diffusione di nuove applicazioni che utilizzano campi magnetici in numerosi settori industriali, dalle apparecchiature medicali come i sistemi di risonanza magnetica (MRI) fino alle attrezzature per l’industria dei semiconduttori, come i sistemi di litografia a fascio di elettroni. In questo articolo analizziamo i requisiti prestazionali dei componenti per il movimento lineare impiegati in ambienti con campi magnetici e presentiamo una guida lineare a bassa permeabilità magnetica, idonea per tali applicazioni.
Immagine 1 – Campo magnetico
Metalli e campi magnetici
Un campo magnetico è una regione dello spazio in cui agiscono forze magnetiche generate da correnti elettriche o da materiali permanentemente magnetizzati. Il campo può essere rappresentato mediante linee di forza che ne indicano direzione e intensità. Alcuni materiali, come ferro, nichel, cobalto e le relative leghe, reagiscono in modo significativo ai campi magnetici. Se esposti a un campo magnetico esterno, i loro domini magnetici tendono ad allinearsi, inducendo nel materiale stesso un momento magnetico. Questo comportamento è noto come ferromagnetismo. Il ferro è uno dei materiali ferromagnetici più noti.
Immagine 2 – A sinistra materiale non magnetico, a destra materiale ferromagnetico
Tecnologie che utilizzano campi magnetici
Il ferro è un materiale economico, facilmente lavorabile e largamente utilizzato in innumerevoli applicazioni quotidiane. Costituisce la base di molte tecnologie moderne ampiamente diffuse. Tuttavia, esistono ambiti in cui l’impiego di materiali ferromagnetici come il ferro risulta tecnicamente inadeguato o addirittura impossibile.
Tecnologia medicale: sistemi MRI (Risonanza Magnetica)
I sistemi di risonanza magnetica utilizzati in ambito clinico rappresentano un esempio emblematico di applicazione dei campi magnetici. Durante una scansione MRI, il sistema genera un campo magnetico molto intenso per produrre immagini dettagliate dell’interno del corpo umano. Poiché lo scanner MRI è essenzialmente un magnete di grandi dimensioni e di elevata potenza, esso attrae con forza pericolosa gli oggetti realizzati in materiali ferromagnetici, come il ferro. Per questo motivo, i pazienti devono rimuovere tutti gli oggetti metallici prima dell’esame e, in alcuni casi, l’esame non è consentito a pazienti portatori di pacemaker. Analogamente, tutte le apparecchiature installate in prossimità di uno scanner MRI devono essere realizzate con materiali insensibili ai campi magnetici intensi.
Immagine 3 – Scanner per risonanza magnetica
Industria dei semiconduttori: litografia a fascio di elettroni
I materiali ferromagnetici risultano inadeguati anche nei sistemi di litografia a fascio di elettroni, utilizzati nella produzione di semiconduttori. Come suggerisce il nome, questi impianti sfruttano un fascio di elettroni per la realizzazione di circuiti elettronici. Con le tecnologie attuali è possibile ottenere strutture con larghezze di linea fino a 2 nm (due milionesimi di millimetro). Tuttavia, anche minime interferenze magnetiche nell’ambiente circostante possono deviare il fascio di elettroni, compromettendo la precisione della scrittura del pattern. Di conseguenza, tali sistemi richiedono componenti realizzati con materiali completamente privi di magnetismo o caratterizzati da una permeabilità magnetica estremamente bassa.
Immagine 4 – Circuito stampato (PCB)
Requisiti dei componenti meccanici in presenza di campi magnetici
La permeabilità magnetica relativa è il parametro che indica quanto un materiale sia influenzato da un campo magnetico esterno. Essa è definita come il rapporto tra la permeabilità magnetica del materiale e quella del vuoto. Quanto più il valore è prossimo a 1, tanto minore è l’influenza del campo magnetico sul materiale.
I materiali a base di ferro comunemente utilizzati nella costruzione di componenti meccanici presentano valori di permeabilità magnetica relativa compresi approssimativamente tra 50 e 5.000. A seconda del tipo di macchina, per i componenti metallici risultano indispensabili materiali con permeabilità magnetica relativa estremamente bassa. Tra le applicazioni tipiche rientrano i sistemi MRI, gli impianti di litografia per l’industria dei semiconduttori e apparecchiature analoghe.
Tuttavia, una bassa permeabilità magnetica da sola non è sufficiente. I componenti meccanici metallici richiedono normalmente una durezza superficiale dell’ordine di HRC 60. I materiali a bassa permeabilità magnetica, come ad esempio l’acciaio inox SUS316, presentano invece valori di durezza nettamente inferiori, tipicamente intorno a HRC 30. Di conseguenza, tali materiali non garantiscono la resistenza all’usura necessaria per componenti meccanici soggetti a carichi, limitandone prestazioni e durata operativa. Con i materiali convenzionali si rende quindi inevitabile un compromesso tra bassa permeabilità magnetica ed elevata durezza superficiale.
Come è possibile, allora, ottenere bassa permeabilità magnetica ed elevata durezza superficiale in componenti meccanici realizzati prevalentemente con materiali ferromagnetici come il ferro?
La guida lineare HSR M3 a bassa permeabilità magnetica e alta durezza
Immagine 5 – Guida lineare HSR M3 per applicazioni in campi magnetici intensi
THK ha sviluppato la guida lineare HSR M3 a bassa permeabilità magnetica, progettata per resistere agli effetti di campi magnetici intensi e quindi idonea per l’impiego in risonanza magnetica, apparecchiature per la produzione di semiconduttori e altre installazioni. Il principale vantaggio della HSR M3 è rappresentato dalla permeabilità magnetica estremamente ridotta, con un valore relativo pari a 1,02, ottenuto grazie a un materiale appositamente selezionato. Poiché sia la guida sia il carrello sono realizzati con questo materiale, la guida lineare è in grado di garantire prestazioni elevate anche sotto l’influenza di campi magnetici intensi, rendendo tali effetti trascurabili nel funzionamento pratico.
Oltre alla bassa permeabilità magnetica, il materiale impiegato nella HSR M3 presenta anche una durezza superficiale pari a HRC 40, superiore a quella della maggior parte dei materiali a bassa permeabilità magnetica. Ciò consente capacità di carico più elevata e una maggiore flessibilità progettuale, permettendo di posizionare i punti di applicazione del carico a distanze maggiori dal sistema di guida.
Immagine 6 – Confronto tra durezza HRC e permeabilità magnetica relativa dei materiali
Integrazione e disponibilità
La guida lineare a bassa permeabilità magnetica HSR M3 fa parte della serie HSR, una famiglia di prodotti con una lunga storia di successo in un’ampia varietà di macchine e applicazioni, e riconosciuta come riferimento globale nel settore delle guide lineari. Le dimensioni sono conformi agli standard ISO. La guida è inoltre dotata di funzione autoallineante, in grado di compensare errori di montaggio, e offre capacità di carico identiche nelle quattro direzioni pri.ncipali, consentendo diverse configurazioni di installazione. Queste caratteristiche permettono l’integrazione in sistemi esistenti senza la necessità di modifiche progettuali rilevanti.
In passato, le guide lineari a bassa permeabilità magnetica erano disponibili esclusivamente come soluzioni su misura. Oggi, il modello HSR M3 è invece parte della gamma standard, nelle taglie da 15 a 25, con carichi dinamici nominali compresi tra 2,3 e 7,4 kN.
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