Introducción a la tecnología por vacío

¿Qué significa el concepto vacío?

La palabra vacío proviene del latín para “espacio vacío”, pero en el mundo real no existe tal cosa. Incluso el vacío del espacio contiene pequeñas cantidades de materia y un vacío perfecto solo existe en teoría. Para todos los propósitos prácticos, un vacío es el estado de un volumen de espacio con una presión negativa significativa en comparación con la atmósfera. Un vacío artificial se crea eliminando materia, normalmente moléculas de aire, de un espacio limitado.

¿Qué significa vacío bajo, medio o alto?

En un sistema de vacío, menos es más. Dado que un vacío se crea minimizando la cantidad de moléculas de aire en un entorno cerrado, menos moléculas significa un mayor grado de vacío. A medida que se elimina el aire, se logra una cantidad de presión negativa en relación con la proporción de moléculas eliminadas. Dependiendo de los requisitos de una aplicación específica, los métodos utilizados para crear un vacío varían mucho.

Según se mide en presión de mbar, los diferentes tipos de niveles de vacío se dividen en los siguientes rangos:

• Vacío grueso (o bajo) – Presión atmosférica hasta 1 mbar. Utilizado en numerosas aplicaciones, incluida la tecnología de manipulación industrial. En este rango, el nivel de vacío a menudo se expresa como un porcentaje, por ejemplo, 80% de vacío.
• Vacío medio (o fino) – 1 a 10-3 (0.001) mbar. Usado en, por ejemplo, liofilización de alimentos, desgasificación de acero, producción de bombillas.
• Vacío alto (HV) – 10-3 a 10-8 mbar. Usado en, por ejemplo, fabricación de tubos electrónicos, fundición de metales.
• Vacío ultra alto (UHV) – 10-8 a 10-11 mbar. Usado en, por ejemplo, recubrimiento de metales, fusión por haz de electrones.

Para alcanzar rangos de presión más altos, la complejidad y el costo energético aumentan exponencialmente. Si bien muchas de las aplicaciones más comunes están en el rango grueso, bastantes procesos de fabricación y usos científicos requieren los rangos más altos. Todos los rangos más allá del rango grueso se vuelven cada vez más difíciles de medir.

Cómo se crea el vacío

El nivel de vacío requerido en diferentes aplicaciones industriales varía mucho, y lo mismo ocurre con el equipo utilizado para generarlo. Sin embargo, siempre se utilizan varios tipos de bombas —en algunos casos trabajando en múltiples etapas— para crear y mantener un sistema de vacío. Algunos ejemplos de diferentes tipos de bombas de vacío:

• Bombas criogénicas: Las industrias que trabajan en el rango de vacío ultra alto, como la fabricación de películas ópticas o semiconductores, utilizan bombas criogénicas que “atrapan” moléculas en una superficie extremadamente fría. Las bombas criogénicas también se usan frecuentemente en áreas de investigación científica como aceleradores de partículas y cámaras de simulación espacial.
• Bombas Roots: En la purificación de metales y diferentes tipos de aplicaciones de recubrimiento, se pueden emplear bombas Roots de varias etapas. Estas bombas comprimen el gas entre lóbulos que giran en sentido contrario para alcanzar los rangos de vacío medio o alto.
• Bombas de tornillo: Cuando se liofilizan alimentos, se usan comúnmente bombas de tornillo que utilizan tornillos que giran asimétricamente para acelerar la sublimación durante el proceso de secado.
• Bombas de paletas rotativas: Por último, pero no menos importante, las bombas de paletas rotativas, que utilizan rotores para comprimir y expulsar aire continuamente, son las bombas de vacío más comunes. Las bombas de paletas rotativas se emplean universalmente en los rangos de vacío bajo y medio para, entre otras aplicaciones, tecnología de elevación por vacío.

La Mecánica de la Elevación por Vacío

La tecnología de elevación por vacío opera en el rango de vacío grueso, que puede medirse utilizando manómetros mecánicos en milímetros o pulgadas de mercurio (mmHg o inHg), y/o kilopascales (kPa). Estas unidades siempre son negativas y se indican con un signo menos (-) en el manómetro.

El kilopascal es particularmente útil como aproximación del porcentaje de vacío. Un vacío del 50% es aproximadamente -50kPa en relación con la presión atmosférica. También se utilizan varias unidades y escalas adicionales en las mediciones de vacío, pero la escala de porcentaje es la más útil en el rango grueso, ya que es universalmente comprensible.

Componentes de un Sistema de Vacío

Ventosas y Tubos de Vacío

Un error común sobre las ventosas/pies de succión es pensar que el interior de la ventosa está sujetando la carga y tirando de ella hacia arriba debido al vacío. En realidad, es la mayor presión atmosférica fuera de la ventosa la que ejerce presión hacia abajo, sobre el objeto, produciendo el efecto de sujeción.

Por esta razón, la altura de una ventosa no tiene ningún efecto sobre el nivel de vacío ni sobre su capacidad de elevación. Sin embargo, la cantidad de superficie que entra en contacto con la carga sí importa. Por eso es necesario ajustar la superficie de la ventosa para que coincida con las cargas previstas. Aunque puede ser posible levantar objetos pesados con una ventosa relativamente pequeña, también hay que tener en cuenta las fuerzas de corte cuando se mueven objetos y añadir un margen de seguridad.

Estimación de la Fuerza de Sujeción de una Ventosa

Para estimar el área de succión necesaria para sostener una carga plana y no porosa utilizando un yugo de vacío montado en un polipasto como el Manipulador de Paneles de TAWI, esta es una forma de calcularlo:

La fuerza de sujeción o elevación es aproximadamente 1 kg por 1cm2 al 100% de vacío (2.2 lbs. por 0.155in2). Como ya hemos establecido, no existe un vacío del 100%, pero es un punto de referencia útil.

En el uso real, puede que opere una elevación al 60% de vacío. El 60% de 1 kg es 0.6 kg, lo que significa que podemos levantar 0.6 kg por 1cm2 de área de ventosa (1.32 lbs. por 0.155in2). Luego divida el resultado por un factor de seguridad de 2, que es el valor típico utilizado.

Ejemplo: Una ventosa con un diámetro de 300 mm (11.8″) (706cm2 o 109.4in2) tiene una fuerza de sujeción de 212 kg (467 lbs.) al 60% de vacío y un factor de seguridad de 2.

Estimación de la Capacidad del Tubo de Elevación

Con elevadores que utilizan un polipasto separado para levantar y pies de succión montados en yugo que se adhieren a la carga, una aproximación simplificada del área de contacto de los pies de succión es útil. La situación es diferente cuando tanto la sujeción como la elevación se realizan utilizando tecnología de vacío, como con el Elevador Multifuncional TAWI.

En un sistema de elevación por vacío asistido por tubo, el propio tubo opera a una presión negativa de entre 0–60% debido a la flexibilidad del tubo. Para compensar esto, la fuerza de sujeción siempre debe ser mayor que el área del tubo de elevación. Por lo tanto, siempre nos aseguramos de que el área de la ventosa sea al menos 2.5 veces mayor que el área del tubo.

El resultado es que nunca se soltará la carga antes de bajarla al suelo, y se puede sostener 2.5 veces más de lo que se puede levantar. En otras palabras, el área de la ventosa, aunque sigue siendo importante, es secundaria al área del tubo de elevación en este caso.

Personalización de un Sistema de Vacío

Además de los sistemas independientes como el Recogepedidos Móvil TAWI, los sistemas de elevación por vacío suelen personalizarse en gran medida para satisfacer los requisitos de cada caso de uso individual. Algunos de los factores que determinan la elección de los componentes son:

• Peso, forma y superficie de las piezas.
  Distancia de recorrido para la manipulación.
  Requisitos de rotación o inclinación.
  Velocidad o tiempo de ciclo deseado.

Se puede seleccionar y combinar una amplia variedad de pies/ventosas de succión, yugos, grúas y rieles para una aplicación específica para garantizar un despliegue y utilización óptimos.

Por ejemplo, las cajas sólidas pueden levantarse utilizando un elevador asistido por tubo como nuestro Elevador Multifuncional, con un mango y ventosa de tamaño adecuado. Si las cargas tienen una superficie porosa o irregular, como es común con las bolsas, se puede añadir una falda de goma alrededor de las ventosas para maximizar el área de contacto y compensar la fuga de aire con un mayor flujo de la bomba de vacío.

Las láminas pueden requerir yugos personalizados, capacidades de rotación y posiblemente transporte vertical por riel, todo lo cual es adecuado para nuestro Manipulador de Láminas.

Aunque cualquiera de estos sistemas realiza la misma función básica de elevación y manipulación, la configuración y selección de componentes será bastante diferente en cada caso de uso.

Mangueras, Conectores y Filtros

Para completar el sistema de vacío, debe conectar mangueras adaptadas para vacío utilizando abrazaderas, anillos de sellado y uniones roscadas. Asegurarse de que todas estas piezas estén perfectamente ajustadas y selladas es esencial para garantizar la operación segura de cualquier sistema presurizado. Estos componentes deben adaptarse al sistema individual, prestando especial atención a tolerancias y durabilidad.

También se utilizan uno o más filtros para proteger la bomba de vacío del polvo y otros contaminantes que podrían acortar su vida útil o provocar fallos operativos.

Bombas de Vacío

Las bombas de vacío utilizadas en los sistemas de elevación por vacío normalmente son bombas de desplazamiento de gas, también conocidas como bombas de transferencia de gas. El principio básico de una bomba de desplazamiento es aspirar aire en un volumen en expansión a través de una válvula de entrada, comprimirlo en un volumen más pequeño y luego expulsar el aire comprimido de nuevo a la atmósfera.

El principio de funcionamiento de todas las bombas de desplazamiento es el mismo, pero el tipo utilizado en los sistemas de elevación por vacío suele ser de paletas rotativas de funcionamiento en seco (sin aceite). Como su nombre indica, estas bombas utilizan un rotor interno con múltiples paletas que aspiran, comprimen y expulsan el aire de forma continua.

Este tipo de bomba tiene varias ventajas. Es compacta, requiere poco mantenimiento en comparación con otras variedades y puede funcionar a una tasa de succión constante.

Ventajas de los Sistemas de Elevación por Vacío

Muchos aspectos hacen que la elevación por vacío destaque frente a las alternativas. Algunos de los beneficios más importantes son:

• Aumento de la productividad – La complexión física del operador nunca es un problema. Cualquier persona puede ser entrenada para usar un elevador o manipulador de vacío de forma segura y levantar cargas pesadas sin perder energía. El resultado son flujos de trabajo significativamente más eficientes que no dejan a los empleados exhaustos.
• Salud ergonómica – Debido a que se requiere muy poco esfuerzo en la elevación y manipulación, la tensión física se reduce significativamente junto con el riesgo de lesiones relacionadas con el trabajo. Además de mantener al personal más sano y feliz, esto también debería conducir a menos días de baja que de otro modo afectarían la productividad.
• Flexibilidad de la fuerza laboral – Dado que cualquiera puede levantar, las empresas tienen mucha mayor flexibilidad en términos de contratación y rotación de empleados. Los flujos de trabajo eficientes también son menos intensivos en mano de obra, lo que permite una fuerza laboral más pequeña.
• Previene daños – En comparación con varios tipos de elevación mecánica, la elevación por vacío generalmente reduce el riesgo de daños a los materiales, como arañazos o deformaciones.
• Seguridad – Los sistemas de elevación por vacío son intrínsecamente seguros por varias razones. Una es que la elevación no puede iniciarse si el sistema de vacío falla. Y en caso de problemas críticos como un corte de energía, las válvulas de seguridad garantizarán que la carga no se suelte inmediatamente.

Si tiene preguntas adicionales sobre cómo funcionan nuestros sistemas de elevación por vacío y de qué maneras pueden adaptarse a sus necesidades y flujos de trabajo específicos, no dude en contactarnos para una consulta gratuita.