Un'introduzione alla tecnologia del vuoto

Che cos'è il vuoto?

La parola vuoto deriva dal latino e significa “spazio vuoto”, ma nel mondo reale non esiste. Anche il vuoto dello spazio contiene piccole quantità di materia e il vuoto perfetto esiste solo in teoria. Per tutti gli scopi pratici, il vuoto è lo stato di un volume di spazio con una pressione negativa significativa rispetto all'atmosfera. Un vuoto artificiale viene creato rimuovendo la materia, normalmente molecole d'aria, da uno spazio limitato.

Che cos'è un vuoto basso, medio o alto?

In un sistema a vuoto, meno è meglio. Poiché il vuoto si crea riducendo al minimo la quantità di molecole d'aria in un ambiente chiuso, un numero minore di molecole significa un grado maggiore di vuoto. Quando l'aria viene rimossa, si ottiene una quantità di pressione negativa relativa alla proporzione di molecole rimosse. A seconda dei requisiti di un'applicazione specifica, i metodi utilizzati per creare il vuoto variano molto.

Misurati in mbar di pressione, i diversi tipi di livelli di vuoto sono suddivisi nei seguenti intervalli:

• Vuoto grezzo (o basso) - Pressione atmosferica fino a 1 mbar. Utilizzato in numerose applicazioni, tra cui la tecnologia di movimentazione industriale. In questa gamma, il livello di vuoto è spesso indicato come percentuale, ad esempio 80% di vuoto.
• Vuoto medio (o fine) - da 1 a 10-3 (0,001) mbar. Utilizzato, ad esempio, nella liofilizzazione degli alimenti, nel degasaggio dell'acciaio e nella produzione di lampadine.
• Alto vuoto (HV) - da 10-3 a 10-8 mbar. Utilizzato, ad esempio, nella produzione di tubi elettronici e nella fusione dei metalli.
• Ultra-alto vuoto (UHV) - da 10-8 a 10-11 mbar. Utilizzato, ad esempio, per il rivestimento dei metalli e la fusione a fascio elettronico.

Per raggiungere intervalli di pressione più elevati, la complessità e il costo energetico aumentano in modo esponenziale. Sebbene molte delle applicazioni più comuni rientrino nell'intervallo grezzo, molti processi produttivi e usi scientifici richiedono intervalli più elevati. Tutti gli intervalli oltre il campo grezzo diventano sempre più difficili da misurare.

Come si crea il vuoto

Il livello di vuoto richiesto nelle diverse applicazioni industriali varia molto, e lo stesso vale per le apparecchiature utilizzate per generarlo. Tuttavia, per creare e mantenere un sistema di vuoto sono sempre coinvolte diverse pompe, in alcuni casi operanti in più fasi. Alcuni esempi di diversi tipi di pompe per vuoto:

• Criopompe: Le industrie che lavorano nel vuoto spinto, come la produzione di pellicole ottiche o di semiconduttori, utilizzano pompe criogeniche che “intrappolano” le molecole su una superficie estremamente fredda. Le criopompe sono anche spesso utilizzate in aree di ricerca scientifica come gli acceleratori di particelle e le camere di simulazione spaziale.
• Pompe a radici: Nella purificazione dei metalli e in diversi tipi di applicazioni di rivestimento, possono essere utilizzate pompe a radici multistadio. Queste pompe comprimono il gas tra lobi controrotanti per raggiungere le gamme di medio o alto vuoto.
• Pompe a vite: Nella liofilizzazione degli alimenti, le pompe a vite che utilizzano viti a rotazione asimmetrica sono comunemente utilizzate per accelerare la sublimazione durante il processo di essiccazione.
• Pompe rotative a palette: Infine, le pompe rotative a palette, che utilizzano rotori per comprimere ed espellere continuamente l'aria, sono le pompe per vuoto più comuni. Le pompe rotative a palette sono impiegate universalmente nelle gamme di basso e medio vuoto per, tra le numerose altre applicazioni, la tecnologia di sollevamento del vuoto.

La meccanica del sollevamento a vuoto

La tecnologia di sollevamento del vuoto opera nel campo del vuoto grezzo, che può essere misurato con manometri meccanici in millimetri o pollici di mercurio (mmHg o inHg), e/o kilopascal (kPa). Queste unità sono sempre negative e sono indicate con un segno meno (-) sul manometro.

Il kilopascal è particolarmente utile come approssimazione della percentuale di vuoto. Il 50% di vuoto corrisponde a circa -50kPa rispetto alla pressione atmosferica. Nelle misurazioni del vuoto si utilizzano anche diverse unità e scale aggiuntive, ma la scala percentuale è la più utile nel campo approssimativo, poiché è universalmente comprensibile.

Componenti del sistema del vuoto

Ventose e tubi per il vuoto

Un'idea sbagliata comune sulle ventose/piedi è che l'interno della ventosa afferri il carico e lo tiri verso l'alto grazie al vuoto. In realtà, è la pressione atmosferica più elevata all'esterno della ventosa a esercitare una pressione verso il basso, in direzione dell'oggetto, che produce l'effetto di serraggio.

Per questo motivo, l'altezza di una ventosa non ha alcun effetto sul livello di vuoto o sulla sua capacità di sollevamento. Tuttavia, la quantità di superficie che entra in contatto con il carico è importante. Per questo motivo è necessario regolare la superficie della ventosa in base ai carichi previsti. Sebbene sia possibile sollevare oggetti pesanti con una ventosa relativamente piccola, è necessario tenere conto delle forze di taglio quando gli oggetti vengono spostati e aggiungere un margine di sicurezza.

Stima della forza di tenuta della ventosa

Per stimare l'area di aspirazione necessaria a trattenere un carico piatto e non poroso utilizzando una forcella per il vuoto montata su un paranco, come la pinza per pannelli TAWI, si può fare questo calcolo:

La forza di tenuta o di sollevamento è di circa 1 kg per 1cm2 al 100% di vuoto (2,2 libbre per 0,155in2). Come abbiamo già stabilito, non esiste il vuoto al 100%, ma è un utile punto di riferimento.

Nell'uso reale, si potrebbe utilizzare un sollevatore al 60% di vuoto. Il 60% di 1 kg è 0,6 kg, il che significa che possiamo sollevare 0,6 kg per 1 cm2 di area della ventosa (1,32 libbre per 0,155in2). Dividere quindi il risultato per un fattore di sicurezza di 2, che si usa di solito.

Esempio: Una ventosa con un diametro di 300 mm (11,8″) (706cm2 o 109,4in2) ha una forza di tenuta di 212 kg (467 libbre) al 60% di vuoto e un fattore di sicurezza pari a 2.

Stima della capacità del tubo di sollevamento

Con i sollevatori che utilizzano un paranco separato per il sollevamento e piedi di aspirazione montati su giogo che si attaccano al carico, è utile un'approssimazione semplificata dell'area di contatto dei piedi di aspirazione. La situazione è diversa quando sia la presa che il sollevamento vengono effettuati con la tecnologia del vuoto, come nel caso del sollevatore multifunzionale TAWI.

In un sistema di sollevamento a vuoto assistito da un tubo, il tubo stesso opera a una pressione negativa compresa tra 0 e 60% a causa della sua flessibilità. Per compensare questa situazione, la forza di tenuta deve sempre essere maggiore dell'area del tubo di sollevamento. Pertanto, ci assicuriamo sempre che l'area della ventosa sia almeno 2,5 volte più grande dell'area del tubo.

Il risultato è che si garantisce che il carico non cada mai prima di essere abbassato a terra e che si riesca a trattenere 2,5 volte la quantità che si riesce a sollevare. In altre parole, in questo caso l'area della ventosa, pur essendo importante, è secondaria rispetto all'area del tubo di sollevamento.

Castomizzazione di un sistema di vuoto

A parte i sistemi autonomi come il TAWI Mobile Order Picker, i sistemi di sollevamento a vuoto vengono spesso personalizzati in larga misura per soddisfare i requisiti di ogni singolo caso d'uso. Alcuni dei fattori che determinano la scelta dei componenti sono:

Peso, forma e superficie dei pezzi.
Distanza di viaggio per la movimentazione.
Requisiti di rotazione o di inclinazione.
Velocità o tempo di ciclo desiderato.
Per garantire un impiego e un utilizzo ottimali, è possibile scegliere e combinare un'ampia gamma di piedi di aspirazione, gioghi, gru e binari per un'applicazione specifica.

Ad esempio, le scatole solide possono essere sollevate con un sollevatore a tubo come il nostro sollevatore multifunzionale, con una maniglia e una ventosa di dimensioni adeguate. Se i carichi hanno una superficie porosa o irregolare, come nel caso dei sacchi, si può aggiungere una gonna di gomma intorno alle ventose per massimizzare l'area di contatto e compensare le perdite d'aria con un flusso maggiore dalla pompa del vuoto.

Le lamiere possono richiedere gioghi personalizzati, capacità di rotazione ed eventualmente il trasporto verticale su rotaia, tutti elementi che si adattano perfettamente alla nostra pinza per lamiere.

Sebbene tutti questi sistemi svolgano la stessa funzione di base di sollevamento e movimentazione, la configurazione e la selezione dei componenti saranno molto diverse per ogni caso d'uso.

Tubi, connettori e filtri

Per completare il sistema di vuoto, è necessario collegare i tubi flessibili adattati al vuoto utilizzando fascette stringitubo, anelli di tenuta e raccordi a vite. Assicurarsi che tutte queste parti siano perfettamente montate e sigillate è essenziale per garantire il funzionamento sicuro di qualsiasi sistema pressurizzato. Questi componenti devono essere adattati al singolo sistema, con particolare attenzione alle tolleranze e alla durata.

Vengono utilizzati anche uno o più filtri per proteggere la pompa del vuoto dalla polvere e da altri contaminanti che potrebbero ridurne la durata o introdurre difetti di funzionamento.

Pompe per il vuoto

Le pompe per vuoto utilizzate nei sistemi di sollevamento del vuoto sono normalmente pompe volumetriche a gas, note anche come pompe di trasferimento del gas. Il principio di base di una pompa volumetrica consiste nell'aspirare l'aria in un volume in espansione attraverso una valvola di aspirazione, comprimerla in un volume più piccolo e quindi espellere l'aria compressa nell'atmosfera.

Il principio di funzionamento di tutte le pompe a dislocamento è lo stesso, ma il tipo utilizzato nei sistemi di sollevamento del vuoto è tipicamente quello delle pompe rotative a palette con funzionamento a secco (senza olio). Come suggerisce il nome, queste pompe utilizzano un rotore interno con più palette che aspirano, comprimono ed espellono l'aria in modo continuo.

Questo tipo di pompa presenta diversi vantaggi. Ha dimensioni compatte, richiede una manutenzione limitata rispetto ad altre varietà e può funzionare a una velocità di aspirazione costante.

Vantaggi dei sistemi di sollevamento a vuoto

Molti aspetti fanno sì che il sollevamento a vuoto si distingua rispetto alle alternative. Alcuni dei vantaggi più importanti sono:

• Aumento della produttività - La statura fisica dell'operatore non è mai un problema. Chiunque può essere addestrato a usare un sollevatore a vuoto o una pinza in modo sicuro e a sollevare carichi pesanti senza perdere energia. Il risultato è un flusso di lavoro molto più efficiente che non lascia i dipendenti esausti.
• Salute - Poiché il sollevamento e la movimentazione richiedono uno sforzo minimo, lo sforzo fisico si riduce notevolmente, così come il rischio di infortuni sul posto di lavoro. Oltre a mantenere il personale più sano e felice, questo dovrebbe anche portare a un minor numero di giorni di malattia che potrebbero altrimenti compromettere la produttività.
• Flessibilità della forza lavoro - Dato che chiunque può sollevare, le aziende hanno una maggiore flessibilità in termini di assunzione e rotazione dei dipendenti. I flussi di lavoro efficienti sono anche meno impegnativi e consentono di ridurre la forza lavoro.
• Previene i danni - Rispetto ai vari tipi di sollevamento meccanico, il sollevamento a vuoto riduce in genere il rischio di danni ai materiali, come graffi o deformazioni.
• Sicurezza - I sistemi di sollevamento a vuoto sono intrinsecamente sicuri per diversi motivi. Uno di questi è che il sollevamento non può essere avviato in caso di malfunzionamento del sistema di vuoto. Inoltre, in caso di problemi critici come un'interruzione di corrente, le valvole di sicurezza garantiscono che il carico non venga immediatamente abbandonato.

Se avete altre domande su come funzionano i nostri sistemi di sollevamento a vuoto e su come possono essere adattati alle vostre esigenze specifiche e ai vostri flussi di lavoro, non esitate a contattarci per una consulenza gratuita.