Een introductie tot vacuümtechnologie

Wat is een vacuüm?

Het woord vacuüm is afgeleid van het Latijn voor “lege ruimte”, maar in de echte wereld bestaat dat niet. Zelfs het vacuüm van de ruimte bevat kleine hoeveelheden materie en een perfect vacuüm bestaat alleen in theorie. Voor alle praktische doeleinden is een vacuüm de toestand van een volume ruimte met een aanzienlijk lagere druk dan de atmosfeer. Een kunstmatig vacuüm wordt gecreëerd door materie, meestal luchtmoleculen, uit een begrensde ruimte te verwijderen.

Wat is een laag, medium of hoog vacuüm?

In een vacuümsysteem geldt: minder is meer. Omdat een vacuüm wordt gecreëerd door de hoeveelheid luchtmoleculen in een gesloten omgeving te minimaliseren, betekent minder moleculen een hogere vacuümgraad. Naarmate lucht wordt verwijderd, bereikt u een bepaalde onderdruk in verhouding tot het aandeel verwijderde moleculen. Afhankelijk van de vereisten van een specifieke toepassing lopen de methoden die worden gebruikt om een vacuüm te creëren sterk uiteen.

Uitgedrukt in mbar-druk worden verschillende vacuümniveaus onderverdeeld in de volgende bereiken:

• Ruw (of laag) vacuüm – Atmosferische druk tot 1 mbar. Gebruikt in tal van toepassingen, waaronder industriële handlingsystemen. In dit bereik wordt het vacuümniveau vaak aangeduid als percentage, bijvoorbeeld 80% vacuüm.
• Middelgroot (of fijn) vacuüm – 1 tot 10-3 (0,001) mbar. Gebruikt bij o.a. vriesdrogen van levensmiddelen, ontgassen van staal, productie van gloeilampen.
• Hoog vacuüm (HV) – 10-3 tot 10-8 mbar. Gebruikt bij o.a. de productie van elektronenbuizen, het smelten van metalen.
• Ultrahoog vacuüm (UHV) – 10-8 tot 10-11 mbar. Gebruikt bij o.a. metaalcoating, elektronenstraalsmelten.

Om hogere drukbereiken te bereiken, nemen complexiteit en energieverbruik exponentieel toe. Hoewel veel van de meest voorkomende toepassingen in het ruwe bereik liggen, vereisen behoorlijk wat productieprocessen en wetenschappelijke toepassingen de hogere bereiken. Alle bereiken boven het ruwe bereik worden bovendien steeds moeilijker te meten.

Hoe een vacuüm te creëren

De vacuümniveaus die nodig zijn in verschillende industriële toepassingen lopen sterk uiteen, en hetzelfde geldt voor de apparatuur die wordt gebruikt om deze te genereren. Wel zijn er altijd verschillende soorten pompen – in sommige gevallen werkend in meerdere trappen – betrokken bij het opbouwen en handhaven van een vacuümsysteem. Enkele voorbeelden van verschillende soorten vacuümpompen:

• Cryopompen: Sectoren die in het ultrahoog vacuümbereik werken, zoals de productie van optische folies of halfgeleiders, gebruiken cryogene pompen die moleculen “vangen” op een extreem koud oppervlak. Cryopompen worden ook veel gebruikt in wetenschappelijke onderzoeksgebieden zoals deeltjesversnellers en ruimtesimulatiekamers.
• Rootspompen: Bij metaalzuivering en verschillende soorten coatingtoepassingen kunnen meertraps-rootspompen worden ingezet. Deze pompen comprimeren gas tussen tegengesteld draaiende lobben om het middelgrote of hoge vacuümbereik te bereiken.
• Schroefpompen: Bij het vriesdrogen van levensmiddelen worden vaak schroefpompen gebruikt die asymmetrisch roterende schroeven inzetten om de sublimatie tijdens het droogproces te versnellen.
• Draaizuigerpompen: Last but not least zijn draaizuigerpompen, die rotoren gebruiken om lucht continu te comprimeren en af te voeren, de meest gebruikte vacuümpompen. Draaizuigerpompen worden universeel ingezet in de lage en middelgrote vacuümbereiken voor, naast tal van andere toepassingen, vacuümheftechnologie.

De mechanica van vacuümheffen

Vacuümheftechnologie werkt in het ruwe vacuümbereik, dat kan worden gemeten met mechanische meters in millimeter of inch kwik (mmHg of inHg), en/of kilopascal (kPa). Deze eenheden zijn altijd negatief en worden met een minteken (-) op de meter aangegeven.

Kilopascal is bijzonder bruikbaar als benadering van het vacuümpercentage. 50% vacuüm komt overeen met ongeveer -50 kPa ten opzichte van de atmosferische druk. Er worden nog verschillende andere eenheden en schalen gebruikt bij vacuümmeting, maar de percentageschaal is in het ruwe bereik het meest praktisch omdat deze universeel begrijpelijk is.

Componenten van een vacuümsysteem

Vacuümzuignappen en -buizen

Een veelvoorkomende misvatting over zuignappen/-voeten is dat de binnenkant van de zuignap de last vastgrijpt en omhoog trekt dankzij het vacuüm. In werkelijkheid is het de hogere atmosferische druk buiten de zuignap die een neerwaartse druk uitoefent, richting het object, die het klemeffect veroorzaakt.

Om die reden heeft de hoogte van een vacuümzuignap geen enkele invloed op het vacuümniveau of het hefvermogen. De hoeveelheid oppervlak dat in contact komt met de last is echter wél van belang. Daarom moet u het oppervlak van de zuignap afstemmen op de beoogde lasten. Hoewel het mogelijk kan zijn om zware objecten met een relatief kleine zuignap te tillen, moet u ook rekening houden met afschuifkrachten wanneer objecten worden verplaatst en een veiligheidsmarge toevoegen.

Het inschatten van de houdkracht van zuignappen

Om de benodigde zuigoppervlakte te bepalen voor het vasthouden van een vlakke, niet-poreuze last met behulp van een aan een takel gemonteerde vacuümjuk, zoals de TAWI Panel Gripper, kan op de volgende manier worden gerekend:

De houd- of hefkracht is ongeveer 1 kg per 1 cm2 bij 100% vacuüm (2,2 lbs per 0,155 in2). Zoals we al hebben vastgesteld, bestaat 100% vacuüm niet, maar het is een nuttig referentiepunt.

In de praktijk werkt u mogelijk met een vacuümniveau van 60%. 60% van 1 kg is 0,6 kg, wat betekent dat we 0,6 kg per 1 cm2 zuignopoppervlak kunnen heffen (1,32 lbs per 0,155 in2). Vervolgens deelt u het resultaat door een veiligheidsfactor 2, die doorgaans wordt gehanteerd.

Voorbeeld: Een zuignap met een diameter van 300 mm (11,8″) (706 cm2 of 109,4 in2) heeft een houdkracht van 212 kg (467 lbs) bij 60% vacuüm en een veiligheidsfactor 2.

Het inschatten van de capaciteit van hefbuizen

Bij hefsystemen waarbij een aparte takel wordt gebruikt voor het heffen en jukgemonteerde zuigvoeten voor het vastgrijpen van de last, is een vereenvoudigde benadering van het contactoppervlak van de zuigvoeten nuttig. De situatie is anders wanneer zowel grijpen als heffen met vacuümtechnologie worden uitgevoerd, zoals bij de TAWI Multifunctional Lifter.

In een buisgeassisteerd vacuümhefsysteem werkt de buis zelf op een onderdruk van ergens tussen 0–60% vanwege de flexibiliteit van de buis. Ter compensatie moet de houdkracht altijd groter zijn dan het oppervlak van de hef buis. Daarom zorgen wij er altijd voor dat het oppervlak van de zuignappen minimaal 2,5 keer zo groot is als het oppervlak van de buis.

Het resultaat is dat u er zeker van bent dat de last nooit wordt losgelaten voordat deze op de grond is neergelaten, en dat u 2,5 keer zoveel kunt vasthouden als u kunt heffen. Met andere woorden: het oppervlak van de zuignappen is in dit geval, hoewel nog steeds belangrijk, ondergeschikt aan het oppervlak van de hef buis.

Een vacuümsysteem op maat maken

Afgezien van zelfstandige systemen zoals de TAWI Mobile Order Picker, worden vacuümhefsystemen vaak in hoge mate aangepast om te voldoen aan de vereisten van elke afzonderlijke toepassing. Enkele factoren die de keuze van componenten bepalen, zijn:

Gewicht, vorm en oppervlak van de werkstukken.
Af te leggen afstand bij de handling.
Vereisten voor draaien of kantelen.
Gewenste snelheid of cyclustijd.
Er kan een grote verscheidenheid aan zuigvoeten/-nappen, jukken, kranen en rails worden geselecteerd en gecombineerd voor een specifieke toepassing om een optimale inzet en benutting te garanderen.

Zo kunnen massieve dozen worden getild met een buisgeassisteerde lift zoals onze Multifunctional Lifter, met een handgreep en zuignap van de juiste afmeting. Wanneer de lasten een poreus of ongelijk oppervlak hebben, zoals vaak het geval is bij zakken, kan een rubberen rok rond de zuignappen worden aangebracht om het contactoppervlak te maximaliseren, terwijl lekkage van lucht wordt gecompenseerd met een hogere volumestroom van de vacuümpomp.

Plaatmateriaal kan speciale jukken, draaifuncties en mogelijk verticale railtransporten vereisen, die allemaal uitstekend passen bij onze panel lifter.

Hoewel al deze systemen in wezen dezelfde basisfunctie van tillen en hanteren vervullen, verschillen configuratie en componentkeuze in elke toepassing aanzienlijk.

Slangen, koppelingen en filters

Om het vacuümsysteem te voltooien, moet u slangen die geschikt zijn voor vacuüm aansluiten met behulp van slangklemmen, afdichtringen en schroefkoppelingen. Ervoor zorgen dat al deze onderdelen perfect passen en zijn afgedicht, is essentieel om een veilige werking van elk onder druk staand systeem te garanderen. Deze componenten moeten worden afgestemd op het individuele systeem, met bijzondere aandacht voor toleranties en duurzaamheid.

Eén of meer filters worden eveneens gebruikt om de vacuümpomp te beschermen tegen stof en andere verontreinigingen die de levensduur kunnen verkorten of storingen kunnen veroorzaken.

Vacuümpompen

Vacuümpompen die in vacuümhefsystemen worden gebruikt, zijn doorgaans verdringerpompen voor gassen, ook wel gasoverdrachts pompen genoemd. Het basisprincipe van een verdringerpomp is dat lucht via een inlaatventiel in een zich uitbreidend volume wordt gezogen, vervolgens in een kleiner volume wordt samengeperst en daarna als samengeperste lucht weer in de atmosfeer wordt uitgestoten.

Het werkingsprincipe van alle verdringerpompen is hetzelfde, maar het type dat wordt gebruikt in vacuümhefsystemen is doorgaans een drooglopende (olievrije) draaizuigerpomp. Zoals de naam al aangeeft, gebruiken deze pompen een interne rotor met meerdere schoepen die de lucht continu aanzuigen, comprimeren en afvoeren.

Dit pomptype heeft verschillende voordelen. Het is compact van formaat, vereist minder onderhoud dan andere varianten en kan met een constant aanzuigdebiet werken.

Voordelen van vacuümhefsystemen

Verschillende aspecten maken vacuümheffen onderscheidend ten opzichte van alternatieve methoden. Enkele van de belangrijkste voordelen zijn:

• Hogere productiviteit – De fysieke gesteldheid van de operator speelt geen rol. Iedereen kan veilig worden getraind om een vacuümlifter of -grijper te gebruiken en zware lasten te tillen zonder energieverlies. Het resultaat zijn aanzienlijk efficiëntere werkstromen die medewerkers niet uitputten.
• Ergonomische gezondheid – Omdat er zeer weinig fysieke inspanning nodig is voor het tillen en hanteren, wordt de lichamelijke belasting aanzienlijk verminderd, evenals het risico op werkgerelateerde blessures. Naast het feit dat dit het personeel gezonder en tevredener houdt, zou dit ook moeten leiden tot minder ziekteverzuim dat anders de productiviteit kan aantasten.
• Flexibiliteit in personeelsinzet – Omdat iedereen kan tillen, beschikken bedrijven over veel meer flexibiliteit op het gebied van werving en personeelsrotatie. De efficiënte werkstromen zijn bovendien minder arbeidsintensief, waardoor met een kleinere bezetting kan worden gewerkt.
• Voorkomen van schade – In vergelijking met uiteenlopende soorten mechanische hefsystemen verkleint vacuümheffen doorgaans het risico op materiaalbeschadiging, zoals krassen of vervorming.
• Veiligheid – Vacuümhefsystemen zijn van nature veilig om meerdere redenen. Eén daarvan is dat heffen helemaal niet kan worden gestart als het vacuümsysteem niet correct functioneert. En in het geval van kritieke problemen, zoals een stroomstoring, zorgen failsafe-kleppen ervoor dat de last niet onmiddellijk wordt losgelaten.

Als u aanvullende vragen heeft over hoe onze vacuümhefsystemen werken en op welke manieren zij kunnen worden afgestemd op uw specifieke behoeften en werkstromen, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen voor een vrijblijvend adviesgesprek.