I semiconduttori sono parte integrante della società e la domanda è in forte crescita grazie all’aumento dell’uso di dispositivi elettronici di consumo insieme alla rapida crescita dell’IA, intelligenza artificiale, nell’industria. Inoltre, la richiesta odierna di più fonti di energia rinnovabile e quindi di semiconduttori per celle solari sta contribuendo in modo significativo alla crescita complessiva del settore.

La produzione di semiconduttori richiede un ambiente di vuoto ultra alto con valori inferiori a 10-7 mbar per garantire che non vi sia alcun rischio di contaminazione e le pompe per vuoto sono una parte fondamentale dell’attrezzatura per riprodurre la giusta atmosfera. Un componente chiave del design della pompa è il sistema di cuscinetti. Questo articolo esplora quattro tendenze chiave che stanno guidando la progettazione di nuove pompe per vuoto e alcune considerazioni sui cuscinetti.

Esistono sostanzialmente due tipi di pompe: pompe di pre-vuoto, che riducono la pressione dell’atmosfera fino a 10-3 mbar e le pompe turbomolecolari (TMP) che funzionano tipicamente a livelli di vuoto ultra alto fino a 10-9 mbar. In quest’ultima applicazione i cuscinetti lavorano spesso ad alta velocità. Tuttavia, indipendentemente dal tipo di pompa, ci sono alcune sfide comuni.

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1. Efficienza energetica

Nel tentativo di ridurre il consumo di energia e operare nel modo più efficiente possibile, i produttori stanno cercando di progettare pompe con una maggiore potenza specifica. Tuttavia, è necessario tenere in considerazione le perdite parassitarie che assorbono energia dal sistema. Le perdite parassitarie in un sistema di cuscinetti sono principalmente dovute al momento di attrito generato dal contatto tra le sfere e la pista e dalla lubrificazione nel cuscinetto. Questi attriti possono essere ridotti ridimensionando il cuscinetto e riducendo il numero di sfere, il che aumenta anche la velocità del cuscinetto, e quindi la pompa potrebbe essere in grado di funzionare più velocemente o in modo più efficiente. Ciò rappresenta però una sfida, perché i carichi sul cuscinetto sono gli stessi ma la capacità del cuscinetto di supportare tali carichi è ridotta. Questo può essere superato esaminando materiali alternativi con proprietà e caratteristiche migliori, vale a dire una maggiore resistenza alla fatica e all’usura, come SV30, un acciaio martensitico temprato per indurimento, ad alto contenuto di azoto, resistente alla corrosione.

Ci sono quattro elementi chiave che guidano la progettazione di nuove pompe per vuoto: efficienza energetica, longevità, velocità di commercializzazione e supporto tecnico.

2. Longevità

L’affidabilità è la base per una lunga durata e tempi di fermo minimi. Utilizzando una combinazione di materiali speciali, trattamenti termici e rivestimenti superficiali, è possibile progettare cuscinetti che normalmente funzionano per cinque anni senza guasti in questi ambienti difficili. L’attuale tecnologia dei cuscinetti “lubrificati a vita” può garantire costantemente una durata di oltre 30.000 ore ad alte velocità superiori a 800.000 nDm (n = numero di giri del cuscinetto, Dm = diametro medio del cuscinetto in mm).

Rivestimenti avanzati e trattamenti superficiali possono essere applicati ai cuscinetti per eliminare l’attrito, prevenire la corrosione e ridurre l’usura. Il trattamento termico è particolarmente importante. Ad alte temperature, l’austenite trattenuta in un acciaio per cuscinetti influisce negativamente sulla stabilità dimensionale del cuscinetto, facendola espandere e questo può portare a guasti prematuri. L’austenite trattenuta in un acciaio per cuscinetti non trattato termicamente è di circa il 3-4%, ma con uno speciale trattamento termico il livello di austenite trattenuta può essere ridotto a solo lo 0,1%. Ciò offre prestazioni migliori alle alte temperature e, in definitiva, un sistema più affidabile con una durata maggiore.

Un altro materiale che offre prestazioni di lunga durata, affidabili e superiori sono le sfere in ceramica (nitruro di silicio), grazie alle proprietà meccaniche intrinseche del materiale. L’uso di sfere in ceramica al posto di sfere in acciaio può migliorare radicalmente le prestazioni dei cuscinetti in diversi modi. Poiché le sfere in ceramica sono più leggere del 60% rispetto alle sfere in acciaio e poiché la loro finitura superficiale è quasi perfettamente liscia, presentano livelli di vibrazione da due a sette volte inferiori rispetto ai cuscinetti a sfere in acciaio convenzionali. I cuscinetti ibridi in ceramica funzionano anche a temperature di esercizio notevolmente inferiori, consentendo alle velocità di rotazione di aumentare dal 40% al 50%. Temperature di esercizio inferiori aiutano a prolungare la durata del lubrificante. È stato dimostrato che i cuscinetti con sfere in ceramica durano fino a cinque volte di più rispetto ai cuscinetti a sfere in acciaio convenzionali. I sistemi dotati di ibridi ceramici mostrano una maggiore rigidità e una frequenza naturale più elevata, rendendoli meno sensibili alle vibrazioni.

Anche la precisione dei cuscinetti gioca un ruolo importante nell’efficienza e nell’affidabilità e c’è una relazione diretta tra la classe di precisione e la durata del cuscinetto. I cuscinetti con le tolleranze più elevate offrono i più alti livelli di precisione e una maggiore durata. I produttori di pompe dovrebbero cercare cuscinetti classificati almeno ISO P4S (ABEC 7) come standard per garantire che forniscano le migliori prestazioni.

Cuscinetti di precisione speciali consentono alle pompe di funzionare ai massimi livelli di prestazioni e per molti anni.

3. Velocità di commercializzazione

I produttori sono sotto pressione per progettare e portare le loro pompe sul mercato il più rapidamente possibile per rimanere competitivi e in prima linea nel loro mercato. Un modo per garantire che il processo si svolga rapidamente è rivedere il tempo necessario per la progettazione dei cuscinetti. Il tempo di consegna standard del settore per i cuscinetti di precisione specialistici è compreso tra 40 e 60 settimane. Tuttavia, questo tempo è stato drasticamente ridotto della metà e ora i cuscinetti su misura possono essere consegnati in appena 20 settimane, consentendo di produrre le pompe più rapidamente. Inoltre, questo tempo dovrebbe essere ulteriormente ridotto a sole 15 settimane per le soluzioni su misura.

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4. Partnership e supporto

I produttori di pompe ormai richiedono più di un semplice prodotto. Hanno sempre più bisogno di una partnership con i loro fornitori. I sistemi di pompaggio sono complessi, con molti parametri e i giusti partner per il sistema cuscinetti possono fornire un pieno supporto nel calcolo e nella modellazione del sistema. Ad esempio, una volta che un cuscinetto entra nella fase di qualificazione e viene testato, può essere restituito al fornitore per essere esaminato e provare le sue prestazioni. Lasciare la modellazione agli esperti di cuscinetti consente inoltre ai progettisti di pompe di concentrarsi sui propri punti di forza e sulle attività quotidiane.

I cuscinetti di precisione contribuiscono a una riduzione complessiva dei costi totali del sistema.

Conclusione

Con l’aumento della domanda di semiconduttori e l’attuale situazione economica, sono necessari importanti requisiti per le pompe, in particolare aumentare l’efficienza e garantire l’affidabilità. La selezione di cuscinetti speciali con una durata maggiore rispetto ai cuscinetti convenzionali significa che le pompe a secco e le pompe TMP possono funzionare ai massimi livelli di prestazioni e per molti anni.

I cuscinetti di precisione contribuiscono anche a una riduzione complessiva dei costi totali del sistema. Quando si calcolano i costi indiretti della sostituzione frequente dei cuscinetti, che includono non solo l’inventario, ma anche i tempi di fermo macchina, la perdita di produttività e manodopera, il potenziale di risparmio sui costi diventa significativo.

Lavorare con esperti in grado di progettare cuscinetti con le giuste geometrie per fornire le migliori prestazioni e velocità a seconda delle varie condizioni ambientali, oltre a fornire rapidamente il prodotto migliore, può fare la differenza per quanto riguarda la produttività e la redditività di un costruttore di macchine. La ricerca di partner che combinino una lunga esperienza e conoscenze tecnologiche con un approccio flessibile come quello offerto da The Barden Corporation e la sua partnership con HQW Precision significa che le pompe possono continuare a funzionare agli ottimali livelli di pressione molte più volte senza problemi. Per ulteriori informazioni, visitare www.bardenbearings.co.uk o www.hqw.gmbh.

di Mark Wakeham, key account manager, e Mark Pritchard, senior sales and applications engineer presso The Barden Corporation

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