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Il movimento lineare è un'ancora di salvezza in medicina

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Sfide progettuali e operative specifiche nelle applicazioni mediche e in camera bianca.

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Stadio XYZ a movimento lineare per il posizionamento dei campioni

I produttori di apparecchiature per le scienze biologiche, mediche e biomediche devono costantemente perseguire miglioramenti nella tecnologia, nei flussi di lavoro e nei processi avanzati per contrastare le pressioni competitive e la crescita del mercato. Ma il progresso non può concentrarsi solo sull'espansione del successo; deve anche garantire precisione, affidabilità e funzionalità durante il funzionamento, prevenendo i guasti durante l'uso.

Trascurare miglioramenti e salvaguardie in un componente apparentemente secondario dei sistemi di movimento lineare in-process può generare conseguenze che vanno dagli inconvenienti alle catastrofi. I produttori, così come gli utenti, devono rimanere vigili.

Con la giusta attenzione, i sistemi di movimento lineare di nuova generazione possono essere specificati, progettati, installati e sottoposti a manutenzione per far progredire e garantire i vantaggi delle apparecchiature per le scienze della vita, mediche e biomediche in applicazioni vitali e persino salvavita.

Conseguenze

Poiché l'affidabilità del movimento lineare è una necessità operativa, i produttori e gli utilizzatori di apparecchiature devono monitorare anche i rischi di guasto relativamente rari nei componenti o nei sistemi di movimento lineare durante tutto il processo. Questo problema riguarda apparecchiature che vanno dal sequenziamento del DNA al bioprinting ai microscopi a forza atomica (AFM).

La posta in gioco è enorme.

Il guasto di un singolo componente o sistema può costare agli utenti centinaia di migliaia di dollari anche per un fermo macchina di durata relativamente breve. A seconda dell'ubicazione, della gravità e dei tempi di risposta per la riparazione o la sostituzione, i costi potrebbero essere molto più elevati.

Il rischio per la sicurezza del personale è un'altra preoccupazione fondamentale. Sebbene siano rari, i difetti di progettazione o la mancata osservanza delle misure di sicurezza operative possono portare a qualsiasi cosa, da punti di contatto a stadi di fuga, e causare danni da schiacciamento a scosse elettriche.

Specifiche e progettazione

Gli impianti di produzione di movimenti lineari sono completamente certificati ISO per garantire la coerenza di tutti i processi chiave. Inoltre, la costruzione di prototipi meticolosi aiuta a scoprire i passaggi fondamentali per mantenere le prestazioni e l'affidabilità del componente o del sistema di movimento finito. L'omissione o la non corretta esecuzione di una delle tante piccole fasi cruciali dell'assemblaggio o del collaudo può portare a un sistema non funzionante sul campo.

Molti produttori stabiliscono anche obiettivi che si traducono in molti anni di servizio affidabile prima di un aggiornamento dell'apparecchiatura. È quindi importante calcolare correttamente la durata dei componenti. Poiché i cicli di lavoro possono variare da un'applicazione all'altra, la durata è indicata in chilometri percorsi per molti componenti del movimento lineare. Il costruttore di sistemi di movimentazione lineare deve quindi tradurre questo calcolo in varie decisioni relative al prodotto.

Ad esempio, un cavo molto diffuso prevede oltre 10 milioni di cicli di flessione se si mantiene un raggio di curvatura di 50 mm o superiore. Tuttavia, se il raggio di curvatura non è correttamente dimensionato, il particolato che cade dal cavo o le sollecitazioni sulle piste del cavo o sui connettori potrebbero causare un guasto precoce nel processo (soprattutto se i programmi di manutenzione non sono rigorosamente rispettati).

Considerare la personalizzazione

I componenti di serie svolgono un ruolo fondamentale in molti assemblaggi di apparecchiature. Una preoccupazione, ad esempio, è che un elemento dello stadio di movimento lineare non sia stato progettato e costruito per funzionare con l'esatta combinazione di altri componenti e strutture che il fornitore sta assemblando. Potrebbero sorgere incompatibilità inaspettate.

La domanda è: un produttore riuscirà a individuare i problemi durante i suoi protocolli di progettazione, controllo qualità e ispezione? Probabilmente sì. Ma non certamente.

Spesso, solo le offerte personalizzate possono soddisfare gli obiettivi di prestazioni specifiche e requisiti di progettazione. Esse consentono al produttore di concentrarsi sugli aspetti progettuali dello stadio richiesti dall'applicazione, adattando in modo specifico fattori quali la velocità, l'accelerazione e la stabilità. Possono anche ridurre i costi eliminando le caratteristiche non necessarie che vengono fornite di serie con gli stadi standard. Inoltre, garantiscono una soluzione integrata senza incompatibilità nascoste.

I fornitori dovrebbero cercare di ottenere dal costruttore di sistemi di movimento lineare un vero e proprio controllo "dalla scheda tecnica al prototipo" del loro ordine. Questa personalizzazione intelligente è fondamentale per anticipare ed eliminare le carenze del prodotto, evitare gli ostacoli all'integrazione e prevenire i guasti.

Specificate i prodotti con le dimensioni, la forma, il rivestimento o il materiale precisi richiesti dal lavoro. E insistete su soluzioni che soddisfino gli obiettivi specifici di precisione, velocità, planarità, precarico (per aumentare la rigidità eliminando le distanze interne), durata, livelli di manutenzione e prezzo.

A volte, anche i materiali più innovativi possono contribuire a ridurre i rischi in progetti personalizzati specifici. Ad esempio, la costruzione in fibra di carbonio può ottimizzare la resistenza strutturale, la rigidità e la stabilità (nonostante il peso e lo spessore ridotti). Allo stesso tempo, i cuscinetti in ceramica possono essere una soluzione valida per problemi specifici di lubrificazione.

Maneggiare con cura

Una volta che un componente per il movimento lineare destinato a un'applicazione specifica arriva presso il produttore di apparecchiature, possono sorgere altri rischi.

I produttori di sistemi di movimento lineare possono essere chiamati a risolvere una serie di problemi che si presentano in questa fase intermedia. Ad esempio, un motore lineare può avere un problema di binding, in cui la bobina che viaggia all'interno della pista del motore sfrega contro la pista durante la sua corsa. Questo potrebbe essere causato da un problema di movimentazione dovuto a scosse che spostano leggermente la bobina o la pista fuori allineamento. È possibile che la sella, il segmento dello stadio mobile, venga urtata e subisca una distorsione. Nella costruzione dello strumento più grande, è possibile che vengano aggiunte viti troppo lunghe, che spingono attraverso una piastra di movimento lineare in un'altra, causando graffi e il rischio di forze imprevedibili durante il funzionamento. È anche possibile che una bobina venga svitata dal suo supporto per consentire l'accesso a un cavo aggiuntivo e poi riavvitata in modo errato.

Questi inconvenienti comportano rischi che vanno da un leggero peggioramento delle prestazioni del processo a motori bruciati e a grandi fermi macchina. Anche la preparazione delle superfici merita molta attenzione. Le tolleranze devono corrispondere in tutti i dettagli.

In alcuni casi, un produttore di utensili per questi processi può procurarsi un componente per il movimento lineare costruito per la planarità della corsa, ad esempio 0,0005 pollici. Ma poi il costruttore di utensili imbullona quel componente a un gruppo più grande con una planarità di soli 0,005 pollici. La conseguente torsione dello stadio può essere quasi impercettibile. Ad esempio, ciò può causare l'inceppamento dei cuscinetti con conseguente usura prematura degli stessi, forze aggiuntive sulla vite a ricircolo di sfere o una maggiore potenza richiesta dai motori lineari con conseguente surriscaldamento eccessivo e potenziale guasto.

Messa a terra

Assicurarsi che tutti i componenti del sistema di movimentazione lineare abbiano una messa a terra elettrica adeguata è un'altra precauzione che i produttori possono adottare per prevenire un problema futuro. Una simile dimenticanza può comportare rischi di scosse elettriche per gli operatori. Ma può anche avere un impatto sulle prestazioni del sistema.

Un loop di terra nel sistema che si ripercuote attraverso il percorso di terra potrebbe indurre false letture nell'encoder, in modo che un componente percorra solo 1 mm, ma il controllore registri una corsa di 100 mm. Se la svista non viene colta, ad esempio, l'accuratezza della posizione può comportare errori nelle letture degli strumenti, con conseguenti analisi imprecise.

Trasporto e installazione

La resistenza relativamente bassa dei sistemi di movimento lineare ai carichi d'urto è stata discussa in precedenza. I punti di rischio più significativi si verificano naturalmente in tre periodi:

1. Durante il trasporto dal fornitore di sistemi di movimento lineare al costruttore di attrezzature;

2. Durante l'arrivo e l'incorporazione del sistema nell'attrezzatura;

3. Durante il trasporto dell'attrezzatura finita al piano di processo e l'installazione.

Un fornitore di sistemi di movimento lineare affidabile ed esperto può ridurre significativamente la possibilità di danni da urto durante la prima fase. Gli esperti dei fornitori possono accertare in anticipo i vincoli di spazio della produzione, in modo da non progettare uno stadio troppo grande o troppo pesante per essere facilmente assemblato in una camera bianca o in un reparto di produzione. Possono anche pianificare l'uso delle attrezzature di trasporto (gru, carrelli, ecc.) in modo che lo stadio possa essere trasportato in sicurezza dalla cassa all'utensile, riducendo al minimo il rischio di lesioni per il personale in loco e la possibilità di impatti dannosi.

Infine, durante l'installazione, il sistema di movimento lineare o la parte interessata dell'utensile possono essere dotati delle necessarie misure di isolamento passivo (come piedini o cuscinetti in elastomero) o attivo (sistemi di airbag regolati da sensori) per ridurre la possibilità di urti o vibrazioni eccessive durante le operazioni successive.

In camera bianca

Sia per la prima che per la seconda fase, il fornitore di sistemi di movimentazione lineare deve seguire le migliori pratiche nella costruzione delle casse di trasporto e dei sistemi di insaccamento. Ad esempio, un fornitore leader avvolge il sistema in due sacchi, uno applicato in atmosfera di azoto e l'altro in camera bianca, per il trasporto. Fornisce poi un'attrezzatura speciale e carrelli per i delicati trasferimenti di trasporto.

Nella terza fase, se il sistema verrà posizionato sul gruppo di utensili dall'alto, può essere sufficiente la gru dei costruttori di utensili. Tuttavia, se è necessaria una manovra di carico laterale più impegnativa, il fornitore fornisce una cassa da camera specializzata, che può essere imbullonata al lato dell'utensile fino al completamento del montaggio.

Lubrificazione

Anche se i sistemi di movimentazione lineare di solito funzionano ciclo dopo ciclo senza problemi o attenzioni particolari, una piccola manutenzione regolare è sempre fondamentale. Le chiavi per una manutenzione efficace sono tre: lubrificazione, lubrificazione e lubrificazione.

Ogni fornitore di sistemi di movimentazione lineare spedisce i propri prodotti con un ciclo di servizio di rilubrificazione specificato. Tuttavia, essendo la natura umana quella che è, molti problemi possono essere ricondotti alla semplice mancata osservanza del ciclo raccomandato. Senza la necessaria lubrificazione, le sollecitazioni di attrito aumentano e alla fine causano eventi estremamente indesiderati, come arresti o bruciature del motore.

Altri problemi di lubrificazione includono il cedimento prematuro dei cuscinetti, con conseguente riduzione delle prestazioni quali rettilineità, planarità, beccheggio, rollio e imbardata.

È importante utilizzare solo il grasso corretto per ogni macchina. È importante non mescolare mai oli o grassi incompatibili. Ciò include l'uso di grassi diversi quando si effettua la manutenzione di una macchina da un ciclo all'altro. In questo modo si modifica la viscosità richiesta, causando spesso l'accumulo di un materiale gommoso, simile al cemento, che è l'ultima cosa da desiderare in un'apparecchiatura delicata. Se il materiale comprende anche particelle provenienti da un cavo troppo flessibile, da un portacavi o da altri punti, di solito si verifica un guasto alla rotaia.

Tabella di marcia delle prestazioni

In risposta alle richieste dei produttori di apparecchiature, i costruttori di macchine per il movimento lineare sono costantemente impegnati a spingere al massimo le prestazioni. Ma prima devono assicurarsi che i miglioramenti non aumentino inavvertitamente il rischio di guasti al movimento lineare.

Un buon fornitore di sistemi di movimentazione lineare fornirà una "roadmap delle prestazioni" che evidenzierà gli elementi del sistema che possono essere progettati non solo per i requisiti attuali, ma con la capacità di prestazioni per l'uso della prossima generazione. Questo impegno è particolarmente critico nella produzione di tecnologie avanzate per le scienze della vita, il settore medico e biomedico.

I sistemi di processo a movimento lineare possono non essere gli elementi più importanti della maggior parte delle apparecchiature tecnologiche avanzate e non sono in genere una delle preoccupazioni principali della maggior parte degli utenti. Ma un loro guasto può avere gravi conseguenze per tutti i soggetti coinvolti. Fortunatamente, un'attenzione adeguata alla progettazione, all'installazione, al funzionamento e alla manutenzione può garantire che i sistemi di movimento lineare svolgano un ruolo vitale nel funzionamento continuo e critico, e forse persino salvavita, delle apparecchiature più avanzate per le scienze della vita, il settore medico e biomedico.