Introdução
Entre as tecnologias capacitadoras por trás dos sistemas de movimento de ultra{0}}precisão, poucas são tão elegantes em princípio ou tão exigentes na implementação quanto o rolamento pneumático. Encontrado no coração deferramentas de inspeção de semicondutores, máquinas de medição de coordenadas de precisão, instrumentos de metrologia de alta{0}}precisão e equipamentos de fabricação avançados, os rolamentos pneumáticos possibilitam níveis de suavidade de movimento e precisão de posicionamento que os rolamentos-de elementos rolantes convencionais simplesmente não conseguem igualar.
Este artigo explica o que são os rolamentos pneumáticos, como funcionam, que tipos existem e por que a superfície sobre a qual eles assentam é tão importante quanto o próprio rolamento.
O Princípio Fundamental
Um mancal pneumático, em sua forma mais básica, é um dispositivo que suporta uma carga em uma fina película de gás pressurizado - quase sempre ar, embora outros gases possam ser usados em aplicações especializadas. Esta película de gás, normalmente com 5 a 20 micrômetros de espessura durante a operação, separa fisicamente as superfícies móveis e estacionárias. Como não há contato sólido, não há atrito mecânico no sentido tradicional.
Esta ausência de atrito tem consequências práticas profundas. Rolamentos convencionais-de elementos rolantes - rolamentos de esferas, rolamentos de rolos e rolamentos de agulhas - exibem efeitos de atrito que se manifestam como comportamento de aderência-deslizamento, geração de calor, desgaste e introdução de erros de posicionamento pequenos, mas reais. Esses efeitos, embora gerenciáveis na maioria das aplicações de engenharia, são inaceitáveis em sistemas onde a repetibilidade posicional deve ser controlada em níveis nanométricos.
Um estágio de rolamento a ar pode atingir repetibilidade melhor que 10 nm sob condições apropriadas, e a suavidade de seu movimento permite que instrumentos sensíveis operem sem as micro-vibrações que os rolamentos invariavelmente introduzem.
Tipos de rolamentos pneumáticos
Os rolamentos pneumáticos são divididos em duas categorias principais com base na forma como o filme de ar pressurizado é gerado: aerostático e aerodinâmico.
Os rolamentos aerostáticos (o tipo usado em aplicações de instrumentos de precisão e semicondutores) dependem de ar pressurizado fornecido externamente. O ar é forçado através de pequenos orifícios ou meios porosos na superfície do rolamento, criando uma zona pressurizada entre o rolamento e sua superfície de referência. A folga e, portanto, a capacidade de carga e a rigidez, são determinadas pela pressão de alimentação, pela geometria do orifício e pela própria folga. Os rolamentos aerostáticos podem suportar cargas mesmo em velocidade zero, tornando-os adequados para estágios de precisão que devem manter a posição com precisão e mover-se suavemente.
Os rolamentos aerodinâmicos dependem do movimento relativo entre as superfícies para gerar a película de ar - essencialmente o mesmo princípio dos rolamentos de óleo hidrodinâmicos. Como exigem movimento para gerar o filme, são menos úteis para aplicações de posicionamento de precisão onde é necessário suporte de carga estática.
Dentro dos rolamentos aerostáticos, há outras distinções com base no design da entrada de ar: tipo-de orifício (onde o ar entra através de um ou alguns furos de precisão), tipo-poroso (onde o ar entra através de um meio sinterizado ou poroso com muitas micro-passagens distribuídas) e tipo-ranhura (onde canais pressurizados distribuem o ar). Os rolamentos pneumáticos porosos geralmente oferecem a maior rigidez e a distribuição de pressão mais suave.
A superfície de referência: por que granito
Um rolamento pneumático é tão bom quanto a superfície em que ele se desloca. O rolamento flutua em uma folga de 5–20 µm; qualquer ondulação ou desvio na superfície de referência que se aproxime desta dimensão perturbará a folga, alterando localmente a rigidez do rolamento e introduzindo erros de movimento.
Para um estágio de rolamento pneumático linear com faixa de deslocamento de 500 mm, a especificação de planicidade para a superfície de referência pode ser de 1–3 µm em todo o comprimento. Conseguir isso requer uma combinação de retificação de precisão, lapidação fina e verificação com instrumentos de medição rastreáveis.
O granito é a escolha dominante para superfícies de referência com suporte de ar por vários-motivos bem estabelecidos. Sua dureza (Mohs 6–7) resiste ao desgaste causado por contato inadvertido ocasional. Seu caráter não{5}}magnético e não{6}}reativo evita interferência com os sensores usados nos estágios de precisão. Suas características térmicas - baixo coeficiente de expansão, boa condutividade térmica - ajudam a manter a estabilidade dimensional durante a operação. E, fundamentalmente, o granito pode ser lapidado até os níveis de planicidade exigidos pelas aplicações de rolamentos pneumáticos.
A especificação de rugosidade superficial para uma superfície de guia de rolamento de ar de precisão é normalmente Ra menor ou igual a 0,1 µm (100 nm) e, em algumas aplicações, Ra menor ou igual a 0,05 µm. Estas são superfícies lisas-espelho que exigem não apenas equipamentos de precisão, mas também processamento qualificado.
Rigidez, amortecimento e capacidade de carga
O desempenho de engenharia de um rolamento pneumático é caracterizado por três parâmetros principais: rigidez, amortecimento e capacidade de carga.
A rigidez, expressa em N/µm, descreve quanta força é necessária para desviar o rolamento em um micrômetro. A alta rigidez é desejável para a precisão do posicionamento, porque as forças perturbadoras (de mudanças na carga útil, forças motoras ou vibração) produzem erros de posicionamento menores. Os rolamentos aerostáticos podem atingir valores de rigidez de dezenas a centenas de N/µm, dependendo do tamanho e da pressão de alimentação.
O amortecimento nos mancais pneumáticos é inerentemente menor do que nos mancais hidrostáticos a óleo, porque o ar tem uma viscosidade muito menor. Isso pode tornar os estágios de sustentação de ar suscetíveis a ressonâncias quando excitados por vibração externa ou movimento rápido. Os projetistas de sistemas abordam isso por meio de um projeto mecânico cuidadoso e plataformas ativas de isolamento de vibração.
A capacidade de carga é definida pela área do rolamento e pela pressão de alimentação. Os rolamentos pneumáticos geralmente são mais limitados em capacidade de carga por unidade de área do que os rolamentos a óleo ou magnéticos, o que significa que são mais adequados para aplicações onde a carga útil é bem-definida e gerenciável - como em estágios de instrumentos -, em vez de aplicações de máquinas-ferramenta pesadas.
Aplicações em indústrias de precisão
O cenário de aplicações para rolamentos pneumáticos abrange qualquer setor que exija movimentos suaves, precisos e repetíveis.
Em equipamentos semicondutores, os estágios de rolamento de ar são usados na inspeção de wafers, posicionamento de fotomáscaras, sistemas de gravação direta-a laser e metrologia de feixe de elétrons. A planicidade da superfície da guia de granito na qual estes estágios operam afeta diretamente a precisão de posicionamento alcançada pelo sistema.
Em máquinas de medição por coordenadas (CMMs), os rolamentos pneumáticos permitem que a sonda de medição atravesse o volume de medição suavemente, sem introduzir vibração que perturbaria as sondas de toque sensíveis ou sensores de varredura. CMMs de alta{1}}precisão usam tabelas de granito como referência de referência e como superfície de apoio para seus eixos-suportados por ar.
Em instrumentos ópticos de precisão - interferômetros, telescópios, espectrômetros - mesas rotativas com rolamentos de ar permitem rotação com erros de desvio abaixo de 50 nm, permitindo posicionamento angular e medição de superfície que seriam impossíveis com rolamentos mecânicos.
Em estágios de-posicionamento nano para pesquisa e fabricação avançada, os rolamentos pneumáticos fornecem a plataforma de movimento suave e-livre de atrito que permite que elementos piezoelétricos-de posicionamento fino funcionem de maneira eficaz, sem os efeitos de aderência-deslizamento dos rolamentos mecânicos que, de outra forma, dominariam em pequenas amplitudes de movimento.
Considerações sobre integração
A implementação bem-sucedida de rolamentos aéreos requer atenção a vários fatores-no nível do sistema. O suprimento de ar deve ser filtrado para remover partículas que possam danificar a folga do rolamento, regulado para manter a pressão estável e seco para remover a umidade que pode causar corrosão em superfícies de precisão. Os requisitos típicos de filtragem são remoção de partículas sub{3}}micrométricas e pontos de orvalho bem abaixo da temperatura operacional.
O sistema estrutural que suporta o mancal pneumático deve ser rígido o suficiente para que forças externas não deformem a superfície de referência ou o alojamento do mancal. É por isso que os estágios de sustentação pneumática em equipamentos de precisão são quase sempre montados em estruturas maciças e bem{1}amedecidas de granito ou fundição mineral.
O ambiente de sala limpa em que os sistemas de rolamentos pneumáticos de precisão geralmente operam também influencia as escolhas de projeto. Os requisitos de desgaseificação, controle de contaminação e compatibilidade com materiais de salas limpas e procedimentos de limpeza desempenham um papel importante no projeto de sistemas de rolamentos de ar para aplicações de fabricação de semicondutores e ópticas.
Conclusão
Os rolamentos pneumáticos representam uma das tecnologias mais refinadas em engenharia de precisão - aparentemente simples em princípio, mas exigentes na execução. Sua capacidade de alcançar movimento livre de atrito-, repetibilidade em nível nanométrico-e suavidade excepcional os torna indispensáveis nas aplicações de posicionamento mais exigentes na fabricação de semicondutores, metrologia de precisão e instrumentação científica.
As superfícies de granito nas quais eles operam não são substratos passivos -, são componentes de engenharia de precisão-por direito próprio, com especificações de planicidade, rugosidade e estabilidade que devem ser atendidas e mantidas durante toda a vida operacional do sistema. Compreender o rolamento e sua superfície de referência como elementos de engenharia integrados é essencial para qualquer pessoa que projete ou especifique sistemas de movimento de ultra{3}}precisão.