محمل هوائي

يعمل الغاز المضغوط كمادة تشحيم في الفجوة بين الأجزاء المتحركة. وتتحمل وسادة الغاز الحمل دون أي احتكاك بين هذه الأجزاء. عادةً ما يتم تزويد الغاز المضغوط بواسطة ضاغط. يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لتوفير ضغط الغاز في الفجوة في الوصول إلى أعلى مستوى ممكن من الصلابة والتخميد لوسادة الغاز. بالإضافة إلى ذلك، يُعد استهلاك الغاز وانتظام إمداده إلى الفجوة عاملين حاسمين في أداء المحامل الهوائية.

المحامل الهوائية التقليدية

في المحامل الهوائية التقليدية أحادية الفوهة، يتدفق الهواء المضغوط عبر عدد قليل من الفوهات الكبيرة نسبيًا (قطرها 0.1 - 0.5  مم) إلى فجوة المحمل. وبالتالي، فإن استهلاك الغاز لا يسمح إلا ببعض المرونة، بحيث لا يمكن ضبط خصائص المحمل (القوة، والعزوم، وسطح التحميل ، وارتفاع فجوة المحمل، والتخميد) بشكل كافٍ. ومع ذلك، وللسماح بضغط غاز منتظم حتى مع عدد قليل من الفوهات، يلجأ مصنّعو المحامل الهوائية إلى تقنيات تصميمية. ينتج عن ذلك وجود أحجام ميتة (حجم هواء غير قابل للانضغاط وبالتالي ضعيف). في الواقع، يُعد هذا الحجم الميت ضارًا جدًا بديناميكية المحمل الغازي، ويتسبب في اهتزازات ذاتية الإثارة. ^{[ 7 ]}

محامل هوائية ذات فوهات دقيقة محفورة بالليزر

تستخدم المحامل الهوائية ذات الفوهات الدقيقة المحفورة بالليزر تقنيات التصنيع والتصميم المحوسبة لتحسين الأداء والكفاءة. تتيح هذه التقنية للمصنعين مرونة أكبر في التصنيع، مما يسمح بدوره بنطاق تصميم أوسع لتحسين تصاميمهم لتطبيق معين. في كثير من الحالات، يستطيع المهندسون ابتكار محامل هوائية تقترب من الحد النظري للأداء. وبدلاً من استخدام عدد قليل من الفوهات الكبيرة، تتجنب المحامل الهوائية ذات الفوهات الدقيقة المتعددة الفراغات الميتة التي تُعيق الأداء الديناميكي. تشير الفراغات الميتة إلى جميع التجاويف التي لا يمكن ضغط الغاز فيها أثناء تقلص الفجوة، وتظهر هذه الفراغات نتيجة لضعف ضغط الغاز الذي يُحفز الاهتزاز. من أمثلة هذه المزايا: محركات خطية بتسارع يزيد عن 1000 م/ث² ⁽ 100 جم ) ، أو محركات صدمية بتسارع يزيد عن 100000 م/ث² ⁽ 10000 جم ) بفضل التخميد العالي والصلابة الديناميكية؛ وحركات دون النانومتر بفضل أقل الأخطاء الناتجة عن الضوضاء. ونقل الغاز أو الفراغ بدون مانع تسرب للمحركات الدوارة والخطية عبر الفجوة بسبب إمداد الهواء الموجه.    

تُحقق المحامل الهوائية ذات الفوهات الدقيقة توزيعًا فعالًا ومثاليًا للضغط داخل الفجوة بفضل عدد كبير من الفوهات الدقيقة. يتراوح قطرها النموذجي بين 0.02  مم و0.06  مم. يقع أضيق مقطع عرضي لهذه الفوهات تمامًا على سطح المحمل. وبذلك، تتجنب هذه التقنية وجود فراغ على سطح المحمل الهوائي الداعم وفي منطقة فوهات تزويد الهواء.

تُحفر الفوهات الدقيقة آليًا باستخدام شعاع ليزر، مما يضمن جودة عالية ودقة متناهية. وتتميز خصائص المحامل الهوائية بثباتها، سواءً في أحجام الإنتاج الكبيرة أو الصغيرة. وعلى عكس المحامل التقليدية، لا تتطلب هذه التقنية أي عمليات تصنيع يدوية أو مكلفة.

تشمل مزايا تقنية المحامل الهوائية ذات الفوهات الدقيقة ما يلي:

• الاستخدام الفعال للوسادة الهوائية (قريبًا من الحد المادي) من خلال ضغط موحد داخل الفجوة بأكملها؛
• مزيج مثالي من الخصائص الثابتة والديناميكية؛
• أعلى مرونة ممكنة لخصائص المحمل الهوائي: مع ارتفاع فجوة معين، من الممكن تحسين المحمل الهوائي بحيث يكون لديه، على سبيل المثال، أقصى حمل، أو صلابة، أو صلابة ميل، أو تخميد، أو الحد الأدنى من استهلاك الهواء (على التوالي أيضًا بالاشتراك مع الآخرين)؛
• أعلى دقة معتمدة متعددة لجميع محامل الهواء، على سبيل المثال في تكنولوجيا القياس بسبب أدنى الحركات (<< 2 نانومتر) من خلال الاهتزازات الفيزيائية، وأقل قدر ممكن من الاهتزازات الذاتية؛
• صلابة ميل أعلى بكثير من محامل الهواء التقليدية بحيث يتدفق الهواء داخل الفجوة عبر قنوات من المناطق المحملة إلى المناطق غير المحملة؛
• خالٍ من الاهتزازات ضمن نطاق التشغيل الكامل حتى مع إمداد ضغط هواء عالٍ (في الواقع، من الممكن أن يكون الضغط أعلى بكثير من 10 بار)؛
• أعلى موثوقية بفضل العدد الكبير من الفوهات: انسداد الفوهات بالجسيمات أمر غير وارد (لا يوجد عطل في التشغيل) لأن أقطارها أعلى بكثير من ارتفاع الفجوة؛
• إمكانية ضبط خصائص المحمل لتشوه وتفاوتات المحمل والسطح المقابل؛
• أثبتت قابليتها للاستخدام مع العديد من مواد المحامل والطلاءات.

تُعدّ بعض هذه المزايا، مثل المرونة العالية، والخصائص الثابتة والديناميكية الممتازة مجتمعة، وانخفاض مستوى الضوضاء، فريدة من نوعها بين جميع المحامل الهوائية الأخرى. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

تصاميم متنوعة

تتوفر محامل الهواء القياسية مع تركيبات متنوعة لربطها في نظام واحد:

• محامل للتوصيل المرن بدبابيس كروية. هذا التصميم للمحامل الهوائية القياسية متوفر عادةً في السوق.
• محامل ذات وصلة عالية الصلابة بدلاً من وصلة الكرة التقليدية. باستخدام هذا الإصدار، تكون صلابة النظام بأكمله أعلى بكثير.
• محامل مزودة بمكبس مدمج للتحميل المسبق للتوجيهات المحددة بشكل ثابت.
• بالإضافة إلى ذلك، توجد أيضًا محامل مستطيلة ذات تركيب ثابت (بدون وصلات) لتوجيهات ذات صلابة عالية لتحقيق أعلى دقة أو أعلى ديناميكية.
• علاوة على ذلك، توجد أيضاً محامل هوائية مزودة بتفريغ مدمج أو تحميل مغناطيسي مسبق، ومحامل هوائية تتحمل درجات حرارة عالية تزيد عن 400  درجة مئوية، بالإضافة إلى محامل مصنوعة من مواد بديلة. ^{[ 12 ] [ 10 ]}

• تشغيلٌ خالٍ من التآكل، ومتانةٌ عالية. تعمل المحامل الهوائية دون تلامس، وبالتالي دون احتكاك . الاحتكاك الوحيد ينتج عن تدفق الهواء بين أسطح المحمل. لذا، فإن متانة المحامل الهوائية غير محدودة إذا صُممت وحُسبت بدقة. أما محامل الأسطوانات ومحامل الاحتكاك، فتُظهر درجة احتكاك عالية عند استخدامها بسرعات أو تسارعات عالية، مما يُسبب حلقة تغذية راجعة إيجابية حيث يُقلل الاحتكاك العالي من الدقة، مما يُؤدي بدوره إلى تآكل أكبر، وصولاً إلى تعطلها في النهاية.
• التوجيه، والتكرارية، ودقة تحديد الموضع. في إنتاج الرقائق الإلكترونية وعند تحديد الموضع في المرحلة النهائية،  يجب تحقيق دقة تكرارية تتراوح بين 1 و2 ميكرومتر باستخدام جهاز ربط الأسلاك. أما في جهاز ربط الرقائق،  فيجب تحقيق دقة تصل إلى 5 ميكرومتر. مع هذه الدقة، تصل محامل الأسطوانات إلى حدها الفيزيائي دون تسارع منخفض. في المرحلة النهائية (الطباعة الحجرية)، تُستخدم محامل هوائية.
• ميزة التكلفة والتكرار. عند استخدامها بشكل متسلسل، يمكن أن تتمتع محامل الغاز بميزة التكلفة مقارنة بمحامل الأسطوانات: إن إنتاج مغزل عالي التردد موجه بالأسطوانات - وفقًا لأحد المصنعين - أغلى بنحو 20٪ من المغازل الموجهة بالهواء.
• النقاء البيئي. نظرًا لعدم حاجتها إلى استخدام الزيت للتشحيم وانعدام الاحتكاك، تُعدّ محامل الغاز مناسبة للتطبيقات التي تتطلب الحد الأدنى من تلوث سائل التشغيل. وهذا جانب بالغ الأهمية في صناعة الأدوية، ومعالجة الوقود النووي ، وتصنيع أشباه الموصلات، ودورات تحويل الطاقة.

• الاهتزاز الذاتي. في محامل الانزلاق، قد يظهر الاهتزاز الذاتي بعد تجاوز سرعة معينة، نتيجةً لصلابة التداخل وانخفاض التخميد في تزييت الغاز. قد يؤدي هذا الاهتزاز إلى عدم استقرار المحمل الغازي، مما يُهدد عمله. لذا، تتطلب ضمانات التشغيل الآمن ضمن نطاق السرعة المطلوب حسابات ديناميكية دقيقة. يُعرف هذا النوع من عدم الاستقرار باسم "الدوامة بنصف السرعة"، ويؤثر بشكل خاص على المحامل الديناميكية الهوائية.
• دقة التصنيع العالية. لضمان تحمل الأحمال الكافية وتجنب عدم الاستقرار المذكور سابقًا، يلزم وجود دقة عالية في الخلوص بين أسطح المحامل. تتراوح الخلوصات النموذجية المطلوبة بين 5  و50  ميكرومتر لكل من المحامل الديناميكية الهوائية والمحامل الهوائية الثابتة. ونتيجة لذلك، فإن تصنيع المحامل الهوائية مكلف.
• بيئة نظيفة. نظرًا لصغر خلوصها، فإن المحامل المشحمة بالغاز حساسة لوجود الجسيمات والغبار في البيئة (في حالة المحامل الديناميكية الهوائية) والغاز المضغوط خارجيًا (المحامل الهوائية الساكنة).

^{[ 13 ] [ 14 ]}

محرك سكين عالي التردد موجه بالهواء

حتى بالنسبة للحركات التي تسبب ضرراً بسبب التآكل المدمر في محامل الأسطوانات، فإن عمر أنظمة القيادة غير محدود.

شاحن توربيني موجه بالهواء

لتعزيز الثقة ولإجراء الدراسات الأولية، تم تحويل الشاحن التوربيني التقليدي الموجه بالزيت إلى شاحن موجه بالهواء. أما بالنسبة للنسخة المستقبلية، فسيكون من المفيد للغاية الاستفادة من نتائج الحلول ذات درجات الحرارة العالية، والمنتجات ذات الإنتاج الضخم (تكاليف الإنتاج المثبتة)، والمغازل عالية التردد (الخبرة العملية في مجال الديناميكا).

محمل هوائي لجهاز الفحص

فيما يتعلق بقياس الرقاقات والألواح المسطحة، من الضروري وضع شريحة الاستشعار بدقة متناهية ودون أي تلامس مع السطح. لذا، تُدمج الشريحة مباشرةً في سطح المحمل. الحد الأقصى المسموح به لتفاوت المسافة عن السطح، والذي يُشير إلى تغير فجوة المحمل الهوائي، أقل من 0.5  ميكرومتر. عند وضع المحمل الهوائي مع شريحة الاستشعار، يجب الحرص على عدم ملامستهما لسطح الرقاقة المراد قياسها. أما بالنسبة للحركة الرأسية، فيُستخدم مكبس هوائي، وهو موجه بالهواء لضمان دقة التكرار. كما يُمكن ضبط التحميل المسبق للمحمل الهوائي، وبالتالي ارتفاع الفجوة، باستخدام هذا المكبس.

ظرف تثبيت مزود بمحرك رفع مدمج

لإجراء الاختبارات الكهربائية للرقاقات، يمكن رفع ظرف التثبيت بسلاسة تامة حتى 3  مم. قوة التلامس اللازمة للمسبار قابلة للتعديل ولا تعتمد على شوط الرفع. يعتمد محرك الرفع على محرك ملف صوتي، ويتم التوجيه بواسطة الهواء المضغوط. يحد مكبس هوائي موجه بالهواء المضغوط بين ظرف التثبيت ومحرك الرفع من قوة التلامس.

مرحلة القياس الدقيق

يُمكّن الهيكل الدقيق من إجراء قياسات ضوئية لإنتاج  رقائق 300 نانومتر بدقة فائقة تقل عن 1  نانومتر. وقد صُممت محامل الهواء خصيصًا لتقليل استهلاك الهواء إلى أدنى حد مع الحفاظ على أعلى صلابة.

محرك دوبلر عالي التسارع

يدعم محرك دوبلر عالي التسارع ويوجه مرآة من ألياف الكربون (سطحية)(500  مم × 250  مم ) بتسارع يصل إلى300  م/ث² ^وحركة مرنة ذات دقة عالية. يتكون الحل من محرك موجه بالهواء: الشعاع (طولهيبلغ طولها 900  مم ، وهي مثبتة على المرآة، ومصنوعة من ألياف الكربون، وتحمل مغناطيسات المحركات الخطية. لا تتحرك الكابلات/الأنابيب (المحرك، والمحمل الهوائي، ونظام القياس) لتجنب التلف الناتج عن دورات التحميل العالية. المحامل الهوائية غير حساسة تمامًا للتغيرات الهندسية الناتجة عن تغير درجة الحرارة. ^{[ 15 ]}

محرك لآلة الإنتاج

إلى جانب الأداء، تُعدّ الموثوقية بالغة الأهمية لآلة الإنتاج. صُمّم نظام التوجيه الهوائي بحيث يكون مُحدّدًا بشكل ثابت. يُحقق المحرك الخطي ذو القلب الحديدي ومحامل المكبس التحميل المسبق لمحامل الهواء. وبذلك، يسهل تجميع نظام القيادة ولا يتأثر بالتغيرات الهندسية، على سبيل المثال، الناتجة عن تأثيرات درجة الحرارة أو وضع الآلات. ^{[ 16 ]}

تم تحقيق محركات خالية من الدهون والزيوت لأجهزة التنفس، وحركات خالية من الالتصاق والانزلاق للماسحات الضوئية، أو سرعة دوران عالية للدوارات الكبيرة باستخدام محامل الهواء.

التصوير المقطعي المحوسب الموجه بالهواء

سرعة دوران عالية (> 5.5  هرتز / 330 دورة في الدقيقة)، تكاليف تشغيل منخفضة، انعدام الضوضاء، قطر داخلي كبير للدوار (> 1  متر)، وزن خفيف للدوار والإطار، إمكانية إمالة الدوار، بالإضافة إلى موثوقية عالية. إلى جانب الدفع المباشر، يُمكن استخدام الدفع بالحزام أيضًا.

في المقام الأول، تتطلب هذه التقنية حركات سلسة خالية من الالتصاق والانزلاق، أو قوى ضئيلة للغاية. وتُعدّ تقنية المحامل الهوائية مثالية للحركات الديناميكية العالية الخالية من الدهون/الزيوت، والتي تتميز بأشواط قصيرة.

محمل هوائي لضبط المكونات

باستخدام وحدات التوجيه الهوائي، يمكن ترتيب المكونات البصرية بحيث يكون لها نفس القطر على طاولة دوارة. يطفو المحمل الهوائي، المزود بتحميل مسبق فراغي وارتفاع ثابت لفجوة المحمل، دون تلامس فوق الطاولة الدوارة.

منزلق ضبط لإنتاج البصريات

يضمن المنزلق الخطي، الموجه بالهواء والمحدد استاتيكيًا، تحديد موضع المكون البصري بدقة عالية قبل عملية الصقل. تتم عملية المحاذاة الذاتية دون احتكاك أو قوة. عند تثبيت المكون، فإنه يحافظ على موضعه لمواصلة التصنيع بدقة تصل إلى أجزاء من الميكرومتر.

نظام الانزلاق المغناطيسي الهوائي

عند نقل الألواح الشمسية للأقمار الصناعية في صاروخ الإطلاق، يجب طيها. بعد الوصول إلى المدار، تُفتح الألواح تلقائيًا بواسطة آلية زنبركية، دون وزن أو احتكاك. تتطلب هذه العملية اختبارًا مسبقًا على الأرض لضمان موثوقيتها. خلال تصميم الاختبار، تُعلق الألواح الشمسية على محامل هوائية مغناطيسية مُحمّلة مسبقًا لتعويض تأثير الجاذبية. وبذلك، تتم عملية الفتح بأقل قدر من الاحتكاك، مما يعني اختبار الألواح الشمسية في ظروف تحاكي الواقع. علاوة على ذلك، يوفر التصميم سهولة تامة في التعامل دون الحاجة إلى صيانة، مع حركات متسلسلة متساوية.  تتميز مكونات المحامل الهوائية (قطرها 34 مم) المزودة بمغناطيسات مدمجة بصغر حجمها، مما يسمح لها بالانزلاق بسلاسة ودون تلامس على ألواح الصفائح الملفوفة التقليدية، مع ارتفاع فجوة يبلغ حوالي 25  ميكرومتر. يبلغ متوسط ​​قوة تثبيت المحمل الهوائي للوح شمسي واحد 600 نيوتن. تتحقق هذه القوة من خلال توزيع متساوٍ للحمل على 16 عنصرًا من عناصر المحامل الهوائية. صُممت عملية فتح الألواح الشمسية لمساحة 21  مترًا × 2.5 متر. يمكن استخدام نظام التوجيه المغناطيسي الدائم المحمل مسبقًا بالهواء في العديد من أنواع حركات النقل المعلقة وكذلك في العديد من التطبيقات الأخرى، مثل على سبيل المثال لتحديد موضع المكونات بدون انزلاق أثناء التجميع.

^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}