Il mondo in espansione della miniaturizzazione

Ray Chalmers | 22 dicembre 2022

Contemplando i crescenti esempi di miniaturizzazione nel mondo della progettazione e della produzione dei prodotti viene in mente il detto: “La forma segue la funzione”. In un numero crescente di casi, le forme rimpicciolite costituiscono sempre meno un ostacolo formidabile al miglioramento delle funzioni. Alcune ovvie categorie industriali che stanno beneficiando maggiormente dalla miniaturizzazione dei componenti e dalla riduzione del peso di motori, ingranaggi, attuatori, controlli di movimento, sensori e altro ancora sono la robotica mobile, le scienze della vita (soprattutto dove il dispositivo può essere impiantato o trasportato dall'utente), mercati aerospaziali, militari e dei trasporti. L’impatto potenziale sull’umanità è enorme.

Peter van Beek, Business Development Manager presso maxon (specialista in sistemi di azionamento con sede in Svizzera), afferma che per la sua azienda il limite della miniatura è compreso tra 4 e 8 mm di diametro. "I componenti utilizzati per questi diametri sono considerati miniaturizzati", afferma. "La produzione di pezzi di queste dimensioni è principalmente realizzata su misura poiché le tecniche di lavorazione classiche non sono possibili."

Secondo van Beek, maxon ha iniziato molti anni fa con applicazioni da 6 mm, ma i progetti iniziali non soddisfacevano le aspettative di maxon. “Ora, dopo 15 anni di ulteriori miglioramenti progettuali, questo stesso gruppo di trasmissione presenta solidi valori di coppia e velocità. Le tecnologie degli avvolgimenti e dei magneti sono migliorate con conseguente maggiore potenza in uscita. Anche le coppie multipolari hanno aumentato la coppia per questo motore.

In breve, tutto deve riunirsi in un progetto per ottenere energia sufficiente dai piccoli dispositivi, aggiunge van Beek. L'attrito deve essere ridotto al minimo anche a velocità fino a 100.000 giri/min. I partner di scivolamento (due materiali) devono essere compatibili. Ciò potrebbe comportare trattamenti superficiali sugli acciai per migliorare la microstruttura superficiale, l’uso di ceramica o interfacce gemma su gemma. Per le parti accoppiate dinamiche, maxon analizza e seleziona i materiali accoppiati ottimali combinati con la migliore durezza e ruvidità superficiale.

Procyrion e maxon collaborano da diversi anni allo sviluppo della pompa ematica intra-aortica Aortix, attualmente in fase di valutazione in studi clinici. Un cardiologo preleva l'aorta, che misura solo ~6 mm di diametro e 6,5 cm di lunghezza, tramite un catetere introdotto nell'arteria femorale e fatto avanzare nell'aorta toracica discendente. Una volta retratta la guaina del catetere, i montanti autoespandibili in nichel-titanio si dispiegano per stabilizzare l'ingresso della pompa al centro dell'aorta. Aortix accelera una parte del flusso sanguigno nativo del corpo all'interno della pompa e lo spinge attraverso le porte di trascinamento del fluido dirette a valle. Il dispositivo aiuta a mantenere il flusso aortico nativo, trasferendo energia al sistema cardiovascolare e quindi riposando il cuore e aumentando il flusso sanguigno ai reni e ad altri organi. In un modello preclinico di insufficienza cardiaca cronica, Aortix ha ridotto il consumo energetico richiesto dal cuore del 39% aumentandone la produzione del 14%, consentendo potenzialmente al cuore di funzionare in modo più efficiente e possibilmente incoraggiando la riabilitazione e il recupero cardiaco. In condizioni simili, Aortix ha aumentato la pressione sanguigna e il flusso sanguigno dell’arteria renale di oltre il 30%. Questo beneficio può aiutare nel trattamento dell’insufficienza cardiaca, in cui i reni svolgono un ruolo importante.

L'azionamento che alimenta Aortix è il motore brushless EC da 6 mm di maxon con cavi elettrici, lunghezza dell'albero e cuscinetti personalizzati. maxon ha inoltre progettato un alloggiamento biocompatibile a forma di siluro per il motore. Il design integrato di motore, pompa e flusso sanguigno attraverso la pompa è stato concepito per consentire alla pompa di funzionare per lunghi periodi nel sangue. In questo modello, il motore e la pompa a girante sono accoppiati magneticamente consentendo il montaggio del motore all'interno di una camera ermeticamente sigillata mentre la pompa a girante è a diretto contatto con il sangue pompato. La disposizione delle pompe ad accoppiamento magnetico è un metodo talvolta utilizzato per pompe giganti nel settore petrolifero, ma grazie alla vasta esperienza di maxon in diversi settori, l'azienda è stata in grado di aiutare il team Procyrion a trasferire con successo questa tecnologia a un'applicazione medica su scala miniaturizzata.