Verre métallique en vrac, un alliage métallique, ne se fragilise pas par grand froid. Cela rend le matériau parfait pour la robotique exploitée dans l'espace ou sur des planètes glacées. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Lancer une balle de baseball, et vous pourriez dire que tout est dans le poignet.
Pour les robots, tout est dans les engrenages.
Les engrenages sont essentiels pour la robotique de précision. Ils permettent aux membres de tourner en douceur et de s'arrêter sur commande; les engrenages de mauvaise qualité provoquent des secousses ou des tremblements des membres. Si vous concevez un robot pour prélever des échantillons ou saisir un rebord, le type d'engrenages dont vous aurez besoin ne viendra pas d'une quincaillerie.
Au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, le technologue Douglas Hofmann et ses collaborateurs construisent un meilleur équipement. Hofmann est l'auteur principal de deux articles récents sur les engrenages en verre métallique en vrac (BMG), un alliage spécialement conçu avec des propriétés qui le rendent idéal pour la robotique.
« Bien que les BMG soient explorés depuis longtemps, comprendre comment les concevoir et les mettre en œuvre dans le matériel structurel s'est avéré insaisissable, " a déclaré Hofmann. " Notre équipe de chercheurs et d'ingénieurs au JPL, en collaboration avec des groupes de Caltech et UC San Diego, ont finalement soumis les BMG aux tests nécessaires pour démontrer leurs avantages potentiels pour les vaisseaux spatiaux de la NASA. Ces matériaux peuvent être en mesure de nous offrir des solutions de mobilité dans des environnements sévères, comme sur la lune Europe de Jupiter."
Recette pour l'équipement parfait
Comment ce matériau mystérieux peut-il être à la fois un métal et un verre ? Le secret réside dans sa structure atomique. Les métaux ont une organisation, disposition cristalline. Mais si vous les chauffez dans un liquide, ils fondent et les atomes deviennent aléatoires. Refroidissez-les assez rapidement - environ 1, 832 degrés Fahrenheit (1, 000 degrés Celsius) par seconde et vous pouvez piéger leur non cristallin, forme "liquide" en place.
Cela produit un arrangement aléatoire d'atomes avec un amorphe, ou microstructure non cristalline. Cette structure donne à ces matériaux leurs noms communs :« métaux amorphes, " ou du verre métallique.
En raison d'être refroidi si rapidement, le matériau est techniquement un verre. Il peut couler facilement et être moulé par soufflage lorsqu'il est chauffé, tout comme le verre à vitre. Lorsque ce matériau vitreux est produit en parties supérieures à environ quatre dixièmes de pouce (1 millimètre), ça s'appelle du verre métallique "en vrac", ou BMG.
Les verres métalliques ont été développés à l'origine à Caltech à Pasadena, Californie, en 1960. Depuis, ils ont été utilisés pour tout fabriquer, des téléphones portables aux clubs de golf.
Un exemple d'engrenage à ondes de contrainte, également connu sous le nom d'entraînement harmonique - l'un des types d'engrenages les plus chers utilisés dans la robotique de haute précision. Au fur et à mesure que l'engrenage tourne, l'anneau flexible à l'intérieur serre, devenir une forme ovale. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Qu'est-ce qui rend ces engrenages parfaits pour l'espace?
Parmi leurs qualités attractives, Les BMG ont des températures de fusion basses. qui permet de couler des pièces grâce à la technologie de moulage par injection, similaire à ce qui est utilisé dans l'industrie des plastiques, mais avec une résistance et une résistance à l'usure beaucoup plus élevées. Les BMG ne se fragilisent pas non plus par grand froid, un facteur qui peut conduire à la rupture des dents d'un engrenage. Cette dernière qualité rend le matériau particulièrement utile pour les types de robotique réalisés au JPL.
Hofmann a déclaré que les engrenages fabriqués à partir de BMG peuvent « fonctionner à froid et à sec » :les tests initiaux ont démontré un couple élevé et une rotation en douceur sans lubrifiant, même à -328 degrés Fahrenheit (-200 degrés Celsius). Pour les robots envoyés dans des paysages gelés, cela peut être un avantage en termes d'économie d'énergie. Le rover Mars Curiosity de la NASA, par exemple, dépense de l'énergie pour chauffer le lubrifiant à graisse chaque fois qu'il doit se déplacer.
"Être capable de faire fonctionner des engrenages à la basse température des lunes glaciales, comme Europe, est un changeur de jeu potentiel pour les scientifiques, " a déclaré R. Peter Dillon, un technologue et gestionnaire de programme au sein du groupe de développement des matériaux et de technologie de fabrication de JPL. « Il n'est plus nécessaire de siphonner la puissance des instruments scientifiques pour chauffer le lubrifiant de la boîte de vitesses, qui préserve l'énergie précieuse de la batterie."
Des engrenages qui tournent en douceur tout en réduisant les coûts
Le deuxième article dirigé par Hofmann a examiné comment les BMG pourraient réduire le coût de fabrication des engrenages à ondes de contrainte. Ce type d'engin, qui comprend un anneau métallique qui fléchit lorsque l'engrenage tourne, est difficile à produire en masse et omniprésent dans les robots coûteux.
Non seulement les BMG permettent à ces engrenages de fonctionner à basse température, mais ils peuvent également être fabriqués à une fraction du coût de leurs versions en acier sans sacrifier les performances. Cela change potentiellement la donne pour réduire le coût des robots qui utilisent des engrenages à ondes de contrainte, car ils sont souvent leur partie la plus chère.
"La production en série d'engrenages à ondes de contrainte utilisant des BMG peut avoir un impact majeur sur le marché de la robotique grand public, " a déclaré Hofmann. "Cela est particulièrement vrai pour les robots humanoïdes, où les engrenages dans les articulations peuvent être très coûteux mais sont nécessaires pour éviter de secouer les bras. Les performances à basse température des engins spatiaux et des rovers JPL semblent être un avantage supplémentaire heureux. »
L'article publié par Matériaux d'ingénierie avancés s'est penché sur la conception et le test des engrenages BMG pour les réducteurs planétaires. Il comprenait des collaborateurs de Caltech et UC San Diego. L'article publié dans Rapports scientifiques examine comment les BMG peuvent être utilisés pour réduire le coût des engrenages à ondes de contrainte. Il comprenait également des collaborateurs de Caltech.
Le projet Bulk Metallic Glass Gears est financé par le programme de développement de changement de jeu de la direction de la mission de technologie spatiale de la NASA, qui étudie des idées et des approches qui pourraient résoudre d'importants problèmes technologiques et révolutionner les futurs efforts spatiaux.
