Van de drukpers tot de straalmotor, mechanische machines met bewegende delen zijn al eeuwenlang een steunpilaar van de technologie. Terwijl de Amerikaanse industrie kleinere mechanische systemen ontwikkelt, ze staan ​​voor grotere uitdagingen - microscopisch kleine onderdelen zullen eerder aan elkaar plakken en verslijten wanneer ze contact met elkaar maken.

Om microscopische mechanische (micromechanische) systemen betrouwbaar te laten presteren voor geavanceerde technologieën, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) gaan terug naar de basis, zorgvuldig meten hoe onderdelen bewegen en op elkaar inwerken.

Voor de eerste keer, de NIST-onderzoekers hebben de overdracht van beweging gemeten door de contacterende delen van een micro-elektromechanisch systeem op nanometer- en microradiale schalen. Hun testsysteem bestond uit een tweedelige koppeling, waarbij de beweging van de ene schakel de andere aandrijft. Het team loste de beweging niet alleen met recordprecisie op, maar bestudeerde ook de prestaties en betrouwbaarheid ervan.

De lessen die uit het onderzoek zijn getrokken, kunnen van invloed zijn op de fabricage en werking van verschillende micromechanische systemen, inclusief veiligheidsschakelaars, robotachtige insecten en productieplatforms.

De beweging van micromechanische systemen is soms te klein - verplaatsingen van slechts enkele nanometers, of een miljardste van een meter, met overeenkomstig kleine omwentelingen van een paar microradiaal-voor bestaande meetmethoden op te lossen. Eén microradiaal is de hoek die overeenkomt met de lengte van een boog van ongeveer 10 meter langs de omtrek van de aarde.

"Er is een kloof geweest tussen fabricagetechnologie en bewegingsmetrologie - de processen bestaan ​​om complexe mechanische systemen te vervaardigen met microscopisch kleine onderdelen, maar de prestaties en betrouwbaarheid van deze systemen zijn afhankelijk van beweging die moeilijk te meten is. We dichten die kloof, " zei Samuël Stavis, een projectleider bij NIST.

"Hoe eenvoudig dit systeem ook lijkt, niemand had gemeten hoe het beweegt op de lengte- en hoekschalen die we hebben onderzocht, " zei onderzoeker Craig Copeland van NIST en de Universiteit van Maryland. "Voordat commerciële fabrikanten het ontwerp van complexere systemen zoals microscopische schakelaars of motoren kunnen optimaliseren, het is nuttig om te begrijpen hoe relatief eenvoudige systemen onder verschillende omstandigheden werken."

De maten, waarover de onderzoekers rapporteren Microsystemen en nano-engineering , vertrouw op optische microscopie om oppervlaktekenmerken op de bewegende delen te volgen. De fabrikant kan de oppervlaktekenmerken tijdens het fabricageproces inbouwen, zodat het systeem direct vanuit de gieterij meetklaar is. Of, de onderzoekers kunnen na fabricage fluorescerende nanodeeltjes op het systeem aanbrengen voor verbeterde precisie. NIST-onderzoekers introduceerden deze meetmethode in een eerdere studie en hebben gerelateerde methoden gebruikt om de beweging en interactie van andere kleine systemen te volgen. belangrijk, de mogelijkheid om tegelijkertijd de beweging van meerdere onderdelen in een micromechanisch systeem te volgen, stelde de onderzoekers in staat om de details van de interactie te bestuderen.

In hun experiment hebben de onderzoekers bestudeerden de overdracht van beweging door een mechanische koppeling, dat is een systeem van onderling verbonden onderdelen om krachten en bewegingen in machines te beheersen. Het testsysteem had twee schakels die verbonden en losgekoppeld werden via een verbinding, dat is het punt waarop de schakels krachten op elkaar uitoefenen. De elektrische verwarming en thermische uitzetting van de ene schakel dreef de rotatie van de andere schakel rond een spil. De onderzoekers ontwikkelden een model van hoe het systeem zou moeten bewegen onder ideale bedrijfsomstandigheden, en gebruikten dat model om hun metingen te begrijpen van hoe het systeem bewoog onder praktische bedrijfsomstandigheden. Het team ontdekte dat speling in de verbinding tussen de schakels, wat nodig is om fabricagetoleranties mogelijk te maken en te voorkomen dat de onderdelen vastlopen, speelde een centrale rol in de beweging van het systeem. specifiek, de hoeveelheid speling was een belangrijke factor om te bepalen hoe de koppelingen precies werden gekoppeld en ontkoppeld, en hoe herhaalbaar deze overdracht van beweging zou kunnen zijn.

Zolang de elektrische ingang die het systeem aandrijft relatief vrij was van ruis, het systeem werkte verrassend goed, het overbrengen van de beweging van het ene onderdeel naar het andere zeer consistent gedurende duizenden bedrijfscycli. "Het was perfect herhaalbaar binnen de meetonzekerheid, " zei Copeland, "en redelijk consistent met ons ideale model."

Dat is belangrijk, hij merkt op, omdat sommige onderzoekers verwachten dat de wrijving tussen kleine onderdelen de prestaties en betrouwbaarheid van een dergelijk systeem zou verminderen. Veel ingenieurs hebben zelfs afgezien van het idee om micromechanische systemen te maken van bewegende delen die contact maken, overschakelen naar micromechanische systemen met onderdelen die bewegen door te buigen om contact met elkaar te vermijden.

De resultaten suggereren dat micromechanische systemen die beweging overbrengen via contact makende delen "onderontwikkelde toepassingen kunnen hebben, ' zei Stavis.

Echter, de onderzoekers ontdekten dat wanneer ze een normale hoeveelheid elektrische ruis aan het aandrijfmechanisme toevoegden, het systeem werd minder betrouwbaar en slaagde er niet altijd in om beweging van de ene schakel naar de andere over te brengen. Verder, blootstelling van het systeem aan luchtvochtigheid gedurende enkele weken zorgde ervoor dat de onderdelen aan elkaar plakten, hoewel de onderzoekers ze konden losbreken en weer in beweging krijgen.

Deze bevindingen geven aan dat hoewel micromechanische systemen het potentieel hebben om beweging over te dragen tussen contactmakende delen met onverwacht nauwkeurige prestaties, het stuursignaal en de werkomgeving zijn van cruciaal belang voor de betrouwbare uitvoer van beweging.

Het team is nu van plan om hun metingen te verbeteren en hun werk uit te breiden naar complexere systemen met veel bewegende delen.

"Micromechanische systemen hebben veel potentiële commerciële toepassingen, " zei Stavis. "We denken dat innovatieve metingen zullen helpen om dat potentieel te realiseren."