‘Glasachtige’ NASA-tandwielen houden robots draaiend zonder smeermiddel

Onderzoekers van het NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië (VS) willen een ‘beter tandwiel’ gaan bouwen. De tandwielen zullen gebruikt gaan worden in precisie-robotica voor ruimtereizen.

Goede tandwielen zijn essentieel bij het bouwen van robots, vooral als hier hoge eisen aan gesteld worden. Tandwielen van lage kwaliteit kunnen voor onnodige trillingen of haperingen zorgen. Iets wat je niet wilt als jouw robot lichtjaren ver weg een schepje zand of een rots moet vastpakken.

BMG - de weg naar een beter tandwiel

Techneut Douglas Hofmann en zijn team zijn in Pasadena druk bezig met het bouwen van een ‘beter tandwiel’. Hofmann heeft recent twee onderzoeken gepubliceerd naar tandwielen, vervaardigd uit bulk metallisch glas (BMG), een speciaal ontworpen legering met eigenschappen die ideaal toepasbaar zijn in de robotica.

“Hoewel BMG al een tijdje worden onderzocht, is het nog moeilijk te doorgronden hoe dit te ontwerpen en te implementeren is in structurele hardware”, aldus Hofmann. “Ons onderzoeks- en engineeringteam van JPL, heeft in samenwerking met Calltech en UC San Diego eindelijk de nodige tests gedaan met BMG om de mogelijke voordelen voor NASA ruimtevaartuigen te demonstreren.”

Metallisch glas?

Hoe kan een materiaal nu tegelijkertijd een metaal zijn en een glassoort? Het geheim zit hem in de atoomstructuur. Metalen hebben een geordende, kristallijne structuur, maar eenmaal verhit tot het smeltpunt wordt het metaal vloeibaar en verliezen de atomen deze ordening. Koel het geheel snel genoeg af (ongeveer 1000 graden Celcius per seconde) en je kunt deze niet-kristallijne structuur behouden.

Het resulterende metaal heeft een niet-kristallijne microstructuur, ook wel een ‘amorfe’ structuur genoemd. Deze metalen vallen onder de noemer ‘amorfe metalen’ of ‘metallisch glas’.

Door de snelle koeling is het metaal namelijk in essentie een glasachtig materiaal. Het kan gemakkelijk vloeien en geblazen worden indien verhit, net als vensterglas. Als dit glasachtige materiaal in delen van meer dan 1 millimeter wordt vervaardigd heet het ‘bulk’ metallisch glas, oftewel ‘BMG’.

Het perfecte tandwiel

Wat BMG-tandwielen zo aantrekkelijk maakt voor de ruimtevaart is de lage smelttemperatuur van het materiaal. Hierdoor kunnen onderdelen via spuitgietprocessen worden vervaardigd, zoals in de kunststofindustrie ook wel gebruikelijk is, maar dan met veel hogere sterkte en slijtvastheid dan kunststof.

Volgens Hofmann kunnen tandwielen gemaakt van BMG ‘koud en droog draaien’. Eerste tests laten een sterke torsie zien en een vloeiende draaiing zonder smeermiddel, zelfs bij -200 graden Celcius. Voor robots die naar bevroren planeten worden gestuurd is dit een enorm en energiebesparend voordeel. De Mars-rover bijvoorbeeld moet nu nog energie gebruiken om een smeermiddel op te warmen, iedere keer als de rover wil gaan bewegen. Ook wordt BMG niet bros bij extreme koude, wat NASA’s interesse in dit materiaal verklaart.

Voor meer informatie over Hofmann’s onderzoek kun je onderstaande link bezoeken.

http://scienceandtechnology.jpl.nasa.gov/metallurgy-facility

bron: NASA