Desde la imprenta hasta el motor a reacción, Las máquinas mecánicas con partes móviles han sido un pilar de la tecnología durante siglos. A medida que la industria estadounidense desarrolla sistemas mecánicos más pequeños, se enfrentan a desafíos más grandes:es más probable que las partes microscópicas se peguen y se desgasten cuando entran en contacto entre sí.

Para ayudar a que los sistemas microscópicos mecánicos (micromecánicos) funcionen de manera confiable para tecnologías avanzadas, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) están volviendo a lo básico, midiendo cuidadosamente cómo se mueven e interactúan las partes.

Por primera vez, Los investigadores del NIST han medido la transferencia de movimiento a través de las partes en contacto de un sistema microelectromecánico a escalas nanométricas y microradianes. Su sistema de prueba consistía en un enlace de dos partes, con el movimiento de un eslabón impulsando al otro. El equipo no solo resolvió el movimiento con una precisión récord, sino que también estudió su desempeño y confiabilidad.

Las lecciones aprendidas del estudio podrían afectar la fabricación y operación de varios sistemas micromecánicos, incluidos los interruptores de seguridad, insectos robóticos y plataformas de fabricación.

El movimiento de los sistemas micromecánicos es a veces demasiado pequeño:desplazamientos de solo unos pocos nanómetros, o una mil millonésima parte de un metro, con rotaciones correspondientemente pequeñas de unos pocos microrradianes, para que se resuelvan los métodos de medición existentes. Un microradián es el ángulo correspondiente a la longitud de un arco de unos 10 metros a lo largo de la circunferencia de la tierra.

"Ha habido una brecha entre la tecnología de fabricación y la metrología de movimiento; los procesos existen para fabricar sistemas mecánicos complejos con piezas microscópicas, pero el rendimiento y la confiabilidad de estos sistemas dependen del movimiento que ha sido difícil de medir. Estamos cerrando esa brecha "dijo Samuel Stavis, líder de proyecto en NIST.

"A pesar de lo simple que parece este sistema, nadie había medido cómo se mueve en las escalas de longitud y ángulo que investigamos, ", dijo el investigador Craig Copeland del NIST y la Universidad de Maryland." Antes de que los fabricantes comerciales puedan optimizar el diseño de sistemas más complejos, como interruptores microscópicos o motores, Es útil comprender cómo funcionan los sistemas relativamente simples en diversas condiciones ".

Las medidas, que los investigadores informan en Microsistemas y nanoingeniería , Confíe en la microscopía óptica para rastrear las características de la superficie en las partes móviles. El fabricante puede incorporar las características de la superficie durante el proceso de fabricación para que el sistema esté listo para la medición nada más salir de la fundición. O, los investigadores pueden aplicar nanopartículas fluorescentes al sistema después de la fabricación para mejorar la precisión. Los investigadores del NIST introdujeron este método de medición en un estudio anterior y han utilizado métodos relacionados para rastrear el movimiento y la interacción de otros sistemas pequeños. En tono rimbombante, la capacidad de rastrear simultáneamente el movimiento de múltiples partes en un sistema micromecánico permitió a los investigadores estudiar los detalles de la interacción.

En su experimento, los investigadores estudiaron la transferencia de movimiento a través de un enlace mecánico, que es un sistema de partes conectadas para controlar las fuerzas y el movimiento en las máquinas. El sistema de prueba tenía dos enlaces que se conectaban y desconectaban a través de una junta, que es el punto en el que los enlaces se aplican fuerzas entre sí. El calentamiento eléctrico y la expansión térmica de un eslabón impulsaron la rotación del otro eslabón alrededor de un pivote. Los investigadores desarrollaron un modelo de cómo debería moverse el sistema en condiciones ideales de funcionamiento, y utilizó ese modelo para comprender sus mediciones de cómo se movía el sistema en condiciones operativas prácticas. El equipo encontró que jugar en la articulación entre los enlaces, lo cual es necesario para permitir las tolerancias de fabricación y evitar que las piezas se atasquen, tuvo un papel central en el movimiento del sistema. Específicamente, la cantidad de juego fue un factor importante para determinar con precisión cómo se acoplaban y desacoplaban los enlaces, y cuán repetible podría ser esta transferencia de movimiento.

Siempre que la entrada eléctrica que impulsa el sistema esté relativamente libre de ruido, el sistema funcionó sorprendentemente bien, transfiriendo el movimiento de una parte a otra de manera muy consistente durante miles de ciclos operativos. "Era perfectamente repetible dentro de la incertidumbre de la medición, "dijo Copeland, "y razonablemente coherente con nuestro modelo ideal".

Eso es importante, él nota, porque algunos investigadores esperan que la fricción entre piezas pequeñas degradaría el rendimiento y la fiabilidad de dicho sistema. Muchos ingenieros incluso han abandonado la idea de fabricar sistemas micromecánicos con piezas móviles que hacen contacto, cambiar a sistemas micromecánicos con partes que se mueven flexionando para evitar el contacto entre sí.

Los resultados sugieren que los sistemas micromecánicos que transfieren el movimiento a través de partes en contacto "pueden tener aplicaciones poco exploradas, "dijo Stavis.

Sin embargo, los investigadores encontraron que cuando agregaban una cantidad normal de ruido eléctrico al mecanismo de conducción, el sistema se volvió menos confiable y no siempre logró transferir el movimiento de un enlace al otro. Más lejos, La exposición del sistema a la humedad atmosférica durante varias semanas hizo que las piezas se pegaran, aunque los investigadores pudieron soltarlos y hacer que se movieran nuevamente.

Estos hallazgos indican que si bien los sistemas micromecánicos tienen el potencial de transferir movimiento entre partes en contacto con un desempeño inesperadamente preciso, la señal de conducción y el entorno operativo son fundamentales para una salida de movimiento fiable.

El equipo ahora planea mejorar sus mediciones y extender su trabajo a sistemas más complejos con muchas partes móviles.

"Los sistemas micromecánicos tienen muchas aplicaciones comerciales potenciales, ", dijo Stavis." Creemos que las medidas innovadoras ayudarán a realizar ese potencial ".