Wrijvingloze precisie: van de ruimte tot horlogerie

Van je pols tot in een baan rond de zon, flexibele mechanismes — ook wel compliant mechanisms genoemd — zijn ontworpen om vele decennia te functioneren zonder onderhoud. Bij EPFL en CSEM werken onderzoekers aan dit soort mechanismen, die een brede waaier aan toepassingen kennen, onder andere in de ruimtevaart en in zeer precieze meetkunde.

In traditionele verbindingen komen twee of meer onderdelen samen om een mechanische beweging mogelijk te maken. Maar bewegende delen die in contact zijn met elkaar veroorzaken wrijving. “Wrijving is een groot probleem, en je kunt het niet voorkomen,” legt Gilles Feusier uit, docent in het ruimtevaarttechnologieprogramma van EPFL en hoofd technologie en wetenschap bij het EPFL Space Center.

Na verloop van tijd zorgt slijtage voor vuil, en dit kan ertoe leiden dat het mechanisme niet meer goed werkt. Daarom zijn smeermiddelen of vervangingsonderdelen essentieel. Maar dit onderhoud wordt een uitdaging wanneer deze mechanismen meer dan tien jaar onder extreme omstandigheden in een afgelegen omgeving zoals de ruimte moeten overleven.

Hier komen compliant mechanisms, of flexibele mechanismen, in beeld — in industrieën zoals de ruimtevaart of horlogerie. Hun elastische eigenschappen maken zeer precieze beweging mogelijk, terwijl verbindingen vermeden worden, waardoor wrijving wegvalt. “Compliant mechanisms hebben geen smeermiddel nodig en ondervinden geen slijtage. Dat is een groot voordeel,” zegt Feusier.

Ondanks hun hoge precisie hebben flexibele mechanismen ook beperkingen: ze kunnen geen perfecte rechte lijnen of cirkels uitvoeren, noch ongelimiteerde rotaties produceren zoals traditionele verbindingen dat kunnen. “Flexuren zijn beperkt tot uitslagen van ongeveer 40 graden voordat ze hun elastische limiet bereiken. Het is een uitdaging om verder te gaan dan dat,” zegt Simon Henein, universitair hoofddocent aan EPFL’s Micromechanical and Horological Design Laboratory (Instant-Lab). Aan de andere kant zorgt deze beperking voor duurzaamheid.

Zolang de rotatiehoek onder een bepaalde drempel blijft, lijden deze mechanismen niet aan materiaalmoeheid, waardoor de interne materiaalsstructuur behouden blijft — in theorie mogelijk voor een oneindig aantal cycli. “Deze mechanismen zijn uiterst betrouwbaar,” aldus Henein.

Prestaties verbeteren en gebruik uitbreiden

Een team onder leiding van Simon Henein en Florent Cosandier ontwerpt nieuwe typen flexuren die bestand zijn tegen hogere belastingen en grotere uitslagen. Ze zoeken ook manieren om de terugdrijvende kracht (de natuurlijke “terugsnap” van elastische materialen) te compenseren wanneer deze elementen verplaatst worden. “In tegenstelling tot ideale verbindingen, hebben flexuren de neiging terug te keren naar hun natuurlijke positie. Dus we moeten nieuwe manieren bedenken om deze kracht te overwinnen,” zegt Henein.

Een benadering maakt gebruik van ongewenste bewegingen die ontstaan door de complexe trajecten van de flexuren. Deze nieuwe techniek maakt het mogelijk om compliant mechanismen van hoge precisie toe te passen in robotica en ruimtevaartsystemen, zoals het richtingsmechanisme van toekomstige telescopen en de positionering van medische gantry’s.

Wetenschappers ontwikkelden ook een nieuw flexuur-gebaseerde oscillator met twee vrijheidsgraden, die een hoge robuustheid toont tegen externe lineaire en hoekversnellingen, waardoor hij geschikt is voor satellieten in een baan. Bovendien speelt EPFL een sleutelrol in grootschalige wetenschappelijke projecten zoals de Einstein-telescoop, een krachtig Europees detectie-instrument voor zwaartekrachtsgolven dat momenteel in ontwikkeling is. “De Einstein-telescoop zal functioneren bij cryogene temperaturen en zal extreem hoge bewegingsresolutie vereisen. Een perfecte omgeving voor compliant mechanismen,” aldus Henein.

Sommige van deze vooruitgangen worden vaak vertaald in patenten die EPFL aanbiedt via verschillende licentiemogelijkheden. “We doen ons onderzoek onafhankelijk, maar wanneer we goede ideeën hebben, patenteren we ze,” verklaart Henein. Het Technology Transfer Office (TTO) van EPFL biedt toegang tot deze patenten, en er zijn al elf patenten voortgekomen uit Instant-Lab, met een totaalinkomen van meer dan één miljoen Zwitserse franc, met uitkeringen aan de uitvinders, het lab en de instelling.

Flexuren construeren

Flexibele mechanismen kunnen vervaardigd worden uit verschillende materialen, waaronder staal, titanium en aluminium. Additieve processen zijn een krachtige techniek geworden om complexe componenten te genereren zonder assemblage en ingewikkelde fabricage. “Onderdelen samenstellen betekent materiaal toevoegen en gewicht, wat altijd een probleem is in de ruimte. Additive manufacturing is een voordeel omdat je de totale payload-massa kunt verminderen,” zegt Henein.

CSEM werkt nauw samen met EPFL aan de ontwikkeling van nieuwe compliant mechanismen. Daar gebruiken ingenieurs verschillende additieve fabricageprocessen, waaronder Laser Bed Powder Fusion (LPBF). Bij deze techniek wordt een laag poeder op een oppervlak aangebracht, en een laser verwarmt en smelt een deel dat het uiteindelijke metalen onderdeel vormt.

Emmanuel Onillon, Business Leader Instrumentation bij CSEM: “CSEM heeft uitgebreide expertise in additieve fabricage van complexe mechanismen met hoge precisie, dankzij de vele machines en strategieën voor parameteroptimalisatie. De faciliteiten hebben het mogelijk gemaakt om horlogeonderdelen te printen met nauwkeurige afmetingen en oppervlakafwerking, evenals hoogprecisiemechanismen voor satellieten,” zegt hij. “Sommige van deze mechanismen moeten rond de 100 micrometer zijn, zo dun als een mensenhaar. Het bereiken van deze dunheid blijft een uitdaging. We krijgen verzoeken van de Europese Ruimtevaartorganisatie die vereisen dat we onze procedures aanpassen.”

Van de ruimte naar horloges en de geneeskunde

Of het nu gaat om scannen, richten, kalibreren, bemonsteren, of stabiliseren van satellietinstrumenten en ladingen zoals camera’s en sensoren, compliant mechanismen zijn ideaal onder de zware omstandigheden van de ruimte. Hun intrinsieke voordelen omvatten weerstand tegen extreme temperatuurschommelingen, robuustheid in stoffige omgevingen, en een ontwerp met “oneindig leven” dankzij het ontbreken van slijtage.

Bovendien kunnen ze fungeren als effectieve dempingssystemen, trillingen absorberend in apparaten die extreme precisie vereisen, zoals inter-satelliet lasercommunicatiesystemen of de spiegels van telescopen.

“Als we zeer precieze richtingen willen bereiken, moeten we verstoringen corrigeren of filteren die gegenereerd worden door roterende apparatuur binnen de satelliet,” legt Fabrice Rottmeier uit, EPFL-alumnus en CTO van Almatech, een Zwitsers bedrijf gespecialiseerd in het leveren van kritieke hardware en engineeringdiensten voor de ruimtevaartsector.

Toch reiken de toepassingen van compliant mechanisms ver verder dan de ruimte. “In het biomedische veld is hun voornaamste voordeel hun monolithische ontwerp, wat sterilisatie eenvoudiger en efficiënter maakt. Deze eigenschap is evenzeer nuttig in planetair onderzoek, waar contaminatie strikt vermeden moet worden,” merkt Rottmeier op.

In de horlogerie wordt dezelfde technologie gewaardeerd voor haar precisie en lange termijn betrouwbaarheid, en loopt het vooruit in haar unieke mogelijkheid om van de polsen naar geavanceerde instrumenten die de geheimen van ons universum onthullen, te bewegen.