Шестерни марсоходов НАСА, как и большинство шестеренок на Земле, сделаны из стали, которая отличается прочностью и износостойкостью. Но стальные шестерни нуждаются в жидкой смазке, а масла плохо работают в холодных условиях, таких как поверхность Луны или Марса. Так, марсоход НАСА Curiosity, например, тратит около трех часов на разогрев смазки каждый раз, когда он готовится к запуску, используя около четверти дискреционной энергии, которая в противном случае могла бы быть использована для науки.
Стремясь решить эту и другие проблемы, связанные с материалами, в 2010 году JPL наняла Дуга Хофманна, в то время научного сотрудника Калифорнийского технологического института с опытом работы в области материаловедения и инженерии. НАСА профинансировало новое металлургическое предприятие в Лаборатории реактивного движения, чтобы изучить альтернативы зубчатым колесам и разработать новые металлические сплавы.
Источник: НАСА
Аморфные металлы
Со времен своей работы в Калифорнийском технологическом институте, который управляет JPL, Хофманн был знаком с новым классом специально разработанных материалов, называемых объемным металлическим стеклом, также известным как аморфные металлы. Это металлические сплавы, которые можно быстро охладить из жидкого состояния в твердое до того, как их атомы сформируют структуру кристаллической решетки, общую для всех других металлов. Вместо этого атомы расположены случайным образом, как у стекла, что придает материалам свойства как стекла, так и металла.
В зависимости от составляющих их элементов – часто включая цирконий, титан и медь – они могут быть очень прочными, в то же время они не кристаллические, а эластичны. Большинство композиций также образуют твердую гладкую поверхность из оксида кремния, пояснил Хофманн, отметив, что вместе эти свойства обеспечивают шестерням из некоторых аморфных металлов длительный срок службы без смазки.
В настоящее время ожидается, что в Лунной развертываемой руке, работающей в холодном режиме (COLDArm), разработанной совместно JPL и компанией Motiv Space Systems для лунных миссий, будут использоваться массивные металлические стеклянные шестерни для работы при температурах до минус 290 градусов по Фаренгейту без необходимости использования источник тепла.
Литье для недорогих деталей роботов
Но у аморфных металлов есть еще одно свойство, которое делает их привлекательными для зубчатых колес на Земле.
«Эти сплавы разработаны с учетом низких температур плавления, потому что для изготовления металлического стекла необходимо охладить сплав быстрее, чем он может кристаллизоваться”, – сказал Хофманн.
Эта низкая температура плавления вместе с их собственной прочностью и тем фактом, что их объем практически не изменяется при затвердевании, делает массивные металлические стекла более удобными для использования при литье под давлением, что может значительно снизить стоимость изготовления таких деталей, как шестерни.
Большинство высокопрочных металлов имеют высокие температуры плавления. Их нельзя отливать с помощью форм, потому что в расплавленном виде они просто расплавят форму. А сталь нужно прокатывать или ковать для ее усиления, что также исключает формование. Итак, шестерни обычно начинаются со стальных заготовок, которые «обрабатываются» – режутся, шлифуются, фрезеруются и просверливаются – до их окончательной формы. Крошечные шестеренки, например, для маленьких коботов, особенно сложны и дороги.
Гибкие шестеренки
Источник: НАСА
Самый сложный и дорогой компонент шестерни для обработки из стального блока – один из самых распространенных в роботизированных манипуляторах: flexspline, чрезвычайно тонкостенная, гибкая чашка с зубчатым ободом. Это центральный элемент так называемого зубчатого механизма с волновой деформацией, который обеспечивает лучшую точность, более высокий крутящий момент и меньший люфт, чем другие зубчатые передачи. Это исключает ошибки позиционирования, которые могут возникнуть в роботизированной конечности с несколькими суставами.
«Это очень странно выглядящее устройство, если вы никогда его не видели, но это сердце и душа высокоточного робота», – отметил Хофманн.
По словам Хофманна, именно здесь формование из аморфных металлов обещает наибольшую экономию: оно стоит примерно вдвое дешевле, чем обработка стальных зубчатых колес с волной деформации.
Не только шестерни для роботов
Формование небольших высокопроизводительных планетарных шестерен и зубчатых передач с деформационной волной стало основным бизнес-планом компании Amorphology, которую Хофманн соучредил в 2014 году. Через Caltech компания получила лицензию на несколько патентов на технологию, которую он разработал для НАСА.
Тем временем он и его коллеги продолжали поиск новых материалов для космических кораблей как в металлургической лаборатории, так и в Центре аддитивного производства JPL. Ряд патентов и технологий привели Хофманна к основанию второй дочерней компании, специализирующейся на использовании аморфных металлов в покрытиях, 3D-печати и других приложениях, не связанных с зубчатыми передачами. Оба были поддержаны одной и той же группой венчурного капитала, и в 2020 году они объединились под названием Amorphology, объединив около 30 патентов и патентных заявок на технологию от JPL.
Хофманн отметил, что шестерни, которые могут работать без смазки, также представляют интерес для таких предприятий, как производство продуктов питания, где смазочные материалы могут стать загрязняющими веществами.
Между тем, многие другие патенты компании на технологию JPL – все они лицензированы Калтехом – вероятно, еще далеки от коммерциализации, хотя они относятся к областям, вызывающим большой интерес. Среди них – новые сплавы и передовые технологии 3D-печати металлов, от аддитивного производства термическим напылением до ультразвуковой сварки.
NASA успешно испытало ракету, которая будет доставлять людей на Луну
