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May 12, 2023

Par Lisa Eitel | 10 juillet 2018

Désormais, un nouvel actionneur utilise des faisceaux de fils SMA en alliage nickel-titane spécialisé pour un mouvement linéaire fiable.

Dean Pick, ing. • Président | Automatisation de la cinétique

Les alliages à mémoire de forme (SMA) sont les matériaux qui réagissent aux changements de température en modifiant le facteur de forme. Initialement financées par l'US Navy, les technologies SMA ont été commercialisées pour la première fois par Raychem Corp. (maintenant de TE Connectivity) dans les années 1950. Mais la nature imprévisible des premières versions matérielles s'est avérée un défi. Ainsi, au fil des décennies, les fabricants ont cherché (avec un succès mitigé) des moyens d'améliorer la durabilité, la cohérence et l'applicabilité des conceptions basées sur SMA.

Les valeurs nominales de force et de course peuvent être utilisées pour sélectionner le modèle d'actionneur Kinitics Automation approprié, et les ingénieurs concepteurs peuvent configurer les actionneurs pour qu'ils fonctionnent avec une myriade de sources d'alimentation afin d'adapter le temps de réponse à l'application (et pour la compatibilité avec l'infrastructure existante).

Désormais, une nouvelle offre de mouvement linéaire basée sur SMA utilise un matériau SMA avancé pour un mouvement reproductible et prévisible. Le fabricant regroupe des fils en SMA et les ancre à un boîtier d'actionneur. Le courant à travers le SMA (électriquement résistif) génère cette chaleur; lorsqu'ils sont réchauffés au-delà d'une température de transition, les atomes des fils se réalignent sur une autre structure cristalline. Cela entraîne une contraction du fil lorsqu'il est chauffé et une réextension lorsqu'il est refroidi, ce qui à son tour permet une sortie de mouvement linéaire.

Les actionneurs Kinitics Automation utilisent un alliage à mémoire de forme nickel-titane (le NiTi dans Kinitics) dans un agencement de fils en faisceau. Les actionneurs répondent mieux à certaines applications que d'autres technologies de mouvement linéaire. Sur la droite, notez à quel point les configurations des actionneurs Kinitics Automation sont plus simples que les systèmes hydrauliques comparables.

En fait, ce comportement réversible rend les actionneurs à fil SMA adaptés à un éventail d'applications de mouvement, y compris celles sur les axes de machine à cycles élevés. La tige est la seule pièce mobile, de sorte que l'actionneur ne présente aucun jeu ou pente mécanique, quel que soit le nombre de cycles. La recherche et les tests ont fourni des informations quantitatives standard de l'industrie sur les actionneurs linéaires pour permettre l'application aux conceptions de mouvement du monde réel.

Kinitics Automation Bundled Wire connecte plusieurs fils SMA à un piston à l'intérieur de l'actionneur. La connexion directe de la disposition des câbles entre le corps du vérin et la tige assure résistance et durabilité. Lors de l'application d'électricité (chaleur), les fils se raccourcissent et déplacent la tige de l'actionneur. Pour le contrôle qualité et les tests MTBF, Kinitics Automation gère un laboratoire qui comprend plusieurs dynamomètres à fil qui ont enregistré plus de 2 millions de cycles sur des morceaux uniques de fil SMA.

Kinitics Automation Bundled Wire est une technologie exclusive d'assemblage et de connexion de fils en alliage à mémoire de forme (SMA) dans un réseau dense. La technologie Bundled Wire confère aux actionneurs linéaires Kinitics Automation SMA un rapport résistance/taille élevé. De plus, il conserve une surface de fil élevée pour permettre des temps de course vers l'avant en seulement 200 msec (ou moins) et des cycles complets en moins de 5 secondes. Lorsqu'elle est connectée à une pompe à piston, comme illustré ici, la technologie peut être appliquée à des applications hydrauliques.

Voici comment un actionneur linéaire SMA fonctionne sur un cycle de course linéaire :

1. Au cours d'une phase de course initiale, l'actionneur linéaire SMA à fils groupés utilise l'énergie électrique pour déplacer un piston vers une extrémité fixe. La quantité de puissance appliquée dicte la vitesse du piston.

2.Ensuite, lors d'une phase de maintien optionnelle, le piston peut maintenir sa position pendant un temps déterminé.

3. Ensuite, pendant la phase de retour, l'actionneur linéaire SMA à fils groupés utilise le transfert de chaleur et la polarisation de force pour ramener le piston à la position d'origine. Le taux de refroidissement et la quantité de force de sollicitation dictent la vitesse du piston.

Pour les ingénieurs concepteurs développant des axes de machine nécessitant un positionnement ou un contrôle de force, l'actionneur linéaire Kinitics Automation est une nouvelle option. Lorsqu'il est associé à un contrôleur Kinitics (tel que le KCA020), un signal d'entrée de contrôleur analogique peut moduler le gain de l'actionneur. Alternativement, le contrôleur Kinitics peut également accepter un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour piloter dynamiquement l'actionneur. La combinaison d'un actionneur et d'un contrôleur Kinitics avec un capteur de retour et un contrôleur d'usine donne un système de mouvement en boucle fermée. Les programmeurs peuvent tirer parti de la réactivité linéaire de l'actionneur lors de l'élaboration de leur stratégie de contrôle. Il est généralement possible d'utiliser un bloc de fonction PI et d'éliminer le besoin de développer des programmes complexes d'ordre élevé.

En ajoutant des capteurs de rétroaction et un contrôleur à la conception, les ingénieurs de conception peuvent même obtenir des actionneurs linéaires SMA à fils groupés pour produire des profils de mouvement complexes… et un positionnement précis et un contrôle de la force. Pour ce dernier, un contrôleur d'entraînement spécialisé régule l'entrée de courant pour contrôler le mouvement linéaire précis de la sortie.

Bien qu'elles sortent du cadre de cet article, les variantes de l'agencement SMA à fils groupés pour le fonctionnement de la pompe à piston peuvent fournir un contrôle précis de la pression, un contrôle de la température de refoulement et un contrôle du déplacement volumétrique.

Lorsqu'ils sont utilisés pour le positionnement, les actionneurs linéaires SMA à fils groupés Kinitics produisent une exactitude et une précision reproductibles à moins de 5 µm (0,0002 po). Voici les caractéristiques de performance d'un actionneur linéaire KLA05 SMA fonctionnant sur une entrée de 120 Vca pour déplacer 725 N (163 lbƒ) sur trois positions. En limitant le gain du contrôleur KCA020 (comme entre les étapes un et deux illustrées ici), il est également possible de contrôler le taux d'accélération.

Comment les actionneurs linéaires SMA se comparent aux conceptions traditionnelles

Les actionneurs linéaires SMA à fils groupés sont uniques à l'industrie du mouvement linéaire : ils n'utilisent pas de moteurs ou de champs magnétiques pour générer de la force. Au lieu de cela, la technologie utilise un alliage à mémoire de forme pour générer du mouvement. Ils sont souvent moins coûteux que les moteurs électriques de taille comparable. De plus, les actionneurs linéaires SMA évitent certains des problèmes de bruit électrique des arrangements électromagnétiques et le bruit acoustique des dispositifs mécaniques tels que les boîtes de vitesses. En fait, les actionneurs linéaires SMA à fils groupés fonctionnent sans composants de transmission de puissance tels que les boîtes de vitesses et les vis à billes pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire.

Parce qu'il s'agit d'une nouvelle technologie, les actionneurs linéaires SMA défient les classifications traditionnelles des conceptions de mouvement traditionnelles.

La meilleure façon de résumer l'actionneur linéaire SMA à fils groupés est de le décrire comme une option à course courte à force élevée - évolutive jusqu'à environ 2 000 N ou environ 500 lb de force. Les courses sont de 10 mm ou environ 0,375 po. Les applications appropriées sont celles qui nécessitent des courses courtes avec un positionnement exceptionnellement précis. Au MD&M West 2018 à Anaheim, en Californie, une démonstration a montré un petit actionneur linéaire SMA à fils groupés soulevant et abaissant avec précision 160 lb de plaques de musculation en métal - pour positionner le poids à moins de 5 mm.

Un tel mouvement linéaire n'est pas possible avec la plupart des autres technologies.

Solénoïdes offrent d'excellentes courses "bang-bang" tout ou rien - comme dans les vannes à clapet pour les applications de traitement des fluides, par exemple. Ces soupapes ont besoin de beaucoup de force pour agir sur le ressort en maintenant la pression pendant l'état statique. En revanche, l'actionnement linéaire en alliage à mémoire de forme peut servir à faire fonctionner de telles installations comme des vannes proportionnelles… car contrairement aux solénoïdes, les commandes peuvent entraîner l'actionneur dans n'importe quelle position pour contrôler le débit.

Les actionneurs linéaires SMA à fils groupés peuvent également fonctionner comme positionneurs (pour concurrencer les technologies piézoélectriques) dans certains cas. Les longueurs de course dépassent celles depiézos, de sorte que les ingénieurs de conception qui ont besoin de plus de 0,1 mm - disons jusqu'à 10 mm - peuvent envisager l'actionnement SMA à fils groupés comme une option.

Les applications ici incluent le positionnement fin des tables d'usinage, des instruments à miroir et d'autres applications qui nécessitent autrement la précision et la précision des actionneurs piézo mais avec une portée plus longue.

Lorsque les longueurs de course sont courtes, les actionneurs SMA sont même en concurrence avecconfigurations d'actionneurs à mouvement linéaire traditionnels qui associent un moteur électrique rotatif à un dispositif mécanique rotatif-linéaire. L'élimination du mouvement perdu, du jeu et des surfaces d'usure des accouplements, des boîtes de vitesses et d'autres composants mécaniques permet une plus grande précision ainsi qu'une durée de vie plus longue. Les applications potentielles ici incluent celles de la robotique et de l'électronique grand public, des installations CVC et des dispositifs médicaux.

Automatisation de la cinétique | www.kiniticsautomation.com

Le concept d'entraînement direct de la technologie SMA à fils groupés de Kinitics Automation est né d'une application automobile au sein de la société sœur Biperformance Development Corp. (ShiftFX). En bref, ShiftFX voulait construire une commande d'embrayage optimisée pour les motos capable d'agir comme un maître-cylindre - essentiellement une pompe à piston.

"Les technologies conventionnelles - en particulier les actionneurs à vis à billes - n'avaient pas une densité de puissance suffisante pour faire le travail dans l'espace alloué dans l'empreinte de la moto", a déclaré Dean Pick, président de Kinitics Automation. "Nous sommes donc tombés sur la technologie des alliages à mémoire de forme et avons commencé cinq ans de travaux de R&D sur les adaptations. À cette époque, personne ne l'avait appliquée avec succès à une application de mouvement linéaire."

Dean Pick dans le laboratoire : Pour le contrôle qualité et les tests MTBF, Kinitics Automation gère un laboratoire qui comprend plusieurs dynamomètres à fil qui ont enregistré plus de 2 millions de cycles sur des morceaux de fil SMA.

En fait, Pick conduit des motos et a servi de cobaye de test pour de nombreuses premières utilisations par Kinitics Automation des produits en alliage à mémoire de forme. Une fois perfectionnée, l'équipe de Kinitics a réalisé que la technologie pourrait être utile pour d'autres applications linéaires dans d'autres industries. Alors maintenant, il a établi une famille entière d'actionneurs linéaires et de pompes à piston SMA.