Le monde en expansion de la miniaturisation

Ray Chalmers | 22 décembre 2022

Considérer les exemples croissants de miniaturisation dans le monde de la conception et de la production de produits nous rappelle l’adage « La forme suit la fonction ». Dans un nombre croissant de cas, les formes rétrécies constituent de moins en moins un obstacle redoutable à l'amélioration des fonctions. Certaines catégories industrielles évidentes qui bénéficient le plus de la miniaturisation des composants et de la réduction du poids des moteurs, des engrenages, des actionneurs, des commandes de mouvement, des capteurs, etc. sont la robotique mobile, les sciences de la vie (en particulier lorsque le dispositif peut être implanté ou transporté par l'utilisateur), marchés de l'aérospatiale, de l'armée et des transports. L’impact potentiel sur l’humanité est énorme.

Peter van Beek, directeur du développement commercial chez maxon (spécialiste des systèmes d'entraînement basé en Suisse), affirme que pour son entreprise, le seuil de la miniature se situe entre 4 et 8 mm de diamètre. « Les composants utilisés pour ces diamètres sont considérés comme miniaturisés », précise-t-il. « La fabrication de pièces de ces tailles est principalement réalisée sur mesure, car les techniques d'usinage classiques ne sont pas possibles. »

Selon van Beek, maxon a commencé avec des applications en 6 mm il y a de nombreuses années, mais les conceptions initiales n'ont pas répondu aux attentes de maxon. « Aujourd'hui, après 15 ans d'améliorations supplémentaires en matière de conception, ce même ensemble d'entraînement présente des valeurs de couple et de vitesse solides. Les technologies de bobinage et d’aimant se sont améliorées, ce qui a permis d’augmenter la puissance de sortie. Les paires multipolaires ont également augmenté le couple pour ce moteur.

En bref, tout doit être réuni dans une conception pour tirer suffisamment de puissance des petits appareils, ajoute van Beek. La friction doit être minimisée même à des vitesses allant jusqu'à 100 000 tr/min. Les partenaires de glisse (deux matériaux) doivent être compatibles. Cela pourrait impliquer des traitements de surface sur les aciers pour améliorer la microstructure de la surface, l'utilisation de céramiques ou des interfaces gemme sur gemme. Pour les pièces à accouplement dynamique, maxon analyse et sélectionne les matériaux optimaux associés aux meilleures duretés et rugosités de surface.

Procyrion et maxon travaillent en collaboration depuis plusieurs années pour développer la pompe sanguine intra-aortique Aortix, qui est actuellement évaluée dans le cadre d'essais cliniques. Un cardiologue administre l'Aortix, qui mesure seulement environ 6 mm de diamètre et 6,5 cm de longueur, via un cathéter introduit dans l'artère fémorale et avancé jusqu'à l'aorte thoracique descendante. Une fois la gaine du cathéter rétractée, les entretoises auto-extensibles en nickel-titane se déploient pour stabiliser l'entrée de la pompe au centre de l'aorte. L'aorte accélère une partie du flux sanguin natif du corps à l'intérieur de la pompe et la pousse à travers les ports d'entraînement des fluides dirigés vers l'aval. L'appareil aide à maintenir le flux aortique natif, à transférer de l'énergie au système cardiovasculaire et ainsi à reposer le cœur et à augmenter le flux sanguin vers les reins et d'autres organes. Dans un modèle préclinique d'insuffisance cardiaque chronique, Aortix a réduit la consommation d'énergie requise par le cœur de 39 % tout en augmentant sa production de 14 %, permettant potentiellement au cœur de fonctionner plus efficacement et encourageant éventuellement la rééducation et la récupération cardiaques. Dans des conditions similaires, Aortix a augmenté la pression artérielle et le débit de l’artère rénale de plus de 30 %. Cet avantage peut aider à traiter l’insuffisance cardiaque, dans laquelle les reins jouent un rôle majeur.

Le moteur qui alimente Aortix est le moteur EC 6 mm sans balais de maxon avec des câbles électriques, une longueur d'arbre et des roulements personnalisés. maxon a également conçu un boîtier biocompatible en forme de torpille pour le moteur. La conception intégrée du moteur, de la pompe et du flux sanguin à travers la pompe a été conçue pour permettre à la pompe de fonctionner pendant de longues périodes dans le sang. Dans cette conception, le moteur et la pompe à turbine sont couplés magnétiquement, ce qui permet au moteur d'être monté à l'intérieur d'une chambre hermétiquement fermée tandis que la pompe à turbine est en contact direct avec le sang pompé. L'agencement de pompes à couplage magnétique est une méthode parfois utilisée pour les pompes géantes dans les champs pétrolifères, mais grâce à l'étendue de l'expérience de maxon dans plusieurs secteurs, l'entreprise a pu aider l'équipe Procyrion à transférer avec succès cette technologie vers une application médicale à échelle miniature.