Um das Problem der Materialanpassung für verschiedene Teile eines Roboters anzugehen, müssen die grundlegenden Funktionsanforderungen jedes Teils (z. B. Gelenkverschleißfestigkeit, leichte Schale und geringe Reibung im Übertragungssystem) in Kombination mit den Leistungsmerkmalen des Materials (z. B. der hohen Festigkeit von PEEK und der einfachen Verarbeitung von PC/ABS) und den Kommerzialisierungskosten berücksichtigt werden, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Gewicht und Kosten zu erreichen. Lassen Sie uns heute mit AHD untersuchen, welche Materialien für verschiedene Teile eines Roboters geeignet sind.
I. Gelenke: Das „Kernschlachtfeld“ hoher Verschleißfestigkeit, geringer Reibung und Leichtbauweise
Gelenke sind die „Naben“ der Roboterbewegung und müssen hochfrequenten Hin- und Herbewegungen, Dauerbelastungen und Reibungsverschleiß standhalten. Die Kernanforderungen sind: hohe Verschleißfestigkeit, niedriger Reibungskoeffizient, Leichtbauweise und Formstabilität.
1. Bevorzugtes Material: PEEK (Polyetheretherketon)
Leistungsanpassung: PEEK ist ein „sechseckiger Krieger“ unter den technischen Kunststoffen. Er verfügt über eine hohe Festigkeit (Zugfestigkeit ≈ 100 MPa), einen niedrigen Reibungskoeffizienten (0,15–0,25), eine hohe Temperaturbeständigkeit (langfristige Betriebstemperatur ≈ 250℃) und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme (Wasseraufnahmerate < 0,1 %), wodurch er die Verschleißfestigkeits- und Stabilitätsanforderungen von Verbindungen perfekt erfüllt.
2. Ergänzungsmaterial: Kohlefaserverstärktes PEEK (CF/PEEK)
Leistungssteigerung: Bei hochbelasteten Gelenken (wie Hüft- und Kniegelenken) kann die Verwendung von kohlenstofffaserverstärktem PEEK (Kohlenstofffaseranteil ≈ 30 %) die Festigkeit (Zugfestigkeit ≈ 120 MPa) und Steifigkeit (Modul ≈ 10 GPa) verbessern und gleichzeitig die Verschleißfestigkeit von PEEK beibehalten.
AHD PEEK Carbon gefüllte Platte
3. Kostenbilanz: POM (Polyoxymethylen)
Anwendbare Szenarien: Für nicht zum Kern gehörende Gelenke mit geringer Belastung (z. B. Handgelenk- und Fingergelenke) kann POM (Polyoxymethylen) ausgewählt werden. POM verfügt über eine hohe Steifigkeit (Zugfestigkeit ≈ 60 MPa), einen niedrigen Reibungskoeffizienten (0,1–0,2) und einfache Verarbeitungseigenschaften. Die Kosten betragen nur 1/5 von PEEK, wodurch es für die Massenproduktion geeignet ist.
II. Schale: Eine ausgewogene Lösung für leichtes Design, Schutz und Ästhetik
Die Hülle ist das „äußere Kleidungsstück“ des Roboters und erfordert drei Schlüsselfunktionen: Leichtgewicht (Reduzierung des Gesamtgewichts), Schutz (Schlagfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit) und Ästhetik (schön und im Einklang mit der Designsprache).
1. Bevorzugtes Material: PC/ABS-Legierung
Leistungsanpassung: Die PC/ABS-Legierung (Polycarbonat + Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist der „König der Kosteneffizienz“ und kombiniert die hohe Schlagzähigkeit von PC (Kerbschlagzähigkeit ≈ 60 kJ/m²) mit der einfachen Verarbeitung von ABS (kurzer Spritzgusszyklus). Es hat außerdem eine geringe Dichte (≈1,1 g/cm³) und eignet sich daher für die Herstellung von Schalen mit komplexen Formen (z. B. Rumpf und Gliedmaßen).
2. High-End-Option: Kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK)
Leistungssteigerung: Für High-End-Roboter (wie humanoide Roboter und medizinische Roboter) ist ein noch höherer Leichtbau erforderlich, was kohlenstofffaserverstärktes Polymer (CFRP) zu einer praktikablen Option macht. CFK hat nur die halbe Dichte einer Aluminiumlegierung, aber die fünffache Festigkeit, was ein „leichtes und dennoch stabiles“ Schalendesign ermöglicht.
3. Verbesserter Schutz: PPS (Polyphenylensulfid).
Anwendbare Szenarien: Für Roboter, die in rauen Umgebungen arbeiten (z. B. Chemie- und Unterwasserroboter), muss die Außenhülle korrosionsbeständig und hochtemperaturbeständig sein. PPS (Polyphenylensulfid) kann ausgewählt werden. PPS verfügt über eine bessere chemische Korrosionsbeständigkeit (Beständigkeit gegen Säuren, Laugen und organische Lösungsmittel) als Edelstahl und seine Langzeitbetriebstemperatur beträgt etwa 200 °C, wodurch es sich für die Herstellung von Schutzhüllen (z. B. Armschalen von Chemierobotern) eignet.
AHD-Polyphenylensulfid-Blatt
III. Übertragungssystem: Der „Kern der Kraftübertragung“ – geringe Reibung, hohe Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit
Das Getriebesystem ist das „Kraftglied“ eines Roboters und erfordert eine effiziente Kraftübertragung (geringe Reibung), eine hohe Steifigkeit (um Verformungen zu vermeiden) und Ermüdungsbeständigkeit (für einen langfristig stabilen Betrieb). Die Kernanforderungen sind: niedriger Reibungskoeffizient, hohe Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
1. Bevorzugtes Material: PEEK (Polyetheretherketon)
Leistungsanpassung: Der niedrige Reibungskoeffizient (0,15–0,25) und die hohe Steifigkeit (Modul ≈ 3,6 GPa) von PEEK machen es zu einem „idealen Material“ für Übertragungssysteme. Beispielsweise haben PEEK-Zahnräder einen um 50 % geringeren Reibungsverlust als Metallzahnräder und verfügen außerdem über Ermüdungsbeständigkeit, wodurch sie sich für die Herstellung von Präzisionsgetriebekomponenten eignen.
2. Ergänzungsmaterial: POM (Polyoxymethylen)
Anwendbare Szenarien: Für Übertragungssysteme mit geringer Belastung (z. B. Gelenkübertragungen in kollaborativen Robotern) kann POM (Polyoxymethylen) ausgewählt werden. Aufgrund des niedrigen Reibungskoeffizienten (0,1–0,2) und der hohen Steifigkeit (Zugfestigkeit ≈ 60 MPa) eignet sich POM für die Herstellung von Zahnrädern, Lagern und anderen Komponenten zu nur einem Fünftel der Kosten von PEEK, wodurch es für die Massenproduktion geeignet ist.
3. High-End-Option: PEEK-Zykloidenreduzierer
Leistungssteigerung: Für hochbelastete Übertragungssysteme (wie die Hüftgelenke von Industrierobotern) können PEEK-Zykloidenreduzierer verwendet werden. Zykloidengetriebe aus PEEK vereinen die hohe Präzision der Zykloidenübertragung mit der Leichtigkeit von PEEK und verfügen gleichzeitig über eine hohe Steifigkeit, wodurch sie sich für die Herstellung von Übertragungskomponenten mit hoher Belastung und hoher Stoßbelastung (z. B. Reduziergetriebe für Hüft- und Kniegelenke) eignen.
V. Zukunftstrends: Die „Integration“ von Materialien und Intelligenz
Mit der Entwicklung der Robotikindustrie werden intelligente Materialien zu einer zentralen Richtung für die Zukunft:
Selbstheilende Materialien: etwa Verbundwerkstoffe auf Polyurethanbasis, die Kratzer automatisch füllen und die Lebensdauer des Roboters verlängern können;
Leitfähige Materialien: etwa mit Kohlenstoffnanoröhren gefülltes PA, in das Sensoren eingebettet werden können, um eine taktile Rückmeldung „auf Hautebene“ zu erreichen;
Biobasierte Materialien: wie biobasiertes PEEK, das den Kohlenstoffausstoß reduziert.
Die Abstimmung der Materialien für verschiedene Teile eines Roboters muss auf funktionalen Anforderungen basieren und dabei die Leistungsmerkmale der Materialien und die Kommerzialisierungskosten berücksichtigen, um das optimale Gleichgewicht zwischen „Leistung, Gewicht und Kosten“ zu erreichen. Mit der Entwicklung intelligenter Materialien und der 3D-Drucktechnologie werden Robotermaterialien in Zukunft leichter, intelligenter und umweltfreundlicher und legen damit den Grundstein für die Kommerzialisierung und Popularisierung von Robotern.
Buntes Kohlefaserrohr
