Per affrontare il problema dell'abbinamento dei materiali per le diverse parti di un robot, è necessario considerare i requisiti funzionali fondamentali di ciascuna parte (come la resistenza all'usura dei giunti, il guscio leggero e il basso attrito nel sistema di trasmissione), combinati con le caratteristiche prestazionali del materiale (come l'elevata resistenza del PEEK e la facilità di lavorazione di PC/ABS) e i costi di commercializzazione, per raggiungere un equilibrio ottimale tra prestazioni, peso e costi. Oggi esploriamo con AHD quali materiali sono adatti alle diverse parti di un robot.
I. Giunti: il "campo di battaglia fondamentale" tra elevata resistenza all'usura, basso attrito e design leggero
I giunti sono i "mozzi" del movimento del robot e devono resistere al movimento alternativo ad alta frequenza, ai carichi continui e all'usura per attrito. I requisiti principali sono: elevata resistenza all'usura, basso coefficiente di attrito, struttura leggera e stabilità dimensionale.
1. Materiale preferito: PEEK (polietereterchetone)
Abbinamento delle prestazioni: il PEEK è un "guerriero esagonale" tra i tecnopolimeri, dotato di elevata resistenza (resistenza alla trazione ≈ 100 MPa), basso coefficiente di attrito (0,15-0,25), resistenza alle alte temperature (temperatura operativa a lungo termine ≈ 250 ℃) e basso assorbimento di umidità (tasso di assorbimento d'acqua < 0,1%), soddisfacendo perfettamente i requisiti di resistenza all'usura e stabilità dei giunti.
2. Materiale supplementare: PEEK rinforzato con fibra di carbonio (CF/PEEK)
Aggiornamento delle prestazioni: per le articolazioni ad alto carico (come le articolazioni dell'anca e del ginocchio), l'utilizzo di PEEK rinforzato con fibra di carbonio (contenuto di fibra di carbonio ≈ 30%) può migliorare la resistenza (resistenza alla trazione ≈ 120 MPa) e la rigidità (modulo ≈ 10 GPa) mantenendo la resistenza all'usura del PEEK.
Lastra riempita di carbonio AHD PEEK
3. Bilancio dei costi: POM (poliossimetilene)
Scenari applicabili: per giunti non centrali a basso carico (come giunti del polso e delle dita), è possibile selezionare POM (poliossimetilene). Il POM ha un'elevata rigidità (resistenza alla trazione ≈ 60 MPa), un basso coefficiente di attrito (0,1-0,2) e caratteristiche di facile lavorazione, e il suo costo è solo 1/5 del PEEK, rendendolo adatto alla produzione di massa.
II. Shell: una soluzione equilibrata per design leggero, protezione ed estetica
Il guscio è l'"indumento esterno" del robot e richiede tre funzioni chiave: leggerezza (riduzione del peso complessivo), protezione (resistenza agli urti e resistenza alla corrosione) ed estetica (bello e in linea con il linguaggio del design).
1. Materiale preferito: lega PC/ABS
Abbinamento delle prestazioni: la lega PC/ABS (policarbonato + acrilonitrile-butadiene-stirene) è il "re del rapporto costo-efficacia", combinando l'elevata resistenza agli urti del PC (resistenza agli urti con intaglio ≈ 60 kJ/m²) con la facilità di lavorazione dell'ABS (ciclo di stampaggio a iniezione breve). Inoltre ha una bassa densità (≈1,1 g/cm³), che lo rende adatto alla creazione di gusci con forme complesse (come il busto e gli arti).
2. Opzione di fascia alta: polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP)
Aggiornamento delle prestazioni: per i robot di fascia alta (come robot umanoidi e robot medici), è necessaria una leggerezza ancora maggiore, rendendo il polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) un'opzione praticabile. Il CFRP ha solo la metà della densità della lega di alluminio ma cinque volte la resistenza, consentendo un design del guscio "leggero ma resistente".
3. Protezione migliorata: PPS (polifenilene solfuro).
Scenari applicabili: per i robot che operano in ambienti difficili (come robot chimici e subacquei), il guscio esterno deve essere resistente alla corrosione e alle alte temperature. È possibile selezionare PPS (polifenilene solfuro). Il PPS ha una migliore resistenza alla corrosione chimica (resistenza ad acidi, alcali e solventi organici) rispetto all'acciaio inossidabile e la sua temperatura operativa a lungo termine è di circa 200 ℃, rendendolo adatto alla produzione di gusci protettivi (come i bracci dei robot chimici).
Foglio di polifenilene solfuro AHD
III. Sistema di trasmissione: il "nucleo della trasmissione di potenza": basso attrito, elevata rigidità e resistenza alla fatica
Il sistema di trasmissione è il "collegamento di potenza" di un robot, che richiede una trasmissione di potenza efficiente (basso attrito), elevata rigidità (per evitare deformazioni) e resistenza alla fatica (per un funzionamento stabile a lungo termine). I requisiti fondamentali sono: basso coefficiente di attrito, elevata rigidità e resistenza alla fatica.
1. Materiale preferito: PEEK (polietereterchetone)
Abbinamento delle prestazioni: il basso coefficiente di attrito del PEEK (0,15-0,25) e l'elevata rigidità (modulo ≈ 3,6 GPa) lo rendono un "materiale ideale" per i sistemi di trasmissione. Ad esempio, gli ingranaggi in PEEK hanno una perdita di attrito inferiore del 50% rispetto agli ingranaggi in metallo e possiedono anche resistenza alla fatica, rendendoli adatti alla produzione di componenti di trasmissione di precisione.
2. Materiale supplementare: POM (poliossimetilene)
Scenari applicabili: per i sistemi di trasmissione a basso carico (come le trasmissioni congiunte nei robot collaborativi), è possibile selezionare POM (poliossimetilene). Il basso coefficiente di attrito del POM (0,1-0,2) e l'elevata rigidità (resistenza alla trazione ≈ 60 MPa) lo rendono adatto alla produzione di ingranaggi, cuscinetti e altri componenti, a solo 1/5 del costo del PEEK, rendendolo adatto alla produzione di massa.
3. Opzione di fascia alta: riduttore cicloidale PEEK
Aggiornamento delle prestazioni: per i sistemi di trasmissione a carico elevato (come i giunti dell'anca dei robot industriali), è possibile utilizzare i riduttori cicloidali in PEEK. I riduttori cicloidali in PEEK combinano l'elevata precisione della trasmissione cicloidale con la natura leggera del PEEK, possedendo anche un'elevata rigidità, rendendoli adatti alla produzione di componenti di trasmissione ad alto carico e ad alto impatto (come riduttori per articolazioni dell'anca e del ginocchio).
V. Tendenze future: l'"integrazione" di materiali e intelligenza
Con lo sviluppo dell’industria della robotica, i materiali intelligenti diventeranno una direzione fondamentale per il futuro:
Materiali autoriparanti: come i compositi a base di poliuretano, che possono riempire automaticamente i graffi e prolungare la durata della vita del robot;
Materiali conduttivi: come il PA riempito con nanotubi di carbonio, che può incorporare sensori per ottenere un feedback tattile "a livello della pelle";
Materiali a base biologica: come il PEEK a base biologica, che riduce le emissioni di carbonio.
L'abbinamento dei materiali per le diverse parti di un robot deve basarsi su requisiti funzionali, tenendo conto delle caratteristiche prestazionali dei materiali e dei costi di commercializzazione per raggiungere l'equilibrio ottimale tra "prestazioni-peso-costo". In futuro, con lo sviluppo di materiali intelligenti e della tecnologia di stampa 3D, i materiali dei robot diventeranno più leggeri, più intelligenti e più rispettosi dell’ambiente, gettando le basi per la commercializzazione e la divulgazione dei robot.
Tubo colorato in fibra di carbonio
