Aby rozwiązać problem dopasowania materiałów dla różnych części robota, należy wziąć pod uwagę podstawowe wymagania funkcjonalne każdej części (takie jak odporność na zużycie połączeń, lekka obudowa i niskie tarcie w układzie przeniesienia napędu) w połączeniu z charakterystyką materiału (taką jak wysoka wytrzymałość PEEK i łatwość przetwarzania PC/ABS) oraz kosztami komercjalizacji, aby osiągnąć optymalną równowagę między wydajnością, wagą i kosztami. Dzisiaj zbadamy z AHD, które materiały są odpowiednie dla różnych części robota.
I. Przeguby: „Podstawowe pole bitwy” charakteryzujące się wysoką odpornością na zużycie, niskim tarciem i lekką konstrukcją
Przeguby to „piasty” ruchu robota, które muszą wytrzymywać ruchy posuwisto-zwrotne o wysokiej częstotliwości, ciągłe obciążenia i zużycie spowodowane tarciem. Podstawowe wymagania to: wysoka odporność na zużycie, niski współczynnik tarcia, lekka konstrukcja i stabilność wymiarowa.
1. Preferowany materiał: PEEK (polieteroeteroketon)
Dopasowanie wydajności: PEEK to „sześciokątny wojownik” wśród tworzyw konstrukcyjnych, charakteryzujący się wysoką wytrzymałością (wytrzymałość na rozciąganie ≈ 100 MPa), niskim współczynnikiem tarcia (0,15-0,25), odpornością na wysokie temperatury (długotrwała temperatura pracy ≈ 250℃) i niską absorpcją wilgoci (współczynnik wchłaniania wody < 0,1%), doskonale spełniając wymagania dotyczące odporności na zużycie i stabilności złączy.
2. Materiał dodatkowy: PEEK wzmocniony włóknem węglowym (CF/PEEK)
Zwiększenie wydajności: W przypadku stawów pod dużym obciążeniem (takich jak stawy biodrowe i kolanowe) zastosowanie PEEK wzmocnionego włóknem węglowym (zawartość włókna węglowego ≈ 30%) może poprawić wytrzymałość (wytrzymałość na rozciąganie ≈ 120 MPa) i sztywność (moduł ≈ 10GPa) przy jednoczesnym zachowaniu odporności PEEK na zużycie.
Arkusz wypełniony węglem AHD PEEK
3. Bilans kosztów: POM (polioksymetylen)
Obowiązujące scenariusze: W przypadku stawów innych niż rdzeniowe o niskim obciążeniu (takich jak stawy nadgarstków i palców) można wybrać POM (polioksymetylen). POM charakteryzuje się dużą sztywnością (wytrzymałość na rozciąganie ≈ 60 MPa), niskim współczynnikiem tarcia (0,1-0,2) i łatwością przetwarzania, a jego koszt wynosi zaledwie 1/5 PEEK, dzięki czemu nadaje się do masowej produkcji.
II. Powłoka: zrównoważone rozwiązanie zapewniające lekką konstrukcję, ochronę i estetykę
Skorupa to „zewnętrzna część garderoby” robota, wymagająca trzech kluczowych funkcji: lekkości (zmniejszenie masy całkowitej), ochrony (odporność na uderzenia i korozję) oraz estetyki (piękność i zgodność z językiem projektowania).
1. Preferowany materiał: stop PC/ABS
Dopasowanie wydajności: Stop PC/ABS (poliwęglan + akrylonitryl-butadien-styren) to „król opłacalności”, łączący wysoką udarność PC (udarność z karbem ≈ 60 kJ/m²) z łatwością przetwarzania ABS (krótki cykl formowania wtryskowego). Ma również niską gęstość (≈1,1 g/cm3), dzięki czemu nadaje się do tworzenia muszli o skomplikowanych kształtach (takich jak tułów i kończyny).
2. Opcja najwyższej klasy: polimer wzmocniony włóknem węglowym (CFRP)
Zwiększenie wydajności: w przypadku robotów najwyższej klasy (takich jak roboty humanoidalne i roboty medyczne) wymagane jest jeszcze większe zmniejszenie masy, dzięki czemu polimer wzmocniony włóknem węglowym (CFRP) staje się realną opcją. CFRP ma tylko połowę gęstości stopu aluminium, ale pięciokrotnie większą wytrzymałość, co umożliwia „lekką, ale mocną” konstrukcję skorupy.
3. Zwiększona ochrona: PPS (siarczek polifenylenu).
Obowiązujące scenariusze: W przypadku robotów działających w trudnych warunkach (takich jak roboty chemiczne i roboty podwodne) powłoka zewnętrzna musi być odporna na korozję i wysoką temperaturę. Można wybrać PPS (siarczek polifenylenu). PPS ma lepszą odporność na korozję chemiczną (odporność na kwasy, zasady i rozpuszczalniki organiczne) niż stal nierdzewna, a jego długoterminowa temperatura pracy wynosi około 200 ℃, dzięki czemu nadaje się do produkcji powłok ochronnych (takich jak skorupy ramion robotów chemicznych).
Arkusz siarczku polifenylenu AHD
III. Układ przeniesienia napędu: „rdzeń przenoszenia mocy” — niskie tarcie, wysoka sztywność i odporność na zmęczenie
Układ przeniesienia napędu jest „ogniwem napędowym” robota, wymagającym wydajnego przenoszenia mocy (niskie tarcie), dużej sztywności (aby uniknąć odkształceń) i odporności zmęczeniowej (dla długotrwałej, stabilnej pracy). Podstawowe wymagania to: niski współczynnik tarcia, wysoka sztywność i odporność zmęczeniowa.
1. Preferowany materiał: PEEK (polieteroeteroketon)
Dopasowanie wydajności: niski współczynnik tarcia PEEK (0,15-0,25) i wysoka sztywność (moduł ≈ 3,6 GPa) sprawiają, że jest to „idealny materiał” do systemów przekładniowych. Na przykład koła zębate PEEK mają o 50% niższą utratę tarcia niż koła metalowe, a także są odporne na zmęczenie, dzięki czemu nadają się do produkcji precyzyjnych elementów przekładni.
2. Materiał dodatkowy: POM (polioksymetylen)
Obowiązujące scenariusze: W przypadku systemów przekładni o niskim obciążeniu (takich jak wspólne przekładnie w robotach współpracujących) można wybrać POM (polioksymetylen). Niski współczynnik tarcia POM (0,1-0,2) i wysoka sztywność (wytrzymałość na rozciąganie ≈ 60 MPa) sprawiają, że nadaje się on do produkcji przekładni, łożysk i innych komponentów, przy cenie zaledwie 1/5 kosztu PEEK, co czyni go odpowiednim do produkcji masowej.
3. Opcja najwyższej klasy: Reduktor cykloidalny PEEK
Zwiększenie wydajności: W przypadku systemów przekładni o dużym obciążeniu (takich jak przeguby biodrowe robotów przemysłowych) można zastosować reduktory cykloidalne PEEK. Reduktory cykloidalne PEEK łączą wysoką precyzję przekładni cykloidalnej z lekkością PEEK, a jednocześnie posiadają wysoką sztywność, dzięki czemu nadają się do produkcji elementów przekładni obciążonych dużym obciążeniem (takich jak reduktory stawów biodrowych i kolanowych).
V. Przyszłe trendy: „Integracja” materiałów i inteligencji
Wraz z rozwojem branży robotyki, inteligentne materiały staną się głównym kierunkiem na przyszłość:
Materiały samonaprawiające się: takie jak kompozyty na bazie poliuretanu, które mogą automatycznie wypełniać rysy i wydłużać żywotność robota;
Materiały przewodzące: takie jak PA wypełniony nanorurkami węglowymi, w którym można osadzić czujniki, aby uzyskać dotykowe sprzężenie zwrotne „na poziomie skóry”;
Materiały pochodzenia biologicznego: takie jak PEEK pochodzenia biologicznego, który zmniejsza emisję dwutlenku węgla.
Dopasowanie materiałów do różnych części robota musi opierać się na wymaganiach funkcjonalnych, biorąc pod uwagę charakterystykę użytkową materiałów i koszty komercjalizacji, aby osiągnąć optymalną równowagę „wydajność-waga-koszt”. W przyszłości, wraz z rozwojem inteligentnych materiałów i technologii druku 3D, materiały robotów staną się lżejsze, bardziej inteligentne i bardziej przyjazne dla środowiska, co będzie stanowić podstawę do komercjalizacji i popularyzacji robotów.
Kolorowa tuba z włókna węglowego
