Wat is het beste materiaal voor robot hardware? - Structurele onderdelen

De vraag naar het "beste" materiaal voor robotische structurele componenten is complex, aangezien de optimale keuze nooit een enkel materiaal is, maar eerder een zorgvuldige balans tussen prestatie-eisen, gewichtsbeperkingen, kosten en maakbaarheid. In tegenstelling tot statische structuren zijn robots dynamische systemen waarbij elke gram gewicht en elke milliseconde beweging cruciaal is. De structurele onderdelen - het chassis, de frames, de armen en de gewrichten - moeten stijf zijn om de positionele nauwkeurigheid te behouden, sterk om operationele belastingen te weerstaan en vaak licht om de snelheid en energie-efficiëntie te maximaliseren.

Deze gids onderzoekt de belangrijkste kandidaten voor robotische structurele hardware en analyseert de voor- en nadelen van metalen, polymeren en composieten, waardoor een ontwerper een weloverwogen beslissing kan nemen op basis van de specifieke toepassing van de robot.

De metalen kandidaten: sterkte, duurzaamheid en precisie

Metalen blijven de basis van hoogwaardige en industriële robotica vanwege hun superieure stijfheid en sterkte-gewichtsverhouding in vergelijking met veel polymeren.

1. Aluminiumlegeringen (6061-T6 en 7075-T6)

Aluminium is wellicht het meest voorkomende en veelzijdige materiaal in de moderne robotica. De dominantie ervan komt voort uit een opmerkelijke combinatie van eigenschappen.

• Voordelen:

  • Uitstekende sterkte-gewichtsverhouding:Het biedt een hoge sterkte en is tegelijkertijd relatief licht, wat cruciaal is voor het verminderen van de traagheid in bewegende delen zoals robotarmen.

  • Machinability:Aluminiumlegeringen, met name de populaire 6061-T6-kwaliteit, zijn gemakkelijk te bewerken met behulp van CNC-processen, waardoor ingewikkelde ontwerpen en hoge precisietoleranties mogelijk zijn die nodig zijn voor robotische gewrichten.

  • Corrosiebestendigheid:Het vormt van nature een oxidelaag die beschermt tegen corrosie.

  • Kosteneffectief:Het is aanzienlijk goedkoper en overvloediger dan materialen zoals titanium.

• Nadelen:

  • Lagere stijfheid (vs. staal):Hoewel licht, is aluminium minder stijf dan staal, wat betekent dat grotere onderdelen dikkere secties nodig kunnen hebben om ongewenste doorbuiging onder belasting te voorkomen.

  • Lasbaarheid:Bepaalde hoogwaardige legeringen (zoals 7075) kunnen moeilijk effectief te lassen zijn.

De 6061-T6-legering is de werkpaard van de robotica voor algemene frames en beugels, terwijl de veel sterkere 7075-T6-legering is gereserveerd voor toepassingen met hoge belasting waarbij gewichtsvermindering van het grootste belang is, zoals gewrichten en eindeffectoren.

2. Staal (gelegeerd staal en roestvrij staal)

Voor toepassingen die maximale stijfheid en draagvermogen vereisen, blijft staal de beste keuze, ondanks de dichtheid ervan.

• Voordelen:

  • Hoge stijfheid (Young's modulus):Staal is aanzienlijk stijver dan aluminium, waardoor het ideaal is voor het basisframe en niet-bewegende structurele ondersteuningen van grote industriële robots waarbij het totale gewicht minder van belang is dan de stabiliteit.

  • Uitzonderlijke sterkte en duurzaamheid:Het kan immense statische en dynamische belastingen aan zonder te bezwijken.

  • Vermoeiingsweerstand:Uitstekend voor onderdelen die onderhevig zijn aan repetitieve spanningscycli.

• Nadelen:

  • Hoge dichtheid:Staal is ongeveer drie keer zwaarder dan aluminium, wat leidt tot een grotere traagheid en hogere energievereisten voor beweging.

  • Corrosie:Vereist beplating of coating, tenzij roestvrijstalen kwaliteiten worden gebruikt, die duurder zijn.

Staal wordt vaak gebruikt in het kernframe van zware las- of assemblagerobots, waarbij trillingsdemping en pure sterkte prioriteit hebben.

3. Titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen zijn de premium keuze voor robotica van luchtvaartkwaliteit of extreem gespecialiseerde toepassingen waarbij de kosten ondergeschikt zijn aan de prestaties.

• Voordelen:

  • Hoogste sterkte-gewichtsverhouding:Het is net zo sterk als sommige staalsoorten, maar bijna 40% lichter, waardoor het het ideale materiaal is voor hoogwaardige, mobiele of benige robots waarbij gewichtsbesparing in de ledematen direct leidt tot enorme energie-efficiëntiewinsten.

  • Uitstekende corrosiebestendigheid:Van nature bestand tegen bijna alle corrosieve omgevingen.

  • Hoge temperatuurtolerantie:Geschikt voor robots die in extreme thermische omstandigheden werken.

• Nadelen:

  • Hoge kosten:Verreweg de duurste van de metalen opties.

  • Moeilijke bewerking:Vereist gespecialiseerde gereedschappen en langzame bewerkingssnelheden, wat de productiekosten verhoogt.

De polymeer- en composietrevolutie: lichtheid en kosteneffectiviteit

In kleinere, niet-industriële, educatieve en servicerobots bieden polymeren en vezelversterkte composieten voordelen op het gebied van kosten, gewicht en gemak van aangepaste fabricage.

1. Engineering plastics (PEEK, Nylon, ABS)

Hoogwaardige kunststoffen worden steeds vaker gebruikt, met name in onderdelen die geen primaire structurele belastingen dragen.

• Voordelen:

  • Lage kosten en snelle fabricage:Geschikt voor spuitgieten en 3D-printen (additieve fabricage), wat leidt tot snelle, goedkope prototyping en productie in grote volumes.

  • Elektrische isolatie:In tegenstelling tot metalen zijn polymeren van nature isolerend, wat voordelig is in de buurt van elektrische componenten.

  • Lage wrijving:Materialen zoals Nylon worden vaak gebruikt in interne tandwielen en lageroppervlakken vanwege hun zelf-smerende eigenschappen.

• Nadelen:

  • Lage stijfheid en sterkte:Ze zijn aanzienlijk minder stijf en sterk dan metalen, wat leidt tot veel grotere sectiematen om de stijfheid te behouden, of ze zijn beperkt tot toepassingen met lage belasting.

  • Kruip:Kunststoffen kunnen na verloop van tijd langzaam vervormen onder aanhoudende mechanische spanning, een fenomeen dat bekend staat als kruip.

2. Koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP)

Koolstofvezelcomposieten vertegenwoordigen het toppunt van moderne structurele materiaalkunde voor lichtgewicht robotica.

• Voordelen:

  • Extreme stijfheid-gewichtsverhouding:CFRP biedt een stijfheid en sterkte die ongeëvenaard is door elk ander materiaal per gewichtseenheid. Dit maakt het perfect voor lange, snel bewegende robotarmen waarbij minimale doorbuiging en hoge natuurlijke frequentie vereist zijn.

  • Aanpasbare anisotropie:De ontwerper kan de koolstofvezels zo oriënteren dat maximale sterkte en stijfheid precies daar worden geplaatst waar nodig in het onderdeel.

  • Lage thermische uitzettingscoëfficiënt:Uitstekende maatvastheid bij wisselende temperaturen.

• Nadelen:

  • Hoge kosten en complexiteit:Vereist gespecialiseerde productieprocessen (lay-up, uitharding, autoclaaf) en geschoolde arbeid, waardoor het duur is voor eenmalige of complexe vormen.

  • Schadetolerantie:Kan catastrofaal falen wanneer belastingen loodrecht op de vezelrichting worden uitgeoefend.

De optimale keuze maken: toepassing dicteert materiaal

Het selecteren van het beste materiaal hangt volledig af van de beoogde functie van de robot:

1. Industriële robotica (zware belasting, repetitieve taak): Staal voor de basis en primaire kolommen; Aluminium (6061) voor de armen en het lichaam. De prioriteit is stijfheid en kosteneffectieve sterkte.

2. Lucht- en ruimtevaart/hoogwaardige mobiele robotica (gewichtskritisch): Koolstofvezelcomposieten voor de langste ledematen; 7075 Aluminium of Titanium voor precisie gewrichtshardware. De prioriteit is minimale traagheid en maximale energie-efficiëntie.

3. Service/educatieve robotica (lage belasting, lage kosten): ABS of Nylon voor chassis en niet-kritische gewrichten; Aluminium (6061) voor alle gewrichten of montagepunten met hoge belasting. De prioriteit is kosten en gemak van fabricage.

Uiteindelijk wordt de beste robot hardware zelden gemaakt van een enkel materiaal. Een optimaal ontwerp is een hybride structuur, waarbij de immense sterkte en stijfheid van staal in de basis wordt benut, het lichte gewicht en de bewerkbaarheid van aluminium in de bewegende delen van het middensegment, en de uitzonderlijke stijfheid van koolstofvezel in de buitenste segmenten om de snelste, meest nauwkeurige en meest energie-efficiënte beweging te bereiken die mogelijk is voor de gegeven toepassing.