Quel est le meilleur matériau pour le matériel robotique ? - Parties structurelles

La question du "meilleur" matériau pour les composants structurels robotiques est complexe, car le choix optimal n'est jamais un seul matériau, mais plutôt un équilibre minutieux entre les exigences de performance, les contraintes de poids, le coût et la faisabilité de la fabrication. Contrairement aux structures statiques, les robots sont des systèmes dynamiques où chaque gramme de poids et chaque milliseconde de mouvement sont critiques. Les parties structurelles - le châssis, les cadres, les bras et les articulations - doivent être rigides pour maintenir la précision de positionnement, solides pour résister aux charges opérationnelles et souvent légères pour maximiser la vitesse et l'efficacité énergétique.

Ce guide explore les principaux candidats pour le matériel structurel robotique, en décomposant les avantages et les inconvénients des métaux, des polymères et des composites, ce qui permet à un concepteur de prendre une décision éclairée en fonction de l'application spécifique du robot.

Les candidats métalliques : résistance, durabilité et précision

Les métaux restent la base de la robotique industrielle et haute performance en raison de leur rigidité supérieure et de leur rapport résistance/poids par rapport à de nombreux polymères.

1. Alliages d'aluminium (6061-T6 et 7075-T6)

L'aluminium est sans doute le matériau le plus courant et le plus polyvalent de la robotique moderne. Sa domination découle d'une combinaison remarquable de propriétés.

• Avantages :

  • Excellent rapport résistance/poids : Il offre une résistance élevée tout en étant relativement léger, ce qui est crucial pour réduire l'inertie des pièces en mouvement comme les bras robotiques.

  • Usinabilité : Les alliages d'aluminium, en particulier le grade 6061-T6 populaire, sont facilement usinables à l'aide de procédés CNC, ce qui permet des conceptions complexes et des tolérances de haute précision nécessaires aux articulations robotiques.

  • Résistance à la corrosion : Il forme naturellement une couche d'oxyde qui protège contre la corrosion.

  • Rentable : Il est nettement moins cher et plus abondant que des matériaux comme le titane.

• Inconvénients :

  • Moins de rigidité (vs. acier) : Bien que léger, l'aluminium est moins rigide que l'acier, ce qui signifie que les pièces plus grandes peuvent nécessiter des sections plus épaisses pour éviter une déformation indésirable sous charge.

  • Aptitude au soudage : Certains alliages à haute résistance (comme le 7075) peuvent être difficiles à souder efficacement.

L'alliage 6061-T6 est le cheval de bataille de la robotique pour les cadres et les supports à usage général, tandis que l'alliage 7075-T6, beaucoup plus résistant, est réservé aux applications à fortes contraintes où la réduction de poids est primordiale, comme les articulations et les effecteurs finaux.

2. Acier (aciers alliés et acier inoxydable)

Pour les applications exigeant une rigidité et une capacité de charge maximales, l'acier reste le premier choix, malgré sa densité.

• Avantages :

  • Haute rigidité (module de Young) : L'acier est nettement plus rigide que l'aluminium, ce qui le rend idéal pour le cadre de base et les supports structurels non mobiles des grands robots industriels où le poids total est moins préoccupant que la stabilité.

  • Résistance et durabilité exceptionnelles : Il peut supporter d'immenses charges statiques et dynamiques sans céder.

  • Résistance à la fatigue : Excellent pour les pièces soumises à des cycles de contraintes répétitifs.

• Inconvénients :

  • Haute densité : L'acier est environ trois fois plus lourd que l'aluminium, ce qui entraîne une plus grande inertie et des exigences de puissance plus élevées pour le mouvement.

  • Corrosion : Nécessite un placage ou un revêtement, sauf si des nuances d'acier inoxydable sont utilisées, qui sont plus chères.

L'acier est souvent utilisé dans le cadre principal des robots de soudage ou d'assemblage robustes, où l'amortissement des vibrations et la résistance pure sont prioritaires.

3. Alliages de titane

Les alliages de titane sont le choix haut de gamme pour la robotique de qualité aérospatiale ou les applications extrêmement spécialisées où le coût est secondaire à la performance.

• Avantages :

  • Rapport résistance/poids le plus élevé : Il est aussi résistant que certains aciers, mais près de 40 % plus léger, ce qui en fait le matériau idéal pour les robots mobiles ou à pattes haute performance où les économies de poids dans les membres se traduisent directement par des gains massifs d'efficacité énergétique.

  • Excellente résistance à la corrosion : Naturellement résistant à presque tous les environnements corrosifs.

  • Tolérance aux températures élevées : Convient aux robots fonctionnant dans des conditions thermiques extrêmes.

• Inconvénients :

  • Coût élevé : De loin l'option métallique la plus chère.

  • Usinage difficile : Nécessite des outils spécialisés et des vitesses d'usinage lentes, ce qui augmente les coûts de fabrication.

La révolution des polymères et des composites : légèreté et rentabilité

Dans les robots plus petits, non industriels, éducatifs et de service, les polymères et les composites renforcés de fibres offrent des avantages en termes de coût, de poids et de facilité de fabrication personnalisée.

1. Plastiques techniques (PEEK, nylon, ABS)

Les plastiques haute performance sont de plus en plus utilisés, en particulier dans les pièces qui ne supportent pas les charges structurelles primaires.

• Avantages :

  • Faible coût et fabrication rapide : Convient au moulage par injection et à l'impression 3D (fabrication additive), ce qui permet un prototypage rapide et peu coûteux et une production en grand volume.

  • Isolation électrique : Contrairement aux métaux, les polymères sont naturellement isolants, ce qui est avantageux à proximité des composants électriques.

  • Faible frottement : Des matériaux comme le nylon sont souvent utilisés dans les engrenages internes et les surfaces de roulement en raison de leurs propriétés autolubrifiantes.

• Inconvénients :

  • Faible rigidité et résistance : Ils sont nettement moins rigides et résistants que les métaux, ce qui conduit à des dimensions de section beaucoup plus grandes pour maintenir la rigidité, ou ils sont limités aux applications à faible charge.

  • Fluage : Les plastiques peuvent se déformer lentement sous une contrainte mécanique soutenue au fil du temps, un phénomène connu sous le nom de fluage.

2. Polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC)

Les composites en fibre de carbone représentent le summum de la science des matériaux structurels modernes pour la robotique légère.

• Avantages :

  • Rapport rigidité/poids extrême : Le PRFC offre une rigidité et une résistance inégalées par tout autre matériau par unité de poids. Cela le rend parfait pour les bras robotiques longs et rapides où une déflexion minimale et une fréquence naturelle élevée sont requises.

  • Anisotropie personnalisable : Le concepteur peut orienter les fibres de carbone pour placer une résistance et une rigidité maximales exactement là où elles sont nécessaires dans la pièce.

  • Faible coefficient de dilatation thermique : Excellente stabilité dimensionnelle à des températures variables.

• Inconvénients :

  • Coût et complexité élevés : Nécessite des procédés de fabrication spécialisés (superposition, durcissement, autoclave) et une main-d'œuvre qualifiée, ce qui le rend coûteux pour les formes uniques ou complexes.

  • Tolérance aux dommages : Peut échouer de façon catastrophique lorsque des charges sont appliquées perpendiculairement à la direction des fibres.

Faire le choix optimal : l'application dicte le matériau

La sélection du meilleur matériau dépend entièrement de la fonction prévue du robot :

1. Robotique industrielle (charge lourde, tâche répétitive) : Acier pour la base et les colonnes principales ; Aluminium (6061) pour les bras et le corps. La priorité est la rigidité et la résistance rentable.

2. Robotique aérospatiale/mobile haute performance (poids critique) : Composites en fibre de carbone pour les membres les plus longs ; Aluminium 7075 ou titane pour le matériel d'articulation de précision. La priorité est l'inertie minimale et l'efficacité énergétique maximale.

3. Robotique de service/éducative (faible charge, faible coût) : ABS ou nylon pour le châssis et les articulations non critiques ; Aluminium (6061) pour toutes les articulations ou points de montage à fortes contraintes. La priorité est le coût et la facilité de fabrication.

En fin de compte, le meilleur matériel robotique est rarement fabriqué à partir d'un seul matériau. Une conception optimale est une structure hybride, utilisant l'immense résistance et rigidité de l'acier dans la base, la légèreté et l'usinabilité de l'aluminium dans les pièces mobiles de milieu de gamme, et la rigidité exceptionnelle de la fibre de carbone dans les segments les plus externes pour obtenir le mouvement le plus rapide, le plus précis et le plus économe en énergie possible pour l'application donnée.