Was ist das beste Material für Roboterhardware? - Strukturbauteile

Die Frage nach dem "besten" Material für Roboterstrukturkomponenten ist komplex, da die optimale Wahl nie ein einzelnes Material ist, sondern ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Leistungsanforderungen, Gewichtsbeschränkungen, Kosten und Herstellbarkeit. Im Gegensatz zu statischen Strukturen sind Roboter dynamische Systeme, bei denen jedes Gramm Gewicht und jede Millisekunde Bewegung entscheidend ist. Die Strukturbauteile – das Chassis, die Rahmen, die Arme und die Gelenke – müssen steif sein, um die Positionsgenauigkeit zu erhalten, stark sein, um den Betriebsbelastungen standzuhalten, und oft leicht sein, um die Geschwindigkeit und Energieeffizienz zu maximieren.

Dieser Leitfaden untersucht die führenden Anwärter für Roboterstrukturhardware und unterteilt die Vor- und Nachteile von Metallen, Polymeren und Verbundwerkstoffen, so dass ein Konstrukteur eine fundierte Entscheidung auf der Grundlage der spezifischen Anwendung des Roboters treffen kann.

Die Metall-Anwärter: Festigkeit, Haltbarkeit und Präzision

Metalle bleiben aufgrund ihres überlegenen Steifigkeits- und Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses im Vergleich zu vielen Polymeren das Fundament der Hochleistungs- und Industrierobotik.

1. Aluminiumlegierungen (6061-T6 und 7075-T6)

Aluminium ist wohl das gebräuchlichste und vielseitigste Material in der modernen Robotik. Seine Dominanz beruht auf einer bemerkenswerten Kombination von Eigenschaften.

• Vorteile:

  • Hervorragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis:Es bietet eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht, was entscheidend ist, um die Trägheit in beweglichen Teilen wie Roboterarmen zu reduzieren.

  • Bearbeitbarkeit:Aluminiumlegierungen, insbesondere die beliebte Sorte 6061-T6, lassen sich leicht mit CNC-Verfahren bearbeiten, was komplizierte Designs und hochpräzise Toleranzen ermöglicht, die für Robotergelenke erforderlich sind.

  • Korrosionsbeständigkeit:Es bildet auf natürliche Weise eine Oxidschicht, die vor Korrosion schützt.

  • Kostengünstig:Es ist deutlich billiger und reichlicher vorhanden als Materialien wie Titan.

• Nachteile:

  • Geringere Steifigkeit (im Vergleich zu Stahl):Obwohl leicht, ist Aluminium weniger steif als Stahl, was bedeutet, dass größere Teile möglicherweise dickere Abschnitte benötigen, um unerwünschte Durchbiegungen unter Belastung zu verhindern.

  • Schweißbarkeit:Bestimmte hochfeste Legierungen (wie 7075) können schwierig effektiv zu schweißen sein.

Die Legierung 6061-T6 ist das Arbeitspferd der Robotik für allgemeine Rahmen und Halterungen, während die viel stärkere Legierung 7075-T6 für Hochbelastungsanwendungen reserviert ist, bei denen die Gewichtsreduzierung von größter Bedeutung ist, wie z. B. Gelenke und Endeffektoren.

2. Stahl (legierter Stahl und Edelstahl)

Für Anwendungen, die maximale Steifigkeit und Tragfähigkeit erfordern, bleibt Stahl trotz seiner Dichte die erste Wahl.

• Vorteile:

  • Hohe Steifigkeit (Youngscher Modul):Stahl ist deutlich steifer als Aluminium, was ihn ideal für den Grundrahmen und nicht bewegliche Strukturstützen großer Industrieroboter macht, bei denen das Gesamtgewicht weniger von Bedeutung ist als die Stabilität.

  • Außergewöhnliche Festigkeit und Haltbarkeit:Er kann immense statische und dynamische Belastungen ohne Nachgeben bewältigen.

  • Ermüdungsbeständigkeit:Hervorragend für Teile, die wiederholten Belastungszyklen ausgesetzt sind.

• Nachteile:

  • Hohe Dichte:Stahl ist etwa dreimal schwerer als Aluminium, was zu einer größeren Trägheit und einem höheren Energiebedarf für die Bewegung führt.

  • Korrosion:Erfordert eine Beschichtung oder Beschichtung, es sei denn, es werden Edelstahlsorten verwendet, die teurer sind.

Stahl wird häufig im Kernrahmen von Hochleistungs-Schweiß- oder Montagerobotern verwendet, bei denen Schwingungsdämpfung und reine Festigkeit Priorität haben.

3. Titanlegierungen

Titanlegierungen sind die Premium-Wahl für Robotik in der Luft- und Raumfahrt oder für extrem spezialisierte Anwendungen, bei denen die Kosten zweitrangig sind.

• Vorteile:

  • Höchstes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis:Es ist so stark wie einige Stähle, aber fast 40 % leichter, was es zum idealen Material für Hochleistungs-, Mobil- oder Beinroboter macht, bei denen Gewichtseinsparungen in den Gliedmaßen direkt zu massiven Energieeffizienzgewinnen führen.

  • Hervorragende Korrosionsbeständigkeit:Natürlich beständig gegen fast alle korrosiven Umgebungen.

  • Hohe Temperaturtoleranz:Geeignet für Roboter, die unter extremen thermischen Bedingungen arbeiten.

• Nachteile:

  • Hohe Kosten:Bei weitem die teuerste der Metalloptionen.

  • Schwierige Bearbeitung:Erfordert spezielle Werkzeuge und langsame Bearbeitungsgeschwindigkeiten, was die Herstellungskosten erhöht.

Die Polymer- und Verbundwerkstoffrevolution: Leichtigkeit und Wirtschaftlichkeit

In kleineren, nichtindustriellen, pädagogischen und Servicerobotern bieten Polymere und faserverstärkte Verbundwerkstoffe Vorteile in Bezug auf Kosten, Gewicht und einfache kundenspezifische Herstellung.

1. Technische Kunststoffe (PEEK, Nylon, ABS)

Hochleistungskunststoffe werden zunehmend verwendet, insbesondere in Teilen, die keine primären strukturellen Belastungen tragen.

• Vorteile:

  • Geringe Kosten und schnelle Herstellung:Geeignet für Spritzguss und 3D-Druck (Additive Manufacturing), was zu schnellem, billigem Prototyping und Großserienfertigung führt.

  • Elektrische Isolierung:Im Gegensatz zu Metallen sind Polymere von Natur aus isolierend, was in der Nähe von elektrischen Komponenten von Vorteil ist.

  • Geringe Reibung:Materialien wie Nylon werden aufgrund ihrer selbstschmierenden Eigenschaften häufig in internen Getrieben und Lagerflächen verwendet.

• Nachteile:

  • Geringe Steifigkeit und Festigkeit:Sie sind deutlich weniger steif und fest als Metalle, was zu viel größeren Querschnittsgrößen führt, um die Steifigkeit aufrechtzuerhalten, oder sie sind auf Anwendungen mit geringer Belastung beschränkt.

  • Kriechen:Kunststoffe können sich im Laufe der Zeit unter anhaltender mechanischer Beanspruchung langsam verformen, ein Phänomen, das als Kriechen bezeichnet wird.

2. Kohlefaserverstärkte Polymere (CFK)

Kohlefaserverbundwerkstoffe stellen den Höhepunkt der modernen Strukturmaterialwissenschaft für die Leichtbaurobotik dar.

• Vorteile:

  • Extremes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis:CFK bietet eine Steifigkeit und Festigkeit, die von keinem anderen Material pro Gewichtseinheit erreicht wird. Dies macht es perfekt für lange, sich schnell bewegende Roboterarme, bei denen minimale Durchbiegung und hohe Eigenfrequenz erforderlich sind.

  • Anpassbare Anisotropie:Der Konstrukteur kann die Kohlefasern so ausrichten, dass maximale Festigkeit und Steifigkeit genau dort platziert werden, wo sie im Teil benötigt werden.

  • Geringer Wärmeausdehnungskoeffizient:Hervorragende Dimensionsstabilität bei unterschiedlichen Temperaturen.

• Nachteile:

  • Hohe Kosten und Komplexität:Erfordert spezielle Herstellungsprozesse (Laminieren, Aushärten, Autoklav) und Fachkräfte, was es für Einzelanfertigungen oder komplexe Formen teuer macht.

  • Schadensverträglichkeit:Kann katastrophal versagen, wenn Lasten senkrecht zur Faserrichtung aufgebracht werden.

Die optimale Wahl treffen: Die Anwendung bestimmt das Material

Die Auswahl des besten Materials hängt vollständig von der beabsichtigten Funktion des Roboters ab:

1. Industrierobotik (hohe Belastung, sich wiederholende Aufgabe): Stahl für die Basis und die primären Säulen; Aluminium (6061) für die Arme und den Körper. Die Priorität liegt auf Steifigkeit und kostengünstiger Festigkeit.

2. Luft- und Raumfahrt/Hochleistungs-Mobilrobotik (gewichtskritisch): Kohlefaserverbundwerkstoffe für die längsten Gliedmaßen; 7075 Aluminium oder Titan für Präzisionsgelenk-Hardware. Die Priorität liegt auf minimaler Trägheit und maximaler Energieeffizienz.

3. Service-/Bildungsrobotik (geringe Belastung, geringe Kosten): ABS oder Nylon für Chassis und nicht kritische Gelenke; Aluminium (6061) für alle hochbelasteten Gelenke oder Befestigungspunkte. Die Priorität liegt auf Kosten und einfacher Herstellung.

Letztendlich wird die beste Roboterhardware selten aus einem einzigen Material hergestellt. Ein optimales Design ist eine Hybridstruktur, die die immense Festigkeit und Steifigkeit von Stahl in der Basis, das geringe Gewicht und die Bearbeitbarkeit von Aluminium in den beweglichen Teilen des mittleren Bereichs und die außergewöhnliche Steifigkeit von Kohlefaser in den äußersten Segmenten nutzt, um die schnellste, genaueste und energieeffizienteste Bewegung für die jeweilige Anwendung zu erzielen.