November 20, 2025
로봇 구조 부품에 '가장 적합한' 재료에 대한 질문은 복잡합니다. 최적의 선택은 단일 재료가 아니라 성능 요구 사항, 무게 제약, 비용 및 제조 가능성 간의 신중한 균형이기 때문입니다. 정적 구조물과 달리 로봇은 모든 그램의 무게와 모든 밀리초의 움직임이 중요한 동적 시스템입니다. 구조 부품(섀시, 프레임, 팔 및 관절)은 위치 정확도를 유지하기 위해 견고해야 하고, 작동 부하를 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 하며, 속도와 에너지 효율성을 극대화하기 위해 가벼워야 하는 경우가 많습니다.
이 가이드는 로봇 구조 하드웨어의 주요 경쟁자를 살펴보고 금속, 폴리머 및 복합 재료의 장단점을 분석하여 설계자가 로봇의 특정 응용 분야를 기반으로 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 합니다.
금속은 많은 폴리머에 비해 뛰어난 강성 및 강도 대 중량비로 인해 고성능 및 산업용 로봇 공학의 기반으로 남아 있습니다.
알루미늄은 현대 로봇 공학에서 가장 일반적이고 다재다능한 재료라고 할 수 있습니다. 그 우위는 놀라운 특성의 조합에서 비롯됩니다.
장점:
우수한 강도 대 중량비: 비교적 가벼우면서도 높은 강도를 제공하여 로봇 팔과 같은 움직이는 부품의 관성을 줄이는 데 매우 중요합니다.
가공성: 알루미늄 합금, 특히 널리 사용되는 6061-T6 등급은 CNC 공정을 사용하여 쉽게 가공할 수 있어 로봇 관절에 필요한 복잡한 설계와 고정밀 공차를 허용합니다.
내식성: 자연적으로 부식으로부터 보호하는 산화층을 형성합니다.
비용 효율성: 티타늄과 같은 재료보다 훨씬 저렴하고 풍부합니다.
단점:
낮은 강성(강철 대비): 가볍지만 알루미늄은 강철보다 덜 뻣뻣하므로 큰 부품의 경우 부하 시 원치 않는 처짐을 방지하기 위해 더 두꺼운 단면이 필요할 수 있습니다.
용접성: 특정 고강도 합금(7075 등)은 효과적으로 용접하기 어려울 수 있습니다.
6061-T6 합금은 일반적인 프레임 및 브래킷에 사용되는 로봇 공학의 주력 제품인 반면, 훨씬 더 강한 7075-T6 합금은 관절 및 엔드 이펙터와 같이 무게 감소가 가장 중요한 고응력 응용 분야에 사용됩니다.
최대 강성 및 하중 지지 능력이 필요한 응용 분야의 경우 강철은 밀도에도 불구하고 최고의 선택으로 남아 있습니다.
장점:
높은 강성(영률): 강철은 알루미늄보다 훨씬 뻣뻣하여 전체 무게가 안정성보다 덜 중요한 대형 산업용 로봇의 기본 프레임 및 비이동 구조 지지대에 이상적입니다.
뛰어난 강도 및 내구성: 항복 없이 엄청난 정적 및 동적 하중을 처리할 수 있습니다.
피로 저항: 반복적인 응력 사이클을 받는 부품에 적합합니다.
단점:
높은 밀도: 강철은 알루미늄보다 약 3배 더 무거워 관성이 커지고 움직임에 필요한 전력이 더 많이 필요합니다.
부식: 스테인리스강 등급을 사용하지 않는 한 도금 또는 코팅이 필요하며, 이는 더 비쌉니다.
강철은 진동 감쇠 및 순수한 강도가 우선시되는 고강도 용접 또는 조립 로봇의 핵심 프레임에 자주 사용됩니다.
티타늄 합금은 항공 우주 등급 로봇 공학 또는 비용이 성능보다 부차적인 극도로 특수한 응용 분야에 대한 프리미엄 선택입니다.
장점:
최고의 강도 대 중량비: 일부 강철만큼 강하지만 약 40% 더 가벼워 팔다리의 무게 절감이 에너지 효율성 향상으로 직접 연결되는 고성능, 모바일 또는 다리 로봇에 이상적인 재료입니다.
뛰어난 내식성: 거의 모든 부식성 환경에 자연적으로 강합니다.
고온 내성: 극한의 열 조건에서 작동하는 로봇에 적합합니다.
단점:
높은 비용: 금속 옵션 중 가장 비쌉니다.
어려운 가공: 특수 공구 및 느린 가공 속도가 필요하여 제조 비용이 추가됩니다.
소형, 비산업, 교육 및 서비스 로봇의 경우 폴리머 및 섬유 강화 복합 재료는 비용, 무게 및 맞춤형 제작의 용이성 측면에서 이점을 제공합니다.
고성능 플라스틱은 특히 주요 구조 하중을 견디지 않는 부품에 점점 더 많이 사용됩니다.
장점:
낮은 비용 및 빠른 제작: 사출 성형 및 3D 프린팅(적층 제조)에 적합하여 빠르고 저렴한 프로토타입 제작 및 대량 생산이 가능합니다.
전기 절연: 금속과 달리 폴리머는 자연적으로 절연되어 전기 부품 근처에서 유리합니다.
낮은 마찰: 나일론과 같은 재료는 자체 윤활 특성으로 인해 내부 기어 및 베어링 표면에 자주 사용됩니다.
단점:
낮은 강성 및 강도: 금속보다 훨씬 덜 뻣뻣하고 강하여 강성을 유지하기 위해 훨씬 더 큰 단면 크기가 필요하거나 저부하 응용 분야로 제한됩니다.
크리프: 플라스틱은 시간이 지남에 따라 지속적인 기계적 응력 하에서 천천히 변형될 수 있으며, 이를 크리프 현상이라고 합니다.
탄소 섬유 복합 재료는 경량 로봇 공학을 위한 현대 구조 재료 과학의 정점을 나타냅니다.
장점:
극강의 강성 대 중량비: CFRP는 단위 중량당 다른 어떤 재료보다 뛰어난 강성과 강도를 제공합니다. 이는 최소한의 처짐과 높은 고유 진동수가 필요한 길고 빠르게 움직이는 로봇 팔에 완벽합니다.
맞춤형 이방성: 설계자는 탄소 섬유를 배치하여 부품에 필요한 곳에 최대 강도와 강성을 정확하게 배치할 수 있습니다.
낮은 열팽창 계수: 다양한 온도에서 뛰어난 치수 안정성.
단점:
높은 비용 및 복잡성: 특수 제조 공정(레이업, 경화, 오토클레이브)과 숙련된 노동력이 필요하므로 일회성 또는 복잡한 모양의 경우 비용이 많이 듭니다.
손상 허용 오차: 섬유 방향에 수직으로 하중이 가해지면 치명적으로 실패할 수 있습니다.
최상의 재료를 선택하는 것은 로봇의 의도된 기능에 전적으로 달려 있습니다.
산업용 로봇 공학(고하중, 반복 작업): 강철 기본 및 주요 기둥용; 알루미늄(6061) 팔과 몸체용. 우선 순위는 강성과 비용 효율적인 강도입니다.
항공 우주/고성능 모바일 로봇 공학(무게 중요): 탄소 섬유 복합 재료 가장 긴 팔다리용; 7075 알루미늄 또는 티타늄 정밀 관절 하드웨어용. 우선 순위는 최소 관성 및 최대 에너지 효율성입니다.
서비스/교육 로봇 공학(저부하, 저비용): ABS 또는 나일론 섀시 및 중요하지 않은 관절용; 알루미늄(6061) 고응력 관절 또는 장착 지점용. 우선 순위는 비용과 제조 용이성입니다.
궁극적으로 최고의 로봇 하드웨어는 단일 재료로 만들어지는 경우가 거의 없습니다. 최적의 설계는 하이브리드 구조로, 기본의 강철의 엄청난 강도와 강성, 중간 범위의 움직이는 부품의 알루미늄의 가벼움과 가공성, 가장 바깥쪽 세그먼트의 탄소 섬유의 뛰어난 강성을 활용하여 주어진 응용 분야에 대해 가장 빠르고 정확하며 에너지 효율적인 움직임을 달성합니다.
