Στην επόμενη γενιά του αυτοματισμού απαιτεί ελαφρές δομές που μπορούν να επιταχυνθούν γρήγορα, να χειριστεί υψηλότερα ωφέλιμο φορτίο, και να λειτουργήσει με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτή η μετατόπιση τροφοδοτείται από ένα κύμα των προηγμένων υλικών - συνθετικών ινών άνθρακα, αραμιδικές ίνες, και υβριδικές laminates - που παρέχουν εξαιρετική δύναμη χωρίς την ποινή του βάρους. Αυτά τα υλικά δεν είναι μόνο επαυξημένες βελτιώσεις?

Γιατί το Βάρος Έχει Ζήτημα στη Βιομηχανική Ρομποτική

Κάθε χιλιόγραμμο μάζας πλαισίου επιβάλλει άμεσο κόστος στην απόδοση. Τα βαρύτερα πλαίσια απαιτούν μεγαλύτερους κινητήρες, ισχυρότερους ενεργοποιητές και περισσότερη ενέργεια για να κινηθούν. Περιορίζουν επίσης την επιτάχυνση και την επιβράδυνση, την επιβράδυνση των κύκλων. Σε εφαρμογές όπως η επιλογή και η συναρμολόγηση, και ο χειρισμός υλικού, ακόμη και η μείωση της μάζας κατά 10% μπορεί να βελτιώσει την είσοδο κατά 15-20%. Τα ελαφρύτερα πλαίσια επίσης μειώνουν το φορτίο στις αρθρώσεις και τα έδρανα, επεκτείνοντας τα διαστήματα συντήρησης και μειώνοντας το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας.

Τα συνεργάσιμα ρομπότ (κομπότ) που εργάζονται μαζί με τους ανθρώπους ωφελούνται από τη μειωμένη αδράνεια, καθιστώντας τα ασφαλέστερα σε περίπτωση σύγκρουσης. Για τα ρομπότ βαρέων βαρών, κάθε χιλιόγραμμο ξυρισμένο από το βραχίονα επιτρέπει περισσότερη από την ικανότητα ωφέλιμου φορτίου που πρέπει να χρησιμοποιηθεί για την πραγματική εργασία. Αυτά τα οφέλη cascading εξηγούν γιατί η υλική καινοτομία έχει γίνει μια στρατηγική προτεραιότητα για τους προμηθευτές αυτοματισμού.

Σύνθετα Ίνες άνθρακα: Το νέο πρότυπο για τα πλαίσια υψηλής απόδοσης

Με μια αναλογία αντοχής-προς-βάρος περίπου πέντε φορές αυτή του χάλυβα και δύο φορές αυτή του αλουμινίου, ανθρακονήματα επιτρέπει στους σχεδιαστές να δημιουργήσουν δύσκαμπτες, κραδασμούς-επισφαλείς δομές που είναι δραματικά ελαφρύτερες. Σε ένα τυπικό βιομηχανικό ρομπότ έξι αξόνων, αντικαθιστώντας το ακροπτέρυγα αλουμινίου με ισοδύναμο ανθρακονήματος μπορεί να μειώσει τη μάζα κατά 40-50%, διατηρώντας ή ακόμα και βελτιώνοντας την ακαμψία.

Η Μεταποίηση Προοδεύει την Υιοθεσία Οδηγώντας

Η έγκαιρη υιοθέτηση των ινών άνθρακα στη ⁇ μποτική περιορίστηκε από το υψηλό κόστος υλικού και τις μεθόδους αργής κατασκευής, όπως η χειροπόνηση και η σκλήρυνση αυτοκλάβιων. Σήμερα, η αυτοματοποιημένη τοποθέτηση ινών (AFP) και η χύτευση μεταφοράς ρητίνης (RTM) έχουν μειώσει σημαντικά τους χρόνους παραγωγής και το κόστος. Προ-impregnated μονοκατευθυντικές ταινίες και υφασμένα υφάσματα είναι πλέον διαθέσιμα με σταθερές μηχανικές ιδιότητες κατάλληλες για σειριακή παραγωγή.

Πρακτικές Προβολές

Οι σχεδιαστές πρέπει να λογοδοτούν για τις ανισοτροπικές ιδιότητες ⁇ η αντοχή ποικίλλει ανάλογα με τον προσανατολισμό των ινών. Οι κοινές διεπαφές απαιτούν μεταλλικά ένθετα ή υβριδική συγκόλληση για να αποτρέψουν τη σύνθλιψη κάτω από φορτία μπουλονιού. Οι διαφορές θερμικής διαστολής μεταξύ άνθρακα και μεταλλικών μερών μπορούν να προκαλέσουν προβλήματα ευθυγράμμισης σε εφαρμογές υψηλής ακρίβειας. Παρά τις προκλήσεις αυτές, τα κέρδη απόδοσης είναι αρκετά συναρπαστικά ώστε οι περισσότερες νέες πλατφόρμες ρομπότ περιλαμβάνουν τουλάχιστον κάποια συστατικά ινών άνθρακα.

Εξωτερικός σύνδεσμος: Συνθέτες Κόσμος: Ίνες άνθρακα στη Ρομποτική

Aramid Fibers (Kevlar, Nomex) για την αντίσταση στις συγκρούσεις

Ενώ οι ίνες άνθρακα υπερέχουν στην ακαμψία, οι ίνες αραμιδίου όπως το Kevlar φέρνουν μοναδική σκληρότητα στα πλαίσια ρομπότ. Η υψηλή αντοχή εφελκυσμού και απορρόφηση ενέργειας του Kevlar το καθιστούν ιδανικό για συστατικά που μπορεί να βιώσουν επιπτώσεις ή υψηλά κυκλικά φορτία ⁇ όπως τα υποστηρίγματα του τελικού-επενεργητή, τα περιβλήματα καρπού, και τα προστατευτικά σάβανα. Σε συνεργάσιμα ρομπότ, οι ενισχυμένες από αραμίδια δομές μπορούν να αντέξουν τυχαίες συγκρούσεις χωρίς καταστροφική αποτυχία, βελτιώνοντας τις αξιολογήσεις ασφάλειας.

Υβριδικά Laminates: Συνδυάζοντας το καλύτερο και των δύο

Για παράδειγμα, ένας σωλήνας βραχίονα ινών άνθρακα μπορεί να έχει ένα εσωτερικό στρώμα του Kevlar για να αντισταθεί στη διάδοση ρωγμών, ενώ οι εξωτερικές ίνες άνθρακα παρέχουν κάμψη δυσκαμψία. Αυτά τα υβρίδια χρησιμοποιούνται σε ρομπότ για την επεξεργασία τροφίμων και φαρμακευτικά, όπου η χημική αντοχή και η σκληρότητα είναι εξίσου σημαντική με την εξοικονόμηση βάρους.

Εξωτερικός σύνδεσμος: DuPont Kevlar Industrial Robotics Applications

Μεταλλικά υλικά σύνθετων υλικών και κράματα μαγνησίου

Τα σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας (MMCs) όπως το αλουμίνιο ενισχυμένο με σωματίδια καρβιδίου πυριτίου προσφέρουν δυσκαμψία συγκρίσιμη με το χάλυβα στο ένα τρίτο του βάρους. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται ήδη στην αεροδιαστημική και βρίσκονται τώρα σε εφαρμογές σε βραχίονες ρομπότ υψηλής ταχύτητας όπου η θερμική αγωγιμότητα και αντοχή στη φθορά είναι κρίσιμη. Τα κράματα μαγνησίου, αν και λιγότερο κοινά, παρέχουν τη χαμηλότερη πυκνότητα δομικών μετάλλων ⁇ περίπου 35% ελαφρύτερα από το αλουμίνιο ⁇ και αξιολογούνται για ρομπότ χαμηλού ωφέλιμου φορτίου όπου η ευαισθησία στο κόστος είναι υψηλότερη.

Η Πρόσθετη Παραγωγή Ανοίγει Νέα Ελευθερία Σχεδίου

3D εκτύπωση με τοτάνιο, αλουμίνιο, ή πολυμερή σύνθετα επιτρέπει δομές lattice που είναι αδύνατο να χυθεί ή μηχανή. Τα εξαρτήματα πλαίσιο ρομπότ μπορεί να βελτιστοποιηθεί τοπολογικά για να τοποθετήσετε υλικό μόνο όταν τα φορτία είναι υψηλότερα, επιτυγχάνοντας μειώσεις βάρους 30 ⁇ 50% σε σύγκριση με τη συμβατική κατεργασία.

Πλεονεκτήματα καινοτομικών υλικών στον βιομηχανικό αυτοματισμό

  • Μειωμένη κινούμενη μάζα ⁇ Αμέσως μεταφράζεται σε υψηλότερη επιτάχυνση και μικρότερους χρόνους κύκλου. Μια μείωση 10 kg στη μάζα βραχίονα μπορεί να μειώσει τη χρήση ενέργειας ανά κύκλο κατά 20% ή περισσότερο.
  • Υψηλότερο ωφέλιμο φορτίο-σε βάρος[ ⁇ Τα ρομπότ μπορούν να μεταφέρουν βαρύτερα ωφέλιμο φορτίο σε σχέση με το δικό τους βάρος, επεκτείνοντας τις δυνατότητες εφαρμογής μέσα στο ίδιο αποτύπωμα.
  • Χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος ⁇ Τα ελαφρύτερα πλαίσια απαιτούν μικρότερους κινητήρες και κινητήρες, μειώνοντας την αιχμή της ηλεκτρικής ζήτησης και το κόστος λειτουργίας.
  • Αυτοσχεδίασε δυναμική απόδοση[ ⁇ Στίφερ, ελαφρύτερα πλαίσια μειώνουν τις δονήσεις και την υπέρβαση, επιτρέποντας αυστηρότερη ακρίβεια θέσης σε υψηλότερες ταχύτητες.
  • Αντοχή σε διάβρωση και κόπωση ⁇ Σύνθετα και κράματα όπως το μαγνήσιο δεν σκουριάζουν, καθιστώντας τα κατάλληλα για περιβάλλοντα πλύσης σε τρόφιμα και χημική επεξεργασία.

Προκλήσεις Αντιμετωπίζοντας την Υιοθεσία

Κόστος και κλιμακωσιμότητα

Παρά την πτώση των τιμών, ανθρακονήματα προετοιμάζονται εξακολουθεί να κοστίζει περίπου 10-20 φορές περισσότερο ανά χιλιόγραμμο από το χάλυβα. Για τους κατασκευαστές ρομπότ υψηλής όγκου, ότι η πριμοδότηση προσθέτει επάνω. Εργαλεία για τη σύνθετη χύτευση είναι επίσης ακριβό, και οι χρόνοι κύκλου είναι μεγαλύτεροι από τη μεταλλική σφράγιση ή χύτευση. Το σημείο θραύσης-ακόμη συχνά έρχεται μόνο για εφαρμογές υψηλής απόδοσης, όπου η παραγωγικότητα κερδίζει αντισταθμίζοντας το κόστος υλικού.

Συμμετοχή και Επισκευή

Η σύνδεση απαιτεί συγκολλητικές ουσίες, μηχανικούς συνδετήρες με προσοχή, ή υβριδική υπερσυγκόλληση. Επισκευή κατεστραμμένων σύνθετων πλαισίων είναι πιο περίπλοκη από τη συγκόλληση ενός χάλυβα ρωγμή-καθυστέρηση συχνά σημαίνει ότι το μέρος πρέπει να αντικατασταθεί εξ ολοκλήρου. Αυτό αυξάνει το κόστος του κύκλου ζωής και απαιτεί εξειδικευμένες δυνατότητες εξυπηρέτησης.

Ανακύκλωση και Βιωσιμότητα

Ενώ η ανακυκλωσιμότητα βελτιώνεται, πολλοί βιομηχανικοί αγοραστές απαιτούν τώρα αξιολογήσεις κύκλου ζωής πριν δεσμευτούν σε νέα υλικά. Τα κράματα μαγνησίου, από την άλλη πλευρά, είναι εξαιρετικά ανακυκλώσιμα και μπορούν να παραχθούν με χαμηλότερες εκπομπές από το αλουμίνιο.

Εξωτερικός σύνδεσμος: Τεχνολογία IFM Σύντομη: Ελαφριά Υλικά στη Ρομποτική

Μελλοντικό Outlook: Προς τα μονοκόμματα και υβριδικά πλαίσια

Η επόμενη δεκαετία θα δείτε πιθανώς μια σύγκλιση των υλικών. Αντί για ένα ενιαίο «μαγικό» υλικό, οι κατασκευαστές θα υιοθετήσουν υβριδική κατασκευή: ανθρακονήματα για κύρια μονοπάτια φορτίου, αραμίδια για τις ζώνες πρόσκρουσης, μεταλλικά σύνθετα μήτρα για τις αρθρώσεις υψηλής ένδυσης, και πρόσθετες-κατασκευασμένες παρενθέσεις βελτιστοποιημένες για το βάρος. Monocoque (ένα κομμάτι κέλυφος) σχέδια κατασκευασμένα εξ ολοκλήρου από σύνθετα εμφανίζονται ήδη σε προηγμένα πρωτότυπα έρευνας στο MIT και το γερμανικό Aerospace Center (DLR).

Ενσωμάτωση αισθητήρων και έξυπνες δομές

Ενσωματωμένοι αισθητήρες οπτικών ινών και εκτυπωμένα ηλεκτρονικά μέσα σε σύνθετα πλαίσια θα μπορούσαν να επιτρέψουν την αυτοπαρακολούθηση ρομπότ που ανιχνεύουν το στρες, την κόπωση, ή τη βλάβη σε πραγματικό χρόνο. Αυτή η «επιμόρφωση της δομικής υγείας» θα μειώσει το μη προγραμματισμένο χρόνο down και θα επιτρέψει την προγνωστική συντήρηση.

Καθώς ο αυτοματισμός συνεχίζει να ωθεί στην κατασκευή και την εφοδιαστική μικρών πακέτων, η ικανότητα ανάπτυξης γρήγορων, ελαφρών ρομπότ θα γίνει ένας ανταγωνιστικός διαχωριστής.

Συμπέρασμα

Η μετάβαση από μέταλλο σε προηγμένα σύνθετα σε πλαίσια ρομπότ δεν είναι μια μακρινή προοπτική ⁇ συμβαίνει τώρα. Ίνες άνθρακα, αραμίδες, κράματα μαγνησίου, και υβριδικά 3D-εκτυπωμένα μέρη είναι η δυνατότητα ρομπότ που είναι πιο γρήγορα, πιο αποτελεσματικά, και πιο ακριβή από ποτέ. Ενώ το κόστος και οι προκλήσεις κατασκευής παραμένουν, συνεχιζόμενες προόδους στην επιστήμη υλικών και την τεχνολογία παραγωγής είναι σταθερά χαμηλότερα εμπόδια. Για τους μηχανικούς και τους διαχειριστές αυτοματισμού, η κατανόηση αυτών των υλικών δεν είναι πλέον προαιρετική.

Εξωτερικός σύνδεσμος: ⁇ μποτική Επιχειρηματική Επισκόπηση: Ελαφριά Υλικά Έκθεση Τάσης

Εξωτερικός σύνδεσμος: ΕπιστήμηDirect: Overview of Robot Frame Materials