Kilpailussa rakentaa nopeammin, energiatehokkaampia teollisia robotteja, insinöörit ovat kääntymässä pois perinteisistä teräs- ja alumiinirunkoja. Seuraava sukupolvi automaatio vaatii kevyitä rakenteita, jotka voivat nopeuttaa nopeasti, käsitellä korkeampia hyötykuormat, ja toimivat tarkemmin. Tämä muutos on powered by aalto kehittyneitä materiaaleja. Hiilikuitukomposiitteja, aramidikuitua, ja hybridilaminaatteja.Nämä materiaalit eivät ole vain inversiibeli parannuksia, ne ovat uudelleen määritellä, mitä robotit voivat saavuttaa tehtaan lattialla.

Miksi paino asioita teollisessa robotiikassa

Jokainen kilo runkomassaa aiheuttaa suorien kustannusten suorituskyvyn. Paavammat kehykset vaativat suurempia moottoreita, vahvempia toimilaitteita ja enemmän energiaa liikkuakseen. Ne myös rajoittavat kiihtyvyyttä ja hidastumista, hidastavat sykliaikoja. Sovelluksissa, kuten poiminta- ja paikka-, kokoonpano- ja materiaalinkäsittelyssä, jopa 10%:n massan vähentäminen voi parantaa läpivientiä 15-20%. Kevyimmät kehykset myös vähentävät nivelten ja laakereiden kuormitusta, pidentävät huoltovälejä ja alentavat kokonaisomistuksen kustannuksia. Siksi sykevämpien robottien työntö ei ole vain materiaalitieteen vaan myös käytännön tuottavuuden ja kannattavuuden kasvua.

Nopeuden lisäksi kevyemmät kehykset mahdollistavat kompaktimman robottisuunnittelun. Yhteistyörobotit (kobotit), jotka työskentelevät ihmisten rinnalla, hyötyvät alentuneesta inertiasta, mikä tekee niistä turvallisempia törmäyksen sattuessa. Raskaiden robottien kohdalla jokainen kilo ajeltu käsivarsi mahdollistaa suuremman hyötykuorman käytön varsinaiseen työhön. Nämä kaskadointiedut selittävät, miksi materiaali-innovaatioista on tullut automaatiotoimittajien strateginen prioriteetti.

Hiilikuitukomposiitti: Uusi standardi korkean suorituskyvyn kehyksille

Hiilikuituvahvistetut polymeerit (CFRP) ovat nousseet johtava vaihtoehto metallille kevyissä robottikehyksissä. Vahvuus-painosuhde noin viisi kertaa teräksen ja kaksinkertainen alumiiniin, hiilikuitu mahdollistaa suunnittelijat luoda jäykkä, tärinää ammuttava rakenteita, jotka ovat dramaattisesti kevyempiä. Tyypillisessä teollisessa kuusi akseli robotti, korvaa alumiininen kyynärvarsi hiilikuituekvivalentti voi vähentää massaa 40-50% säilyttäen tai jopa parantaa jäykkyyttä.

Valmistus edistyy ajo-ohjauksessa

Aikaisessa vaiheessa hiilikuidun käyttöönottoa robotiikassa rajoittivat korkeat materiaalikustannukset ja hitaat valmistusmenetelmät, kuten käsien layup ja autoklaavi. Nykyään automaattiset kuitusijoittelu (AFP) ja hartsin siirtomuotti (RTM) ovat leikanneet tuotantoaikoja ja kustannuksia merkittävästi. Esikyllästetyt yksisuuntaiset nauhat ja kudotut kankaat ovat nyt saatavilla johdonmukaisilla mekaanisilla ominaisuuksilla, jotka soveltuvat sarjatuotantoon. Robottivalmistajat, kuten FANUC ja ABB, ovat alkaneet tarjota hiilikuituaseita valikoiduille malleille, ja startups kuten Automata käyttävät CFRP:ää rakentaakseen ultrakevyitä työpöytärobotteja.

Käytännön näkökohdat

Hiilikuitu ei ole metallille pisara-in korvike. Suunnittelijoiden on otettava huomioon anisotrooppiset ominaisuudet. Vahvuus vaihtelee kuitusuuntauksen mukaan. Yhteisliitännät vaativat metalliliitoksia tai hybridiliitoksia estämään murskaamista ruuvikuormien alla. Hiilen ja metalliosien väliset lämpölaajenemiserot voivat aiheuttaa yhdenmukaistamisen ongelmia teräväpiirtoisissa sovelluksissa. Näistä haasteista huolimatta suorituskyky paranee riittävän paljon, että useimmat uudet robottialustat sisältävät ainakin joitakin hiilikuitukomponentteja.

Ulkoinen linkki:[ Composites World: Carbon Fiber in Robotics

Aramidikuidut (Kevlar, Nomex) iskunkestävyys

Vaikka hiilikuitu on jäykkyyttä, aramidikuidut kuten Kevlar tuovat ainutlaatuista sitkeyttä robotti kehyksiä. Kevlar.Kevlar.S korkea vetolujuus ja energianvaimennus tekevät siitä ihanteellisen komponenttien, jotka voivat kokea vaikutuksia tai suuria syklisiä kuormia.Näin voidaan esimerkiksi päätytehostin kiinnikkeet, ranteen kotelot ja suojaavat verhot. Yhteistyö robotit, aramidi-vahvistettu rakenteet voivat kestää vahingossa törmäyksiä ilman katastrofaalista vikaa, parantaa turvallisuusluokitusta.

Hybridilaminaatit: Yhdistämällä molempien parhaat

Monet kehittyneet kehykset käyttävät nyt hybridilaminaatteja, jotka ovat kerroksen hiilikuitua aramidin tai lasikuitujen kanssa. Esimerkiksi hiilikuituvarsiputki voi olla sisäkerros Kevlar vastustaa halkeaman leviämistä, kun taas ulkohiilikuidut tarjoavat taivutusjäykkyyttä. Näitä hybridejä käytetään roboteissa ruoan jalostukseen ja lääkkeisiin, joissa kemiallinen kestävyys ja sitkeys ovat yhtä tärkeitä kuin painon säästö.

Ulkoinen linkki: DuPont Kevlar Industrial Robotics Applications

Metallimatriisikomposiittit ja magnesiumseokset

Kaikki kevyet materiaalit eivät ole polymeerejä. Metallimatriisikomposiitit (MMC) kuten piikarbidihiukkasilla vahvistettu alumiini tarjoavat jäykkyyttä, joka on verrattavissa teräkseen kolmasosassa painosta. Näitä materiaaleja käytetään jo ilmailu- ja avaruusteollisuudessa ja ne ovat nyt löytämässä sovelluksia nopeissa robottivarsissa, joissa lämmönjohtavuus ja kulumisenkestävyys ovat kriittisiä. Magnesiumseokset, vaikkakin vähemmän yleisiä, tarjoavat alimman tiheyden rakennemetalleja.Nämä aineet ovat noin 35% kevyempiä kuin alumiini.

Lisäaine valmistus avaa uuden muotoilun vapaus

3D-tulostus titaanilla, alumiinilla tai polymeerikomposiitteilla mahdollistaa ristikkorakenteiden, joita on mahdotonta valaa tai koneella. Robottikehyskomponentit voidaan optimoida topologisesti vain sijoittaa materiaalia, jossa kuormat ovat korkeimmat, jolloin paino laskee 30..50% verrattuna tavanomaiseen koneistus. Yritykset kuten Roboze ja Markforged tuottavat jatkuva hiilikuituvahvisteisia nailon osia, jotka kilpailevat alumiinia vahvuutena mutta painavat paljon vähemmän.

Innovatiivisten materiaalien edut teollisessa automaatiossa

  • Vähennetty liikkuva massa[ . Suoraan tarkoittaa suurempaa kiihtyvyyttä ja lyhyempiä sykliaikoja. 10 kg:n käsivarren massan vähentäminen voi vähentää energian käyttöä vähintään 20 prosenttia.
  • Korkeampi hyötykuorma-painosuhde[ . Robotit voivat kuljettaa raskaampia hyötykuormat suhteessa omaan painoonsa, jolloin sovellusmahdollisuudet laajenevat saman jalanjäljen sisällä.
  • Alhainen virrankulutus[ .
  • Edistynyt dynaaminen suorituskyky[ ...
  • Korroosion- ja väsymyksenkestävyys[ . Komposiitit ja seokset kuten magnesium eivät ruostu, joten ne soveltuvat pesuympäristöihin elintarvikkeissa ja kemiallisessa käsittelyssä.

Adoption edessä olevat haasteet

Kustannus ja skaalattavuus

Hinnan laskusta huolimatta hiilikuitupreg maksaa edelleen noin 10-20 kertaa enemmän kiloa kohti kuin teräs. Suuritehoisille robottivalmistajille tämä palkkio lasketaan yhteen. Koostumusmuottien tooling on myös kallista, ja sykliajat ovat pidempiä kuin metallien leimaus tai valu. Tauko-seitsemän pisteen tulee usein vain korkean suorituskyvyn sovelluksiin, joissa tuottavuuden kasvu kompensoi materiaalikustannuksia.

Liitytään ja korjataan

Komposiitteja ei voi hitsata kuten metalleja. Liitos vaatii liimoja, mekaanisia kiinnikkeitä varoen tai hybridin sulatusta. Vahingoittuneiden komposiittikehysten korjaus on monimutkaisempaa kuin hitsaus teräscrack.Se tarkoittaa usein sitä, että osa on korvattava kokonaan. Tämä nostaa elinkaarikustannuksia ja vaatii erityisiä huoltoominaisuuksia.

Kierrätys ja kestävä kehitys

Lämpökomposiitteja on vaikea kierrättää, ja hiilikuitujen tuotannossa on korkea hiilijalanjälki. Vaikka kierrätettävyys on paranemassa, monet teollisuusostajat vaativat nyt elinkaariarviointeja ennen uusiin materiaaleihin sitoutumista. Magnesiumseokset ovat puolestaan hyvin kierrätettävissä ja niitä voidaan tuottaa pienemmillä päästöillä kuin alumiinia.

Ulkoinen linkki: IFM Technology Brief: Kevyet materiaalit robotiikassa

Tulevaisuuden näkymät: Kohti monokokki- ja hybridikehyksiä

Tuleva vuosikymmen todennäköisesti lähentymistä materiaalien. Sen sijaan, että yksi . Magic. materiaali, valmistajat ottavat hybridirakenne: hiilikuitua ensisijainen kuormitus polkuja, aramidi iskuvyöhykkeet, metallimatriisi komposiitit korkean kulutus nivelet, ja lisäaine-valmis suluissa optimoitu paino. Monocoque (yksiosainen kuori) mallit tehdään kokonaan komposiitti ovat jo näkyvissä kehittyneitä tutkimusprototyyppejä MIT ja German Aerospace Center (DLR).

Sensorien integrointi ja älykkäät rakenteet

Upotettu kuituoptinen anturit ja painettu elektroniikka komposiitti kehyksissä voisi mahdollistaa itseseuranta robotit, jotka havaitsevat stressiä, väsymystä tai vahinkoa reaaliajassa. Tämä .Rakenteiden terveyden seuranta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Automaation jatkaessa pienten pisteiden valmistusta ja logistiikkaa, kyvystä ottaa käyttöön nopeita, kevyitä robotteja tulee kilpailukykyinen erottelija. Yritykset, jotka investoivat innovatiivisiin kehysmateriaaleihin tänään, ovat paremmin sijoitettu vastaamaan tulevaisuuden älykkäiden tehtaiden vaatimuksiin.

Päätelmät

Siirtyminen metallista edistyneisiin komposiitteihin robottikehyksissä ei ole kaukainen näkymä. Hiilikuitu, aramidit, magnesiumseokset ja hybridi 3D-tulostetut osat mahdollistavat robotit, jotka ovat nopeampia, tehokkaampia ja tarkempia kuin koskaan aiemmin. Vaikka kustannus- ja valmistushaasteet ovat edelleen olemassa, materiaalien tieteen ja tuotantoteknologian jatkuva kehitys vähentää jatkuvasti esteitä. Insinöörien ja automaatiopäälliköiden kannalta näiden materiaalien ymmärtäminen ei ole enää vapaaehtoista; se on keskeinen osaaminen seuraavan sukupolven teollisuusautomaation suunnittelussa.

Ulkoinen linkki: Robotiikkaliiketoiminnan katsaus: Kevyiden materiaalien trendiraportti

Ulkoinen linkki: TiedeSuoraan: Yleiskatsaus robottikehysmateriaaleista