חומר anisotropy מתאר את התלות הרצינית של תכונות מכניות בתוך מוצק - גורם המשפיעה עמוקות על הביצועים מבניים של רכיבים רובוטיים.ברובוטיקה, שבו הפחתת המונים ואופטימיזציה כוח הם רב-עוצמה, מהנדסים חייבים להעריך בקפידה כיצד חומרים אנטרופיים מתנהגים תחת עומס כדי למנוע כשלון מוקדם יותר ולהשיג יחסים גבוהים יותר של פחמן-to-Stratesto-strth.

הבנה של חומר Anisotropy

Anisotropy הוא לא רכוש יחיד אלא ספקטרום של התנהגויות כיוון.זה מסווג בדרך כלל לשלושה סוגים המבוססים על הסימטריה של החומר:

  • (ב) [ה]: [ה] [ה] [ה]] שלושה מטוסים של סימטריה הדדית, עם תכונות ייחודיות לאורך כל ציר.
  • (FLT:0) transversely Isotropic:FLT:1 , מטוס אחד של איזוטרופיה (נכסים חומריים הם זהים בכל הכיוונים בתוך המטוס הזה) וכיוון ייחודי לתוכו. , מרוכבים סיבים קונבנציונאליים ופולימרים מרופדים לעתים קרובות להציג התנהגות זו.
  • (FLT:0) Aisotropic מלא (טריקליני): לא מטוסים של סימטריה; כל 21 קבועות אלסטיות עצמאיות נדרשים כדי לתאר את מטריקס הנוקשות.חומרים כאלה הם נדירים רובוטיים, אבל מופיעים בחומרים חכמים מתקדמים או מורכבים מרובי שכבות מורכבות.

עבור רוב היישומים הרובוטיים, אותטרופיים או טרופיים דיים, במיוחד כאשר משתמשים באלהיים מורכבים מודרניים.עם זאת, תהליכי ייצור בעולם האמיתי יכולים להציג סטיות קטנות שיש לקחת בחשבון בניתוח.לדוגמה, הנטייה של סיבים ב- 3D- מודפס פחמן-פיבר רציף אינה תואמת באופן מושלם עקב מגבלות דפוס, מה שמוביל ל"זווית מיטיבה" שהפחתה של 5D.

[העיקרון היסודי] הוא כי חומרים אנטרופיים הם נורמליים ועיוותים של גרגרים (a Tenile לטעון בכיוון אחד יכול לייצר זן של הרץ, ועומס הרהר יכול לגרום לזן רגיל.ההפיכה הזו, המתוארת על ידי הנוקשות של עשרות (FLT:0CIRFLT:1FLT:2ijklFLT 3), מסבך ניתוח כי ההוראות העיקריות אינן מקריות את האינטואיציה, כלומר, הן תמיד, הן ברמה הגבוהה ביותר.

כדי להמחיש, לשקול זרוע רובוטית המיוצרת מ צינור פחמן חד-צדדי.ה הצינור נוקשה מאוד לאורך כיוון הסיבים (כיוון צירי) אבל חלש יחסית בכיוון ההופוס.אם הזרוע חווה דחיסה משולבת ושרוול אקסקלי, הלחץ הנוק מ torsion עשוי לעלות על הכוח ההפוך של החומר, מה שגורם לתפצל זמן רב לפני סיבירית להגיע לשרוולים מבניים כדי ליצור אסטרטגיות אדפטומטיות או ממושכות כדי לשפר את הדימום.

השפעות על יכולת טעינה סטרקטיבית

יכולת הנטל של מבנה רובוט - העומס המקסימלי שהוא יכול לקיים ללא עיוות קבוע או שבר - תלוי במידה רבה על האופן שבו האנזוטרופיה של החומר אינטראקציה עם ספקטרום העומס הישומי.חומרים Isotropic הם פשוטים יותר לנתח כי המעטפות הכישלונות שלהם הן סימטריות (למשל, פון מיז מניבה קריטריונים).

כאשר רובוט פועל בסביבה דינמית, עומסים משתנים בגודל ובכיוון. רכיב אנזוטרופי שמטם עבור עומס סטטי עלול להיכשל מתחת עייפות או השפעה כי נתיבי הניתוק אנרגיה מוגבלים בכיוון.לדוגמה, קישור רגל פחמן-פיבר ב רובוט הליכה נוקשה חייב לעמוד מול צמת אופניים או מכניקה אם האוריינטציה היא בלעדית 0 ° (ong), חיבור רגל פחמן-מזומן בעיטות קשות בצד השני (אך).

יתרונות השימוש בחומרים אנזוטרופיים

  • (FLT:0) יחס כוח-למשקל: ⁇ 1:1 על ידי התאמה סיבים בעלי רגישות גבוהה לאורך נתיבי העומס הראשוניים, מבנים יכולים להיות קלים יותר מ -30-50% מאשר המקבילות מתכת איזוטרופית תוך שמירה או עלייה של כוח. עבור רובוטים אוויריים (רומנים, כלי רכב מתפתל), זה מתורגם ישירות לזמני טיסה ארוכים יותר או לשלם יותר.
  • (FLT:0) גמישות עיצובית:FLT:1 תכונות Anisotropic מאפשרות למהנדסים ליצור נוקשות משתנה באזורים שונים של חלק אחד. a Robotics Catcher יכול להיות נוקשה עבור לתפוס חפצים כבדים אבל תואם לצורות לא סדירות - כל בתוך אותו מונותי מורכב.
  • (FLT:0)Tailored לחות ותכונות רטט: קיד 1 ⁇ ply pific ⁇ יכול להגדיל לחות מבנית, צמצום תנודות במהירות גבוהה איסוף ומיקום הזרועות.זה משפר את הדיוק ולהפחית את זמן התיישבות ללא הוספת לחות רב.
  • (FLT:0) בקרת הרחבה הגדלה:FLT:1hil על ידי שילוב סיבים עם אפקטיביות התפשטות תרמי שלילי (למשל, פחמן) עם מטריקס CTE חיובי, החלק הכולל יכול להיות מתוכנן להיות קרוב אפס התרחבות תרמית, קריטי עבור רובוטים מיקום דיוק במוליכים למחצה ייצור.

אתגרים בעיצוב וייצור

  • (FLT:0)Complex Analysis andסימולציה:FLT:1euring anisotropic חומרים דורש תוכנה אלמנט סופי מתקדמת התומכת אוריינטציה חומרית נכונה, כישלונות, ונזקים מתקדמים מודלים.תנאים של גבול אימפולסים או מישוש יכולים להניב תוצאות לא פיזיות.קבוצות רבות מזלזלות במאמץ הדרוש כדי לאמת מודלים סימולציה נגד בדיקות פיזיות.
  • (FLT:0) תהליכי עיבוד:Figouts:Figple: 1) שיטות לייפ (שכבת יד, מיקום סיבים אוטומטיים, 3D הדפסה filament) לכל אחד יש מגבלות על סוללות סיבים בלתי אפשריים, עובי, וגודל חלק.קל מחזורים עבור מקרשים מורכבים מורכבים דורש טמפרטורה מדויקת ולחצים כדי להימנע ממכשולים ועמודי מלחמה.
  • (FLT:0) אי ספיקת בלתי-צפוי מצבי כשלון: 1 (Anoisotropic Materials) לעיתים קרובות נכשל באופן מתקדם ולא-קטסטרוטרופי – הכחשה, מטריקס, סדקים, סיבים מושכים-out - אשר יכול להיות קשה לזהות עם חיישנים פשוטים.זרוע רובוטית עשויה לאבד נוקשות בהדרגה לאורך זמן, מה שמוביל למקם שגיאות ללא שבר גלוי חייב לשלב בריאות או ניטור גורמים בטיחות נדיבים.
  • (FLT:0) Cost ו-Moderal Time:FLT:1irrated Anisotropic Complexs (במיוחד אלה עם אוריינטציה סיבים מורכבים) דורשים יצירת עובש, עיבוד חומרה, ובדיקה איכותית (ultrasonic C-scan, x-ray) עבור רובוטיות בעלות נמוכה של מוצרים, עלויות אלה ניתן לאסור בהשוואה לאלומיניום ממונע או זריקות.

מודלים מתמטיים של חומרים אנזוטרופיים

(ב) לנבא את יכולת העומס, מהנדסים מסתמכים על החוק הכללי של הוק עבור מוצקים אנזוטרופיים: ⁇ FLT:0ijcioFLT:1 = CigFLT:2ijklph 3:3 ⁇ FLT 3 ⁇ ⁇ FLT:4kl נוקשות:5, שבו ⁇ הוא מתח, C הוא מאמץ, והוא הרביעי סדר עבור עשרות או נוקשות (לא)

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]

בפועל, קבועים אלה מתקבלים מבדיקות קופונים סטנדרטיות (ASTM D3039 למתח, D3410 לדחיסה, D5379 עבור Shear) ולעתים קרובות מסופקים על ידי ספקים חומרים.עם זאת, הנתונים הגולמיים חייבים להיות מעובדים עם טיפול: התאמת הדגימה, מדידה מיקום, ותנאי הדגימה יכולים להציג שגיאות של 5–10% אם לא מנוהל כראוי.

ניתוח אלמנט Finite (FEA) הוא הכלי הסטנדרטי לטיפול בתכונות החומריות aisotropic ב גיאומטריה מורכבת.מהנדסים להגדיר מערכת לתאם חומר (כיוון נמוך) המשתנה באופן מרחבי - לדוגמה, עוטפת סביב זרוע רובוטית מעוקלת. מודרני FEA פותרים (Abaqus, Ansys, Nastran) תומך באלמנטים רצף כי עבור מתחים אפילציה, אשר הם גם עבור נוגדנים יעיל במיוחד עבור חומרים מורכבים.

מחקרים: Anisotropy in Robot Structures

משקל קל משקל Drone Arms

הזרועות של Quadcopter הן עגומות אשר חייבות לעמוד בריצה מחזורית ממעליות ועומסים עדרסאליים מטורק המנועים. זרוע אלומיניום קונבנציונלית היא טרופית אך כבדה.על ידי מעבר לפחמן-פימימין/טופקסי לכדי סיבים הפיכה של 145 מעלות עבור העורים ו-0 לאורך ציר הזרוע, מהנדסים מופחתים על ידי 65% תוך הגדלת boting על ידי ניתוח חד-חמצני, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, ירידה של 14% מגובה של חומרים מגובה של חומרים מגובה של 1,400 חומרים מגובה של 1,400 חומרים מתואמים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת,

רובוטים

exoskeletons חייב להיות נוקשה להעביר מומנטים גבוהים ותואם לספוג השפעה של עומס אנושי gait. Anisotropic פחמן-fiber צינורות המשמשים את הירכיים ואת המגזרים שין נועדו עם 0 ° / 90 מעלות הניחוח עבור קשיחות צירית ו bending, אבל שכבת ±45 מעלות צלזיוס מספקת גמישות המאפשרת קל לציות דביקות זה יכול להיות יותר של לחץ אנושי, 000.

רובוט מהיר Pick-and-Place

בייצור למחצה, רובוטים זרוע צריכים להאיץ ב 10 גרם בעוד הצבת קמטים עם דיוק מיקרון.התדירות הטבעית הראשונה של הזרוע חייבת להיות גבוהה (>100 הרץ) כדי להימנע משיקום. זרועות פלדה איסוטרופיות כבדות מדי, כך שזרועות פחמן-פיבר הן בשימוש על ידי חומרים קשיחים (poropy) מנוצלים כדי ליצור מבנה "מוסמך": הכפלת הזרועות של הזרועות היא ממקסמת על ידי קיבולת נמוכה יותר של 40% (Fi) באמצעות גירוי מכנית של חומרים מכנית (כלומר, כאשר היא פחות גבוהה יותר, כאשר היא פחות מגובה על ידי חומרים מכני) עם מומנטום (כלומר, כאשר היא פחות מגובה באמצעות גירוי גבוה יותר, כאשר היא פחות מגובה על ידי מגנטיים) עם מומנטום) עם מומנטום (כלומר, 000) הוא פחות מגובה על ידי חומרים מנוגדת) עם מומנטום (כלומר, כאשר היא פחות מגובה על ידי חומרים מכני) עם מומנטום (מספקים עם מומנטום יעיל על ידי גירוי מכני) הוא פחות מגובה על ידי חומרים חזקים יותר מגובה על ידי חומרים מכני) הוא פחות מגובה על ידי גירוי נמוך יותר, 000) הוא פחות מגובה על ידי גירוי נמוך יותר, 000) הוא פחות מגובה על ידי גירוי

ניתוח יסודות פינט וסימולציות הטוב ביותר

סימול מוצלח של חומרים אנזוטרופיים במבנים רובוטיים דורש זרימת עבודה ממושמעת:

  1. (FLT:0)Define מערכת קואורדינטציה חומר עקבי: ibph:1) השתמש בקואורדינטות מקומיות שעוקבות אחר הגיאומטריה.
  2. (FLT:0Select המתאים אלמנטים:FLT:1varum אלמנטים קליפים (SC8R, SC6R) או אלמנטים מוצקים שכבתיים מעדיפים על אלמנטים פגזים קונבנציונליים כאשר דלמנטום או מחוץ למטוס מתח הם פעילים.עבור הרבה יותר רזה, אלמנטים קליפים מקובלים אם הכיוון החומרי מוגדר באופן ply.
  3. (FLT:0) שילוב קריטריונים של כשל: FLT:1hil השתמש ב-Hashin או Puck קריטריונים עבור כישלונות סיבים וסדקים ממטריקס, אבל גם לבדוק את ה- delamination באמצעות אזור cohesive Modeling או VCCT (טכניקת סגירה סדקים וירטואלית). קריטריון כשלון יחיד הוא לעתים רחוקות מספיק.
  4. (FLT:0)Validate עם בדיקות קופונים פשוטות: FIRLT:1 לפני סימולטור זרוע רובוט מלאה, לאמת את המודל החומרי נגד מבחן תלת-אפ או מבחן לסימון של קופון קטן.
  5. (FLT:0)Perform ניתוח רגישות: FLT:1ibostropic תכונות לעתים קרובות יש וריאציות סטטיסטית (למשל, ±5% בנפח נפח סיבי). סימולציות ריצה עם גבולות גבוהים ונמוכים של הקבועים כדי להבטיח שהעיצוב הוא חזק.

זה גם קריטי כדי מודל תהליך הייצור עצמו.לדוגמה, במיקום סיבים אוטומטיים, פערים בין צמתים ליצור אזורים עשירים רזין זעירים שפועלים כמגדלי מתח.אלה יכולים להיות נתפסים על ידי מודל תא יחידה מיקרו-מכנית או על ידי searing הנכסים עם מצב גבול תקופתי. Ignoring אלה יכולים להוביל להפחתה של קיבולת על ידי 20-30% בביצועים גבוהים.

המונחים: Anisotropic Robot Parts

התרגום של עיצוב חומרי אנזוטרופי לחלק רובוט אמין תלוי במידה רבה בטכניקות ייצור:

  • (FLT:0Handueup ו preprepreg: ⁇ F1 מתאים לנמוך, גיאוגרפיות מורכבות אבל דורש עבודה מיומן ו carclave מרפא. voids וריאציות עובי הם נפוצים, המוביל לצמצום כוח דחיסה ונוקשות. עבור רכיבים רובוטיים כמו חרטות הרים, הנחת יד יכולה להשיג 85-90% של תכונות תיאורטיות.
  • (FLT:0) הקצאת סיבים מאוישים (AFP): ראשי AFP רובוטיים מציבים סיבים צרים עם דיוק גבוה (דיוק של ±1 °) טכנולוגיה זו מאפשרת עיצובים קשיחים משתנים כאשר כיוון סיבים משתנה לאורך החלק, אבל עלויות ההון גבוהות (>1M בשימוש במסגרות גרוטאות ומזל"מים מותאמים אישית.
  • (FLT:0)3D הדפסה עם סיבים רציפה: FLT:1 ייצור אדרטיבי מאפשר להטביע סיבים פחמן חדלים או רצופים במריצה תרמופלסטית.ההתפתחויות האחרונות בדפוסי קואקסיאלי (למשל, VO, Markforged) מאפשרות סיבים לעקוב אחר נתיבים מעוקלים, אך הנפיחות המתקבלת (5-15%) מקטין את הכוח בהשוואה ל-40%, ל-Prepreative, ל-Prepatesto-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-sites.
  • (FLT:0) עיבוד אנזוטרופי של אמסטל: ראטאל 1: עבור רובוטים הפועלים בטמפרטורה גבוהה (למשל, אוטומציה של מוצא), מבוסס ניקל מבוסס על superalloys או פרופילים extruded titanium לספק התנגדות aisotropic. אלה דורשים פיזור מוצק טיפול חום לאחר עיבוד, הוספת זמן מוביל ועלות.

אבטחת איכות היא בדיקה לא-נשכחת (ultrasonic C-scan, thermography, Shearography) צריך להתבצע על כל רכיב רובוט קריטי, במיוחד אלה עם שכבה מורכבת. כל מי שזוהההה דלמנט גדול מ 3 מ"מ בתצוגת התוכנית בדרך כלל מוביל שולי בטיחות בלתי-מקובלים עבור חלקים נושאי עומס.

מסקנה

חומר אנזוטרופיה אינה מכשול רובוטיקה - זהו כלי עיצוב חזק כאשר הוא מובן כראוי ומיושם. על ידי מינוף חומרים אופטימיזציה כיוון, מהנדסים יכולים ליצור מבני רובוט קלים, חזקים יותר, ותגובה יותר מאשר עמיתיהם הטרופיים.המפתח הוא לאמץ את המורכבות: להשקיע באפיון חומרים חזקים, סימולציה קפדנית, ותהליכי ייצור מדויקים ככל שמערכות רובוטיות ממשיכות להתפתח לצורות מהירות יותר, כלומר, שינויים חשמליים מורכבים יותר, כלומר, לא יציבים, כמו גם חומרים אוטונומיים, כמו גם כן, לא יציבים, כמו גם כן, הם, כלומר, הם רק חומרים אוטונומיים, הם רק חומרים מורכבים יותר, הם פחות יציבים, הם, הם, הם, הם יותר, כמו גם כן, הם יכולים להיות מסוגלים יותר, הם יותר, כלומר, הם, הם מסוגלים לפתח יותר, כלומר, הם בעלי תפקודים, כלומר, הם, כלומר, כלומר, הם, הם, כלומר, כלומר, לא יציבים, הם, הם יותר, כלומר, לחץ על ידי שינוי חשמלי חזק יותר, הם, לא יציבים יותר, הם, הם, כלומר, לא יציבים, הם, הם, הם, הם, הם, הם, לחץ על ידי שינוי דרמטי יותר, הם, הם, הם, כמו גם לחץ על