חומרים חדשניים למסגרת רובוטית קלילה באוטומציה תעשייתית

במרוץ לבנות מהר יותר, רובוטים תעשייתיים יעילים יותר באנרגיה, מהנדסים מתרחקים ממסגרות פלדה מסורתיות ואלומיניום.הדור הבא של אוטומציה דורש מבנים קלים שיכולים להאיץ במהירות, להתמודד עם עומסי שכר גבוהים יותר, ולפעול עם דיוק גדול יותר.שינוי זה מופעל על ידי גל של חומרים מתקדמים - סיבים פחמן מורכבים, סיבים חמימים, וליטומיים היברידיים - המספקים כוח יוצא דופן ללא המשקל הזה הם רק שיפוריקני; הם רק שיפוריבית.

מדוע משקל חשוב בתעשיית הרובוטיקה

כל קילוגרם של מסה מסגרת מטיל עלות ישירה על ביצועים. מסגרות כבד דורשות מנועים גדולים יותר, פועלים חזקים יותר, ועוד אנרגיה לנוע.הם גם מגבילים האצה והדהמה, להאט את זמני מחזור.ביישומים כמו איסוף ומיקום, הרכבה, וטיפול בחומר, אפילו ירידה של 10% במסה יכולה לשפר את העומס על ידי 15-20%.

מעבר למהירות, מסגרות קלות יותר מאפשרות עיצובים רובוטיים קומפקטיים יותר.רובוטים קולאביים (cobots) שעובדים לצד בני אדם ליהנות מאירטיה מופחתת, מה שהופך אותם לבטוחים יותר במקרה של התנגשות.עבור רובוטים כבדים, כל קילוגרם ששר את הזרוע מאפשר יותר של יכולת המטען לשימוש בפועל.

פחמן סיבים Composites: The New Standard for High-Performance

סיבים פחמן מחזקים פולימרים (CFRP) הופיעו כחלופה המובילה למתכת במסגרות רובוט קל משקל.עם יחס של כוח-על-משקל בערך חמש פעמים של פלדה וכפליים של אלומיניום, סיבים פחמן מאפשרים למעצבים ליצור מבנים נוקשים, רטט-דמדומים כי הם קלים באופן דרמטי.ברוב תעשייתי טיפוסי של שש-אקסילס, החלפת האלומיניום עבור פחמן שווה ערך יכול להפחית את המסה של 40 או אפילו שיפור של פחות.

ניהול נהיגה מתקדם

אימוץ מוקדם של סיבים פחמן רובוטיקה היה מוגבל על ידי עלויות חומר גבוהות ושיטות ייצור איטיות כמו הנחת יד ו carclave מרפא.היום, מיקום סיבים אוטומטיים (AFP) ו resin transfer עובש (RTM) לחתוך את זמני הייצור ואת עלויות באופן משמעותי. טרום-מפרק ⁇ unidirectionals וארגורים מזוהים זמינים כעת עם תכונות מכניות עקביות מתאימות לייצור סדרתי.

שיקולים מעשיים

סיבים פחמן הוא לא תחליף טיפות עבור מתכת.מעצבים חייב לקחת בחשבון עבור תכונות aisotropic - סטרנגת משתנה בהתאם לנטייה סיבים. ממשקים משותפים דורשים שילובי מתכת או אג"ח היברידית כדי למנוע שבץ תחת עומסים. ההבדלים ההתרחבות הארומית בין חלקי פחמן ומתכת יכולים לגרום לבעיות היישור ביישומים גבוהים.

(ב) [15] ,2 (ב) ,2 (ב) ,בעולם: פחמן פייבר (רובוטיקה)

Aramid סיבים (Kevlar, Nomex) for Impact Resistance

בעוד סיבי פחמן מצטיינים בנוקשות, סיבים ramid כמו Kevlar מביאים קשיחות ייחודית למסגרות הרובוט. חוזקה רב-קרקעי גבוה של Kevlar וקליטת אנרגיה להפוך אותו אידיאלי עבור רכיבים שעשויים לחוות השפעות או עומסים מחזוריים גבוהים - כגון הר-אפקטימור, דיורי יד, ושמיכות מגן.ברובוטים שיתופיים, מבנים חזקים-מחוסנים עלולים לעמוד בפני התנגשות מקרית ללא דירוגים, שיפור בטיחות קטסטרופליים.

ה-Hyated Laminates: שילוב הטוב ביותר של שניהם

מסגרות מתקדמות רבות משתמשות כיום במשחתות היברידיות ששכבות פחמן עם סיבים של אפרים או זכוכית.לדוגמה, צינור זרוע סיבי פחמן עשוי להיות שכבה פנימית של Kevlar כדי לעמוד בפני קידוד, בעוד סיבי הפחמן החיצוניים מספקים נוקשות מתקרבת.

(ב) [15] ,2 ,2 ,2 ,2 ,ד"ר ,ב"ד ,ב"ה) ,"החלו"ל:

Metal Matrix Composites ו-Magnesium Alloys

לא כל החומרים הקלים הם פולימרים.מתכת מטריקס (MMCs) כגון אלומיניום מתחזק עם חלקיקים סיליקון carbide מציעים נוקשות דומה פלדה שליש המשקל.חומרים אלה כבר בשימוש בחלל ועכשיו מוצאים יישומים בזרועות רובוט מהירות גבוהה שבו מוליכות תרמית והתנגדות ללבוש הם קריטיים.

ייצור תוספתי פותח את חופש העיצוב החדש

הדפסה תלת מימדית עם טיטניום, אלומיניום, או פולימרים מאפשרת מבנים לקטייה שאינם אפשריים להטיל או מכונה. רכיבי מסגרת רובוט ניתן לייעל את טופולוגית כדי להציב חומר רק כאשר עומסים הם הגבוהים ביותר, השגת ירידה במשקל של 30-50% בהשוואה למניפסט קונבנציונלי חברות כמו Roboze ו- Markforged מייצרים חלקי ניילון עמידים פחמן עמידים באלומיניום, אך פחות במשקל.

יתרונות של חומרים חדשניים באוטומציה תעשייתית

(FLT:0)העברה מסה 1FLT (בהתאמה ישירה) מתורגם להאצה גבוהה יותר וזמני מחזור קצרים יותר.הפחתה של 10 ק"ג במסה הזרוע יכולה לקצץ את השימוש באנרגיה עד 20% או יותר.
(FLT:0) גבוה יותר לשכר משקל יחס כפל 1: רובוטים יכולים לשאת עומסים כבדים יותר ביחס למשקל שלהם, הרחבת אפשרויות היישום בתוך אותה טביעת רגל.
(FLT:0) צריכת חשמל להורדת כוח: 1:1 - מסגרות אור דורשות מנועים קטנים יותר וכוננים, צמצום הביקוש החשמלי והעלויות התפעוליות.
(FLT:0) שיפור ביצועים דינמיים ביצועים 1FLT:1 - Stiffer, מסגרות קלות יותר להפחית את הרטטים ופתרון יתר, המאפשר דיוק חזק יותר במהירויות גבוהות יותר.
(ב) ⁇ :0 קורוזיה ועייפות התנגדות התנגדות התנגדות לעייפות: Composites ו ⁇ s כמו מגנזיום אינם חלודים, מה שהופך אותם מתאימים לסביבות כביסה במזון ובעיבוד כימי.

אתגרים העומדים בפני אימוץ

עלויות ו Scalability

למרות ירידות המחירים, סיבים פחמן prepreg עדיין עולה בערך 10-20 פעמים יותר לקילוגרם מאשר פלדה. עבור יצרני רובוטיים בנפח גבוה, כי פרימיום מוסיף. Tooling עבור עובש מורכב הוא גם יקר, וזמני מחזור הם יותר מאשר מתכת בולים או ליהוק.הנקודה הפסקה לעתים קרובות מגיע רק עבור יישומים ביצועים גבוהים שבו הפרודוקטיביות עולה חומרים.

הצטרף ותיקון

קומפרסים לא ניתן לדחוס כמו מתכות.הצטרפות דורשת דבקים, מזרז מכני בזהירות, או overmolding היברידית.תיקון של מסגרות מורכבות פגומים מורכב מורכב יותר מאשר חתמת סדקים פלדה - הכחשה לעתים קרובות אומר את החלק חייב להיות מוחלף לחלוטין.זה מעלה עלויות מחזור חיים ודורש יכולות שירות מיוחדות.

מחזור וקיימות

התרכובות של המrmoset קשה לשחזר, וייצור סיבים פחמן יש טביעת רגל פחמן גבוהה. בעוד מחזוריות היא שיפור, קונים תעשייתיים רבים דורשים כעת הערכות מחזור חיים לפני ביצוע חומרים חדשים. Magnesium ⁇ , לעומת זאת, הם מאוד מחזוריים ניתן לייצר עם פליטות נמוכות יותר מאשר אלומיניום.

(ב) [15] [15] [15] [15] [15]

עתיד Outlook: לקראת Monocoque ו- Hybrid Frames

העשור הקרוב צפוי לראות התכנסות של חומרים.במקום חומר "magic" יחיד, יצרנים יאמצו בנייה היברידית: סיבים פחמן עבור נתיבי עומס ראשוני, aramid עבור אזורי השפעה, ממטריקס מתכת עבור מפרקים גבוהים, ותוספים-manufactured brackets ממוטובים למשקל.מונוקוק (אחד-piece) עיצובים) המורכבים כבר מופיעים במחקר מתקדם במרכז החללי MIT ו-D (LR German Brokes).

אינטגרציה ומבנה חכם

חיישני סיבים אופטיים Embedded ואלקטרוניקה מודפסת בתוך מסגרות מורכבות יכול לאפשר רובוטים בעלי מוטיבציה עצמית לזהות מתח, עייפות או נזק בזמן אמת.זה " ניטור בריאותי הרסני" יפחיתו זמן לא מתוכנן ותאפשר תחזוקה חיזוי. סיבי פחמן מוליכים עצמם יכולים לשמש כזנים, להפוך את המסגרת לתוך אלמנט רגיש.

בעוד אוטומציה ממשיכה לדחוף לייצור קטן של מועדונים ולוגיסטיקה, היכולת לפרוס רובוטים מהירים וקלים יהפכו למרכיב תחרותי.חברות שמשקיעות בחומרי מסגרת חדשניים היום יהיו יותר ממוצבים כדי לענות על הדרישות של מפעלים חכמים של מחר.

מסקנה

המעבר ממתכת לרכיבים מתקדמים בפרימות הרובוטים אינו הזדמנות רחוקה – זה קורה עכשיו.סיבים פחמן, ארמדומים, ⁇ מגנזיום, וחלקים מהונדסים תלת-ממדיים היברידיים מאפשרים לרובוטים מהירים יותר, יעילים יותר ומדויקים יותר מאי פעם, בעוד שעלויות ייצור ואתגרי ייצור נשארים, התקדמות מתמשכת בחומרים מדעיים וטכנולוגיה ייצור הם מפחתת בהתמדה.