औद्योगिक स्वचालन में लाइटवेट रोबोट फ्रेम्स के लिए अभिनव सामग्री

तेजी से, अधिक ऊर्जा कुशल औद्योगिक रोबोट बनाने की दौड़ में, इंजीनियर पारंपरिक स्टील और एल्यूमीनियम फ्रेम से दूर हो रहे हैं। स्वचालन की अगली पीढ़ी हल्के संरचनाओं की मांग करती है जो जल्दी से तेजी ला सकती है, उच्च पेलोड को संभाल सकती है, और अधिक परिशुद्धता के साथ काम कर सकती है। यह बदलाव उन्नत सामग्रियों की लहर से संचालित किया जा रहा है -कार्बन फाइबर कंपोजिट, अरामी फाइबर, और हाइब्रिड टुकड़े टुकड़े - जो वजन के बिना असाधारण ताकत प्रदान करते हैं। ये सामग्री केवल वृद्धिशील सुधार नहीं हैं; वे इस बात को फिर से परिभाषित कर रहे हैं कि कौन से रोबोट कारखाने के फर्श पर प्राप्त कर सकते हैं।

क्यों औद्योगिक रोबोटिक्स में वजन के मामले

प्रत्येक किलोग्राम फ्रेम द्रव्यमान प्रदर्शन पर प्रत्यक्ष लागत को लागू करता है। भारी फ्रेम को बड़े मोटर्स, मजबूत actuators और अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। वे त्वरण और मंदी को भी सीमित करते हैं, चक्र के समय को धीमा करते हैं। पिक-एंड-प्लेस, असेंबली और सामग्री हैंडलिंग जैसे अनुप्रयोगों में, द्रव्यमान में 10% की कमी भी 15-20% तक थ्रूपुट में सुधार कर सकती है। हल्का फ्रेम जोड़ों और बीयरिंगों पर भार को भी कम करते हैं, रखरखाव अंतराल को बढ़ाते हैं और स्वामित्व की कुल लागत को कम करते हैं। लाइटर रोबोट की ओर धक्का इसलिए सामग्री विज्ञान के बारे में नहीं है - यह उत्पादकता और लाभप्रदता में व्यावहारिक लाभ के बारे में है।

इसके अलावा, लाइटर फ्रेम अधिक कॉम्पैक्ट रोबोट डिजाइन को सक्षम करते हैं। सहयोगी रोबोट (cobots) जो मनुष्यों के साथ काम करते हैं, कम जड़ता से लाभ उठाते हैं, जिससे उन्हें टकराव की स्थिति में सुरक्षित बना दिया जाता है। भारी-भुगतान वाले रोबोटों के लिए, प्रत्येक किलोग्राम हाथ से मुंडा पेलोड क्षमता को वास्तविक काम के लिए इस्तेमाल करने की अनुमति देता है। ये कैस्केड लाभ बताते हैं कि सामग्री नवाचार स्वचालन आपूर्तिकर्ताओं के लिए रणनीतिक प्राथमिकता क्यों बन गई है।

कार्बन फाइबर कम्पोजिट: उच्च प्रदर्शन फ्रेम के लिए नया मानक

कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर (CFRP) हल्के रोबोट फ्रेम में धातु के लिए अग्रणी विकल्प के रूप में उभरा है। एक ताकत से वजन अनुपात के साथ लगभग पांच गुना स्टील और दो बार एल्यूमीनियम की है कि, कार्बन फाइबर डिजाइनरों को कठोर, कंपन-दबाव वाली संरचनाएं बनाने की अनुमति देता है जो नाटकीय रूप से हल्का है। एक विशिष्ट औद्योगिक छह अक्ष रोबोट में, एल्यूमीनियम को कार्बन फाइबर के बराबर के साथ बदलकर 40-50% तक द्रव्यमान को कम कर सकता है जबकि कठोरता को बनाए रखने या यहां तक कि सुधारने में भी मदद करता है।

विनिर्माण अग्रिम ड्राइविंग गोद लेना

रोबोटिक्स में कार्बन फाइबर को जल्दी अपनाने को उच्च सामग्री लागत और धीमी निर्माण विधियों जैसे हाथ की छींटे और आटोक्लेव इलाज द्वारा सीमित किया गया था। आज, स्वचालित फाइबर प्लेसमेंट (AFP) और राल हस्तांतरण मोल्डिंग (RTM) ने उत्पादन के समय में कटौती की है और लागत में काफी हद तक कमी आई है। पूर्व गर्भवती यूनिडायरेक्शनल टेप और बुने हुए कपड़े अब सीरियल उत्पादन के लिए उपयुक्त यांत्रिक गुणों के साथ उपलब्ध हैं। FANUC और ABB जैसे रोबोट निर्माताओं ने चुनिंदा मॉडलों पर कार्बन फाइबर हथियारों की पेशकश शुरू की है, और ऑटोमाटा जैसे स्टार्टअप अल्ट्रा-लाइट डेस्कटॉप रोबोट बनाने के लिए CFRP का उपयोग कर रहे हैं।

प्रैक्टिकल विचार

कार्बन फाइबर धातु के लिए एक ड्रॉप-इन प्रतिस्थापन नहीं है। डिजाइनरों को एनिसोट्रोपिक गुणों के लिए जिम्मेदार होना चाहिए - फाइबर अभिविन्यास के आधार पर ताकत भिन्न होती है। संयुक्त इंटरफेस को बोल्ट लोड के तहत क्रशिंग को रोकने के लिए धातु आवेषण या हाइब्रिड बंधन की आवश्यकता होती है। कार्बन और धातु भागों के बीच थर्मल विस्तार अंतर उच्च परिशुद्धता अनुप्रयोगों में संरेखण मुद्दों का कारण बन सकता है। इन चुनौतियों के बावजूद, प्रदर्शन लाभ पर्याप्त सम्मोहक होते हैं कि अधिकांश नए रोबोट प्लेटफार्मों में कम से कम कुछ कार्बन फाइबर घटक शामिल हैं।

]External link: Composite World: Carbon Fiber in Robotics]]

प्रभाव प्रतिरोध के लिए अरामी फाइबर (केवरलर, नोमेक्स)

जबकि कार्बन फाइबर कठोरता में उत्कृष्टता प्राप्त करता है, केवलर जैसे अरामी फाइबर रोबोट फ्रेम के लिए अद्वितीय क्रूरता लाते हैं। केवलर की उच्च तन्यता ताकत और ऊर्जा अवशोषण उन घटकों के लिए आदर्श बनाती है जो प्रभाव या उच्च चक्रीय भार का अनुभव कर सकते हैं - जैसे कि अंत-प्रभावी माउंट, कलाई आवास और सुरक्षात्मक श्रॉड। सहयोगी रोबोटों में, अरामी-प्रबलित संरचनाएं catastrophic विफलता के बिना आकस्मिक टकराव का सामना कर सकती हैं, सुरक्षा रेटिंग में सुधार कर सकती हैं।

हाइब्रिड टुकड़े: दोनों में से सर्वश्रेष्ठ का संयोजन

कई उन्नत फ्रेम अब हाइब्रिड टुकड़े का उपयोग करते हैं जो कि अरामी या ग्लास फाइबर के साथ कार्बन फाइबर को परत देते हैं। उदाहरण के लिए, एक कार्बन फाइबर आर्म ट्यूब में क्रैक प्रोपेगेशन का विरोध करने के लिए केवलर की आंतरिक परत हो सकती है, जबकि बाहरी कार्बन फाइबर झुकने की कठोरता प्रदान करते हैं। इन हाइब्रिड्स का उपयोग खाद्य प्रसंस्करण और फार्मास्यूटिकल्स के लिए रोबोटों में किया जा रहा है, जहां रासायनिक प्रतिरोध और क्रूरता वजन बचत के रूप में महत्वपूर्ण है।

]External link: DuPont Kevlar औद्योगिक रोबोटिक्स अनुप्रयोग]

धातु मैट्रिक्स कम्पोजिट्स और मैग्नीशियम मिश्र धातु

सभी हल्के पदार्थ बहुलक नहीं हैं। धातु मैट्रिक्स कंपोजिट (MMCs) जैसे कि सिलिकॉन कार्बाइड कणों के साथ प्रबलित एल्यूमीनियम वजन पर स्टील के बराबर कठोरता प्रदान करते हैं। ये सामग्री पहले से ही एयरोस्पेस में उपयोग की जाती हैं और अब उच्च गति वाले रोबोट हथियारों में अनुप्रयोग ढूंढ रहे हैं जहां थर्मल चालकता और पहनने के प्रतिरोध महत्वपूर्ण हैं। मैग्नीशियम मिश्र धातु, हालांकि कम आम है, संरचनात्मक धातुओं का सबसे कम घनत्व प्रदान करते हैं - लगभग 35% एल्यूमीनियम से हल्का - और कम पेलोड रोबोटों के लिए मूल्यांकन किया जा रहा है जहां लागत संवेदनशीलता अधिक है।

Additive विनिर्माण ओपन नई डिजाइन स्वतंत्रता

टाइटेनियम, एल्यूमीनियम या बहुलक सम्मिश्र के साथ 3 डी प्रिंटिंग जाली संरचनाओं को सक्षम बनाता है जो कास्ट या मशीन के लिए असंभव हैं। रोबोट फ्रेम घटकों को केवल सामग्री रखने के लिए सबसे ऊपर अनुकूलित किया जा सकता है जहां लोड उच्चतम है, पारंपरिक मशीनिंग की तुलना में 30-50 प्रतिशत की वजन में कमी प्राप्त करना। रॉबोज़ और मार्कफोर्ज जैसी कंपनियां निरंतर कार्बन फाइबर-प्रबलित नायलॉन भागों का उत्पादन कर रही हैं जो ताकत में एल्यूमीनियम प्रतिद्वंद्वी हैं लेकिन वजन कम है।

औद्योगिक स्वचालन में अभिनव सामग्री के लाभ

• ]Reduced मूविंग मास - सीधे उच्च त्वरण और कम चक्र के समय में अनुवाद करता है। आर्म मास में 10 किलो की कमी 20% या अधिक तक प्रति चक्र ऊर्जा उपयोग में कटौती कर सकती है।
• ]उच्च पेलोड-टू-वेट अनुपात - रोबोट अपने वजन के सापेक्ष भारी पेलोड ले सकते हैं, उसी पदचिह्न के भीतर आवेदन संभावनाओं का विस्तार कर सकते हैं।
• ]]कम बिजली की खपत - लाइटर फ्रेम को छोटे मोटरों और ड्राइव की आवश्यकता होती है, जिससे चोटी की विद्युत मांग और परिचालन लागत कम हो जाती है।
• ]Improved गतिशील प्रदर्शन - Stiffer, लाइटर फ्रेम कंपन और ओवरशूट को कम करते हैं, जिससे उच्च गति पर तंग स्थिति की सटीकता को सक्षम किया जा सकता है।
• ]कोरोशन और थकान प्रतिरोध - मैग्नीशियम जैसे कंपोजिट्स और मिश्र जंग नहीं होते हैं, जिससे उन्हें भोजन और रासायनिक प्रसंस्करण में धोने के वातावरण के लिए उपयुक्त बना दिया जाता है।

चुनौतियां Facing दत्तक ग्रहण

लागत और स्केलेबिलिटी

गिरने की कीमतों के बावजूद, कार्बन फाइबर प्रीपेग अभी भी लगभग 10-20 गुना अधिक प्रति किलोग्राम स्टील की तुलना में खर्च करता है। उच्च मात्रा वाले रोबोट निर्माताओं के लिए, यह प्रीमियम जोड़ता है। समग्र मोल्डिंग के लिए टूलिंग भी महंगा है, और चक्र का समय धातु मुद्रांकन या कास्टिंग से अधिक लंबा है। ब्रेक-ईवन बिंदु अक्सर केवल उच्च प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के लिए आता है जहां उत्पादकता में ऑफसेट सामग्री की लागत बढ़ जाती है।

शामिल होना और मरम्मत

मिश्रित धातुओं की तरह वेल्डेड नहीं किया जा सकता है। शामिल होने के लिए चिपकने वाले, सावधानी के साथ यांत्रिक फास्टनरों, या हाइब्रिड ओवरमॉल्डिंग की आवश्यकता होती है। क्षतिग्रस्त समग्र फ्रेम की मरम्मत एक स्टील क्रैक वेल्डिंग की तुलना में अधिक जटिल होती है - अक्सर इसका मतलब है कि भाग पूरी तरह से बदल दिया जाना चाहिए। यह जीवन चक्र लागत को बढ़ाता है और विशेष सेवा क्षमताओं की आवश्यकता होती है।

पुनर्चक्रण और स्थिरता

थर्मोसेट कम्पोजिट्स को रीसायकल करना मुश्किल होता है, और कार्बन फाइबर उत्पादन में एक उच्च कार्बन पदचिह्न होता है। जबकि पुन: प्रयोज्यता में सुधार होता है, कई औद्योगिक खरीदार अब नई सामग्री को करने से पहले जीवन चक्र आकलन की मांग करते हैं। दूसरी तरफ, मैग्नीशियम मिश्र धातु अत्यधिक पुन: प्रयोज्य हैं और एल्यूमीनियम की तुलना में कम उत्सर्जन के साथ उत्पादित किया जा सकता है।

]External link: IFM प्रौद्योगिकी संक्षिप्त: रोबोटिक्स में हल्के सामग्री]

भविष्य आउटलुक: Towards Monocoque और हाइब्रिड फ्रेम

आने वाले दशक में संभावित रूप से सामग्री की एक अभिसरण दिखाई देगा। एक एकल "चुंबकीय" सामग्री के बजाय, निर्माता हाइब्रिड निर्माण को अपनाते हैं: प्राथमिक लोड पथ के लिए कार्बन फाइबर, प्रभाव क्षेत्र के लिए अरामी, उच्च पहनने वाले जोड़ों के लिए धातु मैट्रिक्स कम्पोजिट्स, और वजन के लिए अनुकूलित मिश्रित-निर्मित ब्रैकेट्स। पूरी तरह से मिश्रित बनाया गया मोनोकोक (एक टुकड़ा खोल) डिजाइन एमआईटी और जर्मन एयरोस्पेस सेंटर (डीएलआर) में पहले से ही उन्नत अनुसंधान प्रोटोटाइप में दिखाई दे रहे हैं।

सेंसर एकीकरण और स्मार्ट संरचना

एम्बेडेड फाइबर ऑप्टिक सेंसर और समग्र फ्रेम के भीतर मुद्रित इलेक्ट्रॉनिक्स वास्तविक समय में तनाव, थकान या क्षति का पता लगाने वाले स्वयं को निगरानी रोबोट सक्षम कर सकते हैं। यह "संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी" अप्रत्याशित डाउनटाइम को कम करेगा और भविष्य की निगरानी की अनुमति देगा। आचरणशील कार्बन फाइबर स्वयं तनाव गेज के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, फ्रेम को एक संवेदन तत्व में बदल सकता है।

चूंकि स्वचालन छोटे बैच विनिर्माण और रसद में आगे बढ़ना जारी रखता है, तेजी से तैनात करने की क्षमता, हल्के रोबोट एक प्रतिस्पर्धी अलग हो जाएंगे। आज नवीन फ्रेम सामग्री में निवेश करने वाली कंपनियां कल के स्मार्ट कारखानों की मांगों को पूरा करने के लिए बेहतर स्थिति होगी।

निष्कर्ष

रोबोट फ्रेम में उन्नत सम्मिश्रों के लिए धातु से बदलाव एक दूर संभावना नहीं है - यह अब हो रहा है। कार्बन फाइबर, अरामीड, मैग्नीशियम मिश्र धातु और हाइब्रिड 3 डी-प्रिंटेड भाग रोबोट को सक्षम कर रहे हैं जो पहले से कहीं अधिक तेज़, अधिक कुशल और सटीक हैं। जबकि लागत और विनिर्माण चुनौतियों का निर्माण जारी रहा है, सामग्री विज्ञान और उत्पादन प्रौद्योगिकी में चल रहे प्रगति तेजी से बाधाएं कम कर रही हैं। इंजीनियरों और स्वचालन प्रबंधकों के लिए, इन सामग्रियों को समझने के लिए अब वैकल्पिक नहीं है; यह औद्योगिक स्वचालन की अगली पीढ़ी को डिजाइन करने के लिए एक मुख्य क्षमता है।

]External link: Robotics Business Review: लाइटवेट मैटेरियल्स ट्रेंड रिपोर्ट]

]External link: ScienceDirect: अवलोकन of रोबोट फ्रेम सामग्री]