産業オートメーションの軽量ロボットフレームのための革新的な材料

より速く、よりエネルギー効率の高い産業ロボットを造る競争では、エンジニアは従来の鋼鉄およびアルミニウムフレームから離れて回っています。次世代のオートメーションは加速し、より高いペイロードを扱い、より大きい精密と作動できる軽量構造を要求します。このシフトは高度材料の波によって–カーボン繊維の合成物、aramid繊維および雑種の積層物–重量のペナルティなしで例外的な強さを渡すためにです。これらの材料はちょうど増分の改善ではないです;それらは工場の達成できるかどれが再定義されます。

なぜ産業用ロボットの体重計

フレームの質量のキログラムは、パフォーマンスの直接コストを課します。重いフレームは、より大きなモーター、より強力なアクチュエータ、および移動するエネルギーを必要とします。彼らはまた、加速と減速を制限し、サイクル時間を遅くします。ピックアンドプレース、アセンブリ、およびマテリアルハンドリングなどのアプリケーションでは、質量の10%削減でさえ、15〜20%のスループットを向上させることができます。ライターフレームは、関節とベアリングの負荷を軽減し、メンテナンス間隔を拡張し、プッシュの合計コストを削減し、それゆえに、ロボットの生産性は、利益のために、実用的な材料が重要ではありません。

スピードを超えて、より軽量なフレームは、よりコンパクトなロボット設計を可能にします。人間の利益を抑える慣性を伴って働くコラベーティブロボット(コボット)は、衝突時により安全につながります。重負荷ロボットの場合、すべてのキログラムがアームをシャヴェットして実際の作業に使用するペイロード容量が増えます。マテリアルイノベーションが自動化サプライヤーにとって戦略的優先順位になる理由を説明するこれらのキャスケーディングの利点。

カーボン繊維の合成物:高性能フレームのための新しい標準

カーボンファイバー強化ポリマー(CFRP)は、軽量ロボットフレームの金属への代替として登場しました。強度から重量まで約5倍の比率で、アルミニウムの約2倍の強度を発揮することで、設計者は、より軽く、硬く振動に抑えられた構造を生み出せるようにします。典型的な工業用6軸ロボットでは、アルミニウムの慣性をカーボンファイバーと交換することで、40-50%の質量を削減し、剛性を向上したり、さらには硬さを向上したりすることができます。

製造業の進歩の運転の採用

初期のロボットの炭素繊維導入は、手持ちの敷設やオートクレーブの治具などの高材料費と低速製造方法によって制限されていました。今日、自動繊維の配置(AFP)と樹脂の転写成形(RTM)は、生産時間を短縮し、大幅にコストを削減しました。事前浸透性テープと織物は、シリアル生産に適した一貫した機械的特性で利用可能です。FANUCやABBなどのロボットメーカーは、選択モデルにカーボンファイバーアームを提供し始め、自動起動やデスクトップロボットを使用して、CFRPをビルドするなどの自動化ロボットが始まりました。

実践的検討

カーボンファイバーは金属製の交換ではありません。設計者は、異方性特性を考慮しなければなりません。強度は繊維方向によって異なります。ジョイントインターフェイスは、金属インサートまたはハイブリッドボンディングを必要とし、ボルトの負荷の下でクラッシュを防ぐことができます。カーボンと金属部品間の熱膨張差は、高精度なアプリケーションでアライメントの問題を引き起こす可能性があります。これらの課題にもかかわらず、ほとんどの新しいロボットプラットフォームには、少なくともいくつかの炭素繊維コンポーネントが含まれていることを十分に理解しています。

[外部リンク:] []]]コンポジット世界:ロボティクスの炭素繊維]

耐衝撃性のためのAramid繊維(Kevlar、Nomex)

炭素繊維は剛さで優れていますが、ケブラーのようなアラミド繊維は、ロボットフレームにユニークな靭性をもたらします。ケブラーの高張力とエネルギー吸収により、エンドフェクターマウント、手首ハウジング、保護シュラウドなどの衝撃や高いサイクティック負荷を経験するコンポーネントに最適です。共同ロボットでは、アラミド強化構造は、事故の衝突に耐えることができ、故障、安全性の向上につながります。

ハイブリッドラミネート: 両方を最大限に活用

多くの高度なフレームは、ハイブリッドは、アラミドまたはガラス繊維で層カーボン繊維を積層しています。例えば、カーボンファイバーアームチューブは、外側の炭素繊維は曲げ剛性を提供しながら、クラック伝搬に抵抗するケブラーの内部層を有するかもしれません。これらのハイブリッドは、食品加工や医薬品のロボットで使用され、化学抵抗と靭性は重量節約として重要である。

外部リンク: デュポンケブラー産業ロボティクス応用

金属のマトリックスの合成物およびマグネシウムの合金

軽量材料はポリマーではありません。アルミニウムなどの金属マトリックス複合材(MMC)は、炭化ケイ素粒子と補強された金属製の複合材で、重量を1分の1で鋼に匹敵する剛性を提供します。これらの材料は、既に航空宇宙で使用され、熱伝導性と耐摩耗性が重要である高速ロボットアームに応用されています。マグネシウム合金は、より少ない一般的ですが、構造金属の最小密度を提供します。アルミニウムよりも約35%軽量で、低負荷ロボットコストが高騰するという評価が高まっています。

添加剤製造が新デザイン自由化

チタン、アルミニウム、ポリマー複合材で3Dプリントすることで、鋳造や機械化が不可能な格子構造を実現。従来加工と比較して、負荷が最高で30～50%の体重減少を達成する材料を配置するロボットフレームコンポーネントは、トポロジカルに最適化できます。RobozeやMarkforgedなどの企業は、強度のアルミニウムをひいてナイロンを調達する連続カーボン繊維強化ナイロン部品を製造していますが、はるかに少ない。

産業オートメーションの革新的な材料の利点

] 移動量を削減 – 加速とサイクル時間を短縮する直接変換。腕の質量の10キロの減少は、20%以上のサイクル当たりエネルギーの使用を削減することができます。
]高ペイロード・ツー・ウェイト比 – ロボットは、同じフットプリント内のアプリケーションの可能性を広げ、自分の体重に相対的に重いペイロードを運ぶことができます。
]より低い電力消費] - より小さいモーターおよびドライブ、ピークの電気要求および操業費用を減らすこと。
ダイナミックパフォーマンスの向上 – ストッファー、ライターフレームは振動やオーバーシュートを低減し、より高速で位置精度を堅くします。
[] 腐食および疲労の抵抗[ - マグネシウムのような複合体および合金は錆つきません、食糧および化学処理の洗浄環境のために適したようにします。

採用課題に直面している

コストとスケーラビリティ

落下価格にもかかわらず、炭素繊維プレプレプレグはまだ鋼鉄より1キログラムあたり約10-20倍のコストを削減します。大量のロボットメーカーにとって、そのプレミアムは上昇します。複合成形のためのツーリングも高価であり、サイクル時間は金属プレスや鋳造よりも長くなっています。壊れ目が頻繁には、生産性がオフセット材料コストを増加する高性能アプリケーションだけのために来ます。

参加・修理

複合材は金属のように溶接できません。接合には、接着剤、機械式ファスナー、またはハイブリッドオーバーモールドが必要です。損傷した複合フレームの修復は、鋼の亀裂を溶接するよりも複雑です。精密化は、部品が完全に交換される必要があります。これにより、ライフサイクルコストを上げ、専門的サービス能力を必要とします。

リサイクル・サステナビリティ

ヒートセットコンポジットはリサイクルが困難で、カーボンファイバー生産は高炭素フットプリントを持っています。再生性が向上する一方で、多くの産業バイヤーは、新しい材料にコミットする前にライフサイクルアセスメントを要求しています。一方、マグネシウム合金は、非常にリサイクル可能であり、アルミニウムよりも低い排出量で生産することができます。

外部リンク: ]IFMテクノロジー概要:ロボティクスの軽量材料

未来の展望:モノコックおよび雑種のフレームに向けること

今後10年間は、材料の収束が見える可能性が高いでしょう。単一の「魔法」材料よりもむしろ、製造業者はハイブリッド構造を採用します。主要なロードパス、衝撃地帯のアラミド、高摩耗ジョイント用の金属マトリックス複合体、および重量のために最適化された添加製造ブラケット。完全に合成されたモノコック(ワンピースシェル)のデザインは、MITおよびドイツのエアロセンター(DLR)で高度な研究プロトタイプで既に登場しています。

センサーの統合およびスマートな構造

複合フレーム内の繊維光学センサーと印刷された電子機器は、ストレス、疲労、またはリアルタイムの損傷を検出する自己監視ロボットを有効にすることができます。この「構造体の健康監視」は、計画外のダウンタイムを削減し、予測的なメンテナンスを可能にします。導電性カーボンファイバー自体は、スクラッチゲージとして使用することができ、フレームをセンシング要素に変えます。

自動化は、小型の製造業や物流に押し込まれるので、高速で軽量なロボットを配備する能力は、競争の差別化要因となります。今日の革新的なフレーム材料に投資する企業は、明日のスマートファクトリーの要求を満たすためにより良い位置付けられます。

コンテンツ

ロボットフレームの先進的な複合体への金属からのシフトは、今では起こっている遠い見通しではありません。炭素繊維、アラミド、マグネシウム合金、ハイブリッド3Dプリント部品は、これまで以上に高速で効率的でより精密なロボットを可能にしています。コストと製造の課題は残っていますが、材料科学と生産技術における継続的な進歩は、着実に障壁を下げています。エンジニアやオートメーションマネージャーにとって、これらの材料はもはやオプションではありません。次世代の自動化を設計するためのコアコンピテンシーです。

外部リンク:] []ロボティクスビジネスレビュー:軽量材料トレンドレポート]

外部リンク: ] サイエンスダイレクト:ロボットフレーム材料の概要