În cursa de a construi mai rapid, mai eficiente energie roboți industriali, ingineri sunt de cotitură departe de cadrele tradiționale din oțel și aluminiu. Următoarea generație de automatizare necesită structuri ușoare care pot accelera rapid, manipula sarcini utile mai mari, și funcționează cu o precizie mai mare. Această schimbare este alimentată de un val de materiale avansate de fibre carbon compozite, fibre aramide, și laminate hibride care oferă o putere excepțională fără penalizare greutate. Aceste materiale nu sunt doar îmbunătățiri incrementale; ele sunt redefinirea ceea ce roboții pot realiza pe podea fabrică.

De ce contează greutatea în robotica industrială

Fiecare kilogram de masă de cadru impune un cost direct pe performanţă. Ramele grele necesită motoare mai mari, acţionari mai puternici şi mai multă energie pentru a muta. De asemenea, acestea limitează acceleraţia şi decelerarea, încetinirea timpilor de ciclu. În aplicaţii cum ar fi pick-and-place, asamblare, şi manipularea materialelor, chiar o reducere de 10% a masei poate îmbunătăţi trecerea cu 15-20%. Ramele mai uşoare reduc, de asemenea, sarcina pe articulaţii şi rulmenţi, extinderea intervale de întreţinere şi reducerea costului total de proprietate. Prin urmare, împingerea spre roboţi mai uşoare nu este doar despre materiale ştiinţifica este vorba despre câştiguri practice în productivitate şi rentabilitate.

Dincolo de viteză, ramele mai ușoare permit modele mai compacte de roboți. Roboții colaborativi (coboți) care lucrează alături de oameni beneficiază de inerție redusă, ceea ce le face mai sigure în cazul unei coliziuni. Pentru roboții grele-payload, fiecare kilogram ras de pe braț permite mai mult de capacitatea de încărcare utilă pentru a fi utilizate pentru munca reală. Aceste beneficii de cascadă explică de ce inovarea materială a devenit o prioritate strategică pentru furnizorii de automatizare.

Compresoare din fibre de carbon: Noul standard pentru rame de înaltă performanță

Policarbonul armat (CFRP) a apărut ca alternativă de plumb la metal în rame de roboți ușoare. Cu un raport de rezistență la greutate de aproximativ cinci ori mai mare decât cea a oțelului și de două ori mai mare decât cea a aluminiului, fibrele de carbon permit proiectanților să creeze structuri rigide, vibraționale mai ușoare. Într-un robot industrial tipic cu șase axe, înlocuirea antebrațului de aluminiu cu un echivalent de fibră de carbon poate reduce masa cu 40-50% în timp ce menține sau chiar îmbunătăți rigiditatea.

Adopţia pentru conducere în domeniul produselor de producţie

Adoptarea timpurie a fibrelor de carbon în robotică a fost limitată de costuri materiale ridicate și metode lente de fabricație, cum ar fi layup mână și autoclave de vindecare. Astăzi, plasarea automată a fibrelor (AFP) și transfer de rășini de turnare (RTM) au redus semnificativ timpul de producție și costurile. Pre-impregnate benzi unidirecționale și țesături sunt acum disponibile cu proprietăți mecanice consistente potrivite pentru producția în serie. Producătorii de roboti, cum ar fi FANUC și ABB au început să ofere brațe din fibre de carbon pe modele selectate, și startup-uri ca Automata sunt folosind CFRP pentru a construi roboți de birou ultra-lumini.

Considerații practice

Fibrele de carbon nu sunt un înlocuitor pentru metal. Designerii trebuie să contabilizeze proprietăţile anizotonice. Particularizarea variază în funcţie de orientarea fibrelor. Interfeţele comune necesită inserţii metalice sau legături hibride pentru a preveni strivirea sub sarcini de şurub. Diferenţele de expansiune termică între părţile de carbon şi metal pot provoca probleme de aliniere în aplicaţiile de înaltă precizie. În ciuda acestor provocări, câştigurile de performanţă sunt suficient de convingătoare încât majoritatea noilor platforme robot includ cel puţin unele componente de fibră de carbon.

Link extern: Composites World: Carbon Fiber in Robotics

Aramid Fibers (Kevlar, Nomex) pentru rezistența la impact

În timp ce fibrele de carbon excelează în rigiditate, fibre aramide, cum ar fi Kevlar aduce duritate unică la ramele robot. Kevlars rezistență înaltă la tracțiune și absorbție de energie face ideal pentru componente care pot experimenta impacturi sau sarcini mari de țigări . Cum ar fi capetele de efect final, carcase încheietura mâinii, și giulgiuri de protecție. În roboți colaborative, structuri aramide-reîntărite pot rezista coliziuni accidentale fără eșec catastrofal, îmbunătățirea ratingurilor de siguranță.

Laminate hibride: Combinând cele mai bune dintre ambele

Multe cadre avansate folosesc acum laminate hibride care strat de fibre de carbon cu fibre de aramide sau de sticlă. De exemplu, un tub de braț din fibră de carbon ar putea avea un strat interior de Kevlar pentru a rezista propagarea fisura, în timp ce fibrele exterioare de carbon oferă rigiditate îndoire. Aceste hibrizi sunt utilizate în roboți pentru procesarea alimentelor și farmaceutice, în cazul în care rezistența chimică și duritatea sunt la fel de importante ca economiile de greutate.

Link extern: Dupont Kevlar Industrial Robotics Applications

Compuși metalici și aliaje de magneziu

Nu toate materialele ușoare sunt polimeri. Matricea metalică compozite (MMC) cum ar fi aluminiu armat cu particule de siliciu din carburi oferă rigiditate comparabilă cu oțelul la o treime din greutate. Aceste materiale sunt deja utilizate în aerospațial și sunt acum găsirea de aplicații în brațe robot de mare viteză în cazul în care conductivitatea termică și rezistența la uzură sunt critice. aliaje de magneziu, deși mai puțin frecvente, oferă cea mai mică densitate a metalelor structurale . Aproximativ 35% mai ușoară decât aluminiul și sunt evaluate pentru roboți cu sarcină mică, în cazul în care sensibilitatea costurilor este mai mare.

Fabricarea aditivă deschide o nouă libertate de proiectare

Imprimarea 3D cu titan, aluminiu sau compozite polimerice permite structuri de lattice care sunt imposibil de turnat sau mașină. Componentele cadru robot pot fi optimizate pentru a plasa scuze doar în cazul în care sarcinile sunt mai mari, obtinerea de reduceri de greutate de 30

Avantajele materialelor inovatoare în automatizarea industrială

  • Masa mobilă determinată
  • Raport mai ridicat de sarcină utilă la greutate
  • Consumul de putere scăzută
  • Performanță dinamică demonstrată
  • Rezistenţa la coroziune şi oboseală

Provocări în faţa adopţiei

Costuri și scalabilitate

În ciuda preţurilor în scădere, premiera fibrelor de carbon costă încă aproximativ 10-20 de ori mai mult pe kilogram decât oţel. Pentru producătorii de roboţi de mare volum, care se adaugă prima. Toolarea pentru modelarea compozit este, de asemenea, scump, şi timpii de ciclu sunt mai lungi decât ştampilă de metal sau turnare. Punctul de rupere-even vine de multe ori numai pentru aplicaţii de înaltă performanţă în cazul în care productivitatea câştigă costuri materiale compensate.

Alăturarea și repararea

Compresoarele nu pot fi sudate ca metalele. Insotirea necesita adezivi, elemente mecanice de fixare cu precautie, sau supra-moldare hibrid. Repararea ramelor compozite deteriorate este mai complexa decat sudarea unei fisuri de otel pana la delminarea de multe ori inseamna ca partea trebuie inlocuita in intregime. Aceasta ridica costurile ciclului de viata si necesita capacitati specializate de service.

Reciclarea și durabilitatea

Computeriile termoset sunt dificil de reciclat, iar producţia de fibre de carbon are o amprentă de carbon ridicată. În timp ce reciclarea se îmbunătăţeşte, mulţi cumpărători industriali solicită acum evaluări ale ciclului de viaţă înainte de a se angaja în materiale noi. Pe de altă parte, aliajele de magneziu sunt foarte reciclabile şi pot fi produse cu emisii mai mici decât aluminiul.

Link extern: IFM Tehnologie Brief: Materiale ușoare în robotică

Perspectiva viitoare: Către monococuri și rame hibride

Decada următoare va vedea probabil o convergenţă a materialelor. Mai degrabă decât un singur material

Integrarea senzorilor și structuri inteligente

Senzorii de fibră optică și electronicele imprimate în cadrul ramelor compozite ar putea permite roboți auto-monitorizare care detectează stresul, oboseala sau deteriorarea în timp real. Acest monitor de sănătate structurală ar reduce timpul de descărcări neplanificate și ar permite întreținerea predictivă. Fibrele de carbon conductive pot fi utilizate ca indicatoare de tulpină, transformând cadrul într-un element de detectare.

Pe măsură ce automatizarea continuă să împingă în producția și logistica de mici-batch, capacitatea de a implementa rapid, roboți ușoare va deveni un diferențiator competitiv. Companiile care investesc în materiale de cadru inovatoare astăzi va fi mai bine poziționat pentru a satisface cerințele de mâine fabrici inteligente.

Concluzie

Trecerea de la metal la materiale compozite avansate în rame robot nu este o perspectivă îndepărtată se întâmplă acum. Fibre de carbon, aramide, aliaje de magneziu și componente hibride 3D-imprimate sunt permițând roboți care sunt mai rapide, mai eficiente, și mai precise ca niciodată înainte. În timp ce costurile și provocările de fabricație rămân, progresele în curs de desfășurare în știința materialelor și tehnologia de producție sunt în scădere constantă bariere. Pentru ingineri și managerii de automatizare, înțelegerea acestor materiale nu mai este opțională; este o competență de bază pentru proiectarea următoarei generații de automatizare industrială.

Link extern: Robotics Business Review: Lightweight Materials Trend Report]

Link extern: ScienceDirect: Prezentare generală a materialelor cadru robot