Какой материал лучше всего подходит для деталей робота? - Конструкционные детали

Теперь мир переходит на роботов, потому что они быстрее и экономичнее. Некоторые роботы содержат фиксированное предварительное программирование; например, некоторые роботы могут выполнять только сварочные операции в промышленности. Некоторые роботы часто используют искусственный интеллект (ИИ) для обучения, адаптации к любой среде и последующего принятия решений. Эти роботы на основе ИИ более продвинуты с точки зрения технологий. В связи с растущим спросом на роботов в различных отраслях, включая гостиницы и библиотеки, в этой статье представлена ​​информация о предпочтительных материалах для оборудования роботов, в частности, структурных деталей.

Почему выбор материала для робота имеет значение?

Как мы уже упоминали ранее, в настоящее время существует множество типов роботов, которые различаются по своим способностям выполнять различные действия. Таким образом, каждому роботу понадобится подходящий вид действия, которое он будет выполнять. Например, робот должен работать в самолете, что означает, что материал для его структурных частей должен быть легким и прочным и так далее в различных приложениях. Важно выбрать подходящий материал, чтобы получить максимальную отдачу от робота.

Что делает материал «хорошим» для робототехнического оборудования?

Аппаратное обеспечение робота является чувствительной частью робота. Поэтому любой материал, который соответствует его требованиям, будет считаться хорошим материалом. Главным критерием является то, сохраняет ли материал баланс между такими свойствами, как стоимость, вес, прочность и т. д., и является ли он хорошим материалом для аппаратного обеспечения робота.

Обзор списка компонентов оборудования робота:

В следующей таблице показаны некоторые важные аппаратные компоненты робота:

Основные свойства для сравнения: прочность, вес, стоимость, долговечность.

В предыдущем разделе мы только что упомянули эти свойства как критерий для того, чтобы материал считался хорошим. Но в этом разделе мы сравним их немного глубже.

Силы

• материал с высокой прочностью требует большой силы, чтобы его сломать

Вес

• Легкие материалы позволяют легко перемещать роботов

Стоимость

• Экономически эффективные материалы всегда предпочтительнее

Долговечность

• Долговечность означает устойчивость к износу, коррозии и т. д.

Список металлов для оборудования роботов

Трудно найти материал, который бы обладал всеми требуемыми свойствами, такими как высокая прочность, легкость и экономичность. Существует множество материалов, таких как сталь, Al, Ti и т. д., которые превосходят другие по своим свойствам. В этом разделе представлена ​​исчерпывающая информация об этих материалах с точки зрения оборудования роботов или структурных деталей.

Сталь, алюминий, титан: какой металл подойдет вашему роботу?

В этом разделе мы рассмотрели некоторые основные металлы, которые используются для изготовления структурных частей робота. Мы сравнили эти металлы относительно их свойств, а затем их применения.

Сталь (4140 и 304)

В производстве стали сплавы 4140 и 304 обычно используются в конструкционных деталях, например, в производстве шасси робота. Сталь 4140 — это легированная сталь, основными легирующими элементами которой являются Cr и Mo, а 304 — это аустенитная нержавеющая сталь.

Проекты

• Прочный, высокопрочный, но тяжелый, экономичнее, чем Ti

Заполнитель

Шасси/рама: Благодаря высокой несущей способности и структурной целостности сталь используется при изготовлении роботизированных рук для сварки.

Система передвижения: В робототехнике стальные соединения предпочтительны в условиях высоких напряжений.

Алюминий (6061-T6 и 7075-T6)

Марки 6062-T6 и 7075-T6 широко используются в робототехнической продукции, например, в рабочих органах. Марка 6062-T6 Al представляет собой сплав Si-Mg, а марка 7075-T6 Al считается авиационной маркой алюминия. T6 означает, что оба сплава прошли процесс термической обработки и искусственного старения.

Проекты

• Коррозионностойкий, легкий и с высоким отношением прочности к весу

Приложения

Конечный эффектор:Алюминиевые захваты используются там, где требуется высокая точность без увеличения веса. 

Рамы/Шасси: Алюминий используется для изготовления рам скоростных дронов.

Титан (класс 5 и класс 2)

Титан марок Grade 5 и Grade 2 используется в робототехнической аппаратуре, то есть в системах передвижения, сенсорных системах. Ti марки Grade 2 — это чистый титан, а Ti марки Grade 5 — это сплав титана, содержащий Al и V.

Проекты

• Легче и прочнее стали, отличная коррозионная стойкость

Приложения

• Сенсорная система: Корпуса из титана используются в робототехническом оборудовании для защиты сенсорной системы.
• Система передвижения: Актуаторы из титана обеспечивают снижение веса и долговечность, поэтому их используют в критически важных роботах, например, хирургических роботах.
• Медицинские роботы, аэрокосмические применения

Магний:

Mg используется в оборудовании для аэрокосмической робототехники. Его основными легирующими элементами являются Al и Zn.

Проекты

• Очень легкий и прочный, но не такой долговечный.
• Высокое соотношение прочности к массе
• Отлично подходит для гашения вибраций

Приложения

Аэрокосмическая робототехника: Mg используется для изготовления рам спутников, где основным требованием является малый вес.

Носимые экзоскелеты: Mg используется в медицинских реабилитационных роботах для снижения утомляемости пользователя.

Медь, латунь и бронза

Медь, латунь и бронза — это материалы, которые используются из-за их электропроводности. Например, C101 Cu — это 99.99% чистой Cu, которая обычно используется в робототехнике.

Проекты

• очень высокая электропроводность, хорошая коррозионная стойкость

Приложения

• используется в электрических компонентах в качестве соединителей

Список пластиковых материалов для оборудования роботов

Когда мы видим использование пластика в робототехнической аппаратуре, первое, что приходит на ум, это то, что пластик обладает такой прочностью или устойчивостью к температуре. Ответ — да, из-за достижений в материаловедении. Мы меняем микроструктуру пластика и делаем его прочнее. В этом разделе представлены некоторые важные пластики в отрасли робототехнической аппаратуры.

АБС, нейлон и поликарбонат: какой пластик прочнее?

Ниже приведены некоторые свойства, которые определяют, какой пластик прочнее.

ABS:

ABS означает акрилонитрилбутадиенстирол. Это термопластичный полимер, поэтому его можно перерабатывать. Он используется в структурных компонентах робота, например, в кронштейнах, напечатанных на 3D-принтере.

Проекты

• Аморфный, непрозрачный
• Высокая прочность и ударопрочность
• Хорошая жесткость 0–2.4 ГПа
• Легко поддается формовке, обработке на станке и покраске
• Экономичное

Приложения

Конструктивные каркасы: Благодаря простоте обработки он используется в недорогих образовательных роботах, например LEGO Mindstrom.

Корпуса рабочих органов: Их высокая ударопрочность защищает датчики в коллаборативных роботах.

• Используется в 3D-печати, автомобильных деталях, пищевой промышленности.

Нейлон: Нейлон 6/6 против Нейлона 12

Нейлон — это синтетический полимер, содержащий амидные связи (CO-NH). Нейлон 6/6 состоит из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты, а 6/6 означает количество атомов C в каждом мономере. Это очень жесткий пластик, жесткий и высокопрочный полимер. 12 атомов C в каждом мономере; поэтому он называется Нейлон-12.

• Нейлон 6/6: шестерни и втулки

Используется в шестернях и втулках роботов SCARA благодаря своей износостойкости и высокой прочности.

• Нейлон 12: гибкие детали, напечатанные на 3D-принтере

Благодаря своей устойчивости к химическим веществам и хорошим механическим свойствам он используется в гибких деталях, изготавливаемых с помощью 3D-печати (роботы-манипуляторы).

В дельта-роботах по оси Z нейлоновые втулки снижают вес, что напрямую увеличивает показатели ускорения.

Поликарбонат:

Это термопластичный полимер, содержащий карбонаты в своей химической структуре. Они используются во многих приложениях, от пуленепробиваемых курток до компакт-дисков. Поликарбонатный материал хорош для тех, где требуется видимость, например, в роботах-инспекторах.

Проекты

• Прозрачный, термостойкий, прочный и гибкий

Приложения

Сенсорные купола: Защищает системы зрения в автономных роботах (AMR)

Защитные щиты: Используется в ударопрочных окнах для промышленных роботов

Современные пластики: PEEK 450G и ULTEM 1000

Современные пластики считаются высокопроизводительными полимерами и используются там, где качество материала не зависит от стоимости. Некоторые современные пластики включают PEEK 450G и ULTEM 1000.

ПЭК 450Г

Стандарт PEEK для полиэфирэфиркетона в полимерах, а 450G обозначает его весовой диапазон.

Проекты

• Высокая прочность, термостойкость, химическая стойкость, биосовместимость и хорошая обрабатываемость

Приложения

Поддоны для печатных плат: Он устойчив к статическому разряду в роботах, работающих с полупроводниками.

Огнестойкие корпуса: Соответствует стандарту UL94 V-0 в области логистических роботов с питанием от аккумуляторных батарей.

УЛЬТЕМ 1000

ULTEM 1000 — ненаполненный аморфный термопластичный полиэфиримидный (ПЭИ) материал.

Проекты

• Высокая прочность и жесткость, но ниже, чем у PEEK
• Устойчив к постоянным температурам до 170 °C
• Огнестойкие
• Легко обрабатывать и изготавливать
• Устойчив к химическим реакциям

Приложения

• Используется в электронике, корпусах для пластиковых роботов.
• Лучше всего подходит для сред с опасностью возникновения пожара, т. е. для коллаборативных роботов.

Композиты: сочетание лучшего из металлов и пластика

Композиты являются самыми передовыми материалами в последнее время. Композит содержит свойства двух разных материалов. Например, в случае композита металл-металл матрицей является любой металл, а армированием могут быть керамические частицы и т. д., так что композит содержит свойства обоих материалов, т. е. пластичность и прочность.

Углеродное волокно против стекловолокна против кевлара

Углеродное волокно, стекловолокно и кевлар являются распространенными армирующими материалами в композитах. Итак, давайте углубимся в их свойства.

Углеродное волокно: самое прочное и легкое

Хотя углеродное волокно является самым прочным и легким материалом, оно является дорогим материалом. Благодаря своим превосходным свойствам оно широко используется в аэрокосмической промышленности. Оно используется в болидах Формулы в дисковых тормозах и т. д.

• Он используется в роботе Spot компании Boston Dynamics, марсоходах NASA.

Стекловолокно: дешевле, но тяжелее

Хорошая прочность, но ниже и тяжелее углеродного волокна. Экономически выгоден.

Приложения

• Рамки для дронов
• Конечные эффекторы: В абразивных средах используется для захватов, армированных стекловолокном.
• Используется в защитных панелях роботов.

Кевлар: лучший материал для защиты от ударов

Кевларовое волокно известно своей высочайшей ударопрочностью. Его другие механические свойства не так хороши, как у углеродного волокна, но оно легкое.

Приложения

Протекторы/Колеса: Для роботов, подверженных столкновениям, используется оболочка, армированная кевларом.

Защитное снаряжение: В роботах-разрушителях используются в качестве щитов для датчиков.

Новые материалы: лучше ли они традиционных вариантов?

Ученые мотивированы на поиск новых материалов с лучшими свойствами, но экономически эффективным способом. Среди этих материалов наиболее распространены графен и биоразлагаемые пластики. Давайте выясним, как они могут способствовать революции в робототехнике.

Графен против титана: может ли он произвести революцию в робототехнике?

Проанализировав плюсы и минусы новых материалов, можно предположить, какой материал окажется более эффективным в робототехнике.

Плюсы:

Чрезвычайно прочный и легкий материал с хорошей электропроводностью.

Минусы:

Его производство очень сложно, что делает его дорогим материалом.

Биоразлагаемые пластики против традиционных полимеров: экологически чистые компромиссы

В последнее время биоразлагаемые пластики стали очень полезными, поскольку они естественным образом разлагаются на полезные продукты, такие как вода и т. д. Например, полимолочная кислота является распространенным биоразлагаемым пластиком.

Плюсы:

Экологичность и низкий уровень отходов.

Минусы:

Низкие механические свойства и высокая стоимость.

Сравнение материалов: что лучше всего подойдет для вашего типа робота?

До сих пор мы обсуждали много материалов, металлов, пластиков, композитов и новых передовых материалов. В этом разделе мы увидим, какой материал может быть более эффективным для определенного типа робота.

Промышленные роботы: сталь или современные композиты?

Сталь долговечна для роботов в промышленности, которые будут выполнять тяжелые задачи. Современные композиты являются лучшим выбором, когда вам нужно низкое потребление энергии, но высокая скорость из-за их легкого веса.

Маленькие роботы: алюминий против пластика из углеродного волокна

Небольшие роботы, такие как дроны и некоторые легкие роботы. Для высокой производительности следует выбирать пластик из углеродного волокна, а для долговечности и ударопрочности — алюминий.

Медицинские роботы: титан против PEEK

Для медицинских роботов, таких как Mako-Robotic Arm, предпочтительнее использовать титан из-за его прочности и несущих свойств.

ПЭЭК хорошо подходит для легких и рентгенопрозрачных деталей.

Как изготавливаются и формируются материалы для роботов?

В этом разделе рассматриваются некоторые важные технологии изготовления материалов для роботов и придания им требуемой формы.

Обработка на станках с ЧПУ или 3D-печать: что быстрее и дешевле?

Обработка CNC

Когда требуется высочайшая точность и жесткие допуски в деталях, используются станки с ЧПУ. Эти станки дороги в производстве любого материала.

3D печать

3D-печать — более дешевая и быстрая технология производства в робототехнике. Подходит для пластика и прототипирования.

Литье или литье под давлением: что лучше для металлов, а что для пластика?

Литье — это метод, при котором исходный материал расплавляется, а затем с помощью формы приобретает нужную форму. Подходит для металлов и сложных форм.

Для пластиковых материалов подходит литье под давлением.

Распространенные проблемы: какие материалы чаще всего выходят из строя?

Существует множество распространенных проблем, которые в конечном итоге приводят к отказу материала. Давайте обсудим их в этом разделе.

Ржавчина в стали против трещин в пластике

Когда сталь используется в суровых условиях, она ржавеет. Эта ржавчина снижает целостность стали, которая в конечном итоге выходит из строя.

Пластиковые материалы, подвергаясь воздействию солнечного света или низких температур, становятся хрупкими и выходят из строя.

Тепловое повреждение: справляются ли композиты лучше?

Это зависит от интенсивности нагрева. При более высоких температурах металлы ведут себя хорошо. Но в 100^oС - 180^oПри температурах C композиты в порядке.

Вывод:

В этой статье мы обсудили, какие материалы обычно используются в роботизированном оборудовании или структурных деталях. Мы можем сделать вывод, что для роботизированного оборудования доступно множество материалов, но они выбираются в соответствии с требованиями. Например, сталь является очень хорошим выбором для роботизированного оборудования, которое используется для тяжелых условий эксплуатации в промышленности, а композиты предпочтительны для небольших роботов или дронов. Различные технологии производства выбираются в зависимости от материала. Например, литье под давлением является более точным выбором для обработки пластиковых материалов. На рынок выходят новые материалы, такие как биоразлагаемые пластики, которые более устойчивы для роботизированного оборудования.

FAQ: ответы на вопросы о материалах для роботов

Почему роботы сделаны из металла?

Потому что металлы экономичны, просты в обработке, долговечны и обладают хорошими механическими свойствами.

Каковы 5 основных компонентов робота?

1. Корзина
2. Система передвижения
3. Сенсорная система
4. Рабочий орган
5. Соединители и аксессуары

Какой металл лучше всего подходит для роботов?

Это зависит от сферы применения робота, но наиболее распространенным материалом для роботов является сталь.

Можно ли сделать роботов полностью из пластика?

Да, это возможно, но пластик не такой прочный и долговечный.