Kako metalni 3D ispis smanjuje težinu krajnjih efektora robota?

Svaki dodatni gram na kraju robotske ruke košta performanse. Teži alati tjeraju veće motore, povećavaju potrošnju energije, usporavaju vrijeme ciklusa i kradu teret koji bi trebao pripadati izratku. Mnogi inženjeri s vremenom shvaćaju da pravi otpor nije baza robota, već krajnji efektor - hvataljka, učvršćenje ili držač alata koji se nalazi najdalje od zgloba. Konvencionalni čvrsti CNC nosači i stezaljke često su pretjerano konstruirani, dodajući masu točno tamo gdje krak poluge višestruko povećava svoj učinak.

Metalni 3D ispisnudi izravan izlaz iz te zamke. Postavljanjem materijala samo tamo gdje to zahtijevaju konstrukcijska opterećenja, proces proizvodi lakše, ali dovoljno krute krajnje efektore. Rezultat je veća korisna nosivost, brže ubrzanje i manja potrošnja energije, a da pritom i dalje zadovoljava zahtjeve za snagom i preciznošću industrijskih i medicinskih robota.

Ruka robota ponaša se kao dugačka poluga. Masa na zglobu se pojačava punim dosegom ruke. Dodavanje jednog kilograma alata može zahtijevati nekoliko puta veći okretni moment motora i strukturnu krutost dalje u kinematičkom lancu. Praktične posljedice pojavljuju se brzo: smanjeno ubrzanje, veća devijacija putanje pri brzini, veća potrošnja energije i manja preostala margina korisnog tereta za stvarni dio.

Tradicionalni krajnji efektori izrađeni subtraktivnom strojnom obradom imaju tendenciju da budu čvrsti blokovi ili dizajni debelih stijenki. Pouzdani su, ali rijetko optimizirani za masu. U brzim ili visokopreciznim ćelijama ta se dodatna težina očituje kao sporije vrijeme ciklusa ili potreba da se prijeđe na većeg, skupljeg robota. Smanjenje mase na kraju ruke stoga je jedno od poboljšanja s najvećim utjecajem dostupnih integratorima sustava i korisnicima robota.

Metalni 3D ispis omogućuje četiri pristupa dizajnu s kojima se konvencionalna strojna obrada ne može lako mjeriti.

Šuplje i rešetkaste strukture uklanjaju materijal iz područja niskog naprezanja dok zadržavaju vanjske stijenke za krutost i montažna sučelja. Softver za optimizaciju topologije dodatno poboljšava oblik, zadržavajući materijal samo duž primarnih putanja opterećenja. Rezultat je često dio organskog izgleda koji je 30-50 % lakši od izvornog čvrstog dizajna, ali ipak zadovoljava ograničenja deformacije i naprezanja.

Konsolidacija dijela još je jedan veliki dobitak. Više nosača, adaptera i pričvrsnih elemenata može se spojiti u jednu tiskanu komponentu. Manje spojeva znači manju težinu sklopa, manje gomilanja tolerancija i smanjene točke kvara.

Unutarnji kanali mogu se ugraditi izravno u dio. Pneumatski ili vakuumski vodovi koji su nekada zahtijevali vanjske cijevi i priključke sada prolaze unutar strukture, čisteći ovojnicu i uklanjajući dodatnu masu.

Ove se tehnike već koriste u proizvodnji hvataljki i učvršćenja. Dokumentirani projekti pokazuju smanjenje težine u rasponu od 30–47 % za krajnje efektore uz zadržavanje maksimalnog naprezanja i pomaka unutar prihvatljivih granica. Točna ušteda ovisi o izvornom dizajnu, slučaju opterećenja i odabranom materijalu, ali smjer je dosljedan: značajna masa može se ukloniti bez žrtvovanja funkcionalne čvrstoće.

Izbor materijala počinje s gustoćom i omjerom čvrstoće i težine.

Aluminij ima najmanju masu i često je prvi izbor za brze industrijske hvataljke. Titan se nalazi u sredini po gustoći, ali nudi izvrsnu specifičnu čvrstoću i biokompatibilnost. Iste legure titana korištene za3D tiskani medicinski implantati od legura titanaveć su pokazali dosljedna mehanička svojstva, kontrolu kvalitete praha i sljedivost serije u reguliranoj medicinskoj proizvodnji. Ta se zrelost procesa prenosi izravno na krajnje efektore kirurških robota koji moraju kombinirati malu masu s visokom pouzdanošću.

Nehrđajući čelik odabire se kada otpornost na koroziju ili apsolutna čvrstoća nadjačava težinu.

Jednostavan niz odluka:

Dajte prednost najmanjoj masi → aluminij

Potrebna veća čvrstoća ili biokompatibilnost medicinske kvalitete → titan

Agresivna okolina ili maksimalna trajnost → nehrđajući čelik

Aditivna proizvodnja metala proizvodi dijelove gotovo neto oblika sa složenom unutarnjom geometrijom, ali kritična sučelja često još uvijek trebaju strojnu obradu. Sjedišta ležajeva, površine za precizno lociranje, rupe s navojem i brtvene površine obično dobivaju završni CNC prolaz kako bi se postigla potrebna tolerancija i završna obrada površine.

Ovaj hibridni pristup posebno je čest u medicinskoj i kirurškoj robotici.Precizni CNC strojno obrađeni medicinski proizvodizahtijevaju čvrstu geometrijsku kontrolu i kvalitetu glatke površine na značajkama spajanja. Ispis složene lagane strukture i zatim strojna obrada samo funkcionalnih površina kombinira najbolje od oba procesa: slobodu dizajna i smanjenje mase od aditiva, dimenzijsku točnost od subtraktivnog.

Praktično pravilo:

Ispišite organsko, topološki optimizirano tijelo i sve unutarnje kanale.

Obradite montažna sučelja, precizne provrte i brtvene površine.

Ostavite vanjske površine koje nisu kritične kao ispisane ili lagano dorađene.

Integrator sustava trebao je lakšu hvataljku za ćeliju za pakiranje velike brzine. Izvorni CNC strojno obrađeni aluminijski dizajn težio je 1,85 kg i ograničavao upotrebljivu nosivost robota. Nova verzija je redizajnirana s optimizacijom topologije i proizvedena metalnim 3D ispisom u AlSi10Mg, nakon čega je uslijedila CNC završna obrada na čeljusti za ugradnju i pneumatskim priključcima.

Tiskana i strojno obrađena hvataljka težila je 1,12 kg - smanjenje težine od 39 %. Krutost i sila prianjanja ostali su unutar izvorne specifikacije. Vrijeme ciklusa poboljšano je za otprilike 8 % jer je robot mogao agresivnije ubrzavati i usporavati. Isti hibridni postupak od tada je primijenjen na nekoliko kirurških robotskih držača alata gdje su i masa i kvaliteta površine kritični.

Nije svaka trgovina jednako pripremljena za funkcionalan krajnji rad. Prije naručivanja potvrdite sljedeće:

Certifikati materijala i sljedivost praha (posebno važno za titan)

Sposobnost dostave izvješća o ispitivanju gustoće i mehaničkih svojstava

Interna ili strogo kontrolirana naknadna obrada (ublažavanje stresa, HIP ako je potrebno, CNC završna obrada)

Mogućnost dimenzionalne inspekcije (CMM ili CT za unutarnje kanale)

Iskustvo prelaska s prototipa na male serije i veleprodajne količine

Jasna komunikacija o smjernicama dizajna za aditive i realnim rokovima isporuke

Sposoban proizvođač metalnih 3D ispisa ili tvornica metalnih 3D ispisa otvoreno će raspravljati o ovim točkama i često ponuditi recenziju dizajna za aditiv prije citiranja. Potražite dobavljače koji već obavljaju usluge prilagođenog metalnog 3D ispisa za robotiku ili medicinske uređaje; procesna disciplina se prenosi.

Proizvodnja metalnih aditiva za konstrukcijske komponente nastavlja dobivati ​​formalno prihvaćanje. Procesni standardi, specifikacije materijala i zahtjevi sustava kvalitete razvijeni za zrakoplovne i medicinske implantate sve se više primjenjuju na industrijsku robotiku. Ova sve veća skupina priznate prakse smanjuje rizik za krajnje korisnike koji specificiraju tiskane krajnje efektore.

Ako procjenjujete lakši krajnji efektor, pošaljite trenutni dizajn ili zahtjeve za izvedbom. Kratki pregled dizajna za dodatke i smanjenje težine može pokazati realnu uštedu i najbolju rutu procesa - 3D ispis čistog metala, hibrid s CNC-om ili kombinaciju - prije nego što se posvetite izradi alata ili proizvodnji.