новый блог
Обладая плотностью, составляющей примерно одну шестую от плотности стали, а также самосмазывающимися свойствами и потенциалом для снижения шума, PEEK предлагает убедительное сочетание характеристик для определенных применений в роботизированных шарнирах. Однако основные несущие шарниры нижних конечностей — это не обязательно то место, где PEEK проявляет себя лучше всего.
PEEK (полиэфирэфиркетон) — это полукристаллический высокоэффективный инженерный термопласт с температурой длительной эксплуатации примерно 240–260°C, в зависимости от конкретной марки и ее TDS. При армировании углеродным волокном (CF-PEEK) он также может предложить отличное соотношение прочности к весу.
Типичные условия эксплуатации роботизированных шарниров, включая высокочастотное возвратно-поступательное движение, знакопеременные нагрузки с низкой амплитудой, длительные статические нагрузки и требования к низкой вибрации, хорошо согласуются с сочетанием свойств PEEK.
Итак, насколько пригоден PEEK для применения в роботизированных шарнирах? Ответ сводится к трем ключевым вопросам: Где он подходит? Каковы его пределы? И насколько продвинулась технология?
В конечном счете, выбор материала для роботизированных шарниров должен основываться на спектре нагрузок и условиях эксплуатации, а не только на плотности.
Чистый PEEK имеет плотность примерно 1.30–1.32 г/см³, что составляет около одной шестой от плотности стали (7.85 г/см³) и примерно половину от плотности алюминиевых сплавов (2.70 г/см³).
Армированный углеродным волокном PEEK (CF-PEEK) обычно имеет плотность примерно 1.44–1.55 г/см³, в зависимости от содержания углеродного волокна, и остается значительно легче обычных металлов.
Компоненты из CF-PEEK, используемые в роботизированных шарнирах, могут обеспечить снижение веса примерно на 40–62% по сравнению с решениями из алюминиевых сплавов, согласно общедоступным данным производителей.
Этот эффект становится особенно важным по направлению к дистальному концу роботизированной руки. Поскольку момент инерции пропорционален массе, умноженной на квадрат расстояния от оси вращения, снижение веса запястья и функциональной кисти может оказать значительное влияние на общую динамику робота.
PEEK обычно имеет коэффициент сухого трения примерно 0.2–0.4, в зависимости от материала контртела и условий эксплуатации. С добавками, такими как PTFE и графит, коэффициент трения может быть снижен примерно до 0.1–0.2, в то время как скорость износа может уменьшиться на один-два порядка, в зависимости от конкретной марки и условий испытаний.
Эти характеристики особенно ценны в медицинская, полупроводниковая и бытовая сервисная робототехника, где требования к чистоте и техническому обслуживанию могут быть строгими.
Однако у PEEK есть и ограничения. Его максимальное значение PV, как правило, ниже, чем у металлических пар трения, поэтому в зонах, подверженных экстремально высоким контактным напряжениям, по-прежнему требуется соответствующее проектирование конструкции и управление нагрузками.
PEEK обладает более высоким вязкоупругим демпфированием, чем металлы, что позволяет ему поглощать часть энергии удара, возникающей при зацеплении зубчатых колес, и тем самым снижать вибрацию и шум.
Опубликованные исследования и экспериментальные данные показывают, что зубчатые пары из PEEK могут снизить шум примерно на 5–15 дБ по сравнению со стальными шестернями аналогичных характеристик. Фактические результаты зависят от геометрии зубчатых колес, модуля, нагрузки и условий эксплуатации.
Это особенно актуально для приложений совместной работы человека и робота, где роботы работают в непосредственной близости от людей, а шум и вибрация могут быть более заметными.
Необходимо четко осознавать одно ограничение: чистый PEEK обладает лишь умеренным сопротивлением ползучести, и длительное воздействие статических нагрузок может привести к деформации размеров.
Армирование углеродным волокном может значительно снизить ползучесть и улучшить размерную стабильность. Это ключевая причина, по которой PEEK, армированный углеволокном, обычно предпочтительнее для несущих компонентов трансмиссии, где критически важна долгосрочная размерная стабильность.
При использовании соответствующей марки материала и конструктивного исполнения компоненты могут сохранять стабильные характеристики при длительных нагрузках и повторяющихся циклах пуска-останова, помогая удерживать люфт редуктора в пределах требуемых допусков сборки и минимизируя дрейф позиционирования в течение срока службы.
PEEK обладает стабильными диэлектрическими свойствами, является немагнитным и не экранирует электромагнитные поля. Эти характеристики делают его пригодным для изоляционных оснований и конструктивных элементов вокруг энкодеров, шестиосных датчиков силы/момента и других чувствительных электронных компонентов внутри роботизированных суставов.
Также доступен PEEK медицинского класса с сертификатами биосовместимости, который может выдерживать многократную высокотемпературную паровою стерилизацию, что делает его пригодным для некоторых компонентов хирургических роботов и миниатюрных роботизированных суставов.
На межслойную прочность CF-PEEK влияет ориентация волокон, а его ударная вязкость без надреза может быть ниже, чем у легированных сталей. При высоких крутящих моментах и ударных нагрузках типичные виды разрушения могут включать излом корня зуба и межслойное расслоение.
Чистый PEEK имеет теплопроводность примерно 0.25 Вт/(м·К), что примерно в 1/600 раз меньше, чем у алюминиевых сплавов. Армирование углеродным волокном может улучшить теплопроводность, но увеличение остается ограниченным, обычно до 1–5 Вт/(м·К), в зависимости от содержания и ориентации волокон.
Поэтому тепло, выделяемое двигателями и редукторами, трудно отводить через полимерные конструктивные элементы. В закрытых корпусах суставов накопление тепла может ускорить старение материала и окружающих компонентов.
Для тяжелых условий непрерывной эксплуатации необходим эффективный путь управления теплоотводом, возможно, с использованием металлических рам, теплопроводящих прокладок или принудительного охлаждения.
Высокоэффективные модифицированные смолы PEEK значительно дороже инженерных пластиков общего назначения, а марки, армированные углеродным волокном, стоят еще дороже. Прецизионные шестерни и тонкостенные компоненты также имеют относительно узкие технологические окна литья под давлением и требуют более сложной оснастки.
На текущем этапе общая стоимость мелкосерийных модулей роботизированных сочленений может быть выше, чем у сопоставимых металлических решений.
По мере увеличения объемов производства затраты могут продолжать снижаться. Однако это следует рассматривать как перспективную тенденцию, а не как свершившийся факт.
Чистый PEEK имеет коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) приблизительно 47–60 × 10−6/K, что примерно в два раза выше, чем у алюминия, и примерно в пять раз выше, чем у стали. Армирование углеродным волокном может снизить тепловое расширение, но полученное значение все равно может быть выше, чем у металлов.
В условиях значительных перепадов температур люфт шестерен и предварительный натяг подшипников могут изменяться по мере расширения или сжатия материала. Поэтому прецизионные системы передачи требуют соответствующей структурной компенсации, включая распределение зазоров и тщательный подбор разнородных материалов.
Возможность использования PEEK заключается не обязательно в полной замене металлов, а в решении задач, где металлы сталкиваются с ограничениями в снижении веса, бесшумной работе и не требующей обслуживания эксплуатации.
В пределах своих рабочих характеристик PEEK может быть весьма подходящим выбором материала. За пределами этих границ металл остается признанным решением для ответственных несущих нагрузку узлов.
Лучезапястные суставы гуманоидных роботов, секции предплечий, компоненты трансмиссии ловких манипуляторов, рабочие органы, сочленения конечных осей коллаборативных роботов, а также облегченные сочленения для медицинских, сервисных роботов и роботов для чистых помещений.
В высоконагруженных первичных сочленениях можно сочетать металлический несущий каркас с шестернями, втулками и демпфирующими компонентами из PEEK для баланса механической прочности и снижения веса.
Первичные сочленения тяжелых промышленных роботов, оборудование, подвергающееся частым ударным нагрузкам, и основные несущие сочленения роботов для нижних конечностей, работающие при высоком крутящем моменте.
Корпуса из CF-PEEK, компоненты гибких колес, сепараторы и вспомогательные зубчатые кольца могут обеспечить снижение веса более чем на 40%, одновременно обеспечивая преимущества в снижении вибрации и шума.
Некоторые китайские производители представили облегченные модули роботизированных сочленений с высоким содержанием PEEK, достигнув снижения веса примерно на 62% и перейдя к испытаниям на роботах.
Модифицированные шестерни и втулки из PEEK запущены в серийное производство для некоторых малых прецизионных роботизированных систем, особенно там, где важны малый вес, низкое трение и стабильность размеров.
PEEK используется в легкие корпуса, кронштейны концевых выключателей, изоляционные втулки, изоляционные основания датчиков и структурные компоненты для ловких роботизированных пальцев.
Микрошарниры и компоненты, где важны немагнитные свойства и устойчивость к многократной стерилизации.
Применения в полупроводниковой и биофармацевтической промышленности, требующие низкого уровня образования частиц и работы без смазки.
Применения, требующие устойчивости к коррозии и работы в сложных условиях окружающей среды.
Составы материалов развиваются в сторону многокомпонентных систем, сочетающих углеродное волокно, графен и смазочные наполнители для достижения лучшего баланса ударопрочности, сопротивления усталости и теплопроводности.
Гибридные архитектуры, сочетающие металлические вставки, компоненты трансмиссии из PEEK и специализированные каналы терморегулирования становятся практическим подходом как для легких, так и для высоконагруженных роботизированных шарниров.
Ожидается, что производственные технологии, такие как интегрированное литье под давлением и 3D-печать непрерывным волокном повысят выход годной продукции при одновременном снижении затрат на обработку и сборку.
Постепенно разрабатываются стандарты испытаний, охватывающие усталостные характеристики, термические циклы и износ компонентов роботизированных шарниров на основе PEEK. Надежные и стандартизированные методы испытаний станут важной предпосылкой для крупномасштабного производства.
Для основных несущих шарниров практическим подходом является использование металла для основной несущей конструкции, при этом PEEK используется для компонентов трансмиссии, втулок и демпфирующих элементов.
Полная замена на PEEK, как правило, не рекомендуется для применений, связанных с высоким крутящим моментом, высокими ударными нагрузками или непрерывной работой в тяжелых условиях.
При непосредственном использовании в таких компонентах эти ограничения могут со временем проявиться в виде износа поверхности зубьев и дрейфа люфта, что потенциально приведет к проблемам с позиционированием и точностью в течение длительных периодов эксплуатации.
Для узлов роботов недостаточно просто выбрать высокоэффективный полимер. При выборе материала следует учитывать фактический спектр нагрузок, трение и износ, рабочую температуру, стабильность размеров, управление тепловыми процессами и метод обработки.
Компания LFT-G предлагает PEEK и композиты PEEK, армированные углеродным волокном, для ответственных инженерных задач. Расскажите нам о вашем компоненте, условиях эксплуатации и требованиях к характеристикам, и наша техническая команда поможет подобрать подходящее материальное решение.
Связаться с нашей технической командойПодписывайтесь на нас :
-- получать обновления с последними темами
Эл. почта
русский
English
français
Deutsch
italiano
español
português
العربية
日本語
한국의
中文