In 3D kim loại giúp giảm trọng lượng của bộ phận tác động cuối robot như thế nào?

Mỗi gram tăng thêm khi kết thúc cánh tay robot đều tiêu tốn hiệu suất. Dụng cụ nặng hơn buộc các động cơ lớn hơn, tăng mức sử dụng năng lượng, làm chậm thời gian chu kỳ và lấy đi tải trọng đáng lẽ phải thuộc về phôi. Cuối cùng, nhiều kỹ sư nhận ra lực cản thực sự không phải là đế robot mà là bộ phận tác động cuối - dụng cụ kẹp, vật cố định hoặc giá đỡ dụng cụ nằm xa khớp nhất. Giá đỡ và kẹp CNC rắn thông thường thường được thiết kế quá mức, tăng thêm khối lượng chính xác ở nơi cánh tay đòn nhân lên tác dụng của nó.

In 3D kim loạicung cấp một cách trực tiếp để thoát khỏi cái bẫy đó. Bằng cách chỉ đặt vật liệu ở nơi mà tải trọng kết cấu yêu cầu, quy trình này sẽ tạo ra các bộ phận tác động cuối nhẹ hơn nhưng vẫn đủ cứng. Kết quả là tải trọng có thể sử dụng cao hơn, khả năng tăng tốc nhanh hơn và mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn trong khi vẫn đáp ứng nhu cầu về sức mạnh và độ chính xác của robot công nghiệp và y tế.

Cánh tay robot hoạt động giống như một đòn bẩy dài. Khối lượng ở cổ tay được khuếch đại bằng toàn bộ tầm với của cánh tay. Việc thêm một kg dụng cụ có thể yêu cầu mô-men xoắn động cơ và độ cứng kết cấu gấp nhiều lần trong chuỗi động học. Những hậu quả thực tế xuất hiện nhanh chóng: khả năng tăng tốc giảm, độ lệch đường đi lớn hơn ở tốc độ, mức tiêu thụ năng lượng cao hơn và biên độ tải trọng còn lại nhỏ hơn đối với bộ phận thực tế.

Các bộ phận tác động cuối truyền thống được chế tạo bằng gia công trừ có xu hướng là các khối rắn hoặc thiết kế có thành dày. Chúng đáng tin cậy nhưng hiếm khi được tối ưu hóa cho số lượng lớn. Trong các tế bào tốc độ cao hoặc có độ chính xác cao, trọng lượng tăng thêm đó biểu hiện ở thời gian chu kỳ chậm hơn hoặc nhu cầu nâng cấp lên robot lớn hơn, đắt tiền hơn. Do đó, việc giảm khối lượng ở đầu cánh tay là một trong những cải tiến mang tính đòn bẩy cao nhất dành cho các nhà tích hợp hệ thống và người sử dụng robot.

In 3D kim loại cho phép bốn phương pháp thiết kế mà gia công thông thường không thể dễ dàng sánh được.

Các cấu trúc rỗng và dạng lưới loại bỏ vật liệu khỏi các vùng ứng suất thấp trong khi vẫn giữ lại các bức tường bên ngoài để tăng độ cứng và các mặt tiếp xúc lắp đặt. Phần mềm tối ưu hóa cấu trúc liên kết tinh chỉnh thêm hình dạng, chỉ giữ vật liệu dọc theo đường dẫn tải chính. Kết quả thường là một bộ phận trông có vẻ tự nhiên nhẹ hơn 30–50% so với thiết kế nguyên khối ban đầu nhưng vẫn đáp ứng các giới hạn về độ võng và ứng suất.

Hợp nhất một phần là một lợi ích lớn khác. Nhiều giá đỡ, bộ điều hợp và ốc vít có thể được hợp nhất thành một thành phần in duy nhất. Ít khớp nối hơn có nghĩa là trọng lượng lắp ráp thấp hơn, khả năng chịu đựng ít hơn và giảm điểm hỏng hóc.

Các kênh nội bộ có thể được xây dựng trực tiếp vào bộ phận. Các đường dây khí nén hoặc chân không trước đây cần có ống và phụ kiện bên ngoài giờ đây chạy bên trong cấu trúc, làm sạch lớp vỏ và loại bỏ khối lượng bổ sung.

Những kỹ thuật này đã được sử dụng trong dụng cụ kẹp và đồ gá sản xuất. Các dự án đã được ghi chép cho thấy trọng lượng giảm trong khoảng 30–47 % đối với bộ phận tác động cuối trong khi vẫn duy trì ứng suất và chuyển vị tối đa trong giới hạn chấp nhận được. Mức tiết kiệm chính xác phụ thuộc vào thiết kế ban đầu, trường hợp tải và vật liệu được chọn, nhưng hướng nhất quán: có thể loại bỏ khối lượng đáng kể mà không làm giảm độ bền chức năng.

Lựa chọn vật liệu bắt đầu với mật độ và tỷ lệ cường độ trên trọng lượng.

Nhôm mang lại khối lượng thấp nhất và thường là lựa chọn hàng đầu cho dụng cụ kẹp công nghiệp tốc độ cao. Titan nằm ở giữa về mật độ nhưng có độ bền riêng và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời. Các hợp kim titan tương tự được sử dụng choHợp kim Titan Cấy ghép y tế in 3Dđã chứng minh các đặc tính cơ học nhất quán, kiểm soát chất lượng bột và truy xuất nguồn gốc hàng loạt trong sản xuất y tế được quản lý. Quá trình trưởng thành đó chuyển trực tiếp đến bộ phận tác động cuối là robot phẫu thuật phải kết hợp khối lượng thấp với độ tin cậy cao.

Thép không gỉ được chọn khi khả năng chống ăn mòn hoặc độ bền tuyệt đối vượt quá mức phạt về trọng lượng.

Một chuỗi quyết định đơn giản:

Ưu tiên khối lượng thấp nhất → nhôm

Cần độ bền cao hơn hoặc khả năng tương thích sinh học ở cấp độ y tế → titan

Môi trường khắc nghiệt hoặc độ bền tối đa → thép không gỉ

Quy trình sản xuất bồi đắp kim loại tạo ra các bộ phận có hình dạng gần như lưới với hình dạng bên trong phức tạp, nhưng các bề mặt quan trọng thường vẫn cần gia công. Ghế chịu lực, bề mặt định vị chính xác, lỗ ren và mặt bịt kín thường nhận được đường chuyền CNC cuối cùng để đạt được dung sai và độ hoàn thiện bề mặt cần thiết.

Phương pháp lai này đặc biệt phổ biến trong robot y tế và phẫu thuật.Sản phẩm y tế gia công CNC chính xácyêu cầu kiểm soát hình học chặt chẽ và chất lượng bề mặt nhẵn trên các đặc điểm giao phối. Việc in cấu trúc nhẹ phức tạp và sau đó chỉ gia công các bề mặt chức năng kết hợp ưu điểm tốt nhất của cả hai quy trình: tự do thiết kế và giảm khối lượng từ tính cộng, độ chính xác về kích thước từ tính trừ.

Một nguyên tắc thực tế:

In phần thân hữu cơ, được tối ưu hóa cấu trúc liên kết và bất kỳ kênh nội bộ nào.

Gia công các bề mặt lắp đặt, lỗ khoan chính xác và bề mặt bịt kín.

Để lại các bề mặt bên ngoài không quan trọng như được in hoặc hoàn thiện nhẹ.

Nhà tích hợp hệ thống cần một dụng cụ kẹp nhẹ hơn cho ô đóng gói tốc độ cao. Thiết kế nhôm gia công CNC ban đầu nặng 1,85 kg và hạn chế tải trọng sử dụng của robot. Phiên bản mới được thiết kế lại với khả năng tối ưu hóa cấu trúc liên kết và được sản xuất bằng in 3D kim loại trong AlSi10Mg, sau đó là hoàn thiện CNC trên các mặt lắp hàm và cổng khí nén.

Dụng cụ kẹp được in và gia công có trọng lượng 1,12 kg - giảm 39% trọng lượng. Độ cứng và lực bám vẫn nằm trong thông số kỹ thuật ban đầu. Thời gian chu kỳ được cải thiện khoảng 8 % vì robot có thể tăng tốc và giảm tốc mạnh mẽ hơn. Kể từ đó, quy trình kết hợp tương tự đã được áp dụng cho một số loại giá đỡ dụng cụ robot phẫu thuật trong đó cả khối lượng và chất lượng bề mặt đều rất quan trọng.

Không phải mọi cửa hàng đều được chuẩn bị như nhau cho công việc của người thực hiện chức năng cuối cùng. Trước khi đặt hàng, hãy xác nhận những điều sau:

Giấy chứng nhận vật liệu và truy xuất nguồn gốc bột (đặc biệt quan trọng đối với titan)

Khả năng cung cấp báo cáo thử nghiệm mật độ và tính chất cơ học

Quá trình xử lý hậu kỳ trong nhà hoặc được kiểm soát chặt chẽ (giảm căng thẳng, HIP nếu cần, hoàn thiện CNC)

Khả năng kiểm tra kích thước (CMM hoặc CT cho kênh nội bộ)

Kinh nghiệm chuyển từ nguyên mẫu sang số lượng nhỏ và bán buôn

Trao đổi thông tin rõ ràng về hướng dẫn thiết kế phụ gia và thời gian thực hiện thực tế

Một nhà sản xuất in 3D kim loại hoặc nhà máy in 3D kim loại có năng lực sẽ thảo luận cởi mở về những điểm này và thường đưa ra đánh giá về thiết kế cho phụ gia trước khi báo giá. Tìm kiếm các nhà cung cấp đã xử lý công việc dịch vụ in 3D kim loại tùy chỉnh cho robot hoặc thiết bị y tế; quá trình kỷ luật tiếp tục.

Sản xuất bồi đắp kim loại cho các thành phần kết cấu tiếp tục được chấp nhận chính thức. Các tiêu chuẩn quy trình, thông số kỹ thuật vật liệu và yêu cầu hệ thống chất lượng được phát triển cho ngành hàng không vũ trụ và cấy ghép y tế đang ngày càng được áp dụng cho robot công nghiệp. Phương pháp thực hành được công nhận ngày càng tăng này giúp giảm rủi ro cho người dùng cuối chỉ định cơ quan tác động cuối cùng được in.

Nếu bạn đang đánh giá thiết bị tác động cuối nhẹ hơn, hãy gửi yêu cầu về thiết kế hoặc hiệu suất hiện tại. Đánh giá ngắn gọn về thiết kế cho chất phụ gia và giảm trọng lượng có thể cho thấy mức độ tiết kiệm thực tế và lộ trình xử lý tốt nhất-in 3D kim loại nguyên chất, kết hợp với CNC hoặc kết hợp-trước khi bạn cam kết tạo công cụ hoặc sản xuất.