Kodėl didelio stiprumo ir svorio dengtas aliuminis pakeičia titaną humanoidiniuose egzoskeletuose?

Masinei dvikojų humanoidinių robotų (pvz., Tesla Optimus, Boston Dynamics Atlas ir pramoninių robotų pagalbinių robotų) gamybai vis spartėjant komerciniam diegimui, konstrukcinių medžiagų pasirinkimas perėjo nuo gryno našumo siekimo prie jėgos, naudingos apkrovos efektyvumo, šilumos išsklaidymo ir keičiamų gamybos sąnaudų pusiausvyros.

Nors titano lydiniai (Ti-6Al-4V) istoriškai dominavo didelio įtempimo erdvėlaiviuose ir kariniuose egzoskeletuose dėl savo didžiausio atsparumo tempimui, didelio stiprumo ir svorio padengti aliuminio lydiniai (7000 ir 2000 serijos su keraminėmis / anoduotomis dangomis) sparčiai pakeičia titaną komerciniuose humanoidinių robotų egzoskeletuose.

Titano komercializavimo barjerai

Titano lydiniai pasižymi išskirtiniu didžiausiu tempimo stiprumu (>900 MPa), tačiau yra didelių kliūčių gaminant didelės apimties humanoidinius robotus:

Ekstremalios apdirbimo ir įrankių susidėvėjimo sąnaudos: dėl mažo titano šilumos laidumo frezavimo metu susidaro didelis karštis, todėl greitai susidėvi pjovimo įrankis ir lėtas pastūmos greitis.

Šiluminė izoliacija Pavojus pavaroms: didelio tankio elektros varikliai humanoidiniuose kelių, klubų ir pečių sąnariuose generuoja nuolatinę šilumą (80°C – 120°C). Dėl mažo titano šilumos laidumo susidaro šiluminiai spąstai, todėl kyla variklio išmagnetinimo pavojus.

Palyginimas: titano lydinys (Ti-6Al-4V) ir didelio stiprumo dengtas aliuminis (7075-T6 + MAO danga)

Egzoskeleto medžiagų palyginimas

Toliau pateiktoje matricoje Titano Ti-6Al-4V lyginamas su didelio stiprumo dengtu aliuminiu (7075-T6 + MAO keramine danga):

Pagrindiniai profesionalūs humanoidinio egzoskeleto privalumai

DUK

1 klausimas: ar didelio stiprumo aliuminis gali atitikti titaną humanoidinėms kojoms išlaikyti?

A: Nors titano absoliutus tempiamasis stipris yra didesnis, 7075-T6 aliuminis pasiekia beveik identišką specifinį stiprumą (stiprumo ir svorio santykį). Optimizavus sienelės storį ir briaunų geometriją, sukonstruotos aliuminio galūnės išlaiko lygiavertes konstrukcines apkrovas, kurių bendras svoris ir kaina yra mažesnė.

2 klausimas: kaip mikrolanko oksidacija (MAO) apsaugo nuo aliuminio paviršiaus nusidėvėjimo roboto jungtyse?

A: MAO naudoja plazmos iškrovas vandeniniame elektrolite, kad išaugintų tankų kristalinį keraminį sluoksnį ( Al ₂ O ₃) tiesiai iš aliuminio pagrindo. Šis sluoksnis negali nusilupti ir padidina paviršiaus kietumą iki 500–1000 HV , apsaugodamas jungties sąsajas nuo trinties susidėvėjimo.

3 klausimas: kodėl šilumos laidumas yra toks svarbus humanoidinių robotų egzoskeletonams?

A: Humanoidinėse jungtyse yra didelio sukimo momento tankio varikliai, nuolat veikiantys kompaktiškuose korpusuose. Didelis aliuminio šilumos laidumas ( 130–180 W/m·K ) išsklaido variklio šilumą į aplinkos orą, užkertant kelią šiluminiam droseliui ir prailgina variklio tarnavimo laiką.

4 klausimas: kiek sutaupo padengtas aliuminis, palyginti su titanu?

A: Pakeitus titaną itin stipriu dengtu aliuminiu, žaliavų sąnaudos sumažėja 60–70 % ,  o apdirbimo sąnaudos – iki 80 . % .

5 klausimas: ar 7075-T6 aliuminis yra linkęs į įtempių korozijos įtrūkimus lauko roboto aplinkoje?

A: Bare 7075-T6 gali būti pažeidžiamas įtempių korozijos metu drėgnomis sąlygomis. Užtepus tankią kietai anoduotą arba MAO keraminę dangą paviršius visiškai užsandarinamas, užtikrinant ilgalaikį atsparumą cheminėms medžiagoms ir korozijai lauko roboto veikimo metu.

Išvada

Didelio stiprumo ir svorio dengtas aliuminis siūlo idealų specifinio stiprumo, paviršiaus ilgaamžiškumo, šilumos valdymo ir ekonomiškumo balansą humanoidiniams robotų egzoskeletams.

Norėdami optimizuoti humanoidinio roboto konstrukcijos projektavimo medžiagų pasirinkimą:

Nurodykite 7075-T6 arba 2024-T3 didelio stiprumo lydinius: naudokite 7075-T6 pagrindinėms kojų, klubų ir stuburo struktūrinėms jungtims, kurioms reikalinga didžiausia takumo riba (>500 MPa).

Privalomos mikrolanko oksidacijos (MAO) dangos (20 μm – 30 μm): norint pasiekti, kad paviršiaus kietumas viršytų 500 HV, labai susidėvėjusias guolių sėdynes ir konstrukcines jungtis reikia apdoroti keraminiu MAO paviršiumi.

Integruoti šiluminiai kanalai: suprojektuotas variklio korpusas tvirtinamas tiesiai į aliuminio išorinį rėmą, kad būtų panaudotas didelis medžiagos šilumos laidumas (>130 W/m·K) variklio aušinimui.