Az ipari robotok ciklusidő szerint élnek és halnak meg. Egy percenként 20 mozdulatot végrehajtó, 3 kg hasznos súllyal rendelkező pick-and-place robot naponta 28 800 cikluson megy keresztül. Minden mozdulat 0.1 másodperces lefaragásával – a motorok gyorsításához és lassításához szükséges tömeg csökkentésével – napi 48 perc gyártási időt takarít meg. A szénszálas robotkarok ezt a tömegcsökkentést nem azáltal érik el, hogy marginálisan könnyebbek az alumíniumnál, hanem azáltal, hogy azonos merevség mellett 60%-kal könnyebbek. Íme a mérnöki érvek a váltás mellett.
A nehéz robotkarok valódi költsége
Egy tipikus alumínium robotkar egy 6 tengelyes, csuklós robothoz 12–18 kg-ot nyom 1.5 méteres kinyúlás esetén. A motoroknak naponta több ezerszer kell felgyorsítaniuk ezt a tömeget álló helyzetből teljes sebességre, majd vissza a megállásig. A kar tömegének minden kilogrammjához nagyjából 0.5–1.0 kg további motortömeg szükséges ugyanazon gyorsulási profil eléréséhez. Ez az összetett hatás azt jelenti, hogy a kar 5 kg-os súlycsökkenése a robot teljes tömegének 8–10 kg-os csökkenését jelenti, ami viszont kisebb alapot, könnyebb csapágyakat és olcsóbb sebességváltókat tesz lehetővé. A súlymegtakarítás a teljes robottervre kiterjed.
Az energiaköltség ugyanilyen jelentős. Egy 6 tengelyes robot, amely 12 kg kartömeget mozgat, gyors mozgás közben körülbelül 4-6 kW-ot fogyaszt. A kartömeg 60%-os csökkentése nagyjából 40%-kal csökkenti az energiafogyasztást – ipari árakon számolva robotonként évente 2,000-4,000 dollár árammegtakarítást eredményezve. Egy 50 robotot foglalkoztató gyár esetében ez évi 100 000-200 000 dollár energiamegtakarítást jelent.
Miért nem éri el az alumínium az elvárásokat?
Az alumínium évtizedek óta az alapértelmezett robotkar-anyag, mivel ismerős, megmunkálható és viszonylag könnyű, 2.7 g/cm³-es súlyával. Az alumínium fajlagos merevsége (rugalmassági modulus osztva a sűrűséggel) azonban körülbelül 26 GPa/(g/cm³). A kváziizotróp elrendezésben a szénszál körülbelül 40–50 GPa/(g/cm³) értéket ér el – ez majdnem a duplája. Ez azt jelenti, hogy egy szénszálas kar ugyanolyan merevség mellett feleakkora lehet egy alumínium kar súlyának, vagy ugyanolyan súly mellett merevebb is lehet.
Az alumínium a kifáradástól is szenved – nincs határa a tartósságának. Minden feszültségciklus, bármilyen kicsi is, az anyag kifáradási élettartamának egy részét emészti fel. Egy robotkar, amely naponta 28 800 ciklust produkál, évente 10 millió ciklust halmoz fel – ami jócskán beleesik az alumínium nagy ciklusú kifáradási tartományába. A megfelelően tervezett szénszálas kompozitok lényegében végtelen kifáradási élettartammal rendelkeznek a robotkaroknál megfigyelhető feszültségszinteken, mivel a terhelést a rugalmas szénszálak hordozzák, nem pedig egy fémkristályrács, amely felhalmozza a diszlokációkat.
Hogyan oldja meg a szénszál a problémát
A szénszálas robotkarokat jellemzően tekercselt csövekből építik a fő szerkezeti elemekhez, a csővégekhez pedig megmunkált alumínium vagy titán végszerelvényeket ragasztanak. A csőfalat úgy tervezték, hogy minden irányban biztosítsa a szükséges hajlítási merevséget és szilárdságot. A kváziizotróp [0/±45/90] elrendezés kiegyensúlyozott tulajdonságokat biztosít – a 0°-os rétegek axiális merevséget, a ±45°-os rétegek torziós szilárdságot biztosítanak, a 90°-os rétegek pedig megakadályozzák a cső oválissá válását hajlító terhelés alatt.
A súlymegtakarítás drámai. Egy 1.5 méteres, 50 mm átmérőjű és 3 mm falvastagságú szénszálas karösszekötő körülbelül 1.1 kg-ot nyom. Az ezzel egyenértékű alumínium összekötőelem (ugyanolyan merevséggel) 2.8 kg-ot nyom – 2.5-szer nehezebb. Egy komplett, 6 tengelyes, szénszálas összekötőelemekkel épített robotkar jellemzően 5-8 kg-ot nyom, szemben az alumínium 12-18 kg-os súlyával – ez 55-60%-os csökkenést jelent.
Mérhető eredmények: Mire számíthat a váltás után
Azok a vállalatok, amelyek alumíniumról szénszálasra cserélték a robotkarokat, következetes eredményekről számolnak be: a ciklusidő 15–25%-os csökkenése a gyorsabb gyorsulás és lassulás miatt, a motor mérete 1–2 vázmérettel csökkent (ami 30–40%-os motorköltség-csökkenést eredményez), az energiafogyasztás 35–45%-os csökkenése, és a csapágyak élettartamának 2–3-szoros növekedése a kisebb dinamikus terhelések miatt. A szénszálas kar jellemzően 20–40%-kal drágább, mint az alumínium kar, amelyet helyettesít, de a folyamatos működés 12–18 hónapján belül megtérül a motormegtakarítás és az energiamegtakarítás révén.
Szénszálas vs. alumínium robotkar összehasonlítás
| Ingatlanok | Szénszál (kvázi-izomer) | Alumínium 6061-T6 | Alumínium 7075-T6 |
|---|---|---|---|
| Sűrűség (g / cm³) | 1.6 | 2.7 | 2.8 |
| Szakító modulus (GPa) | 40-55 | 69 | 71 |
| Fajlagos merevség | 25-34 | 25.5 | 25.4 |
| Rezgés csillapítás | 0.5–1.0% (magas) | 0.1% (alacsony) | 0.1% (alacsony) |
| Fáradási élettartam (10 millió ciklus) | Végtelen (nincs korlát) | ~100 MPa tartósság | ~160 MPa tartósság |
| Hőtágulás | ~0.5 ppm/°C | 23.6 ppm/°C | 23.5 ppm/°C |
| Kar súlya (1.5 m, 50 mm külső átmérő) | 1.1 kg | 2.8 kg | 2.9 kg |
CFRP TSTAR Szénszálas robotkar-összekötőket gyárt egyedi elrendezési ütemtervekkel, optimalizálva a hajlítási merevség, a torziós szilárdság és a rezgéscsillapítás szempontjából. Ragasztott végszerelvények precíz beállítási tűréshatárokkal. Vegye fel velünk a kapcsolatot a robot specifikációival egy súlycsökkentési elemzéshez.
