Die Vorteile von Kohlefaser in Roboteranwendungen
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Die Vorteile von Kohlefaser in Roboteranwendungen
Ein Roboterarm ist eine der Hauptkomponenten eines Roboters zur Ausführung operativer Aufgaben. Seine Hauptfunktion besteht darin, Anweisungen während der Interaktion mit der Umgebung genau zu empfangen und einen Punkt im dreidimensionalen (oder zweidimensionalen) Raum für standardisierte Vorgänge genau zu lokalisieren. Als eines der am weitesten verbreiteten automatisierten mechanischen Geräte im Bereich der Robotik spielen Roboterarme eine wichtige Rolle in der industriellen Fertigung, im medizinischen, zivilen, militärischen Bereich, in der Transportlogistik und in der Weltraumforschung. Immer mehr neuartige Roboterarme verwenden Kohlefaser-Verbundwerkstoffe. Welche Vorteile bietet dieses neue Material, das um ein Vielfaches teurer ist als Metallwerkstoffe? Aus welchen Gründen entscheiden sich Roboterarmdesigner für Kohlefaser-Verbundwerkstoffe?
Grund 1: Geringes Eigengewicht
Das Gewicht des Roboterarms sollte möglichst gering sein, und je leichter der Roboterarm, desto kleiner ist sein Trägheitsmoment. Leichtbau kann das Verhältnis von Leistung zu Gewicht von Roboterarmen optimieren, und die Auswahl leichter Materialien ist auch eine wichtige Möglichkeit für Roboterarme, Leichtbau zu erreichen. Die Dichte von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen beträgt nur ein Drittel der von Stahl und ist etwa 30 % leichter als Aluminiumlegierungen. Geringes Gewicht bedeutet, dass der Energieverbrauch während des Betriebs des Roboterarms geringer ist, wodurch er leichter und effizienter wird. Selbst wenn der Energieverbrauch nur geringfügig reduziert oder die Produktionseffizienz leicht verbessert wird, sind die Auswirkungen im Langzeit- und Batch-Betrieb dadurch enorm.
Grund 2: Hohe Intensität
Der Roboterarm muss eine ausreichende Tragfähigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gewährleisten. Das Grundgewicht, das ein Roboterarm tragen muss, besteht aus dem Gewicht des Arms selbst und dem maximalen Gewicht des Werkstücks, das er mit seinen Krallen greifen kann. Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe haben eine höhere spezifische Festigkeit und einen höheren spezifischen Modul als Stahl, und ihre Zugfestigkeit liegt im Allgemeinen über 3500 MPa, was dem 7-9-fachen der von Stahl entspricht. Ein einziehbarer Kohlefaser-Roboterarm, der von einem bestimmten Kohlefaserunternehmen für Tunnelerkundungsroboter konfiguriert wurde, hat eine Dicke von nur 5 mm und einen Durchmesser von 18 cm. Es können jedoch Instrumente und Geräte mit einem Gewicht von über 100 Kilogramm transportiert werden. Diese hohe Tragfähigkeit gibt dem Roboter die Möglichkeit, sich zu vielfältigen Funktionen zu entwickeln.
Grund 3: Geringes Kriechen
Kohlefaserverbundwerkstoffe haben einen vernachlässigbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten, ein geringes Kriechen und können sich an Arbeitsumgebungen mit großen Temperaturunterschieden anpassen. Ein rechteckiges Teleskop-Roboterarmrohr, das speziell für elektrische Inspektionsroboter entwickelt wurde und nicht nur das Eigengewicht und den Energieverbrauch reduziert, sondern auch den Arbeitszyklus exponentiell verlängert. Seine stabile Leistung in rauen Wetterumgebungen wie Kälte und hohen Temperaturen ermöglicht die genaue und schnelle Ausführung von Anweisungen und spielt eine große Rolle beim Ersetzen manueller Inspektionsarbeiten. Dies ist auch ein wichtiger Grund für die Auswahl von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen für die Roboterkonstruktion in vielen spezifischen Arbeitsumgebungen .
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