Kernkomponenten humanoider Roboter: Materialauswahl mit Titanlegierungen

Verschiedene Qualitäten von Titanlegierungen unterscheiden sich in Leistung, Bearbeitbarkeit und Anwendungsszenarien und können die Anforderungen der Kernkomponenten humanoider Roboter genau erfüllen und dienen als Schlüssel für deren Leichtbaukonstruktion, hohe Zuverlässigkeit und Massenproduktion im großen Maßstab. Die Kernkomponenten humanoider Roboter haben deutlich unterschiedliche Materialanforderungen, und reines Titan sowie Titanlegierungen vom Typ -, - und + - zeigen eine eindeutige Kompatibilität mit verschiedenen Komponenten.

I. + Titanlegierungen

+ Titanlegierungen vereinen Festigkeit, Plastizität und Hochtemperaturleistung und ihre Eigenschaften können durch Wärmebehandlung reguliert werden. Sie sind der am weitesten verbreitete Typ in den Kernkomponenten humanoider Roboter, repräsentiert durch Gr5 und seine abgeleiteten Klassen.

Gr5 (Ti6Al4V)hat eine Zugfestigkeit von 900–1100 MPa bei ausgewogener Leistung und Kosten und wird häufig in hochbelastbaren Gelenkkomponenten und tragenden Skeletten verwendet. Atlas V11 von Boston Dynamics verwendet diese Legierung zur Herstellung von Wirbelsäulenstützrahmen, was die Stabilität des Roboterkörpers erheblich verbessert.

Gr5 ELI zeichnet sich durch eine bessere Plastizität und Biokompatibilität aus und eignet sich daher für Komponenten der Mensch-Roboter-Interaktion. Die geschickten Handgelenke des Walker X von UBTECH verwenden diese Güteklasse und haben 2 Millionen Zyklentests bestanden.

Ti6Al2Sn4Zr2Mo weist eine hervorragende Leistung bei hohen Temperaturen auf und eignet sich für wärmeerzeugende Komponenten wie gemeinsame Modulgehäuse und bietet Schutz für elektronische Steuerteile.

II. Titanlegierungen
Titanlegierungen bestehen hauptsächlich aus -stabilisierenden Elementen wie Mo, Nb, Ta und V mit einer Zusatzmenge von größer oder gleich 10 %. Nach der Wärmebehandlung erreicht ihre Zugfestigkeit mindestens 1100 MPa. Sie verfügen über eine ausgezeichnete Kaltumformbarkeit und Biokompatibilität und sind ungiftig, sodass sie für hoch{6}belastete und hochpräzise Kernkomponenten humanoider Roboter geeignet sind.

Ti13Nb13Zr ist frei von Vanadium und Aluminium und weist eine gute Biokompatibilität auf. Es eignet sich für Mensch-Maschine-Kontaktkomponenten von Pflege- und Rehabilitationsrobotern, wodurch die Stressabschirmung reduziert und die Sicherheit und der Bedienkomfort verbessert werden können.

Ti29Nb13Ta4.6Zr (TNZT) hat einen Elastizitätsmodul, der dem von menschlichen Knochen nahe kommt, mit ausgezeichneter Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es wird vor allem in bionischen Gelenken eingesetzt und kann die Stresskonzentration reduzieren und eignet sich daher für medizinische Assistenzroboter.

Ti15Mo weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und eignet sich für Gelenklager und Aktuatoren von Robotern, die in komplexen Umgebungen wie der Außen- und Chemieindustrie arbeiten, wodurch Korrosion verhindert und ein stabiler Betrieb gewährleistet werden kann.

III. Titanlegierungen
Titanlegierungen bestehen hauptsächlich aus -stabilisierenden Elementen wie Al, Sn und Zr mit einer einzigen --Phasenstruktur bei Raumtemperatur. Sie weisen eine gute Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auf und ihre Festigkeit ist höher als die von reinem Titan, mit einer maximalen Hochtemperatur-Betriebstemperatur von 500 Grad. Sie eignen sich für gering{6}belastete und hochpräzise-Komponenten humanoider Roboter, insbesondere für Präzisionssensorbaugruppen.

Güteklasse 9 (Ti-3Al-2,5V) weist eine ausgewogene Festigkeit und Plastizität sowie eine hervorragende Bearbeitbarkeit auf und kann zu dünnwandigen Teilen mit einer Dicke von weniger als 0,1 mm mit guter elektromagnetischer Abschirmleistung verarbeitet werden. Es wird häufig in Sensorgehäusen und Kabelschutzhülsen verwendet. Das deutsche Unternehmen Festo verwendet dieses Material zur Verpackung taktiler Sensoren, reduziert die Dicke um 30 % und erreicht eine Auflösung von 5 μm, was die Erfassungsgenauigkeit bionischer Hände erheblich verbessert.

Klasse 23 (Ti-6Al-4V ELI) weist durch die Reduzierung interstitieller Elemente eine bessere Plastizität und Biokompatibilität auf und eignet sich daher für flexible Sensorkomponenten. Das Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwendet es als Substrat, um flexible Drucksensoren herzustellen, die an den Fingerspitzen von Xiaomis CyberOne angebracht werden und eine präzise Kraftsteuerung und feine interaktive Bewegungen ermöglichen.
IV. Kommerziell reines Titan

Handelsüblich reines Titan enthält keine zusätzlichen Legierungselemente und weist eine ausgezeichnete Plastizität und Korrosionsbeständigkeit sowie eine mäßige Festigkeit auf. Es eignet sich für Hilfskomponenten mit geringen Festigkeitsanforderungen, aber hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit und bietet eine grundlegende Unterstützung für die Kernstruktur von Robotern.

Note 2 bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen umfassender Leistung und kontrollierbarer Verarbeitung und Kosten. Es wird vor allem zum Verbinden und Abdichten von Bauteilen wie Gelenkdichtringen und Verbindungsschrauben verwendet, kann aber auch bei Reglergehäusen eingesetzt werden, um Leichtbau und Korrosionsschutz zu erreichen.

Klasse 1 hat eine gute Plastizität, aber eine geringe Festigkeit und eignet sich für dünnwandige Schutzteile wie flexible Sensorhüllen und Drahtschutzhüllen. Es ist korrosionsbeständig, nicht leicht zu beschädigen und hat eine längere Lebensdauer.

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