La carcasa de una articulación de exoesqueleto suele constar de varias partes principales: la carcasa principal, los asientos de los cojinetes, los soportes del actuador y del motor, los soportes de los sensores, los componentes de sellado y retención, y las interfaces de fijación. Este bastidor exterior aloja los actuadores, los motores y los sistemas de transmisión, y se encarga de la transferencia de carga y el control del movimiento. Se prevé que el mercado mundial de exoesqueletos crezca de 850 millones de dólares en 2025 a 2.2 millones de dólares en 2030, por lo que la precisión y los materiales de estas piezas influyen directamente en el rendimiento. El proceso de fabricación, los requisitos de precisión y la selección de materiales para cada componente son fundamentales para lograr la fiabilidad y la durabilidad necesarias en los exoesqueletos modernos. Comprender estos factores es clave para producir articulaciones eficaces.
Carcasa principal en una carcasa de unión de exoesqueleto
La carcasa principal es la estructura portante principal de la articulación del exoesqueleto. Envuelve el actuador, el motor y el sistema de transmisión, por lo que soporta la mayor parte de la carga que recibe la articulación. Es como el esqueleto del propio esqueleto. Si esta carcasa se flexiona o deforma, toda la articulación pierde alineación y las piezas internas se desgastan.
Procesos de fabricación de la carcasa principal
Mecanizado CNC a partir de un bloque
El mecanizado CNC a partir de un bloque sólido es la mejor opción para carcasas de alta precisión. Un bloque sólido de aluminio AL6061-T6 se talla hasta obtener la forma final. Esta aleación se utiliza con frecuencia en la fabricación de carcasas de exoesqueletos porque se mecaniza con precisión y mantiene tolerancias estrictas. El flujo de trabajo generalmente sigue un orden preestablecido:
- Seleccione el material: el aluminio AL6061-T6 es un punto de partida común para las aplicaciones de carcasas de exoesqueletos.
- Controle las tolerancias dimensionales durante el mecanizado, especialmente en los puntos de fijación y las interfaces con otros módulos, para que todo encaje correctamente durante el montaje.
- Preservar la integridad estructural en zonas de paredes delgadas y elementos complejos para evitar deformaciones o debilitamiento.
- Para el acabado de la superficie, primero limpie la pieza, luego aplíquele un chorro de arena y anodícela. El chorro de arena elimina las marcas de la herramienta y los escalones, logrando un acabado mate y uniforme. El anodizado le confiere resistencia a la corrosión, una superficie dura y resistente a los arañazos, y una mejor apariencia.
Fundición a presión y fundición a la cera perdida
La fundición a presión y la fundición a la cera perdida también se utilizan para la carcasa principal. La fundición a presión funciona bien para grandes volúmenes donde el costo por pieza es importante. La fundición a la cera perdida maneja geometrías internas complejas. Ambos métodos reducen el tiempo de mecanizado, pero sacrifican algo de precisión en comparación con el mecanizado a partir de lingotes.
Fabricación aditiva para prototipos
La fabricación aditiva, o impresión 3D, destaca durante la creación de prototipos. Permite a los ingenieros probar el ajuste y la forma antes de fabricar las herramientas. Se puede imprimir una carcasa durante la noche, atornillarla a un banco de pruebas y obtener información al día siguiente. La contrapartida es clara: la impresión ofrece velocidad y libertad geométrica, pero las propiedades mecánicas de las piezas impresas suelen ser inferiores a las del metal forjado.
Requisitos de precisión para la carcasa principal
Tolerancias dimensionales y geométricas
La precisión comienza en los puntos de interfaz. Los orificios para pernos, los alojamientos de cojinetes y las superficies de acoplamiento de los módulos requieren un control riguroso. Una tolerancia imprecisa en una interfaz repercute en todo el conjunto. Las tolerancias geométricas abarcan la planitud, la perpendicularidad y la posición, y estas especificaciones evitan que la carcasa se deforme.
Especificaciones de acabado superficial
El acabado superficial afecta la vida útil y el rendimiento de los sellos. Las superficies rugosas generan puntos de concentración de tensiones donde comienzan las grietas. Además, desgastan las juntas tóricas y las empaquetaduras. El arenado y el anodizado mejoran la superficie, pero el acabado mecanizado subyacente sigue siendo el factor determinante.
Materiales para la carcasa principal
La elección del material influye en el peso, el coste y la durabilidad. A continuación, se comparan las opciones más comunes:
| Material | Caracteristicas claves | Aplicaciones principales |
| Aleación de aluminio | Rentable, fácil de mecanizar, buen acabado superficial, apto para grandes volúmenes. | Carcasas producidas en masa, piezas sensibles al costo |
| Aleación de titanio | Resistente a altas temperaturas, biocompatible, resistente a la corrosión. | Ambientes corrosivos o de alta temperatura |
| Polímero reforzado con fibra de carbono | Excelente relación resistencia-peso, dilatación térmica prácticamente nula, alta rigidez. | Carcasas para instrumentos de precisión, marcos de alto rendimiento |
Aleaciones de aluminio 6061 y 7075
Las aleaciones de aluminio 6061 y 7075 constituyen la base de la mayoría de las carcasas. La aleación 6061 se suelda y mecaniza bien. La aleación 7075 ofrece mayor resistencia, pero es más cara y dificulta el mecanizado. Para la producción en grandes volúmenes donde el costo es un factor importante, el aluminio es la mejor opción.
Aleación de titanio Ti-6Al-4V
La aleación Ti-6Al-4V soporta mejor el calor y la corrosión que el aluminio. Además, es biocompatible, lo cual es importante para los exoesqueletos médicos. Sus desventajas son el precio y la dificultad de mecanizado.
Polímeros reforzados con fibra de carbono
El CFRP ofrece la mejor relación resistencia-peso del grupo. Además, presenta una dilatación térmica prácticamente nula y una alta rigidez. Las carcasas ópticas y de medición de precisión lo utilizan precisamente por estas razones. Su precio inicial es el más elevado, aunque los costes de mantenimiento son bajos.
Ningún material es el mejor en todas las situaciones. La elección correcta depende de las condiciones de operación, el volumen y el presupuesto. Los ingenieros suelen realizar análisis de elementos finitos (FEM) para comparar la distribución de esfuerzos entre los diseños candidatos, y estos análisis también validan si una carcasa cumple con sus objetivos de resistencia antes de cortar cualquier metal. Los materiales más ligeros, como el ABS, se utilizan más en soportes prototipo que en carcasas portantes, ya que su resistencia no iguala la del metal. Desde un punto de vista práctico, el proceso de fabricación y la elección del material están intrínsecamente ligados: no se pueden separar.
Asientos y orificios de cojinetes en una carcasa de articulación de exoesqueleto
Los alojamientos y orificios de los cojinetes se encuentran en el centro de la carcasa de cada articulación del exoesqueleto. Sujetan los cojinetes que permiten que la articulación gire suavemente. Si estos alojamientos no son adecuados, la articulación pierde energía y se desgasta rápidamente. El ajuste entre el orificio y el cojinete influye en la eficiencia y la resistencia al desgaste de la articulación. Un orificio holgado permite que el cojinete gire en su lugar. Un orificio demasiado ajustado comprime la pista del cojinete. En ambos casos, la articulación se rompe.
Procesos de fabricación de asientos de cojinetes
Mandrinado y escariado de precisión
El mandrinado de precisión corta el orificio a un tamaño exacto. Una herramienta de un solo filo gira dentro del orificio y elimina material. El operario puede ajustar el corte en pequeños incrementos. Este control hace que el mandrinado sea perfecto para trabajos con tolerancias ajustadas. El escariado se realiza después del mandrinado cuando el orificio necesita un acabado más liso. Un escariador de múltiples filos elimina una fina capa de material y deja un orificio limpio y redondo. Juntos, estos dos pasos sientan las bases para un correcto asiento del cojinete.
Rectificado y bruñido
El rectificado se utiliza cuando el orificio requiere un acabado aún más fino. Una muela abrasiva gira contra la superficie del orificio y elimina pequeñas cantidades de material. El resultado es una superficie muy lisa con un control dimensional preciso. El bruñido va un paso más allá. Una herramienta de bruñido utiliza piedras abrasivas para pulir el orificio y corregir pequeñas imperfecciones de forma. Este proceso mejora la redondez y la rectitud. Para una carcasa de articulación de exoesqueleto que experimenta movimiento constante, estos pasos son importantes. Reducen la fricción y prolongan la vida útil del rodamiento.
Requisitos de precisión para los asientos de los cojinetes
Diámetro del orificio y redondez
La tolerancia del diámetro del orificio determina el ajuste del rodamiento. Si hay demasiada holgura, el rodamiento vibrará; si hay muy poca, se atascará. La redondez evita que la pista del rodamiento se deforme bajo carga. Un orificio ovalado comprime el rodamiento en ciertos puntos, lo que provoca una presión desigual y una falla prematura. La precisión requerida en este caso es una de las más estrictas de toda la carcasa.
Coaxialidad y perpendicularidad
La coaxialidad garantiza que dos o más orificios compartan el mismo eje central. En una unión con cojinetes a ambos lados, la desalineación provoca que el eje se doble, lo que genera una carga desigual en los cojinetes. La perpendicularidad mantiene el orificio perpendicular a la superficie de montaje. Si el orificio se inclina, el cojinete soporta una carga axial para la que no fue diseñado. Ambas características protegen tanto el cojinete como el eje, y además aseguran que la unión funcione correctamente durante miles de ciclos.
Materiales para asientos de cojinetes
La elección del material para los asientos de los cojinetes depende de la carga, la velocidad y la lubricación. A continuación, se comparan las opciones más comunes:
| Material | Caracteristicas | Temperatura máxima de servicio |
| PTFE virgen | Alta resistencia química y eficiencia operativa | 200 ℃ |
| HYPATITE® PTFE | Menor permeabilidad del monómero y mayor resistencia a la compresión y a la deformación que otros materiales de PTFE. | 260 ℃ / 270 ℃ |
| PTFE con relleno de carbono | Excelente resistencia al calor y a la abrasión. | 260 ℃ / 270 ℃ |
| FILLTITE® | Máxima resistencia al calor entre los materiales a base de PTFE. | 300 ℃ |
| Grafito | Excelente para servicio a altas temperaturas. | 500 ℃ |
| Metal | Excelente para servicio a altas temperaturas y abrasivos. | 500 ℃ / 525 ℃ |
| OJEADA | Mayor resistencia al calor y resistencia mecánica. | 270 ℃ |
| PTFE reforzado con fibra de vidrio y MoS2 | Mayor resistencia a la abrasión y eficiencia operativa. | 230 ℃ |
| Nylon con MoS2 | Mayor resistencia mecánica | 140 ℃ |
Insertos de acero endurecido
Los insertos de acero endurecido soportan las cargas más pesadas. Resisten el desgaste y mantienen su forma bajo presión. Al fabricar un asiento de cojinete con acero endurecido, el orificio permanece intacto incluso después de millones de ciclos. Estos insertos se insertan a presión en la carcasa o se atornillan. De esta forma, el material de la carcasa puede ser más ligero y económico. Este diseño dividido ahorra peso sin sacrificar resistencia.
Aleaciones de bronce y latón
Las aleaciones de bronce y latón ofrecen un buen comportamiento como cojinetes. Son ideales para el contacto con movimiento. Bujes, manguitos, placas de desgaste y piezas deslizantes suelen utilizar estos grados. El bronce C93200 es una opción común para este tipo de aplicaciones. Ofrece un buen comportamiento como cojinete y soporta bien el contacto con movimiento. Además, estas aleaciones resisten mejor la corrosión que el acero en ciertos entornos. Son más económicas que el acero templado y se mecanizan con facilidad.
Plásticos de ingeniería PEEK y PTFE
El PEEK y sus compuestos rellenos, especialmente aquellos que contienen PTFE, fibra de carbono o rellenos de bronce, presentan baja fricción y buena resistencia al desgaste. No requieren la lubricación que exige el contacto metal con metal. Esto convierte al PEEK en un sustituto común del bronce, el latón y el acero endurecido en bujes, cojinetes, engranajes y placas de desgaste. Funciona bien en aplicaciones donde la lubricación es impracticable, está prohibida o presenta riesgos de contaminación. Los compuestos de PEEK de grado cojinete rellenos con PTFE y grafito o fibra de carbono funcionan en seco contra ejes metálicos. Su rendimiento en cuanto a fricción y desgaste es comparable al de los bujes de bronce. Además, evitan los problemas de corrosión y retención de lubricante del bronce en entornos de lavado o exposición a productos químicos. Para la carcasa de una articulación de exoesqueleto utilizada en salas blancas o entornos médicos, esto es de suma importancia. Las propiedades mecánicas del PEEK se mantienen bien bajo movimiento repetido. El PTFE proporciona una fricción aún menor, pero menor resistencia. Los ingenieros suelen combinar ambos para lograr un equilibrio en el rendimiento.
Desde un punto de vista práctico, el asiento del cojinete determina las características de la articulación. Un asiento bien fabricado con el material adecuado garantiza el buen funcionamiento de la carcasa de la articulación del exoesqueleto durante años. Uno de mala calidad falla prematuramente y daña el cojinete. El cojinete interno depende de este asiento para su alineación y soporte. Si el orificio es correcto, los cojinetes cumplen su función. Si es incorrecto, ninguna precisión adicional en otras partes salvará la articulación. La misma lógica se aplica a cada cojinete del conjunto. Cada uno necesita un asiento que se ajuste a su tolerancia y perfil de carga. Por eso, el trabajo en el asiento del cojinete merece tanta atención como en la carcasa principal.
Soportes del actuador y del motor en una carcasa de articulación de exoesqueleto
Las articulaciones de los exoesqueletos de las extremidades inferiores admiten distintos tipos de motores dentro de su carcasa. Los motores BLDC sin marco se utilizan en las articulaciones del codo, la rodilla y la muñeca. Los ingenieros también emplean motores con reductores de engranajes, motores con cables Bowden, actuadores neumáticos y actuadores elásticos en serie. Los motores de engranajes planetarios de alto par, los accionamientos cuasi-directos y los accionamientos de alta relación con engranajes armónicos completan la lista. Cada tipo de actuador requiere un soporte que alinee el rotor con precisión con el sistema de transmisión. Un soporte desalineado desperdicia energía y provoca un rápido desgaste de las piezas.
Procesos de fabricación de soportes para actuadores
Fresado y taladrado CNC
El mecanizado CNC se encarga de las placas del actuador. Cuatro placas independientes se mecanizan en la máquina CNC. El acoplamiento de acero entre el motor y la caja de engranajes se tornea y se refrenta en el torno, y luego se taladra y se avellana en la fresadora. El eje del codificador sigue los mismos pasos: se tornea en el torno y se taladra en la fresadora. Los acoplamientos entre el actuador y la pata del actuador están hechos de aluminio, se tornean en el torno y se taladran en la fresadora. Estas operaciones controlan la alineación de los orificios de los pernos con el centro del orificio.
Fabricación y soldadura de chapa metálica
El uso de chapa metálica reduce el costo de las piezas del bastidor que no soportan cargas pesadas. La mayoría de las piezas son de chapa de aluminio delgada. El trabajo consiste en cortar o taladrar la chapa. Para la pieza crítica del eje del codificador, un torno es la mejor opción. La impresión 3D de alta resolución también funciona para prototipos. La soldadura une las piezas para formar un subchasis que se atornilla a la carcasa.
Requisitos de precisión para soportes de actuadores
Tolerancia de posición del orificio
Los soportes del motor requieren una posición precisa de los orificios en el patrón de pernos. Las tolerancias de posición exacta evitan que los pernos descentren el motor. Una máquina de medición por coordenadas (CMM) o una verificación con pasadores aseguran la alineación de los orificios. El éxito del montaje depende de la aplicación de tolerancias geométricas (GD&T) a estas características. Incluya siempre la planitud, la perpendicularidad y la posición exacta en los planos de montaje del actuador. Sin estas indicaciones, el soporte provocará vibraciones desde el primer día.
Planitud y alineación angular
La planitud de la superficie de montaje impide que el motor se incline. El orificio guía y el patrón de los pernos se verifican con respecto a la misma superficie de referencia. Esta verificación detecta la inclinación antes de que el motor se atornille.
La posición de los orificios por sí sola no garantiza la alineación angular. Un pequeño error de perpendicularidad en la base del soporte se traduce en una desviación mayor a la altura de trabajo del motor. Las tolerancias de perpendicularidad y posición real, vinculadas a referencias funcionales, controlan con precisión dicha alineación. Los pasadores de centrado o las guías mecanizadas proporcionan la alta precisión necesaria. Los orificios de holgura no pueden soportar las cargas dinámicas de un motor en funcionamiento.
Materiales para soportes de actuadores
La selección de materiales depende de la carga, el peso y el entorno.
Acero Inoxidable
El acero inoxidable ofrece resistencia a la corrosión y robustez. Soporta cargas elevadas generadas por actuadores potentes. Su principal desventaja es el peso. Para una articulación de la extremidad inferior, donde la durabilidad prima sobre el peso, el acero inoxidable es una excelente opción.
Aleaciones de aluminio
Las aleaciones de aluminio ofrecen un equilibrio entre resistencia y ligereza. Se mecanizan rápidamente y son más económicas que el acero inoxidable. Para soportes que soportan cargas moderadas, el aluminio es el material estándar. Las mismas aleaciones utilizadas en la carcasa principal —6061 y 7075— funcionan bien en este caso. Sus propiedades se ajustan al rango de carga.
Nylon relleno de vidrio
El nailon reforzado con fibra de vidrio ofrece buenas propiedades mecánicas con un peso menor que el metal. Soporta cargas moderadas y resiste la deformación por fluencia bajo tensión repetida. Este material es ideal para uniones ligeras donde cada gramo cuenta. El moldeo por inyección permite una producción rápida.
La precisión es fundamental para la integridad del soporte. Un motor descentrado vibra, desgasta los rodamientos y consume energía. El soporte debe cumplir las mismas exigencias que la carcasa principal: mantener la posición, resistir cargas y soportar miles de ciclos. Algunos diseños avanzados incorporan placas que se conectan con el sistema de transmisión, lo que hace que la alineación del soporte sea aún más crucial. El soporte debe mantener alineados los ejes del motor y del sistema de transmisión. Los ingenieros realizan análisis de elementos finitos (FEM) del diseño del soporte para verificar las trayectorias de tensión y confirmar su rigidez. La resistencia del soporte depende del material, la geometría y la forma en que las soldaduras o los sujetadores se integran al resto del conjunto. Esta capacidad determina si el soporte soporta condiciones extremas y miles de ciclos.
Soportes para sensores en una carcasa de articulación de exoesqueleto
Los soportes de los sensores y los encoders dentro de la carcasa de una articulación del exoesqueleto requieren alta repetibilidad y estabilidad térmica. ¿Por qué? La tolerancia de montaje determina qué parte de la resolución especificada de un encoder permanece utilizable después de la instalación. Si el montaje no es repetible, los bits de menor resolución pueden volverse inestables. Los ingenieros solucionan esto mediante calces, microalineación, recalibración o filtrado. La estabilidad térmica es igualmente importante. Los diferentes materiales se expanden a ritmos distintos, por lo que el objetivo de detección, el estator, la carcasa o el eje pueden desplazarse entre sí. Incluso un pequeño movimiento perjudica la calidad de la señal. Este problema es más grave en diseños de encoders de eje hueco, de perfil bajo o sin marco, donde la relación rotor-estator depende del conjunto mecánico. Un sistema alineado a temperatura ambiente puede perder la geometría de señal correcta después de la expansión térmica, los cambios en la precarga de los rodamientos o la deflexión estructural.
Procesos de fabricación de soportes para sensores
Mecanizado CNC para piezas pequeñas
El mecanizado CNC permite trabajar con los detalles minúsculos que requieren los soportes de sensores. Las pequeñas cavidades, ranuras y orificios de montaje necesitan herramientas afiladas y cortes precisos. Un operario puede mantener una posición firme en estas características sin necesidad de herramientas especiales. Para volúmenes bajos y medios, este método ofrece la máxima precisión. El aluminio con tratamiento térmico de alivio de tensiones es un material de partida común, ya que se mantiene estable tras el mecanizado.
Moldeo por inyección para alto volumen
El moldeo por inyección se impone cuando aumenta la producción. Un molde de acero forma el soporte en una sola operación, y los tiempos de ciclo se reducen a segundos. La desventaja es el costo inicial de las herramientas. La impresión también funciona para prototipos, permitiendo a los ingenieros probar el ajuste antes de decidirse por un molde. Para grandes volúmenes, el moldeo resulta más económico por pieza.
Requisitos de precisión para los soportes de sensores
La colocación de los orificios de montaje debe ser precisa para garantizar la repetibilidad. La orientación del sensor y la planitud de la superficie deben controlarse con tolerancias estrictas para mantener la calidad de la señal. La repetibilidad de las dimensiones garantiza que el montaje se mantenga uniforme tras su desmontaje y reinstalación. La estabilidad térmica mantiene el sensor alineado a medida que la junta se calienta. Un soporte que se dilata o se tuerce con la temperatura altera la lectura. Tanto la elección del material como la geometría influyen en este aspecto.
Materiales para soportes de sensores
La selección de materiales busca un equilibrio entre peso, resistencia y costo. Entre las opciones más comunes se encuentran el aluminio con tratamiento térmico para mayor precisión y estabilidad, así como otros metales y polímeros para aplicaciones que requieren un peso optimizado. Para piezas metálicas ligeras se utilizan materiales de fundición a presión, como aleaciones de aluminio y magnesio. Los materiales para moldeo por inyección incluyen plásticos de ingeniería.
Aleaciones de Aluminio y Magnesio
Las aleaciones de aluminio y magnesio ofrecen buenas propiedades mecánicas con poco peso. El magnesio es más ligero, pero se corroe con mayor facilidad. El aluminio ofrece un mejor equilibrio para la mayoría de los soportes.
ABS y policarbonato
El ABS y el policarbonato funcionan bien para soportes moldeados. El ABS ofrece buena resistencia al impacto a bajo costo. El policarbonato aporta resistencia y transparencia. Ambos son adecuados para cargas moderadas.
PEEK para altas temperaturas
El PEEK soporta altas temperaturas donde otros plásticos fallan. Mantiene su resistencia y rigidez incluso cuando la unión se calienta. Su coste es mayor, por lo que resulta adecuado para aplicaciones exigentes.
Sellado y retención en una carcasa de articulación de exoesqueleto
Los sellos y retenedores funcionan como el sistema inmunitario de la carcasa de una articulación de exoesqueleto. Impiden la entrada de polvo, agua y suciedad. Sin ellos, los rodamientos se oxidan, los sensores pierden precisión y los actuadores fallan prematuramente. Un buen sello también mantiene el lubricante en su lugar. Las piezas de retención mantienen todo unido. Evitan que los sellos se salgan y que los rodamientos se desplacen.
Procesos de fabricación de sellos y retenedores
Los sellos y retenedores se fabrican mediante procesos de moldeo o mecanizado, según el material y el volumen. El moldeo por compresión es común para los sellos elastoméricos, mientras que el torneado CNC se utiliza para los anillos de retención.
Moldeo por compresión para juntas elastoméricas
El moldeo por compresión da forma a los sellos de goma mediante calor y presión. Se coloca una pieza de goma en un molde caliente. El molde se cierra y la goma se expande para llenar la forma. Tras el endurecimiento, el sello adquiere la forma correcta. Este proceso funciona para juntas tóricas, empaquetaduras y sellos labiales personalizados. Permite producir grandes volúmenes con eficacia y mantiene los costos de las herramientas a un nivel razonable.
Torneado CNC para anillos de retención
El torneado CNC permite fabricar anillos de retención a partir de metal o plástico. Un torno corta la forma, las ranuras y los bordes del anillo en un solo paso. Para los anillos de presión y los anillos espirales, el torneado crea la forma básica. Pasos adicionales cortan la ranura o el hueco. El torneado ofrece un control preciso sobre el grosor y el diámetro del anillo. Este control es fundamental para que el anillo encaje en la ranura con la fuerza adecuada.
Requisitos de precisión para sellos y retenedores
Dimensiones de la ranura y acabado de la superficie
Las dimensiones de la ranura determinan la eficacia de un sello. Una ranura demasiado profunda permite que el sello se mueva, mientras que una ranura demasiado superficial lo comprime en exceso. Ambos problemas provocan fugas. El acabado superficial dentro de la ranura también es importante. Una ranura rugosa daña el labio del sello durante la instalación, mientras que una ranura lisa permite que el sello se deslice sin dañarse. La misma lógica se aplica a las ranuras del anillo de retención. Una ranura rugosa puede generar tensiones que agrieten el anillo.
Tolerancias de ajuste de interferencia
Los ajustes por interferencia mantienen los retenedores y sellos en su lugar sin necesidad de tornillos ni pernos. La parte exterior es ligeramente más grande que la interior. Al presionarlas, se crea un agarre. Una interferencia excesiva puede agrietar la carcasa, mientras que una interferencia insuficiente puede provocar que la pieza se caiga. Los ingenieros calculan la cantidad adecuada en función de los materiales y la carga. En el caso de la carcasa de una articulación de exoesqueleto, la vibración hace que este ajuste sea aún más importante. Un retenedor suelto puede vibrar y desprenderse al caminar.
Materiales para sellos y retenedores
La elección del material busca un equilibrio entre flexibilidad, resistencia química y resistencia mecánica. Los materiales comunes para los sellos incluyen elastómeros; los retenedores suelen utilizar metales o plásticos.
Caucho de nitrilo y Viton
El caucho de nitrilo funciona bien con aceites y grasas. Es más económico que el Viton. El Viton soporta temperaturas más altas y productos químicos más fuertes. Para juntas expuestas a limpiadores o temperaturas muy elevadas, el Viton es más seguro. La desventaja es el precio.
Anillos de retención de acero inoxidable
Los anillos de acero inoxidable poseen alta resistencia y son resistentes a la corrosión. Soportan vibraciones y montajes repetidos. El material conserva mejor su forma que los anillos de plástico. Para cargas pesadas, el acero inoxidable es la opción estándar.
PTFE y UHMWPE
El PTFE tiene baja fricción y resiste productos químicos. El UHMWPE tiene alta resistencia al desgaste. Ambos funcionan bien como anillos de respaldo o piezas de desgaste. Protegen el sello principal para que no se salga ni se dañe. En una carcasa de articulación de exoesqueleto, estos materiales hacen que la articulación dure más. Los ingenieros suelen realizar análisis FEM para comprobar cómo se comportan los sellos y retenedores bajo carga. La resistencia del sistema de retención depende del material, la forma y el ajuste. Un retenedor débil falla antes que el sello. Esa falla permite la entrada de suciedad y también daña los rodamientos. Lo mismo se aplica a cada rodamiento del conjunto. Cada uno necesita un sello y un retenedor que coincidan con su tolerancia y perfil de carga. En la práctica, el sellado y la retención merecen tanta atención como la carcasa principal. Un sello barato puede arruinar una articulación costosa.
Mecanizado para una carcasa de articulación de exoesqueleto
Existen diversas maneras de fabricar la carcasa de una articulación de exoesqueleto. Se puede utilizar mecanizado CNC convencional y moldeo por inyección, así como fabricación aditiva. Cada método ofrece distintos niveles de precisión y opciones de forma. La mejor opción depende de la cantidad necesaria, el presupuesto y el rendimiento deseado. Empresas como NOBLE, una de las principales empresas de fabricación en China, ofrecen todas estas opciones en un solo lugar. Su experiencia en mecanizado permite a los clientes pasar del prototipo a la producción en serie sin necesidad de cambiar de proveedor.
Procesos sustractivos
Mecanizado CNC de 3 ejes y 5 ejes
El mecanizado CNC de tres ejes permite crear formas básicas. La herramienta se mueve en los ejes X, Y y Z mientras la pieza permanece fija. Es ideal para soportes sencillos y superficies planas. El mecanizado de cinco ejes incorpora dos ejes de torneado. La herramienta puede alcanzar socavados y superficies angulares en una sola operación. Esto resulta muy útil para la carcasa de una articulación de exoesqueleto con curvas complejas. Menos operaciones implican mayor precisión. El fresado de cinco ejes es una opción común para carcasas de articulaciones de aluminio personalizadas. Los planes de fresado dinámico facilitan el mecanizado de paredes delgadas al evitar que las secciones delgadas vibren durante el corte.
Operaciones de torneado y torneado-fresado
El torneado permite mecanizar formas redondas en un torno. Los asientos de cojinetes, los orificios de los ejes y las ranuras de los anillos de retención dependen del torneado. La pieza gira mientras la herramienta se desplaza a lo largo de su longitud. Las operaciones de torneado-fresado combinan el torneado y el fresado en una sola máquina. Esto reduce el tiempo de manipulación y mejora la alineación de las formas redondas y planas. El torneado de precisión proporciona la redondez precisa que requieren los asientos de cojinetes.
Tecnología de fabricación aditiva e impresión 3D
Fabricación aditiva de metales
La fabricación aditiva de metales construye piezas a partir de polvo metálico. Un láser funde cada capa y la fusiona con la capa inferior. El resultado es una pieza metálica completamente densa. Esta tecnología funciona bien para canales internos complejos que no se pueden mecanizar. La desventaja es el acabado superficial. Las superficies impresas requieren mecanizado posterior para los asientos de los cojinetes y las ranuras de sellado.
Deposición de energía dirigida
La deposición de energía dirigida (DED) introduce polvo o alambre metálico en un rayo láser. El material se funde al entrar en contacto con la pieza. La DED es ideal para añadir características o reparar zonas desgastadas. Es menos común para carcasas completas, pero resulta útil para la fabricación híbrida. Se mecaniza una carcasa básica y se le añaden elementos impresos sobre ella.
La modelización por deposición fundida (FDM) también desempeña un papel importante, sobre todo en las primeras etapas del desarrollo. La FDM construye piezas a partir de filamento fundido en capas. Estos elementos impresos en 3D son ideales para prototipos y piezas de baja tensión. La FDM ofrece a los ingenieros una forma rápida de comprobar el ajuste y la forma. Estos elementos impresos en 3D, capaces de soportar carga, sirven como piezas de prueba funcionales. Permiten comprobar la holgura y el ensamblaje antes de mecanizar el metal. La modelización por deposición fundida ofrece una forma fiable de probar diseños sin tener que esperar a la fabricación de las herramientas.
Procesos de conformado y moldeo
Fundición de inversiones
La fundición a la cera perdida comienza con un modelo de cera. Este modelo se recubre con cerámica. Una vez que la cerámica se endurece, la cera se derrite. El metal rellena el espacio vacío resultante. Este proceso permite obtener formas internas complejas que no se pueden lograr con el mecanizado. El acabado superficial y la precisión se sitúan entre la impresión y la fundición.
Moldeo por inyección
El moldeo por inyección fuerza el plástico fundido dentro de un molde de acero. Es un proceso rápido, con ciclos de producción inferiores a un minuto. El coste inicial de las herramientas es elevado, pero el coste por pieza disminuye con el volumen de producción. Para la fabricación de carcasas de articulaciones de exoesqueletos en grandes volúmenes, el moldeo es la mejor opción. Este proceso garantiza dimensiones uniformes en miles de piezas. NOBLE reúne todos estos métodos en un único proveedor. Esto significa que puede crear prototipos mediante impresión, validar mediante fundición y escalar mediante moldeo o mecanizado.
Consideraciones de diseño para una carcasa de articulación de exoesqueleto
La carcasa de una articulación de exoesqueleto debe soportar cargas sin doblarse. Además, debe ser ligera. Cada gramo adicional implica que los motores trabajen más. Los ingenieros buscan el equilibrio entre estas dos exigencias en cada etapa del proceso.
Integridad estructural y optimización del peso
Optimización topológica y nervaduras
La optimización topológica determina dónde se necesita más material. El software parte de un bloque de material y elimina todo lo que no soporta tensión. Lo que queda se asemeja a una estructura natural, delgada y eficiente. El refuerzo con nervaduras añade rigidez a las paredes delgadas. Las nervaduras colocadas a lo largo de las trayectorias de carga evitan que las paredes se deformen. Un buen patrón de nervaduras puede aumentar significativamente la rigidez de la carcasa. La resistencia de toda la carcasa depende de cómo se conectan las nervaduras a los soportes de los cojinetes y las bases de montaje.
Validación mediante análisis de elementos finitos
El análisis de elementos finitos verifica el diseño antes del mecanizado. Los ingenieros crean una malla de pequeños elementos en la pieza, aplicando cargas y restricciones. El software calcula la tensión y la deflexión en cada punto, detectando las zonas débiles con antelación. Para las piezas de fibra de carbono, se utiliza un modelo de material ortotrópico que considera diferentes valores de rigidez en distintas direcciones. El método de elementos finitos ayuda a comparar las opciones. Al realizar el mismo análisis en aluminio, titanio y fibra de carbono, se observa qué material soporta mejor la carga. Este método también valida la ubicación de las nervaduras. Los resultados del análisis FEM guían la elección de la forma final y el material.
Gestión térmica y resistencia al desgaste
Vías de disipación de calor
El calor proviene de varias fuentes dentro de la carcasa. Los actuadores y motores generan calor durante su uso. Los componentes electrónicos internos añaden más calor. El calor corporal del usuario lo agrava. Los puntos de contacto de las articulaciones se calientan debido a la fricción y la tensión. La ventilación limitada alrededor de la articulación atrapa ese calor. Las capas aislantes del acolchado impiden la disipación del calor. La humedad del sudor reduce la refrigeración y causa irritación en la piel. El funcionamiento dinámico crea cargas térmicas variables. Los ingenieros diseñan vías para que el calor fluya hacia afuera. Utilizan aletas, almohadillas conductoras y canales de flujo de aire para alejar el calor de las partes sensibles.
Tratamientos Superficiales y Recubrimientos
Las carcasas exteriores utilizan plástico ABS, fibra de carbono o aleaciones de aluminio. Cada material conduce y aísla el calor de manera diferente. Las capas internas de contacto emplean espuma viscoelástica y malla. Estos materiales protegen al usuario, pero también retienen el calor. Los polímeros orgánicos combinados con tejidos mejoran el aislamiento térmico. Este mayor aislamiento modifica la respuesta térmica de toda la articulación. Los recubrimientos, como el anodizado duro en el aluminio, añaden una capa resistente al desgaste. Mejoran la resistencia a la corrosión para uso médico o en exteriores.
Accesibilidad para montaje y mantenimiento
Diseño modular para reemplazo en campo
El diseño modular permite a un técnico reemplazar rápidamente una carcasa dañada. Los sujetadores y conectores estándar reducen el tiempo de inactividad. La unión modular debe tener la misma resistencia que el diseño original. Las pruebas demuestran que la conexión resiste cargas repetidas. Este enfoque también facilita las actualizaciones. Un actuador más moderno puede instalarse en la misma carcasa.
Gestión de acumulación de tolerancias
Las tolerancias se acumulan en el conjunto. Un orificio de eje en su límite superior con un cojinete en su límite inferior crea un ajuste holgado. Este ajuste holgado provoca vibraciones y ruido. El análisis de acumulación de tolerancias predice la holgura máxima. Los ingenieros ajustan las tolerancias individuales para mantener el conjunto final dentro de las especificaciones. La precisión de la unión final depende de la gestión de estas acumulaciones. La resistencia de las uniones atornilladas depende de la precarga correcta. Un perno flojo reduce la resistencia de la conexión. Un perno apretado daña las roscas. Una buena gestión de las acumulaciones garantiza el correcto funcionamiento de cada elemento de fijación.
Materiales comúnmente utilizados para la carcasa de una articulación de exoesqueleto
Los materiales utilizados en la carcasa de las articulaciones de un exoesqueleto son muy variados. Entre los más comunes se encuentran las aleaciones de aluminio y el acero, debido a su alta relación resistencia-peso y resistencia a la fatiga. También se emplean polímeros como el ABS, principalmente en prototipos impresos en 3D. Cada material presenta ventajas e inconvenientes diferentes.
Metales
Aluminio 6061-T6 y 7075-T6
Las aleaciones de aluminio 6061-T6 y 7075-T6 son dos de las más comunes para carcasas de juntas. Se mecanizan bien y ofrecen buena resistencia. Sin embargo, difieren en aspectos clave. He aquí una comparación:
| Propiedad | 6061‑T6 | 7075-T6 / 7075-T651 |
| Resistencia a la tracción | 276 MPa | 503 MPa |
| Resistencia a la fatiga | 96 MPa | 160 MPa |
| Modulos elasticos | 71.0 GPa | 71.7 GPa |
| Resistencia a la Corrosión: | Película de óxido de Al₂O₃ autopasivante (estable) | Contiene entre un 1.2 % y un 2.0 % de cobre; requiere recubrimiento. |
| Requisito de recubrimiento | No apto para entornos hostiles | Debe estar pasivado o recubierto. |
El cambio de 6061 a 7075 reduce el área de sección transversal en aproximadamente un 45 % para la misma carga de tracción. Sin embargo, la rigidez se mantiene prácticamente igual. Si el pandeo controla el diseño, el 7075 no ofrece ninguna ventaja. Para uso de alto ciclo, el 7075 o la fibra de carbono son la mejor opción. Los recubrimientos multicapa termoestables o anodizados avanzados sellan las microporosidades en el 7075-T6. Estos recubrimientos detienen el agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por la humedad bajo carga cíclica de alta frecuencia más allá de 10 millones de ciclos de marcha. Las superficies anodizadas duras selladas también resisten más de 2,000 horas de prueba de niebla salina sin picaduras.
Titanio Ti-6Al-4V
El titanio Ti-6Al-4V es más resistente que ambas aleaciones de aluminio y más ligero que el acero. Soporta bien el calor y la corrosión. Se utiliza frecuentemente en exoesqueletos médicos debido a su compatibilidad con el cuerpo humano. La desventaja radica en su coste y la dificultad de su mecanizado. El titanio dificulta el trabajo de la herramienta de corte y su precio por libra es más elevado. Sin embargo, para aplicaciones donde el peso y la resistencia a la corrosión son cruciales, cubre una necesidad que el aluminio no puede satisfacer.
Acero Inoxidable 17-4 PH
El acero inoxidable 17-4 PH se utiliza en componentes de alta resistencia al desgaste, como carcasas de cojinetes, pasadores de articulación y puntos de pivote. Es pesado, pero resistente y económico. Algunos exoesqueletos pasivos emplean acero para muelles para el almacenamiento de energía elástica. Las aleaciones especiales soportan cargas cíclicas extremas. Si bien el acero no es la primera opción para diseños donde el peso es un factor crítico, su durabilidad es una excelente alternativa.
Polímeros y compuestos
PEEK y PEI
El PEEK y el PEI (comercializado como Ultem) son plásticos de ingeniería que se utilizan para casquillos de articulación y superficies de apoyo. Resisten el desgaste sin necesidad de lubricación, lo que reduce el peso y el coste. Además, se pueden moldear en formas que serían costosas de mecanizar en aluminio. Para la carcasa de una articulación de exoesqueleto, estos plásticos funcionan bien en aplicaciones donde la lubricación no es práctica.
Compuestos de fibra de carbono y fibra de vidrio
Los polímeros reforzados con fibra de carbono tienen una excelente relación resistencia-peso. Sin embargo, son frágiles y se dañan fácilmente por impacto. Los materiales de la matriz se degradan bajo la luz ultravioleta, los cambios de temperatura y la humedad, lo que provoca delaminación y pérdida de resistencia. Los compuestos de fibra de vidrio son más económicos, pero más pesados. Ambos requieren un diseño cuidadoso para evitar fallas repentinas.
PLA y ABS para prototipos impresos en 3D
Para los prototipos iniciales, el ABS y el PLA son materiales comunes. Los ingenieros utilizan la modelización por deposición fundida (FDM) para imprimir estas piezas rápidamente. El filamento de polímero se alimenta a través de una boquilla calentada y se acumula en capas. Estos elementos impresos en 3D, que soportan carga, son ideales para comprobar el ajuste y la holgura. No están diseñados para la producción final, pero la modelización por deposición fundida permite probar formas rápidamente. Los ingenieros recurren a la impresión 3D por su velocidad y bajo coste. Las propiedades del material de estas piezas impresas son suficientemente buenas para la creación de prototipos. Por eso, imprimir con ABS es tan común en las primeras etapas.
Criterios de selección y compensaciones entre fortalezas
Relación fuerza-peso
Existe una disyuntiva fundamental entre resistencia, peso y durabilidad. Las aleaciones de aluminio son ligeras, pero tienden a fallar bajo cargas repetidas. El acero ofrece mayor resistencia, pero añade peso, lo que reduce la duración de la batería y la comodidad del usuario. Los compuestos de fibra de carbono tienen una excelente relación resistencia-peso, pero sus fallos son difíciles de predecir.
Costo y maquinabilidad
El costo y el volumen de producción determinan la elección de materiales. El 6061 es económico y fácil de conseguir. La fibra de carbono es costosa y su producción es lenta. Para producciones de bajo volumen, se prefiere el metal mecanizado. Para producciones de alto volumen, el plástico moldeado por inyección es más adecuado. La maquinabilidad también es importante. El aluminio se mecaniza rápidamente. El titanio desgasta las herramientas.
Resistencia a la corrosión y a la fatiga
La resistencia a la corrosión mantiene la unión funcionando en condiciones extremas. El aluminio 6061 forma una capa de óxido estable por sí solo. El 7075 necesita recubrimiento debido a su contenido de cobre. La resistencia a la fatiga es igualmente crítica. El aluminio 6061-T6 tiene una resistencia a la fatiga de 96 MPa. El 7075-T6 alcanza los 160 MPa. Para uso de alto ciclo, el 7075 o la fibra de carbono son superiores. Los propios mecanismos de unión suelen ser el punto de fallo. Los rodamientos de bolas y los casquillos normales se desgastan rápidamente bajo cargas de alta frecuencia. Un rodamiento dentro de la carcasa se enfrenta a las mismas necesidades. Los rodamientos deben soportar ciclos repetidos sin desgastarse. La falta de materiales autolubricantes eficaces aumenta las necesidades de mantenimiento. Los ingenieros consideran propiedades mecánicas como la resistencia a la fatiga al elegir un material. La resistencia de todo el conjunto depende de la elección correcta. También realizan análisis mediante el método de elementos finitos para comprobar el comportamiento bajo carga. Las propiedades del material guían cada decisión. Elegir el material adecuado determina entre una unión duradera y una que falla prematuramente.
Experiencia de NOBLE en la fabricación de exoesqueletos para la fijación de articulaciones
NOBLE es un socio fabricante que trabaja con metal y plástico. Fabricamos componentes para las articulaciones de exoesqueletos destinados a equipos que requieren tolerancias estrictas y una calidad constante. Nuestro taller trabaja tanto con metal como con plástico. Esta combinación es fundamental, ya que la articulación rara vez se fabrica con un solo material.
Capacidades de procesamiento de metales y plásticos
Mecanizado CNC, fundición y moldeo por inyección
Realizamos mecanizado CNC, fundición y moldeo por inyección en un mismo lugar. Esto significa que puede obtener una carcasa de aluminio mecanizada, un soporte de actuador fundido y un soporte de sensor moldeado, todo de nosotros. Evite las disputas que surgen cuando tres proveedores se culpan mutuamente. Para piezas de plástico, moldeamos ABS y otros grados de ingeniería. También ofrecemos impresión para ajustes y utillajes iniciales. Si necesita un prototipo rápido antes de la fabricación de utillaje, la impresión le proporciona la pieza rápidamente.
Servicios de diseño, creación de prototipos y ensamblaje
Nuestro equipo le ayuda con el diseño, la creación de prototipos y el ensamblaje. Revisamos sus planos, identificamos las características difíciles de mecanizar y sugerimos cambios para reducir costos. A continuación, creamos los prototipos y luego procedemos al ensamblaje completo. Instalamos los asientos de los cojinetes, colocamos los anillos de retención y verificamos los ajustes antes del envío. La resistencia de la unidad final depende de estos pasos, por lo que consideramos el ensamblaje como parte integral de la producción, no como un proceso posterior.
Certificaciones y pruebas de calidad
Contamos con certificaciones relevantes en gestión de calidad, incluidas las de dispositivos médicos. Estas certificaciones no son meros adornos; influyen en cómo documentamos el trabajo, capacitamos al personal y gestionamos las modificaciones.
Protocolos completos de trazabilidad e inspección
Cada lote se puede rastrear hasta su certificado de material y registro de máquina. Inspeccionamos el material entrante, las características en proceso y las piezas terminadas. Las comprobaciones con CMM confirman el diámetro del orificio, la posición del mismo y la planitud. Si una dimensión se desvía, la detectamos antes de que se convierta en un problema de acumulación. Esta disciplina protege la resistencia de cada unión y la solidez de su cronograma.
Del diseño al montaje
Soporte de ingeniería colaborativa
Trabajamos como una extensión de su equipo de ingeniería. Envíenos un modelo y le diremos qué maquinaria utiliza, cuánto cuesta y dónde podría fallar. Este intercambio constante de información ahorra ciclos de revisión.
Producción y pruebas de principio a fin
Desde la primera muestra hasta la producción en serie, nos encargamos del mecanizado, el moldeo, el acabado y las pruebas. Con nosotros, usted tendrá un único socio, un único sistema de calidad y un único punto de contacto. Esa es la esencia de NOBLE.
Cada carcasa de articulación de exoesqueleto se compone de las mismas piezas básicas: la carcasa principal, los asientos de los cojinetes, los soportes del actuador y del motor, los soportes de los sensores y los componentes de sellado y retención. Cada una tiene su propio proceso de fabricación, especificaciones de precisión y opciones de materiales. Estas opciones deben ajustarse a la carga, el peso y el entorno al que estará expuesta la articulación.
El mecanizado, la fundición, el moldeo y la impresión 3D desempeñan un papel fundamental. Lo mismo ocurre con la selección del material, que busca un equilibrio entre resistencia, peso, coste y resistencia a la corrosión. Si la carcasa es la adecuada, la unión funcionará correctamente.
Preguntas frecuentes sobre la carcasa de las articulaciones del exoesqueleto
¿De qué material está hecha la carcasa de una articulación del exoesqueleto?
Las carcasas de las articulaciones de los exoesqueletos suelen estar fabricadas con aleaciones de aluminio como la 6061-T6. El titanio Ti-6Al-4V se utiliza en entornos médicos o corrosivos. Los polímeros reforzados con fibra de carbono ofrecen la mejor relación resistencia-peso. El PEEK es adecuado para casquillos y superficies de apoyo. La elección depende de la carga, el peso y el entorno.
¿Por qué es tan importante la precisión del asiento del rodamiento?
Si el orificio es holgado, el rodamiento puede girar sobre su propio eje. Si es demasiado ajustado, la pista se aplasta. En ambos casos, la unión pierde energía y se desgasta rápidamente. El diámetro del orificio, la redondez, la coaxialidad y la perpendicularidad protegen el rodamiento. Si se cumplen estas condiciones, la unión funcionará sin problemas durante miles de ciclos.
¿Es posible imprimir en 3D la carcasa de una articulación de exoesqueleto?
Se pueden imprimir prototipos, pero las piezas impresas no son tan resistentes como las de metal forjado. La modelización por deposición fundida (FDM) es ideal para comprobar el ajuste y la holgura en las primeras etapas. La fabricación aditiva de metales permite crear piezas metálicas densas con canales internos complejos. Estas piezas aún requieren mecanizado después de la impresión para los asientos de los cojinetes y las ranuras de sellado.
¿Qué tolerancias necesitan los soportes de los sensores?
La ubicación de los orificios de montaje, la orientación del sensor, la planitud de la superficie y la repetibilidad deben controlarse rigurosamente. La estabilidad térmica también es importante, ya que los materiales se dilatan a ritmos diferentes.
¿Cómo protegen la junta los sellos y los retenedores?
Los sellos impiden la entrada de polvo, agua y suciedad, además de retener el lubricante. Los retenedores evitan que los sellos se salgan y que los rodamientos se muevan. Los materiales de los sellos se eligen según el entorno; los anillos metálicos resisten bien las vibraciones y el montaje repetido.
¿Qué es la optimización topológica en el diseño de viviendas?
La optimización topológica comienza con un bloque sólido de material. El software elimina todo el material que no soporta tensión. El resultado es una forma delgada y eficiente de aspecto natural. El nervado aumenta la rigidez de las paredes delgadas. Un buen patrón de nervaduras puede incrementar significativamente la rigidez de una carcasa.
¿Por qué el aluminio 7075 necesita un recubrimiento?
El aluminio 7075 contiene cobre, que impide la formación de la capa de óxido natural. Sin esta capa, la humedad puede provocar agrietamiento por corrosión bajo tensión. Un recubrimiento pasivado o anodizado sella la superficie. Las superficies anodizadas duras y selladas pueden soportar más de 2,000 horas de pruebas de niebla salina sin sufrir picaduras.
¿Cuándo conviene elegir el titanio en lugar del aluminio?
El titanio Ti-6Al-4V soporta temperaturas y corrosión superiores a las del aluminio. Además, es biocompatible, lo cual es importante para los exoesqueletos médicos. Sus desventajas son el costo y la dificultad de mecanizado. En articulaciones donde el peso es un factor crítico, especialmente en entornos médicos o de alta exigencia, el titanio ofrece ventajas donde el aluminio no.
