Az exoskeleton piac 2025-re elérte a 850 millió USD-t. Évente 21.4%-kal növekszik. Ez növeli az olyan exoskeleton szerkezeti alkatrészek iránti keresletet, amelyek egyensúlyt teremtenek az erő és a súly között.
A természetben előforduló külső vázak ötleteket adnak. A rákfélék külső vázának réteges kutikula van. A rákfélék kutikula kitint és kalcium-karbonátot tartalmaz. Az epikutikula lezárja a kutikula felszínét. Az exokutikula sűrű kitinnel rendelkezik, ami keménnyé teszi. Az endokutikula rugalmas kitinnel rendelkezik, ami szívóssá teszi. A kitin adja a kutikula szilárdságát. Az exokutikula kitinje ellenáll a kopásnak. Az endokutikula kitinje elnyeli az ütéseket. A kalcium-karbonát keményíti az exokutikult. Az epikutikula kevés kitint tartalmaz. Az exokutikula és az endokutikula alkotja a kutikula nagy részét. Ez a kutikula rendszer egyensúlyban tartja a súlyt és a szilárdságot. A mérnökök a kutikulát tanulmányozzák ötletekért. Az exokutikula megmutatja, hogyan lehet ellenállni a kopásnak. Az endokutikula megmutatja, hogyan kell elnyelni az ütéseket. Az epikutikula megmutatja, hogyan kell lezárni. Ezek a természetes anyagok inspirálják az emberi terveket.
Az emberi külső vázak hasznosítják ezeket a tanulságokat. Az orvosi külső vázak segítik a rehabilitációt. Az ipari külső vázak csökkentik a terhelést.
Ez az útmutató választ ad a kérdéseire. Mely alkatrészek számítanak? Mely anyagok működnek a legjobban? Hogyan készítsük el őket? Olvasson tovább.
Az exoskeleton szerkezeti részeinek fő alkotóelemei
Minden külső váz három fő építőelemre épül. A teherhordó keretek tartják a súlyt. Az ízületek és a működtetők mozgást végeznek. Az ember-gép interfészek összekapcsolják az eszközt a testeddel. Ezek a külső váz szerkezeti részei egyetlen rendszerként működnek együtt. Minden egyes darab megváltoztatja a többi működését.
Teherhordó keretek és alvázak
A váz minden külső váz váza. Ez tartja a hasznos terheket, mozgatja az erőket, és a helyén tartja az összes többi külső váz szerkezeti elemet . A mérnökök a szilárdság, a súly és a költség alapján választják ki az anyagokat. A váz mechanikai tulajdonságai határozzák meg, hogy a felhasználó mekkora terhet tud elbírni elfáradás nélkül.
Alumínium és titán vázszerkezetek
Az olyan alumíniumötvözetek, mint a 7075, magas szilárdság-tömeg arányt biztosítanak. Olcsóbbak, mint a titán, és könnyen megmunkálhatók. A titán korrózióállóságot és hosszú távú tartósságot kínál. Kiemelkedő az izzadságnak, nedvességnek vagy zord környezetnek kitett orvosi és katonai külső vázakban. Mindkét fém jól tűri az ismétlődő terhelést. Egy megmunkált alumínium váz akár néhány kilogrammot is nyomhat. A titán változat nehezebb, de tovább tart a terepen.
Szénszálas kompozit szerkezetek
A szénszálas kompozitok jelentősen csökkentik a súlyt. Nagy merevséget biztosítanak alacsony tömeg mellett. Ez fontos az egész nap viselt külső vázak esetében. A szénszálas tartók és összekötők megjelennek a felső és alsó végtagi eszközökben. A gyanta-szál rétegezés lehetővé teszi a mérnökök számára a merevség különböző irányokba történő hangolását. Egy szénváz az egyik tengelyben meghajolhat, a másikban pedig merev maradhat. Az ilyenfajta kontrollt nehéz elérni csak fémmel.
Csuklók, működtetők és meghajtás
Az illesztések mozgásba hozzák a vázat. Az aktuátorok adják az erőt. Együttesen egy merev szerkezetet működő géppé alakítanak. A tervezési kihívás a motorok, reduktorok, érzékelők és vezetékek elhelyezése a test közelében lévő kis térben.
Mesterséges izmok és motorral hajtott rendszerek
A motoros exoskeletonok villanymotorokat, hidraulikus aktuátorokat vagy pneumatikus rendszereket használnak. Ezek az alkatrészek aktív segítséget nyújtanak. Az érzékelők és a vezérlő algoritmusok érzékelik, hogy mit akar a felhasználó tenni. Ezután koordinálják a motoros segítséget a végtagok mozgásához. Ez összekapcsolja a működtető rendszert az ember-gép interfészekkel. Az eredmény jobb erő és állóképesség ipari, katonai vagy rehabilitációs felhasználásra. A Harvard Wyss Intézete más utat választ. Lágy exoskeletonokat építenek rugalmas textil alapú aktuátorokkal és beépített érzékelőkkel. Rendszereik könnyűek maradnak, és a meglévő mobilitási segédeszközökkel is működnek.
Mozgástartomány artikulációs mechanizmusai
Az aktuátor fizikailag mozgatja az ízületeket, például a csípőt, a térdet, a bokát, a vállat és a könyököt. A motor forgását ízületi sebességgé és nyomatékká alakítja. Egy kompakt meghajtóegység, mint például a BCSA, egy keret nélküli motort és egy cikloid reduktort helyez egy karcsú szerkezetbe. A cikloid reduktor a redukció révén növeli a nyomatékot. Emellett elosztja a terhelést több érintkezési felületen. Ez segít az ízületnek az ismétlődő terhelések és a külső ütések kezelésében járás közben. A méret is számít. Ha a meghajtóegység túl messzire kiáll, az akadályozhatja a közeli szerkezeteket. Ez korlátozza a természetes mozgást. A testhez közel elhelyezett karcsúbb aktuátorok megőrzik az ízület természetes mozgását. Több ízületi aktuátor összeadja a súlyt. A méret csökkentése önmagában nem elég, ha a nyomaték túl alacsony lesz. A szükséges ízületi nyomatékot, a mozgástartományt, a működési sebességet, az aktuátor méreteit és a súlyt együttesen kell figyelembe venni.
| Tényező | Hatás az exoskeleton ízületekre |
| Működtető szerepe | Eldönti, hogy az ízület képes-e biztosítani a szükséges mozgást és segítő nyomatékot |
| Működtető típus példa | A BCSA keret nélküli motort és cikloid reduktort helyez egy karcsú, kompakt szerkezetbe |
| Nyomaték kimenet | A cikloid reduktor nagy nyomatékot biztosít, és segít kezelni az ismétlődő terheléseket vagy külső behatásokat |
| Mozgástartomány | A testhez közel elhelyezett, karcsúbb aktuátorok segítenek megőrizni az ízületek természetes mozgását |
| Méret és tömeg | A tervezésnek egyensúlyt kell teremtenie a kompakt tér és a mozgást segítő, valamint az ízületi terhelést eltartó nyomaték között. |
| Tervezési szempont | A működtető kiválasztása közvetlenül befolyásolja mind a mozgásképességet, mind a nyomatékteljesítményt |
Ember-gép interfész alkatrészek
A csatlakozófelület az a pont, ahol a gép találkozik a testtel. Kényelmesnek kell lennie, biztonságosnak kell maradnia, és fájdalommentesen kell átadnia az erőket. A jó csatlakozófelület-kialakítás biztosítja a felhasználó biztonságát és az eszköz hatékonyságát.
Mellkastámaszok és végtagbilincsek
A mellkasi támaszok elosztják a terhelést a törzsön. Emelés vagy fej feletti munka közben stabilan tartják a külső vázat. A végtagbilincsek a karok vagy lábak köré tekerődnek. Segítő nyomatékot adnak át a felhasználónak. Az elektromos kar részei gyakran tartalmaznak bilincseket az alkaron és a felkaron. Ezeknek a bilincseknek különböző testméretekhez kell illeszkedniük. A moduláris és adaptív rögzítőrendszerek megoldják ezt a problémát. Állítható alkatrészeket, gyorskioldó mechanizmusokat és testreszabható csatlakozófelületeket használnak. Az állítható pántok, a moduláris ízületek és az újrakonfigurálható vázelemek lehetővé teszik, hogy egyetlen eszköz sok felhasználóhoz illeszkedjen.
Párnázott érintkezőpontok és pántok
A párnázás csökkenti a bőrre nehezedő nyomást. A pántok mozgás közben a helyén tartják az eszközt. Az Össur beépített érzékelőtechnológiával és mikroprocesszoros vezérléssel készít protéziseket és ortopédiai megoldásokat. Exoskeletonjaik valós idejű adaptív algoritmusokat használnak. Ezek a felhasználó mozgásmintái és a környezeti feltételek alapján állítják be a tartást. Az intelligens érzékelők érzékelik, hogy mit szeretne a felhasználó csinálni. Zökkenőmentes segítséget nyújtanak járás, állás és átmeneti mozgások során. Ez azt mutatja, hogyan kapcsolódnak össze az exoskeleton szerkezeti részei, a működtetés és az ember-gép interfészek.
Gyakorlati szempontból ezeknek az exoskeleton szerkezeti elemeknek az elkészítése szigorú tűréshatárokat és állandó minőséget igényel. A NOBLE, egy vezető kínai gyártóvállalat, kivételes szolgáltatási képességeket és professzionális megmunkálási szakértelmet kínál ezen a területen. Csapatuk segít az ügyfeleknek hatékonyan átállni a prototípustól a tömeggyártásig. Akár megmunkált alumínium vázakra, akár egyedi szénszálas tartókra van szüksége, a megfelelő felszereléssel rendelkező partner jelenti a különbséget.
Anyagok külső váz szerkezeti alkatrészekhez
A külső váz szerkezeti elemeinek megfelelő anyagának kiválasztása egyensúly megtalálását jelenti. Alacsony súlyra, nagy szilárdságra és hosszú élettartamra van szükség. Egyetlen anyag sem képes mindenre. Ezért kevernek a mérnökök fémeket, kompozitokat és polimereket. Nézzük meg a főbb lehetőségeket.
7075 alumínium és titán
A 7075-T6 alumínium a külső vázszerkezetek elsődleges anyaga. Szakítószilárdsága eléri az 572 MPa-t. A folyáshatára eléri az 503 MPa-t. Hasonlítsa össze ezt a 6061-T6-tal, amelynek szakítószilárdsága 310 MPa, folyáshatára pedig 276 MPa. Ez körülbelül 83%-kal nagyobb folyáshatárt jelent. A sűrűsége 2.81 g/cm³, szemben a 6061 2.70 g/cm³-es értékével. Igen, a 7075 egy kicsit nehezebb. De a szilárdság-tömeg aránya nyer. Eléri a körülbelül 204 MPa/(g/cm³) értéket. Az 5-ös minőségű titán 187 MPa/(g/cm³) körül van. Tehát a 7075 nagyjából 9%-kal hatékonyabb a súlykritikus alkatrészekhez. A magnéziumerősítésű, repülőgépipari minőségű 7075-T6 akár 40%-kal is csökkentheti a súlyt, miközben a folyáshatár 500 MPa felett marad. Ez fontos a nagy szilárdságot és kis tömeget igénylő vázelemeknél.
7075 alumínium magas szilárdság-tömeg aránya
A 7075 megmunkálhatósági besorolása 5/10. A 6061 esetében ez 8/10. Tehát a 7075-öt nehezebb megmunkálni. De a jutalom valós. Jobban ellenáll az állandó alakváltozásnak. Ez segít az ütéseknek kitett szerkezetekben, mint például a térdízületek és a csípővázak. Az eloxálás és a plazma elektrolitikus oxidáció növelheti a kopásállóságot és a biokompatibilitást. A precíziós megmunkálás és az additív gyártás is nagy méretpontosságot biztosít.
Titán a korrózióállóság és a tartósság érdekében
A titánötvözetek ott tűnnek ki, ahol a korrózió és a bőrrel való érintkezés számít. Ellenállnak az izzadságnak, a nedvességnek és a zord környezetnek. Biokompatibilitásuk illeszkedik a viselőjük bőrével érintkező külső váz szerkezeti részeihez. Ez csökkenti az allergiás reakciók vagy kellemetlenségek kockázatát. A külső vázak nap mint nap kopással, korrózióval és ütésekkel szembesülnek. A titán mindhármat elviseli. A hátránya? Az anyagköltségek megháromszorozhatják a rendszer költségeit. Ezért a mérnökök szelektíven használják – illesztéseknél, csapoknál és nagy kopásnak kitett csatlakozásoknál.
Szénszál és hibridek
A szénszálas kompozitok a könnyűsúly bajnokai. 30–40%-kal könnyebbek, mint az alumínium alternatívák. Mégis ugyanolyan szilárdak. Ez hatalmas előny a viselhető eszközök számára.
Nagy merevség és súlycsökkentés
A fajlagos merevség árulkodik a valóságról. A szénszálas szövet merevsége 84–94 MN·m/kg. A nagy modulusú, egyirányú anyag merevsége 133–150 MN·m/kg. Az alumínium 7075-T6 szilárdsága 25.5 MN·m/kg. A titán Ti-6Al-4V szilárdsága 25.7 MN·m/kg. Ez 3.3–5.9-szeres előnyt biztosít a szénszálnak. Az állítható kartámaszokban ez 60–80%-kal csökkenti a végponti elhajlást azonos súly mellett. Könnyebb és merevebb – pontosan erre van szükségük a külső váz szerkezeti alkatrészeinek.
Gyanta-szál kombinációk réteges szilárdság érdekében
A gyanta-szál elrendezés lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy irányról irányra hangolják a merevséget. Egy karbon váz az egyik tengelyben hajolhat, a másikban pedig merev maradhat. Ez a fajta szabályozás nehézkes kizárólag fémmel. A kompromisszum a költség. A gyártási költségek lényegesen magasabbak, ami korlátozza a széles körű elterjedést. Ezért léteznek hibrid konstrukciók. Az Ekso Bionics EksoNR váza szénszálas és alumíniumötvözetből készült illesztéseket használ. Összesen körülbelül 23 kg-ot nyom. Bizonyos felhasználásokhoz még mindig nehéz, de robusztus.
| Anyag / Megközelítés | Súlycsökkentési előny | Tartósság / Erő | Kompromisszumokat |
| Szénszálas kompozitok | 30–40%-kal könnyebb, mint az alumínium | Azonos szilárdságot tart fenn | Magasabb gyártási költségek |
| - | - | - | - |
| Alumíniumötvözetek | Könnyű szerkezeti anyag | Megőrzi a szerkezeti integritást | Szénszállal együtt használják ízületekhez |
| Mesterséges polimerek | Hozzájárulás az általános súlycsökkentéshez | A szerkezeti integritás megőrzése | Nem kritikus vagy moduláris alkatrészekben használják |
| Fejlett titánötvözetek | Kiváló erő-tömeg arány | Nagy tartósság | Az anyagköltségek akár megháromszorozhatják a rendszer költségeit |
| Tervezésoptimalizálás (topológia, végeselem-elemzés) | Minimalizálja az anyagfelhasználást a nem kritikus területeken | Biztosítja a teherhordó alkatrészek szilárdságát | Számítógépes modellezési szakértelmet igényel |
Tanulságok a rákfélék külső vázáról és a kutikula felszínéről
A természet már régen megoldotta ezt a problémát. A rákfélék kutikula egy szerkezeti biológiai kompozit anyag. Könnyű páncélt ad az emberi külső váznak. A rákfélék kutikula három fő zónából áll. Az endokutikula, az exokutikula és az epikutikula mindegyike szerepet játszik. Az endokutikula, az exokutikula és az epikutikula rétegekben rakódnak egymásra. Az epikutikula lezárja a felületet. Az exokutikula sűrű kitint tartalmaz a keménység érdekében. Az endokutikula rugalmas kitint használ a szívósság érdekében. A kitin adja a kutikula szilárdságát. Az exokutikula kitinje ellenáll a kopásnak. Az endokutikula kitinje elnyeli az ütéseket. A kalcium-karbonát keményíti az exokutikult. A kalcium-karbonát szintén merevíti a kutikulát. Az epikutikula kevés kitint tartalmaz. Az exokutikula és az endokutikula alkotja a kutikula nagy részét. Ez a kutikula rendszer egyensúlyban tartja a súlyt és a szívósságot.
Biológiai inspiráció a könnyű páncélokhoz
A rákfélék kutikulája csavart rétegelt lemez szerkezetet használ. Ez a Bouligand-minta megakadályozza a delaminációt. Átirányítja az ütési repedéseket és fokozza az energiaelvezetést. A sáskarák és a rák kutikulája ezt mutatja. A terhelt felület közelében nagyobb szögváltozással rendelkező laminált lapok jobban ellenállnak az ütéseknek. A homárváz helikoidális szálai lehetővé tették egy 8 m széles, 320 kg-os pavilon megépítését 4 mm vastag falakkal. Ez a csavart rétegelt lemez szerkezet ereje.
Természetes anyagok vs. mesterséges polimerek
A rákfélék kutikula egy biológiai kompozit anyag, amely fehérjéből és kitinből épül fel. A fehérje és a kitin kitin-fehérje rostokat alkot. Ezek a kitin-fehérje rostok kitin-fehérje fibrillákat hoznak létre. A külső vázak kémiai összetétele fajonként változó. A külső vázak kémiai összetétele a szklerotizációs vagy meszesedési folyamattal is változik. Egy kemény ízeltlábú külső váz ezt a kémiai reakciót használja. A kemény, merev külső váz védi az állatot. A külső ízeltlábú külső váz ellenáll a kopásnak. A legkülső ízeltlábú külső váz bezárja a nedvességet. Az ízeltlábú külső váz különböző rétegei inspirálják a tervezett polimereket. A 3D nyomtatáshoz használt PLA egy példa erre. Nem olyan kemény, mint a kitin, de olcsó és nyomtatható. Az ízeltlábú külső váz különböző rétegei a hibrid felépítést is irányítják. A rákfélék külső vázainak ízelt függelékei megmutatják, hogyan kell rugalmas ízületeket építeni. Az ízelt függelékek azt is megmutatják, hogyan kell kezelni az ismétlődő mozgást. A rákfélék külső vázai megtanítanak minket az anyagok rétegezésére. A rákfélék külső vázai a merevség változtatására is megtanítanak minket. A rákfélék külső vázai bizonyítják, hogy a könnyű páncélzat működik.
A Bouligand-szerkezetről kimutatták, hogy növeli a szintetikus anyagok ütésállóságát azáltal, hogy megakadályozza a szálas rétegek delaminációját, és növeli az energiaelnyelést azáltal, hogy átirányítja az ütéskor keletkező repedéseket.
Gyakorlati szempontból a NOBLE, egy vezető kínai gyártóvállalat, kivételes szolgáltatási képességeket és professzionális megmunkálási szakértelmet kínál ezen a területen. Csapatuk segít az ügyfeleknek hatékonyan átállni a prototípustól a tömeggyártásig. Akár megmunkált alumínium vázakra, akár egyedi szénszálas tartókra van szüksége, a megfelelő felszereléssel rendelkező partner jelenti a különbséget.
Precíziós gyártás Exoskeleton szerkezeti részek
A jó tervezés haszontalan jó gyártás nélkül. Még a papíron látható legjobb külső vázalkatrész is kudarcot vall, ha a megmunkált darab nem felel meg a tervnek. Ezért fontos a nagy pontosság.
CNC megmunkálás Fém külső váz szerkezeti alkatrészekhez
A CNC megmunkálás biztosítja az exoskeletonok számára szükséges pontosságot. Nagyon szűk határok között vágja a fémet. Ugyanazt az eredményt hozza újra és újra számos alkatrész esetében. Az exoskeleton szerkezeti alkatrészek előállításának különböző módjainak mind megvan a saját szerepe. Fémkeretek és illesztések esetében a CNC a szokásos választás.
Szigorú tűrések a keretcsatlakozásokhoz
A keretcsatlakozásoknak pontos illeszkedést kell biztosítaniuk. A csapágyfurat-átmérőkhöz H7 tűréshatár szükséges. 50 mm-es furat esetén ez ±0.012 mm-t jelent. A tengelycsapok tűréshatára h6. 50 mm-es tengely esetén ez ±0.009 mm. Ezek a számok határozzák meg, hogy egy illesztés simán mozog-e vagy beszorul.
A szerkezeti csatlakozások csavarfurat-mintázatainak ±0.1 mm-es pozíciós tűréshatára van. A kábelkonzolok ±0.2 mm-tűrést használhatnak. A karok pozicionálásához a vázelemek hossza ±0.15 mm. A nem kritikus távtartók ±0.5 mm-tűrést használhatnak. Az illesztési tengelyek párhuzamosságának 100 mm-es hosszon belül 0.05 mm-en belül kell maradnia. Ez megakadályozza a beragadást a többtengelyes összeállításokban.
A felületkezelés fontos a feszültség alatt álló anyagok esetében. A csapágyakkal érintkező felületeknek Ra 0.8 μm-es vagy annál jobbnak kell lenniük. Ez megakadályozza a súrlódási korróziót. A csúszófelületek Ra 1.6 μm-es értéket igényelnek, a mozgásra merőleges irányban. A szerkezeti elemek Ra 3.2 μm-t is elviselhetnek. A kozmetikai felületek Ra 0.4 μm-t érnek el szemcseszórás vagy eloxálás révén.
A GD&T szabályozza a pozíciót, a merőlegességet, a koncentrikusságot és a profilt. Minden egyes kiszállás egy adott problémát szüntet meg. A NOBLE, egy vezető kínai gyártóvállalat, kiváló szolgáltatással és megmunkálási szakértelemmel, ezt a precizitást biztosítja minden projekthez. 5 tengelyes CNC központjaik összetett formákat kezelnek. Csapatuk könnyedén jut el a prototípustól a gyártásig.
Felületminőség és ismételhetőség
A CNC megmunkálás megismételhető minőséget biztosít. Száz azonos alkatrészt kell lefuttatni. Mindegyik ugyanolyan méretű. Ez az állandóság számít az exoskeletonoknál. Minden egység ugyanúgy működik.
Additív gyártás 3D nyomtatás
A CNC jól kezeli a fémet. A modern gyártási módszerek új lehetőségeket kínálnak. Az additív gyártás rétegről rétegre építi fel a külső váz szerkezeti részeit. Olyan formákat hoz létre, amelyeket a marás nem tud létrehozni.
PLA és más hőre lágyuló műanyagok prototípusokhoz
A PLA hőre lágyuló műanyagok kiválóan alkalmasak prototípusgyártáshoz. Az Ultrafuse PLA PRO1 gyorsan és egyszerűen nyomtatható. Jól kezeli a pattintós csatlakozókat. Mechanikai tulajdonságai felülmúlják az ABS-nyomtatott tárgyakét. Ez tökéletessé teszi az illeszkedés és a működés teszteléséhez.
A PLA-nak azonban vannak korlátai. Az utókezelés nélküli FDM nyomtatású ABS alkatrészek nem feleltek meg a maximális terhelési követelményeknek. A nyomtatás utáni melegítés javította a határállapoti paramétereket. A nyomtatás orientációja is számít. A vízszintes nyomtatás 23%-kal nagyobb szakítószilárdságot biztosít, mint a függőleges. A kifáradási élettartam 30%-kal eltér az orientációk között. 10 000 ciklusnál a különbség meghaladja az 50%-ot.
A PLA prototípusokhoz használható. A gyártáshoz erősebb anyagokra és utófeldolgozásra van szükség. De a gyors változtatásokhoz nehéz felülmúlni.
Marással elérhetetlen komplex geometriák
Az additív gyártás megszünteti a szerszámozási korlátokat. Belső csatornákat tervezhet a hűtéshez és a kenéshez. A marás nem érheti el ezeket a tereket. A topológiára optimalizált szerkezetek pontosan oda helyezik az anyagot, ahol a terhelések hatnak. Az organikus, terhelésvezérelt formák illeszkednek a felhasználók természetes testmechanikájához.
Az integrált érzékelők és kábelutak közvetlenül az alkatrészekbe vezetnek. A könnyű rácsos szerkezetek olyan szilárdság-tömeg arányt biztosítanak, amelyet a marás nem érhet el. A kérdés a „Mit tudunk elkészíteni?” kérdésről a „Mire van szüksége a rendszernek?” kérdésre helyeződik át.
A csúcskategóriás külső vázú szerkezeti alkatrészek szelektív lézeres szinterezést alkalmaznak a szilárdság növelése érdekében. A fő okok közé tartozik a rövidebb átfutási idő és a tömeges testreszabás. Az a képesség, hogy olyan összetett formákat lehet előállítani, amelyeket a hagyományos módszerekkel nem lehet elérni, ösztönzi az elterjedést.
Ellenőrzés és minőségellenőrzés
Az alkatrészek gyártása csak a munka fele. A specifikációknak való megfelelés bizonyítása a másik fele. Az exoskeletonok emberi súlyt hordoznak. A meghibásodás nem elfogadható. Ezeknek az exoskeletonoknak megbízhatóságra van szükségük.
Koordináta mérőgépek a precíziós mérésekhez
A koordináta mérőgépek mikron szinten ellenőrzik a méretpontosságot. Minden kritikus jellemzőt megvizsgálnak. Összehasonlítják a méréseket a CAD modellel. A CMM ellenőrzés biztosítja, hogy a külső váz szerkezeti alkatrészei megfeleljenek a minőségi előírásoknak.
Az optikai szkennerek és a digitális mikrométerek további ellenőrzéseket tesznek lehetővé. Az alkatrészek pontos specifikációiknak megfelelően működnek a tökéletes működés érdekében. A GD&T leírás a koordináta-méréstechnikán alapul. A koordináta mérőgépek (CMM) a standard eszközök ehhez a feladathoz.
Alkatrész pontosságának biztosítása terhelés alatt
A statikus terhelésvizsgálat a szerkezet szilárdságát a várható maximális terhelések mellett ellenőrzi. A dinamikus terhelésvizsgálat valós körülmények között ellenőrzi a teljesítményt. A túlterhelésvizsgálat biztonsági határértékeket és meghibásodási pontokat határoz meg.
A tartóssági tesztelés valós ciklusokat utánoz. Emelés, hajlítás, csavarás. Ezerszer ismételve. Ez a kopást még azelőtt kimutatja, mielőtt bárki megsérülne.
Gyorsított élettartam-tesztelés és környezeti tesztek ellenőrzik a teljesítményt hőmérséklet-változások, páratartalom és ismételt terhelések esetén. Ezek a tesztek biztosítják a hosszú távú megbízhatóságot.
Az FDM nyomtatott külső vázú szerkezeti alkatrészeken végzett végeselem-számítások feszültségkoncentrációs területeket találtak. A nyomtatás orientációja befolyásolja mind a szakítószilárdságot, mind a kifáradási élettartamot. Ezek a tesztek visszacsatolódnak a tervezéshez és a gyártáshoz. Minden egyes kör jobb lesz.
Tervezési szempontok az exoskeleton szerkezeti részeihez
Megvannak az alkatrészek. Megvannak az anyagok. Most jön a neheze. Hogyan készítsünk könnyű, erős és megfizethető külső váz szerkezeti elemeket? Ez a három cél egymásnak feszül. Ha az egyiket megjavítjuk, a többi kárát látjuk. Ez a tervezési kihívás. Bontsuk le.
Súlyoptimalizálás és topológia
A súly minden viselhető eszköz ellensége. Minden gramm számít, ha valaki egész nap külső vázat visel. A nehéz rendszerek gyorsabban lemerítik az akkumulátorokat. Hamarabb elfárasztják a felhasználót. Többe kerül a szállításuk. Ezért a mérnökök minden oldalról a súly problémáját vizsgálják.
Generatív tervezés anyagleválasztáshoz
A generatív tervezés számítógépeket használ a legjobb forma megtalálásához. A szoftver egy anyagtömbbel indul. Eltávolít mindent, ami nem hordoz terhet. Ami megmarad, az egy organikus forma. Furcsán néz ki, de gyönyörűen működik.
A topológia optimalizálása eltávolítja az alacsony feszültségű anyagokat. A rácsos szerkezetek a szilárd kitöltést apró támasztékok ráccsal helyettesítik. A rácssűrűség igazodik a helyi terhelési útvonalakhoz. A jó szakítószilárdságú merev anyag vékonyabb rácsfalakat tesz lehetővé. Ez a megközelítés tükrözi a természet működését. A rákfélék kutikula réteges szerkezetet használ. A kutikula minden rétege másképp viseli a terhelést. Az exokutikula a keménységet kezeli. Az endokutikula a szívósságot kezeli. A kutikula semmit sem pazarol. A mérnökök lemásolják ezt a trükköt. Csak oda helyezik az anyagot, ahol a feszültség megkívánja.
A moduláris kialakítás további megtakarítási lehetőséget kínál. A felhasználók a feladattól függően rögzíthetik vagy leválaszthatják az exoskeleton szerkezeti részeit. Az akkumulátorcsomagok, aktuátorok és tartószerkezetek szükség esetén levehetők. Ez felesleges súlyt csökkent. Emellett konfigurációs rugalmasságot is biztosít a felhasználók számára.
A merevség és a tömeg egyensúlyban tartása
A merevség megakadályozza, hogy a külső váz szerkezeti részei terhelés alatt meghajoljanak. A tömeg tartja őket a földben. Mindkettőre szükség van. De ezek egymással harcolnak.
A szénszálas kompozitok nagy merevséget kínálnak alacsony súly mellett. Az alumíniumötvözetek jó szilárdság-tömeg arányt biztosítanak alacsonyabb költség mellett. A fejlett polimerek kitöltik a réseket. A váz geometriája is számít. Az üreges szerkezetek hatékonyan osztják el a terhelést. Az anyagok stratégiai elhelyezése csökkenti a feszültségkoncentrációt.
A súlyelosztás megváltoztatja az eszköz súlyát. A súlyt lehetőség szerint a talajra helyezd át. Osszd el több testkontaktus-ponton. A külső váz szerkezeti részeit helyezd közelebb a test természetes tömegközéppontjához. Ez csökkenti a nyomatékkarokat. Az eszköz könnyebbnek érződik akkor is, ha ugyanannyit nyom.
Az energiahatékonyság mindehhez kapcsolódik. A nehezebb külső vázaknak több energiára van szükségük a működtetéshez. Ehhez nagyobb akkumulátorok szükségesek. A nagyobb akkumulátorok nagyobb súlyt adnak hozzá. Ez egy ördögi körforgássá válik. A nagy hatékonyságú motorok és erőátviteli rendszerek 15–30%-kal csökkenthetik az energiaigényt. Ez lehetővé teszi a kisebb akkumulátorcsomagok használatát. A 150–250 Wh/kg-os lítium-ion akkumulátorok is segítenek. A többcélú optimalizálási keretrendszerek ma már az energiamutatókat is tartalmazzák a szilárdság-tömeg arány mellett.
Gyakorlati szempontból a NOBLE, egy vezető kínai gyártóvállalat, kivételes szolgáltatási képességeket és professzionális megmunkálási szakértelmet kínál ezen a területen. Csapatuk segít az ügyfeleknek hatékonyan átállni a prototípustól a tömeggyártásig. Akár topológiára optimalizált vázakra, akár egyedi szénszálas tartókra van szüksége, a megfelelő felszereléssel rendelkező partner jelenti a különbséget.
Fáradtsági ellenállás ciklikus terhelés alatt
A külső vázak mozognak. Hajlanak. Naponta több ezer lépést tesznek meg. Ez az ismétlődő mozgás fáradtságot okoz. A fáradtság repedésekhez vezet. A repedések meghibásodáshoz. Senki sem akarja ezt.
Repedésterjedés megelőzése az ízületekben
Az ízületek a gyenge pontok. Ezek koncentrálják a feszültséget. Ezek élik át a legtöbb ciklust. Ezek romlanak el először.
Az anyagválasztás itt számít. Az anyagokat a kifáradási határ és a repedésterjedéssel szembeni ellenállás alapján válasszuk ki. Ne csak a statikus szilárdságra hagyatkozzunk. Ami egyszer kibírja, az milliószor már nem biztos, hogy bírja.
A felületkezelések segítenek. Az eloxálás oxidréteget képez. Ez a réteg javítja a kopásállóságot és a biokompatibilitást. A sörétezés nyomófeszültséget hoz létre a felületen. Ez a feszültség késlelteti a repedések kialakulását. A rákféle kutikula egy másik tanulsággal szolgál. Bouligand-szerkezete megakadályozza a delaminációt. A csavart rétegelt lemez minta elterelte a repedéseket. Növeli az energiaelvezetést. A szintetikus anyagok ezt a megközelítést másolják. A terhelt felület közelében nagyobb szögváltozással rendelkező laminált lemezek jobban ellenállnak az ütéseknek.
Az illesztési anyagok mechanikai tulajdonságai határozzák meg az élettartamukat. A titánötvözetek ellenállnak a korróziónak és a kopásnak. Alkalmasak a nagy kopásnak kitett csatlakozásokhoz. Az alumínium 7075 ellenáll a maradó alakváltozásnak. Jól működik ütésnek kitett szerkezetekben, mint például a térdízületek és a csípővázak.
Anyagválasztás a hosszú élettartam érdekében
A hosszú élettartam a megfelelő anyaggal kezdődik. De a megfelelő anyag az alkalmazástól függ. Az orvosi külső vázaknak biokompatibilitásra van szükségük. Az ISO 10993 szabvány a bőrrel való érintkezés biztonságát tárgyalja. Az ipari külső vázaknak tartósságra van szükségük. A katonai külső vázaknak mindkettőre szükségük van.
A kutikula megtanít minket az anyagok rétegezésére. A kutikula minden rétegének van egy célja. Az epikutikula lezár. Az exokutikula megkeményedik. Az endokutikula elnyeli a terhelést. Az emberi szerkezetek is ugyanezt tehetik. A hibrid rétegek merev és rugalmas rétegeket kombinálnak. A merev réteg hordozza a terhelést. A rugalmas réteg elnyeli az ütéseket. Együttesen tovább tartanak, mint bármelyikük külön-külön.
A tesztelés igazolja a tervezést. A statikus terhelésteszt a maximális szilárdságot ellenőrzi. A dinamikus terhelésteszt a valós teljesítményt ellenőrzi. A túlterhelésteszt biztonsági tartalékokat állapít meg. A tartóssági teszt több ezer ciklust utánoz. A gyorsított élettartam-teszt a hőmérséklet-változásokat és a páratartalmat ellenőrzi. Ezek a tesztek visszacsatolódnak a tervezésbe. Minden kör jobb lesz.
Skálázhatóság a termelési volumenekhez
Egy nagyszerű prototípus semmit sem ér, ha nem tudod nagy léptékben megépíteni. A termelési volumen mindent megváltoztat. A tíz darabnál működő folyamat tízezernél kudarcot vall. Az okos vállalatok az első naptól kezdve a méretnövelésre terveznek.
Szerszámstratégiák nagy volumenekhez
A szerszámozási stratégia a tételmérettől függ. 10–100 egység esetén a 3D nyomtatás és a CNC megmunkálás jól működik. A szerszámköltségek alacsonyak maradnak. Az iteráció gyors marad. Több ezer egység esetén a fröccsöntés a nyerő. A kezdeti szerszámköltségek magasak. Az egységárak drámaian csökkennek. Mérsékelt mennyiség esetén a kompozit fröccsöntés tölti ki az űrt.
A hibrid gyártás mindhármat ötvözi. A 3D nyomtatás kezeli a testreszabást. A CNC megmunkálás precíziót biztosít. A fröccsöntés alacsonyan tartja az egységköltséget nagy tételben. A folyamatnak a tételmérethez való igazítása a kulcs.
A kutikula egy utolsó tanulsággal szolgál. A természet rétegenként építi fel a rákfélék külső vázát. A kutikula minden rétege funkciót ad. A kutikula minden rétege erőt ad. A folyamat az apró rákoktól a hatalmas homárokig terjed. A mesterséges anyagok ugyanezt az utat követhetik. Kezdjük egy alapszerkezettel. Adjunk hozzá rétegeket szükség szerint. Növeljük a termelést a kereslet növekedésével.
Kompromisszumok a CNC és a fröccsöntés között
A CNC megmunkálás precíz megmunkálást biztosít. Komplex geometriákat kezel. Fémekhez és műanyagokhoz is használható. De nagy mennyiségek esetén lassú. Minden alkatrész elkészítése időt vesz igénybe. A munkaerőköltségek összeadódnak.
A fröccsöntés gyors. Ezrével gyárt azonos alkatrészeket. De drága szerszámokat igényel. A tervmódosítások költségessé válnak. Csak nagy volumen esetén van értelme.
A választás a helyzettől függ. A prototípusokhoz CNC szükséges. A gyártási sorozatokhoz öntés szükséges. Sok projekthez mindkettőre szükség van. Kezdje CNC-vel az érvényesítéshez. Váltson öntésre a méretarányos munkákhoz. Az átállás tervezést igényel. De megéri.
A minőségirányítási rendszerek támogatják ezt az átmenetet. Az ISO 13485:2016 szabvány az orvostechnikai eszközök minőségére vonatkozik. Az ISO 14971 szabvány a kockázatkezelésre vonatkozik. Az IEC 80601-2-78 szabvány az orvosi robotokra vonatkozik. Ezek a szabványok biztosítják az egységességet a termelési volumenekben. Akár tíz, akár tízezer külső vázú szerkezeti alkatrészt gyártanak.
Gyakorlati szempontból a NOBLE, egy vezető kínai gyártóvállalat, kivételes szolgáltatási képességeket és professzionális megmunkálási szakértelmet kínál ezen a területen. Csapatuk segít az ügyfeleknek hatékonyan átállni a prototípustól a tömeggyártásig. Akár megmunkált alumínium vázakra, akár egyedi szénszálas tartókra van szüksége, a megfelelő felszereléssel rendelkező partner jelenti a különbséget.
| Tervezési szempont | Súly optimalizálás | Fáradtság Élet Optimalizálása | Termelési költségek optimalizálása |
| Elsődleges stratégiák | Topológia optimalizálás, rácsszerkezetek, könnyű anyagok | Anyagválasztás a kifáradási határ alapján, felületkezelések | Hibrid gyártás, a gyártási folyamatnak a tételmérethez való illesztése |
| Kulcsfontosságú mechanizmusok | A rács sűrűsége a helyi terhelési útvonalakhoz, komplex formákhoz állítható 3D nyomtatással | Az eloxálás oxidréteget képez; a sörétezés nyomófeszültséget hoz létre | 3D nyomtatás a testreszabáshoz, megmunkálás a precízióhoz, öntés a térfogat növeléséhöz |
| Kötegméret-útmutató | N / A | N / A | 10–100 egység: 3D nyomtatás és CNC; több ezer egység: fröccsöntés; közepes méretű: kompozit öntés |
| Hivatkozott szabványok | N / A | ISO 10993 biokompatibilitási szabvány | ISO 13485:2016, ISO 14971, IEC 80601-2-78 |
A NOBLE képességei az exoskeleton szerkezeti alkatrészek terén
Egy nagyszerű tervhez olyan partnerre van szükség, aki valóban meg is tudja valósítani. A NOBLE-nál mi készítjük a fém és műanyag külső váz szerkezeti elemeit, amelyek összetartják az külső vázakat. Csapatunk képes egyetlen prototípus vagy egy teljes gyártási sorozat elkészítésére is.
precíziós megmunkálás fémekhez és műanyagokhoz
Fémeket és műszaki műanyagokat vágunk nagy pontossággal. Műhelyünkben olyan alumíniumötvözetekkel dolgozunk, mint a 6061 és 7075, 5-ös minőségű titán, rozsdamentes acél és PEEK. Minden anyaghoz a megfelelő szerszámút és vágási sebesség tartozik.
5 tengelyes CNC megmunkálás és a CNC esztergálás központok
Valódi 5 tengelyes marógépeink egyetlen beállítással megmunkálják az összetett felületeket. Ez kevesebb hibát jelent az alkatrész mozgatásából, és jobb felületi minőséget. Standard munkáknál a lineáris tűréshatárokat plusz-mínusz 0.02 mm-re csökkentjük. Nagy pontosságú munkáknál ennél pontosabbak is lehetünk. A koaxialitás elérheti a 0.002 mm-t. A felületi minőség Ra értéke 0.4 és 1.6 μm között mozog. Az esztergálóközpontok tengelyeket, csapokat és ízületi külső vázú szerkezeti alkatrészeket is megmunkálnak azonos ismétlési pontossággal.
Komplex geometriákhoz való alkalmazkodóképesség
A ferde furatok, a mély zsebek és a szerves kiemelkedések nem jelentenek problémát. Egyetlen beállítással egyszerre megmunkálható a munkadarab öt oldala. Ez szükségtelenné teszi a bonyolult sablonokat. A rövidebb forgácsolószerszámok csökkentik a rezgést és a rezgésnyomokat. Az eredmény tisztább felület és kevesebb hulladék. Ez fontos az exoskeleton szerkezeti alkatrészeknél, amelyeknek terhelés alatt tökéletesen illeszkedniük kell egymáshoz.
Tanúsított minőségirányítási rendszerek
A minőség nálunk nem másodlagos szempont. Minden lépésbe beépül. Írásos eljárásokat követünk, és minden szakaszban a CAD modellhez viszonyítjuk az alkatrészeket.
ISO 9001:2015 az általános minőségbiztosításért
ISO 9001:2015 tanúsítványunk általános gyártási munkánkra vonatkozik. Ez biztosítja a stabil folyamatokat, a nyomon követhetőséget és az állandó fejlesztést minden megrendelésnél.
ISO 13485:2016 szabvány orvosi exoskeletonokhoz
Az orvosi exoskeletonok esetében rendelkezünk az ISO 13485:2016 szabvány előírásaival. Ez a szabvány szigorúbb ellenőrzéseket ír elő a tervezés átadása, a biokompatibilitás és a kockázatkezelés terén. Biztosítja az orvostechnikai eszközök gyártóit abban, hogy alkatrészeik megfelelnek a szabályozási elvárásoknak.
Teljes körű támogatás: tervezéstől az összeszerelésig
Többet csinálunk, mint fémvágást. Segítünk abban, hogy gyorsabban eljuss az ötlettől a késztermékig.
Mérnöki felülvizsgálat és DFM
Mérnökeink áttekintik a rajzokat a gyárthatóság szempontjából. Megjelölik azokat a jellemzőket, amelyek növelik a költségeket, vagy tűréshatár-problémákat okoznak. Ez a korai visszajelzés hetekig tartó átdolgozást takarít meg. A Parker Hannifin hasonló előnyöket tapasztalt, amikor automatizált árajánlatkészítést és gyors fröccsöntést használt az Indego külső vázának ütemtervének egy-két hónappal történő lerövidítéséhez.
Összeszerelési és végső összeszerelési szolgáltatások
Az összes megmunkált külső váz szerkezeti elemet összeszereljük egy részegységhez, és együtt szállítjuk. Komplett illesztési modulok vagy vázszakaszok végösszeszerelését is vállaljuk. Ez csökkenti a beszállítók számát és leegyszerűsíti a beérkező termékek ellenőrzését.
Gyakorlati szempontból a NOBLE kivételes szolgáltatási képességeket és professzionális megmunkálási szakértelmet kínál ezen a területen. Csapatunk segít ügyfeleinknek hatékonyan átállni a prototípustól a tömeggyártásig. Akár megmunkált alumínium vázakra, akár egyedi szénszálas tartókra van szüksége, rendelkezünk a szükséges felszereléssel és tapasztalattal.
A rákfélék kutikula erős struktúrákat alkot. Rétegei csapatként működnek együtt. Ez a kutikula ötleteket ad a külső váz szerkezeti részeihez. A kutikula tartja a kitint. A külső vázban lévő kitin küzd a kopás ellen. A belső vázban lévő kitin elnyeli az ütéseket. A kitin-fehérje rostok teszik lehetővé ezeket a tulajdonságokat. A rákfélék kutikula megmutatja, milyen okos a természet. A kutikula kiegyensúlyozza a keménységet a kitinnel. A kitin adja a kutikula szívósságát. A kutikula kitinje igazán számít. A kutikula utat mutat a hibrid anyagok számára. A rákfélék külső vázai azt mutatják, hogy a réteges kialakítás működik. Az emberi külső vázak ezt a mintát másolják. A mai külső vázak a repülőgépipari fémeket és a kompozitokat ötvözik. A kutikula megtanít minket a tervezés egyensúlyára. A kutikula számos tanulsággal szolgálhat. A tervezett anyagokban található kitin ugyanazokat a célokat szolgálja. A kitin új tervezési ötleteket szül. A kitin kulcsfontosságú elem. Jól végzi a dolgát. A jó külső vázaknak intelligens tervezésre van szükségük. Ezeknek a külső vázaknak olyan partnerekre van szükségük, mint a NOBLE. Teljes körű támogatást nyújtunk az elejétől a végéig.
GYIK az exoskeleton szerkezeti alkatrészekről
Milyen anyagok működnek a legjobban az exoskeleton szerkezeti részeihez?
Az alumínium 7075 magas szilárdság-tömeg arányt biztosít. A titán ellenáll a rozsdának és a kopásnak. A szénszál 30-40 százalékkal csökkenti a súlyt. A kutikula hibrid rétegezéseket tesz lehetővé. A természetes kutikula egyensúlyt teremt a súly és a szilárdság között. Minden anyag más külső váz igényeit elégíti ki.
Hogyan inspirálja a rákfélék kutikula a tervezést?
A kutikula réteges szerkezetet használ. Az exokutikula ellenáll a kopásnak. Az endokutikula elnyeli az ütéseket. A kutikula egyensúlyt teremt a keménység és a szívósság között. A mérnökök ezt a kutikulát tanulmányozzák, hogy könnyű páncélt kapjanak az exoskeletonokban.
Milyen gyártási folyamatok hozzák létre az exoskeleton szerkezeti részeit?
A CNC megmunkálás szűk tűréshatárokat biztosít a fémkeretekhez. A 3D nyomtatás összetett formákat kezel. A koordináta-mérőgép (CMM) ellenőrzése minden kritikus jellemzőt ellenőriz. A megfelelő folyamat a tételmérettől és a kívánt pontosságtól függ.
Hogyan előzhető meg az ízületi fáradtság?
Válasszon magas kifáradási határértékű anyagokat. Használjon felületkezeléseket a repedések késleltetésére. A kutikula Bouligand-szerkezete átirányítja a repedéseket. Ez a kutikula-tanítás segít abban, hogy a külső váz ízületei tovább tartsanak.
Milyen minőségi szabványok vonatkoznak az orvosi exoskeletonokra?
Az ISO 13485:2016 szabvány az orvostechnikai eszközök minőségével foglalkozik. Az ISO 10993 szabvány a bőrrel való érintkezés biztonságával foglalkozik. Az IEC 80601-2-78 szabvány az orvosi robotokra vonatkozik. Ezek a szabványok garantálják a biztonságot és a megbízhatóságot.
Kiválthatja-e a 3D nyomtatás a CNC megmunkálást?
Nem teljesen. A 3D nyomtatás gyorsan hoz létre összetett prototípusokat. A CNC szigorúbb tűréshatárokat biztosít a fém külső váz szerkezeti alkatrészek gyártásához. Minden folyamatnak megvan a maga helye az külső váz gyártásában.
Mit tanít a kutikula a rétegző anyagokról?
A kutikula három zónából áll. Az epikutikula lezár. Az exokutikula megkeményedik. Az endokutikula felszívódik. Minden kutikula réteg egy célt szolgál. Ez a kutikula-megközelítés vezérli a mai hibrid kompozitokat.
