ส่วนประกอบข้อต่อของโครงสร้างภายนอก: การผลิต ความแม่นยำ และวัสดุ

ส่วนประกอบข้อต่อของโครงกระดูกภายนอกมักมีชิ้นส่วนหลักหลายส่วน ได้แก่ เปลือกตัวเรือนหลัก ที่นั่งแบริ่ง แท่นยึดตัวขับเคลื่อนและมอเตอร์ ตัวยึดเซ็นเซอร์ ส่วนประกอบสำหรับการปิดผนึกและการยึด และส่วนเชื่อมต่อตัวยึด โครงภายนอกนี้ทำหน้าที่ยึดตัวขับเคลื่อน มอเตอร์ และระบบส่งกำลัง และทำหน้าที่ถ่ายโอนน้ำหนักและควบคุมการเคลื่อนไหว ตลาดโครงกระดูกภายนอกทั่วโลกคาดว่าจะเติบโตจาก 850 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2025 เป็น 2.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2030 ดังนั้นความแม่นยำและวัสดุของชิ้นส่วนเหล่านี้จึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ กระบวนการผลิต ข้อกำหนดด้านความแม่นยำ และการเลือกใช้วัสดุสำหรับแต่ละส่วนประกอบมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุความน่าเชื่อถือและความทนทานที่จำเป็นในโครงกระดูกภายนอกสมัยใหม่ การทำความเข้าใจปัจจัยเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการผลิตข้อต่อที่มีประสิทธิภาพ

เปลือกหุ้มหลักในโครงสร้างภายนอกแบบข้อต่อ

เปลือกหุ้มหลักเป็นโครงสร้างรับน้ำหนักหลักของข้อต่อโครงกระดูกภายนอก มันห่อหุ้มตัวขับเคลื่อน มอเตอร์ และระบบส่งกำลัง ดังนั้นมันจึงรับภาระทั้งหมดที่ข้อต่อได้รับ ลองนึกภาพว่าเป็นโครงกระดูกของโครงกระดูก หากเปลือกหุ้มนี้บิดงอหรือเสียรูป ข้อต่อทั้งหมดก็จะเสียแนว และชิ้นส่วนสึกหรอภายในก็จะได้รับผลกระทบ

กระบวนการผลิตสำหรับเปลือกหลัก

การขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC จากแท่งโลหะ

การขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC จากแท่งโลหะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตเปลือกหุ้มที่มีความแม่นยำสูง แท่งอลูมิเนียม AL6061-T6 ตันจะถูกแกะสลักให้ได้รูปทรงสุดท้าย โลหะผสมนี้มักพบเห็นได้ในงานผลิตเปลือกหุ้มภายนอก เนื่องจากสามารถขึ้นรูปได้อย่างสะอาดและรักษาความคลาดเคลื่อนได้ดี ขั้นตอนการทำงานมักจะปฏิบัติตามลำดับที่กำหนดไว้:

1. เลือกวัสดุ — อะลูมิเนียม AL6061-T6 เป็นวัสดุที่นิยมใช้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับงานโครงสร้างภายนอก (exoskeleton)
2. ควบคุมความคลาดเคลื่อนของขนาดระหว่างการกลึง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่จุดเชื่อมต่อและส่วนต่อประสานกับโมดูลอื่นๆ เพื่อให้ทุกอย่างเรียงตัวกันอย่างถูกต้องระหว่างการประกอบ
3. รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างบริเวณผนังบางและส่วนประกอบที่ซับซ้อน เพื่อป้องกันการเสียรูปหรือการอ่อนตัวลง
4. ตกแต่งพื้นผิวให้เรียบร้อย — ทำความสะอาดชิ้นส่วนก่อน จากนั้นจึงทำการพ่นทรายและชุบอะโนไดซ์ การพ่นทรายจะช่วยขจัดร่องรอยจากเครื่องมือและรอยขั้นบันได ทำให้ได้พื้นผิวด้านที่สม่ำเสมอ การชุบอะโนไดซ์จะช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน พื้นผิวแข็งทนต่อรอยขีดข่วน และทำให้ดูสวยงามยิ่งขึ้น

การหล่อแบบแม่พิมพ์และการหล่อแบบแม่พิมพ์หล่อ

การหล่อแบบฉีดขึ้นรูปและการหล่อแบบแม่พิมพ์ก็ใช้สำหรับการผลิตเปลือกหลักเช่นกัน การหล่อแบบฉีดขึ้นรูปเหมาะสำหรับปริมาณการผลิตที่สูงซึ่งต้นทุนต่อชิ้นมีความสำคัญ การหล่อแบบแม่พิมพ์เหมาะสำหรับรูปทรงภายในที่ซับซ้อน ทั้งสองวิธีช่วยลดเวลาในการกลึง แต่ก็แลกมาด้วยความแม่นยำที่ลดลงเมื่อเทียบกับการขึ้นรูปจากแท่งโลหะ

การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุสำหรับต้นแบบ

การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ หรือการพิมพ์ 3 มิติ โดดเด่นอย่างมากในขั้นตอนการสร้างต้นแบบ การพิมพ์ช่วยให้วิศวกรสามารถทดสอบความพอดีและรูปทรงก่อนที่จะตัดสินใจผลิตเครื่องมือจริง คุณสามารถพิมพ์ชิ้นส่วนเปลือกหุ้มได้ในชั่วข้ามคืน นำไปติดตั้งบนแท่นทดสอบ และเรียนรู้บางสิ่งบางอย่างได้ในตอนเช้า ข้อเสียนั้นชัดเจน: การพิมพ์ให้ความเร็วและความอิสระทางรูปทรง แต่คุณสมบัติทางกลของชิ้นส่วนที่พิมพ์มักจะด้อยกว่าโลหะที่ขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูป

ข้อกำหนดด้านความแม่นยำสำหรับเปลือกหลัก

ความคลาดเคลื่อนของมิติและเรขาคณิต

ความแม่นยำเริ่มต้นจากจุดเชื่อมต่อต่างๆ รูสลัก รูแบริ่ง และพื้นผิวประกบของโมดูล ล้วนต้องการการควบคุมที่เข้มงวด ความคลาดเคลื่อนที่ไม่แม่นยำ ณ จุดเชื่อมต่อจุดใดจุดหนึ่งจะส่งผลกระทบต่อการประกอบทั้งหมด การกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตครอบคลุมถึงความเรียบ ความตั้งฉาก และตำแหน่ง และการกำหนดค่าเหล่านี้จะช่วยป้องกันไม่ให้เปลือกบิดเบี้ยวเสียรูปทรง

ข้อมูลจำเพาะการตกแต่งพื้นผิว

ความเรียบของพื้นผิวมีผลต่ออายุการใช้งานและประสิทธิภาพของซีล พื้นผิวที่หยาบจะสร้างจุดรับแรงเค้นซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตก นอกจากนี้ยังทำให้โอริงและปะเก็นสึกหรอเร็ว การพ่นทรายและการชุบอะโนไดซ์ช่วยปรับปรุงพื้นผิว แต่พื้นผิวที่ผ่านการกลึงมาก่อนยังคงเป็นมาตรฐานพื้นฐาน

วัสดุสำหรับโครงสร้างหลัก

การเลือกใช้วัสดุมีผลต่อ น้ำหนัก ต้นทุน และความทนทาน ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบวัสดุที่นิยมใช้กัน:

วัสดุ	ลักษณะสำคัญ	การใช้งานทั่วไป
อลูมิเนียม	คุ้มค่า, ง่ายต่อการขึ้นรูป, ผิวงานเรียบเนียนดี, เหมาะสำหรับการผลิตปริมาณมาก	ตู้ที่ผลิตจำนวนมาก ชิ้นส่วนที่คำนึงถึงต้นทุน
ไทเทเนียมอัลลอย	ทนต่ออุณหภูมิสูง เข้ากันได้ทางชีวภาพ ทนต่อการกัดกร่อน	สภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหรืออุณหภูมิสูง
พอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน	อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักดีที่สุด การขยายตัวทางความร้อนใกล้ศูนย์ ความแข็งแกร่งสูง	ตัวเรือนเครื่องมือวัดความแม่นยำสูง เฟรมประสิทธิภาพสูง

โลหะผสมอลูมิเนียม 6061 และ 7075

อะลูมิเนียมเกรด 6061 และ 7075 เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมพื้นฐานสำหรับเปลือกหุ้มส่วนใหญ่ เกรด 6061 เชื่อมและขึ้นรูปได้ดี ในขณะที่เกรด 7075 มีความแข็งแรงมากกว่า แต่มีราคาสูงกว่าและขึ้นรูปยากกว่า สำหรับการผลิตจำนวนมากที่คำนึงถึงต้นทุน อะลูมิเนียมจึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

โลหะผสมไททาเนียม Ti-6Al-4V

โลหะผสม Ti-6Al-4V ทนความร้อนและการกัดกร่อนได้ดีกว่าอะลูมิเนียม นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติเข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งสำคัญสำหรับโครงสร้างภายนอกทางการแพทย์ ข้อเสียคือราคาสูงและยากต่อการขึ้นรูป

โพลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน

CFRP มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีที่สุดในกลุ่ม นอกจากนี้ยังมีการขยายตัวทางความร้อนเกือบเป็นศูนย์และมีความแข็งแกร่งสูง ตัวเรือนสำหรับอุปกรณ์วัดและควบคุมทางแสงที่มีความแม่นยำสูงจึงถูกนำมาใช้ด้วยเหตุผลเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ราคาเริ่มต้นสูงที่สุด แต่ค่าบำรุงรักษาค่อนข้างต่ำ

ไม่มีวัสดุใดวัสดุหนึ่งที่เหมาะสมกับทุกสถานการณ์ การเลือกวัสดุที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับสภาพการใช้งาน ปริมาณ และงบประมาณ วิศวกรมักใช้การวิเคราะห์ FEM เพื่อเปรียบเทียบเส้นทางความเค้นในแบบต่างๆ ที่เสนอ และการวิเคราะห์ FEM ยังช่วยตรวจสอบว่าโครงสร้างเปลือกนั้นตรงตามเป้าหมายความแข็งแรงก่อนที่จะทำการตัดโลหะ วัสดุที่เบากว่า เช่น ABS มักใช้ในชิ้นส่วนต้นแบบมากกว่าในโครงสร้างเปลือกที่รับน้ำหนักได้จริง เนื่องจากความแข็งแรงของวัสดุเหล่านี้ไม่สามารถเทียบเท่าโลหะได้ จากมุมมองในทางปฏิบัติ กระบวนการผลิตและการเลือกวัสดุนั้นเกี่ยวพันกันอย่างแยกไม่ออก

เบาะรองลูกปืนและรูในตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอก

เบาะรองลูกปืนและรูเจาะเป็นหัวใจสำคัญของข้อต่อทุกชิ้นในโครงสร้างภายนอก พวกมันยึดลูกปืนที่ช่วยให้ข้อต่อหมุนได้อย่างราบรื่น หากเบาะรองลูกปืนเหล่านี้ไม่ถูกต้อง ข้อต่อจะสูญเสียพลังงานและสึกหรอเร็วขึ้น ความพอดีระหว่างรูเจาะและลูกปืนส่งผลต่อประสิทธิภาพและความต้านทานการสึกหรอของข้อต่อ รูเจาะที่หลวมจะทำให้ลูกปืนหมุนอยู่กับที่ รูเจาะที่แน่นเกินไปจะบีบอัดรางลูกปืน ไม่ว่ากรณีใด ข้อต่อก็จะพังลง

กระบวนการผลิตสำหรับที่นั่งแบริ่ง

การเจาะและคว้านที่มีความแม่นยำสูง

การเจาะรูอย่างแม่นยำเป็นการเจาะรูให้ได้ขนาดที่ใกล้เคียงกับที่ต้องการ เครื่องมือปลายแหลมเดี่ยวจะหมุนอยู่ภายในรูและตัดวัสดุออก ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับการตัดได้ทีละเล็กน้อย การควบคุมนี้ทำให้การเจาะรูเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความคลาดเคลื่อนต่ำ การคว้านรูจะทำหลังจากเจาะรูเสร็จแล้ว เมื่อต้องการผิวงานที่เรียบเนียนขึ้น ดอกคว้านรูแบบหลายคมจะกำจัดชั้นวัสดุบางๆ ออกไป ทำให้ได้รูที่สะอาดและกลม การเจาะรูทั้งสองขั้นตอนร่วมกันนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการทำที่นั่งแบริ่งที่เหมาะสม

การเจียรและการลับคม

การเจียรจะเข้ามามีบทบาทเมื่อต้องการผิวงานที่ละเอียดมากยิ่งขึ้น ล้อขัดจะหมุนไปบนพื้นผิวของรูเจาะและขจัดวัสดุออกไปทีละเล็กน้อย ผลลัพธ์ที่ได้คือพื้นผิวที่เรียบมากและมีการควบคุมขนาดที่แม่นยำ การขัดเงาจะทำไปอีกขั้นหนึ่ง เครื่องมือขัดเงาจะใช้หินขัดเพื่อขัดเงารูเจาะและแก้ไขข้อผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ในรูปทรง กระบวนการนี้ช่วยปรับปรุงความกลมและความตรง สำหรับตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอกที่เคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา ขั้นตอนเหล่านี้มีความสำคัญ เพราะช่วยลดแรงเสียดทานและยืดอายุการใช้งานของตลับลูกปืน

ข้อกำหนดด้านความแม่นยำสำหรับที่นั่งแบริ่ง

เส้นผ่านศูนย์กลางรูและความกลม

ความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลางรูเจาะเป็นตัวกำหนดว่าตลับลูกปืนจะเข้าที่อย่างไร หากมีช่องว่างมากเกินไป ตลับลูกปืนจะสั่น หากมีช่องว่างน้อยเกินไป ตลับลูกปืนจะติดขัด ความกลมของรูเจาะจะช่วยป้องกันไม่ให้รางตลับลูกปืนเสียรูปภายใต้แรงกด หากรูเจาะไม่กลม จะบีบตลับลูกปืนในบางจุด แรงกดที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้ตลับลูกปืนเสียหายก่อนกำหนด ความแม่นยำที่ต้องการในส่วนนี้ถือว่าเข้มงวดที่สุดในตัวเรือนทั้งหมด

ความร่วมแกนและความตั้งฉาก

ความตรงแนวแกนช่วยให้มั่นใจได้ว่ารูสองรูขึ้นไปมีแกนกลางเดียวกัน ในข้อต่อที่มีแบริ่งอยู่ทั้งสองด้าน การไม่ตรงแนวจะทำให้เพลาโค้งงอ การโค้งงอนั้นจะทำให้แบริ่งรับภาระไม่เท่ากัน ความตั้งฉากจะช่วยให้รูตั้งฉากกับหน้าสัมผัสการติดตั้ง หากรูเอียง แบริ่งจะรับภาระตามแนวแกนที่ไม่ได้ออกแบบมา ทั้งสองข้อกำหนดนี้ช่วยปกป้องแบริ่งและเพลา นอกจากนี้ยังช่วยให้ข้อต่อทำงานได้อย่างเที่ยงตรงตลอดหลายพันรอบการใช้งาน

วัสดุสำหรับที่นั่งแบริ่ง

การเลือกวัสดุสำหรับที่นั่งแบริ่งขึ้นอยู่กับภาระ ความเร็ว และการหล่อลื่น ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบตัวเลือกที่นิยมใช้กัน:

วัสดุ	คุณสมบัติ	อุณหภูมิบริการสูงสุด
PTFE บริสุทธิ์	ทนทานต่อสารเคมีสูงและประสิทธิภาพการทำงานดีเยี่ยม	℃ 200
ไฮพาไทต์® เอฟเฟคที	มีค่าการซึมผ่านของโมโนเมอร์ต่ำกว่า และมีความต้านทานต่อการบีบอัดและการคืบตัวสูงกว่าวัสดุ PTFE ชนิดอื่นๆ	260 ℃ / 270 ℃
PTFE เติมคาร์บอน	ทนต่อความร้อนและการเสียดสีได้ดีเยี่ยม	260 ℃ / 270 ℃
ฟิลไทท์®	ทนความร้อนได้สูงสุดในบรรดาวัสดุที่ทำจาก PTFE	℃ 300
กราไฟท์	เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุณหภูมิสูง	℃ 500
ห้องปฏิบัติการ	เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุณหภูมิสูงและงานที่มีการเสียดสีสูง	500 ℃ / 525 ℃
PEEK	ทนความร้อนและมีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่า	℃ 270
PTFE เสริมใยแก้วผสม MoS2	ทนทานต่อการสึกหรอและมีประสิทธิภาพการทำงานสูงขึ้น	℃ 230
ไนลอนผสม MoS2	ความแข็งแรงเชิงกลที่สูงขึ้น	℃ 140

เม็ดมีดเหล็กกล้าชุบแข็ง

เม็ดมีดเหล็กกล้าชุบแข็งรับน้ำหนักได้มากที่สุด ทนทานต่อการสึกหรอและคงรูปทรงภายใต้แรงกด เมื่อผลิตเบ้าแบริ่งจากเหล็กกล้าชุบแข็ง รูภายในจะยังคงเที่ยงตรงแม้ใช้งานไปแล้วหลายล้านรอบ เม็ดมีดเหล่านี้จะถูกกดเข้าไปในตัวเรือนหรือยึดด้วยน็อต ทำให้วัสดุของตัวเรือนมีน้ำหนักเบาและราคาถูกลง การออกแบบแบบแยกส่วนนี้ช่วยลดน้ำหนักโดยไม่ลดทอนความแข็งแรง

โลหะผสมบรอนซ์และทองเหลือง

โลหะผสมบรอนซ์และทองเหลืองมีคุณสมบัติในการรับแรงกดที่ดี เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีการเคลื่อนที่สัมผัส บูช ปลอก แผ่นกันสึก และชิ้นส่วนเลื่อน มักใช้โลหะผสมเกรดเหล่านี้ บรอนซ์ C93200 เป็นตัวเลือกที่นิยมใช้กันทั่วไปสำหรับงานประเภทนี้ มีคุณสมบัติในการรับแรงกดที่ดีและรับมือกับการเคลื่อนที่สัมผัสได้ดี โลหะผสมเหล่านี้ยังทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กในบางสภาพแวดล้อม มีราคาถูกกว่าเหล็กชุบแข็งและขึ้นรูปได้ง่าย

พลาสติกวิศวกรรม PEEK และ PTFE

PEEK และสารประกอบที่เติมสารต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ประกอบด้วย PTFE, คาร์บอนไฟเบอร์ หรือบรอนซ์ มีแรงเสียดทานต่ำและทนทานต่อการสึกหรอได้ดี ไม่จำเป็นต้องใช้สารหล่อลื่นเหมือนกับการสัมผัสระหว่างโลหะ ทำให้ PEEK นิยมใช้แทนบรอนซ์ ทองเหลือง และเหล็กชุบแข็งในบูช ตลับลูกปืน เฟือง และแผ่นกันสึกหรอ ใช้งานได้ดีในกรณีที่การหล่อลื่นทำได้ยาก ถูกห้าม หรือมีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อน สารประกอบ PEEK เกรดตลับลูกปืนที่เติม PTFE และกราไฟต์หรือคาร์บอนไฟเบอร์จะทำงานโดยไม่ต้องใช้สารหล่อลื่นกับเพลาโลหะ ประสิทธิภาพด้านแรงเสียดทานและการสึกหรอเทียบได้กับบูชบรอนซ์ นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนและการกักเก็บสารหล่อลื่นของบรอนซ์ในสภาพแวดล้อมที่ต้องล้างทำความสะอาดหรือสัมผัสกับสารเคมี สำหรับตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอกที่ใช้ในห้องปลอดเชื้อหรือสถานพยาบาล เรื่องนี้มีความสำคัญมาก คุณสมบัติทางกลของ PEEK ทนทานต่อการเคลื่อนไหวซ้ำๆ ได้ดี PTFE มีแรงเสียดทานต่ำกว่าแต่มีความแข็งแรงน้อยกว่า วิศวกรมักจะใช้ทั้งสองอย่างร่วมกันเพื่อปรับสมดุลประสิทธิภาพ

จากมุมมองเชิงปฏิบัติแล้ว เบาะรองตลับลูกปืนเป็นตัวกำหนดลักษณะการทำงานของข้อต่อ เบาะรองที่ทำอย่างดีด้วยวัสดุที่เหมาะสมจะช่วยให้ตัวเรือนข้อต่อแบบโครงสร้างภายนอกทำงานได้อย่างราบรื่นเป็นเวลาหลายปี เบาะรองที่ทำไม่ดีจะชำรุดเร็วและทำให้ตลับลูกปืนเสียหายไปด้วย ตลับลูกปืนภายในต้องอาศัยเบาะรองนี้ในการจัดแนวและการรองรับ หากรูเจาะถูกต้อง ตลับลูกปืนก็จะทำงานได้ หากรูเจาะไม่ถูกต้อง ความแม่นยำในส่วนอื่นๆ ก็ไม่สามารถช่วยให้ข้อต่อทำงานได้ดี หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับตลับลูกปืนทุกตัวในชุดประกอบ แต่ละตัวต้องการเบาะรองที่เหมาะสมกับค่าความคลาดเคลื่อนและลักษณะการรับน้ำหนัก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการออกแบบเบาะรองตลับลูกปืนจึงควรได้รับความสนใจมากเท่ากับการออกแบบตัวเรือนหลัก

ตัวยึดแอคชูเอเตอร์และมอเตอร์ในตัวเรือนข้อต่อโครงกระดูกภายนอก

ข้อต่อโครงกระดูกภายนอกส่วนล่างสามารถใช้กับมอเตอร์ประเภทต่างๆ ได้ภายในตัวเรือนข้อต่อ มอเตอร์ BLDC แบบไร้เฟรมพบได้ในข้อต่อข้อศอก ข้อเข่า และข้อมือ วิศวกรยังใช้มอเตอร์ที่มีตัวลดเกียร์ มอเตอร์ที่มีสายเคเบิลโบว์เดน แอคชูเอเตอร์แบบนิวแมติก และแอคชูเอเตอร์แบบยืดหยุ่นอนุกรม มอเตอร์เกียร์ดาวเคราะห์แรงบิดสูง ระบบขับเคลื่อนแบบกึ่งไดเร็กต์ และระบบขับเคลื่อนอัตราส่วนสูงที่มีเกียร์ฮาร์มอนิกก็เป็นส่วนประกอบที่เหลือในรายการ แอคชูเอเตอร์ทุกประเภทต้องการฐานยึดที่จัดตำแหน่งโรเตอร์ให้ตรงกับระบบขับเคลื่อนอย่างแม่นยำ ฐานยึดที่ไม่ตรงแนวจะสิ้นเปลืองพลังงานและทำให้ชิ้นส่วนสึกหรอเร็วขึ้น

กระบวนการผลิตสำหรับฐานยึดแอคชูเอเตอร์

การกัดและการเจาะด้วยเครื่อง CNC

การขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC ช่วยในการผลิตแผ่นยึดตัวกระตุ้น โดยแผ่นยึดทั้งสี่แผ่นจะถูกขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC ข้อต่อมอเตอร์-เกียร์บ็อกซ์ที่ทำจากเหล็กจะถูกกลึงและขึ้นรูปผิวหน้าด้วยเครื่องกลึง จากนั้นจึงเจาะและคว้านรูด้วยเครื่องกัด เพลาของตัวเข้ารหัสจะผ่านขั้นตอนเดียวกัน คือกลึงขึ้นรูปด้วยเครื่องกลึงและเจาะรูด้วยเครื่องกัด ข้อต่อขา-ตัวกระตุ้นทำจากอลูมิเนียม กลึงขึ้นรูปด้วยเครื่องกลึงและเจาะรูด้วยเครื่องกัด ขั้นตอนเหล่านี้ควบคุมการจัดเรียงของรูสลักให้ตรงกับศูนย์กลางของรูเจาะ

การผลิตและการเชื่อมโลหะแผ่น

การใช้แผ่นโลหะช่วยลดต้นทุนสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่ไม่ต้องรับน้ำหนักมาก ชิ้นส่วนส่วนใหญ่เป็นแผ่นโลหะอะลูมิเนียมบางๆ ขั้นตอนการทำงานก็คือการตัดหรือเจาะแผ่นโลหะ สำหรับชิ้นส่วนเพลาตัวเข้ารหัสที่สำคัญนั้น เครื่องกลึงจะทำงานได้ดีที่สุด การพิมพ์ 3 มิติความละเอียดสูงก็ใช้ได้สำหรับการสร้างต้นแบบ การเชื่อมจะเชื่อมชิ้นส่วนต่างๆ เข้าด้วยกันเป็นโครงย่อยที่ยึดติดกับตัวเรือนด้วยสลักเกลียว

ข้อกำหนดด้านความแม่นยำสำหรับแท่นยึดแอคชูเอเตอร์

ความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งรู

การติดตั้งมอเตอร์จำเป็นต้องมีการควบคุมตำแหน่งรูในแบบแผนสลักเกลียว ความคลาดเคลื่อนของตำแหน่งที่ถูกต้องจะช่วยป้องกันไม่ให้สลักเกลียวดึงมอเตอร์ออกจากจุดศูนย์กลาง การตรวจสอบด้วย CMM หรือการตรวจสอบด้วยหมุดจะช่วยให้แน่ใจว่ารูต่างๆ ตรงกัน ความสำเร็จในการประกอบขึ้นอยู่กับการใช้ GD&T กับคุณลักษณะเหล่านี้เสมอ ควรระบุความเรียบ ความตั้งฉาก และตำแหน่งที่ถูกต้องในแบบร่างการติดตั้งตัวขับเคลื่อนเสมอ หากไม่มีการระบุสิ่งเหล่านี้ การติดตั้งจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนตั้งแต่วันแรก

ความเรียบและการจัดแนวเชิงมุม

ความเรียบของพื้นผิวติดตั้งช่วยป้องกันไม่ให้มอเตอร์เอียง รูนำร่องและรูปแบบสลักเกลียวจะถูกตรวจสอบเทียบกับพื้นผิวอ้างอิงเดียวกัน การตรวจสอบนี้ช่วยตรวจจับการเอียงก่อนที่จะขันมอเตอร์ให้แน่น

ตำแหน่งของรูเพียงอย่างเดียวไม่ได้รับประกันการจัดแนวเชิงมุม ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในแนวตั้งฉากที่ฐานของแท่นยึดจะส่งผลให้เกิดการเบี่ยงเบนที่มากขึ้นที่ความสูงในการทำงานของมอเตอร์ ความคลาดเคลื่อนในแนวตั้งฉากและตำแหน่งที่แท้จริงที่เชื่อมโยงกับจุดอ้างอิงการทำงานจะควบคุมการจัดแนวได้อย่างแม่นยำ หมุดเดือยหรือการนำร่องที่ผ่านการกลึงจะให้ความแม่นยำสูงที่จำเป็น รูที่เจาะไว้ไม่สามารถรับแรงกระทำจากมอเตอร์ที่กำลังทำงานอยู่ได้

วัสดุสำหรับฐานยึดแอคชูเอเตอร์

การหยิบวัสดุขึ้นอยู่กับปริมาณ น้ำหนัก และสภาพแวดล้อม

เหล็กกล้าไร้สนิม

เหล็กกล้าไร้สนิมมีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อนและแข็งแรง สามารถรับน้ำหนักได้มากจากอุปกรณ์ขับเคลื่อนกำลังสูง ข้อเสียคือมีน้ำหนักมาก สำหรับข้อต่อขาที่ความทนทานสำคัญกว่าน้ำหนัก เหล็กกล้าไร้สนิมจึงเหมาะสม

โลหะผสมอลูมิเนียม

โลหะผสมอะลูมิเนียมมีความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและน้ำหนัก สามารถขึ้นรูปได้รวดเร็วและมีต้นทุนต่ำกว่าสแตนเลส สำหรับฐานยึดที่รับน้ำหนักปานกลาง อะลูมิเนียมจึงเป็นมาตรฐาน โลหะผสมชนิดเดียวกับที่ใช้ในเปลือกหลัก คือ 6061 และ 7075 ก็ใช้ได้เช่นกัน คุณสมบัติของโลหะผสมเหล่านี้เหมาะสมกับช่วงน้ำหนักบรรทุก

ไนลอนที่เติมแก้ว

ไนลอนเสริมใยแก้วมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมในขณะที่มีน้ำหนักเบากว่าโลหะ สามารถรับน้ำหนักได้ปานกลางและทนต่อการเสียรูปภายใต้แรงกดซ้ำๆ วัสดุนี้เหมาะสำหรับข้อต่อที่มีน้ำหนักเบาซึ่งทุกๆ กรัมมีความสำคัญ การฉีดขึ้นรูปทำให้การผลิตรวดเร็ว

ความแม่นยำคือหัวใจสำคัญของโครงสร้างทั้งหมด มอเตอร์ที่อยู่ไม่ตรงกลางจะสั่นสะเทือน ตลับลูกปืนสึกหรอ และสิ้นเปลืองพลังงาน ตัวยึดต้องรับภาระหนักเช่นเดียวกับตัวโครงหลัก คือ ต้องคงตำแหน่ง ต้านทานแรง และใช้งานได้หลายพันรอบ บางแบบที่ออกแบบมาขั้นสูงจะเพิ่มแผ่นที่เชื่อมต่อกับระบบขับเคลื่อน ทำให้การจัดแนวของตัวยึดมีความสำคัญยิ่งขึ้น ตัวยึดต้องรักษาแนวแกนของมอเตอร์และระบบขับเคลื่อนให้ตรงกัน วิศวกรจะทำการวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (FEM) เพื่อตรวจสอบเส้นทางของความเค้นและยืนยันความแข็งแรง ความแข็งแรงของตัวยึดขึ้นอยู่กับวัสดุ รูปทรง และวิธีการเชื่อมหรือยึดเข้ากับส่วนประกอบอื่นๆ ความสามารถนี้จะเป็นตัวตัดสินว่าตัวยึดจะทนทานต่อสภาวะสูงสุดและใช้งานได้หลายพันรอบหรือไม่

ตัวยึดเซ็นเซอร์ในตัวเรือนข้อต่อโครงกระดูกภายนอก

ตัวยึดเซ็นเซอร์และแท่นยึดตัวเข้ารหัสภายในตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอกจำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงในด้านความสม่ำเสมอและความเสถียรทางความร้อน เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น? ความคลาดเคลื่อนในการติดตั้งเป็นตัวกำหนดว่าความละเอียดที่ระบุไว้ของตัวเข้ารหัสจะยังคงใช้งานได้มากน้อยเพียงใดหลังการติดตั้ง หากการติดตั้งไม่สามารถทำซ้ำได้ บิตที่มีความละเอียดต่ำอาจไม่เสถียร วิศวกรจึงแก้ไขปัญหานี้ด้วยการปรับแต่ง การจัดแนวอย่างละเอียด การสอบเทียบใหม่ หรือการกรอง ความเสถียรทางความร้อนก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน วัสดุที่แตกต่างกันจะขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกัน ดังนั้นเป้าหมายการตรวจจับ สเตเตอร์ ตัวเรือน หรือเพลาอาจเคลื่อนที่สัมพันธ์กันได้ แม้แต่การเคลื่อนไหวเพียงเล็กน้อยก็ส่งผลเสียต่อคุณภาพของสัญญาณ ปัญหานี้จะรุนแรงที่สุดในตัวเข้ารหัสแบบเพลากลวง แบบโปรไฟล์ต่ำ หรือแบบไร้กรอบ ซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างโรเตอร์และสเตเตอร์ขึ้นอยู่กับโครงสร้างทางกล ระบบที่จัดแนวที่อุณหภูมิห้องอาจสูญเสียรูปทรงเรขาคณิตของสัญญาณที่ถูกต้องหลังจากการขยายตัวทางความร้อน การเปลี่ยนแปลงแรงกดล่วงหน้าของแบริ่ง หรือการโก่งตัวของโครงสร้าง

กระบวนการผลิตสำหรับโครงยึดเซ็นเซอร์

การขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก

การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC สามารถจัดการกับรายละเอียดเล็กๆ ที่จำเป็นสำหรับขายึดเซ็นเซอร์ได้ ช่องเล็กๆ ร่อง และรูยึดต่างๆ ต้องการเครื่องมือที่คมและคมมีด ช่างเครื่องสามารถควบคุมตำแหน่งได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษ สำหรับปริมาณการผลิตต่ำและปานกลาง วิธีนี้ให้ความแม่นยำสูงสุด อะลูมิเนียมที่ผ่านการคลายความเครียดเป็นวัสดุเริ่มต้นที่นิยมใช้กันทั่วไป เนื่องจากยังคงความเสถียรหลังจากการตัดเฉือน

การฉีดขึ้นรูปสำหรับการผลิตปริมาณมาก

การฉีดขึ้นรูปจะเข้ามามีบทบาทเมื่อการผลิตมีขนาดใหญ่ขึ้น แม่พิมพ์เหล็กจะขึ้นรูปชิ้นส่วนยึดได้ในครั้งเดียว และเวลาในการผลิตลดลงเหลือเพียงไม่กี่วินาที ข้อเสียคือต้นทุนในการทำแม่พิมพ์ในขั้นต้น การพิมพ์ก็ใช้ได้ผลดีสำหรับการสร้างต้นแบบ ช่วยให้วิศวกรสามารถทดสอบการประกอบก่อนที่จะตัดสินใจใช้แม่พิมพ์ สำหรับการผลิตจำนวนมาก การฉีดขึ้นรูปจะคุ้มค่ากว่าในแง่ของต้นทุนต่อชิ้น

ข้อกำหนดด้านความแม่นยำสำหรับขายึดเซ็นเซอร์

ตำแหน่งของรูยึดต้องแน่นสนิทเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ การวางแนวของเซ็นเซอร์และความเรียบของพื้นผิวต้องควบคุมให้อยู่ในขอบเขตความคลาดเคลื่อนที่แคบ เพื่อรักษาคุณภาพของสัญญาณ ความแม่นยำของขนาดช่วยให้การติดตั้งคงที่หลังจากถอดและติดตั้งใหม่ ความเสถียรทางความร้อนช่วยให้เซ็นเซอร์อยู่ในแนวเดียวกันเมื่อข้อต่อร้อนขึ้น ตัวยึดที่ยืดหรือบิดเบี้ยวตามอุณหภูมิจะทำให้การอ่านค่าผิดเพี้ยน การเลือกวัสดุและรูปทรงเรขาคณิตต่างก็มีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้

วัสดุสำหรับทำโครงยึดเซ็นเซอร์

การเลือกใช้วัสดุต้องคำนึงถึงน้ำหนัก ความแข็งแรง และต้นทุน ตัวเลือกที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ อะลูมิเนียมที่ผ่านการคลายความเครียดเพื่อความแม่นยำและเสถียรภาพ รวมถึงโลหะและโพลิเมอร์อื่นๆ สำหรับการใช้งานที่ต้องการลดน้ำหนัก วัสดุหล่อขึ้นรูป เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียมและแมกนีเซียม ใช้สำหรับชิ้นส่วนโลหะน้ำหนักเบา ส่วนวัสดุฉีดขึ้นรูป ได้แก่ พลาสติกวิศวกรรม

โลหะผสมอลูมิเนียมและแมกนีเซียม

โลหะผสมอะลูมิเนียมและแมกนีเซียมมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมในขณะที่มีน้ำหนักเบา แมกนีเซียมเบากว่า แต่เกิดสนิมได้ง่ายกว่า อะลูมิเนียมจึงมีความสมดุลที่ดีกว่าสำหรับชิ้นส่วนยึดส่วนใหญ่

ABS และโพลีคาร์บอเนต

ABS และโพลีคาร์บอเนตใช้งานได้ดีสำหรับชิ้นส่วนขึ้นรูป ABS มีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีในราคาประหยัด ส่วนโพลีคาร์บอเนตเพิ่มความแข็งแรงและความใส ทั้งสองชนิดเหมาะสำหรับรับน้ำหนักปานกลาง

PEEK สำหรับอุณหภูมิสูง

PEEK ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีกว่าพลาสติกชนิดอื่น มันยังคงความแข็งแรงและความแข็งแงแม้ในขณะที่รอยต่อมีอุณหภูมิสูง แต่มีราคาสูงกว่า จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการคุณสมบัติเฉพาะสูง

การปิดผนึกและการยึดในตัวเรือนข้อต่อของโครงสร้างภายนอก

ซีลและตัวยึดทำหน้าที่เหมือนระบบภูมิคุ้มกันของข้อต่อโครงสร้างภายนอก พวกมันป้องกันฝุ่น น้ำ และสิ่งสกปรกไม่ให้เข้าไปข้างใน หากไม่มีพวกมัน ตลับลูกปืนจะขึ้นสนิม เซ็นเซอร์จะสูญเสียความแม่นยำ และตัวกระตุ้นจะเสียหายก่อนเวลาอันควร ซีลที่ดีจะช่วยกักเก็บสารหล่อลื่นไว้ภายใน ตัวยึดช่วยยึดทุกอย่างไว้ด้วยกัน ป้องกันไม่ให้ซีลหลุดออกและตลับลูกปืนเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่ง

กระบวนการผลิตซีลและตัวยึด

ซีลและตัวยึดผลิตขึ้นโดยกระบวนการขึ้นรูปหรือการกลึง ขึ้นอยู่กับวัสดุและปริมาณ การขึ้นรูปด้วยการอัดเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับซีลยางยืด ในขณะที่การกลึง CNC ใช้สำหรับแหวนยึด

การขึ้นรูปด้วยการอัดสำหรับซีลยางยืด

การขึ้นรูปด้วยการอัด (Compression molding) เป็นกระบวนการขึ้นรูปซีลยางโดยใช้ความร้อนและแรงดัน โดยนำชิ้นยางใส่ลงในแม่พิมพ์ที่ให้ความร้อน เมื่อแม่พิมพ์ปิดลง ยางจะขยายตัวเพื่อเติมเต็มรูปทรง หลังจากแข็งตัวแล้ว ซีลจะมีรูปทรงที่ถูกต้อง กระบวนการนี้ใช้ได้กับโอริง ปะเก็น และซีลแบบริมฝีปากที่ออกแบบเฉพาะ สามารถผลิตได้ในปริมาณมากและช่วยควบคุมต้นทุนเครื่องมือให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม

การกลึง CNC สำหรับแหวนล็อก

การกลึง CNC ใช้ในการผลิตแหวนล็อกจากโลหะหรือพลาสติก เครื่องกลึงจะตัดรูปทรงแหวน ร่อง และขอบในขั้นตอนเดียว สำหรับแหวนล็อกและแหวนเกลียว การกลึงจะสร้างรูปทรงพื้นฐาน จากนั้นจึงทำการตัดช่องว่างหรือร่องเพิ่มเติม การกลึงช่วยให้ควบคุมความหนาและเส้นผ่านศูนย์กลางของแหวนได้อย่างแม่นยำ ซึ่งการควบคุมนี้มีความสำคัญเมื่อแหวนล็อกเข้ากับร่องด้วยแรงที่ถูกต้อง

ข้อกำหนดด้านความแม่นยำสำหรับซีลและตัวยึด

ขนาดร่องและผิวสำเร็จ

ขนาดของร่องเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการซีล ร่องที่ลึกเกินไปจะทำให้ซีลขยับได้ ร่องที่ตื้นเกินไปจะบีบซีลแน่นเกินไป ซึ่งทั้งสองปัญหาทำให้เกิดการรั่วซึม พื้นผิวภายในร่องก็มีความสำคัญเช่นกัน ร่องที่หยาบจะทำให้ขอบซีลเสียหายระหว่างการติดตั้ง ร่องที่เรียบจะช่วยให้ซีลเลื่อนเข้าที่ได้โดยไม่เสียหาย หลักการเดียวกันนี้ใช้กับร่องของแหวนล็อกเช่นกัน ร่องที่หยาบอาจทำให้เกิดความเครียดจนทำให้แหวนแตกได้

ค่าความคลาดเคลื่อนของการประกอบแบบสอดแทรก

การประกอบแบบอัดแน่นช่วยยึดชิ้นส่วนยึดและซีลไว้โดยไม่ต้องใช้สกรูหรือน็อต ส่วนนอกจะมีขนาดใหญ่กว่าส่วนในเล็กน้อย การกดเข้าหากันจะสร้างแรงยึด หากอัดแน่นเกินไปจะทำให้ตัวเรือนแตก หากอัดแน่นน้อยเกินไป ชิ้นส่วนก็จะหลุดออกมา วิศวกรจะคำนวณปริมาณที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากวัสดุและภาระ สำหรับตัวเรือนข้อต่อของโครงกระดูกภายนอก การสั่นสะเทือนทำให้การประกอบแบบนี้มีความสำคัญมากยิ่งขึ้น ชิ้นส่วนยึดที่หลวมอาจหลุดออกมาขณะเดินได้

วัสดุสำหรับซีลและตัวยึด

การเลือกใช้วัสดุต้องคำนึงถึงความยืดหยุ่น ความทนทานต่อสารเคมี และความแข็งแรง วัสดุที่นิยมใช้สำหรับซีลได้แก่ อีลาสโตเมอร์ ส่วนตัวยึดมักใช้โลหะหรือพลาสติก

ยางไนไตรล์และไวตัน

ยางไนไตรล์ใช้งานได้ดีกับน้ำมันและจาระบี ราคาถูกกว่าไวตัน ไวตันทนความร้อนและสารเคมีได้ดีกว่า สำหรับข้อต่อที่สัมผัสกับน้ำยาทำความสะอาดหรือสภาวะร้อนจัด ไวตันจึงปลอดภัยกว่า แต่ข้อเสียคือราคาสูงกว่า

แหวนล็อกสแตนเลส

แหวนสแตนเลสมีความแข็งแรงสูงและทนต่อการกัดกร่อน ทนทานต่อแรงสั่นสะเทือนและการประกอบซ้ำๆ วัสดุนี้คงรูปทรงได้ดีกว่าแหวนพลาสติก สำหรับงานรับน้ำหนักมาก สแตนเลสจึงเป็นตัวเลือกมาตรฐาน

PTFE และ UHMWPE

PTFE มีแรงเสียดทานต่ำและทนต่อสารเคมี ในขณะที่ UHMWPE มีความทนทานต่อการสึกหรอสูง ทั้งสองชนิดใช้งานได้ดีในฐานะแหวนรองหรือชิ้นส่วนสึกหรอ พวกมันช่วยปกป้องซีลหลักจากการถูกดันออกหรือเสียหาย ในตัวเรือนข้อต่อแบบโครงสร้างภายนอก วัสดุเหล่านี้ทำให้ข้อต่อมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น วิศวกรมักใช้การวิเคราะห์ FEM เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมของซีลและตัวยึดภายใต้ภาระ ความแข็งแรงของระบบยึดขึ้นอยู่กับวัสดุ รูปร่าง และความพอดี ตัวยึดที่อ่อนแอจะเสียหายก่อนซีล ความเสียหายนั้นจะทำให้สิ่งสกปรกเข้าไปและทำลายตลับลูกปืนด้วยเช่นกัน หลักการเดียวกันนี้ใช้กับตลับลูกปืนทุกตัวในชุดประกอบ แต่ละตัวต้องการซีลและตัวยึดที่ตรงกับค่าความคลาดเคลื่อนและลักษณะการรับภาระ ในทางปฏิบัติ การซีลและการยึดควรได้รับความสนใจมากพอๆ กับตัวเรือนหลัก ซีลราคาถูกอาจทำลายข้อต่อราคาแพงได้

การกลึงชิ้นส่วนสำหรับข้อต่อของโครงสร้างภายนอก

มีหลายวิธีในการผลิตตัวเรือนข้อต่อของโครงกระดูกภายนอก คุณสามารถใช้เครื่องจักร CNC และการฉีดขึ้นรูปทั่วไปได้ หรือจะใช้การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ก็ได้เช่นกัน แต่ละวิธีให้ความแม่นยำและรูปทรงที่แตกต่างกัน ทางเลือกที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับจำนวนที่ต้องการ งบประมาณ และประสิทธิภาพที่ต้องการ บริษัทอย่าง NOBLE ซึ่งเป็นบริษัทผู้ผลิตชั้นนำในประเทศจีน นำเสนอตัวเลือกทั้งหมดนี้ในที่เดียว ทักษะการผลิตของพวกเขาช่วยให้ลูกค้าสามารถเปลี่ยนจากต้นแบบไปสู่การผลิตเต็มรูปแบบได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนซัพพลายเออร์

กระบวนการลบออก

งานกัดซีเอ็นซี 3 แกน และ 5 แกน

การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC แบบสามแกนสร้างรูปทรงพื้นฐาน เครื่องมือจะเคลื่อนที่ในแกน X, Y และ Z ในขณะที่ชิ้นงานอยู่กับที่ เหมาะสำหรับชิ้นส่วนยึดแบบง่ายๆ และพื้นผิวเรียบ การตัดเฉือนแบบห้าแกนเพิ่มแกนหมุนอีกสองแกน เครื่องมือสามารถเข้าถึงส่วนเว้าและพื้นผิวเอียงได้ในการตั้งค่าเพียงครั้งเดียว ซึ่งช่วยได้มากสำหรับตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอกที่มีส่วนโค้งซับซ้อน การตั้งค่าที่น้อยลงหมายถึงความแม่นยำที่ดีขึ้น การกัดแบบห้าแกนเป็นตัวเลือกที่นิยมใช้สำหรับตัวเรือนข้อต่ออะลูมิเนียมแบบกำหนดเอง แผนการกัดแบบไดนามิกช่วยในการตัดเฉือนผนังบางโดยการป้องกันไม่ให้ส่วนที่บางสั่นระหว่างการตัด

การกลึงและงานกลึงกัด

การกลึงเป็นการตัดชิ้นส่วนทรงกลมบนเครื่องกลึง ร่องสำหรับติดตั้งตลับลูกปืน รูสำหรับเพลา และร่องสำหรับแหวนล็อก ล้วนต้องอาศัยการกลึง ชิ้นงานจะหมุนในขณะที่เครื่องมือเคลื่อนที่ไปตามความยาวของชิ้นงาน การกลึงแบบผสมผสาน (Turn-mill) เป็นการรวมการกลึงและการกัดเข้าไว้ในเครื่องเดียว ซึ่งช่วยลดเวลาในการทำงานและทำให้ชิ้นส่วนทรงกลมและทรงแบนเรียงตัวกันได้ดีขึ้น การกลึงที่แม่นยำจะให้ความกลมที่สมบูรณ์แบบซึ่งจำเป็นสำหรับการติดตั้งตลับลูกปืน

เทคโนโลยีการพิมพ์แบบเติมเนื้อวัสดุและการพิมพ์ 3 มิติ

การผลิตสารเติมแต่งโลหะ

การผลิตชิ้นส่วนโลหะด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (Additive Manufacturing) สร้างชิ้นส่วนจากผงโลหะ โดยใช้เลเซอร์หลอมแต่ละชั้นและเชื่อมติดกับชั้นด้านล่าง ผลลัพธ์ที่ได้คือชิ้นส่วนโลหะที่มีความหนาแน่นเต็มที่ เทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับช่องภายในที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถใช้เครื่องจักรในการขึ้นรูปได้ ข้อเสียคือความเรียบของพื้นผิว พื้นผิวที่พิมพ์ออกมาต้องผ่านกระบวนการขึ้นรูปเพิ่มเติมเพื่อทำที่นั่งแบริ่งและร่องซีล

การสะสมพลังงานกำกับ

เทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยพลังงานโดยตรง (Directed Energy Deposition: DED) ป้อนผงโลหะหรือลวดเข้าไปในลำแสงเลเซอร์ วัสดุจะหลอมละลายเมื่อสัมผัสกับชิ้นส่วน เทคโนโลยี DED เหมาะที่สุดสำหรับการเพิ่มรายละเอียดหรือซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอ ไม่ค่อยนิยมใช้กับตัวเรือนทั้งหมด แต่มีประโยชน์สำหรับการผลิตแบบไฮบริด กล่าวคือ คุณจะทำการกลึงเปลือกพื้นฐานและเพิ่มรายละเอียดที่พิมพ์ลงไปด้านบน

การพิมพ์ 3 มิติด้วยเทคโนโลยีการหลอมละลาย (Fused Deposition Modeling: FDM) ก็มีบทบาทสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา FDM สร้างชิ้นส่วนจากเส้นใยหลอมเหลวเป็นชั้นๆ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย FDM เหล่านี้ใช้งานได้ดีสำหรับต้นแบบและชิ้นส่วนที่มีแรงกดต่ำ FDM ช่วยให้วิศวกรตรวจสอบความพอดีและรูปทรงได้อย่างรวดเร็ว ชิ้นส่วนรับน้ำหนักที่พิมพ์ด้วย FDM เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นชิ้นส่วนทดสอบการทำงาน ช่วยให้คุณตรวจสอบระยะห่างและการประกอบก่อนการตัดโลหะ การพิมพ์ 3 มิติด้วยเทคโนโลยีการหลอมละลายเป็นวิธีที่เชื่อถือได้ในการทดลองออกแบบโดยไม่ต้องรอเครื่องมือ

กระบวนการขึ้นรูปและการหล่อ

หล่อการลงทุน

การหล่อแบบแม่พิมพ์ขี้ผึ้งเริ่มต้นด้วยการเคลือบแม่พิมพ์ด้วยเซรามิก เมื่อเซรามิกแข็งตัวแล้ว ขี้ผึ้งจะละลายออกไป โลหะจะเข้าไปเติมเต็มช่องว่างที่เหลืออยู่ กระบวนการนี้สามารถจัดการกับรูปทรงภายในที่ซับซ้อนซึ่งการกลึงไม่สามารถทำได้ ผิวสำเร็จและความแม่นยำอยู่ระหว่างการพิมพ์และการหล่อ

สายการผลิตผลิตภัณฑ์ฉีดขึ้นรูป

การฉีดขึ้นรูปใช้แรงดันพลาสติกหลอมเหลวเข้าไปในแม่พิมพ์เหล็ก กระบวนการนี้รวดเร็ว โดยใช้เวลาต่อรอบน้อยกว่าหนึ่งนาที ต้นทุนการผลิตแม่พิมพ์เริ่มต้นสูง แต่ต้นทุนต่อชิ้นจะลดลงเมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้น สำหรับการผลิตตัวเรือนข้อต่อโครงกระดูกภายนอกจำนวนมาก การฉีดขึ้นรูปจึงเป็นทางเลือกที่ดีกว่า กระบวนการนี้ให้ขนาดที่สม่ำเสมอในชิ้นส่วนนับพันชิ้น NOBLE รวบรวมวิธีการเหล่านี้ไว้ในผู้ผลิตรายเดียว นั่นหมายความว่าคุณสามารถสร้างต้นแบบด้วยการพิมพ์ ตรวจสอบความถูกต้องด้วยการหล่อ และขยายขนาดด้วยการฉีดขึ้นรูปหรือการกลึง

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับส่วนหุ้มข้อต่อของโครงกระดูกภายนอก

ตัวเรือนข้อต่อของโครงกระดูกภายนอกต้องรับน้ำหนักได้โดยไม่โค้งงอ และต้องมีน้ำหนักเบาด้วย น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นทุกกรัมหมายความว่ามอเตอร์ต้องทำงานหนักขึ้น วิศวกรจึงต้องสร้างสมดุลระหว่างข้อกำหนดทั้งสองนี้ในทุกขั้นตอน

ความสมบูรณ์ของโครงสร้างและการเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนัก

การเพิ่มประสิทธิภาพทางโทโพโลยีและการสร้างโครงสร้างซี่

การปรับแต่งโครงสร้างทางเรขาคณิตจะค้นหาตำแหน่งที่ต้องการวัสดุมากที่สุด ซอฟต์แวร์จะเริ่มต้นด้วยก้อนวัสดุ จากนั้นจะกำจัดทุกอย่างที่ไม่รับแรง สิ่งที่เหลืออยู่จะมีลักษณะเป็นโครงสร้างธรรมชาติ บาง และมีประสิทธิภาพ การเสริมซี่โครงจะเพิ่มความแข็งแรงให้กับผนังที่บาง ซี่โครงที่วางตามแนวรับแรงจะช่วยป้องกันไม่ให้ผนังโก่งงอ รูปแบบซี่โครงที่ดีสามารถเพิ่มความแข็งแรงของเปลือกได้อย่างมาก ความแข็งแรงของตัวเรือนทั้งหมดขึ้นอยู่กับว่าซี่โครงเชื่อมต่อกับที่นั่งแบริ่งและแผ่นยึดอย่างไร

การตรวจสอบความถูกต้องของการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด

การวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (Finite Element Analysis: FEM) ช่วยตรวจสอบการออกแบบก่อนการตัดโลหะ วิศวกรสร้างแบบจำลองตาข่ายขององค์ประกอบขนาดเล็กบนชิ้นส่วน จากนั้นจึงกำหนดแรงและข้อจำกัดต่างๆ ซอฟต์แวร์จะคำนวณความเค้นและการโก่งตัวในทุกจุด และค้นหาจุดอ่อนได้ตั้งแต่เนิ่นๆ สำหรับชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์ วิศวกรจะใช้แบบจำลองวัสดุแบบออร์โธโทรปิก (Orthotropic Material Model) ที่คำนึงถึงค่าความแข็งที่แตกต่างกันในทิศทางต่างๆ วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ช่วยในการเปรียบเทียบตัวเลือกต่างๆ การวิเคราะห์แบบเดียวกันกับอะลูมิเนียม ไทเทเนียม และคาร์บอนไฟเบอร์ จะแสดงให้เห็นว่าวัสดุใดรับน้ำหนักได้ดีที่สุด วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ยังช่วยตรวจสอบความถูกต้องของการวางตำแหน่งของโครงสร้างเสริมแรง (rib) ผลลัพธ์จากการวิเคราะห์ FEM จะเป็นแนวทางในการเลือกรูปทรงและวัสดุขั้นสุดท้าย

การจัดการความร้อนและความทนทานต่อการสึกหรอ

เส้นทางการระบายความร้อน

ความร้อนเกิดขึ้นจากหลายแหล่งภายในตัวเครื่อง ตัวกระตุ้นและมอเตอร์สร้างความร้อนระหว่างการใช้งาน ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ภายในเพิ่มความร้อนมากขึ้น ความร้อนจากร่างกายของผู้ใช้ทำให้สถานการณ์แย่ลง จุดสัมผัสของข้อต่อจะร้อนขึ้นจากแรงเสียดทานและแรงกด การระบายอากาศที่จำกัดรอบๆ ข้อต่อจะกักเก็บความร้อนนั้นไว้ ชั้นฉนวนในวัสดุรองรับจะขัดขวางการระบายความร้อน ความชื้นจากเหงื่อลดประสิทธิภาพการระบายความร้อนและทำให้เกิดการระคายเคืองผิวหนัง การทำงานแบบไดนามิกสร้างภาระความร้อนที่เปลี่ยนแปลงได้ วิศวกรจึงออกแบบช่องทางให้ความร้อนไหลออก พวกเขาใช้ครีบ แผ่นรองนำความร้อน และช่องระบายอากาศเพื่อระบายความร้อนออกจากส่วนที่ไวต่อความร้อน

การรักษาพื้นผิวและการเคลือบ

เปลือกนอกใช้วัสดุพลาสติก ABS คาร์บอนไฟเบอร์ หรือโลหะผสมอะลูมิเนียม วัสดุแต่ละชนิดนำความร้อนและเป็นฉนวนความร้อนแตกต่างกัน ชั้นสัมผัสภายในใช้โฟมเมมโมรีและตาข่าย วัสดุเหล่านี้ช่วยปกป้องผู้ใช้แต่ก็กักเก็บความร้อนด้วย โพลิเมอร์อินทรีย์ผสมกับผ้าช่วยเพิ่มฉนวนกันความร้อน ฉนวนที่เพิ่มขึ้นนี้จะเปลี่ยนการตอบสนองทางความร้อนของข้อต่อทั้งหมด การเคลือบผิว เช่น การชุบอะโนไดซ์แข็งบนอะลูมิเนียม จะเพิ่มชั้นป้องกันการสึกหรอ และปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนสำหรับการใช้งานทางการแพทย์หรือกลางแจ้ง

ความสะดวกในการประกอบและบำรุงรักษา

การออกแบบแบบโมดูลาร์เพื่อการเปลี่ยนชิ้นส่วนในภาคสนาม

การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้ช่างเทคนิคสามารถเปลี่ยนเปลือกที่เสียหายได้อย่างรวดเร็ว ตัวยึดและตัวเชื่อมต่อมาตรฐานช่วยลดเวลาหยุดทำงาน ข้อต่อแบบโมดูลาร์ต้องมีความแข็งแรงเทียบเท่ากับการออกแบบดั้งเดิม การทดสอบพิสูจน์แล้วว่าการเชื่อมต่อสามารถรับน้ำหนักซ้ำๆ ได้ วิธีการนี้ยังรองรับการอัปเกรดได้อีกด้วย แอคชูเอเตอร์รุ่นใหม่สามารถติดตั้งในตัวเรือนเดิมได้

การจัดการการสะสมค่าความคลาดเคลื่อน

ค่าความคลาดเคลื่อนสะสมจะส่งผลต่อการประกอบชิ้นส่วนทั้งหมด เช่น รูเพลาที่อยู่ใกล้ขีดจำกัดสูงสุดแต่ตลับลูกปืนอยู่ใกล้ขีดจำกัดต่ำสุด จะทำให้เกิดการหลวม การหลวมนี้จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงดัง การวิเคราะห์การสะสมค่าความคลาดเคลื่อนจะช่วยคาดการณ์ช่องว่างที่แย่ที่สุด วิศวกรจะปรับค่าความคลาดเคลื่อนแต่ละส่วนเพื่อให้การประกอบขั้นสุดท้ายเป็นไปตามข้อกำหนด ความแม่นยำของข้อต่อขั้นสุดท้ายขึ้นอยู่กับการจัดการการสะสมค่าความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ ความแข็งแรงของข้อต่อแบบใช้สลักเกลียวขึ้นอยู่กับแรงดึงล่วงหน้าที่ถูกต้อง สลักเกลียวที่หลวมจะลดความแข็งแรงของข้อต่อ สลักเกลียวที่แน่นเกินไปจะทำให้เกลียวเสียหาย การจัดการการสะสมค่าความคลาดเคลื่อนที่ดีจะช่วยให้ตัวยึดทุกตัวทำงานได้อย่างถูกต้อง

วัสดุที่นิยมใช้ในการผลิตข้อต่อของโครงกระดูกภายนอก

วัสดุที่ใช้ในส่วนประกอบข้อต่อของโครงกระดูกภายนอกมีหลากหลายประเภท วัสดุที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ โลหะผสมอะลูมิเนียมและเหล็กกล้า เนื่องจากมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงและทนทานต่อความล้า โพลิเมอร์ เช่น ABS ก็มีการใช้งานเช่นกัน โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับต้นแบบที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ วัสดุแต่ละชนิดมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป

โลหะมีค่า

อะลูมิเนียม 6061-T6 และ 7075-T6

อะลูมิเนียม 6061-T6 และ 7075-T6 เป็นโลหะผสมที่ใช้กันทั่วไปสองชนิดสำหรับตัวเรือนข้อต่อ พวกมันสามารถขึ้นรูปได้ดีและมีความแข็งแรงดี แต่ก็มีความแตกต่างกันในประเด็นสำคัญ ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบ:

อสังหาริมทรัพย์	6061-T6	7075‑T6 / 7075‑T651
ความต้านทานแรงดึง	276 MPa	503 MPa
ความเมื่อยล้า	96 MPa	160 MPa
โมดูลัสยืดหยุ่น	เกรดเฉลี่ย 71.0	เกรดเฉลี่ย 71.7
ความต้านทานการกัดกร่อน	ฟิล์มออกไซด์ Al₂O₃ ที่สร้างชั้นป้องกันตัวเอง (เสถียร)	มีส่วนประกอบของทองแดง 1.2–2.0%; จำเป็นต้องเคลือบผิว
ความต้องการการเคลือบ	ไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง	ต้องผ่านกระบวนการทำให้เกิดชั้นป้องกันหรือเคลือบผิว

การเปลี่ยนจาก 6061 เป็น 7075 จะลดพื้นที่หน้าตัดลงประมาณ 45% สำหรับแรงดึงเท่าเดิม แต่ความแข็งแกร่งยังคงเกือบเท่าเดิม หากการโก่งงอเป็นปัจจัยหลักในการออกแบบ 7075 ก็ไม่มีประโยชน์ สำหรับการใช้งานที่มีรอบการใช้งานสูง 7075 หรือคาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า การเคลือบแบบเทอร์โมเซตหรืออะโนไดซ์หลายชั้นขั้นสูงช่วยปิดผนึกรูพรุนขนาดเล็กบน 7075-T6 การเคลือบเหล่านั้นช่วยป้องกันการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความชื้นภายใต้การรับแรงแบบวงจรความถี่สูงเกิน 10 ล้านรอบการใช้งาน พื้นผิวอะโนไดซ์แข็งที่ปิดผนึกแล้วยังทนต่อการทดสอบการพ่นเกลือได้นานกว่า 2,000 ชั่วโมงโดยไม่เกิดการกัดกร่อนเป็นหลุม

ไทเทเนียม Ti-6Al-4V

ไทเทเนียม Ti-6Al-4V แข็งแรงกว่าโลหะผสมอะลูมิเนียมทั้งสองชนิดและเบากว่าเหล็ก ทนความร้อนและการกัดกร่อนได้ดี โครงกระดูกภายนอกทางการแพทย์มักใช้ไทเทเนียมเนื่องจากสามารถทำงานร่วมกับร่างกายมนุษย์ได้ ข้อเสียคือต้นทุนและความยากในการขึ้นรูป ไทเทเนียมต้านทานการตัดและมีราคาสูงกว่าต่อปอนด์ แต่สำหรับการใช้งานที่น้ำหนักและความทนทานต่อการกัดกร่อนมีความสำคัญที่สุด ไทเทเนียมก็สามารถเติมเต็มช่องว่างที่อะลูมิเนียมไม่สามารถทำได้

สแตนเลส 17-4 PH

เหล็กกล้าไร้สนิม 17-4 PH พบได้ในชิ้นส่วนข้อต่อที่มีการสึกหรอสูง เช่น ตัวเรือนแบริ่ง สลักข้อต่อ และจุดหมุน มันมีน้ำหนักมากแต่ทนทานและราคาถูก โครงสร้างภายนอกแบบพาสซีฟบางชนิดใช้เหล็กสปริงเพื่อเก็บพลังงานยืดหยุ่น โลหะผสมพิเศษสามารถรับแรงกระทำซ้ำๆ ได้อย่างมาก เหล็กอาจไม่ใช่ตัวเลือกแรกสำหรับงานออกแบบที่ต้องการความเบา แต่ในด้านความทนทานนั้นถือว่าดีเยี่ยม

พอลิเมอร์และวัสดุผสม

PEEK และ PEI

PEEK และ PEI (จำหน่ายในชื่อ Ultem) เป็นพลาสติกวิศวกรรมที่ใช้สำหรับบูชข้อต่อและพื้นผิวรับแรง มีคุณสมบัติทนทานต่อการสึกหรอโดยไม่ต้องใช้จาระบี ช่วยลดน้ำหนักและต้นทุน นอกจากนี้ยังสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ ซึ่งหากทำจากอะลูมิเนียมจะสิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย สำหรับตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอก พลาสติกเหล่านี้ทำงานได้ดีในกรณีที่การหล่อลื่นไม่เหมาะสม

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และใยแก้ว

พอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอนมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม แต่เปราะบางและเสียหายง่ายเมื่อถูกกระแทก วัสดุเมทริกซ์จะเสื่อมสภาพเมื่อโดนแสงยูวี การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และความชื้น ซึ่งทำให้เกิดการแยกชั้นและสูญเสียความแข็งแรง ในขณะที่วัสดุคอมโพสิตใยแก้วมีราคาถูกกว่าแต่มีน้ำหนักมากกว่า ทั้งสองชนิดจำเป็นต้องออกแบบอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายฉับพลัน

PLA และ ABS สำหรับการสร้างต้นแบบด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

สำหรับต้นแบบในระยะเริ่มต้น ABS และ PLA เป็นวัสดุที่นิยมใช้กัน วิศวกรใช้การพิมพ์แบบ FDM (Fused Deposition Modeling) เพื่อพิมพ์ชิ้นส่วนเหล่านี้อย่างรวดเร็ว เส้นใยโพลีเมอร์จะไหลผ่านหัวฉีดที่ให้ความร้อนและสร้างขึ้นเป็นชั้นๆ ชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิติที่รับน้ำหนักได้เหล่านี้ใช้งานได้ดีสำหรับการตรวจสอบความพอดีและระยะห่าง ไม่ได้มีไว้สำหรับการผลิตขั้นสุดท้าย แต่การพิมพ์แบบ FDM ช่วยให้ทดสอบรูปทรงได้อย่างรวดเร็ว วิศวกรพึ่งพาการพิมพ์เนื่องจากความเร็วและต้นทุนต่ำ คุณสมบัติของวัสดุของชิ้นส่วนที่พิมพ์เหล่านี้ดีพอสำหรับการสร้างต้นแบบ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการพิมพ์ด้วย ABS จึงเป็นที่นิยมในระยะเริ่มต้น

เกณฑ์การคัดเลือกและการแลกเปลี่ยนจุดแข็ง

อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

โดยพื้นฐานแล้ว ความแข็งแรง น้ำหนัก และความทนทานย่อมมีความสมดุลกัน โลหะผสมอะลูมิเนียมมีน้ำหนักเบา แต่มีแนวโน้มที่จะเสียหายภายใต้แรงกระทำซ้ำๆ เหล็กมีความแข็งแรงกว่า แต่เพิ่มน้ำหนักซึ่งลดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และความสะดวกสบายของผู้ใช้ วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม แต่เกิดความเสียหายในลักษณะที่ยากต่อการคาดเดา

ต้นทุนและความสามารถในการแปรรูป

ต้นทุนและปริมาณการผลิตเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกใช้วัสดุ เหล็กกล้าไร้สนิม 6061 มีราคาถูกและหาได้ง่าย ส่วนคาร์บอนไฟเบอร์มีราคาแพงและกระบวนการผลิตช้า การผลิตในปริมาณน้อยมักเลือกใช้โลหะกลึง ส่วนการผลิตในปริมาณมากนั้น การใช้พลาสติกฉีดขึ้นรูปจึงเหมาะสมกว่า ความสามารถในการกลึงก็มีความสำคัญเช่นกัน อะลูมิเนียมกลึงได้เร็ว ส่วนไทเทเนียมทำให้เครื่องมือสึกหรอเร็ว

ความต้านทานการกัดกร่อนและความเมื่อยล้า

ความต้านทานการกัดกร่อนช่วยให้ข้อต่อทำงานได้ในสภาวะที่รุนแรง อลูมิเนียม 6061 สร้างชั้นออกไซด์ที่เสถียรได้ด้วยตัวเอง ในขณะที่ 7075 จำเป็นต้องเคลือบเนื่องจากมีส่วนประกอบของทองแดง ความต้านทานต่อความล้าก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน อลูมิเนียม 6061-T6 มีความแข็งแรงต่อความล้า 96 MPa ในขณะที่ 7075-T6 มีความแข็งแรงต่อความล้าถึง 160 MPa สำหรับการใช้งานที่มีรอบการทำงานสูง 7075 หรือคาร์บอนไฟเบอร์จึงเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า กลไกของข้อต่อเองมักเป็นจุดที่เกิดความเสียหาย ตลับลูกปืนและบูชทั่วไปสึกหรออย่างรวดเร็วภายใต้การรับน้ำหนักความถี่สูง ตลับลูกปืนภายในตัวเรือนก็เผชิญกับความต้องการเดียวกัน ตลับลูกปืนต้องรับมือกับรอบการทำงานซ้ำๆ โดยไม่สึกหรอ การขาดวัสดุหล่อลื่นในตัวที่มีประสิทธิภาพทำให้ความต้องการในการบำรุงรักษาสูงขึ้น วิศวกรพิจารณาคุณสมบัติทางกล เช่น ความแข็งแรงต่อความล้า เมื่อเลือกวัสดุ ความแข็งแรงของชุดประกอบทั้งหมดขึ้นอยู่กับการเลือกที่ถูกต้อง พวกเขายังทำการวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมภายใต้ภาระ คุณสมบัติของวัสดุเป็นตัวกำหนดการตัดสินใจทุกอย่าง การเลือกที่ถูกต้องจะเป็นตัวตัดสินระหว่างข้อต่อที่ใช้งานได้ยาวนานและข้อต่อที่ล้มเหลวก่อนกำหนด

ความเชี่ยวชาญของ NOBLE ในด้านการออกแบบข้อต่อสำหรับโครงสร้างภายนอก (Exoskeleton Joint Housing)

NOBLE เป็นพันธมิตรด้านการผลิตที่ทำงานกับโลหะและพลาสติก เราผลิตชิ้นส่วนข้อต่อโครงสร้างภายนอกสำหรับทีมที่ต้องการความคลาดเคลื่อนที่แม่นยำและคุณภาพที่สม่ำเสมอ โรงงานของเราจัดการทั้งงานโลหะและพลาสติก การผสมผสานนี้มีความสำคัญ เพราะชิ้นส่วนข้อต่อแทบจะไม่เคยใช้เพียงวัสดุเดียว

ความสามารถในการแปรรูปโลหะและพลาสติก

การกลึง CNC, การหล่อ และการฉีดขึ้นรูป

เราให้บริการงานกลึง CNC งานหล่อ และงานฉีดขึ้นรูปครบวงจรในที่เดียว นั่นหมายความว่า ชิ้นส่วนอลูมิเนียมกลึงขึ้นรูป ตัวยึดแอคชูเอเตอร์แบบหล่อ และตัวยึดเซ็นเซอร์แบบฉีดขึ้นรูป สามารถผลิตจากเราได้ทั้งหมด คุณจึงไม่ต้องเสียเวลาโยนความผิดให้กันและกัน สำหรับชิ้นส่วนพลาสติก เราใช้พลาสติก ABS และเกรดวิศวกรรมอื่นๆ ในการฉีดขึ้นรูป นอกจากนี้เรายังรองรับการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการประกอบและทดสอบชิ้นงานในระยะเริ่มต้น หากคุณต้องการต้นแบบอย่างรวดเร็วก่อนการผลิตแม่พิมพ์ การพิมพ์ 3 มิติจะช่วยให้คุณได้ชิ้นส่วนอย่างรวดเร็ว

บริการออกแบบ สร้างต้นแบบ และประกอบชิ้นส่วน

ทีมงานของเราช่วยในด้านการออกแบบ การสร้างต้นแบบ และการประกอบ เราจะตรวจสอบแบบร่างของคุณ ชี้ให้เห็นส่วนที่ยากต่อการผลิต และแนะนำการเปลี่ยนแปลงที่ช่วยลดต้นทุน จากนั้นจึงเริ่มสร้างต้นแบบ และประกอบชิ้นส่วนทั้งหมด เราจะทำการอัดตลับลูกปืน ติดตั้งแหวนล็อก และตรวจสอบความพอดีก่อนจัดส่ง ความแข็งแรงของชิ้นส่วนสุดท้ายขึ้นอยู่กับขั้นตอนเหล่านี้ ดังนั้นเราจึงถือว่าการประกอบเป็นส่วนหนึ่งของการผลิต ไม่ใช่สิ่งที่เราเพิ่มเข้ามาในภายหลัง

การรับรองและการประกันคุณภาพ

เรามีใบรับรองการจัดการคุณภาพที่เกี่ยวข้อง รวมถึงใบรับรองสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ใบรับรองเหล่านี้ไม่ใช่แค่ของประดับผนัง แต่เป็นตัวกำหนดวิธีการบันทึกการทำงาน การฝึกอบรมพนักงาน และการจัดการคำสั่งเปลี่ยนแปลงของเรา

โปรโตคอลการตรวจสอบและติดตามย้อนกลับอย่างครบถ้วน

ทุกล็อตสามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังใบรับรองวัสดุและบันทึกเครื่องจักรได้ เราตรวจสอบวัตถุดิบที่เข้ามา คุณสมบัติระหว่างกระบวนการผลิต และชิ้นส่วนสำเร็จรูป การตรวจสอบด้วยเครื่อง CMM ยืนยันเส้นผ่านศูนย์กลางรูเจาะ ตำแหน่งรู และความเรียบ หากขนาดใดคลาดเคลื่อน เราจะตรวจพบก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาใหญ่ ความมีระเบียบวินัยเช่นนี้ช่วยปกป้องความแข็งแรงของข้อต่อแต่ละจุดและความแข็งแกร่งของกำหนดการของคุณ

ตั้งแต่การออกแบบจนถึงการประกอบ

การสนับสนุนด้านวิศวกรรมแบบร่วมมือ

เราทำงานเสมือนเป็นส่วนเสริมของทีมวิศวกรรมของคุณ ส่งแบบจำลองมาให้เรา แล้วเราจะบอกคุณว่าต้องใช้เครื่องจักรประเภทใด ราคาเท่าไหร่ และอาจเกิดข้อผิดพลาดที่จุดใด การสื่อสารไปมาแบบนี้ช่วยลดรอบการแก้ไขได้

การผลิตและการทดสอบแบบครบวงจร

ตั้งแต่ชิ้นงานตัวอย่างแรกจนถึงการผลิตเต็มรูปแบบ เราดูแลทุกขั้นตอน ตั้งแต่การกลึง การขึ้นรูป การตกแต่ง และการทดสอบ คุณจะได้พันธมิตรเพียงรายเดียว ระบบคุณภาพเดียว และผู้ติดต่อเพียงคนเดียว นั่นคือแนวคิดหลักเบื้องหลัง NOBLE

ส่วนประกอบหลักของข้อต่อโครงสร้างภายนอกทุกแบบล้วนเหมือนกัน ได้แก่ เปลือกหลัก ที่นั่งแบริ่ง แท่นยึดตัวกระตุ้นและมอเตอร์ ตัวยึดเซ็นเซอร์ และส่วนประกอบสำหรับการปิดผนึกและการยึด แต่ละส่วนมีกระบวนการผลิต เป้าหมายความแม่นยำ และวัสดุที่แตกต่างกัน การเลือกเหล่านั้นต้องสอดคล้องกับภาระ น้ำหนัก และสภาพแวดล้อมที่ข้อต่อจะต้องเผชิญ

การกลึง การหล่อ การขึ้นรูป และการพิมพ์ 3 มิติ ล้วนมีบทบาทในที่นี้ เช่นเดียวกับการเลือกวัสดุ ซึ่งต้องคำนึงถึงความแข็งแรง น้ำหนัก ต้นทุน และความทนทานต่อการกัดกร่อน หากเลือกโครงสร้างที่เหมาะสม ข้อต่อก็จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับข้อต่อของโครงสร้างภายนอก

ส่วนประกอบของข้อต่อโครงกระดูกภายนอกทำจากวัสดุอะไร?

ตัวเรือนข้อต่อโครงสร้างภายนอกมักทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียม เช่น 6061-T6 ไทเทเนียม Ti-6Al-4V ใช้ในงานทางการแพทย์หรือสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน พอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอนให้ความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีที่สุด PEEK เหมาะสำหรับบูชและพื้นผิวรับแรง การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับภาระ น้ำหนัก และสภาพแวดล้อม

เหตุใดความแม่นยำของเบาะรองลูกปืนจึงมีความสำคัญมากเช่นนี้?

ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางรูหลวม ตลับลูกปืนอาจหมุนอยู่กับที่ได้ แต่ถ้าแน่นเกินไป วงแหวนรองรับตลับลูกปืนก็จะถูกบีบอัด ในทั้งสองกรณี ข้อต่อจะสูญเสียพลังงานและสึกหรอเร็ว เส้นผ่านศูนย์กลางรู ความกลม ความเป็นแกนร่วม และความตั้งฉาก จะช่วยปกป้องตลับลูกปืน ถ้าค่าเหล่านี้ถูกต้อง ข้อต่อจะทำงานได้อย่างราบรื่นเป็นพันๆ รอบ

คุณสามารถพิมพ์ชิ้นส่วนข้อต่อของโครงกระดูกภายนอกด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้หรือไม่?

คุณสามารถพิมพ์ชิ้นงานต้นแบบได้ แต่ชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมาจะไม่แข็งแรงเท่าโลหะที่ขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูป การพิมพ์แบบ FDM (Fused Deposition Modeling) เหมาะสำหรับการตรวจสอบความพอดีและระยะห่างในเบื้องต้น การผลิตชิ้นส่วนโลหะแบบเติมเนื้อวัสดุ (Metal Additive Manufacturing) ทำให้ได้ชิ้นส่วนโลหะที่มีความหนาแน่นสูงและมีช่องภายในที่ซับซ้อน ชิ้นส่วนเหล่านี้ยังคงต้องผ่านกระบวนการกลึงหลังจากพิมพ์เสร็จ เพื่อทำที่นั่งแบริ่งและร่องซีล

ตัวยึดเซ็นเซอร์ต้องมีค่าความคลาดเคลื่อนเท่าใด?

การวางตำแหน่งรูยึด การวางแนวของเซ็นเซอร์ ความเรียบของพื้นผิว และความสามารถในการทำซ้ำ ต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด นอกจากนี้ ความเสถียรทางความร้อนก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากวัสดุแต่ละชนิดมีการขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกัน

ซีลและตัวยึดช่วยปกป้องข้อต่อได้อย่างไร?

ซีลช่วยป้องกันฝุ่น น้ำ และสิ่งสกปรกไม่ให้เข้าไปภายใน นอกจากนี้ยังช่วยกักเก็บสารหล่อลื่นไว้ภายใน ตัวยึดช่วยป้องกันไม่ให้ซีลหลุดออกมาและป้องกันไม่ให้ตลับลูกปืนเคลื่อนที่ วัสดุที่ใช้ทำซีลจะถูกเลือกตามสภาพแวดล้อม วงแหวนโลหะทนทานต่อการสั่นสะเทือนและการประกอบซ้ำๆ ได้ดี

การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างในงานออกแบบที่อยู่อาศัยคืออะไร?

การปรับแต่งโครงสร้างเริ่มต้นด้วยวัสดุที่เป็นก้อนแข็ง ซอฟต์แวร์จะกำจัดวัสดุที่ไม่รับแรงทั้งหมด ผลลัพธ์ที่ได้คือรูปทรงที่บาง กระชับ และดูเป็นธรรมชาติ การเสริมโครงสร้างด้วยซี่ทำให้ผนังบางมีความแข็งแรงมากขึ้น รูปแบบซี่ที่ดีสามารถเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างได้อย่างมาก

เหตุใดอลูมิเนียม 7075 จึงจำเป็นต้องมีการเคลือบผิว?

อะลูมิเนียม 7075 มีส่วนผสมของทองแดง ซึ่งช่วยป้องกันการก่อตัวของชั้นออกไซด์ตามธรรมชาติ หากไม่มีชั้นออกไซด์นี้ ความชื้นอาจทำให้เกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนได้ การเคลือบแบบพาสซิเวตหรืออะโนไดซ์จะช่วยปิดผนึกพื้นผิว พื้นผิวอะโนไดซ์แข็งที่ปิดผนึกแล้วสามารถทนต่อการทดสอบการพ่นละอองเกลือได้นานกว่า 2,000 ชั่วโมงโดยไม่เกิดการกัดกร่อนเป็นหลุม

เมื่อใดที่คุณควรเลือกใช้ไทเทเนียมแทนอะลูมิเนียม?

ไทเทเนียม Ti-6Al-4V สามารถทนความร้อนและการกัดกร่อนได้ดีกว่าอะลูมิเนียม นอกจากนี้ยังเข้ากันได้กับร่างกาย ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับโครงสร้างภายนอกทางการแพทย์ ข้อเสียคือราคาสูงและยากต่อการขึ้นรูป สำหรับข้อต่อที่ต้องการความเบาเป็นพิเศษในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือทางการแพทย์ ไทเทเนียมจึงเหมาะสมกว่าอะลูมิเนียม