Vỏ khớp của bộ khung xương ngoài thường có một số bộ phận chính: vỏ chính, đế ổ trục, giá đỡ bộ truyền động và động cơ, giá đỡ cảm biến, các bộ phận làm kín và giữ cố định, và các giao diện bắt vít. Khung ngoài này giữ các bộ truyền động, động cơ và hệ thống truyền động, đồng thời đảm nhiệm việc truyền tải tải trọng và điều khiển chuyển động. Thị trường khung xương ngoài toàn cầu dự kiến sẽ tăng từ 850 triệu đô la vào năm 2025 lên 2.2 tỷ đô la vào năm 2030, vì vậy độ chính xác và vật liệu của các bộ phận này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Quy trình sản xuất, yêu cầu về độ chính xác và lựa chọn vật liệu cho từng bộ phận là rất quan trọng để đạt được độ tin cậy và độ bền cần thiết trong các bộ khung xương ngoài hiện đại. Hiểu rõ các yếu tố này là chìa khóa để sản xuất các khớp hiệu quả.
Vỏ chính của nhà ở trong một cấu trúc khung xương ngoài dạng khớp nối.
Vỏ ngoài chính là cấu trúc chịu lực chính của khớp nối khung xương ngoài. Nó bao bọc xung quanh bộ truyền động, động cơ và hệ thống truyền động, vì vậy nó chịu phần lớn tải trọng mà khớp phải chịu. Hãy tưởng tượng nó như bộ xương của bộ xương. Nếu vỏ này bị uốn cong hoặc biến dạng, toàn bộ khớp sẽ mất đi sự thẳng hàng, và các bộ phận hao mòn bên trong sẽ bị hư hại.
Quy trình sản xuất vỏ chính
Gia công CNC từ phôi
Gia công CNC từ phôi là lựa chọn hàng đầu cho các loại vỏ có độ chính xác cao. Một khối nhôm AL6061-T6 đặc được cắt gọt thành hình dạng cuối cùng. Hợp kim này thường được sử dụng trong chế tạo vỏ khung xương ngoài vì nó gia công rất sạch và giữ được dung sai chặt chẽ. Quy trình làm việc thường tuân theo một trình tự nhất định:
- Hãy chọn vật liệu — Nhôm AL6061-T6 là vật liệu khởi đầu phổ biến cho các ứng dụng vỏ khung xương ngoài.
- Kiểm soát dung sai kích thước trong quá trình gia công, đặc biệt là tại các điểm gắn kết và giao diện với các mô-đun khác, để mọi thứ khớp nhau trong quá trình lắp ráp.
- Bảo đảm tính toàn vẹn cấu trúc xung quanh các khu vực thành mỏng và các chi tiết phức tạp để ngăn ngừa biến dạng hoặc suy yếu.
- Hoàn thiện bề mặt — trước tiên hãy làm sạch chi tiết, sau đó phun cát và mạ anod. Phun cát loại bỏ các vết cắt và dấu vết của dụng cụ, tạo ra bề mặt mờ và đồng nhất. Mạ anod tăng khả năng chống ăn mòn, tạo bề mặt cứng chống trầy xước và vẻ ngoài đẹp hơn.
Đúc khuôn và đúc mẫu
Đúc khuôn và đúc đầu tư cũng được sử dụng cho vỏ chính. Đúc khuôn hoạt động tốt cho sản xuất số lượng lớn, nơi chi phí trên mỗi sản phẩm là yếu tố quan trọng. Đúc đầu tư xử lý hình dạng bên trong phức tạp. Cả hai phương pháp đều giảm thời gian gia công, nhưng chúng đánh đổi một phần độ chính xác so với gia công từ phôi nguyên khối.
Sản xuất bồi đắp cho nguyên mẫu
Sản xuất bồi đắp, hay in 3D, phát huy tối đa hiệu quả trong việc tạo mẫu thử. Việc in ấn cho phép các kỹ sư kiểm tra độ vừa vặn và hình dạng trước khi tiến hành chế tạo khuôn mẫu. Bạn có thể in một lớp vỏ qua đêm, bắt vít nó vào một thiết bị thử nghiệm và thu được kết quả vào sáng hôm sau. Sự đánh đổi rất rõ ràng: in ấn mang lại tốc độ và sự tự do về hình dạng, nhưng các đặc tính cơ học của các bộ phận được in thường kém hơn so với kim loại được gia công.
Yêu cầu về độ chính xác đối với vỏ chính
Dung sai kích thước và hình học
Độ chính xác bắt đầu từ các điểm giao diện. Các lỗ bu lông, lỗ ổ trục và các mặt tiếp xúc của mô-đun đều cần được kiểm soát chặt chẽ. Sai số dung sai nhỏ ở một điểm giao diện sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ cụm lắp ráp. Dung sai hình học bao gồm độ phẳng, độ vuông góc và vị trí, và những thông số này giúp vỏ không bị biến dạng.
Thông số kỹ thuật hoàn thiện bề mặt
Độ hoàn thiện bề mặt ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi và hiệu suất làm kín. Bề mặt thô ráp tạo ra các điểm tập trung ứng suất, nơi bắt đầu hình thành các vết nứt. Chúng cũng làm mòn các vòng đệm O-ring và gioăng. Phun cát và anod hóa cải thiện bề mặt, nhưng độ hoàn thiện gia công cơ khí bên dưới vẫn là tiêu chuẩn cơ bản.
Vật liệu cho vỏ chính
Việc lựa chọn vật liệu ảnh hưởng đến trọng lượng, chi phí và độ bền. Dưới đây là bảng so sánh các lựa chọn phổ biến:
| Vật liệu | Đặc điểm chính | Các ứng dụng tiêu biểu |
| Hợp kim nhôm | Tiết kiệm chi phí, dễ gia công, bề mặt hoàn thiện tốt, phù hợp với sản xuất số lượng lớn. | Vỏ máy sản xuất hàng loạt, linh kiện có giá thành thấp. |
| Hợp kim titan | Chịu nhiệt độ cao, tương thích sinh học, chống ăn mòn | Môi trường ăn mòn hoặc nhiệt độ cao |
| Polyme gia cường bằng sợi carbon | Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt nhất, độ giãn nở nhiệt gần bằng không, độ cứng cao | Vỏ dụng cụ chính xác, khung hiệu suất cao |
Hợp kim nhôm 6061 và 7075
Nhôm 6061 và 7075 là thành phần hợp kim nhôm cơ bản cho hầu hết các loại vỏ đạn. Loại 6061 có khả năng hàn và gia công tốt. Loại 7075 có độ bền cao hơn nhưng giá thành cao hơn và khó gia công hơn. Đối với sản xuất số lượng lớn, chi phí thấp, nhôm là lựa chọn tối ưu.
Hợp kim Titan Ti-6Al-4V
Hợp kim Ti-6Al-4V có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt hơn nhôm. Nó cũng có tính tương thích sinh học cao, điều này rất quan trọng đối với các bộ khung xương ngoài y tế. Nhược điểm là giá thành cao và khó gia công.
Polyme gia cường bằng sợi carbon
Vật liệu CFRP có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt nhất trong nhóm. Nó cũng có độ giãn nở nhiệt gần bằng không và độ cứng cao. Vỏ bọc quang học và đo lường chính xác sử dụng nó chính vì những lý do này. Giá thành ban đầu cao nhất, nhưng chi phí bảo trì lại thấp.
Không có vật liệu nào vượt trội ở mọi trường hợp. Sự lựa chọn đúng đắn phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, khối lượng sản xuất và ngân sách. Các kỹ sư thường sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để so sánh đường ứng suất giữa các thiết kế tiềm năng, và phân tích FEM cũng giúp xác nhận xem vỏ có đáp ứng được mục tiêu độ bền trước khi cắt kim loại hay không. Các vật liệu nhẹ hơn như ABS xuất hiện nhiều hơn trong các khung nguyên mẫu so với các vỏ chịu tải, vì độ bền của chúng không thể sánh bằng kim loại. Về mặt thực tiễn, quy trình sản xuất và lựa chọn vật liệu gắn liền với nhau — không thể tách rời hai yếu tố này.
Các ổ đỡ và lỗ khoan trong vỏ khớp xương ngoài
Các rãnh và lỗ ổ bi nằm ở trung tâm của mọi vỏ khớp xương ngoài. Chúng giữ các ổ bi cho phép khớp quay trơn tru. Nếu các rãnh này không đúng, khớp sẽ lãng phí năng lượng và nhanh chóng bị mòn. Độ khít giữa lỗ và ổ bi ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng chống mài mòn của khớp. Lỗ lỏng cho phép ổ bi quay tại chỗ. Lỗ quá chặt sẽ làm bẹp vòng bi. Trong cả hai trường hợp, khớp đều bị hỏng.
Quy trình sản xuất ổ đỡ
Gia công khoan và doa chính xác
Gia công doa chính xác giúp cắt lỗ đến kích thước gần đúng. Một dụng cụ một điểm quay bên trong lỗ và bào mòn vật liệu. Người vận hành có thể điều chỉnh vết cắt từng bước nhỏ. Khả năng điều khiển này làm cho gia công doa trở nên hoàn hảo cho các công việc đòi hỏi dung sai chặt chẽ. Sau khi doa, tiến hành gia công bằng dao doa khi lỗ cần có bề mặt nhẵn hơn. Dao doa nhiều lưỡi loại bỏ một lớp vật liệu mỏng và tạo ra một lỗ tròn, sạch sẽ. Cả hai bước này cùng nhau tạo nên nền tảng cho một ổ đỡ đạt tiêu chuẩn.
Mài và mài giũa
Quá trình mài được thực hiện khi cần độ hoàn thiện cao hơn nữa cho lỗ khoan. Một bánh mài mòn sẽ quay trên bề mặt lỗ khoan và loại bỏ một lượng nhỏ vật liệu. Kết quả là một bề mặt rất nhẵn với độ chính xác kích thước cao. Quá trình đánh bóng bằng đá mài (honing) tiến thêm một bước nữa. Dụng cụ đánh bóng bằng đá mài sử dụng các viên đá mài mòn để đánh bóng lỗ khoan và sửa chữa các lỗi nhỏ về hình dạng. Quá trình này cải thiện độ tròn và độ thẳng. Đối với vỏ khớp xương ngoài (exoskeleton joint housing) thường xuyên chuyển động, các bước này rất quan trọng. Chúng giúp giảm ma sát và kéo dài tuổi thọ của ổ bi.
Yêu cầu về độ chính xác đối với ổ đỡ
Đường kính lỗ và độ tròn
Dung sai đường kính lỗ quyết định độ khít của ổ bi. Khe hở quá lớn sẽ khiến ổ bi rung lắc. Khe hở quá nhỏ sẽ gây kẹt. Độ tròn giúp vòng bi không bị biến dạng dưới tải trọng. Lỗ không tròn đều sẽ ép ổ bi tại một số điểm nhất định. Áp lực không đều đó gây ra hỏng hóc sớm. Độ chính xác cần thiết ở đây thuộc hàng khắt khe nhất trong toàn bộ vỏ ổ bi.
Đồng trục và vuông góc
Tính đồng trục đảm bảo hai hoặc nhiều lỗ khoan có cùng đường tâm. Trong một khớp nối có ổ bi ở cả hai phía, sự lệch trục sẽ làm cho trục bị uốn cong. Sự uốn cong đó sẽ tạo tải trọng không đều lên các ổ bi. Tính vuông góc giữ cho lỗ khoan vuông góc với mặt lắp đặt. Nếu lỗ khoan bị nghiêng, ổ bi sẽ chịu tải trọng hướng trục mà nó không được thiết kế để chịu đựng. Cả hai yêu cầu này đều bảo vệ ổ bi và trục. Chúng cũng giúp khớp nối hoạt động chính xác trong hàng nghìn chu kỳ.
Vật liệu làm đế ổ trục
Việc lựa chọn vật liệu cho ổ đỡ phụ thuộc vào tải trọng, tốc độ và chất bôi trơn. Dưới đây là so sánh giữa các lựa chọn phổ biến:
| Vật liệu | Tính năng | Nhiệt độ dịch vụ tối đa |
| Trinh nữ PTFE | Khả năng kháng hóa chất cao và hiệu quả hoạt động tốt | 200 ℃ |
| HYPATITE® PTFE | Độ thấm monome thấp hơn và khả năng chống nén và biến dạng dẻo cao hơn so với các vật liệu PTFE khác. | 260oC / 270oC |
| PTFE chứa carbon | Khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn tuyệt vời | 260oC / 270oC |
| FILLTITE® | Có khả năng chịu nhiệt cao nhất trong số các vật liệu gốc PTFE. | 300 ℃ |
| than chì | Tuyệt vời cho dịch vụ ở nhiệt độ cao | 500 ℃ |
| Kim loại | Thích hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao và mài mòn. | 500oC / 525oC |
| TUẦN | Khả năng chịu nhiệt và độ bền cơ học cao hơn | 270 ℃ |
| PTFE chứa sợi thủy tinh và MoS2 | Khả năng chống mài mòn cao hơn và hiệu quả hoạt động tốt hơn. | 230 ℃ |
| Nylon với MoS2 | Độ bền cơ học cao hơn | 140 ℃ |
Chèn thép cứng
Các chi tiết chèn bằng thép tôi cứng chịu được tải trọng nặng nhất. Chúng có khả năng chống mài mòn và giữ nguyên hình dạng dưới áp lực. Khi chế tạo ổ đỡ ổ trục từ thép tôi cứng, lỗ khoan vẫn giữ nguyên độ chính xác ngay cả sau hàng triệu chu kỳ. Các chi tiết chèn này được ép vào vỏ hoặc được bắt vít vào vị trí. Nhờ đó, vật liệu làm vỏ có thể nhẹ hơn và rẻ hơn. Thiết kế tách rời này giúp tiết kiệm trọng lượng mà không làm giảm độ bền.
Hợp kim đồng và thau
Hợp kim đồng và đồng thau có khả năng chịu lực tốt. Chúng hoạt động hiệu quả trong các mối nối chuyển động. Các bạc lót, ống lót, tấm chống mài mòn và các bộ phận trượt thường sử dụng các loại hợp kim này. Đồng C93200 là lựa chọn phổ biến cho loại công việc này. Nó có khả năng chịu lực tốt và xử lý tốt các mối nối chuyển động. Các hợp kim này cũng chống ăn mòn tốt hơn thép trong một số môi trường. Chúng có giá thành thấp hơn thép tôi cứng và dễ gia công.
Nhựa kỹ thuật PEEK và PTFE
PEEK và các hợp chất chứa chất độn của nó, đặc biệt là những hợp chất chứa PTFE, sợi carbon hoặc đồng thau, có ma sát thấp và khả năng chống mài mòn tốt. Chúng không cần chất bôi trơn như khi tiếp xúc kim loại với kim loại. Điều này làm cho PEEK trở thành vật liệu thay thế phổ biến cho đồng thau, đồng đỏ và thép tôi cứng trong các bạc lót, ổ trục, bánh răng và tấm chống mài mòn. Nó hoạt động tốt trong trường hợp việc bôi trơn không khả thi, bị cấm hoặc tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm. Các hợp chất PEEK cấp ổ trục chứa PTFE và than chì hoặc sợi carbon hoạt động khô trên các trục kim loại. Hiệu suất ma sát và chống mài mòn của chúng tương đương với bạc lót bằng đồng thau. Chúng cũng tránh được các vấn đề ăn mòn và giữ chất bôi trơn của đồng thau trong môi trường rửa trôi hoặc tiếp xúc với hóa chất. Đối với vỏ khớp xương ngoài được sử dụng trong phòng sạch hoặc môi trường y tế, điều này rất quan trọng. Các đặc tính cơ học của PEEK duy trì tốt dưới chuyển động lặp đi lặp lại. PTFE mang lại ma sát thấp hơn nhưng độ bền kém hơn. Các kỹ sư thường kết hợp cả hai để cân bằng hiệu suất.
Từ góc độ thực tiễn, ổ đỡ quyết định đặc tính của khớp nối. Một ổ đỡ được chế tạo tốt với vật liệu phù hợp sẽ giúp vỏ khớp nối hoạt động trơn tru trong nhiều năm. Một ổ đỡ kém chất lượng sẽ hỏng sớm và kéo theo cả ổ bi. Ổ bi bên trong phụ thuộc vào ổ đỡ này để được căn chỉnh và hỗ trợ. Nếu lỗ khoan chính xác, ổ bi sẽ hoạt động tốt. Nếu sai, thì dù có chính xác đến đâu ở các bộ phận khác cũng không thể cứu vãn được khớp nối. Logic tương tự áp dụng cho mọi ổ bi trong cụm lắp ráp. Mỗi ổ bi cần một ổ đỡ phù hợp với dung sai và tải trọng của nó. Đó là lý do tại sao việc chế tạo ổ đỡ cần được chú trọng như phần vỏ chính.
Giá đỡ bộ truyền động và động cơ trong vỏ khớp của bộ khung xương ngoài
Các khớp xương ngoài chi dưới phù hợp với nhiều loại động cơ khác nhau bên trong vỏ khớp xương ngoài. Động cơ BLDC không khung xuất hiện trong các khớp khuỷu tay, đầu gối và cổ tay. Các kỹ sư cũng sử dụng động cơ có bộ giảm tốc, động cơ có cáp Bowden, bộ truyền động khí nén và bộ truyền động đàn hồi nối tiếp. Động cơ bánh răng hành tinh mô-men xoắn cao, truyền động bán trực tiếp và truyền động tỷ số cao với bánh răng hài hòa hoàn thiện danh sách này. Mỗi loại bộ truyền động cần một giá đỡ sao cho rôto được căn chỉnh chính xác với hệ thống truyền động. Giá đỡ không được căn chỉnh sẽ lãng phí năng lượng và làm mòn các bộ phận nhanh chóng.
Quy trình sản xuất giá đỡ bộ truyền động
Gia công phay và khoan CNC
Gia công CNC đảm nhiệm việc chế tạo các tấm truyền động. Bốn tấm riêng biệt được gia công trên máy CNC. Khớp nối động cơ-hộp số bằng thép được tiện và phay mặt trên máy tiện, sau đó được khoan và khoét lỗ trên máy phay. Trục bộ mã hóa trải qua các bước tương tự - được tiện nhỏ trên máy tiện, khoan trên máy phay. Các khớp nối cơ cấu chân truyền động được làm từ nhôm, được tiện trên máy tiện và khoan trên máy phay. Các thao tác này kiểm soát sự thẳng hàng của các lỗ bu lông với tâm lỗ khoan.
Gia công và hàn tấm kim loại
Tấm kim loại giúp giảm chi phí cho các bộ phận khung không chịu tải trọng nặng. Hầu hết các bộ phận đều là tấm kim loại nhôm mỏng. Công việc chủ yếu là cắt hoặc khoan tấm kim loại. Đối với bộ phận trục mã hóa quan trọng, máy tiện là phương pháp tốt nhất. In 3D độ phân giải cao cũng có thể được sử dụng cho các nguyên mẫu. Hàn sẽ nối các mảnh lại với nhau thành một khung phụ được bắt vít vào vỏ.
Yêu cầu về độ chính xác đối với giá đỡ bộ truyền động
Dung sai vị trí lỗ
Giá đỡ động cơ cần vị trí lỗ được kiểm soát chính xác trong mẫu bu lông. Dung sai vị trí thực giúp ngăn các bu lông kéo động cơ lệch tâm. Sử dụng máy đo tọa độ (CMM) hoặc kiểm tra bằng chốt để đảm bảo các lỗ thẳng hàng. Thành công của việc lắp ráp phụ thuộc vào dung sai hình học và kích thước (GD&T) được áp dụng cho các đặc điểm này. Luôn luôn ghi rõ độ phẳng, độ vuông góc và vị trí thực trên bản vẽ giá đỡ bộ truyền động. Nếu thiếu các ghi chú này, giá đỡ sẽ gây ra rung động ngay từ đầu.
Độ phẳng và sự căn chỉnh góc
Độ phẳng của mặt lắp đặt giúp ngăn động cơ bị nghiêng. Lỗ dẫn hướng và kiểu bố trí bu lông được kiểm tra so với cùng một mặt chuẩn. Việc kiểm tra đó giúp phát hiện độ nghiêng trước khi động cơ được bắt vít cố định.
Chỉ riêng vị trí lỗ khoan không đảm bảo sự thẳng hàng về góc. Một sai lệch nhỏ về độ vuông góc ở chân đế của giá đỡ sẽ dẫn đến sự lệch lớn hơn ở độ cao làm việc của động cơ. Dung sai về độ vuông góc và vị trí thực tế gắn liền với các mốc chuẩn chức năng sẽ kiểm soát chặt chẽ sự thẳng hàng đó. Các chốt định vị hoặc các mũi khoan được gia công chính xác mang lại độ chính xác cao cần thiết. Các lỗ thông hơi không thể chịu được tải trọng động từ động cơ đang hoạt động.
Vật liệu chế tạo giá đỡ bộ truyền động
Việc lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào tải trọng, trọng lượng và môi trường.
Thép không gỉ
Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn và độ bền cao. Nó chịu được tải trọng lớn hơn từ các bộ truyền động mạnh mẽ. Nhược điểm là trọng lượng nặng hơn. Đối với khớp chi dưới, nơi độ bền quan trọng hơn trọng lượng, thép không gỉ là lựa chọn tốt.
Hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm có sự cân bằng giữa độ bền và trọng lượng. Chúng gia công nhanh và có giá thành thấp hơn thép không gỉ. Đối với các giá đỡ chịu tải trọng vừa phải, nhôm là tiêu chuẩn. Các hợp kim tương tự được sử dụng trong vỏ chính — 6061 và 7075 — cũng phù hợp ở đây. Đặc tính của chúng phù hợp với phạm vi tải trọng.
Nylon đầy thủy tinh
Nylon gia cường sợi thủy tinh mang lại các đặc tính cơ học tốt với trọng lượng nhẹ hơn kim loại. Nó chịu được tải trọng vừa phải và chống biến dạng dẻo dưới tác động của ứng suất lặp đi lặp lại. Vật liệu này rất phù hợp cho các mối nối nhẹ, nơi mà mỗi gram đều quan trọng. Phương pháp ép phun giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất.
Độ chính xác giữ cho toàn bộ cụm giá đỡ được chắc chắn. Một động cơ lệch tâm sẽ rung lắc, làm mòn ổ bi và hao phí năng lượng. Cụm giá đỡ phải chịu những yêu cầu tương tự như vỏ chính: giữ vị trí, chịu tải, và chịu được hàng nghìn chu kỳ hoạt động. Một số thiết kế tiên tiến bổ sung thêm các tấm kết nối với hệ thống truyền động, khiến việc căn chỉnh giá đỡ càng trở nên quan trọng hơn. Giá đỡ phải giữ cho trục động cơ và trục hệ thống truyền động thẳng hàng. Các kỹ sư sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEM) trên thiết kế giá đỡ để kiểm tra đường dẫn ứng suất và xác nhận độ cứng. Độ bền của giá đỡ phụ thuộc vào vật liệu, hình dạng và cách các mối hàn hoặc ốc vít liên kết với phần còn lại của cụm lắp ráp. Khả năng chịu lực đó quyết định liệu giá đỡ có chịu được các điều kiện khắc nghiệt và hàng nghìn chu kỳ hoạt động hay không.
Giá đỡ cảm biến trong vỏ khớp của bộ khung xương ngoài
Các giá đỡ cảm biến và bộ mã hóa bên trong vỏ khớp của khung xương ngoài cần độ lặp lại cao và độ ổn định nhiệt tốt. Tại sao? Dung sai lắp đặt quyết định mức độ phân giải được chỉ định của bộ mã hóa còn sử dụng được sau khi lắp đặt. Nếu việc lắp đặt không lặp lại được, các bit có độ phân giải thấp hơn có thể trở nên không ổn định. Các kỹ sư sau đó khắc phục điều này bằng cách chêm, căn chỉnh vi mô, hiệu chuẩn lại hoặc lọc. Độ ổn định nhiệt cũng quan trọng không kém. Các vật liệu khác nhau giãn nở ở các tốc độ khác nhau, do đó mục tiêu cảm biến, stato, vỏ hoặc trục có thể dịch chuyển tương đối với nhau. Ngay cả chuyển động nhỏ cũng làm giảm chất lượng tín hiệu. Vấn đề này nghiêm trọng nhất trong các thiết kế bộ mã hóa trục rỗng, cấu hình thấp hoặc không khung, nơi mối quan hệ rôto-stato phụ thuộc vào cấu trúc cơ khí. Một hệ thống được căn chỉnh ở nhiệt độ phòng có thể mất hình học tín hiệu chính xác sau khi giãn nở nhiệt, thay đổi tải trọng trước của ổ trục hoặc biến dạng cấu trúc.
Quy trình sản xuất giá đỡ cảm biến
Gia công CNC cho các chi tiết nhỏ
Gia công CNC xử lý các chi tiết nhỏ mà giá đỡ cảm biến cần. Các hốc nhỏ, rãnh và lỗ lắp đặt cần dụng cụ sắc bén và các đường cắt nhẹ. Người thợ máy có thể giữ vị trí chính xác trên các chi tiết này mà không cần dụng cụ đặc biệt. Đối với sản lượng thấp và trung bình, phương pháp này mang lại độ chính xác tốt nhất. Nhôm đã được xử lý giảm ứng suất là nguyên liệu ban đầu phổ biến vì nó giữ được độ ổn định sau khi gia công.
Ép phun nhựa cho sản xuất số lượng lớn
Ép phun nhựa được sử dụng khi quy mô sản xuất tăng lên. Khuôn thép tạo hình giá đỡ chỉ trong một lần, và thời gian chu kỳ giảm xuống còn vài giây. Nhược điểm là chi phí dụng cụ ban đầu cao. In 3D cũng phù hợp cho việc tạo mẫu thử, cho phép các kỹ sư kiểm tra độ vừa vặn trước khi quyết định sử dụng khuôn. Đối với sản xuất số lượng lớn, ép phun nhựa có chi phí trên mỗi sản phẩm thấp hơn.
Yêu cầu về độ chính xác đối với giá đỡ cảm biến
Vị trí lỗ lắp đặt phải chính xác để đảm bảo tính lặp lại. Hướng đặt cảm biến và độ phẳng bề mặt phải được kiểm soát trong phạm vi dung sai hẹp để duy trì chất lượng tín hiệu. Tính lặp lại của kích thước đảm bảo việc lắp đặt vẫn nhất quán sau khi tháo và lắp lại. Độ ổn định nhiệt giúp cảm biến được căn chỉnh khi mối nối nóng lên. Một giá đỡ bị giãn nở hoặc xoắn do nhiệt độ sẽ làm sai lệch kết quả đo. Việc lựa chọn vật liệu và hình dạng đều đóng vai trò quan trọng ở đây.
Vật liệu chế tạo giá đỡ cảm biến
Việc lựa chọn vật liệu cần cân bằng giữa trọng lượng, độ bền và chi phí. Các lựa chọn phổ biến bao gồm nhôm đã qua xử lý giảm ứng suất để đạt độ chính xác và ổn định, cũng như các kim loại và polyme khác cho các ứng dụng tối ưu hóa trọng lượng. Vật liệu đúc khuôn như hợp kim nhôm và magie được sử dụng cho các bộ phận kim loại nhẹ. Vật liệu ép phun bao gồm nhựa kỹ thuật.
Hợp kim nhôm và magiê
Hợp kim nhôm và magie mang lại các đặc tính cơ học tốt với trọng lượng nhẹ. Magie nhẹ hơn nhưng dễ bị ăn mòn hơn. Nhôm mang lại sự cân bằng tốt hơn cho hầu hết các loại mắc cài.
ABS và Polycarbonate
Nhựa ABS và polycarbonate đều phù hợp để làm giá đỡ đúc. ABS có khả năng chống va đập tốt với chi phí thấp. Polycarbonate tăng cường độ bền và độ trong suốt. Cả hai đều phù hợp với tải trọng vừa phải.
PEEK dành cho nhiệt độ cao
PEEK chịu được nhiệt độ cao trong điều kiện khắc nghiệt mà các loại nhựa khác không thể chịu được. Nó vẫn giữ được độ bền và độ cứng khi mối nối hoạt động ở nhiệt độ cao. Giá thành cao hơn, vì vậy nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi cao.
Niêm phong và giữ cố định trong vỏ khớp của bộ xương ngoài
Các vòng đệm và vòng giữ hoạt động như hệ thống miễn dịch của vỏ khớp xương ngoài. Chúng ngăn bụi, nước và chất bẩn xâm nhập vào bên trong. Nếu không có chúng, ổ bi sẽ bị gỉ, cảm biến mất độ chính xác và bộ truyền động sẽ hỏng sớm. Một vòng đệm tốt cũng giữ cho chất bôi trơn không bị rơi ra ngoài. Các bộ phận giữ giúp mọi thứ được cố định chắc chắn. Chúng ngăn các vòng đệm bị bật ra và ổ bi bị dịch chuyển khỏi vị trí.
Quy trình sản xuất gioăng và vòng giữ
Các loại gioăng và vòng giữ được sản xuất thông qua quy trình đúc hoặc gia công cơ khí, tùy thuộc vào vật liệu và số lượng. Đúc nén thường được sử dụng cho gioăng đàn hồi, trong khi gia công tiện CNC được dùng cho vòng giữ.
Ép khuôn để sản xuất gioăng đàn hồi
Phương pháp ép khuôn tạo hình gioăng cao su bằng nhiệt và áp suất. Một miếng cao su được đặt trong khuôn đã được làm nóng. Khuôn đóng lại, và cao su lan ra để lấp đầy hình dạng. Sau khi cứng lại, gioăng sẽ có hình dạng chính xác. Quy trình này phù hợp với vòng chữ O, gioăng đệm và gioăng môi tùy chỉnh. Nó xử lý tốt khối lượng sản xuất lớn và giữ chi phí dụng cụ ở mức hợp lý.
Gia công tiện CNC cho vòng giữ
Gia công tiện CNC tạo ra các vòng giữ từ phôi kim loại hoặc nhựa. Máy tiện cắt hình dạng vòng, rãnh và cạnh trong một bước duy nhất. Đối với vòng bấm và vòng xoắn ốc, gia công tiện tạo ra hình dạng cơ bản. Các bước bổ sung sẽ cắt khe hở hoặc rãnh. Gia công tiện cho phép kiểm soát chặt chẽ độ dày và đường kính của vòng. Sự kiểm soát đó rất quan trọng khi vòng khớp vào rãnh với lực chính xác.
Yêu cầu về độ chính xác đối với gioăng và vòng giữ
Kích thước rãnh và độ hoàn thiện bề mặt
Kích thước rãnh quyết định hiệu quả hoạt động của gioăng. Rãnh quá sâu sẽ khiến gioăng bị xê dịch. Rãnh quá nông sẽ ép gioăng quá mạnh. Cả hai vấn đề đều gây rò rỉ. Độ hoàn thiện bề mặt bên trong rãnh cũng rất quan trọng. Rãnh thô ráp sẽ làm hỏng mép gioăng trong quá trình lắp đặt. Rãnh nhẵn mịn cho phép gioăng trượt vào đúng vị trí mà không bị hư hại. Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho các rãnh vòng giữ. Rãnh thô ráp có thể gây ra ứng suất làm nứt vòng.
Dung sai lắp ghép can thiệp
Các khớp nối kiểu ép giữ các chi tiết giữ và gioăng ở đúng vị trí mà không cần ốc vít. Phần ngoài hơi lớn hơn phần trong. Việc ép chúng lại với nhau tạo ra một lực bám. Lực ép quá lớn sẽ làm nứt vỏ. Lực ép quá nhỏ sẽ làm chi tiết rơi ra. Các kỹ sư tính toán lượng lực ép phù hợp dựa trên vật liệu và tải trọng. Đối với vỏ khớp của bộ khung xương ngoài, độ rung làm cho khớp nối này càng quan trọng hơn. Một chi tiết giữ bị lỏng có thể rơi ra trong khi đi bộ.
Vật liệu làm gioăng và vòng giữ
Việc lựa chọn vật liệu cần cân bằng giữa tính linh hoạt, khả năng kháng hóa chất và độ bền. Các vật liệu thường được sử dụng cho gioăng bao gồm chất đàn hồi; các bộ phận giữ thường sử dụng kim loại hoặc nhựa.
Cao su Nitrile và Viton
Cao su nitrile có khả năng chịu được dầu mỡ tốt. Giá thành thấp hơn so với Viton. Viton có thể chịu được nhiệt độ cao hơn và hóa chất mạnh hơn. Đối với các mối nối tiếp xúc với chất tẩy rửa hoặc điều kiện nhiệt độ rất cao, Viton an toàn hơn. Nhược điểm là giá thành cao hơn.
Vòng giữ bằng thép không gỉ
Vòng thép không gỉ có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn. Chúng chịu được rung động và lắp ráp nhiều lần. Vật liệu này giữ hình dạng tốt hơn so với vòng nhựa. Đối với tải trọng nặng, thép không gỉ là lựa chọn tiêu chuẩn.
PTFE và UHMWPE
PTFE có ma sát thấp và kháng hóa chất. UHMWPE có khả năng chống mài mòn cao. Cả hai đều hoạt động tốt như vòng đệm dự phòng hoặc các bộ phận chịu mài mòn. Chúng bảo vệ vòng đệm chính khỏi bị đẩy ra ngoài hoặc hư hỏng. Trong vỏ khớp nối dạng khung xương ngoài, những vật liệu này giúp khớp nối bền hơn. Các kỹ sư thường sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để kiểm tra cách các vòng đệm và vòng giữ hoạt động dưới tải trọng. Độ bền của hệ thống giữ phụ thuộc vào vật liệu, hình dạng và độ khít. Một vòng giữ yếu sẽ hỏng trước khi vòng đệm hỏng. Sự hỏng hóc đó sẽ cho phép bụi bẩn xâm nhập và phá hủy cả ổ bi. Điều tương tự cũng áp dụng cho mọi ổ bi trong cụm lắp ráp. Mỗi ổ bi cần một vòng đệm và vòng giữ phù hợp với dung sai và tải trọng của nó. Trên thực tế, việc làm kín và giữ cần được chú trọng như vỏ chính. Một vòng đệm rẻ tiền có thể làm hỏng một khớp nối đắt tiền.
Gia công cơ khí cho vỏ khớp của bộ khung xương ngoài.
Có nhiều cách để chế tạo vỏ khớp cho khung xương ngoài. Bạn có thể sử dụng gia công CNC thông thường và ép phun. Bạn cũng có thể sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp (in 3D). Mỗi phương pháp mang lại cho bạn các mức độ chính xác và tùy chọn hình dạng khác nhau. Lựa chọn tốt nhất phụ thuộc vào số lượng bạn cần, ngân sách và hiệu năng bạn mong muốn. Các công ty như NOBLE, một công ty sản xuất hàng đầu tại Trung Quốc, cung cấp tất cả các tùy chọn này tại một nơi. Kỹ năng gia công của họ giúp khách hàng chuyển từ nguyên mẫu sang sản xuất hàng loạt mà không cần thay đổi nhà cung cấp.
Quá trình trừ
Gia công CNC 3 trục và 5 trục
Gia công CNC ba trục tạo ra các hình dạng cơ bản. Dao cắt di chuyển theo trục X, Y và Z trong khi chi tiết gia công đứng yên. Phương pháp này hoạt động tốt cho các giá đỡ đơn giản và các bề mặt phẳng. Gia công năm trục bổ sung thêm hai trục tiện. Dao cắt có thể tiếp cận các phần lõm và bề mặt góc cạnh chỉ trong một lần thiết lập. Điều này rất hữu ích cho việc gia công vỏ khớp xương ngoài với các đường cong phức tạp. Ít lần thiết lập hơn đồng nghĩa với độ chính xác cao hơn. Phay năm trục là lựa chọn phổ biến cho các vỏ khớp bằng nhôm tùy chỉnh. Các kế hoạch phay động giúp gia công thành mỏng bằng cách ngăn chặn sự rung lắc của các phần mỏng trong quá trình cắt.
Gia công tiện và phay
Gia công tiện tạo ra các chi tiết tròn trên máy tiện. Các ổ đỡ, lỗ trục và rãnh vòng giữ đều phụ thuộc vào gia công tiện. Chi tiết quay trong khi dụng cụ di chuyển dọc theo chiều dài của nó. Gia công tiện-phay kết hợp tiện và phay trên cùng một máy. Điều này giúp giảm thời gian thao tác và làm cho các chi tiết tròn và phẳng khớp với nhau tốt hơn. Gia công tiện chính xác tạo ra độ tròn hoàn hảo mà các ổ đỡ cần.
Công nghệ in 3D và gia công bồi đắp
Sản xuất phụ gia kim loại
Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại tạo ra các bộ phận từ bột kim loại. Tia laser làm tan chảy từng lớp và kết hợp chúng với lớp bên dưới. Kết quả là một bộ phận kim loại đặc chắc hoàn toàn. Công nghệ này hoạt động tốt đối với các kênh bên trong phức tạp mà bạn không thể gia công bằng máy. Nhược điểm là chất lượng bề mặt. Các bề mặt được in cần được gia công sau để tạo các rãnh ổ trục và rãnh gioăng.
Lắng đọng năng lượng định hướng
Phương pháp lắng đọng năng lượng định hướng (DED) đưa bột kim loại hoặc dây kim loại vào chùm tia laser. Vật liệu sẽ tan chảy khi tiếp xúc với chi tiết cần gia công. DED hoạt động tốt nhất để thêm các chi tiết hoặc sửa chữa các khu vực bị mòn. Phương pháp này ít phổ biến hơn đối với các vỏ hoàn chỉnh nhưng hữu ích cho sản xuất kết hợp. Bạn gia công một lớp vỏ cơ bản và thêm các chi tiết được in lên trên.
Công nghệ in 3D bằng phương pháp lắng đọng nóng chảy (FDM) cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn phát triển ban đầu. FDM tạo ra các bộ phận từ sợi nhựa nóng chảy theo từng lớp. Các chi tiết in 3D này hoạt động tốt cho các nguyên mẫu và các bộ phận chịu tải trọng thấp. FDM cung cấp cho các kỹ sư một cách nhanh chóng để kiểm tra độ khớp và hình dạng. Các chi tiết in 3D chịu tải từ FDM này đóng vai trò là các mẫu thử nghiệm chức năng. Chúng cho phép bạn kiểm tra khe hở và lắp ráp trước khi cắt kim loại. Công nghệ in 3D bằng phương pháp lắng đọng nóng chảy cung cấp một cách đáng tin cậy để thử nghiệm các thiết kế mà không cần chờ đợi dụng cụ.
Quá trình định hình và đúc khuôn
Đúc đầu tư
Đúc khuôn mẫu bắt đầu bằng một khuôn sáp. Khuôn mẫu được phủ một lớp gốm. Sau khi gốm cứng lại, sáp tan chảy. Kim loại sẽ lấp đầy khoảng trống còn lại. Quá trình này xử lý được các hình dạng bên trong phức tạp mà gia công cơ khí không thể thực hiện được. Độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác nằm giữa phương pháp in 3D và đúc khuôn.
injection Molding
Ép phun nhựa sử dụng nhựa nóng chảy để bơm vào khuôn thép. Quá trình này diễn ra nhanh chóng, với thời gian chu kỳ dưới một phút. Chi phí dụng cụ ban đầu cao, nhưng chi phí mỗi sản phẩm giảm khi sản lượng tăng. Đối với vỏ khớp khung xương ngoài sản xuất số lượng lớn, ép phun là lựa chọn tối ưu. Quy trình này cho phép tạo ra kích thước nhất quán trên hàng nghìn chi tiết. NOBLE mang đến tất cả các phương pháp này từ một nhà cung cấp duy nhất. Điều đó có nghĩa là bạn có thể tạo mẫu thử bằng in 3D, kiểm chứng bằng đúc khuôn và mở rộng quy mô bằng ép phun hoặc gia công cơ khí.
Các yếu tố cần cân nhắc khi thiết kế vỏ khớp cho bộ khung xương ngoài.
Vỏ khớp của bộ khung xương ngoài phải chịu được tải trọng mà không bị uốn cong. Nó cũng cần phải nhẹ. Mỗi gram thừa ra đồng nghĩa với việc động cơ phải hoạt động vất vả hơn. Các kỹ sư cân bằng hai yêu cầu này ở mọi bước.
Tính toàn vẹn cấu trúc và tối ưu hóa trọng lượng
Tối ưu hóa cấu trúc và tạo gân
Tối ưu hóa cấu trúc giúp tìm ra vị trí cần vật liệu nhất. Phần mềm bắt đầu với một khối vật liệu. Nó loại bỏ mọi thứ không chịu lực. Phần còn lại trông giống như một cấu trúc tự nhiên, mỏng và hiệu quả. Gân tăng độ cứng cho các bức tường mỏng. Gân được đặt dọc theo đường chịu tải giúp ngăn các bức tường bị cong vênh. Một kiểu bố trí gân tốt có thể làm tăng đáng kể độ cứng của vỏ. Độ bền của toàn bộ vỏ phụ thuộc vào cách các gân kết nối với các ổ đỡ và các tấm gắn.
Xác thực phân tích phần tử hữu hạn
Phân tích phần tử hữu hạn kiểm tra thiết kế trước khi cắt kim loại. Các kỹ sư tạo ra một lưới các phần tử nhỏ trên chi tiết. Họ áp dụng tải trọng và các ràng buộc. Phần mềm tính toán ứng suất và độ võng tại mỗi điểm. Nó giúp phát hiện các vùng yếu từ sớm. Đối với các chi tiết bằng sợi carbon, các kỹ sư sử dụng mô hình vật liệu đẳng hướng có tính đến các giá trị độ cứng khác nhau theo các hướng khác nhau. Phương pháp phần tử hữu hạn giúp so sánh các lựa chọn. Chạy cùng một phân tích trên nhôm, titan và sợi carbon cho thấy vật liệu nào chịu tải tốt nhất. Phương pháp phần tử hữu hạn cũng xác nhận vị trí của các gân. Kết quả phân tích FEM hướng dẫn hình dạng cuối cùng và lựa chọn vật liệu.
Quản lý nhiệt và khả năng chống mài mòn
Các đường dẫn tản nhiệt
Nhiệt lượng tỏa ra từ nhiều nguồn bên trong vỏ thiết bị. Các bộ truyền động và động cơ tạo ra nhiệt trong quá trình sử dụng. Các linh kiện điện tử bên trong cũng làm tăng thêm nhiệt. Nhiệt độ cơ thể người dùng càng làm tình trạng thêm tồi tệ. Các điểm tiếp xúc giữa các khớp bị nóng do ma sát và ứng suất. Hệ thống thông gió hạn chế xung quanh khớp giữ lại nhiệt lượng đó. Các lớp cách nhiệt trong lớp đệm cản trở việc tản nhiệt. Độ ẩm từ mồ hôi làm giảm khả năng làm mát và gây kích ứng da. Hoạt động động tạo ra tải nhiệt thay đổi. Các kỹ sư thiết kế các đường dẫn cho nhiệt thoát ra ngoài. Họ sử dụng các cánh tản nhiệt, miếng đệm dẫn nhiệt và các kênh dẫn khí để dẫn nhiệt ra khỏi các bộ phận nhạy cảm.
Xử lý bề mặt và lớp phủ
Lớp vỏ ngoài sử dụng nhựa ABS, sợi carbon hoặc hợp kim nhôm. Mỗi vật liệu dẫn nhiệt và cách nhiệt khác nhau. Lớp tiếp xúc bên trong sử dụng mút hoạt tính và lưới. Những vật liệu này bảo vệ người dùng nhưng cũng giữ nhiệt. Các polyme hữu cơ kết hợp với vải giúp tăng khả năng cách nhiệt. Khả năng cách nhiệt tăng lên này làm thay đổi phản ứng nhiệt của toàn bộ khớp. Các lớp phủ như anot hóa cứng trên nhôm tạo thêm một lớp chống mài mòn. Chúng cải thiện khả năng chống ăn mòn cho mục đích y tế hoặc sử dụng ngoài trời.
Khả năng tiếp cận lắp ráp và bảo trì
Thiết kế dạng mô-đun để dễ dàng thay thế tại chỗ.
Thiết kế dạng mô-đun cho phép kỹ thuật viên thay thế vỏ bị hỏng một cách nhanh chóng. Các ốc vít và đầu nối tiêu chuẩn giúp giảm thời gian ngừng hoạt động. Khớp nối mô-đun phải có độ bền tương đương với thiết kế ban đầu. Các thử nghiệm chứng minh rằng kết nối chịu được tải trọng lặp đi lặp lại. Cách tiếp cận này cũng hỗ trợ việc nâng cấp. Một bộ truyền động mới hơn có thể lắp vừa cùng một vỏ.
Quản lý tích lũy dung sai
Sai số cộng dồn trong toàn bộ cụm lắp ráp. Một lỗ trục ở giới hạn trên với ổ bi ở giới hạn dưới tạo ra sự lắp ghép lỏng lẻo. Sự lắp ghép lỏng lẻo đó gây ra rung động và tiếng ồn. Phân tích tích lũy sai số dự đoán được khe hở lớn nhất. Các kỹ sư điều chỉnh từng sai số riêng lẻ để giữ cho cụm lắp ráp cuối cùng đạt tiêu chuẩn. Độ chính xác của mối nối cuối cùng phụ thuộc vào việc quản lý các sai số cộng dồn này. Độ bền của các mối nối bu lông phụ thuộc vào lực siết trước chính xác. Một bu lông lỏng làm giảm độ bền của mối nối. Một bu lông quá chặt làm hỏng ren. Quản lý sai số cộng dồn tốt giúp mọi chi tiết lắp ghép hoạt động đúng cách.
Các vật liệu thường dùng cho vỏ khớp của bộ khung xương ngoài
Vật liệu cấu tạo nên vỏ khớp của bộ khung xương ngoài rất đa dạng. Những lựa chọn phổ biến bao gồm hợp kim nhôm và thép nhờ tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao và khả năng chống mỏi. Các polyme như ABS cũng được sử dụng, chủ yếu cho các nguyên mẫu in 3D. Mỗi loại vật liệu đều có những ưu nhược điểm riêng.
Kim loại
Nhôm 6061-T6 và 7075-T6
Nhôm 6061-T6 và 7075-T6 là hai trong số những hợp kim phổ biến nhất được sử dụng cho vỏ khớp nối. Chúng có khả năng gia công tốt và độ bền cao. Tuy nhiên, chúng khác nhau ở những điểm quan trọng. Dưới đây là bảng so sánh:
| Bất động sản | 6061‑T6 | 7075‑T6 / 7075‑T651 |
| Sức mạnh năng suất bền kéo | 276 MPa | 503 MPa |
| Sức mạnh mệt mỏi | 96 MPa | 160 MPa |
| Mô đun đàn hồi | GPUMX | GPUMX |
| Chống ăn mòn | Màng oxit Al₂O₃ tự thụ động (ổn định) | Chứa 1.2–2.0% đồng; cần được phủ lớp bảo vệ. |
| Yêu cầu về lớp phủ | Không thích hợp cho môi trường khắc nghiệt | Phải được thụ động hóa hoặc phủ lớp bảo vệ. |
Việc chuyển từ hợp kim 6061 sang 7075 làm giảm diện tích mặt cắt ngang khoảng 45% với cùng tải trọng kéo. Tuy nhiên, độ cứng hầu như không thay đổi. Nếu yếu tố uốn cong là trọng tâm của thiết kế, thì 7075 không mang lại lợi ích gì. Đối với việc sử dụng trong điều kiện chu kỳ cao, 7075 hoặc sợi carbon là lựa chọn tốt hơn. Các lớp phủ đa lớp nhiệt rắn hoặc anod hóa tiên tiến giúp bịt kín các lỗ nhỏ li ti trên 7075-T6. Những lớp phủ này ngăn chặn hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất gây ra bởi độ ẩm dưới tải trọng chu kỳ tần số cao vượt quá 10 triệu chu kỳ bước đi. Bề mặt anod hóa cứng được bịt kín cũng chịu được hơn 2,000 giờ thử nghiệm phun muối mà không bị rỗ.
Titan Ti-6Al-4V
Titanium Ti-6Al-4V mạnh hơn cả hai hợp kim nhôm và nhẹ hơn thép. Nó chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt. Khung xương ngoài y tế thường sử dụng nó vì nó hoạt động hài hòa với cơ thể người. Nhược điểm là giá thành cao và khó gia công. Titanium khó gia công hơn và có giá thành cao hơn trên mỗi pound. Nhưng đối với những ứng dụng mà trọng lượng và khả năng chống ăn mòn là quan trọng nhất, nó đáp ứng được những nhược điểm mà nhôm không thể.
Thép không gỉ 17-4 PH
Thép không gỉ 17-4 PH xuất hiện nhiều trong các bộ phận vỏ khớp chịu mài mòn cao. Vỏ ổ trục, chốt khớp và điểm xoay đều sử dụng loại thép này. Nó nặng nhưng bền chắc và rẻ tiền. Một số khung xương ngoài thụ động sử dụng thép lò xo để lưu trữ năng lượng đàn hồi. Các hợp kim đặc biệt chịu được tải trọng chu kỳ cực đoan. Thép không phải là lựa chọn hàng đầu cho các thiết kế cần trọng lượng nhẹ, nhưng về độ bền thì nó vẫn giữ vững vị thế của mình.
Polyme và hợp chất
PEEK và PEI
PEEK và PEI (được bán dưới tên Ultem) là các loại nhựa kỹ thuật được sử dụng cho các bạc lót khớp và bề mặt ổ trục. Chúng có khả năng chống mài mòn mà không cần chất bôi trơn. Điều này giúp giảm trọng lượng và chi phí. Chúng cũng có thể được đúc thành các hình dạng mà việc gia công từ nhôm sẽ rất tốn kém. Đối với vỏ khớp của bộ khung xương ngoài, các loại nhựa này hoạt động tốt trong trường hợp việc bôi trơn không khả thi.
Vật liệu composite sợi carbon và sợi thủy tinh
Các polyme gia cường bằng sợi carbon có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tuyệt vời. Nhưng chúng giòn. Chúng dễ bị hư hại do va đập. Vật liệu nền bị phân hủy dưới tác động của tia cực tím, thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. Điều đó gây ra hiện tượng tách lớp và mất độ bền. Vật liệu composite sợi thủy tinh có giá thành thấp hơn nhưng nặng hơn. Cả hai đều cần được thiết kế cẩn thận để tránh hư hỏng đột ngột.
PLA và ABS dùng cho nguyên mẫu in 3D
Đối với các nguyên mẫu ở giai đoạn đầu, ABS và PLA là những vật liệu phổ biến. Các kỹ sư sử dụng phương pháp tạo hình bằng lắng đọng nóng chảy (FDM) để in các bộ phận này nhanh chóng. Sợi polymer được đưa qua vòi phun được nung nóng và tạo thành từng lớp. Các chi tiết in 3D chịu tải này hoạt động tốt để kiểm tra độ khớp và khe hở. Chúng không được dùng cho sản xuất cuối cùng. Nhưng phương pháp tạo hình bằng lắng đọng nóng chảy cung cấp một cách nhanh chóng để kiểm tra hình dạng. Các kỹ sư dựa vào in ấn vì tốc độ và chi phí thấp. Đặc tính vật liệu của các bộ phận được in này đủ tốt cho việc tạo nguyên mẫu. Đó là lý do tại sao việc in bằng ABS lại phổ biến như vậy trong giai đoạn đầu.
Tiêu chí lựa chọn và sự đánh đổi về điểm mạnh
Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng
Có một sự đánh đổi cơ bản giữa độ bền, trọng lượng và độ chắc chắn. Hợp kim nhôm nhẹ nhưng dễ bị hỏng dưới tải trọng lặp đi lặp lại. Thép có độ bền tốt hơn nhưng lại nặng hơn, làm giảm tuổi thọ pin và sự thoải mái khi sử dụng. Vật liệu composite sợi carbon có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng rất tốt nhưng lại dễ bị hỏng theo những cách khó dự đoán.
Chi phí và khả năng gia công
Chi phí và khối lượng sản xuất quyết định việc lựa chọn vật liệu. Nhôm 6061 rẻ và dễ kiếm. Sợi carbon đắt tiền và sản xuất chậm. Sản xuất số lượng nhỏ ưu tiên kim loại gia công. Sản xuất số lượng lớn thì sử dụng nhựa đúc phun. Khả năng gia công cũng rất quan trọng. Nhôm cắt nhanh. Titan làm mòn dụng cụ nhanh.
Chống ăn mòn và chống mỏi
Khả năng chống ăn mòn giúp khớp nối hoạt động tốt trong điều kiện khắc nghiệt. Nhôm 6061 tự tạo thành một lớp oxit ổn định. Nhôm 7075 cần lớp phủ do hàm lượng đồng của nó. Khả năng chống mỏi cũng quan trọng không kém. Nhôm 6061-T6 có độ bền mỏi là 96 MPa. Nhôm 7075-T6 đạt 160 MPa. Đối với sử dụng chu kỳ cao, 7075 hoặc sợi carbon là lựa chọn tốt hơn. Bản thân các cơ cấu khớp nối thường là điểm dễ hỏng. Vòng bi và bạc lót thông thường bị mòn nhanh chóng dưới tải trọng tần số cao. Vòng bi bên trong vỏ cũng phải đối mặt với những yêu cầu tương tự. Vòng bi phải chịu được các chu kỳ lặp đi lặp lại mà không bị mòn. Việc thiếu các vật liệu tự bôi trơn hiệu quả làm tăng nhu cầu bảo trì. Các kỹ sư xem xét các tính chất cơ học như độ bền mỏi khi lựa chọn vật liệu. Độ bền của toàn bộ cụm lắp ráp phụ thuộc vào việc lựa chọn đúng. Họ cũng thực hiện phân tích phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm tra hành vi dưới tải trọng. Các tính chất vật liệu hướng dẫn mọi quyết định. Lựa chọn đúng sẽ quyết định giữa một khớp nối bền lâu và một khớp nối hỏng sớm.
Chuyên môn của NOBLE trong thiết kế khớp nối cho khung xương ngoài
NOBLE là đối tác sản xuất chuyên về kim loại và nhựa. Chúng tôi sản xuất các bộ phận vỏ khớp khung xương ngoài cho các đội cần độ chính xác cao và chất lượng ổn định. Xưởng của chúng tôi thực hiện cả gia công kim loại và nhựa. Sự kết hợp này rất quan trọng, bởi vì một vỏ khớp hiếm khi chỉ sử dụng một loại vật liệu duy nhất.
Khả năng gia công kim loại và nhựa
Gia công CNC, đúc và ép phun
Chúng tôi thực hiện gia công CNC, đúc và ép phun tất cả tại một địa điểm. Điều đó có nghĩa là vỏ nhôm gia công, giá đỡ bộ truyền động đúc và giá đỡ cảm biến ép phun đều có thể được sản xuất tại đây. Bạn sẽ tránh được tình trạng đổ lỗi lẫn nhau khi ba nhà cung cấp cạnh tranh nhau. Đối với các bộ phận bằng nhựa, chúng tôi ép phun ABS và các loại nhựa kỹ thuật khác. Chúng tôi cũng hỗ trợ in 3D để tạo mẫu thử ban đầu. Nếu bạn cần một nguyên mẫu nhanh trước khi chế tạo khuôn, in 3D sẽ giúp bạn có được sản phẩm nhanh chóng.
Dịch vụ thiết kế, tạo mẫu và lắp ráp
Đội ngũ của chúng tôi hỗ trợ thiết kế, tạo mẫu thử và lắp ráp. Chúng tôi xem xét bản vẽ của bạn, chỉ ra những chi tiết khó gia công và đề xuất những thay đổi giúp giảm chi phí. Tiếp theo là tạo mẫu thử, sau đó là lắp ráp hoàn chỉnh. Chúng tôi ép các vòng bi, lắp đặt vòng giữ và kiểm tra độ khít trước khi giao hàng. Độ bền của sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào các bước này, vì vậy chúng tôi coi việc lắp ráp là một phần của quá trình sản xuất, chứ không phải là một công đoạn thêm vào sau.
Chứng nhận và đảm bảo chất lượng
Chúng tôi sở hữu các chứng chỉ quản lý chất lượng có liên quan, bao gồm cả chứng chỉ dành cho thiết bị y tế. Những chứng chỉ này không chỉ là hình thức trang trí. Chúng định hình cách chúng tôi ghi chép công việc, đào tạo nhân viên và xử lý các yêu cầu thay đổi.
Quy trình truy xuất nguồn gốc và kiểm tra đầy đủ
Mỗi lô hàng đều có thể truy xuất nguồn gốc đến chứng nhận vật liệu và nhật ký máy móc. Chúng tôi kiểm tra hàng tồn kho, các đặc tính trong quá trình sản xuất và các bộ phận thành phẩm. Kiểm tra bằng máy đo tọa độ (CMM) xác nhận đường kính lỗ, vị trí lỗ và độ phẳng. Nếu kích thước bị sai lệch, chúng tôi sẽ phát hiện ngay trước khi nó trở thành vấn đề tích lũy. Quy trình này bảo vệ độ bền của từng mối nối và độ bền của tiến độ sản xuất của bạn.
Từ thiết kế đến lắp ráp
Hỗ trợ Kỹ thuật Cộng tác
Chúng tôi hoạt động như một phần mở rộng của đội ngũ kỹ thuật của bạn. Hãy gửi cho chúng tôi mô hình, và chúng tôi sẽ cho bạn biết đó là những máy móc gì, chi phí bao nhiêu và những bộ phận nào có thể bị hỏng. Quá trình trao đổi qua lại này giúp tiết kiệm chu kỳ sửa đổi.
Sản xuất và kiểm thử toàn diện
Từ bản mẫu đầu tiên đến sản xuất hàng loạt, chúng tôi đảm nhiệm toàn bộ quy trình gia công, tạo khuôn, hoàn thiện và kiểm tra. Bạn sẽ có một đối tác duy nhất, một hệ thống quản lý chất lượng và một đầu mối liên hệ duy nhất. Đó chính là toàn bộ ý tưởng đằng sau NOBLE.
Mỗi bộ phận khớp nối của khung xương ngoài đều được cấu tạo từ các thành phần cốt lõi giống nhau: vỏ chính, đế ổ trục, giá đỡ bộ truyền động và động cơ, giá đỡ cảm biến, và các bộ phận làm kín và giữ cố định. Mỗi bộ phận có quy trình sản xuất, mục tiêu độ chính xác và lựa chọn vật liệu riêng. Những lựa chọn này phải phù hợp với tải trọng, trọng lượng và môi trường mà khớp nối sẽ phải đối mặt.
Gia công cơ khí, đúc, tạo khuôn và in 3D đều đóng vai trò quan trọng ở đây. Việc lựa chọn vật liệu cũng vậy, cần cân bằng giữa độ bền, trọng lượng, chi phí và khả năng chống ăn mòn. Nếu vỏ ngoài được thiết kế tốt, khớp nối sẽ hoạt động hiệu quả.
Câu hỏi thường gặp về vỏ khớp của khung xương ngoài
Vỏ khớp của bộ xương ngoài được làm bằng chất liệu gì?
Vỏ khớp của khung xương ngoài thường được làm từ hợp kim nhôm như 6061-T6. Titan Ti-6Al-4V được sử dụng trong môi trường y tế hoặc ăn mòn. Polyme gia cường sợi carbon cho tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt nhất. PEEK thích hợp cho các bạc lót và bề mặt chịu lực. Sự lựa chọn phụ thuộc vào tải trọng, trọng lượng và môi trường xung quanh.
Tại sao độ chính xác của vị trí ổ đỡ lại quan trọng đến vậy?
Nếu lỗ khoan quá lỏng, ổ bi có thể quay tròn tại chỗ. Nếu quá chặt, vòng bi sẽ bị ép bẹp. Trong cả hai trường hợp, khớp nối đều lãng phí năng lượng và nhanh chóng bị mòn. Đường kính lỗ khoan, độ tròn, độ đồng trục và độ vuông góc bảo vệ ổ bi. Nếu các yếu tố này được đảm bảo, khớp nối sẽ hoạt động trơn tru trong hàng nghìn chu kỳ.
Liệu có thể in 3D vỏ khớp của bộ khung xương ngoài không?
Bạn có thể in các nguyên mẫu, nhưng các bộ phận in không chắc chắn bằng kim loại rèn. Công nghệ tạo hình bằng phương pháp lắng đọng nóng chảy (FDM) rất tốt cho việc kiểm tra ban đầu về độ khớp và khe hở. Sản xuất bồi đắp kim loại tạo ra các bộ phận kim loại đặc chắc với các kênh bên trong phức tạp. Những bộ phận này vẫn cần gia công sau khi in để tạo các chỗ đặt ổ trục và rãnh gioăng.
Giá đỡ cảm biến cần có dung sai như thế nào?
Vị trí lỗ lắp đặt, hướng cảm biến, độ phẳng bề mặt và độ lặp lại phải được kiểm soát chặt chẽ. Độ ổn định nhiệt cũng rất quan trọng vì vật liệu giãn nở với tốc độ khác nhau.
Các vòng đệm và vòng giữ bảo vệ mối nối như thế nào?
Vòng đệm giúp ngăn bụi, nước và chất bẩn xâm nhập. Chúng cũng giữ chất bôi trơn bên trong. Vòng giữ giúp ngăn vòng đệm bị bung ra và ổ bi di chuyển. Vật liệu làm vòng đệm được lựa chọn dựa trên môi trường; vòng kim loại chịu được rung động và lắp ráp lặp đi lặp lại tốt.
Tối ưu hóa cấu trúc trong thiết kế nhà ở là gì?
Tối ưu hóa cấu trúc bắt đầu với một khối vật liệu rắn. Phần mềm loại bỏ tất cả vật liệu không chịu ứng suất. Kết quả là một hình dạng mỏng, hiệu quả và trông tự nhiên. Các đường gân giúp các bức tường mỏng cứng hơn. Một kiểu gân tốt có thể làm tăng đáng kể độ cứng của vỏ.
Tại sao nhôm 7075 cần lớp phủ?
Nhôm 7075 chứa đồng, chất này ngăn chặn sự hình thành lớp oxit tự nhiên. Nếu không có lớp oxit này, độ ẩm có thể gây ra hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất. Một lớp phủ thụ động hóa hoặc anod hóa sẽ bịt kín bề mặt. Bề mặt được anod hóa cứng và bịt kín có thể chịu được hơn 2,000 giờ thử nghiệm phun muối mà không bị rỗ.
Khi nào nên chọn titan thay vì nhôm?
Titanium Ti-6Al-4V có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt hơn nhôm. Nó cũng có khả năng tương thích sinh học, điều này rất quan trọng đối với các bộ khung xương y tế. Nhược điểm là giá thành cao và khó gia công. Đối với các khớp chịu tải trọng lớn trong môi trường khắc nghiệt hoặc y tế, titanium hoạt động tốt hơn nhôm.
