到2025年，外骨骼市場規模將達到850億美元，並以每年21.4%的速度成長。這將推動對兼具強度和重量的外骨骼結構部件的需求。
大自然的外骨骼為我們提供了靈感。甲殼類動物的外骨骼由多層角質層構成。甲殼類動物的角質層主要成分是幾丁質和碳酸鈣。表皮層密封角質層表面。外角質層含有緻密的幾丁質，使其堅硬。內角質層含有柔韌的幾丁質，使其富有彈性。幾丁質賦予角質層強度。外角質層中的幾丁質能夠抵抗磨損。內角質層中的幾丁質能夠吸收衝擊力。碳酸鈣使外角質層更堅硬。表皮層幾丁質含量很少。外角質層和內角質層構成了角質層的主體。這種角質層系統平衡了重量和韌性。工程師研究角質層，從中汲取靈感。外角質層展示如何抵抗磨損。內角質層展示如何吸收衝擊力。表皮層展示瞭如何密封。這些天然材料啟發了人類的設計。
人類體外骨骼運用了這些原理。醫用外骨骼有助於復原。工業外骨骼可以減輕壓力。
本指南將解答您的疑問。哪些部件最重要？哪些材料效果最佳？我們如何製造它們？請繼續閱讀。
外骨骼結構部件的核心組成部分
每套外骨骼都依賴三個主要組成部分。承重框架支撐重量；關節和驅動器實現運動；人機介面將設備與人體連接起來。這些外骨骼結構部件協同工作，構成一個整體系統。每個部件都會影響其他部件的運作方式。
承重框架和底盤
框架是任何外骨骼的骨架。它承載有效載荷、傳遞力，並將外骨骼的所有其他結構部件固定到位。工程師會根據強度、重量和成本來選擇材料。框架的機械性能決定了使用者在不感到疲勞的情況下能夠承受多大的負荷。
鋁合金和鈦合金車架設計
7075等鋁合金具有極高的強度重量比，成本低於鈦合金，且易於加工。鈦合金則具有優異的耐腐蝕性和長期耐用性，特別適用於醫療和軍用外骨骼，能夠應對汗水、潮濕或惡劣環境。兩種金屬都能很好地承受反覆應力。加工後的鋁合金框架可能只有幾公斤重，而鈦合金框架雖然更重，但在實際應用中使用壽命更長。
碳纖維複合材料結構
碳纖維複合材料能大幅減輕重量，在確保高剛性的同時，還能維持低品質。這對於需要全天佩戴的外骨骼至關重要。碳纖維支撐件和連接件廣泛應用於上肢和下肢裝置。樹脂-纖維疊層結構使工程師能夠調節不同方向的剛度。例如，碳纖維框架可以沿著一個軸彎曲，而沿著另一個軸保持剛性。這種控制能力僅靠金屬很難實現。
關節、執行器和推進系統
關節使車架能夠移動，執行器提供動力。它們共同將剛性結構變成一台運作的機器。設計的困難在於如何將馬達、減速器、感知器和線路巧妙地安置在靠近車身的狹小空間內。
人工肌肉和馬達驅動系統
動力外骨骼使用電動馬達、液壓執行器或氣動系統。這些部件提供主動輔助。感測器和控制演算法偵測使用者的意圖，然後協調動力輔助，幫助肢體運動。這使得驅動系統與人機介面相連。其結果是增強力量和耐力，適用於工業、軍事或復健用途。哈佛大學維斯研究所則另闢蹊徑。他們製造的軟體外骨骼採用柔性紡織基致動器和內建感測器。他們的系統輕便，並且可以與現有的行動輔助設備配合使用。
用於運動範圍的關節機構
執行器以物理方式驅動髖關節、膝關節、踝關節、肩關節和肘關節等關節的運動。它將馬達的旋轉轉化為關節的速度和扭矩。像BCSA這樣的緊湊型驅動單元將無框馬達和擺線減速器整合在一個纖薄的結構中。擺線減速器透過減速來提高扭矩，並將負載分散到多個接觸面上。這有助於關節在行走過程中承受重複的負荷和外部衝擊。尺寸也很重要。如果驅動單元突出過多，可能會妨礙周圍的結構，從而限制自然運動。更纖薄的執行器靠近身體放置，可以保持關節的自然運動。多個關節執行器會增加重量。如果扭力過低，僅僅縮小尺寸是不夠的。所需的關節扭矩、運動範圍、運行速度、致動器尺寸和重量都必須綜合考慮。
| 因子 | 對外部骨骼關節的影響 |
| 執行器角色 | 判斷關節是否能夠提供所需的運動和輔助扭矩。 |
| 執行器類型範例 | BCSA 將無框馬達和擺線減速器整合到一個纖薄緊湊的結構中。 |
| 扭力輸出 | 擺線減速器有助於提供高扭矩，並能承受反覆負載或外部衝擊。 |
| 活動範圍 | 更纖薄的驅動器靠近身體放置，有助於保持關節的自然運動。 |
| 大小和重量 | 設計必須在緊湊性和足夠的扭矩之間取得平衡，以幫助運動並支撐關節負荷。 |
| 設計考慮 | 執行器選擇直接影響運動能力和扭矩性能。 |
人機介面部件
人機互動介面是機器與人體接觸的地方。它必須感覺舒適、牢固，並且能夠傳遞力量而不引起疼痛。良好的介面設計能夠保障使用者安全，並確保設備有效運作。
胸部支撐和肢體護套
胸部支撐裝置將負荷分散到軀幹各處，在舉重或進行高空作業時保持外骨骼穩定。肢體護套環繞手臂或腿部，將輔助扭力傳遞給使用者。動力手臂部件通常包括前臂和上臂的護套，這些護套必須適合不同的體型。模組化和自適應連接系統解決了這個問題。它們採用可調節組件、快速釋放機構和可自訂介面。可調節的綁帶、模組化關節單元和可重新配置的框架元件使得一台設備可以適應多位使用者。
帶襯墊的接觸點和綁帶
襯墊可減輕皮膚壓力。綁帶可在運動過程中固定設備。 Össur 利用內建感測技術和微處理器控制技術，打造義肢和矯正器解決方案。他們的外骨骼採用即時自適應演算法，可根據使用者的運動模式和環境條件調整支撐力度。智慧感應器可偵測使用者意圖，並在行走、站立和過渡動作中提供無縫輔助。這展示了外骨骼的結構部件、驅動裝置和人機互動介面是如何協同工作的。
從實際角度來看，製造這些外骨骼結構件需要嚴格的公差和穩定的品質。中國領先的製造業企業諾博（NOBLE）憑藉其卓越的服務能力和專業的加工技術，在該領域脫穎而出。他們的團隊能夠幫助客戶有效率地從原型設計過渡到大量生產。無論您需要的是機械加工鋁合金框架還是客製化碳纖維支撐件，擁有合適設備的合作夥伴都至關重要。
外骨骼結構部件材料
為外骨骼結構部件選擇合適的材料意味著要找到平衡點。你需要輕量化、高強度和長使用壽命。沒有一種單一材料能夠滿足所有要求。因此，工程師會將金屬、複合材料和聚合物混合使用。讓我們來看看主要的幾種選擇。
7075鋁合金和鈦
7075-T6鋁合金是外骨骼框架的首選材料。其抗拉強度高達572 MPa，屈服強度達503 MPa。相較之下，6061-T6鋁合金的抗拉強度為310 MPa，屈服強度為276 MPa，7075-T6的屈服強度則高出約83%。 7075-T6的密度為2.81 g/cm³，而6061-T6的密度為2.70 g/cm³。誠然，7075-T6的重量略重一些，但其強度重量比更勝一籌，約為204 MPa/(g/cm³)。 5級鈦的強度重量比約為187 MPa/(g/cm³)。因此，對於對重量要求較高的零件，7075-T6的效率大約高出9%。採用鎂增強的航空級7075-T6鋁合金可以在保持屈服強度高於500 MPa的情況下，將重量減輕高達40%。這對於需要高強度和低品質的車架部件至關重要。
7075鋁合金的高強度重量比
7075鋁合金的加工性能評級為5/10，而6061鋁合金為8/10。因此，7075鋁合金的加工難度較高。但其優勢也顯而易見。它具有更好的抗永久變形能力，這對於膝關節和髖關節等易受衝擊的結構尤其重要。陽極氧化和等離子電解氧化可以進一步提高其耐磨性和生物相容性。精密加工和增材製造技術也有助於實現更高的尺寸精度。
鈦具有耐腐蝕性和耐久性。
鈦合金在腐蝕和皮膚接觸至關重要的領域表現出色。它們耐汗、耐濕，並能適應惡劣環境。其生物相容性使其非常適合用於與穿戴者皮膚接觸的外骨骼結構部件，從而降低過敏反應或不適的風險。外骨骼每天都要承受磨損、腐蝕和衝擊，而鈦合金能夠應付這三個面向。缺點是什麼？材料成本可能會使系統總成本增加兩倍。因此，工程師會選擇性地使用鈦合金——僅用於關節、銷釘和高磨損介面。
碳纖維和複合材料
碳纖維複合材料是輕量化的佼佼者。它們比鋁合金輕30%到40%，卻能維持同等的強度。這對穿戴式裝置來說意義重大。
高剛度和輕量化
比剛度才是關鍵。碳纖維織物的比剛度為 84–94 MN·m/kg。高模量單向材料的比剛度可達 133–150 MN·m/kg。 7075-T6 鋁合金的比剛度為 25.5 MN·m/kg。 Ti-6Al-4V 鈦合金的比剛度為 25.7 MN·m/kg。這意味著碳纖維的比剛度比其他材料高出 3.3–5.9 倍。在可調節的支撐臂中，相同重量下，碳纖維可將末端撓度降低 60–80%。更輕、更硬——這正是外骨骼結構部件所需要的。
樹脂-纖維組合增強層狀強度
樹脂纖維疊層結構使工程師能夠逐個方向調節剛度。碳纖維車架可以沿著一個軸彎曲，而沿著另一個軸保持剛性。這種控制僅靠金屬難以實現。但缺點是成本高昂。製造成本顯著增加，限制了其廣泛應用。這就是混合設計存在的原因。 Ekso Bionics 的 EksoNR 採用碳纖維和鋁合金連接件。總重量約 23 公斤。對於某些用途來說仍然偏重，但它非常堅固耐用。
| 材料/方法 | 減輕體重的好處 | 耐久性/強度 | 權衡 |
| 碳纖維複合材料 | 比鋁輕30-40% | 保持同等強度 | 製造成本較高 |
| 鋁合金 | 輕質結構材料 | 保持結構完整性 | 與碳纖維配合使用，用於連接處。 |
| 工程聚合物 | 有助於整體減重 | 保持結構完整性 | 用於非關鍵或模組化組件 |
| 先進鈦合金 | 卓越的強度重量比 | 高耐用性 | 材料成本可能使系統費用增加兩倍 |
| 設計最佳化（拓樸結構、有限元素分析） | 最大限度地減少非關鍵區域的材料用量 | 確保承重部件的強度 | 需要具備計算建模專業知識 |
從甲殼類動物外骨骼和角質層中汲取的教訓
大自然很久以前就解決了這個問題。甲殼類動物的角質層是一種結構性的生物複合材料，它啟發了人類外骨骼輕質盔甲的設計。甲殼類動物的角質層主要分為三個部分：內角質層、外角質層和表皮層，它們各自扮演不同的角色。內角質層、外角質層和表皮層層層疊疊。表皮層密封表面。外角質層富含幾丁質，使其堅硬。內角質層則利用柔韌的幾丁質來增強韌性。幾丁質賦予角質層強度。外角質層中的幾丁質能夠抵抗磨損。內角質層中的幾丁質能夠吸收衝擊力。碳酸鈣使外角質層硬化，同時也使角質層更挺拔。表皮層幾丁質含量很少。外角質層和內角質層構成了角質層的主體。這種角質層系統實現了重量和韌性的平衡。
輕型裝甲的生物學靈感
甲殼類動物的角質層採用了扭曲的膠合板結構。這種布利甘德模式可以防止分層，引導衝擊裂縫並增強能量耗散。螳螂蝦和螃蟹的角質層就反映了這一點。在受力面附近具有更大角度變化的層壓板具有更好的抗衝擊性。龍蝦骨骼中的螺旋纖維使得建造一個寬8公尺、重320公斤、牆厚僅4毫米的展館成為可能。這就是扭曲膠合板結構的強大之處。
天然材料與工程聚合物
甲殼類動物的角質層是一種由蛋白質和幾丁質構成的生物複合材料。蛋白質和幾丁質形成幾丁質-蛋白質纖維，這些幾丁質-蛋白質纖維又構成幾丁質-蛋白質原纖維。不同物種的外骨骼化學成分各不相同，並且會隨著硬化或鈣化過程而改變。堅硬的節肢動物外骨骼正是利用了這種化學特性。堅硬的外骨骼能夠保護動物。節肢動物的外骨骼具有耐磨性，最外層的外骨骼則能鎖住水分。節肢動物角質層的各個層次為工程聚合物的設計提供了靈感，例如用於3D列印的聚乳酸（PLA）。雖然它的韌性不如幾丁質，但價格低廉且易於列印。節肢動物角質層的各個層次也為混合鋪層提供了指導。甲殼類動物外骨骼中的關節附肢顯示如何建構靈活的關節。關節附肢也顯示如何應對重複運動。甲殼類動物的外骨骼教導我們如何分層建構材料。甲殼類動物的外骨骼也教我們如何改變剛性。甲殼類動物的外骨骼證明了輕質盔甲的有效性。
布利甘德結構已被證明能夠提高合成材料的抗衝擊性，其原理是透過防止纖維層分層和透過改變衝擊時形成的裂縫方向來增加能量耗散。
從實際角度來看，作為中國領先的製造業企業，諾博（NOBLE）在該領域擁有卓越的服務能力和專業的加工技術。他們的團隊能夠幫助客戶有效率地從原型設計過渡到大量生產。無論您需要加工鋁合金框架還是客製化碳纖維支架，擁有合適設備的合作夥伴都至關重要。
精密製造 外骨骼結構部件
好的設計如果沒有好的製造流程就毫無用處。即使是紙面上最好的外骨骼零件，如果加工出來的成品與設計不符，也會失效。這就是為什麼高精度至關重要。
數控加工 用於金屬外骨骼結構件
數控加工能夠提供外骨骼所需的精度。它可以將金屬切割到極高的精度，並且能夠對許多零件進行重複加工，確保結果一致。不同的外骨骼結構件製造方法各有其用。對於金屬框架和關節，數控加工通常是首選。
框架接口的嚴格公差
框架介面需要精確配合。軸承孔徑採用 H7 公差。對於 50 毫米的孔徑，這表示公差為 ±0.012 毫米。軸頸採用 H6 公差。對於 50 毫米的軸，這表示公差為 ±0.009 毫米。這些數值決定了連接件的運動是否順暢，還是會發生卡滯。
結構連接處的螺栓孔位公差要求為±0.1毫米。電纜支架的公差要求為±0.2毫米。用於肢體定位的框架構件長度的公差要求為±0.15毫米。非關鍵墊片的公差要求為±0.5毫米。關節軸線的平行度必須保持在每100毫米長度0.05毫米以內。這可以防止多軸組件出現卡滯現象。
表面光潔度對於受力材料至關重要。軸承接觸面的表面粗糙度Ra需達到0.8 μm或更低，以防止微動腐蝕。滑動界面的表面粗糙度Ra需達到1.6 μm，且方向垂直於運動方向。結構件的表面粗糙度Ra可達3.2 μm。外觀裝飾表面可透過噴砂或陽極處理達到Ra 0.4 μm。
GD&T（幾何尺寸和公差）控制位置、垂直度、同心度和輪廓。每一項標註都針對一個特定的問題。諾博是一家領先的中國製造企業，擁有卓越的服務和精湛的加工技術，能夠將這種精度貫徹到每個專案中。他們的五軸數控加工中心能夠處理複雜的形狀。他們的團隊能夠輕鬆地從原型製作過渡到大量生產。
表面光潔度與重複性
CNC加工能夠確保品質的可重複性。加工一百個相同的零件，它們的尺寸都完全相同。這種一致性對於外骨骼至關重要，因為每個部件的工作原理都一樣。
增材製造 3D印刷
數控機床能夠很好地加工金屬。現代製造方法又增添了新的選擇。積層製造技術可以逐層建構外骨骼結構部件，製造出銑削無法加工的形狀。
用於原型製作的PLA和其他熱塑性塑料
PLA熱塑性塑膠非常適合用於原型製作。 Ultrafuse PLA PRO1列印速度快、操作簡便，並且能夠很好地相容於卡扣式連接器。其機械性能優於ABS列印件，因此是測試組裝和功能的理想選擇。
但PLA也有其限制。未經後處理的FDM列印ABS零件無法滿足最大載重要求。列印後加熱可以改善極限狀態參數。列印方向也很重要。水平列印的拉伸強度比垂直列印高23%。不同方向的疲勞壽命相差30%。在10,000次循環後，這種差異會超過50%。
PLA適用於製作原型。如果用於大量生產，則需要更堅固的材料和後處理流程。但對於快速修改而言，它幾乎是最佳選擇。
銑削無法實現的複雜幾何形狀
增材製造突破了模具的限制。您可以設計用於冷卻和潤滑的內部通道，而銑削加工無法觸及這些空間。拓樸最佳化結構能夠將材料精確地放置在受力點。有機且受力驅動的形狀符合使用者的自然人體力學。
整合式感測器和電纜路徑直接進入零件內部。輕質晶格結構實現了銑削工藝無法達到的強度重量比。設計理念從“我們能製造什麼？”轉變為“系統需要什麼？”
高端外骨骼結構件採用選擇性雷射燒結技術來增強強度。其主要優勢包括更短的交貨週期和大規模客製化。能夠製造傳統方法無法實現的複雜形狀是推動此技術應用的重要因素。
檢查和質量控制
製造零件只是工作的一半，證明它們符合規格才是另一半。外骨骼要承載人體的重量，因此故障絕對不能接受。這些外骨骼必須具備可靠性。
用於精密測量的座標測量機
坐標測量機以微米級精度檢測尺寸。它們探測每一個關鍵特徵，並將測量結果與CAD模型進行比較。坐標測量機檢測確保外骨骼結構件符合品質標準。
光學掃描器和數位千分尺增加了更多檢測手段。零件始終保持精確規格，確保完美運作。 GD&T（幾何尺寸和公差）描述依賴於座標計量。三坐標測量機 (CMM) 是這項工作的標準工具。
確保零件在負載下的精度
靜態載重試驗檢驗結構在預期最大載重下的強度。動態載重試驗檢驗結構在實際工況下的性能。過載試驗確定安全裕度和失效點。
耐久性測試模擬真實世界的循環過程，包括舉起、彎曲、扭轉等，重複數千次。這樣可以在人員受傷前發現磨損。
加速壽命試驗和環境試驗用於檢驗設備在溫度變化、濕度變化和重複負載下的性能。這些試驗旨在確保設備的長期可靠性。
對FDM列印的外骨骼結構件進行有限元素計算，發現了應力集中區域。列印方向會影響拉伸強度和疲勞壽命。這些測試結果會回饋到設計和製造過程中，使每一輪都更加完善。
外骨骼結構部件的設計考量
零件和材料都齊備了，現在真正的困難來了：如何製造輕盈、堅固且價格合理的骨骼外骨骼結構件？這三個目標相互衝突，解決其中一個，其他兩個都會受到影響。這就是設計上的挑戰。讓我們來逐一分析。
重量優化和拓撲結構
重量是所有穿戴裝置的敵人。當有人整天穿著外骨骼時，每一克都至關重要。笨重的系統會更快消耗電池電量，讓使用者更快感到疲勞，而且運輸成本更高。因此，工程師們從各方面著手減輕重量。
材料去除的生成式設計
生成式設計利用電腦來尋找最佳形狀。軟體從一塊材料開始，去除所有不承重的部分，最終形成一個有機形態。它看起來有些奇特，但功能卻非常出色。
拓樸優化會去除低應力材料。晶格結構以微小支柱組成的網格取代了實體填充。晶格密度會根據局部載重路徑進行調整。具有良好抗拉強度的剛性材料允許使用更薄的晶格壁。這種方法模仿了自然界的運作方式。甲殼類動物的角質層採用分層結構。角質層的每一層承受的負荷都不同。外角質層負責承受硬度，內角質層負責承受韌性。角質層不會浪費任何材料。工程師們藉鏡了這項技巧。他們只在需要承受應力的地方放置材料。
模組化設計進一步降低了成本。使用者可以根據任務需求安裝或拆卸外骨骼結構部件。電池組、致動器和支撐結構在不需要時可以拆卸，從而減輕不必要的重量，並為使用者提供靈活的配置選擇。
平衡剛度和質量
剛度可以防止外骨骼結構部件在受力時彎曲，質量則能使其保持穩定。兩者都不可或缺，但它們之間卻相互制約。
碳纖維複合材料具有高剛性和低重量的優點。鋁合金則以更低的成本提供良好的強度重量比。先進的聚合物可以填補材料間的空隙。車架的幾何形狀也至關重要。空心結構能夠有效地分散載重。合理的材料佈局可以減少應力集中。
重量分佈會影響設備的重量感。盡可能將重量轉移到地面，並分散到多個身體接觸點。將外骨骼的結構部件放置在更靠近人體自然重心的位置，這樣可以縮短力臂，即使設備重量相同，也會感覺更輕。
能源效率與這一切息息相關。較重的外骨骼需要更多能量來驅動，這需要更大的電池。更大的電池又會增加重量，形成惡性循環。高效率馬達和傳動系統可以將功率需求降低15%至30%，從而可以使用更小的電池組。能量密度為150至250瓦時/公斤的鋰離子電池也功不可沒。如今，多目標最佳化框架除了考慮強度重量比之外，還納入了能量指標。
從實際角度來看，作為中國領先的製造業企業，諾博（NOBLE）在該領域擁有卓越的服務能力和專業的加工技術。他們的團隊能夠幫助客戶有效率地從原型製作過渡到大量生產。無論您需要拓樸優化的車架還是客製化的碳纖維支撐結構，擁有合適設備的合作夥伴都能帶來顯著的差異。
循環載荷下的抗疲勞性能
外骨骼會運動，會彎曲，每天要走成千上萬步。這種重複性運動會造成疲勞，疲勞會導致裂縫，裂縫會導致失效。誰都不希望這種情況發生。
防止接頭處裂痕擴展
關節是薄弱環節。它們集中應力，承受的循環次數最多，因此最先發生故障。
材料選擇至關重要。選擇材料時，應考慮其疲勞極限和抗裂紋擴展能力，而不要僅依賴靜態強度。一種材料或許能承受一次衝擊，但未必能承受一百萬次衝擊。
表面處理有幫助。陽極氧化會在表面形成氧化層，該氧化層可提高耐磨性和生物相容性。噴丸處理會在表面產生壓應力，這種應力可以延緩裂縫的萌生。甲殼類動物的角質層也提供了類似的啟示。其布利甘德結構可防止分層。扭曲的膠合板結構能夠改變裂紋方向，進而增強能量耗散。合成材料也藉鏡了這種原理。在受力面附近具有較大角度變化的層壓板具有更好的抗衝擊性能。
連接材料的機械性質決定了其使用壽命。鈦合金耐腐蝕、耐磨損，適用於高磨損介面。 7075鋁合金抗永久變形能力強，非常適合用於膝關節和髖關節等易受衝擊的結構。
選擇長壽命的材料
長久的使用壽命始於合適的材料。但合適的材料取決於具體應用。醫用外骨骼需要生物相容性，ISO 10993 標準涵蓋了皮膚接觸安全性。工業外骨骼需要耐用性，而軍用外骨骼則兩者兼具。
角質層教我們如何分層建構材料。角質層的每一層都有其作用。表皮層起到密封作用。外角質層硬化。內角質層吸收衝擊。人體設計也可以做到這一點。混合層壓結構結合了剛性層和柔性層。剛性層承受載重。柔性層吸收衝擊。兩者結合使用比單獨使用任何一層都更耐用。
測試驗證設計。靜態載重測試檢驗最大強度。動態載重測試檢驗實際性能。過載測試確定安全裕度。耐久性測試模擬數千次循環。加速壽命測試檢驗溫度和濕度變化。這些測試結果會回饋到設計中。每一次測試都使設計更加完善。
生產規模的可擴展性
如果無法規模化生產，再好的原型也毫無意義。生產規模決定一切。適用於十台設備的製程，在一萬台設備上就可能失效。聰明的公司從一開始就會為規模化生產做好規劃。
高產量生產的工具策略
模具策略取決於批量大小。對於 10-100 件的產品，3D 列印和 CNC 加工效果良好，模具成本低，迭代速度快。對於數千件的產品，射出成型更勝一籌，雖然前期模具成本較高，但單價會大幅下降。對於中等批量的產品，複合材料成型可以彌補這一不足。
混合製造融合了這三種技術。 3D列印實現客製化，CNC加工提供高精度，注塑成型則在大批量生產中降低單位成本。關鍵在於根據批量大小選擇合適的工藝。
角質層為我們提供了最後一個啟示。自然界建構甲殼類動物外骨骼的方式是逐層疊加。角質層的每一層都增加其功能，也增強其強度。這個過程從微小的螃蟹到巨大的龍蝦都適用。工程材料也可以遵循相同的路徑：從基礎結構開始，根據需要添加層，並隨著需求的增長擴大生產規模。
CNC加工和模壓成型之間的權衡
數控加工精度高，能夠處理複雜的幾何形狀，適用於金屬和塑膠等多種材料。但大批量生產速度較慢，每個零件都需要時間加工，人工成本累積很高。
射出成型速度快，可以大量生產數千個相同的零件。但它需要昂貴的模具，設計變更成本也很高。只有在大批量生產的情況下，注塑成型才具有經濟效益。
選擇取決於您的特定情況。原型製作需要數控加工，批量生產則需要射出成型。許多項目兩者都需要。先用數控加工進行驗證，再過渡到射出成型以實現規模化生產。這種過渡需要規劃，但最終會帶來回報。
品質管理系統為此轉型提供支援。 ISO 13485:2016 涵蓋醫療器材品質。 ISO 14971 涵蓋風險管理。 IEC 80601-2-78 涵蓋醫療機器人。這些標準確保了不同生產規模下的一致性。無論您生產十個還是上萬個外骨骼結構件，這些標準都適用。
從實際角度來看，作為中國領先的製造業企業，諾博（NOBLE）在該領域擁有卓越的服務能力和專業的加工技術。他們的團隊能夠幫助客戶有效率地完成從原型到大量生產的過渡。無論您需要加工鋁合金框架還是客製化碳纖維支架，擁有合適設備的合作夥伴都至關重要。
| 設計考慮 | 重量優化 | 疲勞壽命最佳化 | 生產成本優化 |
| 主要策略 | 拓樸優化、晶格結構、輕質材料 | 基於疲勞極限和表面處理的材料選擇 | 混合製造，製程與批量大小相匹配 |
| 關鍵機制 | 晶格密度可根據局部載重路徑進行調節，並透過 3D 列印實現複雜形狀。 | 陽極處理會形成氧化層；噴丸處理會產生壓應力。 | 3D列印用於客製化，機械加工用於精密加工，模塑用於大量生產 |
| 批量大小指南 | 不適用 | 不適用 | 10-100 件：3D 列印和數控加工；數千件：射出成型；中等產量：複合材料成型 |
| 參考標準 | 不適用 | ISO 10993 生物相容性 | ISO 13485:2016、ISO 14971、IEC 80601-2-78 |
NOBLE在骨骼外骨骼結構件方面的能力
優秀的設計需要一個能真正實現的合作夥伴。 NOBLE 專門生產金屬和塑膠外骨骼結構件，這些結構件將外骨骼連接在一起。我們的團隊既能承接單一原型製作，也能完成全部生產訂單。
精密加工 適用於金屬和塑料
我們以極高的精度切割金屬和工程塑膠。我們的車間加工的材料包括6061和7075鋁合金、5級鈦合金、不銹鋼和PEEK合金。每種材料都採用合適的刀具路徑和切削速度。
5軸數控加工 以及 CNC車削 中心
我們的五軸銑床一次裝夾即可加工複雜曲面。這意味著更少的零件移動誤差和更高的表面品質。標準加工的線性公差可達±0.02毫米。對於高精度加工，我們能夠達到更高的精度。同軸度可達0.002毫米。表面粗糙度Ra介於0.4至1.6微米之間。車削中心能夠以同樣的重複精度加工軸、銷和關節外骨骼結構件。
複雜幾何形狀的能力
斜孔、深凹槽和不規則凸台都不是問題。一次裝夾即可加工工件的五個面，無需複雜的夾具。更短的刀具可減少振動和顫紋，從而獲得更光滑的表面和更少的浪費。這對於必須在負載下完美契合的外骨骼結構件至關重要。
認證品質管理體系
在這裡，品質並非事後考慮，而是貫穿每一個環節。我們嚴格遵循書面流程，並在每個階段對照CAD模型檢查零件。
ISO 9001:2015 通用品質管理體系
我們的 ISO 9001:2015 認證涵蓋了我們的一般製造工作。它確保了流程的穩定、可追溯性以及每筆訂單的持續改進。
ISO 13485:2016 醫用外骨骼
對於醫用外骨骼，我們持有 ISO 13485:2016 標準認證。該標準對設計轉移、生物相容性和風險管理提出了更嚴格的要求，使醫療器材製造商確信其產品符合監管要求。
全方位服務支援：從設計到組裝
我們不僅切割金屬，還能幫助您更快地將創意轉化為成品。
工程評審和DFM
我們的工程師會審核您的圖紙，評估其可製造性。他們會指出那些會增加成本或導致公差累積問題的特徵。這種早期回饋可以節省數週的返工時間。派克漢尼汾公司在使用自動化報價和快速成型技術後，也取得了類似的成效，將他們的 Indego 外骨骼的研發週期縮短了一到兩個月。
套件組裝和最終組裝服務
我們可以為子組件提供所有加工好的外骨骼結構件，並將它們一起出貨。我們也提供完整關節模組或框架部分的最終組裝服務。這可以減少您的供應商數量，並簡化來料檢驗流程。
從實際角度來看，NOBLE 在該領域擁有卓越的服務能力和專業的加工技術。我們的團隊能夠幫助客戶有效率地從原型製作過渡到大量生產。無論您需要加工鋁合金框架還是客製化碳纖維支架，我們都擁有相應的設備和經驗來滿足您的需求。
甲殼類動物的角質層構成了堅固的結構。它的各層協同運作，如同一個團隊。這種角質層為外骨骼的結構部件提供了靈感。角質層含有幾丁質。外角質層中的幾丁質能夠抵抗磨損，內角質層中的幾丁質能夠吸收衝擊力。幾丁質蛋白纖維使這些特性成為可能。甲殼類動物的角質層展現了大自然的巧妙構思。角質層透過幾丁質實現了硬度的平衡。幾丁質賦予了角質層韌性。角質層中含有至關重要的幾丁質。角質層引領混合材料的發展方向。甲殼類動物的外骨骼表明，分層設計行之有效。人類的外骨骼也藉鏡了這種模式。如今的外骨骼融合了航太金屬和複合材料。角質層教我們如何平衡設計。角質層蘊含著許多值得我們學習的經驗。工程材料中的幾丁質也致力於實現同樣的目標。幾丁質激發了新的設計理念。幾丁質是關鍵組成部分，它出色地完成了任務。優秀的外骨骼需要巧妙的設計。這些外骨骼需要像NOBLE這樣的合作夥伴。我們提供從頭到尾的全面支援。
關於外骨骼結構部件的常見問題
哪些材料最適合用於外骨骼結構部件？
7075鋁合金具有極高的強度重量比。鈦合金耐鏽蝕、耐磨損。碳纖維可減輕30%至40%的重量。角質層啟發了混合疊層結構的設計。天然角質層兼顧了重量和韌性。每種材料都適用於不同的外骨骼需求。
甲殼類動物的角質層如何啟發設計？
角質層採用分層結構。外角質層耐磨損，內角質層吸收衝擊力。角質層兼具硬度和韌性。工程師正在研究這種角質層，以用於製造外骨骼的輕裝甲。
外骨骼結構零件的製造流程是什麼？
CNC加工可實現金屬框架的高精度加工。 3D列印可處理複雜形狀。三坐標測量機檢測可檢查每個關鍵特徵。選擇合適的製程取決於批量大小和所需的精度。
如何預防關節疲勞？
選擇具有高疲勞極限的材料。採用表面處理技術延緩裂紋的產生。角質層的布利甘德結構能夠引導裂縫擴散。此角質層特性有助於延長外骨骼關節的使用壽命。
醫用外骨骼適用哪些品質標準？
ISO 13485:2016 涵蓋醫療器材品質。 ISO 10993 關注皮膚接觸安全性。 IEC 80601-2-78 適用於醫療機器人。這些標準確保了安全性和可靠性。
3D列印可以取代CNC加工嗎？
不完全如此。 3D列印可以快速製作複雜的原型。 CNC加工則能為金屬外骨骼結構件的生產提供更嚴格的公差。每種工藝在外骨骼製造都有其用武之地。
角質層能告訴我們關於材料分層的什麼訊息？
角質層由三層組成：表皮層負責密封，外角質層硬化，內角質層吸收物質。每一層角質層都有其特定的功能。這種角質層結構理論指導著當今混合複合材料的研發。
