外骨骼關節殼體通常由幾個主要部件組成：主殼體、軸承座、致動器和馬達支架、感測器支架、密封和固定部件以及緊固件介面。這個外框架承載著致動器、馬達和傳動系統，並負責負載傳遞和運動控制。全球外骨骼市場預計將從2025年的850億美元成長到2030年的2.2億美元，因此這些零件的精度和材料直接影響其性能。每個零件的製造流程、精度要求和材料選擇對於實現現代外骨骼所需的可靠性和耐久性至關重要。了解這些因素是製造高效關節的關鍵。
外骨骼關節殼體中的主殼體
主殼體是外骨骼關節殼體的主要承重結構。它包裹著執行器、馬達和傳動系統，因此承受著關節所承受的大部分負荷。可以把它想像成骨骼的骨架。如果這個殼體彎曲或變形，整個關節就會失去對準，內部的易損件也會因此受損。
主殼體的製造工藝
採用CNC工具機對坯料進行加工
採用CNC數控工具機對鋁坯進行加工是製造高精度殼體的首選方法。將一塊AL6061-T6鋁合金實心坯料加工成最終形狀。這種合金常用於外骨骼殼體的製造，因為它加工性能優異，且能保持嚴格的公差。加工流程通常遵循以下步驟：
- 選擇材料－AL6061-T6 鋁是外骨骼外殼應用的常用起始材料。
- 在加工過程中控制尺寸公差，尤其是在連接點和與其他模組的介面處，以便在組裝時所有零件都能對齊。
- 保持薄壁區域和複雜結構周圍的結構完整性，以防止變形或弱化。
- 表面處理－先清潔零件，然後進行噴砂和陽極處理。噴砂處理可以去除刀具痕跡和台階印記，使表面呈現啞光均勻的外觀。陽極處理則能增強耐腐蝕性，形成堅硬耐刮的表面，並提升外觀。
壓鑄和熔模鑄造
壓鑄和熔模鑄造也用於製造主體殼體。壓鑄適用於產量較大、單件成本較高的場合。熔模鑄造則能處理複雜的內部幾何形狀。這兩種工藝都能縮短加工時間，但與坯料加工相比，精度會降低。
用於原型製作的積層製造
積層製造，也就是3D列印，在原型製作上優勢顯著。列印技術讓工程師在投入實際生產前就能測試零件的組裝和形狀。你可以連夜列印一個外殼，把它固定在測試台上，第二天早上就能從中獲得一些經驗。當然，這種技術也有其優缺點：列印速度快、幾何形狀自由度高，但列印零件的機械性質通常不如鍛造金屬。
主殼體的精度要求
尺寸和幾何公差
精度始於介面點。螺栓孔、軸承孔和模組配合面都需要嚴格控制。一個介面的公差偏差會波及整個組裝過程。幾何公差涵蓋平面度、垂直度和位置，這些要求可防止殼體變形。
表面光潔度規格
表面光潔度會影響疲勞壽命和密封性能。粗糙的表面會在裂紋萌生處形成應力集中點，也會磨損O型環和墊片。噴砂和陽極處理可以改善表面狀況，但底層的機械加工表面仍是決定性能基準的因素。
主殼材料
材料的選擇決定了重量、成本和耐用性。以下是常見材料的比較：
| 材料 | 關鍵特徵 | 應用例子 |
| 鋁合金 | 性價比高、易於加工、表面光潔度好、適合大量生產 | 大量生產的外殼，對成本敏感的部件 |
| 鈦合金 | 耐高溫、生物相容性好、耐腐蝕 | 腐蝕性或高溫環境 |
| 碳纖維增強聚合物 | 最佳強度重量比、近乎零熱膨脹、高剛度 | 精密儀器外殼，高性能框架 |
鋁合金 6061 和 7075
鋁合金6061和7075是大多數殼體的主要鋁合金基材。 6061鋁合金焊接加工性能良好。 7075鋁合金強度更高，但成本更高，切割難度更高。對於成本敏感型大量生產而言，鋁合金是更佳選擇。
鈦合金 Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V 具有鋁所不具備的耐熱性和耐腐蝕性。它還具有生物相容性，這對醫用外骨骼至關重要。缺點是價格昂貴且加工難度高。
碳纖維增強聚合物
碳纖維增強複合材料（CFRP）是該類材料中強度重量比最高的。它還具有接近零的熱膨脹係數和高剛度。精密光學和測量外殼正是出於這些原因而採用它。雖然其初始價格最高，但維護成本卻很低。
沒有一種材料能適用於所有情況。合適的材料選擇取決於運作條件、產量和預算。工程師通常會進行有限元素分析 (FEM)，以比較不同候選設計方案的應力路徑，並且 FEM 分析還能在切割任何金屬之前驗證殼體是否達到強度目標。像 ABS 這樣的輕質材料更多地用於原型支架，而不是承重殼體，因為它們的強度無法與金屬相媲美。從實際角度來看，製造工藝和材料選擇密不可分——二者缺一不可。
外骨骼關節殼體中的軸承座和孔
軸承座和軸承孔位於所有外骨骼關節殼體的中心。它們固定著軸承，使關節能夠平穩地轉動。如果這些軸承座不合適，關節就會浪費能量並快速磨損。軸承孔和軸承之間的配合會影響關節的效率和耐磨性。軸承孔過松會導致軸承空轉。軸承孔過緊則會壓壞軸承滾道。無論哪種情況，都會導致關節損壞。
軸承座的製造工藝
精密鏜孔和鉸孔
精密鏜孔將孔徑加工至精確尺寸。單點刀具在孔內旋轉並切削材料。操作人員可以微調切削量。這種控制方式使鏜孔成為高精度加工的理想選擇。鏜孔後，當需要更光滑的表面時，則需要進行鉸孔。多刃鉸刀可去除薄層材料，留下乾淨、圓潤的孔。這兩個步驟共同為軸承座的加工奠定了基礎。
磨削和珩磨
當孔的表面需要更精細的加工時，就需要進行研磨。砂輪旋轉摩擦孔表面，去除少量材料。最終得到一個非常光滑且尺寸控制精準的表面。珩磨則更進一步。珩磨工具使用磨石來拋光孔，並修正細微的形狀誤差。這一過程可以提高圓度和直線度。對於需要不斷移動的外骨骼關節殼體而言，這些步驟至關重要。它們可以減少摩擦，延長軸承的使用壽命。
軸承座的精度要求
孔徑和圓度
孔徑公差決定了軸承的配合度。間隙過大，軸承會發出異響；間隙過小，軸承會卡死。圓度可以防止軸承滾道在負載下變形。孔徑不圓會導致軸承在某些點受到擠壓，這種不均勻的壓力會導致軸承過早失效。此處所需的精度在整個軸承座中屬於最嚴格的精度之一。
同軸性和垂直性
同軸性確保兩個或多個孔位於同一中心線上。在兩側均有軸承的接頭中，不會對中會導致軸彎曲，這種彎曲會使軸承受力不均。垂直性則確保孔與安裝面垂直。如果孔傾斜，軸承將承受其設計之外的軸向負荷。這兩項要求都能保護軸承和軸，並確保接頭在數千次循環中保持平穩運作。
軸承座材料
軸承座材料的選擇取決於負荷、轉速和潤滑情況。以下是常見材料的比較：
| 材料 | 產品特性 | 最高工作溫度 |
| 原生聚四氟乙烯 | 高耐化學性和運作效率 | 200℃ |
| HYPATITE® PTFE | 與其他聚四氟乙烯材料相比，單體滲透性更低，抗壓縮性和抗蠕變性更高 | 260℃/ 270℃ |
| 碳填充聚四氟乙烯 | 優異的耐熱性和耐磨性 | 260℃/ 270℃ |
| FILLTITE® | 聚四氟乙烯基材料中耐熱性最高 | 300℃ |
| 石墨黑色 | 非常適合高溫環境 | 500℃ |
| 金屬 | 適用於高溫和磨損環境 | 500℃/ 525℃ |
| 窺視 | 更高的耐熱性和機械強度 | 270℃ |
| 玻璃纖維填充聚四氟乙烯（PTFE）和二硫化鉬 | 更高的耐磨性和運作效率 | 230℃ |
| 含二硫化鉬的尼龍 | 更高的機械強度 | 140℃ |
淬硬鋼刀片
硬化鋼襯套能夠承受最重的負荷。它們耐磨損，並且在壓力下能夠保持形狀。用硬化鋼製造的軸承座，即使經過數百萬次的循環，其孔徑也能保持精確。這些襯套壓入軸承座或用螺栓固定到位。這樣一來，軸承座的材質就可以更輕、更便宜。這種分體式設計在不犧牲強度的前提下減輕了重量。
青銅和黃銅合金
青銅和黃銅合金具有良好的軸承性能，尤其適用於運動接觸。襯套、套筒、耐磨板和滑動部件通常都採用這些合金。 C93200青銅是此類應用的常用材料，它具有良好的軸承性能，並且能夠很好地應對運動接觸。在某些環境下，這些合金的耐腐蝕性也優於鋼材。此外，它們的成本低於淬硬鋼，且易於加工。
工程塑膠 PEEK 和 PTFE
PEEK及其填充化合物，尤其是含有PTFE、碳纖維或青銅填料的化合物，具有低摩擦係數和良好的耐磨性。它們無需像金屬對金屬接觸那樣進行潤滑。這使得PEEK成為襯套、軸承、齒輪和耐磨板中青銅、黃銅和硬化鋼的常用替代品。在潤滑不切實際、被禁止或有污染風險的情況下，PEEK尤其適用。填充PTFE和石墨或碳纖維的軸承級PEEK化合物可與金屬軸進行乾摩擦。它們的摩擦和耐磨性能與青銅襯套相當。此外，它們還避免了青銅在沖洗或化學物質暴露環境中的腐蝕和潤滑劑殘留問題。對於用於無塵室或醫療環境的外骨骼關節殼體而言，這一點至關重要。 PEEK的機械性質在反覆運動下仍能保持良好狀態。 PTFE的摩擦係數較低，但強度稍遜。工程師通常會將兩者結合使用以平衡性能。
從實際角度來看，軸承座決定了關節的性能。一個做工精良、材質合適的軸承座能夠確保外骨骼關節殼體多年平穩運作。而劣質的軸承座則會過早失效，並導致軸承損壞。內部軸承的對準和支撐都依賴這個軸承座。如果軸承座的孔徑合適，軸承就能正常運作；如果孔徑不合適，即使其他部位的精度再高，也無法挽救關節。同樣的道理也適用於組件中的每個軸承。每個軸承都需要一個與其公差和負載特性相符的軸承座。因此，軸承座的加工與主殼體的加工同等重要。
外骨骼關節殼體中的執行器和馬達支架
下肢外骨骼關節內部可安裝不同類型的馬達。肘關節、膝關節和腕關節通常採用無框無刷直流馬達（BLDC）。工程師也會使用帶有減速器的馬達、帶有鮑登線的馬達、氣動執行器和串聯彈性執行器。此外，還有高扭力行星齒輪馬達、準直驅馬達和帶諧波齒輪的高傳動比驅動器。每種致動器都需要一個安裝支架，以確保轉子與傳動系統精確對齊。安裝支架未對準會導致動力損耗和零件快速磨損。
執行器安裝座的製造工藝
數控銑削和鑽孔
CNC加工負責執行器板的製造。四塊獨立的執行器板均由CNC工具機加工而成。鋼製馬達-齒輪箱聯軸器在車床上進行車削和端面加工，然後在銑床上進行鑽孔和沈孔加工。編碼器軸的加工步驟相同－在車床上進行車削，然後在銑床上進行鑽孔。執行器-連桿聯軸器由鋁製成，在車床上進行車削，然後在銑床上進行鑽孔。這些工序確保螺栓孔與孔中心對齊。
鈑金加工與焊接
對於不承載重物的框架零件，使用薄金屬板可以降低成本。大多數部件都是薄鋁板。加工工作主要集中在切割或鑽孔。對於關鍵的編碼器軸部件，車床加工效果最佳。高解析度 3D 列印也適用於原型製作。焊接將各個部件連接成一個副框架，副框架再用螺栓固定到外殼上。
執行器安裝座的精度要求
孔位置公差
馬達安裝座需要精確控制螺栓孔在螺栓孔位上的位置。精確的位置公差可防止螺栓將馬達拉離中心。使用三坐標測量機 (CMM) 或銷釘檢查可確保孔位對齊。組裝的成功取決於應用於這些特徵的幾何尺寸和公差 (GD&T)。請務必在執行器安裝圖面上標註平面度、垂直度和精確位置。如果沒有這些標註，安裝座從一開始就會導致振動。
平面度和角度對齊
安裝面的平整度可防止馬達傾斜。導孔和螺栓孔位均以同一基準面為準進行檢查。此檢查可在馬達用螺栓固定之前發現傾斜現象。
單憑孔位無法保證角度對準。安裝座底部的微小垂直度誤差會在馬達工作高度累積成較大的偏移。與功能基準相關的垂直度和真實位置公差能夠精確控制對準精度。定位銷或精密加工的導引孔可提供所需的高精度。間隙孔無法承受馬達運轉時的動態負荷。
執行器安裝材料
物料揀選取決於負載、重量和環境。
不銹鋼
不銹鋼具有耐腐蝕性和強度，能夠承受高功率驅動器帶來的更高負載。但缺點是重量較重。對於下肢關節而言，耐用性比重量更重要，因此不銹鋼是理想之選。
鋁合金
鋁合金兼具強度與重量優勢，加工速度快，成本低於不鏽鋼。對於承載中等載重的支架，鋁合金是標準之選。主殼體所使用的鋁合金——6061 和 7075——同樣適用於此。它們的性能與負載範圍相符。
玻璃纖維尼龍
玻璃纖維增強尼龍具有比金屬更輕的重量和良好的機械性能。它能承受中等負荷，並在反覆應力作用下抵抗蠕變。這種材料非常適合用於輕量化連接，因為每一克重量都至關重要。注塑成型製程可以加快生產速度。
精密的定位是整個支架結構的關鍵。偏心的電機會導致振動、軸承磨損和功率損耗。支架與主殼體面臨相同的挑戰：保持位置穩定、承受負荷、經受數千次循環。一些先進的設計增加了與傳動系統連接的板，使得支架的對準更加重要。支架必須確保馬達和傳動系統的軸線保持對齊。工程師會對支架設計進行有限元素分析，以檢查應力路徑並確認剛度。支架的強度取決於材料、幾何形狀以及焊接或緊固件與其他組件的連接方式。這種強度決定了支架能否在極端條件下以及承受數千次循環。
外骨骼關節殼體中的感測器支架
外骨骼關節殼體內的感測器支架和編碼器安裝座需要具備高重複性和熱穩定性。為什麼呢？安裝公差決定了編碼器標稱解析度在安裝後能保持多少可用。如果安裝不具備重複性，低解析度位元可能會變得不穩定。工程師會透過墊片、微調、重新校準或濾波來解決這個問題。熱穩定性也同樣重要。不同材料的膨脹係數不同，因此感測目標、定子、殼體或軸之間可能會發生相對位移。即使是微小的位移也會影響訊號品質。在空心軸、低剖面或無框架編碼器設計中，由於轉子-定子關係取決於機械堆疊結構，因此這個問題尤其嚴重。在室溫下校準的系統，在熱膨脹、軸承預緊力變化或結構變形後，可能會失去正確的訊號幾何形狀。
感測器支架的製造工藝
用於小型特徵的CNC加工
CNC加工能夠處理感測器支架所需的微小特徵。細小的凹槽、槽口和安裝孔需要鋒利的刀具和輕柔的切割。無需特殊刀具，機械師即可精確定位這些特徵。對於中小批量生產，這種方法能夠提供最佳精度。應力消除鋁材是常用的原料，因為它在加工後仍能保持穩定。
大批量注塑成型
當生產規模擴大時，注塑成型便成為主流。鋼模一次成型即可完成支架的製作，循環時間縮短至幾秒。但缺點是前期模具成本較高。列印技術也適用於原型製作，工程師可以在正式開模前進行試裝。對於大批量生產，注塑成型在單件成本方面更具優勢。
感測器支架的精度要求
安裝孔的位置必須精確，以確保重複性。感測器的方向和表面平整度必須控制在嚴格的公差範圍內，以維持訊號品質。尺寸的重複性確保拆卸和重新安裝後安裝位置保持一致。熱穩定性保證了感測器在接頭升溫時仍能保持對準。支架若隨溫度變化而膨脹或扭曲，則會影響讀數。材料的選擇和幾何形狀都會對此產生影響。
感測器支架材料
材料選擇需要在重量、強度和成本之間取得平衡。常用材料包括用於提高精度和穩定性的應力消除鋁，以及其他用於輕量化應用的金屬和聚合物。鋁鎂合金等壓鑄材料用於製造輕質金屬零件。注塑成型材料包括工程塑膠。
鋁鎂合金
鋁合金和鎂合金重量輕，但機械性能良好。鎂更輕，但更容易腐蝕。鋁合金在大多數支架方面能提供更好的平衡。
ABS和聚碳酸酯
ABS和聚碳酸酯都是模壓支架的理想材料。 ABS具有良好的抗衝擊性和低成本優勢，而聚碳酸酯則兼具強度和透明度。兩者都適用於中等載重。
高溫型PEEK
PEEK 能夠承受其他塑膠無法承受的高溫。即使在接合處溫度很高的情況下，它也能保持強度和剛性。由於成本較高，因此更適合要求嚴苛的應用。
外骨骼關節殼體的密封與保持
密封件和保持架就像是外骨骼關節腔的免疫系統。它們能阻止灰塵、水和污垢進入內部。如果沒有它們，軸承會生鏽，感測器精度會下降，執行器也會過早失效。良好的密封件還能防止潤滑劑洩漏。保持架則將所有零件牢牢固定在一起。它們能防止密封件脫落和軸承移位。
密封件和固定件的製造工藝
密封件和擋圈的生產方式取決於材料和產量，可透過模壓成型或機械加工來實現。彈性密封件通常採用壓縮成型工藝，而擋圈則採用CNC車削工藝。
彈性密封件的壓縮成型
壓縮成型製程利用熱力和壓力來製造橡膠密封件。將橡膠件放入加熱的模具中，模具閉合後，橡膠膨脹並填滿模具形狀。硬化後，密封件便呈現正確的形狀。此工藝適用於O型環、墊片和客製化唇形密封件的生產。它能夠很好地處理大批量生產，並有效控制模具成本。
CNC車削加工擋圈
數控車削可利用金屬或塑膠坯料製造擋圈。車床一步即可完成擋圈的形狀、凹槽和邊緣的加工。對於卡簧和螺旋擋圈，車削即可形成基本形狀，後續步驟則用於加工間隙或槽口。車削能夠精確控制擋圈的厚度和直徑。這種精確控制對於擋圈以正確的力卡入凹槽至關重要。
密封件和保持架的精度要求
溝槽尺寸和表面光潔度
溝槽尺寸決定了密封件的性能。溝槽過深會導緻密封件移動，而溝槽過淺則會過度擠壓密封件，這兩種情況都會導致洩漏。溝槽內部的表面光潔度也至關重要。粗糙的溝槽會在安裝過程中損壞密封唇，而光滑的溝槽則能讓密封件順利滑入到位，避免損壞。同樣的道理也適用於擋圈溝槽。粗糙的溝槽會導致應力集中，進而造成擋圈開裂。
過盈配合公差
過盈配合無需螺絲或螺栓即可將固定件和密封件固定到位。外側部分略大於內側部分。將它們壓合在一起即可形成咬合。過盈量過大會導致殼體開裂，過小則會導致零件脫落。工程師會根據材料和負載計算出適當的過盈量。對於外骨骼關節殼體而言，振動使得這種配合尤為重要。鬆動的固定件可能會在行走過程中脫落。
密封件和固定件的材料
材料的選擇需要在柔韌性、耐化學性和強度之間取得平衡。密封件的常用材料包括彈性體；保持架通常使用金屬或塑膠。
丁腈橡膠和氟橡膠
丁腈橡膠耐油耐脂性能良好，價格也比氟橡膠低。氟橡膠能承受更高的溫度和更強的化學品腐蝕。對於暴露於清潔劑或高溫環境的接頭，氟橡膠更安全。但缺點是價格較高。
不銹鋼擋圈
不銹鋼環強度高、耐腐蝕，能夠承受震動和反覆組裝。與塑膠環相比，不銹鋼環的形狀保持性更好。對於重載應用，不銹鋼是標準之選。
聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯
聚四氟乙烯（PTFE）摩擦係數低，耐化學腐蝕。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）耐磨性高。兩者都非常適合用作支撐環或易損件。它們可以保護主密封件免受擠壓或損壞。在外骨骼關節殼體中，這些材料可以延長關節的使用壽命。工程師通常會進行有限元素分析（FEM），以檢查密封件和保持架在負載下的性能。維持系統的強度取決於材料、形狀和配合情況。強度不足的保持架會在密封件失效前先失效。這種失效會導致灰塵進入，並損壞軸承。組件中的每個軸承都存在相同的問題。每個軸承都需要與其公差和負載特性相符的密封件和保持架。實際上，密封和保持架與主殼體一樣重要。劣質的密封件可能會毀掉一個昂貴的關節。
外骨骼關節殼體的機械加工
製造外骨骼關節外殼的方法有很多種。您可以採用常規的數控加工和射出成型，也可以採用積層製造。每種方法都能提供不同的精確度和形狀選擇。最佳選擇取決於您的需求數量、預算以及所需的效能。像中國頂尖的製造企業諾博這樣的公司，可以提供所有這些選擇。他們精湛的加工技術可以幫助客戶從原型設計到大量生產，無需更換供應商。
減材工藝
3軸和5軸數控加工
三軸數控加工用於製造基本形狀。刀具沿著 X、Y 和 Z 軸移動，而工件則保持靜止。它適用於簡單的支架和平面。五軸加工增加了兩個旋轉軸。刀具一次裝夾即可加工底切和斜面。這對於具有複雜曲線的外骨骼關節殼體非常有用。更少的裝夾次數意味著更高的精度。五軸銑削是客製化鋁製關節殼體的常用選擇。動態銑削方案有助於薄壁加工，防止薄壁在切削過程中發生抖動。
車削和車銑複合加工
車削是在車床上加工圓形特徵。軸承座、軸孔和擋圈槽都依賴車削加工。工件旋轉，刀具沿著工件長度方向移動。車銑複合加工將車削和銑削結合在一台機床上。這縮短了加工時間，並使圓形和平面特徵的對齊效果更好。精密車削能夠提供軸承座所需的高精度圓度。
積層製造及3D列印技術
金屬積層製造
金屬積層製造技術利用金屬粉末製造零件。雷射熔化每一層，並將其與下一層熔合在一起，最終形成完全緻密的金屬零件。這項技術非常適用於加工無法實現的複雜內部通道。但其缺點是表面光潔度較差。列印表面需要進行後加工，例如軸承座和密封槽。
定向能量沉積
定向能量沉積（DED）技術將金屬粉末或金屬絲送入雷射光束中。材料接觸工件時會融化。 DED 最適用於添加特徵或修復磨損區域。雖然它不常用於製造完整的殼體，但在混合製造中卻非常有用。您可以先加工一個基本殼體，然後在其上添加列印的特性。
熔融沈積成型（FDM）技術也發揮重要作用，尤其是在研發初期。 FDM 透過熔化的絲材逐層建造零件。這些 3D 列印零件非常適合用於原型製作和低應力零件。 FDM 為工程師提供了一種快速檢查組裝和形狀的方法。這些採用 FDM 技術的承重 3D 列印零件可用作功能測試件。它們可以幫助您在切割金屬之前檢查間隙和組裝。熔融沈積成型提供了一種可靠的方法來測試設計，而無需等待模具製作。
成型和模塑工藝
熔模鑄造
熔模鑄造始於蠟模。蠟模表面塗覆陶瓷塗層。陶瓷塗層硬化後，蠟模熔融脫落，金屬填充留下的空隙。這種工藝能夠加工機械加工無法實現的複雜內部形狀。其表面光潔度和精度介於印刷和鑄造之間。
注射成型
射出成型是將熔融塑膠注入鋼模中。它的速度很快，週期不到一分鐘。雖然前期模具成本較高，但隨著產量的增加，單一零件的成本會降低。對於大量生產的外骨骼關節外殼來說，射出成型是最佳選擇。該工藝能夠確保數千個零件尺寸的一致性。 NOBLE 將所有這些方法整合到一個供應商中。這意味著您可以利用列印技術製作原型，透過鑄造進行驗證，並透過注塑或機械加工進行規模化生產。
外骨骼關節殼體的設計考量
外骨骼關節外殼必須能夠承受負荷而不發生彎曲，同時也要保持輕量化。每增加一克重量，馬達就需要付出更大的努力。工程師在設計的每個步驟中都要權衡這兩個要求。
結構完整性和重量優化
拓樸優化和加強筋
拓樸優化能夠找到最需要材料的地方。軟體從一塊材料開始，去除所有不承受應力的部分。剩餘部分看起來像一個自然結構，輕薄而高效。加強筋可以增加薄壁的剛性。沿著載重路徑佈置的加強筋可以防止壁面屈曲。合理的加強筋佈局可以顯著提高殼體的剛性。整個殼體的強度取決於加強筋與軸承座和安裝墊的連接方式。
有限元素分析驗證
在切割金屬之前，有限元素分析會對設計進行檢查。工程師在零件上創建由微小單元組成的網格，並施加負載和限制。軟體會計算每個點的應力和撓度，因此及早發現薄弱區域。對於碳纖維零件，工程師使用正交各向異性材料模型，該模型考慮了不同方向上的剛度值差異。有限元素法有助於比較不同的方案。對鋁、鈦和碳纖維進行相同的分析，可以顯示哪種材料能夠最好地承受負荷。有限元素法還可以驗證加強筋的位置。有限元素分析結果指導最終的形狀和材料選擇。
熱管理和耐磨性
散熱路徑
外殼內部的熱量來自多個方面。執行器和馬達在使用過程中會產生熱量。內部電子元件也會增加熱量。使用者的體溫會加劇這種情況。關節接觸點會因摩擦和應力而發熱。關節周圍通風不良會導致熱量滯留。襯墊中的隔熱層會阻礙熱量散發。汗水中的水分會降低散熱效果並導致皮膚刺激。動態運轉會產生變化的熱負荷。工程師設計了散熱路徑。他們使用散熱片、導熱墊和氣流通道將熱量從敏感零件排出。
表面處理和塗層
外殼採用ABS塑膠、碳纖維或鋁合金。每種材料的導熱性和隔熱性各不相同。內部接觸層採用記憶海綿和網狀材料。這些材料既能保護使用者，也能有效隔熱。有機聚合物與織物結合使用，可提高隔熱性能。這種增強的隔熱性能會改變整個關節的熱響應。鋁材上的硬質陽極氧化等塗層可增加一層耐磨層，並提高其耐腐蝕性，適用於醫療或戶外環境。
組裝和維護便利性
模組化設計，方便現場更換
模組化設計使技術人員能夠快速更換損壞的外殼。標準緊固件和連接器可減少停機時間。模組化接頭的強度必須與原始設計相符。測試證明，該連接能夠承受重複載荷。這種設計也支援升級。新型執行器可以安裝在同一外殼中。
公差累積管理
裝配過程中，各種公差會累積。例如，軸孔處於其上限，而軸承處於其下限，就會造成配合鬆動。這種鬆動會導致振動和噪音。公差累積分析可以預測最嚴重的間隙。工程師會調整各個公差，以確保最終組裝符合規格。最終連接的精確度取決於對這些公差累積的管理。螺栓連接的強度取決於正確的預緊力。螺栓鬆動會降低連接強度，而螺栓過緊則會導致螺紋滑絲。良好的公差累積管理能夠確保每個緊固件都能正常運作。
外骨骼關節殼體的常用材料
外骨骼關節外殼的材料種類繁多。常見的選擇包括鋁合金和鋼材，因為它們具有高強度重量比和抗疲勞性。聚合物，例如ABS，也經常被使用，主要用於3D列印原型。每種材料都有其自身的優缺點。
金屬
鋁合金 6061-T6 和 7075-T6
鋁合金 6061-T6 和 7075-T6 是兩種最常用的接頭殼體合金。它們加工性能良好，強度高。但它們在一些關鍵方面存在差異。以下是它們的比較：
| Property | 6061‑T6 | 7075-T6 / 7075-T651 |
| 拉伸屈服強度 | 276兆帕 | 503兆帕 |
| 疲勞強度 | 96兆帕 | 160兆帕 |
| 彈性模量 | 71.0加侖 | 71.7加侖 |
| 耐腐蝕性能 | 自鈍化Al₂O₃氧化物薄膜（穩定） | 含銅量為1.2%～2.0%；需塗層 |
| 塗層要求 | 惡劣環境下無此規定 | 必須進行鈍化或塗層處理 |
在相同的拉伸負荷下，從 6061 鋁合金換用 7075 鋁合金會使橫截面積減少約 45%，但剛度幾乎保持不變。如果屈曲是設計的主要控制因素，那麼 7075 鋁合金並無優勢。對於高循環應用，7075 鋁合金或碳纖維是更佳選擇。先進的熱固性或陽極氧化多層塗層可密封 7075-T6 鋁合金上的微孔。這些塗層能夠防止在超過 10 萬次步態循環的高頻循環負荷下，因水分引起的應力腐蝕開裂。密封的硬質陽極氧化表面還能承受超過 2,000 小時的鹽霧試驗而不出現點蝕。
鈦Ti-6Al-4V
鈦合金Ti-6Al-4V比鋁合金強度更高，比鋼輕。它具有良好的耐熱性和耐腐蝕性。由於其與人體結構相容，醫用外骨骼經常使用鈦合金。但缺點是成本高且加工難度高。鈦合金加工難度高，單位重量成本也更高。然而，對於那些對重量和耐腐蝕性要求極高的應用來說，鈦合金彌補了鋁合金的不足。
不銹鋼 17-4 PH
17-4 PH不鏽鋼常用於高磨損的關節殼體零件。軸承座、關節銷和樞軸點均採用此鋼材。它雖然較重，但堅固耐用且價格低廉。有些被動式外骨骼採用彈簧鋼來儲存彈性位能。特種合金則能承受極端的循環負荷。鋼材並非對重量要求極高的設計的首選材料，但就耐用性而言，它毫不遜色。
聚合物和複合材料
PEEK 和 PEI
PEEK 和 PEI（以 Ultem 品牌銷售）是用於製造關節襯套和軸承表面的工程塑膠。它們無需潤滑脂即可耐磨損，從而減輕重量並降低成本。此外，它們還可以模製成用鋁製成成本高的形狀。對於外骨骼關節殼體而言，在潤滑不切實際的情況下，這些塑膠是理想的選擇。
碳纖維和玻璃纖維複合材料
碳纖維增強聚合物具有優異的強度重量比，但其脆性較大，容易受到衝擊損傷。基體材料在紫外線、溫度變化和潮濕環境下會分解，導致分層和強度下降。玻璃纖維複合材料成本較低，但重量較重。兩者都需要精心設計以避免突然失效。
用於3D列印原型製作的PLA和ABS
對於早期原型製作，ABS 和 PLA 是常用的材料。工程師使用熔融沈積成型 (FDM) 技術快速列印這些零件。聚合物絲材以加熱噴嘴送入，逐層堆積成型。這些承重 3D 列印零件非常適合用於檢查配合度和間隙。它們並非用於最終生產。但熔融沈積成型提供了一種快速測試形狀的方法。工程師依賴列印技術的速度和低成本。這些列印部件的材料性能足以滿足原型製作的需求。這就是為什麼早期使用 ABS 進行列印如此普遍的原因。
選擇標準和優勢權衡
強度重量比
強度、重量和耐用性之間存在著基本的權衡。鋁合金重量輕，但容易在反覆負荷下失效。鋼材強度較高，但重量增加會縮短電池壽命並降低使用者舒適度。碳纖維複合材料具有極高的強度重量比，但其破壞方式難以預測。
成本和可加工性
成本和產量決定了材料的選擇。 6061鋁合金價格低廉且易於取得。碳纖維成本高且生產速度慢。小批量生產更適合機械加工金屬。大批量生產則較適合注塑成型塑膠。可加工性也很重要。鋁材切削速度快。鈦材會磨損刀具。
耐腐蝕性和抗疲勞性
耐腐蝕性確保接頭在惡劣環境下正常運作。 6061鋁合金本身即可形成穩定的氧化層。 7075鋁合金由於含銅，需要進行塗層處理。抗疲勞性同樣至關重要。 6061-T6鋁合金的疲勞強度為96 MPa，而7075-T6鋁合金的疲勞強度可達160 MPa。對於高週循環應用，7075鋁合金或碳纖維是更佳選擇。接頭機構本身往往是失效點。普通滾珠軸承和襯套在高頻負荷下磨損迅速。殼體內的軸承也面臨同樣的問題。軸承必須能夠承受反覆循環而不磨損。缺乏有效的自潤滑材料增加了維護需求。工程師在選擇材料時會考慮疲勞強度等機械性質。整個組件的強度取決於材料的選擇是否正確。他們也會進行有限元素分析，以檢驗材料在載重下的性能。材料性能指導著每一個決策。選擇合適的材料決定了接頭的持久耐用還是過早失效。
NOBLE在關節外骨骼方面的專業知識
NOBLE是一家金屬和塑膠加工製造合作夥伴。我們為對公差要求嚴格、品質穩定的團隊生產外骨骼關節殼體零件。我們的車間同時加工金屬和塑膠。這種材料組合至關重要，因為關節殼體很少只使用一種材料。
金屬和塑膠加工能力
數控加工、鑄造及射出成型
我們集CNC加工、鑄造和注塑成型於一體。這意味著，無論是機械加工的鋁製外殼、鑄造的執行器支架或是射出成型的感測器支架，都可以由我們一手包辦。這樣就避免了三家供應商互相推擠的麻煩。對於塑膠零件，我們採用ABS和其他工程級材料進行射出成型。我們也支援列印，用於早期試裝和夾具製作。如果您需要在開模前快速製作原型，列印可以幫助您快速獲得所需零件。
設計、原型製作和組裝服務
我們的團隊協助您進行設計、原型製作和組裝。我們會仔細審查您的圖紙，指出加工難度較高的零件，並提出降低成本的改進建議。接下來是原型製作，然後是全面組裝。我們會壓入軸承座、安裝擋圈，並在出貨前進行組裝檢查。最終產品的強度取決於這些步驟，因此我們將組裝視為生產流程的一部分，而不是後期添加的環節。
認證和品質保證
我們持有相關的品質管理認證，包括醫療器材認證。這些認證並非徒有虛名，它們指導著我們如何記錄工作、培訓員工以及處理變更訂單。
全程可追溯性與檢驗協議
每一批產品都能追溯到其材料證書和機器記錄。我們對進貨、加工過程中的零件、成品進行檢驗。三坐標測量機 (CMM) 檢測可確認孔徑、孔位和平面度。如果尺寸出現偏差，我們會在問題累積之前及時發現並解決。這種嚴謹的流程確保了每個接頭的強度，也保證了您的生產進度。
從設計到組裝
協作工程支援
我們作為您工程團隊的延伸，為您提供服務。只需將模型發送給我們，我們就能告訴您它適用於哪些機器、成本是多少以及可能故障的地方。這種反覆溝通可以節省修改週期。
端到端生產和測試
從首件樣品到大量生產，我們負責加工、成型、表面處理和測試。您只需對接一個合作夥伴、一套品質系統和一個聯絡人。這就是NOBLE的核心理念。
所有外骨骼關節殼體的核心部件都相同：主體殼體、軸承座、致動器和馬達支架、感測器支架以及密封和固定組件。每個零件都有其獨特的製造流程、精度目標和材料選擇。這些選擇必須與關節將要承受的負荷、重量和環境相符。
機械加工、鑄造、模塑和3D列印等工藝都發揮作用。材料選擇也至關重要，需要在強度、重量、成本和耐腐蝕性之間取得平衡。外殼設計得當，接頭才能正常運作。
外骨骼關節殼體常見問題解答
外骨骼關節外殼是由什麼材料製成的？
外骨骼關節殼體通常由鋁合金（例如 6061-T6）製成。鈦合金（Ti-6Al-4V）則用於醫療或腐蝕性環境。碳纖維增強聚合物具有最佳的強度重量比。聚醚醚酮（PEEK）適用於襯套和軸承表面。材料的選擇取決於負載、重量和環境條件。
為什麼軸承座精度如此重要？
如果軸承孔過松，軸承會原地空轉。如果過緊，滾道會被壓扁。這兩種情況都會導致連接處能量損耗並快速磨損。軸承孔的直徑、圓度、同軸度和垂直度能夠保護軸承。確保這些參數正確，連接處就能平穩運作數千次。
你能用3D列印機列印一個外骨骼關節外殼嗎？
你可以列印原型，但列印零件的強度不如鍛造金屬。熔融沈積成型 (FDM) 非常適合早期檢查配合度和間隙。金屬增材製造可以製造出具有複雜內部通道的高密度金屬零件。這些零件在列印後仍需進行機械加工，例如加工軸承座和密封槽。
感測器支架需要滿足哪些公差要求？
安裝孔的位置、感測器的方向、表面平整度和重複性都必須嚴格控制。熱穩定性也很重要，因為不同材料的膨脹係數不同。
密封件和擋圈是如何保護接頭的？
密封件可防止灰塵、水和污垢進入，同時也能防止潤滑劑洩漏。保持架可防止密封件脫落和軸承移位。密封件材料的選擇取決於使用環境；金屬環在振動和反覆組裝的情況下性能優異。
什麼是住宅設計中的拓樸優化？
拓樸優化始於一塊實心材料。軟體會移除所有不承受應力的材料。最終得到一個纖薄、高效且外觀自然的形狀。加強筋可以提高薄壁的剛性。合理的加強筋設計能夠顯著提高殼體的剛性。
為什麼7075鋁合金需要塗層？
7075鋁合金含有銅，銅會阻止天然氧化層的形成。如果沒有這層氧化層，水分會導致應力腐蝕破裂。鈍化或陽極氧化塗層可以密封表面。密封的硬質陽極氧化表面可以承受超過2,000小時的鹽霧試驗而不出現點蝕。
什麼情況下應該選擇鈦合金而不是鋁合金？
鈦合金（Ti-6Al-4V）具有鋁無法承受的高溫和耐腐蝕性。它還具有生物相容性，這對醫用外骨骼至關重要。缺點是成本高且加工難度高。對於嚴苛環境或醫療環境中對重量要求較高的關節，鈦合金是鋁合金無法勝任的理想選擇。
