Robots allégés : boîtes de vitesses et supports en plastique haute résistance moulés par injection

Réponse rapide

Le moulage par injection de plastique à haute résistance  peut réduire le poids des composants robotiques industriels tout en conservant la rigidité, la stabilité dimensionnelle, la résistance à l'usure et la répétabilité requises pour les assemblages mécaniques.

Pour les supports de robot, les boîtes de vitesses légères, les porte-engrenages, les carters et les composants de transmission secondaires , les plastiques renforcés de fibres tels que le PA chargé de verre peuvent offrir un rapport rigidité/poids élevé. Le POM, le PBT, le PPS et le PEEK peuvent être envisagés lorsqu'un faible frottement, une résistance à l'usure, une stabilité en température ou des performances mécaniques plus élevées sont requis.

La clé ne consiste pas simplement à remplacer le métal par du plastique. Un allègement réussi dépend de la sélection des matériaux, de la géométrie structurelle, de la conception du moule, des paramètres d'injection, du contrôle du retrait et des tolérances fonctionnelles  développées comme un seul système.

Pourquoi la légèreté est importante dans la robotique industrielle

La réduction de la masse dans les ensembles robotiques en mouvement peut améliorer l’équilibre entre la charge utile, l’accélération, la charge des actionneurs et la consommation d’énergie.

Cela rend les plastiques techniques attrayants pour les composants qui ne supportent pas la totalité de la charge structurelle primaire. Le moulage par injection peut également intégrer des nervures, des bossages, des éléments de montage, des guides-câbles et d'autres fonctions en un seul composant, réduisant ainsi le nombre de pièces et la complexité de l'assemblage.

Les applications typiques incluent :

·  Supports de robot et supports de capteurs

·  Carters de boîte de vitesses légers

·  Porte-engrenages et engrenages secondaires

·  Boîtiers de moteur et d'actionneur

·  Composants de préhension

·  Composants de gestion des câbles

Pour les arbres à couple élevé, les chemins de charge primaires ou les applications à températures extrêmes, le métal peut rester le meilleur choix. L'objectif technique est de placer chaque matériau là où il offre le meilleur rapport performance/poids.

Sélection de matériaux pour le moulage par injection de plastique à haute résistance

Le meilleur polymère dépend de la charge, de la température, de l’humidité, de la friction, de l’usure, des exigences dimensionnelles et du volume de production.

Les plastiques renforcés de fibres  peuvent augmenter la rigidité sans simplement augmenter l’épaisseur des parois. Cependant, l’orientation des fibres crée également un comportement mécanique et de retrait directionnel, ce qui rend l’emplacement de la porte et l’analyse du flux importants lors du DFM.

Pour un support de robot, le PA chargé en verre peut être un bon candidat lorsque la rigidité et la faible masse sont des priorités. Pour un engrenage de précision, le POM peut être plus approprié lorsque la faible friction et la faible résistance à l'usure dominent.

Principaux défis d'ingénierie

1. Augmenter la rigidité sans augmenter le poids

Le simple fait de rendre une paroi en plastique plus épaisse peut ajouter de la masse tout en augmentant le risque de marques d'évier, de contraintes internes, de retrait différentiel et de cycles de refroidissement plus longs.

Une conception plus efficace utilise :

·  Épaisseur de paroi optimisée

·  Nervures structurelles

·  Goussets

·  Renforcement local

·  Géométrie orientée vers le chemin de charge

La disposition des nervures doit suivre la direction réelle de la force plutôt que d'être ajoutée uniformément autour du composant.

2. Maintenir l'alignement de la boîte de vitesses

Un carter de boîte de vitesses moulé peut contenir plusieurs interfaces critiques :

·  Alésages de roulement

·  Emplacements des arbres de transmission

·  Surfaces de montage du moteur

·  Trous pour chevilles

·  Modèles de fixation

·  Surfaces d'étanchéité

Toutes les dimensions ne nécessitent pas la même tolérance.

La chaîne de tolérances critiques doit plutôt se concentrer sur les caractéristiques qui contrôlent l'ajustement des roulements, l'alignement de l'arbre, l'entraxe des engrenages et la répétabilité de l'assemblage..

Cette approche fonctionnelle évite des tolérances serrées inutiles sur des caractéristiques non critiques tout en protégeant les performances de la boîte de vitesses.

3. Contrôler la précision et le jeu des engrenages

Les performances des engrenages en plastique ne dépendent pas uniquement de la précision de la cavité.

La géométrie finale peut être affectée par :

·  Retrait de la résine

·  Température du moule

·  Pression d'emballage

·  Taux de refroidissement

·  Orientation des fibres

·  Teneur en humidité

·  Température de fonctionnement

Le jeu doit également être évalué au niveau du système. Un jeu excessif peut augmenter les erreurs de positionnement et le bruit, tandis qu'un jeu insuffisant peut provoquer des frictions et des interférences dentaires.

Pour cette raison, la géométrie des engrenages, le comportement des matériaux, l'alignement du boîtier et les conditions de fonctionnement doivent être évalués ensemble..

4. Gestion du retrait et du gauchissement

Une épaisseur de paroi, une orientation, une compression et un refroidissement inégaux peuvent produire un retrait différentiel.

Dans une boîte de vitesses légère, même une déformation modérée peut affecter l'alignement des roulements ou la planéité du montage.

Par conséquent, la prévention du gauchissement doit commencer par la géométrie des pièces et la planification du flux de moulage , et pas seulement par les ajustements de la machine de moulage après le démarrage de la production.

Solutions techniques : contrôle du processus d'injection

Une fois le matériau et la géométrie établis, les paramètres du processus déterminent si le composant peut être produit de manière cohérente.

Pour les matériaux renforcés, la position de la grille est particulièrement importante  car elle influence l'orientation des fibres et donc la rigidité et le retrait locaux.

La validation du processus doit établir une fenêtre de fonctionnement reproductible plutôt que de s'appuyer sur un seul paramètre de machine.

DFM pour supports de robot et boîtes de vitesses légères

Le DFM doit être terminé avant le début de l’outillage.

Un composant robotique doit être examiné pour :

Épaisseur de paroi :  gardez les sections aussi uniformes que possible et évitez l’accumulation inutile de matériaux.

Nervures et bossages :  Ajoutez un renfort structurel sans créer d'épaisseur locale excessive.

Tirage :  Fournit un tirage suffisant pour une éjection fiable sans compromettre les surfaces fonctionnelles.

Emplacement de la porte :  Tenez compte de la longueur du flux, des lignes de soudure, de l'orientation des fibres et de la charge structurelle.

Ligne de séparation :  évitez de placer les interfaces de roulement ou d'étanchéité critiques directement sur des conditions de ligne de séparation défavorables.

Éjection :  positionnez les éjecteurs pour éviter la distorsion des éléments fins ou précis.

Stratégie de tolérance :  Séparer les dimensions fonctionnelles critiques des dimensions cosmétiques non critiques.

Un processus DFM solide relie quatre variables :

Matériau → Géométrie → Moule → Processus

Ceci est particulièrement important pour les plastiques renforcés de fibres, car le comportement du matériau et la conception du moule influencent directement le résultat dimensionnel final.

Exemple d'ingénierie : boîtier de boîte de vitesses de robot léger

Prenons l’exemple d’un boîtier de boîte de vitesses de robot conçu à l’origine comme un assemblage en aluminium usiné en plusieurs pièces.

Un examen DFM identifie plusieurs zones non porteuses qui peuvent être converties en polymère renforcé. Au lieu d’augmenter l’épaisseur des parois, la refonte introduit des nervures structurelles et des bossages de montage intégrés.

L’équipe d’ingénierie :

1. Sélectionne un polymère renforcé de fibres approprié.

2. Définit les alésages des roulements et les emplacements des arbres comme caractéristiques critiques.

3. Optimise le placement des portes autour des chemins de charge fonctionnels.

4. Évalue les risques de retrait et de gauchissement.

5. Valide le boîtier moulé par une inspection dimensionnelle et d’assemblage.

L’objectif n’est pas simplement d’alléger le boîtier. Il s'agit de réduire la masse et la complexité des pièces tout en conservant les interfaces qui déterminent les performances de la boîte de vitesses..

Cela illustre pourquoi l’allègement est fondamentalement un problème de conception de système plutôt qu’un exercice de substitution de matériaux.

Plastique ou aluminium pour les composants robotiques

Le plastique ne doit pas nécessairement remplacer le métal partout.

Une architecture hybride pratique peut utiliser du métal pour les arbres, les interfaces à couple élevé et les chemins de charge primaires , tout en utilisant des plastiques renforcés pour les boîtiers, les supports, les supports, les couvercles et les mécanismes secondaires.

Contrôle qualité des composants de robotique industrielle

L'inspection de la qualité doit se concentrer sur les caractéristiques qui déterminent la fonction.

Pour un carter de boîte de vitesses, les caractéristiques critiques typiques comprennent :

·  Dimensions de l'alésage des roulements

·  Entraxe des arbres

·  Position du trou

·  Planéité de montage

·  Dimensions critiques des murs

·  Déformation globale

L'inspection visuelle peut identifier les défauts de moulage tels que les bavures, les tirs courts, les marques d'évier, les marques de brûlure et les problèmes visibles de ligne de soudure.

Pour les projets de précision, l’inspection du premier article et la vérification dimensionnelle permettent de confirmer que le processus de moulage répond systématiquement aux exigences fonctionnelles définies.

Le but n’est pas d’appliquer partout la tolérance la plus stricte. Il s'agit de contrôler les dimensions qui déterminent l'assemblage, l'alignement et le mouvement robotique..

De l'outillage du prototype à la production

Les composants robotiques nécessitent souvent plusieurs itérations de conception avant la production.

Un parcours de développement pratique est :

CAO → DFM → Outillage prototype → Tests fonctionnels → Optimisation de la conception → Outillage de production → Production en volume

Le moulage par injection de prototypes fournit une meilleure représentation du comportement des matériaux de production que les prototypes d'apparence uniquement, permettant aux ingénieurs d'évaluer la rigidité, l'ajustement, le jeu des engrenages, la déformation thermique et les interfaces d'assemblage avant de s'engager dans l'outillage de production.

Ceci est particulièrement utile pour les boîtes de vitesses légères et les supports de robots complexes , où de petits changements géométriques peuvent influencer les performances mécaniques.

FAQ : Moulage par injection de plastique pour la robotique

Q1 : Quel est le meilleur plastique pour les supports de robot moulés par injection ?

Le PA chargé en verre est souvent envisagé lorsqu'une rigidité élevée, un faible poids et des performances structurelles sont requis. Le choix final doit également tenir compte de la température, de l’humidité, de la fatigue, des chocs et de la stabilité dimensionnelle.

Q2 : Le nylon chargé en verre peut-il remplacer l'aluminium dans les supports de robot ?

Dans les applications sélectionnées, oui. Il est particulièrement adapté lorsque le support nécessite un rapport rigidité/poids élevé mais ne supporte pas de charges structurelles ou thermiques extrêmes.

Q3 : Le moulage par injection de plastique peut-il être utilisé pour les carters de boîtes de vitesses ?

Oui. Les polymères renforcés peuvent être utilisés pour de nombreux carters de boîtes de vitesses, supports, couvercles et composants de transmission secondaires. L’alignement, le retrait, le gauchissement et la dilatation thermique des roulements doivent être contrôlés.

Q4 : Comment contrôlez-vous le gauchissement des pièces robotiques moulées par injection ?

Commencez par une épaisseur de paroi uniforme, une géométrie de nervure appropriée, un déclenchement équilibré, un garnissage contrôlé et un refroidissement équilibré. Le retrait spécifique au matériau et l’orientation des fibres doivent également être pris en compte lors du DFM.

Q5 : Les engrenages en plastique sont-ils adaptés à la robotique industrielle ?

Ils peuvent convenir à certains mécanismes robotiques et transmissions secondaires. Le matériau de l'engrenage, la géométrie des dents, le jeu, l'usure, la température et les tolérances des composants d'accouplement doivent être évalués ensemble.

Obtenez un examen DFM gratuit pour votre composant robotique

Développement d'un support de robot, d'une boîte de vitesses légère, d'un engrenage en plastique, d'un boîtier d'actionneur ou d'un autre composant robotique industriel?

Envoyez votre dessin STEP ou PDF  à l'équipe d'ingénierie de Dawang Precision pour une évaluation DFM gratuite.

Nos ingénieurs peuvent examiner :

·  Sélection de matériaux et de plastiques renforcés de fibres

·  Épaisseur de paroi et conception des nervures

·  Stratégie de porte et de ligne de séparation

·  Tolérances critiques et structure de référence

·  Interfaces d'engrenages et de roulements

·  Risques de retrait et de gauchissement

·  Possibilités de réduire le poids et la complexité de l'outillage

Avec 26 ans d'expérience dans la fabrication et plus de 400 machines-outils avancées , dont les centres d'usinage à cinq axes Röders et Mazak , Dawang Precision répond aux exigences d'outillage et de fabrication de précision pour les composants industriels exigeants.

Envoyez vos fichiers STEP/PDF dès aujourd'hui. Notre équipe d'ingénierie examinera votre conception et vous répondra dans les 24 heures.