Componentes robóticos de alta tolerância: um guia de moldagem por injeção de precisão

A moldagem por injeção de precisão é a tecnologia central que rompe o gargalo de desempenho dos componentes do robô. Se houver um erro de escala micrométrica em um robô, isso pode levar à falha da transmissão conjunta ou à baixa precisão do posicionamento.

Como as fábricas que utilizam a automação de maneira semelhante aos operadores humanos estão se movendo para alcançar alta precisão e segurança, o acúmulo de tolerâncias tornou-se uma importante fonte de pontos de ruptura no desempenho dos produtos do desenvolvedor.

Além de reduzir os custos dos trabalhadores da montagem, através moldagem por injeção de precisão , as empresas também podem aumentar a durabilidade dos seus produtos.

Diz-se que este método pode, de forma muito confiável , manter as tolerâncias dimensionais dentro de 0,01 milímetro , eliminando assim cerca de 90% das variações dimensionais físicas e reduzindo os custos de fabricação secundária em mais de 20%.

Visão geral do conteúdo principal

Principais conclusões

• Controle de nível do micrômetro:

A otimização em nível de microssegundos por meio de pontos de comutação VP ajuda a eliminar quase 90% das flutuações dimensionais físicas. Na verdade, isso significa que as juntas do robô podem ser posicionadas com muita precisão e seu posicionamento não se desvia muito do intervalo definido.

• Vantagem isotrópica:

As peças de protótipo moldadas por injeção têm resistência à tração na direção Z 40% maior do que as peças impressas em 3D. Além disso, parecem mais peças de verificação funcional.

• ROI líder de moldes de alumínio:

Para produção de pequenos volumes de menos de 5.000 peças, os moldes de alumínio podem economizar cerca de 50% nos custos de moldes, o que representa uma redução muito grande no lado do investimento na produção de pequenos volumes.

• Estabilidade dos Materiais:

Juntamente com o aumento da temperatura do molde para 120 graus Celsius ou mais, proporciona uma prevenção muito eficaz do desvio dimensional de materiais cristalinos, mesmo em ambientes complexos.

Por que escolher a moldagem por injeção de precisão da JS Precision? Experiência em fabricação de componentes robóticos

Se você deseja fazer moldagem por injeção de precisão de peças de robôs, o principal fator em sua decisão será a redução do risco de produção e estabilidade/proteção dos lucros. Para atender a esses requisitos, você precisará de um parceiro bem experiente e tecnicamente confiável.

Se você optar pela JS Precision, obterá suporte profissional de moldagem por injeção para peças de robôs focadas em trabalhos de alta precisão. A empresa já ajudou mais de 50 fabricantes de robôs em todo o mundo com soluções personalizadas, incluindo robôs industriais, robôs colaborativos e outros campos .

Segue ao pé da letra o reconhecido internacionalmente Norma ISO 9001:2015 , o que significa que as características físicas dos seus lotes de produtos são constantemente verificadas de acordo com requisitos de alta precisão, garantindo assim os seus padrões de qualidade.

Tomemos, por exemplo, um fabricante europeu de robôs colaborativos que está enfrentando um problema bastante semelhante ao seu: tolerâncias de baixa qualidade das juntas moldadas por injeção do robô fazem com que o robô não seja capaz de fazer um posicionamento de alta precisão, o que atrasa o cronograma de lançamento do produto.

Se você informar a JS Precision sobre seu problema, ela analisará e oferecerá uma solução, ou seja, melhorará as tolerâncias de suas peças para 0,01 mm, ajustando o processo de moldagem por injeção por meio de moldagem por injeção científica e design DFM, o que finalmente levará à redução de sua taxa de sucata de 18% para 0,5%, economizando assim mais de US$ 30.000 em custos de produção por mês e, com o tempo, menos perdas.

Escolher JS Precision para você significa muito mais do que apenas a qualidade estável do produto e a entrega eficiente. É uma solução que lhe permite encontrar continuamente poupanças de custos e melhorar a sua competitividade, o que acabará por resultar na sua vantagem na produção de componentes robóticos.

Se você está enfrentando problemas de precisão e custo dos componentes do robô, entre em contato com a JS Precision agora para uma consulta individual gratuita com um engenheiro para determinar a solução de moldagem por injeção de precisão mais adequada para você.

Por que a moldagem por injeção de precisão é crítica para componentes de robôs de última geração?

A moldagem por injeção de precisão é um dos meios mais eficazes de atingir a precisão do nível de mícron . Impacta significativamente a precisão do posicionamento e a vida útil dos robôs de alta precisão. Na verdade, serve como ponte entre a fase de design e a produção em massa, tornando-se uma parte fundamental do processo.

Por exemplo, com base no ANSI/ASME B46.1-2019 , componentes de alta precisão exigem um nível de precisão IT6 ou IT7 . Alcançar essa alta precisão só pode ser possível usando técnicas especializadas de moldagem por injeção de precisão.

Este é um dos fatores fundamentais envolvidos na fabricação de peças de alta qualidade.

Atendendo aos requisitos de precisão de nível micron das juntas robóticas

Os robôs colaborativos são projetados para ter uma precisão de repetibilidade inferior a 0,05 mm, o que equivale a peças moldadas por injeção com tolerâncias de nível IT6 ou IT7.

Uma discrepância de 0,01 mm no eixo ou furo levará à vibração do efeito final, resultando em anormalidades na operação da junta do robô e, eventualmente, afetando o desempenho geral do robô .

A influência das tolerâncias mecânicas cumulativas na precisão do posicionamento

Em uma cadeia de transmissão composta por vários componentes do robô, a tolerância geral é determinada pelo método quadrático médio RSS. Assim, cinco peças, cada uma com tolerância de 0,03 mm, podem produzir um desvio do efetor final superior a 0,1 mm, tornando a tarefa de compensação do algoritmo mais desafiadora, se não impossível.

Simplificando, é semelhante a um jogo de dominó: imprecisões incrivelmente pequenas em cada componente são somadas, eventualmente levando o efetor final do robô a falhar em atingir fisicamente o ponto pretendido com precisão.

Da mesma forma que uma pessoa caminha, se cada passo estiver ligeiramente descentralizado, a localização final será significativamente diferente.

Melhore a precisão dos componentes para otimizar os custos de montagem e a vida útil do produto

A utilização de componentes robóticos de alta precisão permite a montagem cega, que é um dos principais benefícios deste processo, minimiza os trabalhos de reparação e resulta numa redução dos custos de processamento secundário em até 20%.

Além disso, a redução do desgaste dos componentes não só resulta num prolongamento da vida útil da caixa de velocidades superior a 30% , como também é um dos principais benefícios deste processo.

Quer saber como evitar o acúmulo de tolerâncias e reduzir custos de montagem? Baixe nosso white paper gratuito sobre moldagem por injeção de precisão de juntas robóticas para obter orientação técnica detalhada.

Figura 1: Um molde de injeção de metal com linhas azuis conectadas, mostrado ao lado de componentes de robô de plástico amarelo, ilustrando as ferramentas usadas na fabricação de precisão.

Quais são os principais projetos para estratégias de moldagem por injeção para juntas robóticas complexas?

O ponto principal do Design for Manufacturing (DFM) para juntas de robô está equilibrando a necessidade de resistência estrutural e estabilidade dimensional.

Além de garantir que as peças sejam muito precisas e economizar nos custos de fabricação, os outros métodos principais incluem ajustar a espessura da parede e reforçar as proporções das nervuras para evitar encolhimento e empenamento , bem como projetar ângulos de inclinação corretos para evitar danos de desmoldagem.

Ajuste das proporções de espessura de nervuras e paredes para controlar o encolhimento

O encolhimento de regiões com paredes espessas deteriorará a precisão da instalação dos mancais. A ideia principal aqui é limitar a espessura da base da nervura a 50%-67% da espessura da parede adjacente.

Isso também é fundamental no projeto de moldagem por injeção para ordenar a estrutura, eliminar o encolhimento e manter o nivelamento da superfície.

Regulagem de ângulo de projeto para engrenagens de transmissão de alto torque

As engrenagens ou estrias de transmissão destinadas a operações mecânicas muito precisas precisam de um ângulo de inclinação para ser regulado na faixa de 0,5 a 1 grau . Isto, juntamente com um polimento da superfície do molde da classe SPI-A1 para reduzir o atrito, facilita a desmoldagem e diminui a chance de danos à peça.

Efetores finais robóticos: uso de insertos incorporados por meio de moldagem por injeção

JS Precision usa um sistema de alimentação automático para garantir que a inserção roscada de metal e o substrato se unam fortemente e, ao mesmo tempo, limita a coaxialidade da rosca em 0,02 mm, a fim de evitar afrouxamento durante o uso.

Figura 2: Uma estação de trabalho com monitor duplo exibindo modelos 3D e desenhos de engenharia para o projeto de juntas robóticas complexas.

Como obter tolerâncias ultrarritas de moldagem por injeção para peças de robô de alto desempenho?

Alcançando ultraprecisão tolerâncias de moldagem por injeção necessita de controle de circuito fechado em nível de microssegundos dos parâmetros do processo.

Isso significa que é necessário um controlador de temperatura do molde de altíssima precisão para estabilizar as dimensões do plástico cristalino, juntamente com a definição precisa do ponto de comutação VP e, em seguida, usar dados científicos de moldagem por injeção para garantir que as peças sejam consistentes.

Como o controle da temperatura do molde afeta a estabilidade dimensional do PEEK e do POM

A temperatura do molde é crítica, pois influencia a cristalinidade do material, o que posteriormente determina a contração e a estabilidade dimensional.

Portanto, ao usar um controlador de temperatura do molde, garantimos que a diferença de temperatura seja mantida dentro de ±1°C. Dessa forma, a cristalização é uniformizada e há diminuição do desvio dimensional devido às mudanças na temperatura ambiente.

Mitigação de flutuações de tolerância por meio da otimização em nível de microssegundos do ponto de comutação de pressão

JS Precision consegue manter o desvio de comutação VP dentro de 0,1 mm, o que por sua vez leva a flutuações de peso das peças inferiores a 0,2%.

A principal razão pela qual as tolerâncias de moldagem por injeção continuam atendendo aos padrões de forma consistente é devido ao fato de que o controle preciso do tempo de comutação garante as mesmas condições de moldagem para cada peça do robô.

Figura 3: Uma pessoa usando um paquímetro digital para medir as dimensões de um componente branco de um robô moldado com precisão.

A moldagem por injeção de protótipo é a melhor maneira de validar montagens robóticas funcionais?

A moldagem por injeção de protótipos destaca-se como o melhor método para testar a confiabilidade cinemática de sistemas robóticos. Esta técnica proporciona características de material uniformes que se alinham com as dos itens produzidos em massa, o que é um avanço significativo em relação ao Impressão 3D .

Além disso, a moldagem por injeção ajuda você a identificar rapidamente problemas de projeto e a prevenir cenários de refugo antes de iniciar a produção em massa.

Como as peças impressas em 3D e moldadas por injeção rápida diferem

As peças fabricadas pelas impressoras 3D FDM/SLA apresentam fraquezas entre as camadas e não conseguem replicar as propriedades mecânicas e a resistência ao desgaste das peças moldadas por injeção.

Além disso, as peças moldadas por injeção apresentam uma resistência à tração no eixo Z que é 40% maior do que as peças impressas em 3D. Este é um fator chave na sua adequação para lidar com juntas robóticas de alta carga.

Usando produção experimental em pequenos lotes para verificar a confiabilidade do mecanismo do robô

É financeiramente sensato confirmar a interferência de movimento com moldagem rápida antes de optar pela produção em massa.

A JS Precision realiza testes de fadiga durante 1.000 ciclos em componentes de protótipo , coletando dados de desgaste que são então usados ​​para identificar áreas problemáticas e preparar o terreno para uma produção em massa estável de peças de robôs.

Quer entender os efeitos reais da moldagem por injeção de protótipo? Clique para ver os estudos de caso de verificação de protótipos de componentes de robôs da JS Precision para entender o processo de aplicação específico.

Figura 4: Dois técnicos testando colaborativamente o circuito de um componente preto do braço do robô em uma bancada.

Quando você deve escolher um molde de injeção de alumínio para produção robótica de baixo volume?

No campo da robótica, onde prevalecem a alta variedade e a baixa produção de lotes, molde de injeção de alumínio proporcionam um retorno sobre o investimento muito elevado .

Como o alumínio tem uma grande capacidade de dispersar o calor, o tempo de fabricação pode ser reduzido em 20% a 30%, razão pela qual é usado principalmente para prototipagem rápida e produção de pequenos lotes.

Análise de custo de ROI para produção de alta variedade e baixo lote na indústria robótica

O preço de um molde de alumínio 7075 é de apenas 40% -60% do preço de um molde de aço P20, e o prazo de entrega será reduzido para 10-15 dias. Portanto, no caso de produção de pequenos lotes de menos de 5.000 peças, os custos do molde podem ser reduzidos em quase 50%.

A alta dissipação de calor do alumínio encurta o ciclo de produção

A taxa de transferência de calor do alumínio é significativamente maior do que a do aço, e o tempo de resfriamento foi reduzido em mais de 30% como resultado disso, evitando assim a deformação de peças de paredes espessas e encurtando o ciclo de produção em geral, facilitando a rápida colocação dos produtos no mercado.

Limitações de vida útil dos moldes de alumínio ao lidar com plásticos modificados reforçados com fibra

Usar o material com teor de fibra de vidro superior a 30% diminuirá significativamente a vida útil dos moldes de alumínio (geralmente dentro de 5.000 ciclos de moldagem).

Os moldes de aço são recomendados para operação de mais de 5.000 peças. Os moldes de alumínio são a opção mais econômica para a produção de pequenos lotes e também ajudam no controle de custos da produção de peças de robôs.

Quais são os desafios de seleção de materiais para componentes de robôs de alto desgaste?

Componentes do robô as juntas precisam equilibrar a autolubrificação e a alta rigidez sob fricção de alta frequência.

Ao introduzir polímeros de alto desempenho, como PPA reforçado com fibra de carbono e PPS modificado, o controle das mudanças na flutuação do encolhimento é uma obrigação, e a otimização do DFM, por sua vez, poderia ser usada para resolver o problema de ventilação de injeção de alta pressão.

Taxa de encolhimento de moldagem por injeção de precisão de polímero de alto desempenho

O encolhimento dos materiais reforçados com fibra de carbono depende da direção da orientação da fibra. Na verdade, a diferença entre a contração ao longo da direção do fluxo e a contração na direção perpendicular pode ser bastante significativa.

Nossa abordagem é buscar antecipadamente a compensação de tais variações por meio de análise do fluxo do molde e etapas de otimização do processo, garantindo assim a precisão dimensional.

Essencialmente, os materiais reforçados com fibra de carbono são semelhantes a uma placa de madeira texturizada, pois a taxa de encolhimento na direção da fibra é diferente da taxa de contração na direção perpendicular à fibra.

Primeiro determinamos esta diferença e depois fazemos uma compensação durante o projeto do molde para que as peças não se deformem e/ou desenvolvam, após a moldagem, desvios dimensionais, ou seja, blocos de construção desalinhados.

Resolvendo a tecnologia de ventilação e retenção de ar na moldagem por injeção de materiais de alta rigidez

Como os materiais de alto desempenho precisam ser submetidos a pressões de injeção muito altas, é bastante natural que ocorram defeitos como queimaduras e bolhas de ar.

Para evitar tais defeitos, projetamos canais de ventilação de precisão com profundidade de 0,015 mm para permitir o escape do gás da cavidade do molde de uma só vez, garantindo assim a estabilidade da qualidade das peças para juntas robóticas.

Como garantir a consistência do controle de qualidade para peças de robôs produzidas em massa?

Para manter a qualidade da produção na fabricação em massa de peças de robô , é fundamental ter um sistema de monitorização ao nível da Indústria 4.0.

Este sistema é uma mistura de tomografia computadorizada, máquinas de medição por coordenadas (CMM) e registro de curva de pressão em tempo real na moldagem, permitindo rastreabilidade total do processo e garantindo a entrega de produtos com zero defeitos.

Usando CT e CMM para monitorar dimensões principais

Combinamos o uso de tomógrafos e CMMs para verificar as dimensões de nossos recursos mais complicados e, às vezes, inacessíveis, como furos internos e peças não removíveis na montagem.

O CMM garante que as tolerâncias espaciais estão dentro de 5 micrômetros , cumprindo assim satisfatoriamente os requisitos de inspeção baseados em dimensões críticas das peças do robô.

Nível 4.0 da Indústria 4.0 de Rastreabilidade do Processo da Curva de Pressão em Tempo Real

A curva de pressão durante o estágio de retenção no processo de moldagem por injeção é registrada para cada ciclo de molde para uso como verificação digital de qualidade.

Quando a precisão da produção se desvia, é possível localizar os pontos de flutuação de pressão consultando os registros, fazer os ajustes necessários nos parâmetros sem qualquer demora, evitar que o lote seja descartado e continuar com a produção em massa estável das peças do robô.

Estudo de caso JS Precision: solução de moldagem por injeção para carcaça de redutor de alta precisão

As carcaças redutoras para robótica com recursos colaborativos são o principal hardware desses robôs e uma mudança na precisão desses componentes influenciaria diretamente na sua eficiência na transmissão de potência, bem como nos níveis de ruído.

Abaixo ilustra como Precisão JS identifica os desafios da moldagem por injeção de alta precisão e apresenta soluções que trazem benefícios aos seus clientes.

Antecedentes e Objetivos

Um fabricante de robôs colaborativos estava com pressa para produzir uma caixa redutora de harmônicas altamente precisa. O material principal da peça seria PA66+30%GF, enquanto a tolerância para o diâmetro interno do assento do rolamento seria de 0,01 mm, sem nenhuma deformação geométrica.

A produção do protótipo do fornecedor original não conseguiu atender às especificações, resultando no atraso do plano de lançamento do produto no mercado.

Desafios técnicos e lições aprendidas

O lote inicial de protótipos apresentou empenamento anisotrópico de 0,15 mm. A distribuição desigual da fibra de vidro causou a deformação do assento do rolamento, levando a uma redução de 18% na eficiência da transmissão.

O resfriamento irregular e a pressão de retenção definida incorretamente no processamento tradicional causaram encolhimento e rachaduras nas peças.

Solução detalhada de precisão JS

A partir das lições que aprendemos, nossa equipe de engenharia fez alterações em nossa abordagem técnica:

• Fizemos uma nova análise do fluxo do molde, redesenhamos uma comporta simétrica em forma de leque de 3 pontos e usamos trabalhos de simulação para garantir a distribuição uniforme da fibra de vidro na circunferência do rolamento, minimizando assim as diferenças de contração anisotrópica.
• A implementação de um controlador de temperatura do molde de alto desempenho e circuito duplo foi introduzida para estabilizar perfeitamente as variações de temperatura na área do molde central dentro de 1 grau Celsius, garantindo assim a cristalização uniforme do PA66 dentro da cavidade do molde.
• A introdução da Moldagem Científica - usando sensores de pressão para capturar o ponto de comutação VP e limitando o desvio de comutação a 0,05 mm. Além disso, a tecnologia de retenção de micropressão em vários estágios é empregada para compensar o encolhimento sem aumentar o estresse.

Resultados Finais

1.Tolerâncias de precisão:

A tolerância do diâmetro interno na posição crítica do rolamento permanece estável em 0,008 mm, superando em muito a exigência do cliente de 0,01 mm.

2. Melhoria da eficiência:

Graças ao design otimizado do canal de resfriamento, o tempo de ciclo foi reduzido de 45 segundos para 38 segundos, aumentando assim a eficiência em 15%.

3. Desempenho de qualidade:

A taxa de qualificação para produção em massa aumentou de 82% para 99,5%, eliminando completamente a necessidade de Usinagem CNC na fase posterior. O ruído do redutor do cliente foi reduzido em 4 decibéis, o que aumentou consideravelmente a competitividade do produto final no mercado.

• Feedback do cliente:

" A JS Precision exibiu grande transparência de engenharia. Eles foram além de apenas nos informar sobre os riscos da concentração de tensão em nosso projeto inicial. Eles até nos envolveram no processo de tolerâncias controladas, compartilhando dados científicos de moldagem por injeção.

Este serviço de ponta a ponta, desde o aprendizado com as falhas até soluções de circuito fechado, nos permitiu lançar o produto com sucesso e antes do prazo." - Diretor de Tecnologia (CTO) do Projeto

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Perguntas frequentes

Q1: Qual é a tolerância mais alta possível com moldagem por injeção de precisão?

Geralmente, ele pode ser mantido firmemente em 0,02 mm, moldes e métodos personalizados podem até atingir 0,01 mm, satisfazendo completamente os requisitos de componentes de robôs de alta precisão.

P2: Por que os protótipos de impressão 3D não são recomendados para juntas de robôs?

As peças impressas em 3D apresentam fraquezas nas camadas, razão pela qual é impossível simular as propriedades mecânicas isotrópicas, bem como a resistência ao desgaste das peças moldadas por injeção e, portanto, não podem mostrar com precisão o estado operacional das juntas do robô.

Q3: Para qual volume de produção a moldagem por injeção de alumínio é adequada?

Geralmente a moldagem por injeção de alumínio é uma boa escolha para produção de lotes pequenos e médios de 500 a 5.000 peças, dependendo da abrasividade do material. Esta linha de produção garante máxima economia de custos com o uso de moldes de injeção de alumínio.

Q4: Como reduzir marcas de encolhimento em peças de robôs de paredes finas?

Para reduzir significativamente as marcas de contração, a espessura das nervuras de reforço deve ser mantida em 50% a 70% da espessura da parede principal, juntamente com uma retenção de pressão adequada e um controle refinado da temperatura do molde.

Q5: Quais são os melhores materiais para plásticos de juntas robóticas que podem lidar com movimentos muito rápidos?

Plásticos como POM, PEEK e PA66 + PTFE aprimorado ou fibra de carbono são altamente capazes devido ao seu equilíbrio fino de autolubrificação e alta rigidez para aplicação em cenários de atrito de alta frequência.

P6: Quais etapas a JS Precision executa para manter a máxima realidade dos materiais?

Emitimos Certificados de Autorização (COA) completos para os materiais e fornecemos relatórios de teste de desempenho físico de cada lote, garantindo assim que os materiais estão de acordo com o padrão do cliente e evitando efetivamente o uso de materiais de qualidade inferior.

Q7: Como conseguir estabilidade dimensional de peças moldadas por injeção em temperaturas extremas?

Através da utilização de materiais com baixos coeficientes de expansão térmica (minerais, por exemplo) e também da utilização de tratamento pós-cozimento para remoção de tensões internas, somos capazes de fabricar moldagens por injeção que dificilmente alteram suas dimensões mesmo sob temperaturas muito altas ou muito baixas.

Q8: Qual é a maneira mais rápida de obter uma cotação da JS Precision?

O que você precisa fazer é apenas enviar seus desenhos 3D (formato STEP ou IGS) e nossos engenheiros não apenas fornecerão feedback DFM, mas também um orçamento rápido e detalhado dentro de 24 horas, totalmente gratuito e sem quaisquer barreiras.

Resumo

A moldagem por injeção de precisão desempenha um papel crucial na superação dos limites de precisão das peças do robô. Cada fase, desde a otimização do DFM até o controle científico da moldagem por injeção , contribui para o desempenho final do componente.

Aproveitando seu amplo conhecimento de peças altamente complexas, a JS Precision ajudará sua organização a resolver problemas relacionados à precisão, custo e tempo de ciclo, além de auxiliar no aprimoramento da qualidade de seus produtos robóticos.

Quer aumentar a precisão das peças do seu robô? Entre em contato com a JS Precision, carregue seus desenhos 3D e obtenha uma análise especializada gratuita do DFM junto com um orçamento rápido e com preços competitivos. Junte-se a nós para criar produtos robóticos mais competitivos.