Với robot, khối lượng phần chuyển động là chi phí thường trực — nó đòi hỏi động cơ lớn hơn, tốn điện hơn, và làm robot chậm hơn. Vì thế chọn vật liệu ở đây quan trọng hơn ở hầu hết máy móc khác.
Chỉ số quan trọng thật
Không phải độ bền tuyệt đối. Phần lớn kết cấu robot không hỏng vì gãy mà kém vì biến dạng. Nên chỉ số cần nhìn là độ cứng chứ không phải độ bền.
Độ cứng riêng. Mô-đun đàn hồi chia khối lượng riêng. Đây là con số quyết định với chi tiết chuyển động.
Điều bất ngờ. Nhôm và thép có độ cứng riêng gần bằng nhau. Thép cứng gấp ba lần nhưng cũng nặng gấp ba. Với cùng khối lượng và thiết kế hợp lý, chúng cho độ cứng tương đương.
Hệ quả. Chọn giữa nhôm và thép không nên dựa trên độ cứng mà dựa trên chi phí gia công, khả năng chống ăn mòn và yêu cầu về không gian.
Vật liệu vượt trội về chỉ số này. Sợi carbon có độ cứng riêng cao hơn nhiều lần. Đó là lý do nó xuất hiện ở nơi khối lượng thực sự quan trọng.
Nhưng hình dạng quan trọng hơn vật liệu. Ống rỗng cứng hơn nhiều so với thanh đặc cùng khối lượng. Tối ưu tiết diện thường cho lợi ích lớn hơn đổi vật liệu.
Nhôm — lựa chọn mặc định
Vì sao phổ biến. Nhẹ, dễ gia công, sẵn có ở nhiều dạng, chống ăn mòn tốt, giá hợp lý.
Nhôm định hình. Thanh có rãnh, lắp ghép bằng đai ốc trượt. Dựng khung rất nhanh không cần gia công. Lý tưởng cho bản mẫu và cho khung cố định.
Nhược điểm của nhôm định hình. Mối ghép có độ lỏng nhất định và nới dần theo rung động. Không hợp với kết cấu cần độ cứng cao hoặc chịu rung.
Tấm nhôm gia công. Cắt bằng máy phay hoặc cắt tia nước. Chính xác, cứng vững. Cần bản vẽ và xưởng gia công.
Ống nhôm. Tỷ lệ độ cứng trên khối lượng rất tốt cho thanh dài. Kết hợp ống với đầu nối gia công là thiết kế cánh tay phổ biến và hiệu quả.
Lưu ý về ren. Ren cắt trực tiếp trong nhôm dễ hỏng khi tháo lắp nhiều lần. Dùng ống ren thép ép vào ở những chỗ tháo lắp thường xuyên.
Xử lý bề mặt. Anod hoá tăng độ cứng bề mặt và chống ăn mòn. Đáng làm với chi tiết tiếp xúc hoặc dùng trong môi trường ẩm.
Thép và các kim loại khác
Khi nào dùng thép. Chi tiết chịu tải tập trung, trục, bánh răng, chi tiết mòn. Nơi cần độ bền và chống mài mòn hơn là nhẹ.
Thép không gỉ. Bắt buộc trong môi trường ẩm, chế biến thực phẩm, hoá chất. Đắt hơn và khó gia công hơn thép thường.
Lưu ý với khí hậu Việt Nam. Thép thường gỉ nhanh trong điều kiện nóng ẩm ven biển. Chi phí sơn phủ và bảo trì có thể vượt phần chênh lệch giá của thép không gỉ.
Titan. Độ cứng riêng tốt hơn nhôm và thép, chống ăn mòn xuất sắc. Rất đắt và khó gia công. Chỉ dùng khi khối lượng cực kỳ quan trọng.
Hợp kim magiê. Nhẹ hơn nhôm. Ít dùng vì khó gia công, dễ ăn mòn và có rủi ro cháy khi gia công dạng phoi mịn.
Nguyên tắc thực dụng. Dùng nhôm cho phần lớn kết cấu, thép cho chi tiết chịu tải tập trung và chi tiết mòn. Kết hợp này bao phủ gần hết nhu cầu và giữ chi phí hợp lý.
Composite và nhựa in
Sợi carbon. Độ cứng riêng cao nhất trong các lựa chọn thực tế. Dùng ở chi tiết chuyển động nhanh nơi khối lượng quyết định.
Nhược điểm của sợi carbon. Đắt. Khó gia công và khó tạo mối ghép. Giòn khi va đập. Tính chất phụ thuộc hướng sợi nên thiết kế phức tạp hơn.
Cách dùng thực dụng. Ống sợi carbon có sẵn trên thị trường, kết hợp với đầu nối nhôm gia công. Được phần lớn lợi ích mà tránh được phần khó nhất.
Nhựa in ba chiều. Rất tiện cho bản mẫu, chi tiết hình dạng phức tạp, vỏ che, và cơ cấu kẹp tuỳ biến.
Giới hạn của nhựa in. Độ cứng thấp hơn kim loại nhiều bậc. Biến dạng theo nhiệt và theo thời gian dưới tải. Yếu theo hướng vuông góc với lớp in.
Dùng nhựa in đúng chỗ. Chi tiết không chịu tải chính, vỏ bảo vệ, đồ gá, ngón kẹp. Không dùng cho thanh chịu lực chính hay chi tiết cần giữ dung sai.
Lưu ý nhiệt. Nhựa in phổ thông biến mềm ở nhiệt độ không cao lắm. Chi tiết gần động cơ hoặc trong xe kín dưới nắng có thể biến dạng.
Chọn theo điều kiện làm việc
Tổng hợp thành hướng dẫn thực tế.
Robot trong nhà, môi trường sạch. Nhôm cho kết cấu, thép cho trục và chi tiết mòn, nhựa in cho vỏ và chi tiết phụ. Cấu hình mặc định.
Chế biến thực phẩm. Thép không gỉ, bề mặt nhẵn dễ vệ sinh, tránh khe kẽ đọng nước. Yêu cầu vệ sinh chi phối mọi lựa chọn khác.
Môi trường ẩm hoặc ven biển. Thép không gỉ hoặc nhôm anod hoá. Tránh tiếp xúc giữa hai kim loại khác nhau vì gây ăn mòn điện hoá.
Ngoài trời. Chống tia cực tím với vật liệu nhựa và composite. Nhựa in phổ thông xuống cấp nhanh dưới nắng.
Robot di động và robot bay. Khối lượng quyết định. Sợi carbon và nhôm mỏng, tối ưu tiết diện kỹ.
Robot chân và robot hình người. Cần cả nhẹ lẫn chịu va đập. Composite giòn nên phải cân nhắc; nhôm với thiết kế hấp thụ va đập thường thực tế hơn.
Và nguyên tắc cuối. Vật liệu dễ mua và dễ gia công tại địa phương có giá trị thực tế lớn hơn vật liệu tối ưu về lý thuyết mà phải nhập và chờ nhiều tuần.
Câu hỏi thường gặp
Chỉ số nào quan trọng khi chọn vật liệu cho robot?
Độ cứng riêng — mô-đun đàn hồi chia khối lượng riêng — chứ không phải độ bền tuyệt đối, vì kết cấu robot thường kém do biến dạng chứ không phải do gãy.
Nhôm và thép khác nhau thế nào về độ cứng riêng?
Gần bằng nhau. Thép cứng gấp ba nhưng cũng nặng gấp ba. Nên chọn giữa hai loại dựa trên chi phí gia công, chống ăn mòn và không gian, không dựa trên độ cứng.
Nên dùng nhựa in ba chiều ở đâu?
Chi tiết không chịu tải chính, vỏ bảo vệ, đồ gá và ngón kẹp. Không dùng cho thanh chịu lực chính hay chi tiết cần giữ dung sai, vì độ cứng thấp và biến dạng theo nhiệt.
Lưu ý gì với khí hậu Việt Nam?
Thép thường gỉ nhanh trong điều kiện nóng ẩm ven biển, và chi phí sơn phủ cùng bảo trì có thể vượt phần chênh lệch giá của thép không gỉ.
Đọc thêm trong Động cơ & actuator và Hộp số & truyền động.
