摘要。这笔捐款将展示如何现代材料蜂窝钛和铝纳米晶可以用来构建先进的轻型机器人手臂。。两种材料的特殊性能将被高亮显示。本文将介绍产品说明书中，一个基本的设计的设置和在此通过拓扑优化手段优化的定义。
这种优化需要一个智能建模，以便能够研究不同初始设置和边界条件。优化的部分将被完成的问候制造。本文将关闭与有关调查变种之一的实际制造的简要报告。
1引言。
轻质结构是可取的许多的制造和工业的技术领域。
然而，大多数研究迄今论点集中在汽车和航空工业[ 1 ]。一个经常应用的方法是常规使用的材料的替换，可以实现具有较小的权重相同的职责的另一种材料。在许多情况下重量减少伴随着在成形性降低。
因此，大量的研究工作，已投资在各自的轻质材料的成形性的提高。一个经常应用的方法是该材料的热处理，以达到所需的可成形性[ 2，3 ]。
很少有文献提供了有关以使其重量轻1 1产品内使用多种材料。我们将介绍以构建一个轻量级的机器人手臂有问题的材料和工艺。由于涉及重量及此特定产品的刚度的要求使用的材料。
组合是可行的。在设计阶段必须考虑到不同的材料特性。机器人手臂的将被从各材料制成的部件必须被定义。
后的设计阶段，其中包括与问候在机器人臂的材料特性和要求的优化，制造具有进行规划和执行。计算机辅助是强制性的大部分的步骤。2，材料和工艺。
在本文的其余部分中描述的研究工作进行了德国集群内。
集群由多个列中。我们的工作一直在那里不同的创新轻质结构材料和相应的制造技术的开发和分析underta。特别是，这些都是纳米铝板材，蜂窝钛和蜂窝陶瓷。
2.1。纳米铝金属片。
多层纳米铝金属片在累积叠轧焊（arb）工艺制造的[ 4 ]。它由三个主要的工艺步骤：表面处理，通常由钢丝刷进行，切割和堆放并最终通过轧制接合。滚动本身是用。
以实现强结合50％的厚度减少。用于生产多层金属片带有一定数目的层或具有期望的材料特性，分别对三个工艺步骤被重复多次。例如，8个周期的滚动导致256单个层。
表面处理是除去铝的氧化物层和以使表面粗糙。它是负责对不同层的良好粘合的影响最大的效果之一。
由于在arb过程中引起的重变形和剪切应力，细化晶粒发生和纳米晶微结构的发展。这导致相比于初始状态完全不同的材料特性。对于纯铝板aa1050同比增长约70％，经过八年的滚动周期的强度，可以实现[ 5 ]。
在这种情况下，也延性比在初始状态高。此外，这些超细晶材料显示出增强的应变速率敏感性。关于6000系列的铝合金，一个显著降低成形性在arb过程中发生[ 6 ]。
为了克服成形性降低的问题，采用量身订制热处理毛坯（thtb）是有利的[ 3,7 ]。thtb是显示一个增强的延展性局部软化空白。软化是由一个短期热处理，并从超细晶粒结构再结晶的结果和沉淀物的溶解完成。
由于再结晶影响，thtb技术也正在与纳米晶纯铝。考虑一个深拉延过程中，成形力可以减少，并且可以实现零件无裂纹的制造。基于arb加工铝板金属的强度增加，它是轻质结构在不同应用领域最合适。
2.2。蜂窝钛。
另一种轻质材料，它是在群集内的调查，是通过选择性的电子束熔炼（sebm制造）蜂窝钛[8]。钛粉末是选择性地使用电子束具有高能量密度的熔化层由一层高真空下。其原料是钛6al -4v之在45-100微米的尺寸的粉末。
该过程的步骤是一样的使用辐照固化所需的几何形状等基粉末添加剂制造工艺。该部件的cad模型切成层。该过程本身开始与上粉层的预热。
在接下来的步骤中，所述横截面为熔融接着降低过程的平台。应用新的粉末层后，下一层可以是熔融的。
该sebm过程使钛部件与小单元号自由曲面结构的制造。此外，它能够实现不同孔隙率和孔径。钛，有利的机械性能，良好的化学稳定性和生物相容性，加上蜂窝结构体的密度低使各种潜在的应用。
它可以在飞机和航天工业的轻量化结构结构和工艺工程行业或在医疗机构植入物使用。对与问候生产时间，并与其他材料和制造工艺组合流程。
3，要求规范。
指定的要求，是来了一个产品的初步设计之前的必要步骤。正在为轻型机器人手臂的要求从车身制造应用的启发。在第2条中所描述的材料将根据其特定的属性被部署在不同的方式。
轴薄板焊接机器人是用来进行焊接工具和运用它沿特定路径。的概略图象被显示在图1。
对环境和动态的要求似乎尤其如下：该臂的工作原理在粗略的气氛与不同类型的辐射（如紫外线，热）和携带沉重的工具。由于重量的臂移动用小的加速度和速度。
如电缆或伺服马达的电子设备被保持在臂内，并且需要被保护免受辐射并固定，以避免机械损伤。关键的要求可以概括为：
抗热和紫外线辐射。
为1g的加速度最大。
焊接刀具重量力fw = 300牛顿在工具轴承wmax = 0.2 mm最大挠度封闭的外表面，以保护内部组件。
机器人手臂的几何设计空间被限制为与尺寸600毫米，150毫米和50毫米（长度，宽度，高度）一个长方体，而工具轴承和臂轴承的轴之间的距离为500毫米。
h. hagenah等。/ procedia机械工程研究所12（2013）211 - 216 2图。1，四轴机器人发现的这些要求。4，推导设计理念。
基于需求的概念设计阶段旨在为初步设计方案。计算机辅助工程（cae）方法用于此目的的一个常见的电脑是拓扑优化。简要说明中给出了下一行，进一步信息请参考[ 10 ]及其参考文献。
在给定的设计空间中的材料布局优化相对于一组的负载（例如，重力，惯性力），边界条件（例如，轴承，给定的运动）和限制（例如最小的挠度为一组给定的负载）。的结果是相对密度的设计空间，它类似于一个最佳的材料分布内的最佳分布。这个密度不得。
单位体积的质量，因为它是由工程师。其结果必须由设计师来解释并转移到一个适合双方的设计方案和制造限制设计。
4.1建立有限元模型。
第一步是建立一个体积有限元网格相对于所述最大的设计空间。这个整体的设计空间是由元件的外层分为上部和下部半搁板和剩余的内部元件。钛和铝中的预分配105 gpa ;ti
eal 70 gpa），泊松比（μti 0.34 ;μal 0.34）4.5 2.7克/立方厘米）。钛铝。
该工程的目标是设计方案与。
最大刚度和最小重量为一组给定的负载。尽量减少设计空间的体积，同时在特定点不违反最大挠度：对于拓扑优化和有限元模型如下这个问题可配制。
最大偏转约束被设置到0.1mm的工具轴承的中心。这增加了获得的机会。
设计，既适合制造业和满足wmax 0.2毫米的要求。拓扑优化运行的结果4.2
该材料的任务是多方面的以不同的方式来实现一些初步的设计方案。还。
多种多样的。当时的想法是，以实现类似的方法学到一个教训有条不紊的程序。优化运行的每一个结果进行了讨论（评估和比较，与其他效果）由一小群工程师。。
被选为最终的设计方案是在图部分描绘。2，为了更好的可视化的目的，设计空间具有小于0.05的相对密度是隐藏的。
图。与密度分布的优化结果2。等高线图。
为了考虑到固体部分为滚子轴承，螺纹或封闭表面。
的边界条件为臂轴承和轴承工具通过创建刚性元件组（所谓的刚性蜘蛛），并使用该中心用于约束模型（6自由度）和施加的惯性力建模。随后对材料的性能。
图。2还显示了拓扑优化的典型结果。在中间腹板的核心是红色这意味着，这个区域应是实心的。
朝网络的外边界颜色的变化不断从橙色到绿色，甚至蓝色。这优化的基础研究目前的合作研究中心814内完成的[ 9 ]。
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