第四百章:機器人關節材料

直播在荒野手搓核聚變 第四百章:機器人關節材料

利用3D打印技術，可以迅速且大批量的制造出來工業機器人，可以在相對較短的時間內對勞動力的空缺做出彌補。

但相對而言，目前現實各國使用的3D打印技術也是有不少缺點的。

首先是材料問題，這也是韓元需要解決的問題。

3D打印技術從提出到現在也發展了十幾年，優點眾多，但缺點也不少。

而最大的局限和缺點主要體現在材料上,

能用于3D打印的材料非常有限。

對于目前的人類社會來說，3D打印材料主要是塑料、樹脂、石膏、陶瓷、砂和金屬等。

其中金屬、細砂這類沒法穩固自身形態的材料幾乎很少被用來打印物件，因為即便是打印出來了，其成型的物品除了用作模型外，也沒有其他的用處。

盡管現在各國已經開發了許多應用于3D打印的同質和異質材料，但是對于材料需求量巨大的各國來說,

目前能用來進行3D打印的材料任然非常有限。

而且利用目前可以進行打印的材料,

3D打印技術能做的事情非常少。

所以開發新材料的需求仍然存在,

特別是在金屬材料打印這一塊，更是沒有幾個國家幾家公司能進行。

如果說金屬材料打印還勉強有幾個國家和幾家公司能做到的話，那么接下來還有兩個致命的缺陷。

第一個是3D打印這種技術暫時還無法打印可以活動的物件。

即便是一臺小小的四驅車都不行。

其原因分兩部分，一部分是打印材料不過關，另一部分則是包括打印精度、打印質量、計算機編程、模型設計等等在內的技術問題。

兩者結合，這就導致目前的各國流行的3D打印技術無法打印可活動的物品。

而第二個缺陷則是利用3D打印技術打印出來的物品無論是物理性能、還是化學性能、亦或者其精度等各項數據大多都不能滿足工程實際的使用要求。

目前打印出來的各種零件幾乎都不能作為功能性零件，只能做原型件使用。

比如要制造一輛汽車，可以通過3D打印技術將其模型精準的制造出來，但是這個打印出來的汽車是沒法開的。

甚至就連汽車上的某個零件壞掉了，都無法用3D打印技術打印出來的零件更換。

這是因為3D打印技術打印出來的零件在物理強度、剛度、耐疲勞性等各種性能上都不過關。

另外由于3D打印采用“分層制造，層層疊加”的增材制造工藝，層與層之間的結合再緊密，也無法和傳統模具整體澆鑄而成的零件相媲美。

而一個零件材料的微觀組織和結構決定了零件的使用性能。

所以目前的3D打印技術打印出來的東西除了用作模具以及個別的用途外，并不具備什么廣泛實用性。

但上述的無論哪個問題，歸根到底,

其實還是打印的材料不過關導致的。

如果能將打印材料的問題解決，這些問題基本都能得到解決。

這也是韓元將目光投向3D打印技術的原因。

大型的3D打印機或者說大型3D打印廠房是未來工業集群制造的一條路。

這條路可以實現無人化管理，極大的節省了人力。

因為3D打印技術可以使用計算機直接進行各種零件或者模型的生產，不用通過其他設備來協助完成。

這一點和傳統的工廠不一樣。,

傳統的工廠在生產零件時，需要許多個設備甚至是多個生產線協作才能組裝完成。

而3D打印技術則不需要拼裝，不僅速度更快，還節省了不少的人力物力成本，提升了生產效率。

當然，3D打印技術目前還是一種新型新興技術，優點和缺點很分明。

韓元要做的，就是盡力將其缺點補足。

工作室間，韓元手拾鉛筆在白紙上編寫著3D打印技術需要使用的材料。

對于他來說，這種材料必須要有足夠的強度、韌性、抗性、耐腐蝕性等優秀性能。

因為這是用于制造工業機器人身上的。

復合碳纖維材料、鈷鉻合金、亞克力材料、鈦合金、樹脂

一系列相對符合3D打印技術使用的材料都被韓元列舉在了紙張上。

編寫完成后，韓元放下了手中的鉛筆，拾起了紙張。

通過3D打印技術制造工業機器人，需要的材料肯定不止一種。

從主體骨骼到電源供應，再到無線通訊到智能控制

一臺智能工業機器人身上的零件都可以說是不計其數的，而且每個區域的功能都不同，這需要完全不同的材料來制造。

不過韓元想要的，只是其中的一種關鍵性材料。

那就是可以用于關節處的3D打印材料。

如果拋開軟件程序和控制系統這些編程方面的東西來說，一臺機器人的水平能力如何，幾乎可以說有二分之一以上的性能取決于關節活動處。

沒錯,

一臺機器人的關節處就是這么重要。

關節處的活動自由度以及冗余自由度決定機器人的靈活性、自由度、運動精度、運動特性、動態特性等等性能。

人的手臂（大臂、小臂、手腕）之所以足夠靈活，是因為一共有七個靈活度，足以支撐人類完成絕大部分的工作了。

而且相對于其他部位的材料零件來說，機器人活動關節處的零部件承受的壓力更大，對于使用材料的性能要求更高。

如果說一臺機器人絕大部分的材料都可以使用高強度高韌性的復合碳纖維材料構成，那么關節處的材料是無法使用碳纖維材料的。

因為3D打印技術打印出來的碳纖維材料表面相當粗糙，而關節處的材料要求表面光滑達到一定程度，碳纖維材料達不到要求。

至于各種合金材料，光滑度經過處理雖然能達到要求，但采用3D打印技術處理的話，這兩種材料的強度和抗疲勞性能是達不到要求的。

畢竟和傳統的冶煉技術相比，3D打印技術打印出來的合金在強度、韌性等方面都弱了不止一個檔次。

所以研發出一種可以用于3D打印的機器人關節處材料就是韓元這一次的目的。

相對于普通冶煉過程使用的材料來說，3D打印技術使用的材料要求更高。

就像粉末冶金，基本都可以使用一毫米以下的粉末來進行。

當然，也有一些超細顆粒的粉末冶金技術要求粉末顆粒的直徑一百微米左右或者一百微米以下。

不過這是相對特殊的情況，總體來說使用的粉末顆粒直徑還是比較大的。

但3D打印金屬材料使用的粉末顆粒直徑的基本要求均在一百微米以下，嚴格的甚至要求達到三十微米左右。

除了金屬粉末的顆粒直徑外，3D打印技術對于金屬粉末的純凈度高、球形度、粒徑分布寬窄、氧含量高低等條件都有一定的條件。

這些條件對比起常規的粉末冶金技術更加苛刻。

盯著紙張上列出來的各種材料，韓元陷入了沉思。

大腦中的各種材料屬性知識一項項的被調用起來查看推衍，尋找著適合3D打印的材料。

半響過后，韓元從沉思中醒過來，再次在紙張上寫下了另外兩種種材料的名字。

非晶合金材料共晶合金材料

前者是一種是由合金材料配比后進行超急冷凝固，致使合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的一種合金。

非晶合金材料擁有著無序結構，且組成它物質的分子沒有晶態合金的晶粒、晶界存在。

之前在三級任務的時候，韓元制造過這種材料。

電推進無工質發動機的里面的‘離子電場’生成器使用的就是非晶合金材料。

而另外一種‘共晶合金材料’則是通過材料的共晶反應制造的合金材料。

所謂的共晶反應是指在一定的溫度下，一定成分的液體同時結晶出兩種一定成分的固相的反應。

在這種反應下，材料所生成的兩種固相機械地混合在一起，形成有固定化學成分的基本組織。

比如含碳量為2.116.69的鐵碳合金，在1148℃的恒溫下發生共晶反應，產物是奧氏體和滲碳體的機械混合物。

而這種碳鐵合金被稱為“萊氏體”合金。

共晶合金材料有一個非常特殊的地方。

那就是共晶合金的共晶溫度低于組成他的任一金屬的熔點。

比如鐵鎳共晶合金材料。

其中鐵的熔點是1538攝氏度，而鎳的熔點是1453攝氏度。

那么形成的鐵鎳共晶合金的熔點在差不多在1350度左右。

因為共晶合金中組成物金屬的熔點，與它在純金屬狀態下的熔點會差不多相差一百度左右。

所以絕大部分的共晶合金在升高溫度后，可以直接從固態變到液態。

而不用像普通的金屬或者合金一樣，需要經過塑性階段。

這一點，被廣泛的應用到了合金的冶煉和金屬熱處理行業上。

剛剛在編寫3D打印材料的時候韓元并沒有往這兩種合金的冶煉方式上去想。

主要是因為它們的冶煉手段都比較特殊，不適應于粉末冶金。

不過在經過詳細思考后，韓元還是將這兩種合金材料添加了進來。

不僅僅是添加，他還將重點思考范圍放到了這兩種合金材料的冶煉手段上。

常規的粉末冶金金屬和3D打印技術其實已經被現實中各國的科學家探索的差不多了。

沒有找到的路，有時候可能很隱蔽，有時候卻可能就在人眼皮子底下。

韓元決定在非晶合金材料以及共晶合金材料這兩條路上試一試。

共晶合金材料在凝固的時候不是糊狀凝固，是直接變成固態的，所以只要凝固順序控制好了就很少產生縮孔和縮松。

這一點其實非常適合3D打印技術。

特別是在關節處的制造上，形成的關節零件表面會相當光滑，不會形成各種凹凸不平的地方或者形成毛刺一類的東西。

而非晶合金材料則具有許多獨特的性能。

如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。

韓元想嘗試一下將共晶合金和非晶合金兩種材料的優點結合起來起來。

夜深，燥熱的空氣被晚間的微風帶走，順便送來了一絲清涼的新風。

韓元坐在工作室間，手中的鉛筆不斷的將一項又一項的常用金屬材料寫在潔白的紙上。

被列出來的金屬材料大部分僅僅在紙上停留了十秒，就又被劃上了一個個的×。

韓元在依次排除不適用的金屬材料，并將適合的金屬材料并列到一旁。

排除的這種合金材料的判斷依據主要是易固溶化性差異以及兩者的熔點是否相差巨大。

就像錫這種熔點只有兩百三十度的金屬，很顯然和熔點高達三千四百度的鎢是湊不到一塊去的。

兩者的熔點相差太大，并不適用于非晶合金材料的冶煉。

非晶合金材料雖然整體熔點要比合金的任何一種要更低，但當合金中的兩種金屬材料熔點相差太大時，根本就不會生成。

所以韓元得先排除掉熔點相差過大的金屬材料，第一次盡量選擇熔點差度在一千度以內的金屬。

先確定出來，然后再來分析它們的易固溶化性差異和晶體結構差異。

通過熔點、易固溶化性差異、晶體結構這三個點，差不多就可以在不用做實驗的情況下大致確定兩種金屬或者多種金屬之間是否能形成非晶合金以及共晶合金。

而當兩種金屬材料可以同時形成非晶合金以及共晶合金的時候，韓元又會將其篩選出來。

就這樣一步一步的，不用通過任何實驗，光是依靠各種金屬的物理性質，韓元就能做到各國需要多次進行實驗才能確認的事情。

雖然可能會有些誤差，比如漏掉某些原本可以既共晶又非晶的金屬，也有可能會將某些不能匹配在一起的金屬匹配在一起。

但相對于不需要實驗這個巨大的優勢來說，這點漏洞并不算什么。

節省下來的時間，足夠韓元慢慢的進行重新篩選剩下的金屬材料了。

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