O advento dos robôs levou adiante um legado que se originou com a Revolução Industrial. Desde a introdução do primeiro robô industrial na década de 1950, a robótica passou por várias décadas de evolução. Desde então, essas máquinas convencionais permearam quase todos os setores, com a inovação dos robôs leves mudando o jogo.
Os robôs leves são compostos de materiais compatíveis e concentram-se em tecnologias que se assemelham mais às características físicas dos organismos vivos. As máquinas estão se transformando em humanóides capazes de realizar tarefas semelhantes às humanas. No entanto, o design de cada robô depende, em última análise, da sua finalidade.
A robótica tornou-se um campo verdadeiramente multidisciplinar que envolve uma intrincada fusão de componentes, que formam uma entidade funcional. Entre as principais considerações que desafiam os desenvolvedores está como criar um robô confiável e eficiente que possa fazer mais. A escolha dos materiais de construção na criação de um robô é um fator fundamental, exercendo uma influência profunda na durabilidade geral do produto final.
Como cada robô tem uma finalidade, design e ambiente de trabalho únicos, diferentes tipos e materiais são utilizados em seu desenvolvimento. Durabilidade e precisão são essenciais. Por exemplo, um robô industrial deve navegar e processar materiais sem danos ou falhas. Um rover deve manter uma mobilidade eficiente enquanto suporta climas adversos.
Robôs humanóides e bioinspirados devem manobrar sem cair, deixar cair objetos ou colidir com outras pessoas. Na robótica biomédica, o movimento deve ser preciso sem arriscar o sujeito. Simplesmente não há espaço para erros.
Os materiais de construção utilizados para construir cada robô são selecionados de acordo com a finalidade pretendida e requisitos específicos de projeto. Cada material possui propriedades físicas, químicas e mecânicas únicas.
Neste artigo, abordaremos alguns materiais de construção usados para fazer robôs, incluindo robôs convencionais e macios.
Metais
Os primeiros robôs apresentados ao mundo foram robôs industriais e os metais eram o material ideal para construir essas máquinas. Embora nem todos os metais sejam adequados. Alguns são mais acessíveis, com propriedades mecânicas e químicas ideais para o trabalho.
Aço é o material mais comum e menos dispendioso para a construção de robôs. Está prontamente disponível, é forte, mas leve e fácil de projetar. As propriedades do aço podem ser personalizadas através de vários processos para atender aos requisitos de um robô específico. Por exemplo, o aço-carbono não endurecido pode suportar uma pressão de 30.000 a 50.000 PSI. Pode ser endurecido até 100.000 PSI para fins estruturais e até 300.000 PSI para fabricação de ferramentas.
O aço também pode ser moldado de diversas maneiras, normalmente por meio de endurecimento por tratamento térmico. Com um ponto de fusão de 1400˚C, o corpo de aço de um robô pode sustentar a maioria dos ambientes. As chapas de aço podem ser facilmente cortadas, dobradas ou unidas por soldagem ou processos de baixa temperatura, como brasagem.
O aço é sustentável e é o material mais reciclado do planeta.
Alumínio é outro metal popular usado na construção de robôs. É tão forte quanto o aço, mas três vezes mais leve. Assim como o aço, é à prova de ferrugem e não magnético. Ele corrói em condições úmidas ou úmidas, mas pode ser facilmente protegido por um revestimento de óxido de alumínio.
Ligas de alumínio são comumente usadas para robôs. O alumínio pode suportar 10.000~40.000 PSI e derreter a uma temperatura de 600~660˚C. Comparado ao aço, é muito mais fácil usinar chapas de alumínio. Embora não seja possível soldar alumínio, técnicas especiais podem ser utilizadas para soldar peças de alumínio.
Muitas vezes, as peças de alumínio são montadas através de fixadores roscados. Uma desvantagem de usar o alumínio como material de construção para robôs é o seu custo – e o custo normalmente aumenta à medida que o tamanho da peça diminui.
Cobre, latão e bronze são metais usados para aplicações de nicho em robótica. Muitas vezes suas ligas são usadas para fins estruturais. As ligas desses metais oferecem uma resistência de 25.000 a 60.000 PSI. O bronze e o latão têm uma temperatura de fusão de 900˚C e o cobre tem uma temperatura de fusão de 1080˚C.
Assim como o aço e o alumínio, esses metais são resistentes à corrosão e não magnéticos. Também é fácil cortar e moldar esses metais. O latão é frequentemente usado para rolamentos, enquanto o cobre é usado quando a condutividade é necessária. Assim como o alumínio, não é possível soldar ligas de cobre, latão ou bronze, por isso elas são montadas com fixadores roscados.
Aço inoxidável (SS) é o material estrutural de escolha para robôs quando a resistência à corrosão é essencial. SS tem a mesma resistência e resistência à temperatura que o aço carbono. O aço inoxidável é composto de aço produzido pela adição de uma alta porcentagem de níquel e cromo e elementos como vanádio ou molibdênio. Por esta razão, as propriedades magnéticas do SS podem mudar durante a flexão. Por exemplo, um SS não magnético pode se transformar em magnético quando dobrado ou deformado.
Em comparação com outros materiais, é mais desafiador usinar SS para peças robóticas. Requer técnicas especiais de soldagem para unir as peças, e as chapas estão sujeitas a quebrar ou lascar durante o corte.
Titânio é usado para construir robôs biomédicos, pois é um material bioinerte. As ligas de titânio oferecem resistência de até 150.000 PSI, com temperatura de fusão de 1.670˚C. Por ser um material leve, resistente à corrosão e de alta resistência, também é utilizado em diversas aplicações aeroespaciais. Uma desvantagem das ligas de titânio é a sua natureza inflamável. O titânio também é caro e bastante difícil de usinar.
Zinco, chumbo e magnésio são outros metais usados para construir peças robóticas. O zinco é frequentemente usado como material estrutural em robôs recreativos. O zinco apresenta baixa resistência à temperatura e baixa resistência mecânica, apesar de ser tão pesado quanto o aço. Mas é barato, por isso é frequentemente usado para construir brinquedos robóticos e robôs de baixo custo ou de baixo custo. O magnésio oferece baixa resistência à corrosão e é caro, mas às vezes é usado em robôs como material estrutural quando um design leve é essencial.
Plásticos
Embora os plásticos não sejam páreos aos metais em termos de força e resistência, eles oferecem características únicas como material de construção para robôs. A maioria dos plásticos só pode suportar 3.000 ~ 12.000 PSI e uma temperatura de até 100˚C. No entanto, eles são leves, flexíveis, resistentes à corrosão, à prova d'água e quimicamente não reativos à maioria dos ácidos e bases.
Eles também são fáceis de moldar, moldar e usinar, possibilitando a produção de peças com formatos exclusivos. Por exemplo, certos plásticos podem garantir melhor flexibilidade para manobrabilidade em robôs humanóides e de inspiração biológica. A transparência é outra propriedade única oferecida apenas pelos plásticos.
É mais provável que os plásticos sejam usados em robôs internos que exigem pouca exposição ao calor ou tarefas mecanicamente intensivas. Isso ocorre porque a maioria dos materiais plásticos são propensos à fotodegradação pelos raios UV e apresentam baixa resistência ao calor. São usados principalmente polímeros, mas às vezes monômeros.
Vamos revisar alguns dos plásticos mais comuns usados como material estrutural em robôs.
Policarbonato é o plástico mais comum usado na construção de robôs. É praticamente indestrutível, com potência de 10.000 PSI. Pode ser totalmente (100%) deformado sem quebrar. O policarbonato é bem conhecido por seu uso na fabricação de janelas à prova de balas. Não é reativo à maioria dos ácidos, bases e óleos. Também é fácil de usinar com poucos ajustes. As peças do robô construídas em policarbonato são frequentemente unidas por cola.
Plástico ABS (Acrilonitrila-Butadieno-Estireno) é conhecido por ser rígido, mas não quebradiço. O ABS pode suportar pressões de até 5.000 PSI e tolerar temperaturas de -40˚ a 80˚C. Pode ser deformado em até 20% antes de quebrar. O copolímero oferece características melhoradas de três monômeros combinados.
PVC (Cloreto de polivinila) é semelhante ao plástico ABS em propriedades. É forte, rígido e pode suportar até 7.000 PSI. Ele também pode ser deformado de 10 a 20% sem quebrar, tornando-o bastante fácil de moldar ou usinar em diferentes formatos. O PVC também é bastante durável e resistente a impactos, mas pode tornar-se quebradiço. Peças de PVC para robôs podem ser montadas facilmente com cola ou fixadores. Esse plástico é normalmente usado em encanamentos (e agora em robôs) porque é durável e econômico.
Nylon é um plástico sintético de poliamida. Normalmente usado como tecido, o náilon sólido é útil para estruturas robóticas e geralmente é usado como material para engrenagens. O nylon possui alta resistência à tração e pode suportar pressões de até 12.000 PSI. É flexível, mas pode quebrar se for submetido a esforços repetidos. A principal vantagem do náilon é o seu baixo custo, o que o torna uma boa alternativa a metais como o alumínio. Ao contrário de outros plásticos, não é possível colar peças de náilon, muitas vezes elas são montadas por meio de fechos roscados.
Compósitos
Um compósito é um material que contém duas ou mais substâncias mais simples com propriedades diferentes. Quando combinados como um compósito, os materiais apresentam propriedades não disponíveis individualmente. Vários materiais se enquadram nesta categoria. Alguns dos compósitos comumente usados para fins estruturais em robótica incluem fibra de carbono, Kevlar, madeira, fibra de vidro e plásticos cheios de vidro.
Madeira
A madeira pode parecer um material estranho para estruturas robóticas, mas várias espécies de madeira são utilizadas em aplicações de engenharia. A madeira é mais robusta que o plástico. Muitos tipos de madeira têm uma relação rigidez/peso comparável ao aço e ao alumínio. A madeira é resistente, forte, um bom isolante e resistente ao calor, tornando-a a escolha ideal para algumas aplicações robóticas. Uma desvantagem é a sua fragilidade. Qualquer força aplicada perpendicularmente ao seu grão pode quebrá-lo.
Fibra de carbono
A fibra de carbono refere-se a vários compósitos de carbono geralmente formados pela mistura de átomos de carbono em resinas plásticas. Este material de baixo custo é altamente durável, exibindo uma resistência à tração de 300.000~600.000 PSI. Sua resistência à temperatura depende das resinas plásticas utilizadas para formar a fibra de carbono.
A maioria dos compósitos com resinas epóxi padrão podem suportar temperaturas de 150˚ a 200˚C. Os compósitos de fibra de carbono com resinas fenólicas ou de poliamida podem suportar temperaturas acima de 300˚C. Em ambientes com baixo teor de oxigênio, este material pode tolerar temperaturas tão altas quanto 400˚ a 500˚C.
Embora os compósitos de fibra de carbono possam lidar facilmente com picos rápidos de temperatura, eles podem degradar-se com a exposição contínua ao calor. No geral, este material é leve, forte, rígido, resistente ao calor e quimicamente não reativo. A única desvantagem é a fabricação e o manuseio perigosos da fibra de carbono. Pode ser extremamente perigoso usinar fibra de carbono sem equipamento de proteção adequado.
Cerâmica
A cerâmica raramente é o material ideal para estruturas robóticas devido à sua natureza frágil. No entanto, algumas cerâmicas de alta tecnologia são mais resistentes e menos quebradiças que as convencionais. Embora essas cerâmicas de alta tecnologia não sejam tão fortes e resistentes quanto os metais, elas são altamente resistentes ao desgaste e são isolantes decentes.
Elastômeros
Os elastômeros são materiais de borracha que recuperam sua forma após a deformação. Dois tipos são usados em robótica: borracha polimérica com estrutura de carbono e borracha polimérica com estrutura de silício. As partes metálicas dos robôs normalmente são incapazes de realizar tarefas com flexibilidade. A incorporação de borracha nas juntas e outras peças móveis de um robô os torna menos rígidos e mais flexíveis. A borracha também adiciona textura aos braços robóticos.
As peças de borracha são frequentemente utilizadas em cobots que partilham um espaço de trabalho com humanos. As peças de borracha também são comumente usadas em robôs pick-and-place. Uma desvantagem do uso de borracha em estruturas robóticas é a sua baixa resistência ao calor. É por isso que, em muitas circunstâncias, as peças de borracha expostas de um robô são protegidas por uma cobertura protetora.
Plásticos biodegradáveis
A I&D em bioplásticos ainda está numa fase inicial. É uma iniciativa positiva no desenvolvimento de robôs ecológicos. Os plásticos biodegradáveis são produzidos a partir de resíduos alimentares. Como materiais biodegradáveis, degradam-se sob certas circunstâncias. Esses materiais são normalmente usados para construir robôs que não requerem mais uso após a conclusão de uma tarefa e muitas vezes se desintegram de forma independente, sem esforço externo. Mas os bioplásticos também são usados como material em peles robóticas, e alguns são suficientemente duros para fabricar peças internas.
Materiais de construção para robôs leves
Os robôs flexíveis são frequentemente projetados com materiais inteligentes e multifuncionais. Estes incluem bioplásticos, tecidos, géis, elastômeros, borracha natural, borracha sintética, silicones e compósitos macios. Técnicas especiais como fabricação aditiva ou impressão 3D, impressão 4D e moldagem fundida fabricam robôs macios.
Conclusão
Cada robô é único em termos de finalidade, tarefas esperadas, ambiente de trabalho e design. É por isso que tantos materiais diferentes são usados para construí-los. Existem muitas circunstâncias em que mais de um material pode ser adequado. No entanto, os materiais devem ser escolhidos exclusivamente com base nos requisitos e na finalidade do projeto do robô.
A maioria dos robôs industriais hoje são construídos com metais e ligas metálicas. Os plásticos são uma opção para robôs de baixo custo, internos e para serviços leves. Compósitos como fibra de carbono e Kevlar, bem como cerâmica, bioplásticos e borracha são normalmente usados para peças específicas ou estruturas robóticas exclusivas.
