L'épine dorsale ultra-résistante des robots humanoïdes : les alliages de titane

Avec le lancement de produits tels que Tesla Optimus Gen3, Huawei Kuafu et UBtech Walker X, l'industrie est entrée dans une nouvelle étape. Les robots humanoïdes ont des exigences extrêmement élevées en matière de mouvement, d’endurance et de stabilité, et les métaux traditionnels peuvent difficilement répondre à ces exigences.Alliages de titaneont étendu leurs applications de l'industrie aérospatiale aux robots humanoïdes, devenant ainsi le matériau « squelettique » clé qui détermine la précision du mouvement, la capacité de charge et la durée de vie des robots.

 

 

Le cœur de la conception des robots humanoïdes est de trouver un équilibre entre des performances humaines et des performances élevées : mouvement flexible, robustesse et fiabilité, ainsi qu'une conception légère pour réduire la charge du moteur et améliorer l'endurance.

 

Résistance spécifique élevée

Sa résistance est proche de celle de l'acier, alors que sa densité n'est que de 60 % de celle de l'acier. Par exemple, UBtech Walker X adopte un cadre en alliage de titane d'un poids total de seulement 55 kg ; si l'on utilisait de l'acier à la place, le poids dépasserait les 80 kg, ce qui entraînerait une baisse significative de la flexibilité.

 

Résistance à la fatigue et à la corrosion

Les alliages de titane peuvent résister à des dizaines de milliers de rotations de joints à haute fréquence-, avec une durée de vie en fatigue trois fois supérieure à celle de l'acier inoxydable, garantissant ainsi un fonctionnement stable à long terme-. Ils présentent également une excellente résistance à la corrosion, ce qui les rend adaptés aux environnements complexes.

 

Bonne biocompatibilité

Ils ne sont pas-répulsifs pour les tissus humains, ce qui les rend adaptés aux scénarios d'interaction homme-machine tels que les robots de rééducation médicale et les exosquelettes, et servent de matériau clé pour réaliser la symbiose homme-machine.

 

Forte compatibilité des processus

Les alliages de titane peuvent être transformés en pièces structurelles complexes grâce à l’impression 3D, au moulage par injection de métal et à d’autres procédés. De plus, ils ne sont pas-magnétiques et n'interféreront pas avec la précision des capteurs et des systèmes de contrôle.

 

Pièces en alliage de titane dans les robots huamoïdes

 

 

Charge-Châssis porteur et joints centraux

Les cadres porteurs-et les articulations centrales constituent les scénarios d'application les plus essentiels des alliages de titane, déterminant directement la capacité de charge et la flexibilité de mouvement des robots humanoïdes. Les pièces telles que la colonne vertébrale, les hanches et les genoux du robot doivent répondre à la fois aux exigences de haute résistance, de ténacité élevée et de légèreté, ce qui fait des alliages de titane le choix de matériau optimal.

 

Tesla Optimus Gen3 adopte une colonne vertébrale en alliage de titane intégralement formée par impression 3D, avec une résistance augmentée de 20 % par rapport aux structures traditionnelles ; ses articulations de hanche et de genou utilisent des engrenages en alliage Ti-6Al-4V et des structures creuses, permettant une réduction de poids de 40 % pour une seule articulation et une durée de vie à la fatigue trois fois supérieure à celle de l'acier inoxydable traditionnel.

 

Composants de transmission et d'actionnement de précision

Dans les composants de transmission et d’actionnement de précision des robots, les alliages de titane peuvent améliorer considérablement la précision des mouvements et la durabilité.

En termes d'effecteurs finaux, la main bionique de Festo en Allemagne utilise une feuille de titane de 0,1 mm pour emballer les capteurs tactiles, qui offre un excellent effet de blindage électromagnétique et est 30 % plus fine que les feuilles en alliage d'aluminium ; le réseau de capteurs de pression flexibles à base de titane- développé par l'Institut d'automatisation de Shenyang de l'Académie chinoise des sciences a une résolution de 5 μm et a été appliqué au module tactile du bout des doigts de Xiaomi CyberOne, permettant une préhension précise.

 

S'appuyant sur le processus MIM, les alliages de titane peuvent être utilisés pour produire des micro-engrenages d'un diamètre inférieur à 20 mm, s'adaptant à la structure complexe des mains adroites, réalisant plusieurs-degrés-de-liberté de mouvement dans des espaces étroits et équilibrant une conception légère et une grande flexibilité.

 

Adaptation de scénarios spéciaux

Pour les composants en contact à long terme avec le corps humain, tels que les bras opératoires des robots de rééducation médicale et les stents articulaires implantables, des alliages de titane spéciaux tels que Ti6Al7Nb sont utilisés.

 

L'alliage de titane Gr7-palladium résiste à la corrosion en réduisant les milieux acides, ce qui le rend adapté aux robots chimiques spéciaux ;

Ti5Al2.5Sn présente des performances exceptionnelles à basse température-, maintenant sa ténacité même à -253 degrés. Le robot quadrupède polaire TX3 de Titanobotics de Norvège adopte ce cadre en alliage de titane et peut effectuer une surveillance continue des glaciers pendant 72 heures à -58 degrés au Groenland.

 

 

Ti6Al4V (Gr5) à usage général- : Il atteint l'équilibre optimal entre résistance et coût, avec des processus d'impression 3D, d'usinage et de forgeage matures, et est utilisé dans la plupart des composants porteurs de base-.

 

Ti6Al4V ELI (Gr5 interstitiel très faible) : Avec une teneur en impuretés plus faible, sa résistance aux chocs est augmentée de 30 % à -40 degrés, ce qui le rend adapté aux scénarios en haute mer-à basse-température, à haute-fatigue et à fort impact tels que les flexsplines harmoniques et les pinces de robots médicaux.

 

Ti10V2Fe3Al haute résistance : Conçu pour des scénarios de-charges et de-couples élevés, il est utilisé dans les engrenages de transmission de précision des robots et dans les-joints porteurs des jambes des-robots lourds.

 

Alliages de titane à haute-élasticité et à faible-module (par exemple, TiNbTa, Ti24Nb4Zr8Sn): Leur module élastique est plus proche de celui des os humains, avec une flexibilité et une biocompatibilité exceptionnelles. Ils sont principalement utilisés dans les articulations bioniques, les actionneurs flexibles et les composants structurels des robots portables, qui peuvent réduire les impacts et améliorer la conformité des mouvements.

 

 

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