In den letzten Jahren hat die Branche der humanoiden Roboter dank der bahnbrechenden Fortschritte in der Technologie der generativen künstlichen Intelligenz zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Inländische und internationale Technologieunternehmen, darunter Tesla, Huawei, Xiaomi, Tencent und Yushuo Technology, sind alle in den Sektor eingestiegen und haben ihre Bemühungen intensiviert.

Branchenanalyseberichte zeigen, dass Chinas humanoide Roboterindustrie im Jahr 2023 in eine Phase explosionsartigen Wachstums eintrat, wobei die Marktgröße 3,91 Milliarden Yuan erreichte, was einem Anstieg von 85,7 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Es wird erwartet, dass die humanoide Roboterindustrie in den Jahren 2024 und 2025 weiterhin schnell wachsen wird und bis 2026 die Marktgröße der humanoiden Roboterindustrie in China 20 Milliarden Yuan überschreiten wird.

(ULSrobotics)

Roboterkörper-LeichtbauTechnologie ist einer der Schlüsselbereiche der Forschung, da sie sich mit Fragen wie der engen Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern auf engstem Raum, der Gewährleistung der Sicherheit bei gemeinsamen Operationen zur Vermeidung von Verletzungen durch die Maschine und der Verbesserung der Mobilität und Flexibilität des Roboters befasst.

Die Skelettstruktur der Gliedmaßen dient als Grundgerüst, das verschiedene Bewegungen humanoider Roboter unterstützt. Zu den Anwendungsszenarien gehören Schalenmaterialien, Wirbelsäule, Oberarme, Unterarme, Oberschenkel, Unterschenkel und andere Strukturkomponenten. Zu den gängigen Materialien gehören Stahl, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Kohlefasern und Polymermaterialien. Im Zuge des Leichtbautrends ist der „Ersatz von Stahl durch Kunststoff“ zu einem heißen Thema bei der Herstellung humanoider Roboter geworden.

In diesem Artikel werden acht häufig verwendete Polymermaterialien in humanoiden Robotern vorgestellt.

1. Polyetheretherketon (PEEK)
Anfang 2024 stellte Tesla den humanoiden Roboter Optimus-Gen2 vor, der dank eines leichten Materials – PEEK – sein Gewicht um 10 Kilogramm reduzierte und die Gehgeschwindigkeit ohne Leistungseinbußen um 30 % erhöhte. PEEK ist einer der wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung humanoider Roboter.

PEEK oder Polyetheretherketon ist ein Hochleistungspolymer, das aus sich wiederholenden Einheiten besteht, die eine Ketongruppe und zwei Ethergruppen in der Hauptkettenstruktur enthalten. Es wird als Spezialpolymer eingestuft und ist hinsichtlich der Gesamtleistung und des Produktwerts eines der höchsten technischen Kunststoffe.

PEEK verfügt über ein umfassendes Eigenschaftsspektrum. Es übertrifft die meisten anderen technischen Spezialkunststoffe in puncto Steifigkeit und bietet gleichzeitig Zähigkeit, mechanische Festigkeit und hervorragende Beständigkeit gegen Hitze, Verschleiß und Korrosion.

Mit einer hohen spezifischen Festigkeit und geringen Dichte kann PEEK das Gewicht des Materials erheblich reduzieren und gleichzeitig die Festigkeitsanforderungen erfüllen, was es zu einer idealen Lösung für Leichtbauanwendungen macht. Es verfügt über ein breites Potenzial in Industriesektoren für Anwendungen, bei denen „Kunststoff Stahl ersetzt“.

Diagramm: PEEK weist erhebliche Vorteile hinsichtlich der physikalischen und chemischen Eigenschaften auf.

PEEK kann seine Gesamtleistung durch die Verbindung mit Materialien wie Kohlefaser und Glasfaser verbessern. Kohlenstofffaserverstärkte PEEK-Materialien nutzen die hohe Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul von Kohlenstofffasern und weisen eine verbesserte Zähigkeit, Schlagfestigkeit, spezifische Festigkeit und thermische Stabilität auf. Diese Eigenschaften machen sie für Anwendungen in Roboterarmen, Gelenkverbindungen und anderen Komponenten geeignet, mit erheblichem Potenzial für humanoide Roboter.

Bei einem geschätzten Bedarf von 10 Millionen humanoiden Robotern wird der Einsatz von PEEK für Leichtbaulösungen voraussichtlich zu einer zusätzlichen PEEK-Nachfrage von 105.000 Tonnen führen, was zu einer PEEK-Marktgröße von 52,5 Milliarden RMB führt.

Diagramm: PEEK-Markt Potential für humanoide Roboter

2. Polyamid (PA)
Bei dem von Ensta ParisTech und Flowers Lab aus Frankreich entworfenen Roboter Poppy werden alle Teile mithilfe der Selective Laser Sintering (SLS)-Technologie 3D-gedruckt, wobei das Material Polyamid (PA) ist, mit Ausnahme der Motoren und elektronischen Schaltkreise.

Nylon, auch bekannt als Polyamid (PA), ist ein allgemeiner Begriff für thermoplastische Harze mit wiederholten Amidgruppen – NHCO – am Molekülgerüst. Es wird in verschiedenen Branchen häufig verwendet und ist der am häufigsten verwendete Typ unter den fünf wichtigsten technischen Kunststoffen. Nylon hat eine geringe Dichte, eine hohe mechanische Festigkeit, Steifigkeit, Härte und Zähigkeit, eine ausgezeichnete Alterungsbeständigkeit, gute Vibrationsdämpfungseigenschaften, hervorragende Gleiteigenschaften, eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine präzise Kontrolle während der Bearbeitung aus, ohne Kriechen und hervorragende Verschleißschutzeigenschaften sowie eine gute Dimensionsstabilität. Der Hauptnachteil ist die hohe Wasseraufnahme.

3. PC/ABS
Der von der SoftBank Group entwickelte humanoide Roboter NAO besteht hauptsächlich aus Polycarbonat-ABS-Kunststoff, Polyamid und kohlefaserverstärkten thermoplastischen Materialien.

ABS-Konstruktionskunststoff, auch PC+ABS (technische Kunststofflegierung) genannt, wird in der chemischen Industrie allgemein als Kunststofflegierung bezeichnet. Der Name PC+ABS beruht darauf, dass dieses Material die hervorragende Hitzebeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, Dimensionsstabilität und Schlagfestigkeit von PC-Harz mit der hervorragenden Verarbeitungsflüssigkeit von ABS-Harz kombiniert. Daher wird es in Produkten mit dünnen Wänden und komplexen Formen verwendet und behält sowohl seine herausragende Leistung als auch die Formbarkeit von Kunststoffmaterialien, die aus einem Ester bestehen.

Der Hauptnachteil des technischen ABS-Kunststoffs ist sein hohes Gewicht und seine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Seine Formtemperatur wird durch den Temperaturbereich zwischen den beiden Grundmaterialien bestimmt und liegt typischerweise bei etwa 240–265 °C. Ist die Temperatur zu hoch, zersetzt sich ABS, ist sie zu niedrig, ist die Fließfähigkeit des PC-Materials unzureichend.