Materiál pre mikrouchopovače
Obsah
Mnoho rôznych typov materiálov môže byť použité pre dizajn pružného mechanizmu. I keď každá aplikácia má svoje vlastné kritériá pre výber materiálov, môže sa proces výberu riadiť princípmi, ktoré možno použiť v mnohých situáciách. Snáď najdôležitejšie na zapamätanie je, že tuhosť a sila nie sú rovnaké a je možné, aby materiál bol pružný a silný. Tvárnosť a pružnosť tiež nie sú rovnocenné. Krehké materiály môžu byť použité na výstavbu kompatibilných mechanizmov, ak je ich geometria prispôsobená tak, že nie sú preťažené. Ďalším dôležitým bodom je to, že mechanizmus môže byť flexibilný buď vďaka geometrii, alebo vlastnosťou materiálu. V konečných návrhoch sa uprednostňuje čo najväčšia flexibilita pred tuhosťou.
Medza klzu a Youngov modul pružnosti
Youngov modul E je pre väčšinu kovov takmer rovnaký bez ohľadu na pridaní legujúcich prvkoch alebo tepelného spracovania. Medzu klzu σK a pevnosť v ťahu môžeme zvýšiť pomocou tepelného spracovania alebo tvarovania za studena. Nevýhodou toho je že sa tým tiež tieto materiály stávajú krehkejšími a zvyšuje sa riziko výskytu chýb, prasklín, nečistôt a tiež sú citlivejšie na zvýšené napätie. Materiály s vysokou pomernou hodnotou pevnosti a modulu pružnosti dovoľujú väčšie priehyby pred tým ako sa v nich vyskytne chyba. Tento pomer je jedným z najdôležitejších parametrov pri výbere materiálu pre pružné mechanizmy.
| Materiál | E [GPa] | σK [Mpa] | (σK/E)×1000 |
| Oceľ (1010 valcovaná za tepla) | 207 | 179 | 0,87 |
| Oceľ (4140 Q&T@400) | 207 | 1641 | 7,9 |
| Hliník (1100 žíhaný) | 71,7 | 34 | 0,48 |
| Hliník (7075 tepelne spracovaný) | 71,7 | 503 | 7,0 |
| Titán (Ti-35A žíhaný) | 114 | 207 | 1,8 |
| Titán (Ti-13 tepelne spracovaný) | 114 | 1170 | 10 |
| Berylliová meď (CA170) | 128 | 1170 | 9,2 |
| Polykryštalický kremík | 169 | 930 | 5,5 |
| Polyetylén (HDPK) | 1,4 | 28 | 20 |
| Nylon (type 66) | 2,8 | 55 | 20 |
| Polypropylén | 1,4 | 34 | 25 |
| Kevlar (82 %) | 86 | 1517 | 18 |
| E-glass (73.3 %) | 56 | 1640 | 29 |
Materiály pre pružné mechanizmy
Kovy
Kovy, ako je oceľ, by mal byť z nerezovej ocele, hliníka, titánu atď. Pri návrhu treba brať do úvahy:
- Predpokladané správanie materiálov (vo vysoko presných prístrojoch)
- Dobrý výkon v prostrediach s vysokou teplotou
- Biokompatibilita
- Nízka náchylnosť na sklz
- Predvídateľná únavová životnosť
- Schopnosť pracovať v mnohých nepriaznivých podmienkach
- Elektrická vodivosť (ako je potrebné pre flexibilné elektrické konektory)
Niektoré nevýhody kovov v súlade s mechanizmami zahŕňajú:
- Náklady na materiál
- Náklady na tvárnenie a obrábanie materiálov
- Väčšia potreba spojovacích komponentov
- Vysoká hustota
- Nízky pomer medze klzu k Youngovmu modulu v porovnaní s mnohými polymérmi
Plasty
Hoci cena niektorých plastov je porovnateľná s oceľou, ale náklady na ich spracovanie klasickými metódami je výrazne nižšia ako u iných materiálov vo veľkých objemoch. Toto a ich vysoká pomerná hodnota pevnosti a modulu pružnosti sú hlavné dôvody pre ich použitie pri vysokej presných mechanizmoch. Výhody plastov zahŕňajú:
- Nízke výrobné náklady vo veľkých objemoch
- Vsoká pomerná hodnota pevnosti a modulu pružnosti
- Obrobiteľnosť
- Žiadne spojovacie súčiastky
- Nízka hustota
- Biokompatibilita
- Elektricky izolačné vlastnosti
Nevýhody plastov:
- Variabilita mechanických vlastností plastov ich robí menej predvídateľné ako u iných materiálov
- Nízke teploty topenia materiálu a degradácia v niektorých prostrediach
- Zhoršenie vlastnosti v niektorých prostrediach
Sklo je často používané na posilnenie plastov. Toto posilnenie zvyšuje pevnosť aj tuhosť, čo má za následok zníženie pomernej hodnoty pevnosti a modulu pružnosti. Polypropylén je bežne používaný polymér z niekoľkých dôvodov. Po prvé, je to jeho vysoký pomer medze sklzu k Youngovmu modulu, ako je uvedené v tabuľke 5.1. Má tiež rad výhod v porovnaní s inými polyméry. Polypropylén je ľahko dostupný, lacný, ľahko spracovateľný a má nízku hustotu. Je tiež veľmi tvárny. Hoci to je vynikajúci materiál pre mnohé kompatibilné mechanizmy, nie je vhodný v niektorých prípadoch. A to z dôvodu tečenia, ma obmedzený teplotný rozsah a malú chemickou odolnosť.
Ostatné materiály
Diely z krehkých materiálov môžu byť tiež použite v pružných mechanizmoch, ale sú citlivé na prepätie. Keď sú krehké materiály používané ako vyhovujúci materiál, je to zvyčajne preto, že dizajn je obmedzený ďalšími faktormi. To je prípad, kedy sú mechanizmy konštruované s pomocou technológií na výrobu integrovaných obvodov. Materiály sú obmedzené na tie, ktoré sú vhodné pre techniky, z ktorých väčšina je veľmi krehká. Optické časti sú ďalším príkladom toho. Flexibilná časť je vyrobená z krehkého materiálu, pretože podstatné obmedzenie je spojené s aplikáciou. Kompozitné materiály (napr. grafit, sklenené vlákno, a sklolamináty), elastoméry, textílie a iné materiály sú považované za vyhovujúce pre použitie v mechanizmoch ak daná aplikácia vyžaduje ich použitie. Je dôležité zvážiť všetky požiadavky pri výbere materiálu, pretože veľa vecí, ktoré sa tradične používajú v tuhých štruktúrach môžu byť upravené tak aby boli požité v pružných mechanizmoch.
