Små tätningar – stor effekt

Varje gram räknas i jakten på bättre robotar. Lättare konstruktion ger högre hastighet, bättre acceleration och mer precisa rörelser, samtidigt som de gör robotarna mer energieffektiva och säkrare att arbeta med.

Drifttiden för Automated Mobile Robots (AMR:er) i e‑handelslager är minst lika beroende av vikt som av framsteg inom batteriteknik. Samtidigt är samarbetsrobotar (cobots), som är konstruerade för att arbeta sida vid sida med människor utan skyddsstängsel, säkrare när de är lättare. För mycket precisa uppgifter som halvledartillverkning, implantatproduktion inom medicinteknik eller robotar som utför hjärnkirurgi, behöver robotarna helt enkelt vara mindre för att kunna göra sitt jobb.

– När de första industrirobotarna kom i slutet av 1970‑talet var målet att få dem att fungera pålitligt, det var vad alla fokuserade på, säger David Kaley, Global Segment Manager för Industrial Automation på Trelleborg. – Men sedan behövde man göra dem snabbare och insåg att nyckeln till högre hastighet är låg vikt: ju mindre rörlig massa, desto snabbare kan de röra sig.
​

En ny portfölj
Den nya portföljen av Stefa Mini‑tätningar är framtagen för att ta nästa steg i utvecklingen av mindre och lättare robotar. Serien är avsedd för leder, servo‑ och direktdrivna motorer, växellådor och hastighetsreducerare i robotar med låg vikt och kompakt design.

Serien finns i tre utföranden: Stefa Mini Radial Shaft Seal, Stefa Mini Cassette Seal och Stefa Nano Radial Shaft Seal.   I sig gör mindre tätningar inte någon stor skillnad för totalvikten, men de gör det möjligt att krympa själva kapslingen, vilket i sin tur banar väg för betydande viktminskningar.

Stefa‑tätningarna tillverkas i Trelleborgs egen fluorelastomer FKM, en lågfriktionsblandning som minskar energiförluster genom friktion och möjliggör högre hastigheter. Trelleborg har kalibrerat friktionskoefficienten och finjusterat tätningsläppens profil så att trycket mot axelytan optimeras och tätningen förblir helt tät. Resultatet är tätningar som håller fett och olja säkert på plats i robotleder, servomotorer och växellådor även vid höga varvtal och accelerationer. Tester, både internt och hos kunder, visar dessutom att tätningarna har mycket lång livslängd.

– Att konstruera en tätning som fungerar bra i 5 000 timmar, håller låg friktion och inte läcker är en stor utmaning. Men det var precis vad kunderna krävde, och vi har passerat den nivån i testerna hos våra kunder, säger Kaley.

Utvecklingen av Stefa Mini‑tätningarna började när en kund efterfrågade en mycket liten tätning för växelmotorerna i en ledad robotarm. Efter att ha tagit fram den unika profildesignen för Stefa Mini Radial Shaft Seal beslutade Trelleborgs konstruktörer att även utveckla en kassetttätning och en nano‑version för att skapa en helt ny familj av tätningar.
​

Var kommer de att användas?

Det främsta användningsområdet för tätningarna är fortsatt ledade robotarmar, eftersom lägre husvikt gör det lättare att kontrollera den svingande massan i armen. Mindre tätningar resulterar i mindre armhus. Detta är särskilt viktigt för cobots med ledade armar, som historiskt sett har behövt köras i lägre hastighet för att undvika att skada människor som arbetar bredvid dem.
​

– Samarbetsrobotar har blivit avsevärt mycket lättare – en robotarm som tidigare vägde 75 kilo väger nu 20 kilo, förklarar Kaley.

​

Att minska storleken på växlar och motorer är inte det enda sättet att reducera robotvikten; lättviktsmaterial kan också ersätta rostfritt stål i den roterande axeln.
– Det är dock svårt att tillverka komponenter i lättare material som magnesium, aluminium och kolfiber med en tillräckligt slät yta för att säkerställa en bra tätning, säger Kaley.
– Stefa Mini Cassette Seal löser det problemet. Den fästs på en hylsa som träs över den roterande komponenten, vilket eliminerar behovet av kostsam ytbehandling av stålskaft och gör det möjligt för kunder att använda lättare material utan några problem.
​

Den här typen av tätning är särskilt användbar i cobots, där låg vikt är en central säkerhetsfaktor. Den ökar också energieffektiviteten i ändeffektorer på större robotar, till exempel sådana som lyfter cylinderhuvuden och placerar dem på rätt plats i en bilfabrik. Tätningen passar även mycket bra i delta‑robotar som används för plockning och packning i fabriker, där lättviktsmaterial gör det möjligt för robotarmarna att nå hastigheter på upp till 300 plock per minut.
​

Längre körtid
​Det andra stora användningsområdet, enligt Kaley, är ”allt som drivs av batterier”. Tätningarna är till exempel idealiska för axialflödesmotorer som driver hjulen på AMR:er, och särskilt hjulen på Automated Storage and Retrieval Systems (ASRS) som rör sig runt i e‑handelslager och fabriker för att hämta och lämna produkter och komponenter.

För ett ASRS‑system är en bra tätning helt avgörande om det körs på skenor ovanför områden där produkter eller komponenter lagras.
– Som ett exempel: om en enda droppe olja hamnar på förpackningen till ett par skor som kostar 200 dollar måste de kasseras,” säger Kaley.

Stöd för precision

Den sista medlemmen i Stefa Mini‑familjen, Stefa Nano Radial Shaft Seal, är avsedd för användning inom precisionsproduktion, till exempel i halvledartillverkningens renrum eller i produktionslinjer för implantat inom medicinteknik.

– Här handlar det om positionering på mikrometernivå och om komponenter som bara kan tillverkas med robotar. En människa har helt enkelt inte den finmotorik och precision som krävs – vi är inte byggda för det, säger Kaley.
​

Stefa Nano Radial Shaft Seal finns i diametrar från så små som 10 millimeter och kan användas i robotleder med oscillerande rörelser eller fram‑ och återgående rotation. Till skillnad från många tätningar i samma storlek kan den täta i båda riktningarna utan behov av så kallad back‑pumping.
​

Ett strategiskt tillskott

Den nya serien har väckt starkt intresse sedan lanseringen.
– Kunder har slutfört sina tester av Stefa Mini, och serieproduktion har redan startat. Andra överväger Nano‑tätningen för mycket små axialmotorer med extremt lågt vridmoment,” säger Kaley.
​

Samtidigt betonar han att Stefa Mini‑serien är tänkt att komplettera – inte ersätta – Trelleborgs befintliga radiella axeltätningar.
– Det är ett strategiskt tillskott till produktportföljen, säger han.
– Vi har fortfarande våra större radiella axeltätningar, Roto Variseals och V‑ring‑designer. Stefa Mini är i grunden ett tillskott till en redan stark serie roterande tätningar.
​

Med den ständigt växande efterfrågan på mindre och lättare robotar lär det bli ett välkommet tillskott.
​

Skribent: Richard Orange
Foto: Shutterstock, Adobe Stock och Trelleborg