Ключевой материал для человекоподобных роботов: полимер PEEK

В прошлом месяце Tesla выпустила новый видеоролик о своем человекоподобном роботе Optimus-Gen2, продемонстрировав достижения в разработке его ловких рук.

Илон Маск планирует начать мелкосерийное производство Optimus в 2025 году для внутреннего использования компанией Tesla, а массовое производство ожидается в 2026 году для продаж другим клиентам. Легковесная конструкция, вероятно, станет ключевым направлением развития человекоподобных роботов в будущем. Второе поколение человекоподобного робота Tesla, Optimus-Gen2, уменьшило свой вес на 10 килограммов без ущерба для производительности, главным образом благодаря использованию легкого материала — PEEK. Этот материал широко применяется в шарнирах, конечностях, корпусе и каркасе человекоподобных роботов Tesla. Его легковесные свойства помогают снизить общий вес робота, улучшая энергоэффективность и гибкость, что делает его важным решением для создания легковесных человекоподобных роботов.

1. Обзор индустрии материалов PEEK

Типичные легковесные материалы, используемые в роботах, включают магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, углеродные композиты и инженерные пластики. На фоне тенденции «замены стали пластиком» и «снижения веса», PEEK (полиэфирэфиркетон) стал новым высокоэффективным полимером, который постепенно заменяет металлы в применениях среднего и высокого класса благодаря своим исключительным характеристикам. Как один из лучших инженерных пластиков, PEEK обладает высокой термостойкостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и самосмазывающимися свойствами. Он также превосходит обычные металлы по изоляционным и химическим свойствам. Благодаря плотности, составляющей примерно половину плотности алюминиевых сплавов, PEEK позволяет реализовать легковесные конструкции, сохраняя высокую прочность и жесткость. Основные области применения включают аэрокосмическую отрасль, электронику, робототехнику, автомобилестроение, энергетику и здравоохранение. Хотя на данный момент наибольшая доля рынка принадлежит аэрокосмической отрасли, человекоподобные роботы могут стать одной из самых быстрорастущих областей применения.

2. Применение PEEK в человекоподобных роботах

Согласно публичным данным, средний вес роботов от Tesla, Ubtech и Unitree составляет около 58 кг. На каждый робот используется примерно 1 кг чистого PEEK для шестерен и шарниров, а также 8 кг CF/PEEK (углеродного волокна, усиленного PEEK) для конечностей, что в среднем составляет 6,6 кг PEEK на одного робота.

Основные компоненты человекоподобных роботов с использованием PEEK:

Шестерни из PEEK: Используются в шарнирах и конечностях, обеспечивая стабильную передачу и поддержку.

Подшипники из PEEK: Применяются в шарнирах и других местах, обладают отличной износостойкостью и самосмазывающимися свойствами, что снижает трение и износ, увеличивая срок службы робота.

Скелет из PEEK: Используется в каркасе корпуса и конечностей, весит на 40% меньше металлических аналогов, сохраняя достаточную прочность и жесткость для удовлетворения требований к нагрузке и гибкости.

3. Анализ цепочки поставок материала PEEK

PEEK — это вид синтетической смолы, цепочка поставок которого включает:

01. Сырье (верхний уровень цепочки):

Основные сырьевые материалы:

Фторкетон (наиболее критичный компонент), гидрохинон, дифенилсульфон и карбонат натрия.

Добавки: Углеродное волокно, стекловолокно и PTFE.

Фторкетон (DFBP):

Составляет более половины стоимости сырья и играет ключевую роль в синтезе PEEK.

Производственный процесс фторкетона сложен; для производства 1 тонны PEEK требуется около 0,7–0,8 тонны мономера фторкетона.

Глобальное производство сосредоточено в основном в Китае, а также в Великобритании и Индии. Ожидается, что к 2025 году общая производственная мощность фторкетона в Китае достигнет 13,700 тонн.

Другие материалы:

Гидрохинон составляет около 15% стоимости сырья.

Карбонат натрия — только 1%.

Углеродное волокно, стекловолокно и PTFE обеспечивают около 20% затрат на производство композитов из PEEK.

02. Производство PEEK (средний уровень цепочки):

Производство PEEK характеризуется высокими барьерами для входа из-за сложности производственных процессов и необходимости в технической экспертизе.

Мировые лидеры:

Victrex (Великобритания), Solvay (Бельгия), Evonik (Германия) и китайская компания Zhongyan Polymer Materials достигли масштаба производства в тысячи тонн.

Строгая защита интеллектуальной собственности со стороны лидеров затрудняет появление новых участников.

Китайские производители:

Компании, такие как Zhongyan Polymer Materials, ARKPEEK и Zhejiang Pengfulong, постепенно разрабатывают свои технологии, разрывая международные монополии.

Цены на PEEK в Китае значительно ниже мировых, что способствует росту спроса и экспорта.

Многие китайские продукты PEEK соответствуют международным стандартам и имеют ценовые преимущества благодаря низкой стоимости сырья и рабочей силы.

03. Применение (нижний уровень цепочки):

Благодаря растущему спросу в робототехнике, аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и других секторах, использование PEEK расширяется в сторону высококлассных и специализированных областей.

Новые перспективные направления:

Человекоподобные роботы и низковысотная экономика могут стать мощными драйверами спроса на материалы PEEK, предлагая широкие возможности для применения, особенно в Китае.

Легкий и высокоэффективный PEEK, в сочетании с улучшением внутренних производственных возможностей, позиционируется как трансформирующий материал для технологий будущего, включая человекоподобных роботов.