소프트 로봇 및 휴머노이드 로봇용 실리콘 소재: 그리퍼, 인공 피부, 웨어러블 및 첨단 로봇 공학을 위한 실용적인 솔루션

현대 로봇 공학은 첨단 재료 과학을 기반으로 합니다. 엔지니어링된 실리콘은 딱딱한 금속이 할 수 없는 방식으로 구부러지고 늘어나는 부드럽고 실물과 같은 시스템을 가능하게 합니다. 타의 추종을 불허하는 탄성과 내구성을 제공하는 이러한 소재는 섬세한 그리퍼, 사실적인 피부, 반응형 웨어러블의 기반이 됩니다. 여기에서는 5가지 핵심 로봇 분야 전반에 걸쳐 액상 실리콘, 엘라스토머 배합, 기능성 스크린 인쇄용 실리콘 잉크의 실제 적용 사례를 자세히 설명합니다.

로봇 제조업체를 위한 액상 실리콘 고무(LSR) 솔루션

로봇 부품용 원자재를 선정할 때는 기계적 내구성과 제조 처리량 사이의 균형이 필요합니다. LSR 소재 공급업체로서 당사는 액상 사출 성형(LIM)을 위한 액상 실리콘 고무(LSR)와 개방형 주조 및 신속 시제품 제작을 위한 상온 가황(RTV-2) 실리콘이라는 두 가지 핵심 2액형 실리콘 시스템 범주에 집중하고 있습니다.

고정밀 로봇 공학 분야에서 백금 경화(또는 부가형 경화) 실리콘은 우리의 주력 소재입니다. 주석 경화 시스템보다 뛰어난 주요 장점은 가황 과정에서 가스가 방출되지 않아 수축률이 거의 없다는 점입니다. 내부 공압 챔버를 캐스팅하거나 내장형 센서를 위한 경로를 설계할 때 이러한 치수 안정성은 필수적입니다.

점도 및 가공 한계

로봇 제조에서 원료 액상 실리콘의 점도는 제조 방식을 직접적으로 결정합니다.

저점도 시스템(3,000 ~ 10,000 cPs): 중력 주조, 진공 주입, 깊고 좁은 채널이 있는 복잡한 금형에 이상적입니다.

중고점도 LSR(40,000 cPs 이상): 높은 열에서 초 단위로 측정되는 빠른 경화 주기가 필요한 고압 액체 사출 성형에 더 적합합니다.

경화된 엘라스토머의 물리적 무결성을 저하시키지 않으면서 유동 특성을 조정하려는 엔지니어에게는, 정밀하게 측정한 순수 PDMS 실리콘 오일 을 첨가하면 점도를 낮추어 복잡한 금형 형상을 채우는 데 도움이 될 수 있습니다.

소프트 로봇 그리퍼를 위한 실리콘 엘라스토머 소재 선택

부드러운 실리콘 그리퍼는 깨지기 쉽거나 형태가 가변적인 물체에 힘을 고르게 분산시켜 기존의 기계식 클로보다 뛰어난 성능을 발휘합니다. 그러나 효과적인 유체 엘라스토머 액추에이터(FEA) 설계를 위해서는 쇼어 경도와 파단 연신율의 정밀한 교정이 필요합니다:

쇼어 00-30(너무 부드러움): 부풀어 오르거나 파열되기 쉬워 부하 상태에서 구조적 안정성이 심각하게 저하됩니다.

쇼어 A 50(너무 딱딱함): 작동을 위해 높은 공압이 필요하며, 이로 인해 시스템 씰과 컴프레서에 무리가 갑니다.

대부분의 소프트 로봇 그리퍼에는 다중 경도 구조가 가장 효과적입니다. 더 단단한 뒷면 레이어(쇼어 A 30 ~ A 40)가 팽창을 제한하여 공압 에너지를 더 높은 연신율(일반적으로 500% ~ 800%)을 가진 더 부드러운 배합(쇼어 A 10 ~ A 20)으로 만들어진 유연한 그리핑 표면 쪽으로 유도합니다.

동적 액추에이터의 피로 방지

소프트 로봇 공학의 주요 과제는 기계적 피로입니다. 수백만 번의 사이클 동안 구조적 이음새를 따라 조기에 찢어지는 것을 방지하려면 소재가 우수한 인열 저항성(ASTM D412 표준에 따라 N/mm 단위로 측정)을 나타내야 합니다. 고인열성 백금 경화 실리콘은 미세한 표면 흠집의 확산을 방지하여 반복적인 굽힘 중에도 내부 압력 챔버를 밀폐된 상태로 유지합니다.

휴머노이드 로봇 피부 및 인공 피부 응용을 위한 실리콘 소재

휴머노이드 로봇 피부를 위한 실리콘 솔루션

실물과 같은 로봇 피부는 시각적 사실감과 기계적 성능 사이의 완벽한 균형을 유지해야 합니다. 즉, 가벼운 압력 하에서는 변형되면서도 구조적 처짐에는 저항해야 합니다. 우리는 다음과 같은 특수 다층 실리콘 캐스팅 공정을 통해 인간 피부의 복잡한 역학을 재현합니다:

• 외피 표피 (Shore 00-10 ~ 00-30): 촉각적 사실감과 자연스러운 얼굴 주름을 위한 초연성 포뮬러.
• 중간 진피 (Shore A 10 ~ A 15): 보강 메쉬 및 센서 네트워크를 수용하도록 설계된 중간 경도 포뮬러.
• 피하 기반 (Shore A 20 ~ A 30): 피부 복합체를 단단한 로봇 프레임에 고정하는 견고한 구조적 앵커.

감각 통합 및 화학적 호환성

센서 통합을 위해 백금 경화 실리콘은 엄격한 침투 보호 표준을 충족하는 데 필요한 화학적 불활성과 절연 강도를 제공합니다. 정전식 촉각 센서와 유연 인쇄 회로(FPC)를 이러한 고순도 포뮬러 내에 캡슐화함으로써 휘발성 가스 방출 위험을 완전히 제거합니다. 이는 내부 화학적 부식을 영구적으로 방지하여 하드웨어의 전체 운영 수명 동안 내장된 마이크로 전자 장치의 장기적인 신뢰성을 보장합니다.

실용적인 엔지니어링 조언: 경화 저해 방지

실리콘이 완전히 경화되지 않는다면 호환되지 않는 화학 물질에 의해 오염되었을 가능성이 높습니다. 피해야 할 일반적인 원인은 라텍스 장갑, 황 기반 점토, 밀봉되지 않은 3D 프린팅 레진, 잔류 주석 경화 실리콘입니다.

해결책: 촉매 피독을 완화하기 위해 작업자는 반드시 파우더가 없는 니트릴 장갑만을 착용해야 합니다. SLA 방식으로 출력된 툴링을 사용할 때는 표준 운영 절차에 따라 철저한 UV 후경화 및 용제 세척을 수행해야 합니다. 표면 끈적임이 지속될 경우, 금형 캐비티에 박막 아크릴 차단 코팅을 적용하여 화학적 이동을 완전히 차단하십시오.

편안함과 성능을 위한 보철용 실리콘 및 웨어러블 로봇 소재

외골격이나 보철 인터페이스를 설계할 때 하드웨어는 인간의 피부와 직접적이고 장시간 접촉하게 됩니다. 기계적 내구성과 완벽한 생체 적합성 사이에서 균형을 맞춰야 합니다. 당사는 이러한 용도로 백금 경화 실리콘만을 엄격하게 지정합니다. 이는 가교 과정에서 잔류 용제, 주석 부산물 또는 중금속 촉매가 전혀 남지 않기 때문입니다. 장시간 매일 착용해야 하는 경우, 이러한 화학적 부산물을 제거하는 것은 피부 감작 및 알레르기 반응을 방지하기 위해 반드시 필요한 필수 조건입니다.

동적 압축 및 쿠션 처리

보철 라이너나 외골격 인터페이스를 설계할 때 소재는 동적인 충격을 흡수하고 하중을 고르게 분산하여 욕창을 방지해야 합니다. 부드러운 실리콘 엘라스토머는 이를 위한 당사의 기본 댐핑 패드 소재입니다. 특히 매우 낮은 압축 영구 줄음률을 제공하는 것이 중요합니다. 즉, 지속적인 하중 아래에서도 영구적으로 변형되거나 '꺼짐' 현상이 발생하지 않아 수개월간의 격렬한 일상 사용 후에도 정확한 형태를 유지합니다.

지속 가능한 보호 코팅

외피의 경우 엔지니어들은 다음을 채택하고 있습니다: 지속 가능한 실리콘 가죽 및 보호용 엘라스토머 탑코트. 이러한 소재는 땀과 기름에 대해 강하고 긁힘에 강한 장벽을 제공하는 동시에 RoHS 및 REACH 안전 기준을 완전히 준수합니다.

차세대 로봇 공학의 촉각 센서 및 유연한 액추에이터를 위한 실리콘 소재

소프트 로봇 공학에서 폐루프 제어를 달성하려면 실시간 피드백이 필요합니다. 이는 신축성 있는 감각 네트워크를 엘라스토머 매트릭스에 직접 내장해야 함을 의미합니다. 당사는 특수 스크린 인쇄용 실리콘을 사용하여 유연한 기판에 전도성 트레이스를 직접 증착함으로써 이를 구현합니다. 유연한 실리콘 캐리어에 은 나노입자, 그래핀, 탄소 나노튜브와 같은 고전도성 충전제를 배합하여 극심한 동적 변형 하에서도 전도성을 유지하는 촉각 센서 어레이를 스크린 인쇄할 수 있습니다.

유전 엘라스토머 액추에이터 (DEAs)

DEA는 유연한 고체 상태 액추에이터로 작동합니다. 물리적 움직임은 박막 실리콘 유전체에 전기장을 인가하여 압축 및 팽창을 유도함으로써 생성됩니다. DEA 응용 분야를 위한 재료 사양은 정밀한 유전 상수, 우수한 유전 파괴 강도, 주기적 하중 시 무시할 수 있는 기계적 히스테리시스를 특징으로 하는 초박형의 매우 균일한 실리콘 필름 사용을 규정합니다.

첨단 로봇 공학용 실리콘의 주요 기술적 매개변수

소프트 로봇 공학 개발을 위한 재료 비교 시 엔지니어링 팀을 지원하기 위해, 아래 표는 다양한 로봇 시스템의 목표 물리적 특성을 강조합니다:

소프트 로봇 공학 프로젝트를 대학 연구실에서 상업적 생산으로 확장할 때는 재료 선택과 제조 공정을 일치시키는 것이 중요합니다:

1단계: 캐스팅 가능한 RTV-2를 이용한 프로토타이핑

간단한 오픈 몰드와 RTV-2 실리콘으로 시작하십시오. 이 빠른 주조 단계는 대량 생산으로 넘어가기 전에 로봇의 형태를 테스트하고, 센서 배치를 확인하며, 완벽한 재료 경도를 찾는 데 도움을 줍니다.

2단계: 사출 성형을 위한 설계

생산량이 증가함에 따라 고순도 LSR을 사용하는 액상 실리콘 사출 성형(LIM)으로 전환하십시오. 이를 위해서는 가열된 생산 금형의 높은 유속과 빠른 경화 시간을 수용할 수 있도록 적절한 벤트와 게이트 위치를 갖춘 툴링 설계가 필요합니다.

3단계: 특수 코팅 및 인쇄 통합

조립품을 완성하려면 전도성 회로, 촉각 센서 레이아웃, 미끄럼 방지 질감 또는 브랜딩 요소를 위해 보호용 실리콘 스크린 인쇄 잉크를 도포하십시오.

귀하의 특정 응용 분야에 대한 옵션을 검토하거나 재료 샘플을 요청하려면 다음에 문의하십시오. 액상 실리콘 공장 맞춤형 배합, 점도 조절 및 대량 생산에 대해 논의하기 위해.

확장 전 고려해야 할 실용적인 소재 선택 체크리스트

저희는 실험실 데이터시트를 기반으로 재료 사양을 결정하지 않습니다. 현장 적용을 기준으로 결정합니다. 실리콘을 확정하기 전에 최대 변형률, 주기적 굽힘 반경, 접촉 압력, 열 한계 및 예상되는 화학적 노출과 같은 정확한 작동 매개변수가 필요합니다. 손으로 만져보는 샘플은 현혹되기 쉽습니다. 벤치에서 느낌이 좋은 재료라도 1mm 벽이 만 번 유연하게 움직일 때 발생하는 고주기 피로로 인해 파손되거나, 딱딱한 센서 회로가 표면 바로 아래에 응력 집중을 일으킬 경우 실패할 수 있습니다.

다음으로, 동일한 배치에서 작은 테스트 쿠폰 하나와 전체 크기의 기능성 부품 하나를 캐스팅하십시오. 혼합 비율, 실온, 진공 시간, 이형제, 경화 일정 및 후경화 조건을 기록하십시오. 이 간단한 공정 일지는 문제 해결을 훨씬 빠르게 만듭니다. 부품이 끈적거리거나 공기 통로 근처에서 찢어지거나 인서트에 잘 접착되지 않는 경우, 여러 변수를 한꺼번에 변경하는 대신 원인을 추적할 수 있습니다.

• 흐름 확인: 경화되지 않은 실리콘이 기포를 가두지 않고 좁은 채널까지 도달하는지 확인하십시오.
• 역학 확인: 경화된 샘플의 경도, 반발력, 인열 거동 및 치수 회복력을 측정하십시오.
• 인터페이스 확인: 직물, 금속, 플라스틱, 인쇄 전자 제품 및 이전에 경화된 실리콘에 대한 접착력을 테스트하십시오.
• 노화 확인: 실제 사용을 반영하는 반복적인 굽힘, 압축, 세척 및 온도 노출을 실행하십시오.
• 문서 확인: 모든 안전 또는 환경 관련 요구 사항을 정확한 등급 및 현재 공급업체 보고서와 일치시키십시오.

생산 툴링을 본격적으로 시작하기 전에 승인된 배합 및 공정 범위를 완전히 확정해야 합니다. 실리콘의 경우 안료, 오일, 촉매 비율 또는 경화 온도에 아주 작은 변화만 주어도 점도와 최종 성능이 완전히 바뀔 수 있습니다. 저희의 가장 좋은 조언은 승인된 배치에서 서명된 물리적 참조 샘플을 보관하고 이를 사용하여 향후 모든 배송을 검증하는 것입니다. 이를 통해 엔지니어링, QC 및 구매 팀은 초기 프로토타입에서 대량 생산으로 넘어갈 때 하나의 신뢰할 수 있는 '진실의 원천'을 확보할 수 있습니다.

엔지니어들이 자주 묻는 기술적 질문