Materialauswahl für humanoide Roboter: PEEK, PA66, PPS, POM, PC

2026,08,27

Eingehender Vergleich der Materialauswahl für humanoide Roboter: Warum lässt PEEK PA66, PPS, POM und PC weit hinter sich?

In den szenariobasierten Wettbewerben der 2nd World Humanoid Robot Games betraten Roboter reale Umgebungen – Häuser, Hotels, Fabriken und Brandbekämpfungs-/Rettungszonen. Diese Veranstaltungen verlagerten den Schwerpunkt von reinen „Geschwindigkeits“-Wettbewerben hin zu Tests der tatsächlichen „Arbeitsfähigkeit“.

Die Ausführung von Aufgaben erfordert kontinuierliche Gelenkbewegungen, und die grundlegende Unterstützung dieser Bewegung liegt in den verwendeten Materialien.

Im Bereich technischer Kunststoffe gibt es vier gängige Kandidaten: PA66 (Polyamid 66), PPS (Polyphenylensulfid), POM (Polyoxymethylen) und PC (Polycarbonat). Jeder hat seine eigenen Stärken und Schwächen. Ein Material übertrifft sie jedoch in praktisch allen kritischen Dimensionen: PEEK (Polyetheretherketon).

Wir werden die Einschränkungen dieser vier Materialien im Zusammenhang mit humanoiden Robotern einzeln aufschlüsseln und dann genau untersuchen, wo sich PEEK auszeichnet.

I. PA66: Hohe Wasseraufnahme, Dimensionsinstabilität und unzureichende Wärmebeständigkeit.

PA66 (Polyhexamethylenadipamid) ist ein weit verbreiteter technischer Kunststoff, der allgemein als Nylon 66 bekannt ist. Er bietet eine gute Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bei relativ geringen Kosten und eignet sich daher für eine Vielzahl industrieller Anwendungen. Beispielsweise besteht das Gehäuse des Heimroboters Neo Gamma – entwickelt von der norwegischen Firma 1X Technologies – aus gewebtem Nylon.

Die Verwendung von PA66 für Robotergelenke weist jedoch mehrere erhebliche Nachteile auf.

Erstens ist die Wasseraufnahmerate zu hoch. PA66 hat eine Wasseraufnahmerate zwischen 2,5 % und 3,5 %. Bei der Aufnahme von Feuchtigkeit dehnt sich das Material aus, was zu Dimensionsveränderungen führt. Bei Komponenten, die eine präzise Passung erfordern – wie z. B. Gelenkzahnräder – können selbst Maßabweichungen im Mikrometerbereich zu einem schlechten Zahneingriff, erhöhtem Geräuschpegel und verringerter Präzision führen. Wenn sich ein Roboter von einer Fabrikhalle in eine Außenumgebung mit erheblichen Feuchtigkeitsschwankungen bewegt, wird die Dimensionsinstabilität von PA66-Komponenten zu einem kritischen Problem.

Zweitens ist die Temperaturbeständigkeitsgrenze zu niedrig. Die Glasübergangstemperatur von PA66 liegt bei etwa 50–60 °C und die Langzeitgebrauchstemperatur bei etwa 80–100 °C. Bei Hochgeschwindigkeits-Dauerbetrieb kann die lokale Temperatur in den Robotergelenken jedoch 100 °C überschreiten. Dies bedeutet, dass PA66-Komponenten im Verbindungsbereich erweichen oder kriechen können, was zu einer drastischen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt.

Drittens das Problem des Kriechens. Unter anhaltender Belastung unterliegt PA66 einem Kriechen – einem Phänomen, bei dem sich das Material unter konstanter Belastung im Laufe der Zeit allmählich verformt. Gelenkkomponenten von Robotern sind langfristigen Wechselbelastungen ausgesetzt; Die Kriecheigenschaften von PA66 führen dazu, dass sich diese Komponenten allmählich verformen, was die Passgenauigkeit beeinträchtigt.

Während PA66 für Robotergehäuse oder unkritische Strukturteile geeignet ist, ist es für Präzisionsübertragungskomponenten wie Gelenkgetriebe und Lager nicht geeignet.

II. PPS: Gute Hitzebeständigkeit, aber sehr spröde und ohne Zähigkeit

PPS (Polyphenylensulfid) ist ein hochtemperaturbeständiger technischer Kunststoff, der bei Temperaturen zwischen 200 °C und 240 °C dauerhaft einsetzbar ist und eine hervorragende chemische Beständigkeit bietet. Auf den ersten Blick scheint PPS eine sinnvolle Alternative zu PEEK zu sein.

Allerdings hat PPS eine entscheidende Schwäche: Sprödigkeit.

Erstens weist es eine geringe Kerbschlagzähigkeit auf. Die Kerbschlagzähigkeit von PPS liegt typischerweise bei etwa 3–5 kJ/m², während die von PEEK über 4,2 kJ/m² liegt; kohlenstofffaserverstärktes PEEK bietet eine noch höhere Zähigkeit. Bei Stoßbelastungen (z. B. Stürzen oder Kollisionen) neigen PPS-Komponenten zum Sprödbruch, im Gegensatz zu PEEK, das Energie durch plastische Verformung absorbiert.

Zweitens erfordert die Verschleißfestigkeit eine Modifikation, um den Leistungsstandards zu entsprechen. Reines PPS verfügt nicht über eine hervorragende Verschleißfestigkeit; Zur Erfüllung der Verschleißanforderungen an Gelenkkomponenten sind Additive wie PTFE (Polytetrafluorethylen) oder Kohlefaser erforderlich. Im Gegensatz dazu verfügt PEEK über inhärente selbstschmierende Eigenschaften, die den Betrieb unter ölfreien Bedingungen ermöglichen, ohne dass Modifikatoren erforderlich sind.

Drittens ist das Verarbeitungsfenster eng. PPS ist ein teilkristalliner Kunststoff mit einer schnellen Kristallisationsrate, wodurch er beim Spritzgießen anfällig für Verformungen und Eigenspannungen ist. Dies stellt ein Fertigungsrisiko für Gelenkbauteile dar, die eine hohe Passgenauigkeit erfordern.

PPS eignet sich für den Einsatz in nicht stoßbeanspruchten Roboterkomponenten wie hochtemperaturbeständigen Gehäusen und Halterungen. Bei Gelenkübertragungssystemen stellt seine Sprödigkeit jedoch einen unvermeidbaren Nachteil dar.

III. POM: Niedrige Temperaturbeständigkeit, unzureichende Festigkeit und Zersetzung bei hohen Temperaturen

POM (Polyoxymethylen) ist für seine selbstschmierenden Eigenschaften und Verschleißfestigkeit bekannt und wird daher häufig für Zahnräder und Lager verwendet. Außerdem ist es um eine Größenordnung günstiger als PEEK. Allerdings weist POM bei Roboteranwendungen deutliche Nachteile auf.

Erstens ist seine Temperaturbeständigkeit unzureichend. POM hat einen Schmelzpunkt von etwa 165–175 °C und einen Langzeitgebrauchstemperaturbereich von etwa 80–100 °C. Für Szenarien mit kontinuierlichem Betrieb von Robotergelenken reicht dieser Bereich nicht aus; Die hohen Temperaturen, die an diesen Verbindungen entstehen, können dazu führen, dass POM-Komponenten weich werden, sich verformen oder sogar versagen.

Zweitens besteht bei hohen Temperaturen die Gefahr einer Verschlechterung. POM beginnt sich thermisch zu zersetzen, wenn es Temperaturen über 150 °C ausgesetzt wird, wobei Formaldehydgas freigesetzt wird. Dies wirft nicht nur ein Leistungsproblem auf, sondern auch Sicherheits- und Umweltbedenken. In den geschlossenen Räumen eines Roboters birgt die Freisetzung von Formaldehyd potenzielle Gefahren sowohl für Benutzer als auch für die Ausrüstung selbst.

Drittens reicht seine Festigkeit nicht aus, um den Belastungen standzuhalten, denen die Gelenke ausgesetzt sind. POM hat eine Zugfestigkeit von etwa 60–70 MPa, während reines PEEK zwischen 90 und 100 MPa liegt – und verstärkt 160 MPa überschreiten kann. Folglich fehlt POM der nötige Festigkeitsspielraum für die Belastungsszenarien von Robotergelenken.

Während sich POM für Zahnräder und Lager eignet, die unter niedrigen Lasten und Geschwindigkeiten bei Umgebungstemperaturen betrieben werden, liegen seine Leistungsgrenzen deutlich unter den Anforderungen für Gelenke humanoider Roboter, die unter hohen Lasten und hohen Temperaturen mit häufigen Hochgeschwindigkeitsbewegungen arbeiten.

IV. PC: Schlechte Korrosionsbeständigkeit, schlechte Verschleißfestigkeit und Anfälligkeit für Spannungsrisse

PC (Polycarbonat) ist für seine hohe Schlagfestigkeit und Transparenz bekannt und wird daher häufig für Gehäuse und Schutzkomponenten verwendet. Beispielsweise verwendet der Poppy-Roboter – entworfen von Ensta ParisTech und Flowers Lab in Frankreich – 3D-gedruckte PA-Teile, während PC häufig für Robotergehäuse und Sichtfenster in Betracht gezogen wird.

Es gibt jedoch drei Hindernisse für den Einsatz von PCs in kritischen Roboterkomponenten.

Erstens schlechte chemische Korrosionsbeständigkeit. PC löst sich auf oder bildet Spannungsrisse, wenn es vielen organischen Lösungsmitteln (wie Aceton oder Toluol) ausgesetzt wird. In Fabrikumgebungen sind Chemikalien wie Schneidflüssigkeiten, Schmierstoffe und Reinigungsmittel allgegenwärtig. PC-Komponenten sind in solchen Umgebungen anfällig für Risse und Ausfälle.

Zweitens unzureichende Verschleißfestigkeit. PC hat eine geringe Oberflächenhärte und einen hohen Reibungskoeffizienten und ist daher für reibungsanfällige Komponenten wie Zahnräder und Lager ungeeignet. Bei Verbindungsbaugruppen ist die Verschleißrate von PC deutlich höher als die von PEEK.

Drittens Spannungsrissbildung. PC ist nach dem Spritzgießen anfällig für innere Eigenspannungen, die zu Spannungsrissen führen können, wenn es chemischen Umgebungen oder anhaltenden Belastungen ausgesetzt wird. Diese Art der Rissbildung tritt oft verzögert auf und kann möglicherweise plötzlich nach Monaten oder sogar Jahren im Betrieb auftreten. Für Robotergelenke, die langfristig zuverlässig funktionieren müssen, stellt dies ein unkontrollierbares Risiko dar.

Während sich PC für reibungsfreie Komponenten wie Robotergehäuse und transparente Sichtfenster eignet, ist es für den Einsatz in Gelenkübertragungssystemen nicht geeignet.

V. Vergleich in fünf Dimensionen: Warum PEEK der einzige Allrounder ist

Beim Vergleich der fünf Materialien in einer einzigen Tabelle werden die Unterschiede sofort deutlich.

Wie in dieser Tabelle gezeigt:

· PA66 weist hinsichtlich der Wasseraufnahme und Temperaturbeständigkeit erhebliche Defizite auf und ist daher für Präzisionsverbindungsteile ungeeignet.

· PPS mangelt es an Zähigkeit und selbstschmierenden Eigenschaften, wodurch ein hohes Risiko für Sprödbrüche besteht.

· POM hat eine schlechte Temperaturbeständigkeit (bei hohen Temperaturen setzt es Formaldehyd frei) und eine unzureichende Festigkeit.

· PC weist eine schlechte Chemikalien- und Verschleißbeständigkeit auf und birgt ein unkontrollierbares Risiko von Spannungsrissen.

· PEEK ist das einzige Material, das in allen sechs Dimensionen gleichzeitig eine hohe Leistung erzielt: Temperaturbeständigkeit, Festigkeit, Wasseraufnahme, Selbstschmierung, Korrosionsbeständigkeit und Flammschutz.

Stellen Sie sich ein reales Szenario vor: Im Dauerbetrieb kann die lokale Temperatur eines Robotergelenks 120–150 °C erreichen. Bei diesen Temperaturen nähert sich PA66 seiner Einsatzgrenze und erleidet einen deutlichen Rückgang der mechanischen Eigenschaften; POM nähert sich seiner Zersetzungstemperatur und birgt die Gefahr der Formaldehydfreisetzung; Und obwohl PC eine Glasübergangstemperatur (Tg) von 145 °C hat, neigt es bei längerem Gebrauch über 120 °C zum Kriechen. PPS hält der Hitze stand, seine inhärente Sprödigkeit schränkt jedoch seine Zuverlässigkeit bei Stoßbelastungen ein. Nur PEEK behält seine mechanischen Eigenschaften praktisch ohne Verschlechterung bei 150 °C oder höher und gewährleistet so einen stabilen Langzeitbetrieb.

PEEK gewinnt nicht nur mit knappem Vorsprung in einer einzigen Kategorie; vielmehr erfüllt oder übertrifft es die Schwellenanforderungen für Robotergelenkanwendungen in allen kritischen Leistungsdimensionen. Gerade deshalb ist es unersetzlich.

VI. Abschluss

PA66 ist kostengünstig, seine Neigung zur Feuchtigkeitsaufnahme und seine begrenzte Hitzebeständigkeit sind jedoch erhebliche Nachteile. PPS bietet eine hervorragende Hitzebeständigkeit, ist jedoch spröde. POM ist selbstschmierend, zersetzt sich jedoch bei hohen Temperaturen. PC ist transparent, weist jedoch keine Korrosionsbeständigkeit auf. Jeder technische Kunststoff hat seine eigene „Komfortzone“, doch die Betriebsbedingungen für Gelenke humanoider Roboter – hohe Temperaturen, schwere Lasten, Hochfrequenzbetrieb, korrosive Umgebungen und Präzisionspassungen – liegen außerhalb der Komfortzone eines einzelnen Materials.

PEEK ist zwar teuer, aber das einzige Material, das die Anforderungen in allen kritischen Dimensionen erfüllt. Die Logik hinter der Materialauswahl lautet nicht „was billiger ist“, sondern „was tatsächlich funktioniert“. Wenn ein Verbindungsbauteil dazu führt, dass sich die Zahnräder nach drei Monaten durch feuchtigkeitsbedingte Quellung verklemmen, durch thermischen Abbau Formaldehyd freisetzt oder durch Spannungsrisse versagt, dann ist „billig“ kein Schnäppchen mehr.

Humanoide Roboter sind auf dem Weg zur Massenproduktion. Wenn die Produktion von Hunderten Einheiten auf Zehntausende oder Hunderttausende ansteigt, verringert sich die Fehlertoleranz bei der Materialauswahl erheblich. Jedes in den Verbindungen verwendete Material muss den Belastungen im 24-Stunden-Dauerbetrieb standhalten.

Die Rolle von PEEK ist klar definiert: Es ist nicht für Gehäuse oder Zierleisten gedacht. Stattdessen wird es in kritischen Komponenten wie Gelenkgetrieben, Lagern, Getriebeteilen und Sensorgehäusen eingesetzt, bei denen ein Ausfall den Roboter unbeweglich machen würde.

Im Bereich der Materialwissenschaften gibt es kein „perfektes“ Material, sondern nur eines, das „geeignet“ ist. PEEK ist das Material, das sich am besten für die Einsatzbedingungen humanoider Robotergelenke eignet.