Jak aluminiowa elektryczna wózka inwalidzkiego zmniejsza wagę bez utraty wytrzymałości

W przypadku użytkowników elektrycznych wózków inwalidzkich każdy kilogram ma znaczenie. Ciężki wózek trudno jest łatwo przewozić, przechowywać i manewrować nim. Jednak redukcja masy nie może odbywać się kosztem bezpieczeństwa ani wytrzymałości – rama zgięta lub pęknięta pod wpływem obciążenia jest bezużyteczna. Aluminium pozwala rozwiązać ten dylemat w przypadku elektrycznych wózków inwalidzkich. W Ningbo Baichen Medical Devices Co., Ltd. wyprodukowaliśmy już tysiące elektrycznych wózków inwalidzkich wykonanych z aluminium przy użyciu nowoczesnych technologii inżynieryjnych. Poniżej przedstawiono cztery metody, dzięki którym aluminium pozwala zmniejszyć masę urządzenia, zachowując przy tym jego wytrzymałość.

Wysokowytrzymałowe stopy aluminium (nie czyste aluminium)

Powszechne błędne przekonanie głosi, że aluminium to materiał słaby. W rzeczywistości stop aluminium stosowany w przemyśle lotniczym charakteryzuje się bardzo dobrą wytrzymałością przy niskiej masie. Aluminium samo w sobie jest miękkie, jednak po stopieniu z magnezem, krzemem lub cynkiem powstają materiały, których wytrzymałość na jednostkę masy jest porównywalna z wytrzymałością stali.

Wózki elektryczne z aluminiowej konstrukcji, które produkujemy, wykonane są ze stopu poddanego obróbce cieplnej, o granicy plastyczności wynoszącej około 240–260 MPa – czyli około 60–70 % granicy plastyczności stali węglowej, przy jednoczesnej gęstości stanowiącej jedynie jedną trzecią gęstości stali. Oznacza to, że ramę aluminiową można zaprojektować tak, aby miała nieco grubsze ścianki lub większy średnicę rur, uzyskując tym samym sztywność porównywalną ze stalową, ale przy znacznie mniejszej masie. W procesie projektowania stosujemy analizę metodą elementów skończonych (FEA), aby zoptymalizować kształt rur i wykorzystać materiał wyłącznie tam, gdzie występują najwyższe naprężenia.

Zoptymalizowana geometria rur oraz wzmocnienia

Nie tylko materiał decyduje o wytrzymałości ramy wózka inwalidzkiego, ale także jej kształt. Poprawnie zaprojektowana rama aluminiowa zawiera rury o większej średnicy niż odpowiednia rama stalowa, co zwiększa moment bezwładności (opór na zginanie).

Aluminiowe wózki elektryczne są zaprojektowane z użyciem przeważających rur owalnych i prostokątnych, które rozprowadzają obciążenia na większe powierzchnie. W miejscach przekrojów rur (w tym w punkcie ramy oparcia i szyny siedziska) montujemy kute aluminiowe łącza (wzmocnienia), które eliminują szczytowe naprężenia. Większy średnica rur przy jednoczesnym zmniejszeniu ich grubości ścianki, połączona ze strategicznym wzmocnieniem, daje w efekcie konstrukcję o wysokiej sztywności przy obciążeniu użytkownika w zakresie 120–150 kg, bez dodatkowej masy charakterystycznej dla stali. Modelowanie komputerowe zapewnia, że nie dodajemy materiału tam, gdzie nie jest on potrzebny.

Spawanie robotyczne i obróbka cieplna

Strefa wpływu ciepła (HAZ) każdego spoiny aluminiowej stanowi jej najbardziej osłabione miejsce, a wytrzymałość stopu może tu spadać o 30–40%. Niewłaściwe spawanie czyni nawet najlepszy projekt niebezpiecznym.

Roboty w naszej fabryce wykorzystują spawanie robotyczne, przy którym dokładna kontrola ilości wprowadzanego ciepła i prędkości przesuwu pozwala ograniczyć strefę wpływu ciepła (HAZ). Po procesie spawania każda konstrukcja podlega obróbce cieplnej typu T6 (rozgrzewanie roztworu i sztuczne starzenie), dzięki czemu stop uzyskuje jednolitą wytrzymałość na całej swojej długości. Ta obróbka po spawaniu jest kluczowa – większość producentów produkujących konstrukcje niższej jakości pomija ten etap, co powoduje, że już po kilku miesiącach w miejscach spawów zaczynają pojawiać się pęknięcia. Dysponujemy 60 systemami obróbki konstrukcji, w tym specjalnymi piecami do obróbki cieplnej, umożliwiającymi osiągnięcie przez wszystkie aluminiowe wózki inwalidzkie zaprojektowanej wytrzymałości.

Strategiczne stosowanie elementów stalowych w punktach poddawanych dużym obciążeniom

Nie zawsze rozwiązaniem jest konstrukcja całkowicie aluminiowa. Najbardziej sprytne, lekkie konstrukcje to konstrukcje hybrydowe: aluminium stosowane jest w głównej części ramy, natomiast stal – w elementach narażonych na lokalne obciążenia lub zużycie.

Nasze elektryczne wózki inwalidzkie, wykonane z aluminium, zawierają stalowe uchwyty osi (poddawane wielokrotnemu montażowi i demontażowi kół), belki przeciwprzewracania (które nie powinny się wyginać) oraz niektóre punkty obrotu. Łączna masa tych stalowych elementów wynosi mniej niż 1–2 kg, ale znacznie wydłuża żywotność węzłów kluczowych konstrukcji. Pozostałe elementy ramy – boczne szyny, podpórki oparcia, uchwyty na podstawki do stóp – wykonane są z aluminium. To rozwiązanie kompozytowe zapewnia redukcję masy dzięki zastosowaniu aluminium oraz odporność mechaniczną stali tam, gdzie siła jest najbardziej potrzebna.

Podsumowanie

Cztery strategie inżynierskie – stosowanie stopów o wysokiej wytrzymałości, optymalna geometria rur z zastosowaniem wzmocnień (gussetów), spawanie robotyczne oraz obróbka cieplna typu T6 oraz umieszczenie stali w obszarach poddawanych najwyższemu obciążeniu – umożliwiają redukcję masy elektrycznych wózków inwalidzkich z aluminium bez utraty wytrzymałości. Produkt ten to lekki, ale wystarczająco wytrzymał wózek przeznaczony na lata codziennego użytku (zazwyczaj 20–25 kg).

Zintegrowaliśmy te metody w firmie Ningbo Baichen Medical Devices Co., Ltd., która zajmuje halę produkcyjną o powierzchni 20 000 m², dysponuje 60 maszynami do obróbki ram oraz 4 liniami montażowymi. Skontaktuj się z nami i poczuj siłę lekkiego aluminium.