プラスチックベアリングにより軽量化と耐久性の向上

エンジニアのマーク・ドイルは、2012 年に外科医をサポートする外骨格の計画をまとめ始めたとき、外科医が長時間快適に着用できる軽量の製品を開発したいと考えていました。 Levitate Technologies (カリフォルニア州サンディエゴ) の Doyle 氏と彼のチームは、デバイスに含まれる製品を慎重に選択する必要がありました。これは、オンスが増えるとデバイスが不快で扱いにくくなる可能性があったためであり、生産に入る前に開発が終了してしまう可能性がありました。

「人間に金属製のフレームを装着して仕事をするよう求めるのは、簡単な仕事ではありません。」と Levitate のマーケティングおよび事業開発担当副社長の Joseph Zawaideh 氏は語ります。ユーザーの動きを快適に、作業スペースに干渉することなくサポートします。 すべてのネジやボルトに細心の注意を払う必要がありました。 私たちの考え方は、『必要ないなら追加しない』というものでした。」

Airframe™ は 2016 年に商業市場に導入されました。Airframe™ は外科医向けに機能していましたが、他の業界もすぐにその利用可能性を知り、大幅なビジネス成長の機会を見た Levitate はマーケティングの焦点を製造業の顧客に切り替えました。 バックパックと同様に設計された Airframe は、調節可能なフレームとストラップでほぼすべての体格に合わせて調整できます。 外骨格は、反復的な腕の動きや静止した腕の挙上にさらされる専門家や熟練した貿易労働者の上肢をサポートします。

ドイル氏と彼のエンジニア チームは、この用途にスチール製ブッシングを使用することもできたはずです。 代わりに、ドイツに本拠を置くイグス社が製造したエンジニアリングプラスチックベアリングを選択しました。 ロードアイランド州に施設を構える同社は、自己潤滑性、軽量、メンテナンスフリーのさまざまなエンジニアリング プラスチック製品を製造しています。 これらすべての特性、およびその他の特性が、『機体』の設計においてドイルにとって魅力的でした。 1 ユニットには 32 個のイグスのプラスチック ブッシングが含まれます。 「市場にはたくさんの外骨格が存在します」とザワイデ氏は語った。 「これは最も軽いものです。労働者が一日中着用できるほど軽いです。」

The Airframe の軽量化の鍵はブッシュにあります。 スチール製ベアリングは常にプラスチックよりもはるかに重く、その重量は 6 倍にもなります。 外骨格などの用途では、重量を最小限に抑えるためにエンジニアリング プラスチック ブッシングが不可欠であることが判明しました。

機体で最も広範囲に使用されているブッシングは、密度 1.46 g/cm3、PV 値 12,000、および 68° での引張強度 30,460 のイグライド G300 です。 一般的な用途には、中～高負荷、中程度の滑り速度、中程度の温度が含まれます。 「これは汎用ベアリングであり、摩耗、低摩擦、および合理的なコストをうまく組み合わせています」とドイル氏は言いました。

ドイルは、外骨格の高温に耐えるために、iglide® T500 および Z ブッシングを選択しました。 T500 ブッシングの密度は 1.44 g/cm3、耐熱温度は 482°、引張強度は 68°F で 24,660 です。 ブッシングは吸湿性が非常に低く、耐薬品性に​​も優れています。 Z ブッシュ (密度 1.40 g/cm3) は、高い動的荷重と耐摩耗性が必要な用途に使用されます。 ベアリングは最大 482°の温度に適しており、圧縮強度は 9,425 psi です。 Z シリーズの弾性率は 348,1000 です。

ドイルはまた、外骨格用に iglide® M250 ブッシングを選択しました。これには、特に製造に関連するいくつかの重要な品質があります。 各ユニットの重量はわずか 1.14/g/cm3 ですが、汚れを吸収して振動を減衰させることができるため、騒音が低減され、機体の寿命が長くなります。

機体の設計におけるプラスチック部品の使用は、プラスチック生産の増加傾向と一致しています。 2016 年、世界のプラスチック生産量は 3 億 3,500 万トンに達しました。 Grand View Research, Inc.の2015年の調査によると、世界のプラスチック市場は2020年までに約6,540億ドルに達すると予想されています。

軽量化は、スチールやその他の金属ではなくプラスチックコンポーネントへの傾向の主な推進力です。 自動車業界は、車両の重量を軽減するためにプラスチックのトレンドを長年受け入れてきました。 現在、多くのエンジニアやデザイナーは、主に軽量化と耐久性の向上を目的として、プロジェクトでプラスチックを使用する方法を模索しています。 現在、多くの建設プロジェクトでは、木材、鉄鋼、コンクリートの代わりにプラスチック製の建築コンポーネントが使用されています。 企業はまた、プラスチックを使用して、建物、橋、鉄道の構造コンポーネントを作成しています。

プラスチックは自動車製造において特に広く普及しています。 2014 年、北米の軽自動車には、車両 1 台あたり平均 430 ドルのプラスチック/ポリマー複合材が使用されました。

機体は、肩、首、背中上部から腰の外側にあるパッドを介して腕の重量を体幹に伝達し、筋肉と関節の緊張を軽減します。 このデバイスは上肢の負荷を分散することで、質の高いパフォーマンスを維持し、健康を保護し、全体的な作業環境を改善します。

このユニットは、あらゆる体格の人に柔軟かつ拡張可能で、簡単に着脱でき、器用さを制限したり作業スペースに侵入したりすることなく、着用者とシームレスに動きます。 機械的サポート システムは、アームを上げると徐々に作動し、アームを下げると徐々に解除して、動きの各点で適切なレベルのサポートを提供します。 機体は運動レベルを最大 80% 低下させます。

「The Airframeと現在市販されている他の外骨格の違いは、非常に軽量で非常に快適であることです」とドイル氏は語った。 「とても自然な動きになります。」 この機体は現在、航空宇宙および飛行機の組み立て、重機、造船、農業、製紙、化学産業の製造工場で使用されています。 アメリカ海軍でもメンテナンス作業にThe Airframeを使用しています。

テストにより、外骨格の有効性が確認されました。 溶接工や塗装工が The Airframe を着用した製造施設で 5 日間にわたって、生産性と品質が急上昇しました。 画家が The Airframe を装着したダイナミックな作業では、筋肉が疲労する前に描ける量が 53% 増加しました。 外骨格のおかげで被験者がタスクを実行する際に安定した手を維持できるようになり、品質も向上しました。 溶接機を評価する静的タスクのテストでは、生産性が 86% 向上し、品質が向上しました。 Levitate が提供した統計によると、溶接工は The Airframe を着用している間、はるかに長い期間にわたって溶接を成功させることができました。

この機体は労働者の健康維持にも役立つ可能性がある。 ある自動車メーカーの安全性と人間工学的リスク評価では、The Airframe が肉体的な作業ストレスを 20% 軽減したことがわかりました。 「この装置の利点は信じられないほどでした」とアイオワ州の産業用および農業用機器のメーカーであるフェルメール社の元環境衛生安全部長のテリー・バトラー氏は語った。 「このツールを使用したチーム メンバーは、喜んで使用しており、シフトの終わりまでに疲労を感じることなく、より長時間の作業活動ができるようになりました。」

この記事は、ロードアイランド州イーストプロビデンスのイグスのために Thomas Renner によって書かれました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Motion Design Magazine の 2018 年 6 月号に初めて掲載されました。

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