【原创资讯】CFRP材质T型动臂助力工业自动化
在整个制造业的世界中，公司为了应对日益加剧的市场压力，正在不断寻找创新的方法以减少生产时间和成本，同时最大程度提高产量。而这种日益增长的“对速度的需求”的结果是，高性能复合材料工业组件正在进入工厂车间，以在制造过程中快速移动材料和未完成的产品。
此类应用代表了复合材料更常见的工业应用的变化：支架、固定装置、风管系统、货盘、储罐和其他制造设施部件，这些部件需要复合材料的耐腐蚀性和耐用性，但是力学性能要求不高。与这些应用相反，力学性能优异的高性能复合材料应用在轻量化和振动阻尼相结合领域，来帮助制造商实现高速传输，比如动臂、龙门、轴、横梁和其他移动组件的快速启动和停止，而所有这些结构件都必须具有高度的稳定性、准确性和可重复性。
正是出于对设计和生产高性能复合材料材质快速移动机器部件的兴趣，使得两家捷克公司聚集在一起。第一家CompoTech（位于捷克）是一家提供全面服务的复合材料设计和制造公司，致力于先进和混合长丝缠绕应用。该公司通过将纤维长丝放置技术集成到其长丝缠绕系统中，可以实现轴向缠绕0度纤维，而利用该技术在设计时可以获得更高的轴向强度和刚度。
第二家公司是Bilsing Automation（位于德国），该公司致力于为客户提供创新的模块化工具系统。Bilsing在开发由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的工业模具方面一直处于领先地位，并于2006年开始并入其模具系统。Bilsing总部位于捷克，靠近CompoTech工厂。CompoTech为Bilsing提供所有CFRP零件-特别是碳纤维/环氧树脂零件。
CompoTech负责对接Bilsing的客户经理Zdeněk Pošvář说：“我们与Bilsing有着紧密的关系。我们知道他们碳纤维工具的所有细节，如通过采用FEA（有限元分析）来确定最佳壁厚、扭转和弯曲刚度、叠层和卷绕顺序以及最终的零件尺寸。”
两家公司许多应用程序均是涉及替代金属钢或铝部件，例如，2019年Bilsing工业客户需要一个机械臂移动500公斤有效载荷的项目，该负载加上现有的钢/铝工具重达1,000公斤，但机器人最大处理650公斤，全铝替代品仍然太重，产生700公斤的有效负载/工具质量。因此，除了CFRP之外，没有其他解决方案，最后CFRP工具将总重量减少到640公斤，从而使机器人的应用变得可行。
Bilsing Automation北美公司总经理Thomas Garant指出：“ CFRP比金属组件贵一点，但我们已经在客户的协助下证明，组装成功的业务案例是合理的。CFRP还能提供重量更轻、功能更强大的解决方案，并可延长自动化设备的使用寿命。CFRP组件的强度、刚度和重量轻，使它们能够吸收更重的有效载荷，并保持产量。”Pošvář补充说：“在某些情况下，CFRP可使客户购买较小的机器人或机器，从而节省了大量资金。”
自2006年以来，CompoTech就一直向Bilsing供应CFRP组件之一，即T型吊杆。T型动臂是自动化设备的常见组件，过去一直由钢或铝制成。它用于将零件从一个制造步骤转移到另一制造步骤（如从压力机转移到冲压机）。T型动臂与T型杆的机械相连，并使用臂来移动物料或未完成的零件。
振 动
振动是许多自动化装置的一大难题，它往往会使制造质量和速度相互抵触：当振动消失时，可以提高机器精度，但会减慢生产周期；相反，较快的机器操作会损害机器的准确性，并且常常会影响成品的质量。
在这种情况下，可以利用高性能复合材料来改善自动化装备的性能。通过减小运动的机器部件的质量，或者增加其强度会使该部件的固有频率提高。金属零部件的固有频率可能接近机器的工作频率，而由高性能复合材料制成的零部件具有足够高的固有频率，因此不会与机器运动产生共振。
阻 尼
除了防止共振之外，复合材料机械部件还可以有效实现振动阻尼。复合材料本身比金属具有更好的阻尼性能。而且CompoTech通过设计可将其他有效阻尼的材料（例如橡胶）结合到CFRP结构中，其结果是该零件的阻尼性能比钢提供的阻尼好12至20倍。
强 度
为了最大程度地减小零部件在载荷下的挠度，将纤维沿纵向（0度）轴放置会有助于弯曲性能的优化。与长丝缠绕的纤维不同，轴向纤维不会围绕组件的轮廓弯曲。垂直0度纤维同时可提供了最大的机械特性。实际上，据CompoTech估计，与传统的长丝缠绕梁相比，其长丝缠绕和轴向纤维铺放技术相结合可使梁在轴向上的强度提高10％至15％，弯曲强度提高50％。
热 膨 胀
几何变形会对T型臂和类似组件的性能产生不利影响，而T型臂和相关组件通常在环境温度变化较大环境中运行，而有时机器产生的热量会导致运行环境存在较大温度波动。因此，机器组件的热膨胀系数（CTE）变得至关重要：沿着组件长度方向因热膨胀/收缩引起的变形可能会严重影响加工的精度和稳定性。
CompoTech设计通过混合使用PAN基碳纤维和沥青基碳纤维，可以将复合材料设计成轴向或径向CTE为零的机器部件（例如主轴），从而使热变形对设备生产带来的影响可以忽略不计。
与金属T型喷嘴相比，减震和降低挠曲是CFRP材质 T型动臂的优势，目前Compo Tech正在通过进一步的设计创新来提高振动和挠曲性能。而这种方法的首例之一是CompoTech在T型吊杆设计中加入了高模量沥青基碳纤维，通过在T型动臂中策略性地放置沥青碳纤维增强材料，可为结构件提供最佳的刚度。但是，与沥青碳纤维一起使用时，需要对纤维铺放和缠绕系统进行微调，因为这种纤维比PAN基碳纤维更容易断裂。
为了进一步减少振动，CompoTech在T型动臂设计时还添加了一种阻尼材料，该材料由软木和橡胶的专有组合组成。“减震材料的位置是型材设计过程中的挑战性部分，”Pošvář指出。当前的设计包括四层阻尼材料，在缠绕过程中放置在碳层之间。
光束轮廓角件的设计是当前T型臂设计中最重大的升级。在早期的设计中，横梁角结构中的圆柱形开口沿横梁的长度延伸。在这些拐角结构内部的Bilsing固定连接点处放置一根金属杆，以提供在这些位置进行粘合或螺栓连接所需的强度。这些附件还可能需要将一块金属板放置在梁的外侧，以在附件处提供足够的强度。
与以前的圆柱角单元相比，五边形角设计（在梁的末端）减轻了重量、增加了梁的刚度，这两者都改善了梁的性能
而在新设计中，在角落处有五边形的开口，再次延伸了长度。这些拐角构造是通过缠绕在单独的心轴上而单独产生的。然后将它们放置在主体工具中，并执行方梁部分的纤维放置和缠绕。
新的五边形转角设计沿横梁的长度延伸，加上压制在横梁形状中达到的公差，比以前的设计更有效地处理附件，而新设计需要很少的表面处理或二次粘合。
新的五边形转角已被证明是有益的：与旧的梁轮廓中的圆柱体相比，测试表明扭转刚度提高了20％，长弯曲刚度提高了85％，梁/紧固件的总重量减少了8％。
先进的连接技术还可以使T型动臂的杆和臂连接起来。为了获得与钢焊缝相同的接头强度，以前的设计会在接头上层压，这会增加制造步骤并增加成本。Bilsing-CompoTech方法首先通过粘合剂将元件连接起来，然后通过钢螺栓通过上述角元件对其进行加固。
CompoTech根据Bilsing的需求来设计每个T型动臂，从而产生了一系列的T型动臂规格。T型动臂杆通常长700毫米，而组成臂的梁则延伸1.6至2米。壁厚随应用需求而变化，但通常约为10毫米，纤维体积为50-60％。Carter报告说，CompoTech使用了各种各样的碳纤维供应商，其中大多数沥青基碳纤维来自日本石墨纤维公司和三菱化学公司。而GRM Systems为所有CompoTech T型喷嘴提供环氧树脂。
Bilsing碳纤维产品线作为该公司部门之一，其业务正在逐渐增长，而轻巧、坚固、低振动的组件也正在扩大T型构件可行的运动范围。公司最近的机器创新性的结合了旋转、摇摆和旋转运动，使零件的转移可以沿着最有效的路径围绕其他设备进行操纵。该创新技术增加了CFRP T型喷嘴生产率水平，并进一步增加了CFRP作为工业机械材料的吸引力。
（来源：composites world 本公众号编译）