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一種將纖維纏繞與0度纖維軸向纏繞相結(jié)合的制造方法為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)辟了新的設(shè)計(jì)選擇。
在制造業(yè)的大部分地區(qū)，公司通過(guò)尋找創(chuàng)新的方法來(lái)減少生產(chǎn)時(shí)間和成本，同時(shí)最大限度地提高生產(chǎn)吞吐量，從而應(yīng)對(duì)日益加劇的市場(chǎng)壓力。這種日益增長(zhǎng)的“速度需求”的一個(gè)新結(jié)果是，在制造過(guò)程中快速移動(dòng)材料和未完成的產(chǎn)品。
此類應(yīng)用與復(fù)合材料更常見(jiàn)的工業(yè)應(yīng)用有所不同：支架、夾具、管道系統(tǒng)、托盤(pán)、儲(chǔ)罐和其他需要非高性能復(fù)合材料的耐腐蝕性和耐用性的制造設(shè)施部件。與這些相對(duì)靜止的應(yīng)用相比，高性能復(fù)合材料應(yīng)用需要輕質(zhì)和振動(dòng)阻尼的結(jié)合，以幫助制造商加速高速傳輸，處理吊桿、龍門(mén)架、軸、梁和其他運(yùn)動(dòng)部件的快速啟動(dòng)和停止，所有這些都具有高度的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。
碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的輕質(zhì)和減振能力使其成為工業(yè)應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)部件的理想選擇。這里的復(fù)合材料T型吊桿支持金屬面板在制造生產(chǎn)線上的轉(zhuǎn)移。
捷克共和國(guó)的兩家公司對(duì)用高性能復(fù)合材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)長(zhǎng)而快速移動(dòng)的機(jī)器部件感興趣。第一家公司CompoTech（捷克共和國(guó)蘇希策）是一家提供全方位服務(wù)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造公司，專注于先進(jìn)和混合纖維纏繞應(yīng)用。該公司在其纖維纏繞系統(tǒng)中集成了一種纖維-長(zhǎng)絲放置技術(shù)，該技術(shù)能夠軸向纏繞0度纖維，CompoTech的設(shè)計(jì)利用了該技術(shù)提供的額外軸向強(qiáng)度和剛度。
第二家公司是Bilsing Automation（德國(guó)Atternorn），該公司專注于為眾多行業(yè)提供創(chuàng)新的模塊化工具系統(tǒng)。Bilsing在開(kāi)發(fā)由碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料制成的工業(yè)模具方面處于領(lǐng)先地位，該公司于2006年開(kāi)始將其納入其模具系統(tǒng)。不巧的是，Bilsing的制造總部位于捷克共和國(guó)，靠近CompoTech的工廠。CompoTech供應(yīng)Bilsing的所有CFRP零件，特別是碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂零件。
CompoTech Bilsing客戶經(jīng)理Zdeněk Pošvá?指出：“我們與Bilsing關(guān)系密切。”。“我們了解其碳纖維工具的所有細(xì)節(jié)，并進(jìn)行有限元分析，以確定最佳壁厚、扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度、疊層和纏繞順序以及組件的最終尺寸。”CompoTech使用Ansys（美國(guó)賓夕法尼亞州卡農(nóng)斯堡）有限元分析軟件。
這兩家公司創(chuàng)建的許多應(yīng)用程序都涉及更換鋼和/或鋁機(jī)器部件。例如，2019年Bilsing工業(yè)客戶的碳纖維增強(qiáng)塑料項(xiàng)目需要一個(gè)機(jī)器人手臂來(lái)移動(dòng)500公斤的有效載荷。這個(gè)有效載荷和現(xiàn)有的鋼/鋁工具加起來(lái)重達(dá)1000公斤，但來(lái)自KUKA Robotics Corp.（德國(guó)奧格斯堡）的最大機(jī)器人最多可以處理650公斤。全鋁替代品仍然太重，產(chǎn)生了700公斤的有效載荷/工具質(zhì)量。“因此，除了碳纖維增強(qiáng)塑料，沒(méi)有其他解決方案可以奏效，”波什瓦日爾報(bào)道。CFRP工具將總質(zhì)量減少到640公斤，使機(jī)器人應(yīng)用成為可能。
最近的制造和設(shè)計(jì)進(jìn)步提高了CFRP T型吊桿在關(guān)鍵功能特性方面的性能，其中振動(dòng)、撓度和變形是最主要的。
ilsing Automation North America總經(jīng)理Thomas Garant指出：“CFRP比金屬部件貴一點(diǎn)，但我們?cè)诳蛻舻膸椭伦C明，組裝一個(gè)成功的商業(yè)案例是合理的。CFRP還提供了一種更輕、更堅(jiān)固的解決方案，也延長(zhǎng)了自動(dòng)化設(shè)備的壽命。CFRP部件的強(qiáng)度、剛度和重量輕（硬度增加10%，重量減輕40%）使它們能夠承受更重的有效載荷，即使不能提高產(chǎn)量，也能保持不變。”Pošvá?補(bǔ)充道：“在某些情況下，碳纖維增強(qiáng)塑料使客戶能夠購(gòu)買(mǎi)更小的機(jī)器人或機(jī)器，從而節(jié)省了大量資金。”
CompoTech自2006年以來(lái)一直向Bilsing供應(yīng)的一種碳纖維增強(qiáng)塑料部件是T型吊桿，這是一種具有方形輪廓的T型梁。T型吊桿是自動(dòng)化設(shè)備的常見(jiàn)部件，歷史上由鋼和/或鋁制成。它用于將組件從一個(gè)制造工位轉(zhuǎn)移到另一個(gè)（例如，從壓力機(jī)轉(zhuǎn)移到?jīng)_床）。T型臂與T型桿上的機(jī)械相連，利用臂部移動(dòng)材料或未完成的部件。最近的制造和設(shè)計(jì)進(jìn)步提高了CFRP T型吊桿在關(guān)鍵功能特性方面的性能，其中振動(dòng)、撓度和變形是最主要的。
盡量減少有問(wèn)題的特征
振動(dòng)是許多自動(dòng)化制造機(jī)器的克星。它傾向于將制造質(zhì)量和速度相互對(duì)立：等待振動(dòng)消失可以提高機(jī)器精度，但會(huì)減緩生產(chǎn)周期。相反，更快的機(jī)器操作會(huì)損害機(jī)器的精度，而且往往會(huì)影響成品的質(zhì)量。或者，如果機(jī)器的組件可以減少振動(dòng)，這使制造商能夠在保持（或提高）產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高機(jī)器速度。
這就是可以利用高性能復(fù)合材料來(lái)提高自動(dòng)化制造設(shè)備性能的地方。減少運(yùn)動(dòng)機(jī)器部件的質(zhì)量和/或增加其剛度會(huì)導(dǎo)致該部件的固有頻率更高，即操作振動(dòng)導(dǎo)致部件共振并放大該振動(dòng)的頻率。金屬部件的固有頻率可能接近機(jī)器的工作頻率，而由高性能復(fù)合材料制成的部件具有足夠高的固有頻率，不會(huì)與機(jī)器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)共振。
T型吊桿設(shè)計(jì)。復(fù)合T型吊桿取代了鋼和/或鋁T型吊桿，后者是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的傳輸部件。T的桿連接到機(jī)器人或其他傳送機(jī)械，臂支撐要傳送的負(fù)載。如圖所示的附件提供真空或其他機(jī)制來(lái)保持和釋放被轉(zhuǎn)移的零件
除了防止共振外，復(fù)合材料機(jī)器部件還可以抑制發(fā)生的振動(dòng)。復(fù)合材料本身具有比金屬更好的阻尼性能。此外，CompoTech的設(shè)計(jì)將其他有效阻尼的材料（如橡膠）融入CFRP結(jié)構(gòu)中。其結(jié)果是，該零件的阻尼性能比鋼好12到20倍。
沿著縱向（0度）軸放置纖維有助于最大限度地減少組件在負(fù)載下的偏轉(zhuǎn)，從而優(yōu)化彎曲性能。與纖維纏繞纖維不同，軸向纖維不會(huì)圍繞組件的輪廓彎曲；因此，直的0度纖維為成品梁提供了最大的機(jī)械特性。事實(shí)上，CompoTech估計(jì)，與傳統(tǒng)的纖維纏繞梁相比，其組合的纖維纏繞和軸向纖維放置技術(shù)在軸向方向上產(chǎn)生的梁的剛度提高了10%至15%，彎曲強(qiáng)度提高了50%。
減少工業(yè)機(jī)械中的振動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和變形有助于提高部件本身及其工作機(jī)械的性能。
幾何變形也會(huì)對(duì)T型吊桿和類似部件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，這些部件通常在環(huán)境溫度變化和機(jī)器產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的溫度波動(dòng)較大的環(huán)境中運(yùn)行。因此，機(jī)器部件的熱膨脹系數(shù)（CTE-coefficient of thermal expansion）變得至關(guān)重要：沿著這些部件的長(zhǎng)度，熱膨脹/收縮引起的變形可能會(huì)嚴(yán)重到足以損害精度和穩(wěn)定性。CompoTech的設(shè)計(jì)通過(guò)聚丙烯腈（PAN）和瀝青碳纖維的戰(zhàn)略組合來(lái)解釋CTE。該復(fù)合材料可以設(shè)計(jì)為制造軸向和/或徑向CTE為零的機(jī)器部件（例如主軸），使熱變形及其對(duì)生產(chǎn)的影響可以忽略不計(jì)。
CompoTech業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)漢弗萊·卡特（Humphrey Carter）指出，減少工業(yè)機(jī)械中的振動(dòng)、偏轉(zhuǎn)和變形有助于提高部件本身及其工作機(jī)械的性能。“例如，當(dāng)轉(zhuǎn)移組件可以插入壓機(jī)中較小的開(kāi)口時(shí)，這減少了在轉(zhuǎn)移前將其打開(kāi)得更寬所需的時(shí)間和精力。”盡管每次轉(zhuǎn)移所減少的時(shí)間和能量可能很小，但當(dāng)壓機(jī)每天生產(chǎn)數(shù)百個(gè)零件時(shí)，節(jié)省的時(shí)間和能源會(huì)迅速積累。
T型吊桿改進(jìn)
與金屬T型吊桿相比，振動(dòng)和撓度的減少代表了任何CFRP T型吊桿的優(yōu)勢(shì)，但CompoTech的最新設(shè)計(jì)創(chuàng)新正在進(jìn)一步提高振動(dòng)和撓度性能。人們可以將CompoTech的創(chuàng)新方法描述為“為設(shè)計(jì)而制造”。Carter解釋說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)了根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)定制的工藝技術(shù)，并可以將其提供給我們的技術(shù)合作伙伴以及復(fù)合材料設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)商。”這種方法的第一個(gè)例子是CompoT ech在T型吊桿設(shè)計(jì)中加入了高模量瀝青纖維。T型吊桿中戰(zhàn)略性地放置了變槳纖維加強(qiáng)件，使CompoTech能夠提供優(yōu)化的剛度。但是，需要對(duì)纖維放置和纏繞系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，以使用比PAN纖維更容易斷裂的瀝青纖維。CompoTech已經(jīng)取得了必要的制造進(jìn)步，使這種設(shè)計(jì)方案可行。
為了進(jìn)一步減少振動(dòng)，CompoTech T型吊桿設(shè)計(jì)還包括由軟木和橡膠的專有組合組成的阻尼材料。“阻尼材料的定位是型材設(shè)計(jì)過(guò)程中具有挑戰(zhàn)性的部分，”Pošvá?指出。目前的設(shè)計(jì)包括四層阻尼材料（每側(cè)一層），在纏繞過(guò)程中放置在碳層之間。
梁型材角件的設(shè)計(jì)是當(dāng)前T型臂設(shè)計(jì)中最重要的升級(jí)。在舊的設(shè)計(jì)中，梁角結(jié)構(gòu)中的圓柱形開(kāi)口沿梁的長(zhǎng)度延伸。在Bilsing固定附件的點(diǎn)處，將金屬棒放置在這些角結(jié)構(gòu)內(nèi)，為這些點(diǎn)提供粘合或螺栓連接所需的強(qiáng)度。這些附件可能還需要在梁的外側(cè)放置一塊金屬板（及其相應(yīng)的重量損失），以在連接點(diǎn)提供足夠的強(qiáng)度。
新設(shè)計(jì)在拐角處采用了五邊形開(kāi)口，再次貫穿梁的長(zhǎng)度。這些角配置是通過(guò)纏繞在單獨(dú)的心軸上單獨(dú)生產(chǎn)的。然后將它們放置在主體工具中，并對(duì)方梁部分進(jìn)行纖維放置和纏繞。一旦完成，方梁就會(huì)進(jìn)入壓機(jī)。
新的角落設(shè)計(jì)。與之前的圓柱形角元件相比，五邊形角設(shè)計(jì)（在梁的末端可見(jiàn)）減輕了梁的重量，增加了梁的剛度，這兩者都提高了梁的性能
以前的T型吊桿設(shè)計(jì)具有圓柱形角元件（此處以橫截面顯示）。
卡特在談到新設(shè)計(jì)時(shí)說(shuō)：“正是拐角的功能和通過(guò)壓制實(shí)現(xiàn)的公差，才允許通過(guò)固定螺栓和支架進(jìn)行高效連接，而無(wú)需進(jìn)行大量的表面處理或二次粘合。”。新的五邊形角已被證明是有益的：測(cè)試表明，與舊梁型材中的圓柱形元件相比，扭轉(zhuǎn)剛度提高了20%，長(zhǎng)彎曲剛度提高85%，梁/緊固件總重量減少了8%。
新的五邊形角設(shè)計(jì)，如橫截面圖所示。
此外，一種創(chuàng)新的連接技術(shù)也推動(dòng)了T型吊桿桿和臂的發(fā)展。為了達(dá)到與鋼焊縫相同的接頭強(qiáng)度，之前的設(shè)計(jì)會(huì)在接頭上層壓，這增加了制造步驟并增加了成本。Bilsing CompoTech方法首先用粘合劑連接元件，然后通過(guò)上述角元件用鋼螺栓加固。
擴(kuò)展工業(yè)應(yīng)用
CompoTech根據(jù)Bilsing的需求（這反過(guò)來(lái)又由Bilsing的制造客戶決定）制造每個(gè)T型吊桿，從而產(chǎn)生一系列T型吊桿規(guī)格。T型吊桿的桿長(zhǎng)通常為700毫米，而組成吊桿的橫梁延伸1.6至2米。壁厚根據(jù)應(yīng)用需求而變化，但通常約為10毫米。纖維體積為50-60%。
卡特報(bào)道稱，CompoTech使用各種碳纖維供應(yīng)商，其中大部分瀝青纖維來(lái)自日本石墨纖維公司（日本廣島）和三菱化學(xué)公司（日本東京）。GRM Systems（捷克共和國(guó)奧洛穆茨）為所有CompoTech T型吊桿提供環(huán)氧樹(shù)脂基材。
堅(jiān)固的附件。新的五邊形角設(shè)計(jì)沿著梁的長(zhǎng)度延伸，加上按壓在梁的形狀中實(shí)現(xiàn)的公差，比以前的設(shè)計(jì)更有效地處理附件。新設(shè)計(jì)幾乎不需要對(duì)附件進(jìn)行表面處理或二次粘合。
Bilsing的碳纖維產(chǎn)品線是該公司業(yè)務(wù)中不斷增長(zhǎng)的領(lǐng)域，輕質(zhì)、剛性、低振動(dòng)的組件也擴(kuò)大了T型吊桿的運(yùn)動(dòng)范圍。最近的機(jī)器創(chuàng)新包括旋轉(zhuǎn)、搖擺和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使組件能夠沿著最有效的路徑在其他設(shè)備周?chē)苿?dòng)。這些創(chuàng)新提高了碳纖維增強(qiáng)塑料T型吊桿的生產(chǎn)率水平，從而增強(qiáng)了碳纖維強(qiáng)化塑料作為工業(yè)機(jī)械材料在不斷擴(kuò)大的應(yīng)用范圍中的吸引力。
原文，《 Composite T-boom accelerates industrial automation 》 2020.4.15
楊超凡 2024.11.21