一種將纖維纏繞與0度纖維軸向纏繞相結合的制造方法為工業自動化設備開辟了新的設計選擇。

在制造業的大部分地區，公司通過尋找創新的方法來減少生產時間和成本，同時最大限度地提高生產吞吐量，從而應對日益加劇的市場壓力。這種日益增長的“速度需求”的一個新結果是，在制造過程中快速移動材料和未完成的產品。

此類應用與復合材料更常見的工業應用有所不同：支架、夾具、管道系統、托盤、儲罐和其他需要非高性能復合材料的耐腐蝕性和耐用性的制造設施部件。與這些相對靜止的應用相比，高性能復合材料應用需要輕質和振動阻尼的結合，以幫助制造商加速高速傳輸，處理吊桿、龍門架、軸、梁和其他運動部件的快速啟動和停止，所有這些都具有高度的穩定性、準確性和可重復性。

碳纖維/環氧樹脂復合材料的輕質和減振能力使其成為工業應用中運動部件的理想選擇。這里的復合材料T型吊桿支持金屬面板在制造生產線上的轉移。

捷克共和國的兩家公司對用高性能復合材料設計和生產長而快速移動的機器部件感興趣。第一家公司CompoTech（捷克共和國蘇希策）是一家提供全方位服務的復合材料設計和制造公司，專注于先進和混合纖維纏繞應用。該公司在其纖維纏繞系統中集成了一種纖維-長絲放置技術，該技術能夠軸向纏繞0度纖維，CompoTech的設計利用了該技術提供的額外軸向強度和剛度。

第二家公司是Bilsing Automation（德國Atternorn），該公司專注于為眾多行業提供創新的模塊化工具系統。Bilsing在開發由碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料制成的工業模具方面處于領先地位，該公司于2006年開始將其納入其模具系統。不巧的是，Bilsing的制造總部位于捷克共和國，靠近CompoTech的工廠。CompoTech供應Bilsing的所有CFRP零件，特別是碳纖維/環氧樹脂零件。

CompoTech Bilsing客戶經理Zdeněk Pošvá?指出：“我們與Bilsing關系密切。”。“我們了解其碳纖維工具的所有細節，并進行有限元分析，以確定最佳壁厚、扭轉和彎曲剛度、疊層和纏繞順序以及組件的最終尺寸。”CompoTech使用Ansys（美國賓夕法尼亞州卡農斯堡）有限元分析軟件。

這兩家公司創建的許多應用程序都涉及更換鋼和/或鋁機器部件。例如，2019年Bilsing工業客戶的碳纖維增強塑料項目需要一個機器人手臂來移動500公斤的有效載荷。這個有效載荷和現有的鋼/鋁工具加起來重達1000公斤，但來自KUKA Robotics Corp.（德國奧格斯堡）的最大機器人最多可以處理650公斤。全鋁替代品仍然太重，產生了700公斤的有效載荷/工具質量。“因此，除了碳纖維增強塑料，沒有其他解決方案可以奏效，”波什瓦日爾報道。CFRP工具將總質量減少到640公斤，使機器人應用成為可能。

最近的制造和設計進步提高了CFRP T型吊桿在關鍵功能特性方面的性能，其中振動、撓度和變形是最主要的。

ilsing Automation North America總經理Thomas Garant指出：“CFRP比金屬部件貴一點，但我們在客戶的幫助下證明，組裝一個成功的商業案例是合理的。CFRP還提供了一種更輕、更堅固的解決方案，也延長了自動化設備的壽命。CFRP部件的強度、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，即使不能提高產量，也能保持不變。”Pošvá?補充道：“在某些情況下，碳纖維增強塑料使客戶能夠購買更小的機器人或機器，從而節省了大量資金。”

CompoTech自2006年以來一直向Bilsing供應的一種碳纖維增強塑料部件是T型吊桿，這是一種具有方形輪廓的T型梁。T型吊桿是自動化設備的常見部件，歷史上由鋼和/或鋁制成。它用于將組件從一個制造工位轉移到另一個（例如，從壓力機轉移到沖床）。T型臂與T型桿上的機械相連，利用臂部移動材料或未完成的部件。最近的制造和設計進步提高了CFRP T型吊桿在關鍵功能特性方面的性能，其中振動、撓度和變形是最主要的。

盡量減少有問題的特征

振動是許多自動化制造機器的克星。它傾向于將制造質量和速度相互對立：等待振動消失可以提高機器精度，但會減緩生產周期。相反，更快的機器操作會損害機器的精度，而且往往會影響成品的質量?；蛘?，如果機器的組件可以減少振動，這使制造商能夠在保持（或提高）產品質量的同時提高機器速度。

這就是可以利用高性能復合材料來提高自動化制造設備性能的地方。減少運動機器部件的質量和/或增加其剛度會導致該部件的固有頻率更高，即操作振動導致部件共振并放大該振動的頻率。金屬部件的固有頻率可能接近機器的工作頻率，而由高性能復合材料制成的部件具有足夠高的固有頻率，不會與機器運動產生的振動共振。

T型吊桿設計。復合T型吊桿取代了鋼和/或鋁T型吊桿，后者是工業自動化系統中常用的傳輸部件。T的桿連接到機器人或其他傳送機械，臂支撐要傳送的負載。如圖所示的附件提供真空或其他機制來保持和釋放被轉移的零件

除了防止共振外，復合材料機器部件還可以抑制發生的振動。復合材料本身具有比金屬更好的阻尼性能。此外，CompoTech的設計將其他有效阻尼的材料（如橡膠）融入CFRP結構中。其結果是，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載下的偏轉，從而優化彎曲性能。與纖維纏繞纖維不同，軸向纖維不會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械特性。事實上，CompoTech估計，與傳統的纖維纏繞梁相比，其組合的纖維纏繞和軸向纖維放置技術在軸向方向上產生的梁的剛度提高了10%至15%，彎曲強度提高了50%。

減少工業機械中的振動、偏轉和變形有助于提高部件本身及其工作機械的性能。

幾何變形也會對T型吊桿和類似部件的性能產生負面影響，這些部件通常在環境溫度變化和機器產生的熱量導致的溫度波動較大的環境中運行。因此，機器部件的熱膨脹系數（CTE-coefficient of thermal expansion）變得至關重要：沿著這些部件的長度，熱膨脹/收縮引起的變形可能會嚴重到足以損害精度和穩定性。CompoTech的設計通過聚丙烯腈（PAN）和瀝青碳纖維的戰略組合來解釋CTE。該復合材料可以設計為制造軸向和/或徑向CTE為零的機器部件（例如主軸），使熱變形及其對生產的影響可以忽略不計。

CompoTech業務發展總監漢弗萊·卡特（Humphrey Carter）指出，減少工業機械中的振動、偏轉和變形有助于提高部件本身及其工作機械的性能。“例如，當轉移組件可以插入壓機中較小的開口時，這減少了在轉移前將其打開得更寬所需的時間和精力。”盡管每次轉移所減少的時間和能量可能很小，但當壓機每天生產數百個零件時，節省的時間和能源會迅速積累。

T型吊桿改進

與金屬T型吊桿相比，振動和撓度的減少代表了任何CFRP T型吊桿的優勢，但CompoTech的最新設計創新正在進一步提高振動和撓度性能。人們可以將CompoTech的創新方法描述為“為設計而制造”。Carter解釋說：“我們開發了根據設計標準定制的工藝技術，并可以將其提供給我們的技術合作伙伴以及復合材料設計師和生產商。”這種方法的第一個例子是CompoT ech在T型吊桿設計中加入了高模量瀝青纖維。T型吊桿中戰略性地放置了變槳纖維加強件，使CompoTech能夠提供優化的剛度。但是，需要對纖維放置和纏繞系統進行微調，以使用比PAN纖維更容易斷裂的瀝青纖維。CompoTech已經取得了必要的制造進步，使這種設計方案可行。

為了進一步減少振動，CompoTech T型吊桿設計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計過程中具有挑戰性的部分，”Pošvá?指出。目前的設計包括四層阻尼材料（每側一層），在纏繞過程中放置在碳層之間。

梁型材角件的設計是當前T型臂設計中最重要的升級。在舊的設計中，梁角結構中的圓柱形開口沿梁的長度延伸。在Bilsing固定附件的點處，將金屬棒放置在這些角結構內，為這些點提供粘合或螺栓連接所需的強度。這些附件可能還需要在梁的外側放置一塊金屬板（及其相應的重量損失），以在連接點提供足夠的強度。

新設計在拐角處采用了五邊形開口，再次貫穿梁的長度。這些角配置是通過纏繞在單獨的心軸上單獨生產的。然后將它們放置在主體工具中，并對方梁部分進行纖維放置和纏繞。一旦完成，方梁就會進入壓機。

新的角落設計。與之前的圓柱形角元件相比，五邊形角設計（在梁的末端可見）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型吊桿設計具有圓柱形角元件（此處以橫截面顯示）。

卡特在談到新設計時說：“正是拐角的功能和通過壓制實現的公差，才允許通過固定螺栓和支架進行高效連接，而無需進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：測試表明，與舊梁型材中的圓柱形元件相比，扭轉剛度提高了20%，長彎曲剛度提高85%，梁/緊固件總重量減少了8%。

新的五邊形角設計，如橫截面圖所示。

此外，一種創新的連接技術也推動了T型吊桿桿和臂的發展。為了達到與鋼焊縫相同的接頭強度，之前的設計會在接頭上層壓，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，然后通過上述角元件用鋼螺栓加固。

擴展工業應用

CompoTech根據Bilsing的需求（這反過來又由Bilsing的制造客戶決定）制造每個T型吊桿，從而產生一系列T型吊桿規格。T型吊桿的桿長通常為700毫米，而組成吊桿的橫梁延伸1.6至2米。壁厚根據應用需求而變化，但通常約為10毫米。纖維體積為50-60%。

卡特報道稱，CompoTech使用各種碳纖維供應商，其中大部分瀝青纖維來自日本石墨纖維公司（日本廣島）和三菱化學公司（日本東京）。GRM Systems（捷克共和國奧洛穆茨）為所有CompoTech T型吊桿提供環氧樹脂基材。

堅固的附件。新的五邊形角設計沿著梁的長度延伸，加上按壓在梁的形狀中實現的公差，比以前的設計更有效地處理附件。新設計幾乎不需要對附件進行表面處理或二次粘合。

Bilsing的碳纖維產品線是該公司業務中不斷增長的領域，輕質、剛性、低振動的組件也擴大了T型吊桿的運動范圍。最近的機器創新包括旋轉、搖擺和旋轉運動，使組件能夠沿著最有效的路徑在其他設備周圍移動。這些創新提高了碳纖維增強塑料T型吊桿的生產率水平，從而增強了碳纖維強化塑料作為工業機械材料在不斷擴大的應用范圍中的吸引力。

原文，《 Composite T-boom accelerates industrial automation 》 2020.4.15

楊超凡 2024.11.21