复材T型吊杆

在制造业的大部分地区，公司通过寻找创新的方法来减少生产时间和成本，同时最大限度地提高生产吞吐量，从而应对日益加剧的市场压力。这种日益增长的“速度需求”的一个新结果是，在制造过程中快速移动材料和未完成的产品。

此类应用与复合材料更常见的工业应用有所不同：支架、夹具、管道系统、托盘、储罐和其他需要非高性能复合材料的耐腐蚀性和耐用性的制造设施部件。与这些相对静止的应用相比，高性能复合材料应用需要轻质和振动阻尼的结合，以帮助制造商加速高速传输，处理吊杆、龙门架、轴、梁和其他运动部件的快速启动和停止，所有这些都具有高度的稳定性、准确性和可重复性。

碳纤维/环氧树脂复合材料的轻质和减振能力使其成为工业应用中运动部件的理想选择。这里的复合材料T型吊杆支持金属面板在制造生产线上的转移。

捷克共和国的两家公司对用高性能复合材料设计和生产长而快速移动的机器部件感兴趣。第一家公司CompoTech（捷克共和国苏希策）是一家提供全方位服务的复合材料设计和制造公司，专注于先进和混合纤维缠绕应用。该公司在其纤维缠绕系统中集成了一种纤维-长丝放置技术，该技术能够轴向缠绕0度纤维，CompoTech的设计利用了该技术提供的额外轴向强度和刚度。

第二家公司是Bilsing Automation（德国Atternorn），该公司专注于为众多行业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）复合材料制成的工业模具方面处于领先地位，该公司于2006年开始将其纳入其模具系统。不巧的是，Bilsing的制造总部位于捷克共和国，靠近CompoTech的工厂。CompoTech供应Bilsing的所有CFRP零件，特别是碳纤维/环氧树脂零件。

CompoTech Bilsing客户经理Zdeněk Pošvář指出：“我们与Bilsing关系密切。”。“我们了解其碳纤维工具的所有细节，并进行有限元分析，以确定最佳壁厚、扭转和弯曲刚度、叠层和缠绕顺序以及组件的最终尺寸。”CompoTech使用Ansys（美国宾夕法尼亚州卡农斯堡）有限元分析软件。

这两家公司创建的许多应用程序都涉及更换钢和/或铝机器部件。例如，2019年Bilsing工业客户的碳纤维增强塑料项目需要一个机器人手臂来移动500公斤的有效载荷。这个有效载荷和现有的钢/铝工具加起来重达1000公斤，但来自KUKA Robotics Corp.（德国奥格斯堡）的最大机器人最多可以处理650公斤。全铝替代品仍然太重，产生了700公斤的有效载荷/工具质量。“因此，除了碳纤维增强塑料，没有其他解决方案可以奏效，”波什瓦日尔报道。CFRP工具将总质量减少到640公斤，使机器人应用成为可能。

最近的制造和设计进步提高了CFRP T型吊杆在关键功能特性方面的性能，其中振动、挠度和变形是最主要的。

ilsing Automation North America总经理Thomas Garant指出：“CFRP比金属部件贵一点，但我们在客户的帮助下证明，组装一个成功的商业案例是合理的。CFRP还提供了一种更轻、更坚固的解决方案，也延长了自动化设备的寿命。CFRP部件的强度、刚度和重量轻（硬度增加10%，重量减轻40%）使它们能够承受更重的有效载荷，即使不能提高产量，也能保持不变。”Pošvář补充道：“在某些情况下，碳纤维增强塑料使客户能够购买更小的机器人或机器，从而节省了大量资金。”

CompoTech自2006年以来一直向Bilsing供应的一种碳纤维增强塑料部件是T型吊杆，这是一种具有方形轮廓的T型梁。T型吊杆是自动化设备的常见部件，历史上由钢和/或铝制成。它用于将组件从一个制造工位转移到另一个（例如，从压力机转移到冲床）。T型臂与T型杆上的机械相连，利用臂部移动材料或未完成的部件。最近的制造和设计进步提高了CFRP T型吊杆在关键功能特性方面的性能，其中振动、挠度和变形是最主要的。

振动是许多自动化制造机器的克星。它倾向于将制造质量和速度相互对立：等待振动消失可以提高机器精度，但会减缓生产周期。相反，更快的机器操作会损害机器的精度，而且往往会影响成品的质量。或者，如果机器的组件可以减少振动，这使制造商能够在保持（或提高）产品质量的同时提高机器速度。

这就是可以利用高性能复合材料来提高自动化制造设备性能的地方。减少运动机器部件的质量和/或增加其刚度会导致该部件的固有频率更高，即操作振动导致部件共振并放大该振动的频率。金属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部件具有足够高的固有频率，不会与机器运动产生的振动共振。

T型吊杆设计。复合T型吊杆取代了钢和/或铝T型吊杆，后者是工业自动化系统中常用的传输部件。T的杆连接到机器人或其他传送机械，臂支撑要传送的负载。如图所示的附件提供真空或其他机制来保持和释放被转移的零件。

除了防止共振外，复合材料机器部件还可以抑制发生的振动。复合材料本身具有比金属更好的阻尼性能。此外，CompoTech的设计将其他有效阻尼的材料（如橡胶）融入CFRP结构中。其结果是，该零件的阻尼性能比钢好12到20倍。

沿着纵向（0度）轴放置纤维有助于最大限度地减少组件在负载下的偏转，从而优化弯曲性能。与纤维缠绕纤维不同，轴向纤维不会围绕组件的轮廓弯曲；因此，直的0度纤维为成品梁提供了最大的机械特性。事实上，CompoTech估计，与传统的纤维缠绕梁相比，其组合的纤维缠绕和轴向纤维放置技术在轴向方向上产生的梁的刚度提高了10%至15%，弯曲强度提高了50%。

减少工业机械中的振动、偏转和变形有助于提高部件本身及其工作机械的性能。

几何变形也会对T型吊杆和类似部件的性能产生负面影响，这些部件通常在环境温度变化和机器产生的热量导致的温度波动较大的环境中运行。因此，机器部件的热膨胀系数（CTE-coefficient of thermal expansion）变得至关重要：沿着这些部件的长度，热膨胀/收缩引起的变形可能会严重到足以损害精度和稳定性。CompoTech的设计通过聚丙烯腈（PAN）和沥青碳纤维的战略组合来解释CTE。该复合材料可以设计为制造轴向和/或径向CTE为零的机器部件（例如主轴），使热变形及其对生产的影响可以忽略不计。

CompoTech业务发展总监汉弗莱·卡特（Humphrey Carter）指出，减少工业机械中的振动、偏转和变形有助于提高部件本身及其工作机械的性能。“例如，当转移组件可以插入压机中较小的开口时，这减少了在转移前将其打开得更宽所需的时间和精力。”尽管每次转移所减少的时间和能量可能很小，但当压机每天生产数百个零件时，节省的时间和能源会迅速积累。

与金属T型吊杆相比，振动和挠度的减少代表了任何CFRP T型吊杆的优势，但CompoTech的最新设计创新正在进一步提高振动和挠度性能。人们可以将CompoTech的创新方法描述为“为设计而制造”。Carter解释说：“我们开发了根据设计标准定制的工艺技术，并可以将其提供给我们的技术合作伙伴以及复合材料设计师和生产商。”这种方法的第一个例子是CompoT ech在T型吊杆设计中加入了高模量沥青纤维。T型吊杆中战略性地放置了变桨纤维加强件，使CompoTech能够提供优化的刚度。但是，需要对纤维放置和缠绕系统进行微调，以使用比PAN纤维更容易断裂的沥青纤维。CompoTech已经取得了必要的制造进步，使这种设计方案可行。

为了进一步减少振动，CompoTech T型吊杆设计还包括由软木和橡胶的专有组合组成的阻尼材料。“阻尼材料的定位是型材设计过程中具有挑战性的部分，”Pošvář指出。目前的设计包括四层阻尼材料（每侧一层），在缠绕过程中放置在碳层之间。

梁型材角件的设计是当前T型臂设计中最重要的升级。在旧的设计中，梁角结构中的圆柱形开口沿梁的长度延伸。在Bilsing固定附件的点处，将金属棒放置在这些角结构内，为这些点提供粘合或螺栓连接所需的强度。这些附件可能还需要在梁的外侧放置一块金属板（及其相应的重量损失），以在连接点提供足够的强度。

新设计在拐角处采用了五边形开口，再次贯穿梁的长度。这些角配置是通过缠绕在单独的心轴上单独生产的。然后将它们放置在主体工具中，并对方梁部分进行纤维放置和缠绕。一旦完成，方梁就会进入压机。

新的角落设计。与之前的圆柱形角元件相比，五边形角设计（在梁的末端可见）减轻了梁的重量，增加了梁的刚度，这两者都提高了梁的性能

以前的T型吊杆设计具有圆柱形角元件（此处以横截面显示）。

卡特在谈到新设计时说：“正是拐角的功能和通过压制实现的公差，才允许通过固定螺栓和支架进行高效连接，而无需进行大量的表面处理或二次粘合。”。新的五边形角已被证明是有益的：测试表明，与旧梁型材中的圆柱形元件相比，扭转刚度提高了20%，长弯曲刚度提高85%，梁/紧固件总重量减少了8%。

新的五边形角设计，如横截面图所示。

此外，一种创新的连接技术也推动了T型吊杆杆和臂的发展。为了达到与钢焊缝相同的接头强度，之前的设计会在接头上层压，这增加了制造步骤并增加了成本。Bilsing CompoTech方法首先用粘合剂连接元件，然后通过上述角元件用钢螺栓加固。

CompoTech根据Bilsing的需求（这反过来又由Bilsing的制造客户决定）制造每个T型吊杆，从而产生一系列T型吊杆规格。T型吊杆的杆长通常为700毫米，而组成吊杆的横梁延伸1.6至2米。壁厚根据应用需求而变化，但通常约为10毫米。纤维体积为50-60%。

卡特报道称，CompoTech使用各种碳纤维供应商，其中大部分沥青纤维来自日本石墨纤维公司（日本广岛）和三菱化学公司（日本东京）。GRM Systems（捷克共和国奥洛穆茨）为所有CompoTech T型吊杆提供环氧树脂基材。

坚固的附件。新的五边形角设计沿着梁的长度延伸，加上按压在梁的形状中实现的公差，比以前的设计更有效地处理附件。新设计几乎不需要对附件进行表面处理或二次粘合。

Bilsing的碳纤维产品线是该公司业务中不断增长的领域，轻质、刚性、低振动的组件也扩大了T型吊杆的运动范围。最近的机器创新包括旋转、摇摆和旋转运动，使组件能够沿着最有效的路径在其他设备周围移动。这些创新提高了碳纤维增强塑料T型吊杆的生产率水平，从而增强了碳纤维强化塑料作为工业机械材料在不断扩大的应用范围中的吸引力。

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

杨超凡    2024.11.21