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重量轻、刚度高的CFRP龙门梁使Ultimate能够进行高速精密切割。
CompoTech PLUS（捷克共和国苏希策）使用其专有的先进纤维铺设（AFL）和缠绕技术，用轻质碳纤维增强聚合物（CFRP）部件代替钢和铝，如伸缩杆、龙门架、旋转轴、主轴、横梁和生产机械工具。自2013年以来，CompoTech与Kongsberg Precision Cutting Systems（Kongsberg PCS，Kongsberg，Norway）之间的研发合作旨在通过为扁平和瓦楞包装及展示材料的大批量转换器开发更广泛、更快、高精度的数字系统来降低运营成本并提高生产率。多年来，这些目标已经发展出一种CFRP龙门架设计，现在为机器性能提供了新的水平。
这些自动化机器具有龙门梁，使齿轮驱动的切割头能够在宽阔的工作台上来回飞行，从下面的材料中切割出形状。该梁必须承受切割头的载荷，以及其加速和减速，从而产生旋转力、剪切力和偏斜力的混合。
新的Kongsberg Ultimate数字切割机于2024年初推出，采用最新一代碳纤维增强塑料梁，其设计目的不仅仅是取代铝制零件，而是优化复合材料和CompoTech的设计和制造技术的使用。The Ultimate在欧洲和美国获得了奖项，称赞其在印刷和包装生产商的技术和性能方面取得了巨大进步。
Kongsberg PCS成立于1965年，位于奥斯陆附近，拥有跨国业务，在捷克共和国布尔诺集中生产，在比利时根特设有全球总部和客户体验中心，在俄亥俄州代顿设有北美总部。2021年，Kongsberg收购了MultiCam股份有限公司（美国得克萨斯州欧文市），该公司是一家激光、等离子体和水射流切割机以及数控路由器的全球供应商。
随着康斯博格开始与CompoTech合作，康斯博格的一个关键目标是通过开发更广泛的切割系统来降低运营成本并提高生产率，这些切割系统还可以提高速度和精度。CompoTech与康斯博格的研发团队密切合作，实现了这一目标。CompoTech业务开发主管汉弗莱·卡特(Humphrey Carter)博士表示：“我们的第一个开发项目是康斯博格C6系列的4米长CFRP龙门梁，其特点是桌子宽25%，宽3.2米。”。“我们的碳纤维增强塑料梁必须与原始铝梁的轮廓相匹配，以保持组件的一致性，但也必须与挠度相匹配，即使我们的梁长了1米。我们做到了这一点，而且效果很好。”
“然而，对于Ultimate机器，Kongsberg让我们可以自由地调整截面轮廓，以充分利用材料和性能，”汉弗莱·卡特说。“我们真的可以优化复合材料的设计，使其尽可能坚固轻便。最终设计的另一个好处是，与C6系列梁所需的两步工艺相比，可以在单纤维缠绕步骤中更有效地生产。”
CRFP梁显示，铝轨通过螺栓固定在碳纤维侧条加工的孔中，然后粘合到梁上的铝杆插入件中。
对于Kongsberg Ultimate，CompoTech选择了其内部开发的泡沫芯集成梁结构，以最大限度地提高刚度并最大限度地减轻重量。最终设计的龙门架重量仅为70公斤，主梁层压板的模量为230 GPa，负载下的挠度仅为200微米。
这种非常高的弯曲刚度是通过沿梁轴向放置超高模量（UHM-ultra-high modulus）沥青碳纤维来实现的，这是使用CompoTech的“真正的零度放置”技术实现的。卡特说：“沥青纤维比基于聚丙烯腈（PAN）前体的更典型的碳纤维具有更高的模量，但它也是一种更脆弱的纤维，如果处理不当，可能会失去性能。”
CompoTech研发总监Ondřej-Uher博士补充道：“我们通过放置沥青纤维来设计和制造高度优化结构的能力是我们完善的专长。”。卡特指出，Ultimate的龙门梁还使用标准和中等模量的PAN纤维以及标准的长固化环氧树脂。这种材料组合用于通过在与最终外层层压板过度缠绕之前将刚度缠绕到结构中来降低梁的旋转刚度。Uher补充道：“这种设计提供了高水平的固有频率阻尼，这有助于提高新型Ultimate机器的切割速度和精度。”。
安装在Kongsberg Ultimate龙门架上的数字切割头沿着铝制轨道穿过切割台。卡特说：“轨道固定系统沿着梁的整个长度延伸。”。“Ultimate龙门架的新梁设计需要容纳更大的数字切割头，该切割头可施加高达50公斤的下压力并产生大量的扭转应力。”
Kongsberg PCS的研发总工程师托马斯·马尔姆（Thomas Malme）解释说：“对于切割台来说，最重要的是加速度，并结合龙门梁的刚度来提供性能。”“使切割头尽快达到最大速度并再次降至零比最大速度更重要。”
为了实现这一点和所需的高切割精度，CompoTech开发了一种将这些轨道固定到CFRP龙门梁上的创新方法。这包括在内部结构中采用创新的插入件系统，并在梁被压制和固化后进行精确的安装表面加工。
马尔姆说，CompoTech的协作方式是康斯博格终极帆船成功的关键。他指出：“我们研究了所有设计领域，包括硬件和软件，在不影响切割精度的情况下，我们可以尽可能快地制造出Ultimate。”。“新的高扭矩电机驱动器与CompoTech的新设计龙门梁相结合，使Ultimate的最大XY线性加速度达到2.7 G，线性切割速度高达每秒2.8米。安装正确的切割工具后，它可以高精度地切割和折痕厚度达30毫米的材料。”
卡特补充道：“之前的设计，C6，加速度要低得多，只有每秒7米，而2.7 G（每秒26.5米），所以它并不是真正可比的，因为我们已经从之前设计规范限制的120×120轮廓变成了150×150优化轮廓。”
康斯博格PCS和CompoTech继续探索创新的新产品开发。卡特说：“我们已经能够证明，当创造结构以充分利用复合材料时，这种优势是显而易见的。”。“我们期待着康斯博格PCS的下一个挑战以及我们的持续合作。”
原文，《Optimized CFRP gantry beam enhances Ultimate cutting machines 》 2024.11.20
杨超凡 2024.11.21
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