CFRP превосходит сталь в точных применениях шарнирных соединений

Как отмечалось в статье CW о переконфигурируемом инструменте, компания Prodtex (Гётеборг, Швеция и Бристоль, Великобритания), специализирующаяся на модульном монтажном инструменте и поставке компонентов, не только меняет подход к сборке крупных композитных конструкций, но и использует композиты для самих приспособлений. В приспособлениях, которые должны подниматься и устанавливаться людьми и/или манипулироваться роботами, снижение массы и высокая жёсткость позволяют уменьшить число рабочих или использовать более мелких роботов, повысить скорость производства и, как следствие, снизить затраты. В poursuте этих целей Prodtex сейчас работает над первым полностью композитным шестиосевым позиционирующим роботом, использующим шарниры из углеродно-волокнистого пластика (CFRP), произведенные Corebon AB (Мальмё, Швеция).

«Изначальная идея заключалась в перепроектировке металлических шарниров так, чтобы у них был меньший люфт», — вспоминает генеральный директор Corebon Тобиас Бьёрнхов. Он объясняет, что шарниры и подшипники компании, имеющие корпуса из CFRP, обладают практически нулевым люфтом, то есть нет зазора или игры между деталями, «поэтому соединение жёсткое ещё до приложения нагрузки». Обычно, «если изменить направление силы в подшипнике, он может сместиться», — указывает он, но утверждает: «Наши конструкции не смещаются, потому что они предупрежнены и очень жёстки».

Corebon начала с усиления металлических корпусов шарниров с помощью CFRP, которые также предупрежнялись за счёт термического усадки корпуса CFRP на металлический шар (с использованием разницы коэффициентов термического расширения). «Это было хорошо», — говорит Бьёрнхов, — «но дорого в производстве». Поэтому Corebon разработала полностью композитный корпус шарнира, заменив множество точно обработанных металлических деталей, которые должны были идеально собираться вокруг шара, единственной формовкой CFRP. Формовка и предупрежение двухкомпонентной сборки (шар остаётся металлическим) выполняются в один этап с использованием проприетарной технологии.

Corebon также производит скользящие подшипники и другие кинематические пары — то есть два связанных объекта, накладывающих ограничения на их относительное движение, такие как поршень в цилиндре, шарниры и подшипники — а также детали для роботов, в том числе купола из CFRP, показанные на фото справа сверху. Бьёрнхов объясняет, что этот купол составляет запястье роботизированного конечного эффектора, «куда вы бы прикрепили двигатель/шпиндель для станочного инструмента или головку укладки ленты и т.д.». Он отмечает, что будущие итерации этих куполов также могут использоваться в качестве узлов в крупных, но лёгких «паутинных» приспособлениях для сборки, таких как те, что делает TETRAFIX AB (Кунгёльв, Швеция) и Lightweight Structures от Prodtex. «Наши первые применения были в роботах, где требуется высокая точность. За счёт снижения веса конечных эффекторов мы повышаем точность и скорость». Насколько снижается вес? «С 27 кг до 5,5 кг для конструкции запястья/держателя инструмента робота», — говорит Бьёрнхов.

Хотя композитный купол имеет сердцевину из структурной пены полиметакрилимида ROHACELL от Evonik Corporation (Дармштадт, Германия), Corebon также достигает высокой удельной прочности и жёсткости, максимизируя содержание волокна. «Мы достигаем очень высокого объёмного содержания волокна — до 80% — что близко к теоретическому максимуму», — отмечает Бьёрнхов. Это не только удивительно, но и имеет интригующие последствия. «Волокна фактически соприкасаются», — объясняет он, — «поэтому мы получаем высокую тепловую и электрическую проводимость не только в плоскости, но и в z-направлении».

Процесс производства, позволяющий этого добиться, теперь покрыт рядом патентов, был выведен из усилий по улучшению литья смолы под давлением (RTM) и контроля впрыска смолы и нагрева. «Мы впрыскиваем смолу не только для RTM, но и для прессования и навивки нитями», — указывает Бьёрнхов. «Ключ в том, что мы нагреваем из нутри композита, поэтому контролируем тепло объёмно», — отмечает он, добавляя: «Это не привязано к какому-либо конкретному типу матрицы».

Ключ здесь — индукционная технология нагрева. Но Бьёрнхов объясняет, что подход Corebon отличается от других методов индукционного нагрева в производстве композитов «как используемыми индукторами, так и способом управления электромагнитным полем». Полученный мгновенный и равномерный трёхмерный нагрев может применяться практически к любому процессу CFRP, включая отверждение препрега и пультрузию. По сообщениям, он обеспечивает циклы в 10 раз быстрее традиционных процессов, снижает энергозатраты до 95% и использует формы, в 20 раз легче стальных. Corebon лицензирует технологию и уже имеет партнёрство с японскими компаниями, включая Sumitomo Corp. (Токио, Япония).

«Теперь мы смотрим на другие применения, такие как автомобильные подвески и авиационные компоненты, которым нужны кинематические пары с высокой точностью и жёсткостью», — говорит Бьёрнхов. Corebon также готовится к промышленному масштабу, требуемому в этих отраслях, с несколькими проектами в процессе демонстрации способности производить большие объёмы.