CFRP overtreft staal in precisiekogelgewrichten

Zoals opgemerkt in CW's hoofdartikel over herconfigureerbare gereedschappen, ontwerpbureau/leverancier van componenten voor modulaire armatuur Prodtex (Göteborg, Zweden en Bristol, VK) verandert niet alleen de manier waarop grote composietconstructies worden geassembleerd, maar gebruikt ook composieten om de armaturen zelf te bouwen. In armaturen die door mensen moeten worden opgetild en geïnstalleerd en/of door robots moeten worden gemanipuleerd, vertalen verminderde massa en hoge stijfheid zich in minder mankracht/kleinere robots, hogere productiesnelheid en, als resultaat, lagere kosten. Om deze doelen te bereiken, werkt Prodtex nu aan zijn eerste volledig samengestelde Hexapod-positioneringsrobot, die gebruikmaakt van kogelgewrichten op basis van koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP), geproduceerd door Corebon AB (Malmö, Zweden).

"Het oorspronkelijke idee was om metalen kogelgewrichten opnieuw te ontwerpen zodat ze minder speling zouden hebben", herinnert Corebon-CEO Tobias Björnhov zich. Hij legt uit dat de kogelgewrichten en lagers van het bedrijf, die zijn voorzien van CFRP-behuizingen, bijna geen speling hebben, wat betekent dat er geen opening of speling is tussen de onderdelen, "dus het gewricht is stijf voordat je het belast." Gewoonlijk, "als je de richting van de kracht in een lager verandert, kan het bewegen", wijst hij erop, maar beweert:"Onze constructies bewegen niet, omdat ze voorbelast en erg stijf zijn."

Corebon begon met het versterken van metalen kogelgewrichtbehuizingen met CFRP, die ook werden voorgespannen door de CFRP-behuizing op de metalen kogel te krimpen (met behulp van het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt). "Deze waren goed", zegt Björnhov, "maar duur om te maken." Daarom ontwikkelde Corebon een volledig CFRP-kogelgewrichtbehuizing, ter vervanging van meerdere nauwkeurig bewerkte metalen onderdelen die perfect rond de bal moeten worden gemonteerd met een enkele CFRP-vorm. Het gieten en voorladen van de tweedelige assemblage (de bal blijft van metaal) wordt in één stap bereikt, met behulp van gepatenteerde technologie.

Corebon maakt ook glijlagers en andere kinematische paren - dwz twee verbonden objecten die beperkingen opleggen aan hun relatieve beweging, zoals een zuiger in een cilinder, kogelgewrichten en lagers - evenals onderdelen voor robots, zoals de CFRP-koepels die bovenaan zijn afgebeeld Rechtsaf. Björnhov legt uit dat deze koepel de robotpols van de eindeffector omvat, "waar je een motor/spil aan zou bevestigen voor een bewerkingsgereedschap of een tape-legende kop, enz." Hij merkt op dat toekomstige herhalingen van deze koepels ook kunnen worden gebruikt als knooppunten in de grote maar lichtgewicht "spider" -armaturen voor montage, zoals die gemaakt door TETRAFIX AB (Kungälv, Zweden) en Prodtex' Lightweight Structures. “Onze eerste toepassingen waren in robots waar hoge precisie vereist is. Door het gewicht van de eindeffectors te verminderen, verhogen we de precisie en snelheid.” Hoeveel gewichtsvermindering? "Van 27 kg tot 5,5 kg voor de robotarm-/gereedschaphouderstructuur", zegt Björnhov.

Hoewel de CFRP-koepel is gevuld met ROHACELL polymethacrylimide structuurschuim van Evonik Corporation (Darmstadt, Duitsland), verkrijgt Corebon ook een hoge specifieke sterkte en stijfheid door het vezelgehalte te maximaliseren. "We bereiken een zeer hoog vezelvolume - tot 80% - dat dicht bij het theoretische maximum ligt", merkt Björnhov op. Dit is niet alleen verrassend, maar het heeft ook intrigerende implicaties. "De vezels raken elkaar," legt hij uit, "dus we krijgen een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid, niet alleen in het vlak maar ook in de z-richting."

Het fabricageproces dat dit mogelijk maakt, dat nu wordt gedekt door een reeks patenten, is afgeleid van inspanningen om harsoverdrachtvormen (RTM) en controle van harsinjectie en -verwarming te verbeteren. "We injecteren de hars, niet alleen voor RTM-verwerking, maar ook voor compressievormen en filamentwikkeling", benadrukt Björnhov. "De sleutel is dat we van binnen verwarmen van de composiet, dus we regelen de warmte volumetrisch, merkt hij op, eraan toevoegend:"Dit is niet gebonden aan een specifiek type matrix."

De sleutel hier is inductieve verwarmingstechnologie. Maar Björnhov legt uit dat Corebon verschilt van andere op inductieve verwarming gebaseerde composieten, "zowel in de inductoren die we gebruiken als in de manier waarop we het elektromagnetische veld regelen." De resulterende onmiddellijke en uniforme 3D-verwarming kan worden toegepast op bijna elk CFRP-proces, inclusief prepreg-uitharding en pultrusie. Het biedt naar verluidt cyclustijden die 10 keer sneller zijn dan conventionele composietprocessen, verlaagt de energiekosten met maar liefst 95% en gebruikt mallen die 20 keer lichter zijn dan staal. Corebon geeft licenties voor de technologie en heeft al partnerschappen met Japanse bedrijven, waaronder Sumitomo Corp. (Tokyo, Japan).

"Nu kijken we naar andere toepassingen, zoals ophangingen voor auto's en vliegtuigonderdelen die kinematische paren nodig hebben met een hoge nauwkeurigheid en stijfheid", zegt Björnhov. Corebon bereidt zich ook voor op de industriële schaal die in deze industrieën vereist is, met verschillende lopende projecten om aan te tonen dat het in staat is om in hoog volume te produceren