CFRP overtreft staal in precisie-kogellagertoepassingen

Zoals vermeld in CW’s artikel over herconfigureerbare tooling, verandert modulaire bevestigingsontwerper/leverancier Prodtex (Göteborg, Zweden en Bristol, VK) niet alleen de manier waarop grote composietstructuren worden gemonteerd, maar gebruikt ook composieten om de bevestigingen zelf te bouwen. In bevestigingen die door mensen getild en geïnstalleerd moeten worden en/of door robots gemanipuleerd, vertalen verminderde massa en hoge stijfheid zich in minder bemanning/kleinere robots, verhoogde productiesnelheid en daardoor lagere kosten. Naar deze doelen werkt Prodtex nu aan zijn eerste volledige composiet Hexapod-positioneringsrobot, met kogellagers geproduceerd door Corebon AB (Malmö, Zweden) van koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP). 

“Het oorspronkelijke idee was om metalen kogellagers te herontwerpen zodat ze minder terugslag zouden hebben,” herinnert Corebon-CEO Tobias Björnhov. Hij legt uit dat de kogellagers en lagers van het bedrijf, met CFRP-behuizingen, bijna nul terugslag hebben, wat betekent dat er geen speling of spel tussen de onderdelen is, “zodat het lager stijf is voordat u belasting aanbrengt.” Normaal gesproken, “als u de kracht richting in een lager verandert, kan het bewegen,” wijst hij erop, maar stelt, “Onze structuren bewegen niet, omdat ze voorgespannen en heel stijf zijn.” 

Corebon begon met het versterken van metalen kogellagerbehuizingen met CFRP, die ook voorgespannen waren door krimppasvormen van de CFRP-behuizing op de metalen kogel (geholpen door het verschil in thermische uitdijingscoëfficiënt). “Die waren goed,” zegt Björnhov, “maar duur om te maken.” Daarom ontwikkelde Corebon een volledig CFRP kogellagerbehuizing, die meerdere precisiemachineerde metalen onderdelen vervangt die perfect gemonteerd moeten worden rond de kogel met een enkele CFRP-vorming. Vormen en voorspannen van de twee-delige montage (de kogel blijft metaal) wordt in één stap bereikt, met behulp van eigen technologie.

Corebon produceert ook glijlagers en andere kinematische paren — d.w.z. twee verbonden objecten die beperkingen opleggen aan hun relatieve beweging, zoals een zuiger in een cilinder, kogellagers en lagers — evenals onderdelen voor robots, zoals de afgebeelde CFRP-kopels. Björnhov legt uit dat deze koepel het robotische polsstuk van de eind-effector vormt, “waar u een motor/spindel voor een bewerkingsgereedschap of bandleggingshoofd zou bevestigen, enz.” Hij merkt op dat toekomstige iteraties van deze kopels ook als knopen in grote, maar lichte “spin”-bevestigingen voor montage kunnen dienen, zoals die van TETRAFIX AB (Kungälv, Zweden) en Prodtex’ Lightweight Structures. “Onze eerste toepassingen lagen in robots waar hoge precisie vereist is. Door het gewicht van de eind-effectoren te reduceren verhogen we precisie en snelheid.” Hoeveel gewichtsreductie? “Van 27 kg naar 5,5 kg voor de robotische pols/gereedhoudersstructuur,” zegt Björnhov.

Hoewel de CFRP-koepel gekernd is met ROHACELL polymethacrylimide structurele schuim van Evonik Corporation (Darmstadt, Duitsland), behaalt Corebon ook hoge specifieke sterkte en stijfheid door het vezelgehalte te maximaliseren. “We bereiken een heel hoog vezelvolume — tot 80% — wat dichtbij het theoretische maximum ligt,” merkt Björnhov op. Dit is niet alleen verrassend, maar heeft ook intrigerende implicaties. “De vezels raken elkaar eigenlijk,” legt hij uit, “zodat we hoge thermische en elektrische geleiding krijgen, niet alleen in-vlak maar ook in de z-richting.”

Het productieproces dat dit mogelijk maakt, nu gedekt door een reeks patenten, is afgeleid van inspanningen om resin transfer molding (RTM) en controle van harsinjectie en verwarming te verbeteren. “We injecteren de hars, niet alleen voor RTM-verwerking maar ook voor compressievormen en filamentwinding,” wijst Björnhov erop. “De sleutel is dat we van de binnenkant van het composiet verwarmen, zodat we de warmte volumetrisch controleren,” merkt hij op, en voegt toe, “Dit is niet gebonden aan een specifiek type matrix.” 

De sleutel is inductieve verwarmingstechnologie. Maar Björnhov legt uit dat Corebons verschilt van andere op inductieverhitting gebaseerde composietproductie, “zowel in de inductoren die we gebruiken als in hoe we het elektromagnetische veld controleren.” De resulterende directe en uniforme 3D-verhitting kan op bijna elk CFRP-proces worden toegepast, inclusief prepreg-uitharding en pultrusie. Het biedt naar verluidt cyclus tijden 10 keer sneller dan conventionele composietprocessen, reduceert energiekosten met maximaal 95% en gebruikt vormen die 20 keer lichter zijn dan staal. Corebon licentieert de technologie en heeft al partnerschappen met Japanse bedrijven, waaronder Sumitomo Corp. (Tokio, Japan).

“Nu kijken we naar andere toepassingen, zoals autozwaaiinstallaties en vliegtuigcomponenten die kinematische paren met hoge nauwkeurigheid en stijfheid nodig hebben,” zegt Björnhov. Corebon bereidt zich ook voor op de industriële schaal die in deze industrieën vereist is, met diverse projecten in uitvoering om de vermogen om op grote schaal te produceren te demonstreren.