CFRP 在精密球关节应用中超越钢铁

正如《CW》关于可重构工装的专题文章所述，模块化工装设计公司/零部件供应商 Prodtex（瑞典哥德堡和英国布里斯托尔）不仅改变了大型复合结构的装配方式，还利用复合材料制造工装本身。在需要人工搬运安装和/或机器人操作的工装中，减轻重量和高刚度意味着所需人力减少/机器人规模缩小，生产速度提高，从而降低成本。为实现这些目标，Prodtex 正致力于打造首款全复合材料六足定位机器人，采用 Corebon AB（瑞典马尔默）生产的碳纤维增强塑料（CFRP）球关节。

“最初的想法是重新设计金属球关节，使其回程间隙更小，”Corebon 首席执行官 Tobias Björnhov 回忆道。他解释说，公司的球关节和轴承采用 CFRP 外壳，具有近乎零的回程间隙，即零件之间没有间隙或游隙，“因此关节在施加载荷前就已刚性锁定。”通常，“如果轴承中的力方向改变，它可能会移动，”他指出，但声称，“我们的结构不会移动，因为它们经过预紧且极其刚性。”

Corebon 最初用 CFRP 加固金属球关节外壳，利用热膨胀系数差异，通过热缩压装将 CFRP 外壳压配到金属球上，实现预紧。“这些效果不错，”Björnhov 说，“但制造成本高昂。”因此 Corebon 开发了全 CFRP 球关节外壳，用单一 CFRP 成型件取代了多个必须完美组装在球周围的精密加工金属部件。利用专有技术，两部分组件（球体仍为金属）的成型和预紧在单一步骤中完成。

Corebon 还制造滑动轴承和其他运动副——即对相对运动施加约束的两个连接物体，如活塞在气缸中、球关节和轴承——以及机器人部件，如图中右上角的 CFRP 圆顶。Björnhov 解释说，该圆顶构成机器人腕部末端执行器，“可连接电机/主轴用于加工刀具或铺带头等。”他指出，这些圆顶的未来迭代版本也可能用作大型且轻量化“蜘蛛”工装的节点，例如 TETRAFIX AB（瑞典孔阿尔夫）和 Prodtex 轻量化结构制造的工装。“我们的首批应用用于需要高精度的机器人。通过减轻末端执行器重量，我们提高了精度和速度。”减重多少？“机器人腕部/刀具夹持结构从 27 公斤降至 5.5 公斤，”Björnhov 表示。

尽管 CFRP 圆顶以 Evonik Corporation（德国达姆施塔特）的 ROHACELL 聚甲基丙烯酰亚胺结构泡沫为芯材，但 Corebon 通过最大化纤维含量也获得了高比强度和刚度。“我们实现了极高的纤维体积含量——高达 80%——接近理论最大值，”Björnhov 指出。这不仅令人惊讶，还具有深远意义。“纤维实际上相互接触，”他解释道，“因此我们不仅获得平面内，还获得厚度方向（Z 向）的高导热和导电性能。”

实现这一制造工艺（现已获得一系列专利保护）源于改进树脂传递模塑（RTM）及控制树脂注射和加热的努力。“我们注射树脂，不仅用于 RTM 加工，还用于压缩模塑和缠绕成型，”Björnhov 指出。“关键在于我们从复合材料内部加热，从而实现体积热控制，”他补充道，“这不受特定基体类型限制。”

关键在于感应加热技术。但 Björnhov 解释说，Corebon 的技术与其他基于感应加热的复合材料制造不同，“无论在感应器设计还是电磁场控制方面均有差异。”由此产生的瞬时均匀 3D 加热可应用于几乎任何 CFRP 工艺，包括预浸料固化和挤拉成型。据报道，其循环时间比传统复合材料工艺快 10 倍，能源成本降低高达 95%，模具重量仅为钢模的 1/20。Corebon 正在授权该技术，已与包括住友商事（日本东京）在内的日本企业建立合作伙伴关系。

“现在我们正在探索其他应用，如汽车悬架和需要高精度、高刚度运动副的飞机部件，”Björnhov 表示。Corebon 也在为这些行业所需的工业化规模做准备，有多个项目正在进行中以证明其大批量生产能力。