中間相瀝青基碳纖維（MPCF）有著優(yōu)異的性能，其高模量、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)（CTE）低、振動阻尼性好等特點(diǎn)，使其在許多領(lǐng)域有不可替代的作用。長期以來，由于美日對中國的禁運(yùn)，中國市場無法得到高性能的中間相瀝青基碳纖維，中國復(fù)合材料行業(yè)對中間相瀝青基碳纖維的應(yīng)用缺乏經(jīng)驗(yàn)。
隨著中國科技實(shí)力的進(jìn)步，中國的中間相瀝青基碳纖維的產(chǎn)業(yè)化突破也逐漸成為現(xiàn)實(shí)，中間相瀝青基碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域究竟在哪里，也成了人們關(guān)心的問題。
眾所周知，中間相瀝青基碳纖維在航空航天上有著重要的應(yīng)用，隨著以5G為代表的電子信息技術(shù)的發(fā)展，中間相瀝青基碳纖維在熱管理和電磁屏蔽方面的應(yīng)用也得到了證實(shí)。中間相瀝青基碳纖維復(fù)合材料在機(jī)器人制造方面的應(yīng)用，公開的信息比較少，其優(yōu)勢與特點(diǎn)沒有被更多的人認(rèn)識到。然而中間相瀝青基碳纖維復(fù)合材料擁有的高模量、高阻尼、極低的熱膨脹系數(shù)等性能，使人們對其用于工業(yè)4.0的工業(yè)自動化智能化制造的前景充滿想象。
最近，復(fù)合材料行業(yè)網(wǎng)站compositesworld.com發(fā)表了KAREN MASON寫的一篇文章，文章介紹了由高模量中間相瀝青基碳纖維（MPCF）制成的更輕、更高剛性、運(yùn)行更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定的機(jī)械部件，提高了生產(chǎn)效率和機(jī)械運(yùn)動精度、降低了能耗，文章分析了在工業(yè)自動化過程中面臨的問題，以及中間相瀝青基碳纖維在這個領(lǐng)域所能發(fā)揮的作用。
通過這篇文章所展示的應(yīng)用，也許我們可以展望中間相瀝青基碳纖維在工業(yè)自動化制造行業(yè)中的未來。現(xiàn)將這篇文章轉(zhuǎn)譯出來，供業(yè)內(nèi)同仁參考。
原文作者：KAREN MASON
原文作者：KAREN MASON
原文轉(zhuǎn)譯:
通過開發(fā)減少生產(chǎn)時間和成本，同時提高生產(chǎn)效率的創(chuàng)新技術(shù)來應(yīng)對不斷加劇的市場壓力，是整個制造業(yè)的探索方向。不斷增長的“對速度的需求”，即促進(jìn)工藝過程中材料和半成品的快速移動，推動高性能復(fù)合材料在制造領(lǐng)域的應(yīng)用。
采用碳纖維復(fù)合材料制造的支架、固定裝置、風(fēng)管系統(tǒng)、貨盤、儲罐和其他制造設(shè)施部件，突破了碳纖維的傳統(tǒng)應(yīng)用。這些新的應(yīng)用需要材料具有輕量化、振動阻尼等綜合性能，通過保證起重機(jī)架、軸，橫梁和其他運(yùn)動組件精確快速的啟動和停止，使搬運(yùn)過程精準(zhǔn)、快速、穩(wěn)定的進(jìn)行。
對采用高性能復(fù)合材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)搬運(yùn)機(jī)械組件的興趣使捷克的CompoTech（Sušice, Czech Republic）和Bilsing Automation (Attendorn, Germany) 兩家公司聚集到了一起。
CompoTech（位于捷克共和國Sušice），是一家全業(yè)務(wù)型復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造公司，專注于先進(jìn)和混合纖維纏繞技術(shù)應(yīng)用。該公司在其長絲纏繞系統(tǒng)中引進(jìn)了一種纖維長絲放置技術(shù)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)纖維沿軸向0度纏繞，CompoTech利用該技術(shù)增加了制件的軸向強(qiáng)度和剛度。
另外一家公司是Bilsing Automation（位于德國Attendorn），該公司致力于為眾多行業(yè)提供創(chuàng)新的模塊化工具系統(tǒng)。Bilsing在2006年將碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料技術(shù)引入其模塊工具制造系統(tǒng)，并在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。Bilsing的制造總部位于捷克共和國，毗鄰CompoTech工廠。CompoTech供應(yīng)Bilsing所需全部碳纖維復(fù)合材料零件，特別是碳纖維/環(huán)氧樹脂零件。
CompoTech的Bilsing客戶經(jīng)理ZdeněkPošvá?說：“我們與Bilsing有著緊密的關(guān)系，我們知道他們碳纖維工具制件的細(xì)節(jié)要求，通過FEA（有限元分析）來確定最佳壁厚、扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度、疊層和卷繞順序以及最終的零件尺寸。” CompoTech使用Ansys（Canonsburg, Penn., U.S.）的FEA軟件。
這兩家公司生產(chǎn)的許多部件涉及替換鋼或鋁機(jī)械部件。例如，2019年Bilsing公司的一個碳纖維復(fù)合材料項(xiàng)目，客戶需要一個可移動500公斤有效載荷的機(jī)械臂，該負(fù)載和現(xiàn)有的鋼/鋁機(jī)械臂總重達(dá)1,000公斤，但最大的機(jī)器人，來自德國奧格斯堡的庫卡機(jī)器人公司，最大可處理650公斤載荷，如果要實(shí)現(xiàn)700公斤的有效負(fù)載或搬運(yùn)工具質(zhì)量，即使使用全鋁替代重量仍然超標(biāo)。因此，除了碳纖維復(fù)合材料之外，沒有其他方案可以實(shí)現(xiàn)，Pošvá?在報告中說。采用碳纖維復(fù)合材料，將使搬運(yùn)部件將總重量減少到640公斤，從而使機(jī)器人的應(yīng)用變得可行。
最近，制造和設(shè)計(jì)能力的進(jìn)步，使碳纖維復(fù)合材料T型梁的震動、撓度、抗變形等關(guān)鍵性能有了提升
Bilsing Automation北美公司總經(jīng)理Thomas Garant指出：“碳纖維復(fù)合材料比金屬部件貴一點(diǎn)，但是我們已經(jīng)在客戶的協(xié)助下通過成功組裝的案例證明，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量更輕、耐用性更好，使用壽命更長，強(qiáng)度提高10%，重量減少40%，碳纖維復(fù)合材料搬運(yùn)部件能承擔(dān)并保持更重的負(fù)載，并保持產(chǎn)量”。
Pošvá? 補(bǔ)充說，在一些情況下，碳纖維復(fù)合材料可以使機(jī)器人或設(shè)備的型號更小，節(jié)省客戶大量資金。
自2006年以來，CompoTech就一直向Bilsing供應(yīng)碳纖維復(fù)合材料組件之一，T型臂，一種方形輪廓的T型臂。T型臂是自動化設(shè)備的常見組件，過去一直由鋼或鋁制成。它用于將零件從一個制造工序轉(zhuǎn)移到另一制造工序（例如，從壓力機(jī)轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓機(jī)）。T型臂通過T型桿與設(shè)備相連，通過機(jī)械臂來搬運(yùn)物料或半成品。最近，制造和設(shè)計(jì)能力的進(jìn)步，使碳纖維復(fù)合材料 T型梁的震動、撓度、抗變形等關(guān)鍵性能有了提升。
振動最小化的問題
振動是許多自動化制造機(jī)器的克星，它往往會使制造質(zhì)量和速度相互矛盾：等待振動消失，可以提高機(jī)器精度，但會減慢生產(chǎn)速度，延長生產(chǎn)周期；相反，較快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度會破壞機(jī)器的準(zhǔn)確性，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。如果可以使機(jī)器部件的振動減少，則可以在保持（或改善）產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高機(jī)器速度及效率。
碳纖維復(fù)合材料可以改善自動化制造設(shè)備的振動問題。減小搬運(yùn)部件的質(zhì)量和/或增加其剛度會使該部件中的固有振動頻率更高，通常，材料的固有振動會引起該部件共振并放大該振動的頻率。金屬部件的固有頻率可能接近機(jī)器的工作頻率，而由高性能復(fù)合材料制成的部件具有足夠高的固有頻率，因此不會與機(jī)器的振動產(chǎn)生共振。
除了防止共振之外，復(fù)合材料機(jī)械部件還可以阻尼振動，復(fù)合材料本身具有比金屬更好的阻尼性能。CompoTech設(shè)計(jì)將其他有較好阻尼效果的材料（例如橡膠）結(jié)合到碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，該零件的阻尼性能是鋼提供的阻尼性能的12至20倍。
為了最大程度地減小零部件在載荷下的撓度，將纖維沿縱向（0度）軸放置有助于優(yōu)化彎曲性能。與纏繞纖維不同，軸向纖維不會有圍繞組件的輪廓彎曲，軸向纖維因此為梁提供了最大的機(jī)械性能。實(shí)際上，CompoTech估計(jì)，與傳統(tǒng)的長絲纏繞梁相比，把長絲纏繞和軸向纖維鋪放技術(shù)相結(jié)合，可使梁在軸向上的剛性提高10％至15％，彎曲強(qiáng)度提高50％。
減少工業(yè)機(jī)械中的振動、撓度和變形有助于提高零部件本身以及與其一起工作的機(jī)械部件的性能
T型臂和類似組件通常在由環(huán)境溫度變化和機(jī)器產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的溫度波動較大的環(huán)境中運(yùn)行，極易產(chǎn)生幾何變形，對設(shè)備性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，機(jī)器組件的熱膨脹系數(shù)（CTE）至關(guān)重要。沿著這些組件的長度方向，由于熱膨脹或收縮引起的變形可能會嚴(yán)重到破壞設(shè)備精度和穩(wěn)定的程度。CompoTech設(shè)計(jì)通過聚丙烯腈（PAN）基和瀝青（Pitch）基碳纖維的合理組合來解決熱膨脹系數(shù)的問題，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料部件軸向或徑向熱膨脹系數(shù)為0，從而使熱變形及其對生產(chǎn)的影響微弱到可以忽略不計(jì)。
CompoTech業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)Humphrey Carter指出，減少工業(yè)機(jī)械的振動、撓度和變形有助于提高組件本身以及與之配合使用的機(jī)械的性能。例如，如果可以將轉(zhuǎn)移組件伸到壓機(jī)的較小開口中，則可以減少壓機(jī)開口的時間和能量。盡管每次轉(zhuǎn)移減少的時間和能量可能很小，但是當(dāng)壓機(jī)每天生產(chǎn)數(shù)百個零件時，節(jié)省的費(fèi)用會迅速累積。
T型臂的改進(jìn)
與金屬T型臂相比，任何碳纖維復(fù)合材料 T型臂都具有降低振動和撓度的優(yōu)點(diǎn)，但是CompoTech的最新設(shè)計(jì)正在更大程度的降低部件的振動和撓度。可以將CompoTech創(chuàng)新方法描述為“可設(shè)計(jì)制造”。Carter解釋說：“我們將根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)定制工藝技術(shù)，并將其提供給我們的技術(shù)合作伙伴以及復(fù)合材料設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)商。” 這種方法的第一個例子是CompoTech在T型臂的設(shè)計(jì)中策略性地布置了瀝青基碳纖維增強(qiáng)材料，使CompoTech產(chǎn)品具有最佳的剛度。但是，與瀝青基碳纖維一起使用時，需要對纖維放置和纏繞系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，這種纖維比PAN纖維更容易斷裂。
為了進(jìn)一步減少振動，CompoTech T型臂設(shè)計(jì)還包含了一種阻尼材料，該材料由軟木和橡膠通過特定的組合設(shè)計(jì)而成。Pošvá?指出“減震材料的位置是型材設(shè)計(jì)過程中具有挑戰(zhàn)性部分”。當(dāng)前的設(shè)計(jì)包括四層阻尼材料（每側(cè)一層），在纏繞過程中放置在碳纖維層之間。
梁的輪廓角的設(shè)計(jì)是當(dāng)前T型臂設(shè)計(jì)中最重要的升級。在以前的設(shè)計(jì)中，梁的角結(jié)構(gòu)中的圓柱形開口沿梁的長度延伸。Bilsing在這些拐角結(jié)構(gòu)內(nèi)部的固定連接點(diǎn)處放置一根金屬桿，以保證這些位置具有進(jìn)行粘合或螺栓連接所需的強(qiáng)度。可能還需要將一塊金屬板（伴隨其重量減輕）放置在梁的外側(cè)，以在附件處提供足夠的強(qiáng)度。
新設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)角處有五邊形的開口，增加了梁的長度。這些拐角構(gòu)造是通過纏繞在單獨(dú)的心軸上而獨(dú)立產(chǎn)生的。然后將它們放置在主體工具中，并進(jìn)行方梁部分的纖維放置和纏繞。完成后，梁將進(jìn)入壓機(jī)成型。
與以前的圓柱角單元相比，五邊形角設(shè)計(jì)（在梁的末端可見）減輕了重量，增加了梁的剛度，這兩者都改善了梁的性能。Carter在談到新設(shè)計(jì)時說：“拐角的功能性和通過沖壓獲得的公差允許通過固定螺栓和支撐進(jìn)行有效的連接，而無需進(jìn)行大量的表面準(zhǔn)備或二次粘結(jié)。” 新的五邊形轉(zhuǎn)角已被證明是有益的： 與舊的梁輪廓中的圓柱體相比，測試表明扭轉(zhuǎn)剛度提高了20％，長彎曲剛度提高了85％，梁和緊固件的總重量減少了8％。
先進(jìn)的連接技術(shù)還可以使T型臂的桿和臂連接起來。為了獲得與鋼焊縫相同的接頭強(qiáng)度，以前的設(shè)計(jì)會在接頭上進(jìn)行層壓，制造步驟繁瑣，成本增加。Bilsing-CompoTech方法首先通過粘合劑將元件連接起來，然后通過上述提到的轉(zhuǎn)角原件用螺栓對其進(jìn)行加固。
擴(kuò)展碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)自動化制造領(lǐng)域的應(yīng)用
CompoTech根據(jù)Bilsing的需求（由Bilsing的客戶提出）來設(shè)計(jì)每個T型動力臂，從而產(chǎn)生了一系列的T型動力臂規(guī)格。T型動力臂桿通常長700mm，而組成臂的梁則延伸到1.6-2m長。壁厚隨應(yīng)用需求而變化，但通常約為10mm,纖維體積為50-60％。
Carter報告說，CompoTech選擇了不同的碳纖維供應(yīng)商，其中大多數(shù)瀝青基碳纖維來自日本石墨纖維公司和三菱化學(xué)公司。GRM Systems（捷克共和國奧洛穆克）為所有CompoTech T型臂提供環(huán)氧樹脂。
碳纖維產(chǎn)品線是Bilsing公司一項(xiàng)增長型業(yè)務(wù)，輕巧、高剛性、低振動的組件也正在擴(kuò)大T型組件的應(yīng)用范圍。新的機(jī)器創(chuàng)新性的結(jié)合了轉(zhuǎn)動、搖擺和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動方式，使零件的轉(zhuǎn)移可以沿著最有效的路徑進(jìn)行。這些創(chuàng)新增加了碳纖維復(fù)合材料 T型組件可能達(dá)到的生產(chǎn)率水平，增加了碳纖維復(fù)合材料的吸引力，使其成為越來越廣泛的工業(yè)機(jī)械材料的選擇。
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