中間相瀝青基碳纖維（MPCF）有著優(yōu)異的性能，其高模量、高導熱、高導電、熱膨脹系數(shù)（CTE）低、振動阻尼性好等特點，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，中國市場無法得到高性能的中間相瀝青基碳纖維，中國復合材料行業(yè)對中間相瀝青基碳纖維的應(yīng)用缺乏經(jīng)驗。
隨著中國科技實力的進步，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，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。中間相瀝青基碳纖維復合材料在機器人制造方面的應(yīng)用，公開的信息比較少，其優(yōu)勢與特點沒有被更多的人認識到。然而中間相瀝青基碳纖維復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、運行更精準、更穩(wěn)定的機械部件，提高了生產(chǎn)效率和機械運動精度、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”，即促進工藝過程中材料和半成品的快速移動，推動高性能復合材料在制造領(lǐng)域的應(yīng)用。
采用碳纖維復合材料制造的支架、固定裝置、風管系統(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，通過保證起重機架、軸，橫梁和其他運動組件精確快速的啟動和停止，使搬運過程精準、快速、穩(wěn)定的進行。
對采用高性能復合材料設(shè)計和生產(chǎn)搬運機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)型復合材料設(shè)計和制造公司，專注于先進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)中引進了一種纖維長絲放置技術(shù)，該技術(shù)可實現(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年將碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料技術(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械部件。例如，2019年Bilsing公司的一個碳纖維復合材料項目，客戶需要一個可移動500公斤有效載荷的機械臂，該負載和現(xiàn)有的鋼/鋁機械臂總重達1,000公斤，但最大的機器人，來自德國奧格斯堡的庫卡機器人公司，最大可處理650公斤載荷，如果要實現(xiàn)700公斤的有效負載或搬運工具質(zhì)量，即使使用全鋁替代重量仍然超標。因此，除了碳纖維復合材料之外，沒有其他方案可以實現(xiàn)，Pošvá?在報告中說。采用碳纖維復合材料，將使搬運部件將總重量減少到640公斤，從而使機器人的應(yīng)用變得可行。
最近，制造和設(shè)計能力的進步，使碳纖維復合材料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：“碳纖維復合材料比金屬部件貴一點，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，碳纖維復合材料質(zhì)量更輕、耐用性更好，使用壽命更長，強度提高10%，重量減少40%，碳纖維復合材料搬運部件能承擔并保持更重的負載，并保持產(chǎn)量”。
Pošvá? 補充說，在一些情況下，碳纖維復合材料可以使機器人或設(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，從壓力機轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓機）。T型臂通過T型桿與設(shè)備相連，通過機械臂來搬運物料或半成品。最近，制造和設(shè)計能力的進步，使碳纖維復合材料 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，較快的運轉(zhuǎn)速度會破壞機器的準確性，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。如果可以使機器部件的振動減少，則可以在保持（或改善）產(chǎn)品質(zhì)量的同時提高機器速度及效率。
碳纖維復合材料可以改善自動化制造設(shè)備的振動問題。減小搬運部件的質(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器的工作頻率，而由高性能復合材料制成的部件具有足夠高的固有頻率，因此不會與機器的振動產(chǎn)生共振。
除了防止共振之外，復合材料機械部件還可以阻尼振動，復合材料本身具有比金屬更好的阻尼性能。CompoTech設(shè)計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械性能。實際上，CompoTech估計，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％，彎曲強度提高50％。
減少工業(yè)機械中的振動、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)境溫度變化和機器產(chǎn)生的熱量導致的溫度波動較大的環(huán)境中運行，極易產(chǎn)生幾何變形，對設(shè)備性能產(chǎn)生負面影響，因此，機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重到破壞設(shè)備精度和穩(wěn)定的程度。CompoTech設(shè)計通過聚丙烯腈（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，可實現(xiàn)復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。
CompoTech業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)Humphrey Carter指出，減少工業(yè)機械的振動、撓度和變形有助于提高組件本身以及與之配合使用的機械的性能。例如，如果可以將轉(zhuǎn)移組件伸到壓機的較小開口中，則可以減少壓機開口的時間和能量。盡管每次轉(zhuǎn)移減少的時間和能量可能很小，但是當壓機每天生產(chǎn)數(shù)百個零件時，節(jié)省的費用會迅速累積。
T型臂的改進
與金屬T型臂相比，任何碳纖維復合材料 T型臂都具有降低振動和撓度的優(yōu)點，但是CompoTech的最新設(shè)計正在更大程度的降低部件的振動和撓度?？梢詫ompoTech創(chuàng)新方法描述為“可設(shè)計制造”。Carter解釋說：“我們將根據(jù)設(shè)計標準開發(fā)定制工藝技術(shù)，并將其提供給我們的技術(shù)合作伙伴以及復合材料設(shè)計師和生產(chǎn)商。” 這種方法的第一個例子是CompoTech在T型臂的設(shè)計中策略性地布置了瀝青基碳纖維增強材料，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)進行微調(diào)，這種纖維比PAN纖維更容易斷裂。
為了進一步減少振動，CompoTech T型臂設(shè)計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)計而成。Pošvá?指出“減震材料的位置是型材設(shè)計過程中具有挑戰(zhàn)性部分”。當前的設(shè)計包括四層阻尼材料（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)計是當前T型臂設(shè)計中最重要的升級。在以前的設(shè)計中，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)部的固定連接點處放置一根金屬桿，以保證這些位置具有進行粘合或螺栓連接所需的強度?？赡苓€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度。
新設(shè)計在轉(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的心軸上而獨立產(chǎn)生的。然后將它們放置在主體工具中，并進行方梁部分的纖維放置和纏繞。完成后，梁將進入壓機成型。
與以前的圓柱角單元相比，五邊形角設(shè)計（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行有效的連接，而無需進行大量的表面準備或二次粘結(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度，以前的設(shè)計會在接頭上進行層壓，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行加固。
擴展碳纖維復合材料在工業(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公司一項增長型業(yè)務(wù)，輕巧、高剛性、低振動的組件也正在擴大T型組件的應(yīng)用范圍。新的機器創(chuàng)新性的結(jié)合了轉(zhuǎn)動、搖擺和旋轉(zhuǎn)等運動方式，使零件的轉(zhuǎn)移可以沿著最有效的路徑進行。這些創(chuàng)新增加了碳纖維復合材料 T型組件可能達到的生產(chǎn)率水平，增加了碳纖維復合材料的吸引力，使其成為越來越廣泛的工業(yè)機械材料的選擇。
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