Kompozitová robotická paže

V této případové studii spolupracovaly společnosti Loson a Ensinger na zlepšení funkční způsobilosti robotické paže používané v robotu Delta pro potravinářské balicí linky. Takto rychlé a přesné stroje se používají v továrnách k odebírání produktů a balení díky jejich rychlosti, která v některých případech umožňuje dosahovat kapacity až 300 odebraných jednotek produktu za minutu.

Díly z kompozitu s uhlíkovými vlákny (v tomto případě uhlíková tkanina v epoxidové matrici) jsou konstruovány a vyráběny pro snížení hmotnosti a setrvačnosti, přičemž si zachovávají mechanické vlastnosti typické pro vysoce kvalitní kovové slitiny. Ačkoli je jedním z hlavních cílů nízká hmotnost, těžké kovové vložky (ocel, hliník nebo v malém procentu případů titan) jsou obvykle nezbytné k připojení kompozitu s uhlíkovými vlákny k ostatním mechanickým součástem, a výhoda použití uhlíkových vláken se tak částečně stírá.

Obrázek 1 znázorňuje robotické rameno pro stroj v oblasti balení potravinářských produktů: z celkové hmotnosti přibližně 300 g připadá více než 80 g (27 %) na hliníkové vložky, a proto snaha o snížení hmotnosti příslušného dílu (pro snížení setrvačnosti) přichází zčásti vniveč. V nepříznivých prostředích, kde se používají agresivní kyseliny/zásady k čištění (např. potravinářské balicí linky), je tato konfigurace rovněž ve vysoké míře ohrožena rizikem koroze v důsledku přítomnosti solí nebo galvanické vazby.

Hliník

Myšlenka spočívá v nahrazení vložky z hliníku (nebo jiného kovu, a tím ještě těžší) za vysokovýkonný polymer s cílem snížit hmotnost, riziko koroze a současně zaručit vysokou mechanickou funkční způsobilost vyžadovanou pro danou aplikaci.

Kovové vložky se ke kompozitovým dílům zpravidla lepí pomocí dvousložkových epoxidových lepidel nebo jsou přímo začleněny do rámu kompozitu prostřednictvím pryskyřice polymerové matrice.

Podle relevantní literatury však bohužel síla lepeného spoje mezi polymerovou vložkou a kompozitovým dílem nemůže zaručit stejnou úroveň adheze, jak je patrné například v tabulce č. 1. Tento graf ukazuje, že smyková pevnost spoje vytvořeného slepením různých termoplastických polymerů je obecně výrazně pod prahovou hodnotou 6 MPa, jež je obecně považována za minimum pro „konstrukční“ spoje.

Tabulka 1 – Smyková pevnost různých slepených polymerů

Pro podobnou, čistě mechanickou aplikaci jsou nezbytné materiály s maximální mechanickou pevností, přičemž potřeba použití kluzného materiálu (vzhledem k tření na vyčnívající části vložky) orientuje konečný výběr materiálu směrem k semikrystalickým, vysokovýkonným termoplastickým polymerům.

Materiály s plnivem v podobě skleněných vláken by byly první volbou vzhledem k jejich mechanickým vlastnostem a tuhosti, ale v případech, kde dochází k častému kluznému a třecímu zatížení, by mohly způsobovat otěr přiléhající součásti a v některých případech by rovněž mohly být příliš křehké k tomu, aby odolávaly častým a rychlým změnám směru otáčení (jež jsou srovnatelné s rázovým zatížením) typickým pro tyto součásti.

Materiál optimalizovaný z hlediska kluzných vlastností, obsahující vnitřní maziva, jako například grafit nebo PTFE, by zhoršil přilnutí k CFRP a epoxidové matrici.

TECAPEEK natural byl zvolen proto, že poskytuje ideální rovnováhu mezi mechanickými vlastnostmi, kluznými vlastnostmi a možnostmi lepení.

Jako vždy při nahrazování kovu plastem se konstrukce součásti musí analyzovat a upravit na nový materiál na základě uvážení možných kritických aspektů, jako například tolerancí, konstrukčního designu a spojů s dalšími součástmi.

Přilnavost epoxidů k materiálům PEEK je vždy mnohem nižší než ke kovům. Tabulka č. 2 například uvádí specifikace lepených spojů navzájem mezi materiály PEEK s různými povrchovými úpravami a za různých podmínek a dokládá nízkou funkční způsobilost lepených polymerových povrchů.

V případě této kompozitové robotické paže konstrukce původní vložky nezaručovala bezpečné provázání součásti k matrici z CRFP a vyvstávalo riziko protáčení mezi vložkou a samotnou paží.

Aby se překonala nízká funkční způsobilost lepidla a zamezilo se vzájemnému protáčení součástí, byl navržen a vyroben mechanický spoj mezi vložkou z materiálu TECAPEEK natural a dílem z kompozitu s uhlíkovými vlákny. Jak znázorňuje průřez na výkresu č. 2, ve vložce z materiálu TECAPEEK natural jsou obráběním vytvořeny zářezy, aby ji bylo možné během procesu laminace bezpečně propojit do dílu z uhlíkového kompozitu. Zářezy ve vložkách jsou zcela zaplněny laminovaným kompozitním materiálem, aby se zamezilo jakémukoli vzájemnému protáčení těchto dvou součástí.

Výkres č. 1 – Konstrukce původní hliníkové vložky: při kruhovém vnějším tvaru je adheze mezi kovem a uhlíkovým kompozitem zajišťována výhradně pevností lepeného spoje

Výkres č. 2 – Vložka se zářezy vytvořenými na jejím vnějším povrchu k zajištění doplňujícího mechanického propojení s matricí s výztužnými vlákny pro vyloučení nežádoucího protáčení

Obrázky znázorňují porovnání mezi původní součástí a novou robotickou paží, kde je hliníková vložka nahrazena vložkou z materiálu TECAPEEK natural.

Hliníková vložka

Vložka z materiálu TECAPEEK natural

Bylo vyvinuto dokonalé řešení v podobě přímé náhrady původní kompozitové robotické paže. Zlepšení součásti spočívalo v následujících aspektech:

Použití vložek vyrobených obráběním z vysokovýkonného plastu (TECAPEEK natural), který u celé sestavy zvyšuje poměr výkonnosti vůči hmotnosti v porovnání s hliníkovými vložkami.
Modernizace konstrukce součásti včetně vytvoření zářezů vyplněných přímo matricí kompozitu během procesu laminace k eliminaci použití lepidla. Toto řešení zamezuje nežádoucímu vzájemnému protáčení součástí.
Ochrana proti galvanické a chemické korozi díky nepřítomnosti kovů.

U tohoto řešení byla celková hmotnost dílu snížena o dalších téměř 15 %. To teoreticky umožňuje rychlejší a bezpečnější provoz robotu Delta díky nižšímu momentu setrvačnosti.

Společnost Loson s.r.l. se specializuje na vývoj projektů a produktů s využitím kompozitů s polymerovou matricí na bázi technologie CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer – polymer vyztužený uhlíkovými vlákny). Společnost začínala původně v leteckém a aerokosmickém segmentu a své know-how následně přenesla do oblasti průmyslové automatizační technologie pro vysokovýkonné aplikace.