複合式機械手臂

進行此個案研究時，Loson配合恩欣格改良食品包裝生產線Delta機器人的機械手臂性能。因為其速度，依此可於工廠內使用此類快速及正確的機器進行取料及包裝，且於某些情況下，更可於每分鐘內執行高達300次之取料。

經過設計和製造後，碳纖複合式組件（於此為環氧樹脂組件內的編織碳纖）可減少重量與慣性，同時保留了高品質金屬合金所需的高機械特性。雖然輕重量為主要目標之一，通常也須使用較重的金屬嵌件（鋼、鋁或於鮮少情況下使用鈦）而將碳纖組件和其他機械組件連接，因此也會減少碳纖部分的優勢。

圖1所示為食品包裝工業機器所使用的機械手臂，總重約為300公克，其中有80公克(27%)以上為鋁製嵌件，進而部分影響組件重量減輕（減少慣性）之功能。若於嚴苛環境下使用腐蝕性酸性／鹼性清潔劑進行清洗（例如食品包裝生產線）時，此項架構將遭受鹽分腐蝕或電解耦合侵蝕之高度風險。

鋁

此概念為利用高性能聚合物取代鋁製嵌件（或其他金屬，因此更重），從而減少重量及腐蝕之風險，同時確保生產用途所需的高機械性能。

金屬嵌件通常利用雙組份環氧樹脂膠水黏在複合式組件上，或利用聚合物的樹脂作為黏合劑而併入複合式框架內。

如參考資料所述，聚合物嵌件與複合式組件之間的黏合強度卻無法保證相同等級之黏合效果，如表 1所示。此圖說明不同熱塑聚合物之間利用膠合連接的剪力強度通常均低於一般被視為「結構性」最低黏合強度之 6 MPa門檻值。

表 1 不同黏結聚合物的剪切強度

於此類純機械用途情況下，必須使用具備最高機械抗性的材料，且由於使用滑動性材料（由於外露嵌件之摩擦）之需求，因此必須選用半結晶高性能熱塑聚合物。

若考量機械特性和強度時，首先必須選擇添加玻璃之材料。若為時常滑動及摩擦用途時，可能會與配對組件產生耗損，以致有時太脆弱而無法承受通常此類組件會遭遇的頻繁且快速之反轉作用（足以和撞擊相比）；

此外，內部含有潤滑劑的滑動性材料（例如石墨或PTFE）也會損壞與CFRP及環氧樹脂組件的黏合效果。

因此可選擇TECAPEEK natural，以便在機械特性、滑動行為以及黏合可能性方面取得最佳之平衡。

一如以往，利用塑料取代金屬時，必須分析組件之設計，並於確認可能之重要層面（例如公差、結構設計和連接等）後，再使用於新的材料。

環氧樹脂對於PEEK的黏合效果遠低於金屬。以表 2為例，其內容說明在PEEK和PEEK之間利用不同的表面處理方式及不同情況下之黏合效果，但黏合後的聚合物表面呈現較低之性能。

若利用上述的複合式機械手臂，原有的嵌件設計將無法保證組件能有效與CRFP組件黏合，而在嵌件和機械手臂之間產生相對旋轉之風險。

為克服膠水的低性能以及避免組件相對旋轉之風險，於 TECAPEEK natural嵌件與碳纖複合式組件之間設計與製造了機械式連接功能。如圖說n.2橫斷面圖所示，TECAPEEK natural嵌件某些切割不足的部分已經過修整，因此可於膠合製程中安全併入碳纖複合式組件內。嵌件切割不足的部分已用膠合方式複合式材料，從而避免兩個組件之間產生任何相對旋轉動作。

n.1 原有鋁製嵌件之設計：由於做成圓形外表，金屬和碳纖之間的黏合必須依靠黏合強度。

n.2 外表切割不足之嵌件經過修整，而提供和纖維組件所需的額外機械性接點，從而避免不必要之旋轉。

這些圖片說明原有組件與新機械手臂之間的比對結果，其中的鋁製嵌件已被TECAPEEK natural嵌件所取代。

鋁嵌件

TECAPEEK natural 嵌件

針對原有的複合式機械手臂，本公司已發展一套完整的互換方案。組件可利用下列而強化：

使用高性能塑料（TECAPEEK natural）加工的嵌件，藉以提高組件的性能／重量比（和鋁製嵌件相比時）。
組件設計之升級，包括切割不足部位之修整，而在膠合過程中直接添加複合式組件，藉以避免使用膠水。本方案可避免組件產生不必要的相對旋轉作用。
由於不含金屬，因此可防止電解侵蝕和化學腐蝕。

利用此方案，可將組件的總重再減少約15%。由於較低的慣性力矩，理論上應可使Delta機器人執行更快速及更安全之操作。

Loson s.r.l.公司專門從事於依據CFRP（碳纖強化聚合物）科技，利用聚合物複合式組件研發專案及產品。從太空及航太領域開始，這家公司已將其專業技術轉移至高性能用途所需的工業用自動科技領域。