CFK ist der beste Stahl in Präzisionskugelgelenken

Wie in CWs erwähnt Feature-Artikel über rekonfigurierbare Werkzeuge, das Designunternehmen für modulare Vorrichtungen/Komponentenlieferant Prodtex (Göteborg, Schweden und Bristol, Großbritannien) verändert nicht nur die Art und Weise, wie große Verbundstrukturen montiert werden, sondern verwendet auch Verbundwerkstoffe, um die Vorrichtungen selbst zu bauen. Bei Vorrichtungen, die von Menschen angehoben und installiert und/oder von Robotern manipuliert werden müssen, führen reduzierte Masse und hohe Steifigkeit zu weniger Personal/kleineren Robotern, erhöhter Produktionsgeschwindigkeit und infolgedessen reduzierten Kosten. Um diese Ziele zu erreichen, arbeitet Prodtex nun an seinem ersten Hexapod-Positionierungsroboter aus reinem Verbundwerkstoff, der Kugelgelenke auf der Basis von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) verwendet, die von Corebon AB (Malmö, Schweden) hergestellt werden.

„Die ursprüngliche Idee war, Kugelgelenke aus Metall so umzugestalten, dass sie weniger Spiel haben“, erinnert sich Corebon-CEO Tobias Björnhov. Er erklärt, dass die Kugelgelenke und Lager des Unternehmens mit CFK-Gehäusen nahezu spielfrei sind, d. h. es gibt keine Lücke oder kein Spiel zwischen den Teilen, „das Gelenk ist also steif, bevor man es belastet.“ Normalerweise, „wenn Sie die Richtung der Kraft in einem Lager ändern, könnte es sich bewegen“, betont er, behauptet aber:„Unsere Strukturen bewegen sich nicht, weil sie vorgespannt und sehr steif sind.“

Corebon begann mit der Verstärkung von Metallkugelgelenkgehäusen mit CFK, die ebenfalls durch Aufschrumpfen des CFK-Gehäuses auf die Metallkugel (unterstützt durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten) vorgespannt wurden. „Die waren gut“, sagt Björnhov, „aber teuer in der Herstellung.“ Aus diesem Grund hat Corebon ein komplett aus CFK gefertigtes Kugelgelenkgehäuse entwickelt, das mehrere präzisionsgefertigte Metallteile, die perfekt um die Kugel herum montiert werden müssen, durch ein einziges CFK-Formteil ersetzt. Das Formen und Vorspannen der zweiteiligen Baugruppe (die Kugel bleibt aus Metall) wird in einem einzigen Schritt mit proprietärer Technologie erreicht.

Corebon stellt auch Gleitlager und andere kinematische Paare her – also zwei verbundene Objekte, die ihre Relativbewegung einschränken, wie ein Kolben in einem Zylinder, Kugelgelenke und Lager – sowie Teile für Roboter, wie die oben abgebildeten CFK-Kuppeln Rechts. Björnhov erklärt, dass diese Kuppel das Roboterhandgelenk des Endeffektors umfasst, „wo man einen Motor/eine Spindel für ein Bearbeitungswerkzeug oder einen Bandlegekopf usw. anbringen würde.“ Er weist darauf hin, dass zukünftige Iterationen dieser Kuppeln auch als Knoten in den großen, aber leichten „Spinnen“-Halterungen für die Montage verwendet werden könnten, wie sie beispielsweise von TETRAFIX AB (Kungälv, Schweden) und den Leichtbaustrukturen von Prodtex hergestellt werden. „Unsere ersten Anwendungen waren Roboter, bei denen eine hohe Präzision erforderlich ist. Durch die Gewichtsreduzierung der Endeffektoren erhöhen wir Präzision und Geschwindigkeit.“ Wie viel Gewichtsreduktion? „Von 27 kg auf 5,5 kg für die Roboter-Handgelenk-/Werkzeughalter-Struktur“, sagt Björnhov.

Obwohl die CFK-Kuppel mit ROHACELL Polymethacrylimid-Strukturschaum aus Evonik Corporation (Darmstadt, Deutschland) erzielt Corebon außerdem eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit durch Maximierung des Fasergehalts. „Wir erreichen ein sehr hohes Faservolumen – bis zu 80 % – was nahe am theoretisch möglichen Maximum liegt“, bemerkt Björnhov. Dies ist nicht nur verblüffend, sondern hat auch faszinierende Auswirkungen. „Die Fasern berühren sich tatsächlich“, erklärt er, „so erhalten wir eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, nicht nur in der Ebene, sondern auch in z-Richtung.“

Der Herstellungsprozess, der dies ermöglicht und inzwischen durch eine Reihe von Patenten abgedeckt ist, wurde aus den Bemühungen abgeleitet, das Resin Transfer Moulding (RTM) und die Steuerung der Harzinjektion und -erwärmung zu verbessern. „Wir spritzen das Harz nicht nur für die RTM-Verarbeitung, sondern auch für das Formpressen und Filament Winding“, betont Björnhov. „Der Schlüssel ist, dass wir von innen heizen des Komposits, also kontrollieren wir die Wärme volumetrisch, bemerkt er und fügt hinzu:"Dies ist nicht an eine bestimmte Art von Matrix gebunden."

Der Schlüssel dazu ist die induktive Erwärmungstechnologie. Aber Björnhov erklärt, dass sich Corebons Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Basis von induktiver Erwärmung unterscheidet, „sowohl in den Induktoren, die wir verwenden, als auch in der Art und Weise, wie wir das elektromagnetische Feld steuern.“ Die resultierende sofortige und gleichmäßige 3D-Erwärmung kann auf fast jeden CFK-Prozess angewendet werden, einschließlich Prepreg-Härtung und Pultrusion. Es bietet zehnmal schnellere Zykluszeiten als herkömmliche Verbundwerkstoffprozesse, senkt die Energiekosten um bis zu 95 % und verwendet Formen, die 20mal leichter sind als Stahl. Corebon lizenziert die Technologie und unterhält bereits Partnerschaften mit japanischen Unternehmen, darunter Sumitomo Corp. (Tokio, Japan).

„Jetzt schauen wir uns andere Anwendungen an, wie beispielsweise Fahrzeugaufhängungen und Flugzeugkomponenten, die kinematische Paare mit hoher Genauigkeit und Steifigkeit benötigen“, sagt Björnhov. Corebon bereitet sich auch auf den in diesen Industrien erforderlichen industriellen Maßstab vor, wobei mehrere Projekte im Gange sind, um seine Fähigkeit zur Produktion in hohen Stückzahlen zu demonstrieren