CFRP übertrifft Stahl bei Präzisions-Kugelgelenk-Anwendungen

Wie in CWs Artikel über rekonfigurierbares Werkzeug erwähnt, verändert der modulare Vorrichtungshersteller und Komponentenlieferant Prodtex (Göteborg, Schweden und Bristol, UK) nicht nur die Art, wie große Composite-Strukturen montiert werden, sondern baut die Vorrichtungen selbst aus Composite. Bei Vorrichtungen, die von Menschen gehoben und installiert oder von Robotern manipuliert werden müssen, führen geringere Masse und hohe Steifigkeit zu weniger Personalaufwand, kleineren Robotern, höherer Produktionsgeschwindigkeit und damit geringeren Kosten. Zu diesem Zweck arbeitet Prodtex nun an seinem ersten voll-composite Hexapod-Positionierroboter mit CFRP-Kugelgelenken von Corebon AB (Malmö, Schweden).

Nahezu spielfreie Kugelgelenke aus CFRP

„Die ursprüngliche Idee war, Metall-Kugelgelenke so umzugestalten, dass sie weniger Spiel haben“, erinnert sich Corebon-CEO Tobias Björnhov. Er erklärt, dass die Kugelgelenke und Lager des Unternehmens mit CFRP-Gehäusen nahezu spielfrei sind – es gibt also keinen Spalt oder Spiel zwischen den Teilen, „das Gelenk ist also steif, bevor man Last darauf legt“. Normalerweise „könnte es sich bewegen, wenn man die Richtung der Kraft in einem Lager ändert“, weist er hin, behauptet aber: „Unsere Strukturen bewegen sich nicht, weil sie vorgespannt und sehr steif sind.“

Corebon begann damit, Metall-Kugelgelenk-Gehäuse mit CFRP zu verstärken, die auch durch Schrumpfpressen des CFRP-Gehäuses auf die Metallkugel vorgespannt wurden (unterstützt durch den Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten). „Das war gut“, sagt Björnhov, „aber teuer in der Herstellung.“ Deshalb entwickelte Corebon ein reines CFRP-Kugelgelenk-Gehäuse, das mehrere präzisionsbearbeitete Metallteile ersetzt, die perfekt um die Kugel montiert werden mussten, durch ein einzelnes CFRP-Formteil. Formen und Vorspannen der Zweiteil-Baugruppe (die Kugel bleibt metallisch) erfolgt in einem einzigen Schritt mittels proprietärer Technologie.

Hoher Faseranteil für extreme Steifigkeit und Leitfähigkeit

Corebon fertigt auch Gleitlager und andere kinematische Paare – also zwei verbundene Objekte, die ihre relative Bewegung einschränken, wie Kolben in Zylindern, Kugelgelenke und Lager – sowie Roboterbauteile wie die abgebildeten CFRP-Kuppeln. Björnhov erklärt, dass diese Kuppel das robotische Handgelenk des Endeffectors bildet, „wo man einen Motor/Spindel für ein Bearbeitungswerkzeug oder einen Bandlegekopf etc. anbringen würde“. Er merkt an, dass zukünftige Iterationen dieser Kuppeln auch als Knoten in großen, aber leichten „Spinne“-Vorrichtungen für Montage dienen könnten, wie sie von TETRAFIX AB (Kungälv, Schweden) und Prodtex’ Lightweight Structures hergestellt werden. „Unsere ersten Anwendungen waren in Robotern, wo hohe Präzision erforderlich ist. Durch Gewichtsreduzierung der Endeffektoren erhöhen wir Präzision und Geschwindigkeit.“ Wie viel Gewichtsreduktion? „Von 27 kg auf 5,5 kg für die robotische Handgelenk/Werkzeughalter-Struktur“, sagt Björnhov.

Obwohl die CFRP-Kuppel mit ROHACELL Polymethacrylimid-Struktur Schaum von Evonik Corporation (Darmstadt, Deutschland) gekernt ist, erreicht Corebon auch hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit durch Maximierung des Fasergehalts. „Wir erreichen einen sehr hohen Faser-Volumenanteil – bis zu 80 % – was nahe am theoretischen Maximum liegt“, merkt Björnhov an. Das ist nicht nur erstaunlich, sondern hat auch faszinierende Implikationen. „Die Fasern berühren sich tatsächlich“, erklärt er, „daher erhalten wir hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, nicht nur in der Ebene, sondern auch in z-Richtung.“

Induktive Erwärmung von innen für 10x schnellere Zyklen

Der Herstellungsprozess, der dies ermöglicht und nun durch eine Reihe von Patenten geschützt ist, entstand aus Bemühungen, das Harztransferformen (RTM) und die Kontrolle von Harzinjektion und Erwärmung zu verbessern. „Wir injizieren das Harz nicht nur für RTM-Verfahren, sondern auch für Pressformen und Filamentwickeln“, weist Björnhov hin. „Der Schlüssel ist, dass wir von innen des Composites erhitzen, also die Wärme volumetrisch steuern. Das ist an keine spezifische Matrixart gebunden.“

Der Schlüssel ist die induktive Heiztechnologie. Aber Björnhov erklärt, dass Corebons Ansatz sich von anderen induktionsbasierten Composite-Fertigungsverfahren unterscheidet, „sowohl in den Induktoren, die wir verwenden, als auch in der Steuerung des elektromagnetischen Feldes“. Die resultierende sofortige und gleichmäßige 3D-Erwärmung kann auf fast jeden CFRP-Prozess angewendet werden, einschließlich Prepreg-Härtung und Pultrusion. Sie bietet Berichten zufolge Zykluszeiten 10-mal schneller als herkömmliche Composite-Prozesse, reduziert Energiekosten um bis zu 95 % und verwendet Formen, die 20-mal leichter sind als Stahl. Corebon lizenziert die Technologie und hat bereits Partnerschaften mit japanischen Unternehmen, darunter Sumitomo Corp. (Tokio, Japan).

„Jetzt schauen wir uns andere Anwendungen an, wie Automobilfederungen und Flugzeugkomponenten, die kinematische Paare mit hoher Genauigkeit und Steifigkeit benötigen“, sagt Björnhov. Corebon bereitet sich auch auf den industriellen Maßstab vor, der in diesen Branchen erforderlich ist, mit mehreren laufenden Projekten zur Demonstration der Fähigkeit zur Hochvolumenproduktion.