Kompozit robot kolu

Bu örnek çalışmada, Loson ve Ensinger, bir gıda ambalajı hattı için Delta robotta kullanılan bir robot kolunun performansını geliştirmek için işbirliği yaptı. Bu hızlı ve hassas makineler, bazı durumlarda, dakika başına 300'e varan toplama performansını mümkün kılmaları sayesinde fabrikalarda toplama ve paketleme için kullanılmaktadır.

 

Karbon elyaflı kompozit parçalar (bu durumda epoksi matrisi içindeki karbon dokuma kumaşı), yüksek kaliteli metal alaşımların tipik yüksek mekanik özelliklerini koruyarak, ağırlık ve ataleti düşürmek için tasarlanmış ve üretilmiştir. Hafiflik ana hedeflerden biri olmasına rağmen, ağır metal ek parçaları (çelik, alüminyum veya bazı durumlarda titanyum) normalde karbon elyaflı kompozit parçaları diğer mekanik bileşenlerle bağlamak için gereklidir, bu yüzden karbon elyafının yararları kısmen azaltılmış olur.

Şekil 1, gıda ambalajı endüstrisindeki bir makine için robot kolunu göstermektedir: Yaklaşık 300gr ağırlığında, 80gr’dan fazlası (') alüminyum ekler tarafından hesaplanmıştır, bu nedenle parça ağırlığını düşürme çabası (ataleti düşürmek için) kısmen tehlikeye girmektedir. Ayrıca, agresif asitlerin/bazların temizlikte kullanıldığı sert çevrelerde (örn. gıda ambalaj hatları), bu durum tuz korozyonu veya galvanik kaplin korozyonu riskine tabiidir.

Alüminyum

Buradaki amaç, ağırlığı, korozyon riskini azaltmak; aynı zamanda uygulama tarafından gerekli olan yüksek mekanik performansı garanti etmek için alüminyumdan (veya diğer metal ve dolayısıyla daha ağır) yapılmış bir eki değiştirmektir. 

Metal ekler genellikle iki bileşenli epoksi yapıştırıcılar kullanılarak kompozit parçalara yapıştırılır veya doğrudan yapıştırma maddesi olarak polimerik matrisin reçinesi kullanılarak kompozit çerçeveye dahil edilmektedir.

Ne yazık ki, literatüre bakıldığı zaman polimerik bir ek ve kompozit parça arasındaki yapışma kuvveti, örneğin Tablo n.1'de görüldüğü gibi aynı seviyede yapışmayı garanti edememektedir. Bu grafik, farklı termoplastik polimerleri yapıştırarak bir bağlantının kesme dayanımının, genellikle "yapısal" yapıştırma için minimum olarak düşünülen 6 MPa eşiğinin oldukça altında olduğunu göstermektedir.

Tablo 1 Farklı termoplastiklerin yapıştırılması sonucu kesme mukavemeti
Tamamen mekanik bir uygulama için maksimum mekanik dirence sahip malzemeler gereklidir ve sürtünmeye dayanımlı malzemeye olan gereksinim (açıkta kalan ek parçası üzerindeki sürtünme nedeniyle), yarı kristal yüksek performanslı termoplastik polimerlere doğru seçim yapılmasına neden olmaktadır.
Mekanik özellikler ve sertlik için cam dolgulu malzemeler ilk seçenek olacaktır ancak sürekli kayma ve sürtünmenin olduğu durumlarda birlikte çalıştığı malzemeyi aşındırabilirler ve bazı durumlarda sürekli ve hızlı rotasyon inversiyonlarına (darbelerle karşılaştırılabilir) dayanmaları için fazla kırılgan olabilirler.
Grafit veya PTFE gibi iç yağlayıcıları içeren aşınma direnci optimize edilmiş malzeme, CFRP ve epoksi matrisi ile birleşmeyi daha kötü bir hale getirebilir.
TECAPEEK natural, mekanik özellikleri ile kayma ve yüksek sürtünme dayanımı davranımı ve yapıştırma olasılıkları arasındaki ideal dengeyi sağlaması için seçilmiştir.
Tablo 2 PEEK-PEEK yapıştırılmasındaki farklı yüzey işlemleri

Her zamanki gibi bir metali plastik ile değiştirirken, toleranslar, yapısal tasarım ve bağlantılar gibi olası kritik durumları belirledikten sonra bileşen tasarımının analiz edilmesi ve yeni malzemeye adapte edilmesi gerekmektedir. 

Epoksilerin PEEK'e yapışması her zaman metale göre çok daha düşüktür. Örneğin, Tablo n. 2 farklı yüzey işlemleri ve çeşitli koşullar altında PEEK 'in PEEK ile yapıştırılmasını gösterir ve yapıştırılmış polimer yüzeylerin düşük performansının altını çizer. 

 

Bu kompozit robot kolu durumunda, 

ek ve kol arasındaki nispi rotasyon riskiyle birlikte

orijinal insert tasarımı, bileşenin, CRFP matrisine güvenli bir şekilde yapışmasını sağlamadı.

Tutkalın düşük performansının üstesinden gelmek ve bileşenlerin karşılık rotasyonunu önlemek için TECAPEEK natural ek ve karbon elyaflı kompozit parça arasında mekanik bir bağlantı tasarlanmış ve üretilmiştir. Çizim n.2’de bulunan ara kesitte gösterildiği gibi, bazı alt kesimler TECAPEEK natural ekte işlenmiştir, böylece laminasyon işlemi sırasında karbon elyaflı kompozit parçaya güvenli bir şekilde dahil edilmiştir. İki bileşenin nispi rotasyonunu engellemek amacıyla eklerin alt kesimleri tamamen lamine kompozit malzeme ile doldurulmuştur.

Çizim n. 1 - Original alüminyum insert tasarımı: yuvarlak dış şekilli, metal ve karbon fiber arasındaki yapışma sadece bağlanma dayanımı ile karşılanır.
Çizim n. 2 - Alt kesimleri harici olarak işlenmiş insert: istenmeyen dönüşlerden kaçınmak için fiber matrisine ek mekanik bağlantı için
Resimler, TECAPEEK natural insert tarafından alüminyum insert parçanın yerleştirildiği orijinal bileşen ile yeni robot kolu arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir.
Aluminyum insert
TECAPEEK natural insert

Orijinal kompozit robot kolu için mükemmel bir değiştirilebilir çözüm geliştirilmiştir. Bileşen, şu şekilde iyileştirilmiştir:

  • Yüksek performanslı plastikle işlenmiş insert kullanımı (TECAPEEK natural), alüminyum insertlere kıyasla montajın performans/ağırlık oranını arttırır.
  • Tutkal kullanımını önlemek adına, laminasyon prosedürü sırasında doğrudan kompozit matris ile doldurulmuş, işlenmiş alt kesimler dahil olmak üzere bileşen tasarımının yükseltilmesi. Bu çözüm, bileşenlerin istenmeyen nispi rotasyonunu engellemektedir.
  • Metal kullanılmaması sayesinde galvanik ve kimyasal korozyondan korunma.

 

Bu çözüm ile teorik olarak Delta robotunun düşük atalet momenti sayesinde daha hızlı ve güvenli bir operasyona imkan sağlayarak parçanın toplam ağırlığı neredeyse  daha azaltılmıştır.

 

 

Loson s.r.l. şirketi, CFRP (Karbon Elyaf Destekli Polimer) teknolojisine dayanan polimer matris kompozitleri kullanarak proje ve ürünleri geliştirme alanında uzmanlaşmıştır. Havacılık ve Uzay segmentlerinden başlayarak, teknik bilgileri, yüksek performanslı uygulamalar için Endüstriyel Otomasyon teknolojisine de aktarılmıştır.