復材龍門梁
重量輕、剛度高的CFRP龍門梁使Ultimate能夠進行高速精密切割。
CompoTech PLUS（捷克共和國蘇希策）使用其專有的先進纖維鋪設（AFL）和纏繞技術，用輕質碳纖維增強聚合物（CFRP）部件代替鋼和鋁，如伸縮桿、龍門架、旋轉軸、主軸、橫梁和生產機械工具。自2013年以來，CompoTech與Kongsberg Precision Cutting Systems（Kongsberg PCS，Kongsberg，Norway）之間的研發合作旨在通過為扁平和瓦楞包裝及展示材料的大批量轉換器開發更廣泛、更快、高精度的數字系統來降低運營成本并提高生產率。多年來，這些目標已經發展出一種CFRP龍門架設計，現在為機器性能提供了新的水平。
這些自動化機器具有龍門梁，使齒輪驅動的切割頭能夠在寬闊的工作臺上來回飛行，從下面的材料中切割出形狀。該梁必須承受切割頭的載荷，以及其加速和減速，從而產生旋轉力、剪切力和偏斜力的混合。
新的Kongsberg Ultimate數字切割機于2024年初推出，采用最新一代碳纖維增強塑料梁，其設計目的不僅僅是取代鋁制零件，而是優化復合材料和CompoTech的設計和制造技術的使用。The Ultimate在歐洲和美國獲得了獎項，稱贊其在印刷和包裝生產商的技術和性能方面取得了巨大進步。
生產創新伙伴關系
Kongsberg PCS成立于1965年，位于奧斯陸附近，擁有跨國業務，在捷克共和國布爾諾集中生產，在比利時根特設有全球總部和客戶體驗中心，在俄亥俄州代頓設有北美總部。2021年，Kongsberg收購了MultiCam股份有限公司（美國得克薩斯州歐文市），該公司是一家激光、等離子體和水射流切割機以及數控路由器的全球供應商。
隨著康斯博格開始與CompoTech合作，康斯博格的一個關鍵目標是通過開發更廣泛的切割系統來降低運營成本并提高生產率，這些切割系統還可以提高速度和精度。CompoTech與康斯博格的研發團隊密切合作，實現了這一目標。CompoTech業務開發主管漢弗萊·卡特(Humphrey Carter)博士表示：“我們的第一個開發項目是康斯博格C6系列的4米長CFRP龍門梁，其特點是桌子寬25%，寬3.2米。”。“我們的碳纖維增強塑料梁必須與原始鋁梁的輪廓相匹配，以保持組件的一致性，但也必須與撓度相匹配，即使我們的梁長了1米。我們做到了這一點，而且效果很好。”
“然而，對于Ultimate機器，Kongsberg讓我們可以自由地調整截面輪廓，以充分利用材料和性能，”漢弗萊·卡特說。“我們真的可以優化復合材料的設計，使其盡可能堅固輕便。最終設計的另一個好處是，與C6系列梁所需的兩步工藝相比，可以在單纖維纏繞步驟中更有效地生產。”
泡沫芯設計、瀝青和聚丙烯腈纖維
CRFP梁顯示，鋁軌通過螺栓固定在碳纖維側條加工的孔中，然后粘合到梁上的鋁桿插入件中。
對于Kongsberg Ultimate，CompoTech選擇了其內部開發的泡沫芯集成梁結構，以最大限度地提高剛度并最大限度地減輕重量。最終設計的龍門架重量僅為70公斤，主梁層壓板的模量為230 GPa，負載下的撓度僅為200微米。
這種非常高的彎曲剛度是通過沿梁軸向放置超高模量（UHM-ultra-high modulus）瀝青碳纖維來實現的，這是使用CompoTech的“真正的零度放置”技術實現的?？ㄌ卣f：“瀝青纖維比基于聚丙烯腈（PAN）前體的更典型的碳纖維具有更高的模量，但它也是一種更脆弱的纖維，如果處理不當，可能會失去性能。”
CompoTech研發總監Ond?ej-Uher博士補充道：“我們通過放置瀝青纖維來設計和制造高度優化結構的能力是我們完善的專長。”?？ㄌ刂赋觯琔ltimate的龍門梁還使用標準和中等模量的PAN纖維以及標準的長固化環氧樹脂。這種材料組合用于通過在與最終外層層壓板過度纏繞之前將剛度纏繞到結構中來降低梁的旋轉剛度。Uher補充道：“這種設計提供了高水平的固有頻率阻尼，這有助于提高新型Ultimate機器的切割速度和精度。”。
通過精確切割提高加速度
安裝在Kongsberg Ultimate龍門架上的數字切割頭沿著鋁制軌道穿過切割臺?？ㄌ卣f：“軌道固定系統沿著梁的整個長度延伸。”。“Ultimate龍門架的新梁設計需要容納更大的數字切割頭，該切割頭可施加高達50公斤的下壓力并產生大量的扭轉應力。”
Kongsberg PCS的研發總工程師托馬斯·馬爾姆（Thomas Malme）解釋說：“對于切割臺來說，最重要的是加速度，并結合龍門梁的剛度來提供性能。”“使切割頭盡快達到最大速度并再次降至零比最大速度更重要。”
為了實現這一點和所需的高切割精度，CompoTech開發了一種將這些軌道固定到CFRP龍門梁上的創新方法。這包括在內部結構中采用創新的插入件系統，并在梁被壓制和固化后進行精確的安裝表面加工。
行業成功，未來發展
馬爾姆說，CompoTech的協作方式是康斯博格終極帆船成功的關鍵。他指出：“我們研究了所有設計領域，包括硬件和軟件，在不影響切割精度的情況下，我們可以盡可能快地制造出Ultimate。”。“新的高扭矩電機驅動器與CompoTech的新設計龍門梁相結合，使Ultimate的最大XY線性加速度達到2.7 G，線性切割速度高達每秒2.8米。安裝正確的切割工具后，它可以高精度地切割和折痕厚度達30毫米的材料。”
卡特補充道：“之前的設計，C6，加速度要低得多，只有每秒7米，而2.7 G（每秒26.5米），所以它并不是真正可比的，因為我們已經從之前設計規范限制的120×120輪廓變成了150×150優化輪廓。”
康斯博格PCS和CompoTech繼續探索創新的新產品開發?？ㄌ卣f：“我們已經能夠證明，當創造結構以充分利用復合材料時，這種優勢是顯而易見的。”。“我們期待著康斯博格PCS的下一個挑戰以及我們的持續合作。”
原文，《Optimized CFRP gantry beam enhances Ultimate cutting machines 》 2024.11.20
楊超凡 2024.11.21
