Navrhování komponentů z uhlíkového kompozitu

Uvádíme několik podstatných zásad, které by mohly pomoci při pohledu na konstrukci prvku navrhovaného z uhlíkových vláken. Mnoha konstruktérům vyškoleným na práci s tradičními materiály se nebude přístup k navrhování kompozitů líbit.

Konstrukční zásady

Kompozit, to je aditivní proces, při výrobě dílu je možno určit mnoho jeho vlastností. Konstrukční celistvosti kompozitů napomáhají hladce tvarované, přirozené kontury. Vlákna se potřebují kolem rohů ovinout a nemají ráda ostré hrany. Nepoužívejte otvory s pravoúhlými hranami. Omezte používání schodovitých tvarů, zapuštěných částí, kanálků, štěrbin a kontrolních průzorů. Abyste dosáhli optimálního poměru ceny a hmotnosti k tuhosti bude prvek z kompozitu většinou větší než z oceli. steel-composite-comparison

Budete-li započítávat nestejnou roztažnost, je důležitá symetrie.

Tepelné chování

U řešení nosníku stroje na bázi kompozitu je možné dosáhnout lepší tepelné stability, tepelné deformace jsou ale mnohem složitější než u tradičního izotropního materiálu. Nosník stroje vyrobený z oceli, litiny nebo hliníku se bude roztahovat ve všech směrech stejně. Kompozit není izotropní a jeho strukturální i tepelné vlastnosti závisejí na směru vláken v jednotlivých vrstvách a na všech plochách komponentu. I pokud je průřez nosníku symetrický, jeho tepelné chování bude nestejnoměrné. Přidáním byť jen tenkého plátu oceli zásadně změníte tepelné deformace. fe-thermal-effects-2

U třírozměrných prvků je nutno veškerou tepelně deformační aktivitu na koncích nosníku vyvážit, jinak se právě na koncích profilu projeví efekt lokálního zvlnění či zkroucení.

Tepelnému chování kompozitních materiálů je třeba plně rozumět a je třeba ho předem metodou konečných prvků vymodelovat, aby se dala předpovědět přesnost komponentu jak při výrobě, tak při každodenním provozu stroje.

I když jsou tepelné deformace kompozitů mnohem náročnější na pochopení i předvídání, výsledkem je menší roztažnost než u jejich ekvivalentů z izotropních kovů.

fe-thermal-effects-1

Komplexní pohled na celý systém

Příklad motoru vřetena fukuda-motor

Tepelná roztažnost různých součástí motoru vřetena bude mít vliv na přesnost obrábění. Z toho vyplývá, že pro optimální přesnost je třeba minimalizovat odchylky hrotu nástroje (Δ).

Uhlíkový grafitový kompozit nabízí kromě dobré pevnosti a tuhosti také zápornou tepelnou roztažnost. K dosažení nulové odchylky Δ je proto potřeba provést výpočty k dosažení vyvážené tepelné roztažnosti hřídele a tubusu, případně i držáku a stopky nástroje.

Chceme-li vyvážit jedno zatížení vyvolané tepelnou roztažností jiným, zátěže musejí procházet přes ložiska. Tepelná reakce se pak musí pohybovat v rámci kapacity ložisek.

Zatížení tvořená tepelnou roztažností a vyvažovaná zatíženími jiné součásti budou závislá na účinném modulu pružnosti a na součiniteli tepelné roztažnosti.

spindle-motor-diagram

Odhadovaný přínos

Srovnání spotřeby energie a nákladů

Náklady na uhlíkové vlákno se často zmiňují jako důvod, proč ho ani nezvažovat. Takové uvažování je ale chybné.

Uhlíkové vlákno je drahé a má tedy smysl pouze, když přinese jiné finanční výhody. A to se v mnoha případech daří. P

odívejte se zde na jednoduchý příklad. Nosník navržený z různých materiálů, ale se stejnou tuhostí, aby mohl provádět stejnou práci. Cena materiálu – uhlíkového vlákna – se zdá neuvěřitelně vysoká, když se ale z něho vyrobí nosník stejné tuhosti, je výsledek už 4× levnější z oceli. energy-cost-comparison

Začněte s nosníkem pohybovat a cena motorů, ložisek a všech okolních systémů může být rázem nižší, stejně tak jako provozní náklady. Přidejte náklady na dobu několika let a cena uhlíkového vlákna je najednou snadno zdůvodnitelná. A to nepočítáme další výhodu lepších tlumicích vlastností, což zvyšuje kvalitu produkce. Uvádíme příklad jednoduché tabulky, kterou je možno stáhnout zde.

Výhody v kvalitě se těžko předvídají

Kvalita a vyšší provozní rychlost způsobená lepšími tlumicími vlastnostmi se těžko odhadují, jsou ale rozhodně dosažitelné. Dokud nebude k dispozici rozsáhlý soubor dat, nejlepší cestou kupředu zůstávají experimentální metody.