Geschwindigkeit und Steifigkeit stehen bei der Konstruktion von Bewegungssystemen normalerweise im Widerspruch zueinander. Wenn Sie eine Achse leichter machen, beschleunigt sie schneller, aber eine leichtere Struktur ist normalerweise auch weniger steif und neigt dazu, sich unter den Beschleunigungen zu verbiegen, die Sie mit der zu erreichenden Geschwindigkeit erreichen möchten. Machen Sie es steifer, indem Sie Masse hinzufügen, und Sie müssen bei jeder Bewegung wieder gegen die Trägheit ankämpfen. Kohlefaser-Verbundträger gibt es speziell, um diesen Kompromiss zu überwinden, und gerade deshalb sind sie bei Hochgeschwindigkeits-Portal- und Brückenachsenanwendungen-zu einer ernstzunehmenden Alternative zu Aluminium und Stahl geworden.
Warum das Verhältnis von Steifigkeit{0}}zu-Gewicht die Zahl ist, die wirklich zählt
Die reine Steifigkeit allein sagt nicht viel über ein sich bewegendes Strukturelement aus. - Ein massiver Stahlträger ist sehr steif, aber auch schwer, und bei einer Hochgeschwindigkeitsachse ist die Masse, die Sie bewegen, genauso wichtig wie die Steifigkeit dieser Masse. Die Kennzahl, die tatsächlich die Leistung in Bewegungsanwendungen vorhersagt, ist die spezifische Steifigkeit oder das Verhältnis von Steifigkeit-zu-Gewicht, und hier unterscheiden sich Kohlefaserverbundstoffe deutlich von Metallalternativen. Ein gut konstruierter Kohlefaserträger kann die Steifigkeit einer vergleichbaren Aluminiumstruktur bei einem bedeutenden Bruchteil des Gewichts erreichen oder sogar übertreffen.
Diese Gewichtsreduzierung wirkt sich auf das gesamte Bewegungssystem aus. Ein leichterer beweglicher Balken benötigt weniger Motordrehmoment, um mit der gleichen Geschwindigkeit zu beschleunigen, was kleinere Motoren, eine geringere Leistungsaufnahme und - bedeutet, da die Trägheit mit der Masse skaliert, - weniger Energie, die bei jedem Start-{3}}Stoppzyklus in Form von Wärme und Vibration verloren geht. Bei einer Anwendung, die Tausende von Zyklen pro Tag ausführt, summiert sich dieser zusammengesetzte Effekt auf die Einschwingzeit und die thermische Belastung zu einem echten Durchsatzunterschied und nicht nur zu einer Zahl im Datenblatt.
Wo die Faserverlegung zur eigentlichen Ingenieursarbeit wird
Der Vorteil von Kohlefaser ergibt sich nicht automatisch -, sondern hängt vollständig davon ab, wie das Material für den jeweiligen Lastfall konstruiert wird. Dabei handelt es sich um einen grundlegend anderen Konstruktionsprozess als die Bearbeitung eines Metallträgers auf einen Standardquerschnitt-. Faserausrichtung, Lagenfolge und Harzsystem werden alle auf die tatsächliche Belastung des Trägers - Biegung, Torsion oder eine Kombination - abgestimmt, und zwar auf eine Weise, für die isotropes Metall einfach nicht maßgeschneidert werden kann. Ein Balken, der für reine Biegesteifigkeit in einer Achse optimiert ist, und ein Balken, der für kombinierte Biege-{6}}Torsionsbelastung optimiert ist, können selbst bei identischen Gesamtabmessungen und ähnlichem Gewicht sehr unterschiedliche Aufbaupläne haben.
Hier wird in der Praxis der Qualitätsunterschied zwischen Carbonfaserlieferanten sichtbar. Ein Träger, der ohne gebührende Berücksichtigung des belastungsspezifischen Layup-Designs hergestellt wird, kann ein beeindruckendes Gewicht erreichen, während die tatsächliche Steifigkeit, die die Anwendung benötigt, nicht ausreicht. - Kohlefaser bestraft generische Konstruktionen mehr als Metall, weil die isotropen Eigenschaften von Metall ein weniger{3}maßgeschneidertes Design verzeihen, und zwar in einer Art und Weise, wie dies bei Verbundwerkstoff-Layups nicht der Fall ist.
Dämpfung: Ein sekundärer Vorteil, der leicht zu unterschätzen ist
Abgesehen vom Steifigkeits-/-Gewichtsvorteil bieten Kohlefaserverbundwerkstoffe aufgrund des viskoelastischen Verhaltens der Harzmatrix zwischen den Faserschichten auch tendenziell eine bessere Eigenschwingungsdämpfung als Aluminium. Es ist nicht in der gleichen Liga wie die Dämpfungsleistung von Granit, aber für ein bewegliches Strukturelement -, bei dem Granit aufgrund seines Gewichts im Allgemeinen keine praktische Materialwahl ist - verkürzt der Dämpfungsvorteil von Kohlefaser gegenüber Aluminium die Einschwingzeit nach jedem Beschleunigungsereignis erheblich, was sich direkt auf die Zykluszeit bei Anwendungen mit hoher -Wiederholung auswirkt.
Wo Kohlefaserträger passen und wo nicht
Präzisionsträger aus Kohlefaser sind insbesondere als bewegliche Strukturelemente - Portalquerträger, Brückenachsen und Auslegerarme - am sinnvollsten, wo die Kombination aus geringer Masse und hoher Steifigkeit direkt zu einer schnelleren Beschleunigung und kürzeren Einschwingzeit führt. Dies ist eine andere Rolle als die stationären Granit- oder Mineralgusssockel, die an anderer Stelle im Präzisionsgerätedesign diskutiert werden; Ein beweglicher Balken und eine stationäre Referenzbasis lösen unterschiedliche Probleme und konkurrieren selten um dieselbe Anwendung.
Es lohnt sich auch, die Kompromisse-direkt anzugehen. Kohlefaserkomponenten kosten im Allgemeinen mehr als gleichwertige Aluminiumstrukturen, und das Wärmeausdehnungsverhalten - ist in der Faserrichtung - zwar typischerweise geringer als das von Aluminium, kann jedoch komplexer zu charakterisieren sein als ein isotropes Metall, da es je nach Lagenausrichtung variiert. Für Anwendungen, bei denen Massenreduzierung nicht der Hauptgrund ist, kann ein gut konstruierter Aluminium- oder Stahlträger immer noch die wirtschaftlichere Wahl sein.
Was Sie einen Lieferanten zum Design von Kohlefaserträgern fragen sollten
Bevor Sie einen Carbonfaser-Präzisionsträger spezifizieren, sollten Sie sich fragen, für welchen Lastfall der Aufbau tatsächlich für - Biegung, Torsion oder kombiniert - entwickelt wurde, anstatt eine generische Steifigkeitszahl ohne Kontext zu akzeptieren. Es lohnt sich auch, nach tatsächlichen Durchbiegungs- und Eigenfrequenzdaten für Ihre spezifische Montage- und Lastkonfiguration zu fragen, da die veröffentlichte Steifigkeitszahl eines Trägers nicht immer seine Leistung nach der Installation mit Ihren speziellen Endbefestigungen und Nutzlast widerspiegelt. Wir liefern Präzisionsträgerkomponenten aus Kohlefaser als Teil unserer umfassenderen Präzisionsstrukturproduktlinie. Die praktische Lehre aus dieser Arbeit ist, dass die Faseraufbautechnik hinter dem Träger wesentlich wichtiger für die Leistung in der Praxis ist als die Materialauswahl allein.