Проектирование соединений углепластик–металл для робототехники и автоматизированного оборудования

В робототехнике, автоматизированном оборудовании и высокоскоростных механизмах углепластик часто используется для звеньев манипуляторов, опорных конструкций и элементов конечных исполнительных устройств, чтобы уменьшить движущуюся массу и инерцию.

Однако надёжность конструкции нередко в большей степени определяется не самим углепластиковым элементом, а соединением между ним и металлическими деталями — редукторами, шарнирами, основаниями и другими узлами.

Углепластиковые композиты обладают выраженной анизотропией и чувствительны к локальным концентрациям напряжений.

Если зона соединения спроектирована неправильно, возможны растрескивание матрицы, расслоение, повреждение волокон или локальное разрушение материала у отверстий.

Поэтому соединения углепластика с металлом нельзя проектировать простым копированием традиционных соединений между металлическими деталями.

Как выбрать между тремя распространёнными способами соединения?

Клеевое соединение позволяет передавать нагрузку через относительно большую площадь контакта и не требует сверления отверстий.

Это помогает избежать перерезания волокон и может снизить локальную концентрацию напряжений.

Такой способ особенно подходит для конструкций, где преобладают сдвиговые нагрузки и важны малая масса и непрерывность внешней поверхности.

Однако клеевые соединения предъявляют повышенные требования к подготовке поверхности, толщине клеевого слоя, условиям отверждения и длине нахлёста.

По возможности также следует избегать значительных отрывных нагрузок.

Механическое крепление удобно для разборки и технического обслуживания и широко применяется в шарнирах роботов и интерфейсах оборудования.

Однако отверстия нарушают локальную непрерывность волокон и создают повышенные напряжения по краям отверстий.

При проектировании необходимо учитывать не только диаметр отверстий, шайбы и втулки, но и расстояние от отверстия до края, расстояние между отверстиями, расположение крепежа и локальное усиление слоёв вокруг отверстий.

Слишком большое усилие предварительной затяжки болтов также может вызвать локальное смятие композита.

Металлические закладные элементы подходят для участков, где требуется резьбовое соединение, ограничено монтажное пространство или действуют сосредоточенные нагрузки.

Правильно спроектированная закладная деталь позволяет увеличить площадь передачи нагрузки и снизить локальные напряжения в композите.

Однако по краям самой закладной детали также могут возникать новые концентрации напряжений.

Поэтому необходимо учитывать её геометрию, обработку поверхности, способ охвата слоями композита, а также различие в тепловом расширении металла и углепластика.

Какие проблемы чаще всего возникают в зоне соединения?

Первая — концентрация напряжений и локальное смятие у отверстий.

После сверления углепластиковой конструкции нагрузка концентрируется в области стенки отверстия.

Распределение нагрузки можно улучшить за счёт локальных усиливающих слоёв, увеличения опорной площади, применения втулок, а также оптимизации расстояний до края и расположения крепежа.

Вторая — недостаточная жёсткость соединения.

В роботизированных манипуляторах и высокоскоростных системах позиционирования даже при отсутствии прочностного разрушения небольшие проскальзывания и локальные деформации могут повлиять на точность положения конечного исполнительного устройства.

Поэтому в соединении необходимо проверять не только прочность, но и жёсткость узла, а также способ передачи нагрузки от металлической детали в композит.

Третья — гальваническая коррозия.

Углеродное волокно электропроводно.

При прямом контакте с алюминиевыми и некоторыми другими металлами во влажной среде или при наличии электролита риск гальванической коррозии металла может увеличиваться.

Фактический риск также зависит от типа металла, соотношения площадей контакта и условий окружающей среды.

Для уменьшения прямого электрического контакта могут применяться изолирующие слои из стекловолокна, диэлектрические покрытия и другие меры изоляции интерфейса.

Главное в проектировании соединения — понять путь передачи нагрузки

При проектировании соединения углепластик–металл главный вопрос заключается не в том, что выбрать в первую очередь — клей, болты или закладные элементы.

Сначала необходимо определить, где нагрузка входит в конструкцию, в каком направлении она передаётся и какая жёсткость соединения требуется.

Также необходимо учитывать циклические нагрузки, удары, изменение температуры, доступное монтажное пространство, необходимость разборки и точность сборки.

В некоторых конструкциях можно использовать комбинированное соединение — клеевое вместе с механическим креплением.

Однако гибридное соединение не означает автоматически более высокую надёжность.

Из-за разной жёсткости клеевого слоя и крепежа фактическое распределение нагрузки между ними может быть достаточно сложным.

Поэтому необходимо заранее определить, какую функцию должен выполнять клеевой слой, а какую — крепёж.

GBTECH может на основе чертежей клиента, требований по нагрузке, размеров металлических интерфейсов и способа сборки помочь оценить схему укладки углепластиковых элементов, конструкцию закладных деталей, отверстий и варианты последующей механической обработки.

Отправить запрос:https://gbtechrussia.com/SendInquiry/

Ознакомьтесь с техническими характеристиками углеродноволокнистых труб:

https://gbtechrussia.com/Carbon-Fiber-Tubes/