Robotbaserad applicering av fiberarmerad termoplast

Transkript

1 Robotbaserad applicering av fiberarmerad termoplast Den höga specifika styvhet och styrka som kännetecknar kolfiberkompositer gör sådana material särskilt intressanta för tillämpningar i roterande maskiner. Tyvärr har dessa material nackdelen att tillverkningsprocessen är arbetsintensiv och därmed både långsam och dyr. Denna nackdel håller på att elimineras av högt automatiserad applicering av fiberarmerad termoplast, vilken går ut på att impregnerade termoplastband värms och tillåts stelna under tryck på plats. ABB har utvecklat processen i laboratorium med ett 6-axligt robotsystem och använder det för att ta fram nya komponenter för turbomaskiner. Processen är även intressant för tillämpningar inom flygplans- och biltillverkning. A llt högre krav ställs på god prestanda och verkningsgrad till lägre kostnader. Detta har tvingat tillverkare av högvarviga turbomaskiner och andra dynamiska system att öka sina ansträngningar att förbättra egenskaperna i sina utgångsmaterial. För robotsystem, där massor måste accelereras snabbt, eller för rotorer som måste stå emot stora centrifugalkrafter, krävs material som kombinerar styrka och styvhet med låg vikt. Fiberkompositer uppfyller dessa krav bättre än standardmaterial som stål, aluminium eller titanlegeringar. Detta beror på fiberkompositernas svårslagna styrka/vikt- och styvhet/vikt-förhållanden (tabell ). Det finns många typer av kompositer [], men de mognaste och mest lovande materialen för strukturer som utsätts för tröghetsberoende krafter är sådana som bygger på kolfiberarmerade polymerer. Utmaningen vid tillverkning av komponenter i sådana material ligger i kravet att orientera fibrerna i många riktningar. I den traditionella trestegsmetoden läggs laminatet upp manuellt i form av kolfibermattor med uniform fiberriktning a, förimpregnerade med en termohärdande harts. Därefter används en autoklav b för att applicera stelningstryck och värme för att härda hartsen. Slutligen genomgår materialet kvalitetskontroll, vanligen med hjälp av ultraljud c. Processen är inte bara arbetsintensiv utan kassationsgraden blir hög och repeterbarheten begränsad. Övergång till en sorts tejp bestående av ett kolfiberband, impregnerat med termoplastisk harts, och en automatiserad appliceringsprocedur går runt dessa nackdelar. Processen blir hanterligare och tillåter än flera tillämpningar och högre prestanda. Dr. Markus Ahrens Dr. Vishal Mallick Karl Parfrey ABB Corporate Research, Schweiz Polymerbaserade kompositmaterial I kompositer är det armeringsfibrerna som är de huvudsakliga lastbärarna, medan den omgivande polymeren (eller matrisen) har till uppgift att hålla fibrerna på plats och fördela lasten mellan dem. Samtidigt skyddar de fibrerna mot yttre inverkan. De viktigaste egenskaperna i en armeringsfiber är låg densitet och hög styvhet och styrka. En mängd kommersiellt tillgängliga fibertyper uppfyller dessa krav (tabell 2). Polymerer kan klassas som antingen termohärdande eller termoplastiska [2, 3]. Termoplastiska polymerer består av individuella molekylkedjor som inte är tvärbundna 2a utan som har svagare sekundärbindningar, som van der Waal-bindningar och vätebindningar. Genom att applicera värme och tryck kan dessa bindningar brytas så att materialet kan omformas till önskad form. Vid kylning återställs bindningarna mellan molekylerna i sina nya positioner. Detta innebär att termoplastiska material kan behandlas genom smältprocesser. Förutom deras egenskap att kunna formas om så ofta som behövs kan de även svetsas. En termohärdande polymer är, som namnet antyder, inte längre omformbar när den väl har härdat. Kedjemolekylerna i en termohärdande polymer är kemiskt bundna, eller tvärbundna 2b och kan inte flyttas om med hjälp av värme eller tryck. Historiskt har kompositmaterial vanligen byggt på termohärdande hartser, och de flesta tillgängliga processer baseras på denna materialtyp. Traditionell tillverkning av kompositkomponenter Fiberarmeringen i en högpresterande kompositstruktur måste vara kontinuerlig med väldefinierad orientering. Processer som formsprutning och formpressning behandlas inte i denna artikel eftersom dessa lämpar sig bättre för kortfibriga kompositer. ABB Tidning 2/998 27

2 a c b Traditionell tillverkningsprocess för högpresterande kompositer a Uppläggning av laminat b Autoklav för härdning c Kvalitetskontroll Kontinuerlig armering uppnås genom väl styrd mängd termohärdande harts som manuell applicering av vävda fiberskikt är partiellt härdad i syfte att ge duken vidhäftningsegenskaper jämförbar med kon- eller fiberduk med uniform fiberriktning över en form. Därefter penslas en termohärdande harts på. Alternativt kan fiberde luft ut och externt tryck läggs på för att torstejp. Efter applicering sugs återståenskiktet doppas i ett hartsbad före appliceringen, eller hartsen sprutas in under vakunomvätning av fibrerna. Värme tillsätts för ta bort den sista luften och garantera geum. En alternativ och elegantare metod är att härda hartsen. Värme och tryck appliceras vanligen i en autoklav 3. att använda så kallade pre-pregs. Det är dukar med förimpregnerade fibrer och en Förutom att denna tillverkningsprocess Termoplastiska (a) och termohärdande (b) molekylkedjor 2 a b är arbetsintensiv blir kassationsgraden hög och repeterbarheten begränsad. Dessa nackdelar konstaterades redan under kompositteknikens tidiga dagar. Som följd av detta har en tillverkningsprocess med lindning av fibrer utvecklats i syfte att automatisera komposittillverkning och tillåta massproduktion. I denna process lindas en tåga av kontinuerliga fibrer på en roterande dorn. Innan fibrerna når dornen impregneras de i ett hartsbad. Full genomvätning uppnås genom att fibrerna förspänns under lindningen. Den lindande konstruktionen placeras därefter i en ugn för härdning. Produkten avlägsnas därefter från sin dorn. Till en början var endast rörformiga strukturer aktuella, men idag går det att skapa mer komplexa former, som åror till 28 ABB Tidning 2/998

3 roddbåtar och sfäriska former. Fiberlindning kan emellertid inte användas för alla typer av strukturer, detta p g a följande begränsningar: Tillämpningen begränsas till rotationssymmetriska kroppar. Plana och öppna sektioner kan inte tillverkas på detta sätt. Fibrer kan endast läggas längs de geodetiska linjerna, där dragkraft kan appliceras. Det går inte att lägga fibrer parallellt med rotationsaxeln. Komplexa former, exempelvis konkava eller dubbelkrökta ytor, är omöjliga att skapa med denna metod. Laminatets kvalitet är begränsad. Fiberappliceringsprocessen är en vidareutveckling av fiberlindning och undviker ovannämnda problem. Istället för att linda våta fibrer kring en dorn används ett tejpappliceringshuvud för att lägga förimpregnerade termohärdande tågor på en verktygsyta. Med denna process kan komplext formade strukturer tillverkas, fibrerna kan appliceras exakt längs de huvudsakliga påkänningsriktningarna och datorstyrning reducerar kassationsgraden, förbättrar repeterbarheten och höjer kvaliteten. Robotbaserad applicering av fiberarmerad termoplast Trots dess fördelar har fiberapplicering ännu inte vunnit någon bredare spridning. Kapitalkostnaderna för utrustningen är höga och endast en handfull maskiner finns i drift i världen. En orsak till de höga kostnaderna är att de termohärdande prepreg-tågorna måste hållas kylda uppströms appliceringshuvudet för att undvika förtida härdning. De måste också hanteras med största försiktighet under frammatningen. Användningen av termoplastisk prepreg-tejp går runt dessa problem, eftersom inga speciella krav då ställs på hanteringen. Dessutom, genom att tillföra Tabell : Typiska styrka/vikt- och styvhet/vikt-förhållanden för olika material Material Styrka/vikt Styvhet/vikt Mpa/kgm 3 Mpa/kgm 3 Stål 0,25 27 Aluminiumlegeringar 0,20 26 Titanlegeringar 0,20 25 AS4/PEEK,40 84 IM6/epoxy 2,20 24 Tabell 2: Typiska egenskaper för kommersiellt tillgängliga armeringsfibrer Fibertyp Fiber- Specifik Elasticitets- Draghåll- Brottgräns diameter vikt modul fasthet µm kg/dm 3 Gpa Mpa % E-glas 0 2, ,450 4,8 (glas) T-300 7, ,200,4 (kol) Kevlar-49,9,45 3 3,620 2,8 (aramid) värme vid appliceringspunkten, kan den termoplastiska tejpen fås att stelna på plats, varför autoklavbehandling inte behövs. Kostnaden för den fleraxliga apparaten för tejpapplicering är en annan viktig faktor. Historiskt var de uppskalade versioner av numeriskt styrda fräsar, dvs typiska låg- Autoklavprocess Autoklav 4 Påse (förseglad) 2 Komposit 5 Vakuum 3 Form 5 4 volymsprodukter [4, 5]. Enorma framsteg har gjorts då det gäller kostnad för, mekanisk prestanda hos och styrning av 6-axliga robotar. Som exempel kan nämnas ABBs 6-axliga robot IRB med en hanteringskapacitet på 200 kg och hastigheter upp till 5 m/s med en bannoggrannhet bättre än 0, mm [6]. Utrustade med ABB Tidning 2/998 29

4 axlig robot av typ IRB6400. Roboten kan hantera upp till 200 kg i hastigheter upp till 5 m/s med en bannoggrannhet som är bättre än 0, mm. Olika räckviddsmönster kan skapas med olika typer av manipulatorer. Samtliga mått i mm Applicering av fiberarmerad termoplast 5 Quality control Pressure Heat ( hot gas, laser) moderna styrsystem fungerar dessa robotar som numeriskt styrda maskiner och kan användas för komplexa uppgifter, exempelvis fiberapplicering. Kombinationen av termoplastiska kompositer och robotteknik innebär en oerhörd potential för tillverkning av billiga högpresterande kompositer. TFP-processen (Thermoplastic Fiber Placement) beskrivs översiktligt i 5. I TFP rullas en kolfibertåga, impregnerad med termoplastisk harts, på ett underlag och fixeras vid detta genom att applicera värme lokalt vid anbringningspunkten. Ett lämpligt appliceringshuvud har monterats på en 6-axlig robot av typ IRB6400. Arbetet utfördes vid ABB Corporate Research, av tillverkaren av fiberappliceringsutrustningen, Automated Dynamics Corporation [7]. Denna robotcell 6 har dessutom en extern spindelaxel för att tillåta hantering av rotationssymmetriska kroppar. Under appliceringsprocessen styrs robotens kinematiska bana så att rulltrycket alltid verkar vinkelrätt mot ytan. Tejpmatning, tejpskärning och tryckapplicering är processvariabler som koordineras med robotens rörelse under tejpappliceringen och som integrerats i robotens styrsystem. I anbringningspunkten tillförs värme antingen via en kvävgasstråle eller med en,5 kw laserlampa. För närvarande ingår inte värmestyrningen i robotstyrsystemet. För gasstrålbaserad värmning styrs temperaturen med hjälp av ett termoelement i anbringningspunkten. Termoelementsignalen skickas till en PID-regulator som styr gasmängden. I fallet laser styrs effekten av en neural reglerkrets som bygger på pyrometriska observationer av anbringningspunktens temperatur i kombination med appliceringshastigheten [8]. I ett senare steg ska planeringen av robotens bana kombineras med CAD-teknik och konstruktionen av kompositskiktets uppbyggnad. Integreringen av komponentkonstruktion, mekanisk analys och 30 ABB Tidning 2/998

5 tillverkningsprocesser minskar inte bara tillverkningstiden drastiskt, och därmed även kostnaderna, utan betyder även färre gränssnittproblem och högre prestanda. Modellering och styrning av TFP-processen TFP-processen styrs till stor del av värmeöverföringen från värmekällan (dvs hetgasströmmen eller lasern) till tejpen, liksom på den efterföljande kylprocessen. Processparametrarna måste anpassas korrekt för optimal komponentkvalitet. Värmeöverföringsanalys och materialtest har genomförts för att hitta det ideala värmesystemet [9] respektive de ideala processparametrarna. Processparametrarna (dvs hastighet och värmeöverföring) måste bestämmas individuellt för varje typ av tejpmaterial. TFP-processen styrs från en PC med ett användargränssnitt av typ LabView. Dimensioner och applikationsspecifika data, som vinklar, skikt bankorsningar etc, är programmerade och kan ändras via PCns användargränssnitt. Dessa värden, dornens varvtal och appliceringshuvudets funktioner måste koordineras med robotstyrningen. Komponentkvaliteten beror till stor del på materialets bindningsegenskaper. Många direkta och indirekta metoder finns tillgängliga för att kontrollera detta. Ultraljudstest med laser är en möjlig metod men den har hittills inte utnyttjats. Temperaturmätning omedelbart efter stelningen, i kombination med en bra processmodell och god kunskap om de ingående materialen, ger tillförlitliga uppskattade värden med avseende på laminatets egenskaper. Processparametrarna väljs enligt de materialdata som krävs av slutprodukten. Vid behov kan värdena anpassas manuellt i samband med lindningsprocessen. I framtiden används återkopplade signaler från en kvalitetsinspektionsenhet on-line, och on-line-mätning av processparamet- TFP-robotcell vid ABB Corporate Research i Baden-Dättwil 6 rar som indata till en modellbaserad regulator 7. Detta innebär ökade automationsmöjligheter och processen blir ännu enklare att använda inom industriell produktion. Finite element interface and ply description Processing Workcell program Robot program Industriell tillämpning för härvändstagningar För denna industriella tillämpning har TFPprocessen modifierats något och tagits i bruk i en av ABBs motorfabriker [0]. Me- Flödesschema för processen applicering av fiberarmerad termoplast 7 Simulation Correction On-line quality control Path generation Process parameters CAD Model based feedback control of process parameters ABB Tidning 2/998 3

6 styrkan. Ringarna förbearbetas och krymps fast på härvändarna, något som ABB-motor med termoplastisk härvändstagning Aktiv del 2 Härvändar 3 Härvändstagning toden ingår numera i produktionsprocessen för elektriska maskiner. Normalt används kopparstavar för att tillverka rotorlindningar i elektriska maskiner. I den aktiva delen av rotorn hålls ledarna på plats med hjälp av kilar. Utanför rotorns aktiva del, i vardera änden av rotorn, gör lindningarna u- svängar och går in i nästa rotorspår. Centrifugalkrafterna på dessa u-formade härvändar minimeras med hjälp av en återhållarring 8. I dag tillverkar ABB återhållarringar för sina elektriska motorer antingen av lindad stålvajer, glasfiberarmerad polyesterkomposit eller massivt stål. Stålringar används för induktionsmotorer p g a de högre krav som dessa maskiner ställer på material- Härvändarna för en magnetiseringsrotor (a) före och (b) efter lindning med termoplastisk tejp Härvändar 2 TFP-rulle 3 Återhållarring a 2 b gör processen dyr. Tillverkningsprocessen för återhållarringar av stålvajertyp är relativt långsam. Typiskt krävs en vecka för att linda två ringar på en motorrotor. Tillverkningsprocessen för glasfiberarmerad polyesterkomposit är också arbetsintensiv, eftersom hela rotorn måste förvärmas i en ugn och härdas i ugnen på nytt efter avslutad lindning av ringen. Till detta kommer att tjockleken för båda dessa ringkonstruktioner hindrar värmeflödet från rotorn och minskar därför motorns prestanda. Användning av termoplastiska kompositmaterial i kombination med automatisk fiberapplicering (TFP) har stora fördelar i denna tillämpning: Rotorn behöver inte värmas före lindning eller härdas efter lindning. Liten eller ingen användning av dyra material. Kolfiber och termoplastiska material har egenskaper som förbättrar motorns totala prestanda. Det höga styrka/viktförhållandet tillåter tunnare och lättare ringar, medan den negativa termiska expansionskoefficienten bidrar till högre ringförspänning. Ringens högre termiska ledningsförmåga förbättrar rotorns kylning. Stelning på plats ger härvändstagningar med högre och jämnare förspänningsnivå, vilket förbättrar kvaliteten och minskar behovet av överdimensionering. Med stelning på plats går det att skapa lindningsgeometrier som inte är möjliga med dagens termohärdande processer. Processen rationaliseras genom att tre system (glas, stålvajer och massivt stål) kan ersättas av ett (termoplastisk tejp). ABB tillverkar motorer och generatorer av många olika typer (kortslutna och lindade rotorer, induktionsmaskiner, traktionsmotorer, synkronmaskiner, magnetiseringsrotorer och likströmsmotorer). Därför är formen hos härvändarna, drifttemperaturerna och de mekaniska lasterna mycket olika. 32 ABB Tidning 2/998

7 TFP-processen måste anpassas till motorns härvändar. Till skillnad mot dornar har motorhärvändar ingen väldefinierad yta och är dessutom flexibla. För att få erforderlig förspänning av härvändstagningen krävs ett bromsningssystem. Bromskraften måste vara variabel eftersom härvändarna är flexibla i radiell riktning. En konstant förspänning över härvändens axiella längd skulle öka trycket i ett flexibelt område och minska förspänningen i andra områden. Dessutom måste lindningen löpa kontinuerligt fram och tillbaka över härvänden för att få jämn tryckfördelning. För smala härvändstagningar måste robotens rörelsebana optimeras för att bygga upp jämn lagertjocklek och undvika försämrad kvalitet i härvändstagningens kanter. Dessutom måste lösa kolfiber vid kanterna undvikas, eftersom sådana skulle kunna orsaka kortslutningar i den elektriska maskinen. Robotens banvalsfunktion måste vara robust och kunna följa härvändarnas ytavvikelser. Exempelvis är härvändarna i magnetiseringsrotorer till synkronmaskiner inte bara flexibla utan har dessutom en konisk form med ojämn yta och varierande diameter 9. TFP-maskinen i motorfabriken består av en portalrobot från ABB som är utrustad med ett modifierat TFP-huvud 0,. Roboten är programmerad för normal drift via manöverpanelen. En PC används för att styra och analysera TFP-processparametrarna. För tillämpningar i fabriksmiljö är det viktigt att operatörsgränssnittet mot TFPprocessen är enkelt att använda. Alla indata som behövs för att linda motorerna matas in på robotens manöverpanel. Den höga automationsnivån innebär att maskinen kan skötas av en enda person - en viktig metod för att göra TFP-maskinen kostnadseffektiv. Ett användargränssnitt av typ LabView 2 används för att övervaka processparametrarna, optimera processen och genomföra test. 078 TFP-maskin och portalrobot i ABBs motorfabrik i Birr, Schweiz 0 En kostnad/fördel-analys visar att fördelarna med TFP-processen ger användaren konkurrenskraft i jämförelse med användare av alla andra processer. Sammanfattning och framtidsvyer Den höga automationsnivån som uppnås med hjälp av robotbaserad applicering av termoplastiska fibrer minskar drastiskt till- TFP-maskinhuvud som används i motorfabriken i Birr, Schweiz Komplett kompakteringsrulle 2 Bromsningssystem 3 Pre-preg-tejprulle ABB Tidning 2/998 33

8 Referenser [] Engineering Material Handbook: Composites, v, ASM International, 987. [2] Cogswell, F. N.: Thermoplastic Aromatic Polymer Composites. Butterworth, Oxford, 992. [3] Strong, B. A.: High Performance and Engineering Thermoplastic Composites, Technomic Pub, 993. [4] Evans, D. O. et al: Fiber placement process study. International SAMPE Symposium and Exhibition, Book 2 (of 2). Publ by SAMPE, Covina, CA, USA, 989, [5] Barth, J. R.: Fabrication of complex composite structures using advanced fiber placement technology. National SAMPE Symposium and Exhibition (Proceedings) v 35 n Book. Publ by SAMPE, Covina, CA, USA, 990, [6] Madesäter, A.: Ökad snabbhet och precision med nytt styrsystem för industrirobotar. ABB Tidning 2/95, [7] Stover, D.: Tape-laying precision industrial shafts. High Performance Composites, juli/augusti 994, [8] Lichtenwalner, P. F.: Neural networkbased control for the fiber placement composite manufacturing process. Journal of Materials Engineering and Performance. 5 oktober 993, [9] Johnson, B.; Mallick, V.; Meynard, F.: Method and apparatus for heating thermoplastic composite tapes. German Patent Application No [0] Heil, W.; Mallick, V.; Meynard, F.; Parfrey, K.; Prenner, H.: Thermoplastic winding applied to rotor overhang bandages. German Patent Application No Användargränssnitt av typ LabView för processparameterövervakning, processoptimering och test 2 verkningstiden för kompositkomponenter och därmed också deras kostnad. Förutom användning i laboratorium har processen med framgång utnyttjats för tillverkning av härvändstagningar i en motorfabrik. Robotindustrin själv och flygplansindustrin är andra sektorer där TFPprocessen erbjuder viktiga fördelar i jämförelse med alla andra processer. Nästa steg är att öka processautomationsgraden ytterligare. En modellbaserad återkopplande regulator gör processen enklare att använda och bör resultera i ännu bättre kvalitet. Tredimensionell tejpapplicering används för att överbrygga klyftan mellan CAD och robotens banplanering, något som minskar tillverkningstiden och kostnaden ytterligare. Dessutom planeras användning av robotbaserad tejpapplicering på termohärdande kompositmaterial. ABB utnyttjar TFP-processen internt för att få fram nya komposittilllämpningar för sina olika turbomaskinprodukter. Samtidigt planeras kommersiella versioner av TFP-robotcellerna som skall tillåta andra industrier att dra fördel av den nya tekniken. Författarnas adress Dr. Markus Ahrens Dr. Vishal Mallick Karl Parfrey ABB Corporate Research CH-5405 Baden-Dättwil Fax: markus.ahrens@chcrc.abb.ch vishal.mallick@chcrc.abb.ch karl.parfrey@chcrc.abb.ch 34 ABB Tidning 2/998