CZ21621U1 - Kompozitový nosník s tlumením - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká nosníku, majícího podobu dutého profilu či trubky z vláknového kompozitu, jehož stěny mají vrstevnatou vnitřní strukturu, obsahující jak vrstvy vytvořené z konti5 nuálních výztužných vláken navzájem spojených polymemím pojivém, tak i vrstvy z gumokorku. Nosník má proto nejen vysokou tuhost a pevnost, ale současně také velké mechanické tlumení. Dosavadní stav techniky

Základní předností všech dílu a konstrukcí z vláknových kompozitů je jejich vynikající tuhost a pevnost, minimální hmotnost, nízká teplotní roztažnost a vynikající odolnost proti únavě. Speci10 fické vlastnosti kompozitových dílů jsou klasickými materiály nedosažitelné.

Vláknové kompozity jsou konstrukční materiály, složené z výztužných vláken a pojivá. Výztužná vlákna mají za úlohu přenášet vnitřní síly, zatímco úkolem pojivá je udržovat ve struktuře výztužná vlákna pohromadě a ve správné poloze. Kontinuální výztužná vlákna probíhají kompozitovým výrobkem bez přerušení. Z důvodů technologických se kontinuální výztužná vlákna nabízejí zpracovatelům buď jako tenký pramenec rovnoběžných vláken, označovaný jako roving, nebo v kroucené formě jako nit, nebo ve formě textilie jakou je rohož, tkanina či pletenina. Protože různé druhy a typy výztužných vláken mají velmi rozmanité vlastnosti, lze u vláknového kompozitu dosáhnout vlastností, jaké jsou z klasických konstrukčních materiálů nedosažitelné. Výztužná vlákna existují skleněná, čedičová, polymemí, uhlíková, keramická a kovová. Pojivém mohou být polymery, kovy, keramiky, skla atd. Polymemí pojivá mohou být reaktoplastová nebo termoplastová.

Z technologických důvodů má většina výrobků z vláknových kompozitů vrstevnatou strukturu, neboť se vyrábějí postupným kladením jednotlivých vrstev, nazývaných též laminy, na sebe. Vzniká tak laminátová struktura, u níž jednotlivé vrstvy, tedy laminy, mohou mít různé vlastnosti a různou orientaci.

Pro vlákny jednosměrně vyztuženou laminuje přitom typické, že její vlastnosti, zejména tuhost a pevnost, jsou v podélném směru vynikající, zatímco ve směru kolmo na její vlákna jsou tyto vlastnosti řádově horší. Požadovaných vlastností kompozitu se proto musí dosáhnout nejen vhodnou volbou vláken a pojivá, ale především vhodným uspořádáním výztužných vláken v jeho struktuře.

Pro své typické vlastnosti se vláknové kompozity s polymemím pojivém výborně hodí na dynamicky namáhané konstrukční díly. U polymemích kompozitů vyztužených kontinuálními vysokomodulovými vlákny, při jejich vhodném uspořádání, lze dosáhnout až třikrát vyšší modul pružnosti než má ocel, mechanické tlumení lepší než u litiny a teplotní roztažnost blízkou nule, a to vše při méně než čtvrtinové měrné hmotnosti výrobku.

Třebaže mechanické tlumení vláknových kompozitů s polymemími pojivý je větší než většiny klasických kovových konstrukčních materiálů, existuje řada aplikací dílů konstrukcí, u nichž je žádoucí mechanické tlumení ještě větší. Díky vrstevnaté struktuře vláknových kompozitů lze jejich mechanické tlumení úspěšně zvýšit zařazením vrstev z tlumicích materiálů. Taková řešení jsou již popsána i v existující patentové literatuře. Třeba v dokumentech US 5324558 a EP 0509480 jsou jako tlumicí vrstvy použity vrstvy obsahující polymemí vlákna, v JP 2005150510 a v JP 2009078422 jsou k tlumení použity vrstvy viskoelastického plastu a v WO 2008070825 jek tlumení použito měkké polymemí pojivo s uhlíkovými nanovlákny. Vesměs se jedná o použití na aplikace sahající od průmyslových nosníků až po sportovní potřeby. Jsou to součásti typicky namáhané setrvačnými silami a vibracemi s nebezpečím rezonance, které jsou právě u těchto aplikací velmi nežádoucí.

-1 CZ 21621 Ul

Hledány jsou stále další prostředky k dosažení co největšího tlumení dotyčných dílů, které by dostačovaly současným požadavkům průmyslu. Zejména u součásti výrobních strojů, manipulátorů a robotů existují nej naléhavější požadavky na co největší statickou i dynamickou tuhost ve spojení s vysokým mechanickým tlumením, zároveň na co nejmenší teplotní deformace i na dlouhodobou stabilitu tuhosti, tvaru, rozměrů a co nejnižší hmotnost. Požadavky vycházejí z nutnosti zvýšit produktivitu výroby, přesnost výrobků a její reprodukovatelnost, ale zároveň je silně požadována poměrně nízká výsledná cena takových součástí. Problém řeší předmět užitného vzoru.

Podstata technického řešeni

Technické řešení spojuje hlavní výhody dvou materiálů. Vysokou dynamickou tuhost vrstevnatého vláknového kompozitu a vysoké tlumicí schopnosti gumokorku.

Jak známo, korek je lehký, levný a dlouhodobě výborně těsní, proto se používá na zátky a těsnění. Je též i nejstarším používaným materiálem na aplikace tlumící hluk a vibrace. Také vulkanizovaný kaučuk je osvědčeným tlumicím materiálem. Spojením obou těchto materiálů vzniká částicový kompozit, nazývaný gumokorek, u něhož jsou částice drceného korku navzájem pevně spojeny kaučukovým pojivém. Gumokorek tak spojuje dohromady příznivé vlastnosti obou svých složek, zejména jejich výbornou schopnost tlumit mechanické kmity spolu se schopností zachovávat tvar a rozměry v čase. Je to materiál dlouho úspěšně používaný zejména na plošná těsnění, proto se běžně vyrábí ve formě rovinných ohebných plátů a pásů o tloušťce jeden až několik milimetrů.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že kompozitový nosník, vytvořený jakožto podlouhlý dutý laminátový profil obvodově uzavřeného průřezu, jehož stěny sestávají z na sebe navzájem nakladených vrstev vláknového kompozitu spojené polymemím pojivém, který obsahuje alespoň jednu vnitřní dutinu probíhající celou jeho délkou vymezenou vzdáleností jeho konců, přičemž ve vrstevnaté struktuře stěny profilu je alespoň v části alespoň jednoho rozhraní vrstev kompozitu pevně zapracován plát gumokorku. Polymemím pojivém přitom může být buď reaktoplast nebo termoplast.

Plát gumokorku mezi vrstvami ve stěně laminátového profilu může přitom v příčném průřezu profilu zaujímat celý obvod rozhraní s ním sousedících vrstev nebo jen část tohoto obvodu. V takovém případě lze do jednoho rozhraní rozmístit zpravidla více než jeden plát gumokorku. Jednotlivé pláty gumokorku jsou rozmístěny po obvodu daného rozhraní laminátových vrstev zpravidla v pravidelných intervalech, nebo i jiným způsobem, pokud to je výhodné z hlediska funkce daného výrobku. V příčném průřezu profilu pak gumokorek netvoří obvodově zcela souvislou vrstvu, ale vrstvu obvodově přerušovanou. Mezery mezi gumokorkovými pláty lze nejlépe vyplnit svazky výztužných vláken prosycených pojivém, čímž zůstane zachován správný geometrický tvar navazujících vrstev laminátu.

Pláty gumokorku ve formě pásů mohou být do struktury profilu nakladeny a zapracovány buď rovnoběžně s podélnou osou profilu, nebo spirálovitě navinuty, pokud to tvar průřezu profilu umožňuje a pokud je to z technologických či funkčních důvodů výhodné. Pláty gumokorku mohou přitom být kladeny po celé délce profilu, nebo jen po část jeho délky, do jednoho z rozhraní vrstev výztužných vláken nebo i do více než jednoho rozhraní vrstev současně.

Uvedené uspořádání struktury stěny profilu je použitelné pro jeho velmi rozmanité tvary průřezu a pro různé tloušťky stěny profilu. Vnější obvod uzavřeného příčného průřezu profilu může být kružnicový, elipsovitý, oválný, vícehranný, lichoběžníkový apod. Hrany profilu musí být ale zaoblené, neboť výztužným vláknům nevyhovuje ohyb kolem malých poloměrů a to tím více, čím větší je jejich modul pružnosti. Vnější obrys příčného průřezu vícehranné trubky nosníku se zaoblenými hranami může být trojhranný, čtyřhranný, pětihranný, šestihranný, sedmihranný, osmihranný atd. Vnější obrys příčného průřezu čtyřhranné trubky se zaoblenými hranami může být čtvercový, obdélníkový, lichoběžníkový, kosočtvercový, kosodélníkový. Kromě toho, příčný

-2CZ 21621 Ul průřez profilu může mít po celé délce nosníku stejné rozměry a tvar, jak je tomu např. u nejjednodušší válcové trubky, nebo mohou být rozměry po délce profilu proměnné, jak je tomu např. u kuželové trubky.

Průřez profilu však může mít celkově i složitější tvar, protože z nejrůznějších důvodů může mít profil více než jednu vnitřní dutinu. Příkladem takového uspořádání průřezu profilu může být vícehranná, například čtyřhranná trubka se zaoblenými hranami, která má ve vnitřních rozích profilu zabudovány válcové kompozitové trubky menšího průměru, které určují velikost zaoblení hran příčného průřezu profilu.

Uspořádání vnitřní Části příčného průřezu profilu tedy může být libovolné a vnitřek profilu může obsahovat i další stěny, rozdělující vnitřek profilu na více dutin.

Profily tvořící kompozitový nosník s pláty gumokorku mohou být jak tenkostěnné, tak tlustostěnné. U tenkostěnných profilů stačí zapracovat gumokorek jen do jednoho rozhraní vrstev laminátu, zatímco u tlustostěnných profilů je zpravidla nutné zapracovat gumokorek do více než jednoho rozhraní vrstev, aby tlumení nosníku bylo dostatečně velké. Takovým případem může být například pouzdro vřetena obráběcího stroje v podobě tlustostěnné válcové trubky navinuté z uhlíkového kompozitu, které má do své struktury zapracovány pláty gumokorku na třech až pěti rozhraních vrstev návinu. .

Volbou materiálu výztužných vláken v jednotlivých vrstvách laminátu, počtu vrstev, orientace vláken v jednotlivých vrstvách, a současně počtu, rozměry a rozmístěním gumokorkových plátů ve vrstevnaté struktuře stěn profilu lze naladit výsledné vlastnosti nosníku na požadované hodnoty a dosáhnout tak jeho parametrů jinými způsoby nedosažitelných. V každém případě však je pro převážně ohybově či krutém namáhané nosníky nej výhodnější umísťovat pláty gumokorku blíže k vnějšímu obvodu příčného průřezu. Vlákna, použitá pro zhotovení profilu nosníku mohou být buď všechna téhož druhu a typu, nebo může být pro profil nosníku použito více druhů vláken, aby bylo možné vlastnosti profilu maximálně optimalizovat pro daný účel. Z důvodů dosažení maximální tuhosti statické i dynamické budou nejčastěji připadat v úvahu různé typy uhlíkových vláken s vysokým až velmi vysokým modulem pružnosti.

Vnitřní struktura nosníku obsahujícího gumokorek se hodí zejména pro kompozitové konstrukční díly masivní i tenkostěnné, namáhané na ohyb a smyk, u nichž záleží na co nejvyšší dosažitelné pevnosti a dynamické tuhosti při jejich co nejnižší hmotnosti a teplotní roztažností. Zabudováním gumokorku mezi některé vrstvy vnitřní struktury laminátového profilu se sice při jeho stejných rozměrech poněkud zmenší jeho statická tuhost, ale jeho mechanické tlumení výrazně stoupne. Jestliže laminát bude tvořen vrstvami vysokomodulových výztužných vláken, např. uhlíkových, bude výsledná dynamická tuhost profilu natolik vysoká, že bude i s přítomností gumokorku bohatě převyšovat možnosti klasických konstrukčních materiálů. Hodnoty jeho součinitele tlumení přitom budou dvojnásobně až trojnásobně větší než u stejného nosníku bez přítomnosti gumokorku. Vhodnými aplikacemi jsou nosníky manipulátorů a výrobních strojů, u nichž vysoká dynamická tuhost, projevující se vysokými hodnotami frekvencí vlastních kmitů a vysoké tlumení umožní násobné zkrácení pracovních cyklů, a tím i produktivity výroby. Protože gumokorek je levným materiálem, neznamená jeho použití pro tlumení kompozitových nosníků zvýšení výrobních nákladů.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněn příčný průřez provedení čtvercového profilu nosníku 1 s vnitřními trubkami 14 v rozích průřezu.

Na obr. 2 je znázorněn příčný průřez provedení prostého čtvercového profilu nosníku I.

-3CZ 21621 Ul

Příklady provedeni

Přikladl

Příkladem možného provedení je tenkostěnný kompozitový nosník 1 manipulátoru užívaného v lisovnách rozměrných plechových dílů, zejména v automobilovém průmyslu. Je tvořen trubkou čtvercového průřezu celkové šířky 114,4 mm se zaoblenými hranami, u níž jsou ve všech čtyřech jejích vnitřních rozích průřezu po celé její délce zalaminovány vnitřní válcové trubky 14 o vnějším průměru 18 mm s tloušťkou stěny 1 mm. Každá tato vnitřní trubka je vyrobena přesným navíjením uhlíkových vláken Toray T700 za použití epoxidové pryskyřice GRM LG120/EM100 jako pojivá pod úhly návinu ±32 deg a 90 deg.

io Samotný čtvercový profil nosníku 1 byl zhotoven přesným navíjením vrstev uhlíkových vláken Toray T700 a vysokomodulových uhlíkových vláken Dialead K63712 za použití epoxidové pryskyřice LG120/EM100 od firmy GRM Systems jako pojivá.

První, tedy nej spodnější návin je tvořen vnitřními vrstvami 12 vláken T700 o tloušťce 0,6 mm s úhlem návinu ±45 deg vzhledem k podélné ose nosníku. Do přímých Částí průřezu profilu, mezi rohové trubky jsou pak po celé délce trubky zapracovány nejdříve pásy JT gumokorku typu Amorim ACT80 tloušťky 2 mm Šířky 82 mm a k nim pak nakladeny bezprostředně přiléhající vrstvy 13 o tloušťce 0,76 mm z vláken K63712 s podélnou orientací 0 deg. Stejná vlákna tvoří i výplň v koutech podél boků vnitřních trubek 14. Tato sestava byla pak po celé délce nosníku nejdříve zavinuta ovinem z vláken T700, tvořeným vrstvou 15 vláken s úhlem návinu 90 deg tloušťky 0,244 mm a pak ještě vnějšími vrstvami vláken T700 s úhly návinu ±45 deg o celkové tloušťce 0,6 mm.

Pásy gumokorku tloušťky 2 mm se tedy ve vnitřní struktuře profilu nacházejí na rozhraní mezi vnitřními vrstvami 12 z vláken T700 s orientací ±45 deg a vrstvami 13 vláken K63712 s orientací 0 deg.

Po vytvrzení pojivá jsou všechny vrstvy kompozitu, pásy 11 gumokorku a válcové rohové trubky 14, tvořící dohromady strukturu profilu nosníku 1, navzájem celoplošně pevně spojeny.

Výsledný modul pružnosti nosníku 1 v podélném směruje 110 GPa, ale měrná hmotnost nosníku i činí jen 1,5 g/cm³, takže jeho specifická podélná tuhost je 2,8 krát vyšší než ocelového nosníku stejných rozměrů. Jeho teplotní roztažnost je přitom jen 6,5T0'⁸K**, což je hodnota 154 krát menší než u oceli.

Porovnáním s kompozitovým nosníkem stejné skladby, ale bez gumokorku bylo experimentálně zjištěno, že součinitel tlumení kompozitového nosníku 1 s gumokorkem je 2,6 krát větší. To znamená, že manipulátor vybavený tímto utlumeným nosníkem může pracovat s 2,6 krát kratším pracovním cyklem, aniž by se zhoršila přesnost a reprodukovatelnost jeho Činnosti, čímž se pro35 duktivita příslušného navazujícího výrobního zařízení může též zvýšit 2,6 krát.

Příklad 2

Příkladem dalšího možného provedení je tenkostěnný kompozitový nosník I manipulátoru užívaného v lisovnách rozměrných plechových dílů, zejména v automobilovém průmyslu. Je tvořen trubkou čtvercového průřezu celkové šířky 114,4 mm se zaoblenými hranami,

Čtvercový profil nosníku i byl zhotoven přesným navíjením vrstev uhlíkových vláken Toray T700 a vysokomodulových uhlíkových vláken Dialead K63712 za použití epoxidové pryskyřice LG120/EM100 od firmy GRM Systems jako pojivá. První, tedy nejspodnější návin je tvořen vnitřními vrstvami 12 vláken T700 o tloušťce 0,6 mm s úhlem návinu ±45 deg vzhledem k podélné ose nosníku. Do přímých částí průřezu profilu jsou pak po celé délce nosníku I zapracová45 ny nejdříve pásy 11 gumokorku typu Amorim ACT80 tloušťky 2 mm šířky 82 mm a k nim pak nakladeny bezprostředně přiléhající vrstvy 13 o tloušťce 0,76 mm z vláken K63712 s podélnou orientací 0 deg. Tato sestava byla pak po celé délce nosníku nejdříve zavinuta ovinem z vláken

-4CZ 21621 Ul

T700, tvořeným vrstvou 15 vláken s úhlem návinu 90 deg tloušťky 0,244 mm a pak ještě vnějšími vrstvami 16 vláken T700 s úhly návinu ±45 deg o celkové tloušťce 0,6 mm.

Pásy H gumokorku tloušťky 2 mm se tedy ve vnitřní struktuře profilu nosníku i nacházejí na rozhraní mezi vnitřními vrstvami 12 z vláken T700 s orientací ±45 deg a vrstvami 13 vláken

K63712 s orientací 0 deg.

Po vytvrzení pojivá jsou všechny vrstvy kompozitu s pásy H gumokorku, tvořící dohromady strukturu profilu nosníku 1, navzájem celoplošně pevně spojeny.

Výsledný modul pružností nosníku 1 v podélném směru je 131 GPa, ale měrná hmotnost nosníku činí jen 1,5 g/cm³, takže jeho specifická tuhost je 3,4 krát vyšší než ocelového nosníku stejných ío rozměrů. Jeho teplotní roztažnost je přitom jen ό,ΰΤΟ^Κ'¹ , což je hodnota 154 krát menší než u oceli.

Porovnáním s kompozitovým nosníkem stejné skladby, ale bez gumokorku bylo experimentálně zjištěno, že součinitel tlumení kompozitového nosníku s gumokorkem je stejně jako v předchozím příkladu možného provedení 2,6 krát větší. To znamená, že manipulátor vybavený tímto is utlumeným nosníkem může pracovat s 2,6 krát kratším pracovním cyklem, aniž by se zhoršila přesnost a reprodukovatelnost jeho činnosti, čímž se produktivita příslušného navazujícího výrobního zařízení může též zvýšit 2,6 krát.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je určeno zejména pro ohybem namáhané součásti výrobních strojů a manipu20 lačních zařízení, zejména dynamicky namáhaných, u nichž záleží na co nej nižší hmotnosti a vysokém mechanickém tlumení.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (9)

1. Kompozitový nosník (1), vytvořený jakožto podlouhlý dutý laminátový profil obvodově uzavřeného průřezu, jehož stěny sestávají z na sebe nakladených vrstev vláknového kompozitu s

25 polymemím pojivém, a který obsahuje alespoň jednu vnitřní dutinu probíhající celou jeho délkou vymezenou vzdáleností jeho konců, vyznačující se tím, že ve vrstevnaté struktuře stěny profilu je alespoň v Části alespoň jednoho rozhraní vrstev vláknového kompozitu pevně zapracován plát (11) gumokorku.

2. Kompozitový nosník (1) podle nároku 1, jeho příčného průřezu je kružnicový.

vyznačuj ící se tím, že vnější obrys

3. Kompozitový nosník (1) podle nároku 1, jeho příčného průřezu je elipsovitý.

4. Kompozitový nosník (1) podle nároku 1, jeho příčného průřezu je oválný.

5. Kompozitový nosník (1) podle nároku 1, jeho průřezu je vícehranný.

vyznačující vyznačuj ící vyznačuj ící se tím, se tím, se tí m, že vnější obrys že vnější obrys že vnější obrys

6, Kompozitový nosník (1) podle nároku 5, jeho příčného průřezu je lichoběžníkový.

vyznačující se tím, že vnější obrys

CZ 21621 Ul

7. Kompozitový nosník (1) podle nároků 5 až 6, vyznačující se tím, že vnější obrys jeho příčného průřezu je zaoblený.

8. Kompozitový nosník (1) podle nároků laž7, vyznačující se tím, že v alespoň Části délky nosníku se nachází alespoň jeden plát (11) gumokorku v podobě pásu, rovnoběžného

5 s podélnou osou nosníku.

9. Kompozitový nosník (1) podle nároků laž7, vyznačující se tím, že v alespoň části délky nosníku se nachází alespoň jeden plát (11) gumokorku v podobě pásu spirálovitě navinutého podél podélné osy nosníku a zapracovaného do vrstevnaté struktury profilu nosníku.