碳纖維工具應用之一：碳纖維刨頭
碳纖維工具類應用之一：碳纖維刨頭
CFRP 刨頭：質量減輕 50%，旋轉速度提高 1.5 倍
木工行業的客戶不僅要求更高的表面質量和精度，而且要求更高的生產率。更輕、更堅固的工具可以幫助滿足這些需求，實現更高的速度。然而，當前的鋁切削刀具已經用盡了其輕量化潛力。德國紡織纖維研究所與斯圖加特大學機床研究所合作，在一個聯邦資助的聯合項目中尋求解決這個問題，合作并生產并測試了原型。合作伙伴成功展示了碳纖維刨削頭，與大約 8 公斤重的鋁制工具相比，該刨削頭的質量減少了 50%。但不是簡單地用碳纖維增強塑料取代鋁，而是利用計算機模擬開發了一種全新的設計，如下圖所示：
圖片注：模塊化設計包括 CFRP 三角形處理離心力的組件和星形外殼可承受彎曲和扭轉載荷。
這種虛擬開發產生了一種模塊化工具，包括吸收離心力的 CFRP 三角形組件和處理彎曲和扭轉載荷的外殼。定向碳纖維以處理這些結構中的負載進一步有助于最大限度地減輕重量，但也實現了高剛度和優化特征頻率（系統振動的固有頻率）的能力。這種組合改善了工具的動態行為，使轉速比之前工具每分鐘 12,000 轉 (rpm) 的極限高 1.5 倍。
首先，數值模擬被用來開發許多概念。接下來，使用有限元分析 (FEA) 進行評估，確定最佳的最終概念。進一步分析定義了轉速高達 18,000 rpm 時的力，以及每個部件的應力和應變場。三角形的剛度在旋轉過程中承受離心力，可防止外徑發生變化。請注意，這些三角形包括切割刀排的載體。因此，在旋轉過程中不允許改變切削刃的周長或“飛圓”，因為這會降低刨削過程中木材的精度和表面質量。
分析結果確定了 CFRP 部件的最終尺寸和復合材料鋪層。采用濕法長絲纏繞碳纖維和 環氧樹脂生產了 200 毫米長的三角形管。將所得 26 層管在 84°C 下烘烤 12 小時，并使用附加的外部金屬工具施加壓力，實現 5.5 毫米的恒定最終壁厚。將管材切成13片12毫米寬的切片。
外殼是通過將 23 層由 3K 碳纖維制成的干粘合 245 gsm碳纖維布包裹在星形心軸上制成的。真空輔助樹脂灌注與環氧樹脂注射樹脂一起使用，所得層壓板在 80°C 真空下烘箱固化 12 小時，生產出長 155 毫米、壁厚在 4.8 至 5.5 毫米之間的部件。
三角形管和星形管的纖維含量分別為73%和72%（按質量計）。使用計算機斷層掃描確認質量，并將 CFRP碳纖維零部件為進一步減輕重量而制造的 6 個 10 毫米直徑 CFRP 碳纖維棒進行加工和組裝。 CFRP 碳纖維工具設計中包含與基準鋁工具中使用的相同的刀具、螺釘安裝件和鋁端夾緊裝置。
最終原型在運行中進行了測試，并用高速攝像機進行了監控。與鋁制工具相比，沒有檢測到質量差異，并且所有刀具排的操作均相同。同樣的性能在高達 18,000 rpm 的速度的模擬中得到了證明，但在實際機器中進行的測試有待系統修改，因為目前沒有金屬工具允許這樣的速度。
CFRP 刨頭：質量減輕 50%，旋轉速度提高 1.5 倍
木工行業的客戶不僅要求更高的表面質量和精度，而且要求更高的生產率。更輕、更堅固的工具可以幫助滿足這些需求，實現更高的速度。然而，當前的鋁切削刀具已經用盡了其輕量化潛力。德國紡織纖維研究所與斯圖加特大學機床研究所合作，在一個聯邦資助的聯合項目中尋求解決這個問題，合作并生產并測試了原型。合作伙伴成功展示了碳纖維刨削頭，與大約 8 公斤重的鋁制工具相比，該刨削頭的質量減少了 50%。但不是簡單地用碳纖維增強塑料取代鋁，而是利用計算機模擬開發了一種全新的設計，如下圖所示：
圖片注：模塊化設計包括 CFRP 三角形處理離心力的組件和星形外殼可承受彎曲和扭轉載荷。
這種虛擬開發產生了一種模塊化工具，包括吸收離心力的 CFRP 三角形組件和處理彎曲和扭轉載荷的外殼。定向碳纖維以處理這些結構中的負載進一步有助于最大限度地減輕重量，但也實現了高剛度和優化特征頻率（系統振動的固有頻率）的能力。這種組合改善了工具的動態行為，使轉速比之前工具每分鐘 12,000 轉 (rpm) 的極限高 1.5 倍。
首先，數值模擬被用來開發許多概念。接下來，使用有限元分析 (FEA) 進行評估，確定最佳的最終概念。進一步分析定義了轉速高達 18,000 rpm 時的力，以及每個部件的應力和應變場。三角形的剛度在旋轉過程中承受離心力，可防止外徑發生變化。請注意，這些三角形包括切割刀排的載體。因此，在旋轉過程中不允許改變切削刃的周長或“飛圓”，因為這會降低刨削過程中木材的精度和表面質量。
分析結果確定了 CFRP 部件的最終尺寸和復合材料鋪層。采用濕法長絲纏繞碳纖維和 環氧樹脂生產了 200 毫米長的三角形管。將所得 26 層管在 84°C 下烘烤 12 小時，并使用附加的外部金屬工具施加壓力，實現 5.5 毫米的恒定最終壁厚。將管材切成13片12毫米寬的切片。
外殼是通過將 23 層由 3K 碳纖維制成的干粘合 245 gsm碳纖維布包裹在星形心軸上制成的。真空輔助樹脂灌注與環氧樹脂注射樹脂一起使用，所得層壓板在 80°C 真空下烘箱固化 12 小時，生產出長 155 毫米、壁厚在 4.8 至 5.5 毫米之間的部件。
三角形管和星形管的纖維含量分別為73%和72%（按質量計）。使用計算機斷層掃描確認質量，并將 CFRP碳纖維零部件為進一步減輕重量而制造的 6 個 10 毫米直徑 CFRP 碳纖維棒進行加工和組裝。 CFRP 碳纖維工具設計中包含與基準鋁工具中使用的相同的刀具、螺釘安裝件和鋁端夾緊裝置。
最終原型在運行中進行了測試，并用高速攝像機進行了監控。與鋁制工具相比，沒有檢測到質量差異，并且所有刀具排的操作均相同。同樣的性能在高達 18,000 rpm 的速度的模擬中得到了證明，但在實際機器中進行的測試有待系統修改，因為目前沒有金屬工具允許這樣的速度。
轉速的提高直接提高了生產速度。 CFRP 工具還改進了動態行為，以實現高精度和表面質量。因此，可以用兩臺機器而不是五臺機器來滿足增加的生產需求。此外，工具重量減輕了 50%，可以使用更小的電機，從而需要更少的電力和能源消耗。這一概念不僅可以應用于其他切削刀具，還可以適用于圓柱形結構高速旋轉的許多應用（例如傳動軸），并且這種高質量的減少以及最小化的偏轉和振動可能具有顯著的好處。
