WEST LAFAYETTE, Ind. - Группа исследователей разрабатывает роботизированную систему для снижения себестоимости легкого, термостойкого композитного материала, который обещает широкое применение в будущем.
Углерод-углеродные композиты в настоящее время слишком дороги, чтобы иметь широкое коммерческое применение в повседневном мире. Поскольку этот материал способен выдерживать высокие температуры без потери прочности, он в основном используется в дисковых тормозах коммерческих авиалайнеров, военных самолетов и гоночных автомобилей.
«В настоящее время невозможно использовать этот материал в более потребительских продуктах, таких как автомобили и грузовики», - сказал Томас Зигмунд, доцент кафедры машиностроения в Университете Пердью.
Но исследовательская группа под руководством Purdue, Honeywell Aircraft Landing Systems в Саут-Бенде, штат Индиана, и Национального центра композитов в Кеттеринге, штат Огайо, продемонстрировала новый производственный подход к производству материала по более низкой цене.
Если исследователи добьются успеха, композитный материал может стать достаточно доступным для широкого спектра новых применений, включая детали двигателей, такие как поршни, биомедицинские устройства и электронные компоненты, такие как новые типы электрических трансформаторов и печатных плат. выдерживает высокие температуры.
«Мы показали, что можно использовать роботизированную технологию производства для разработки процесса, который ведет к новому способу производства этих типов материалов», - сказал Зигмунд. «Это совсем другая технология производства».
В работе также участвуют Университет Нотр-Дам и Школа бизнеса Келли Университета Индианы.
Система будет подробно описана в исследовательском документе, который будет представлен в среду (22 мая) на 30-й Североамериканской конференции по исследованиям в области производства в Purdue. Конференция, проходившая со вторника по пятницу (21-24 мая), спонсируется Обществом инженеров-технологов и была организована комитетом факультета Пердью во главе с Юнг С. Шином, профессором машиностроения, и К. Ричардом Лю., профессор промышленной инженерии.
Исследовательская группа использовала систему роботизированного производства, чтобы сократить время производства деталей тормозной системы самолета на одну треть. Сокращение времени производства на треть означает, что детали можно производить с меньшими затратами.
В зависимости от колебаний рынка композитный материал в настоящее время стоит около 50 долларов за фунт. По словам Зигмунда, цена должна быть снижена примерно до 10 долларов за фунт, чтобы материал можно было использовать в крупносерийном производстве в автомобильной промышленности.
«Мы еще не достигли этого, но мы приближаемся к этому», - сказал Зигмунд, который руководит двухлетним проектом по разработке производственной системы, в которой точный промышленный робот укладывает углеродные волокна под компьютерным управлением..
Проект отражает совершенно иной производственный подход, который обещает вывести на рынок превосходные материалы: вместо традиционных методов исследователи сейчас разрабатывают методы проектирования самого материала на микроскопическом уровне по мере изготовления детали.
"Чтобы сделать такой материал, обычно есть два варианта", - сказал Зигмунд. «Либо вы строите очень дорогую ткань так же, как шьете свитер: плетете или вяжете ее. Либо вы делаете прямо противоположное: просто случайным образом бросаете свои волокна в чан».
"Ткачество очень дорого. Случайное добавление волокон относительно дешево, но вы не имеете большого контроля над свойствами материала. Мы хотим сделать что-то среднее. Вместо случайного добавления волокон мы хотим точно укладывать волокна контролируемым образом с помощью робота."
Система способна быстро изменить размер и ориентацию углеродных волокон из одной части тормозного диска в другую, в результате чего получается лучшая часть. Инженеры использовали роботизированную систему для изготовления тормозного материала, который содержит короткие углеродные волокна на поверхности и более длинные волокна под поверхностью.
«Короткие волокна обладают хорошими характеристиками трения, а более длинные волокна обладают лучшими прочностными характеристиками», - сказал Зигмунд.
Поскольку переход от одной ориентации к другой в идеале не резкий, а постепенный, такие материалы называются «градуированными материалами», - сказал Зигмунд, который специализируется на использовании компьютерного моделирования для анализа свойств материалов, чтобы их можно было улучшенный.
Компьютерное моделирование и математические модели позволяют исследователям прогнозировать, как точно управлять роботом, и предсказывать свойства конечного продукта.
«Это чем-то похоже на управление краскораспылителем», - сказал Зигмунд. «Нужно придумать, как точно контролировать скорость робота, его высоту относительно плоскости, на которую вы укладываете волокна, какой широкий угол распыления, сколько метров волокон в секунду подавать через систему."
Purdue работает с Национальным центром композитов над разработкой метода роботизированного производства. Окончательная система будет использоваться в Honeywell Aircraft Landing Systems, бизнес-подразделении Aerospace Division Honeywell International Inc.
Исследовательская работа была написана инженерами-механиками Purdue Зигмундом, Раймондом Сипра и Джеймсом Лиакусом; Уильям Страйдер, профессор химического машиностроения Нотр-Дама; Роберт Джейкобс из Школы бизнеса Келли; Алан Фатц и Тоби Корделл из Национального композитного центра; и Чарльз Паркер, Фрэнк Диллон и Марк Лафорест из Honeywell Aircraft Landing Systems. Другими участниками проекта из Purdue являются Родни Трайс, доцент, профессора Кит Боуман и Александр Кинг, все из Школы материаловедения, а также Томас Фаррис и Чин-Тэ Сун, оба профессора Школы аэронавтики и астронавтики..
Национальный композитный центр - это некоммерческая организация, которая стремится продвигать, развивать, демонстрировать и поддерживать коммерциализацию композитных материалов и методов обработки. Honeywell - это технологическая и производственная компания стоимостью 24 миллиарда долларов, которая специализируется на продуктах и услугах для аэрокосмической отрасли, технологиях управления зданиями, автомобильных продуктах, специальных химикатах, волокнах, пластмассах и других материалах.
Два года исследований получили 2 миллиона долларов от Индианского фонда исследований и технологий 21st Century, который был создан в 1999 году для стимулирования экономики штата путем поддержки исследований, которые, вероятно, приведут к созданию новых высококвалифицированных рабочих мест.