图1  通过实验测量检验仿真的本征振动，仿真的结果是动态刚度的最大化（a）固有振荡形式；（b）固有振荡形式；（c）固有振荡形式

激光切割机的碳纤维强化塑料（CFK）跨梁显示，运动的机械部件在降低易震动性的同时提高其动态性能和精准性的方法。结果是生产率的大幅度提高，这证明在机械制造中应用CFK可能是值得的。

在机械和设备制造中，轻型结构正变得越来越重要。其目的是为了提高机器生产率，通过降低旋转部件的质量来达到所必需的更高的动态性。生产率的提高将在保持相同的或更高的加工精度的同时，在尽可能不额外增加驱动功率的情况下得到实现。

拓扑结构达到优化，但金属的潜能已被挖掘殆尽

当前的技术现状是在传统的金属结构方式上使用拓扑结构优化来改善组件。但如果现存的潜力被挖掘殆尽，将产生冲突，但为了进一步减少重量而继续减少材料，必然会导致不应出现的刚性损失。因此应将不可能提高的动态性能加以提升。若还进一步为降低重量而减少材料，则将由于所形成的整体惯性力而导致出现不允许出现的形变和振动的后果。

位于德累斯顿附近Neukirch的Trumpf Sachsen GmbH公司制造激光切割设备时就面临着这样一个难题,约3.5m长的横梁的加速能力需提高2.5g，横梁上装有两个可移动的激光单元，两个激光单元可以分别异步运动。对经过优化的几种钢材所做的有限元法FEM仿真结果表明，仅使用金属材料不能达到期望的动态性能的提升。据Ditzingen机械制造公司Trumpf子公司称，由于提高加速度而产生的惯性力会导致激光头的变形，而这种变形与所要求的精度是相互不匹配的。

图2  在这台激光切割设备上，与钢制方案相比较，CFK轻型结构材料将重量降低了一半并将动态刚度提高了四倍，由此带来70%的生产率提升

材料特定的规格设计帮助CFK的优势得以实现

出于上述原因，Ditzingen机械制造公司Trumpf子公司大胆做了进一步的尝试，与开姆尼茨弗劳恩霍费尔机床和形变技术研究所合作开发一架用碳纤维强化结构方式制造的横梁。纤维复合材料在许多方面（刚性、强度、疲劳强度、阻尼、热膨胀）超越了金属材料，与视所用纤维的不同，仅用1/5的重量，即可达到可与钢材媲美的刚性值。困难在于，如何将几乎只存在于纤维纵向上的出色特性通过专业的尺寸设计在机器构件中得到有效的调整，通过实验测量检验仿真的本征振动，仿真的结果是动态刚度的最大化（图1）。横梁是以差分结构方式设计的，这意味着，在制造时使用简单的因而成本相对较低的CFK-半成品（三明治板，型材）。它们用胶相互粘合起来。使用胶粘的好处在于，在对粘贴接缝面做相应预处理并在恰当使用粘合剂的情况下，原本在电化学上分离相互的许多不同的材料也是能够非常牢固的粘合在一起的。而这里使用的是平面的力传递。对于纤维复合材料来说，平面力传递要好于点状加荷方式（例如螺栓或铆钉），因为点状加荷通常来说会打断纤维走向并进而造成力束的中断。

通过粘合形成CFK和金属的连接

跨梁的侧面金属支撑架部位形成的力矩最大，这个部位的负荷绝大部分是由粘合剂层传导的。在将3m长的金属导轨连接到跨梁的纵向面时，还需要额外考虑到连接在一起的不同材料之间的热膨胀差异。金属导轨对于两个运动的激光单元是必需的。在做这种连接时，使用黏合剂—结合采用一种精心设计的黏合技术—形成了一种适应各种周围环境影响的解决方案。

图3 使用CFK可以使机床中的横梁组件、滑轨组件、支架组件、旋转-回旋加工台、刀具主轴和刀具更换系统进一步得到优化

刚性比优化的钢制方案高四倍

为Trumpf Trulaser7040fiber激光切割机开发的跨梁可以被看作是机床制造中的参考业绩产品。它不仅将整备质量减半，而且还将工件的刚度提高了一倍。与优化的钢制方案相比，这相当于动态刚强度提高了四倍，由此将使生产力提高70%（图2）。在这方面，仿真的结果在多台样机上以及在特殊的弯曲实验中借助实验性的性能证明得到了验证。在给跨梁设定尺寸时必须注意，出现固有振荡的频率不要处在加工频率范围内。

除了开发适合的加工技术外，弗劳恩霍费尔机床与形变技术研究所还考察了接缝过程的可自动化性，讨论了节约成本的潜力。根据机械制造商Trumpf的说法，CFK方案多出的成本可在三个半月后收回。原因是生产力的提高。跨梁的案例证明，在机器和设备制造的某些用途上采用纤维复合材料构件，不仅在技术上是值得的，而且在企业管理上也是值得的。

在动态运动的工件上取得改进

在将来，特别是对于动态运动的、易震动的和/或要求定位精确的构件，使用比如像CFK这样的纤维复合材料可获得巨大的改进（图3）。特别是在机床上，这个位置上值得一提的是横梁组件、滑轨组件和支架组件，另外还有旋转-回旋加工台，刀具主轴和刀具更替系统。今天，在测量技术和操作技术中，许多地方对于CFK轻型结构材料的需要已经是必不可少的了。