專利名稱：通過真空輔助樹脂傳遞模塑制造工件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過真空輔助樹脂傳遞模塑制造工件的方法，更具體地涉及用于制造風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片的方法。還涉及工件，例如風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)的塑料復(fù)合物用于各種技術(shù)產(chǎn)品，例如汽車、風(fēng)力渦輪葉片、儲(chǔ)罐等。具有大型尺寸的大部分產(chǎn)品，例如風(fēng)力渦輪葉片，是通過將在輥上傳送的機(jī)織玻璃布(wovenglass fabric)放置到一個(gè)或更多個(gè)模具中而被制造的。在公知為VARTM (真空輔助樹脂傳遞模塑)的常用樹脂注塑工藝中，模具被閉合，并且真空被施加到閉合模具系統(tǒng)。之后，諸如聚酯、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯或其他樹脂的樹脂被注入模具腔內(nèi)，從而填充層壓件內(nèi)纖維之 間的空間。在載重結(jié)構(gòu)中，通常使用單向玻璃布?？梢允褂镁埘セ蝾愃撇牧系募喚€將布中的玻璃纖維粗紗縫制在一起。當(dāng)之后通過真空灌注或通過手動(dòng)鋪置從而使用樹脂浸潰織物時(shí)，通過收緊玻璃纖維束進(jìn)行的縫制導(dǎo)致玻璃束之間的區(qū)域是樹脂富集區(qū)且?guī)缀鯖]有玻璃纖維。縫制還導(dǎo)致纖維束中存在不良起伏。理想的是獲得均勻分布的玻璃纖維而沒有樹脂富集區(qū)的穴(pocket)。利用機(jī)織布和短切氈的標(biāo)準(zhǔn)制造沒有解決這個(gè)問題。此外，使用在輥中傳輸?shù)臋C(jī)織2-D布在模具中構(gòu)建3-D結(jié)構(gòu)的制造是難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的。在風(fēng)力渦輪葉片中，所謂的梁帽(spar cap )區(qū)應(yīng)該包含具有最大可實(shí)現(xiàn)長度方向剛度的材料，其最普遍地通過在此放置單向(UD)布而獲得。由于縫制導(dǎo)致的在粗紗之間的穴通常被用作樹脂流動(dòng)通道。當(dāng)放置未縫制的粗紗材料時(shí)，必須建立其他方式的樹脂傳輸通道。為了實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，增加放置的單向纖維層數(shù)。已經(jīng)引入了特殊的縫制圖案，以便減少層壓件中的樹脂富集穴，不過總是存在機(jī)織制造中所用的固有的昂貴紡織機(jī)械的限制。這種機(jī)械非常類似于非玻璃紡織工業(yè)中所用的機(jī)械。還沒有針對(duì)解決纖維增強(qiáng)塑料工業(yè)中的問題進(jìn)行研發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目標(biāo)是提供一種用于通過真空輔助樹脂傳遞模塑來制造工件的改進(jìn)方法，其減少了層壓件中的樹脂富集穴。本發(fā)明的第二目標(biāo)是提供一種改良的工件，其中在層壓件中的樹脂富集穴減少。第一目標(biāo)是通過根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于制造工件的方法來解決的。第二目標(biāo)是通過根據(jù)權(quán)利要求14所述的工件來解決的。從屬權(quán)利要求限定了本發(fā)明的其他改良。用于通過真空輔助樹脂傳遞模塑來制造工件的本發(fā)明方法包括將纖維粗紗放置在閉合模具系統(tǒng)的模具內(nèi)的步驟。閉合模具系統(tǒng)包括模具腔。本發(fā)明方法還包括步驟將至少一個(gè)樹脂分配裝置放置在粗紗纖維之間、向所述閉合模具系統(tǒng)施加真空以及將樹脂注入所述模具腔內(nèi)。
使用纖維粗紗并且將樹脂分配裝置放置在粗紗纖維之間具有如下優(yōu)點(diǎn)，即由于真空通道和毛細(xì)作用力的適當(dāng)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)纖維的較快浸潰。此外，樹脂分配裝置或樹脂富集流動(dòng)通道能夠被設(shè)置成使得它們不損害物品的強(qiáng)度。借助于本發(fā)明方法，能夠制造具有極大剛性(E模量)的層壓件。所用的纖維粗紗通常包含數(shù)千條單纖維。能夠沿結(jié)構(gòu)或工件(能夠是風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片)的縱向方向放置纖維粗紗。此外，能夠彼此并排地放置纖維粗紗。
優(yōu)選地，粗紗沒有以布的形式被縫制在一起。這會(huì)產(chǎn)生大密度的粗紗區(qū)但是不會(huì)留下用于樹脂流動(dòng)的區(qū)。多個(gè)槽或由流動(dòng)通道構(gòu)成的流動(dòng)增強(qiáng)裝置可以被置于纖維粗紗之間以作為樹脂分配裝置。樹脂分配裝置可以例如是流動(dòng)增強(qiáng)裝置或樹脂傳輸裝置，其容納用于浸潰周圍粗紗中的纖維的樹脂流動(dòng)。樹脂分配裝置或流動(dòng)增強(qiáng)裝置或樹脂傳輸裝置與粗紗的縱向單向纖維相比可以具有更高的液體樹脂流動(dòng)滲透性。使用纖維粗紗形式的縱向單向纖維，其中所述纖維代替了機(jī)織布被彼此并排地置于模具中，則能夠減少工件的生產(chǎn)成本并且能夠避免樹脂富集區(qū)。在本發(fā)明的上下文中，多個(gè)多孔紗線和/或多個(gè)纖維性紗線和/或至少一個(gè)可滲透管和/或至少一個(gè)樹脂流動(dòng)通道能夠被置于纖維粗紗之間以用作樹脂分配裝置。優(yōu)選地，樹脂分配裝置(例如槽)可以填充有多孔材料和/或纖維性材料。有利地，樹脂分配裝置能夠以距彼此預(yù)定距離的方式被置于纖維粗紗之間。這確保了在層壓件中一致的樹脂分布。例如，被放置的每層粗紗能夠包含例如每10條粗紗一個(gè)流動(dòng)增強(qiáng)裝置，例如多孔紗線。所用的模具能夠包括內(nèi)模具表面。樹脂分配裝置能夠優(yōu)選地被放置成與內(nèi)模具表面垂直。此外，模具能夠包括縱向方向。該縱向方向可以對(duì)應(yīng)于工件的縱向方向。在這種情況下，纖維粗紗可以沿模具的縱向方向被放置。通過沿長度方向(其可以是主要力方向)并且垂直于模具表面(特別是風(fēng)力渦輪葉片梁帽區(qū))放置樹脂傳輸槽，已固化槽的低纖維含量區(qū)將不會(huì)損害葉片沿襟翼方向的剛性或強(qiáng)度。如果通道被置于與梁帽的外殼平行，這可導(dǎo)致沿襟翼方向的負(fù)載所導(dǎo)致的剪力失效。當(dāng)對(duì)于沿邊緣方向的負(fù)載情況而言梁帽區(qū)處于或靠近中性區(qū)域時(shí)，僅存在小的剪切力。因此，通道也不會(huì)損害沿邊緣方向的強(qiáng)度。所用的纖維粗紗可以包括多條縱向單向纖維。所用的纖維粗紗可以例如包括多條玻璃纖維和/或碳纖維和/或芳綸纖維和/或玄武巖纖維和/或天然纖維和/或竹條和/或木條。天然植物纖維可以由木材或植物制成?？紤]到所用樹脂，例如聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂或乙烯基酯樹脂可以被注入模具腔內(nèi)。大體而言，樹脂分配裝置能夠相對(duì)于內(nèi)模具表面被制備成豎直流動(dòng)通道?？梢酝ㄟ^垂直于內(nèi)模具表面放置預(yù)組裝的縫制布帶或一條碎線租或unifilo ISCunifilo mat)或多孔氈來制備豎直流動(dòng)通道。在這種情況下，樹脂能夠在與模具表面垂直的單獨(dú)的狹窄通道內(nèi)被傳輸。樹脂傳輸通道之間的距離，或者更普遍地樹脂傳輸通道之間的距離，或者更普遍地樹脂分配裝置之間的距離，優(yōu)選地被選擇成使得粗紗區(qū)的毛細(xì)作用力能夠進(jìn)一步使得樹脂及時(shí)地被傳輸?shù)酱旨唽訅杭幸杂糜谒懻摰纳a(chǎn)。
可以例如通過疊覆多個(gè)多孔紗線來構(gòu)成樹脂分配裝置或流動(dòng)通道。優(yōu)選地，多個(gè)粗紗層能夠被置于模具中彼此之上。每個(gè)粗紗層可以有利地包括距彼此預(yù)定距離處的多個(gè)多孔紗線。樹脂分配裝置或樹脂流動(dòng)通道能夠以如下方式被構(gòu)成，即允許樹脂借助于來自粗紗區(qū)的毛細(xì)作用力從樹脂分配裝置或通道被抽出。之后，任意空的通道空間均能夠是多孔結(jié)構(gòu)從而類似于夾層泡沫材料，或者樹脂分配裝置或通道能夠制成是可伸縮的?？梢岳缤ㄟ^升溫、較高的真空水平或其他受控物理變化來啟動(dòng)該伸縮。大體而言，能夠使用可伸縮樹脂分配裝置。通過先前描述的本發(fā)明方法來制造本發(fā)明工件。工件可以具體地是風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片。大體而言，本發(fā)明工件具有與前述方法相同的優(yōu)點(diǎn)。例如，在本發(fā)明工件中，樹脂富集區(qū)或樹脂富集穴被減少并且能夠以較少成本來制造工件。結(jié)合附圖從實(shí)施例的下述描述中將更加顯見到本發(fā)明的其他特征、性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)。 所述特征單獨(dú)地或以任意方式彼此結(jié)合均是有利的。


圖I以平面釋地示出了在葉片翼展和葉片翼弦所限定的平面上的轉(zhuǎn)子葉片。圖2圖釋地示出了通過轉(zhuǎn)子葉片的翼型截面的沿翼弦方向的橫截面。圖3圖釋地示出了風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片的沿翼弦方向的橫截面。圖4具體地圖釋示出了圖3的梁帽12的一部分。圖5圖釋地示出了多個(gè)單向玻璃纖維粗紗，其可以被置于模具內(nèi)。圖6圖釋地示出了由多個(gè)疊覆的多孔紗線構(gòu)成的流動(dòng)通道的構(gòu)造。圖7圖釋地示出了樹脂怎樣遷移到層壓件中。圖8圖釋地示出了具有可伸縮豎直流動(dòng)通道的多條粗紗的截面圖。圖9圖釋地示出了具有可伸縮豎直流動(dòng)通道的多條粗紗的截面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考圖I至圖9描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖I以平面釋地示出了在葉片翼展和葉片翼弦所限定的平面上的轉(zhuǎn)子葉片。翼展方向由附圖標(biāo)記30標(biāo)示。圖I中示出的轉(zhuǎn)子葉片I包括具有圓筒形輪廓的根部部分3以及尖端2。尖端形成葉片的最外部。根部部分3的圓筒形輪廓用于將葉片固定到轉(zhuǎn)子轂的軸承。轉(zhuǎn)子葉片I還包括所謂的肩部4，該肩部4被定義為其最大輪廓深度(即葉片的最大翼弦長度)的位置。翼型部分5在肩部4和尖端2之間延伸，其具有空氣動(dòng)力學(xué)外形輪廓。過渡部分7在肩部4和圓筒形根部部分3之間延伸，其中產(chǎn)生從翼型部分5的空氣動(dòng)力學(xué)輪廓到根部部分3的圓筒形輪廓的過渡。圖2中示出了通過轉(zhuǎn)子葉片的翼型部段5的沿翼弦方向的橫截面。翼弦方向由附圖標(biāo)記31標(biāo)示。圖2中示出的空氣動(dòng)力學(xué)輪廓包括凸吸力側(cè)6和略凸壓力側(cè)8。從葉片前緣9延伸到其后緣11的虛線示出了輪廓的翼弦。雖然在圖2中壓力側(cè)8包括凸部段10和凹部段19，不過其還可以被實(shí)現(xiàn)成根本沒有凹部段，只要吸力側(cè)6比壓力側(cè)15更凸出即可。
在翼型部分5中的吸力側(cè)6和壓力側(cè)8也分別被稱為轉(zhuǎn)子葉片I的吸力側(cè)和壓力偵牝不過更嚴(yán)格地講，葉片I的圓筒形部分3沒有呈現(xiàn)出壓力或吸力側(cè)。為了借助于真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)來制造工件，例如風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片，例如多個(gè)單向纖維層和/或多個(gè)纖維粗紗的纖維材料被置于模具殼內(nèi)。型芯能夠被置于纖維材料上。之后模具能夠被閉合并且真空能夠被施加到閉合的模具腔。之后，諸如聚酯樹月旨、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯或其他樹脂的樹脂能夠被注入模具腔內(nèi)，從而填充層壓件內(nèi)的纖維之間的空間。圖3以截面釋地示出了沿翼弦方向的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片。風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片I包括剪力腹板15，其使得葉片I的吸力側(cè)6和壓力側(cè)8彼此連接。剪力腹板15沿翼展方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)子葉片。為了進(jìn)一步穩(wěn)定轉(zhuǎn)子葉片1，轉(zhuǎn)子葉片I在吸力側(cè)6和壓力側(cè)8處靠近剪力翼板15的內(nèi)表面包括梁帽12。在梁帽12的位置處，形成轉(zhuǎn)子葉片I的殼體與風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片殼體的其他位置相比具有增大的厚度。
圖4具體地圖釋示出了圖3的梁帽12的一部分。梁帽12包括多個(gè)單向玻璃纖維粗紗13。玻璃纖維粗紗13被定向成與轉(zhuǎn)子葉片的翼展方向30平行。多個(gè)樹脂流動(dòng)通道14被置于玻璃纖維粗紗13之間。樹脂流動(dòng)通道14相對(duì)于轉(zhuǎn)子葉片I的表面被豎直定向。轉(zhuǎn)子葉片的表面可以是在吸力側(cè)6或在壓力側(cè)8的外表面。轉(zhuǎn)子葉片I的外表面對(duì)應(yīng)于模具的內(nèi)模具表面，其中該模具用于借助于真空輔助樹脂傳輸模塑來制造風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片I。與內(nèi)模具表面或轉(zhuǎn)子葉片I在吸力側(cè)處的表面有關(guān)的豎直方向在圖4中由箭頭20表明。優(yōu)選地，在粗紗層壓件13中的特定間隔處，與內(nèi)模具表面或外葉片表面垂直或豎直的槽14保持在粗紗纖維13之間是開放的。槽14可以填充有提供樹脂流動(dòng)通道14的多孔材料或纖維性材料。當(dāng)流動(dòng)通道14填充有樹脂時(shí)，樹脂將借助于毛細(xì)作用力遷移到粗紗區(qū)13并且將填充纖維13之間的空間?？v向纖維13能夠是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、天然植物纖維材料或者甚至是竹條或其他木條。 通過沿長度方向(主要力方向)并且垂直于模具表面(特別對(duì)于風(fēng)力渦輪葉片梁帽區(qū)而言)設(shè)置樹脂傳輸槽，固化槽的低纖維含量區(qū)將不會(huì)損害葉片的沿襟翼方向的剛性或強(qiáng)度。如果與梁帽的外殼平行地放置通道，則這將導(dǎo)致由沿襟翼方向的負(fù)載導(dǎo)致的剪力失效。當(dāng)在沿邊緣的負(fù)載情況下梁帽區(qū)處于或靠近中性區(qū)時(shí)，僅存在小的剪力。因此，通道也不會(huì)損害沿邊緣的強(qiáng)度。圖5圖釋地示出了可以被置于模具中的多個(gè)單向玻璃纖維粗紗13。由碎線氈或其他多孔板構(gòu)成的流動(dòng)通道17被置于單向玻璃纖維粗紗13之間處于特定間隔處。碎線氈或其他多孔板17包括與板17的長度對(duì)應(yīng)的長度側(cè)21以及與板17的寬度對(duì)應(yīng)的寬度側(cè)22。流動(dòng)通道17被置于玻璃纖維粗紗12之間以使得寬度側(cè)22平行于豎直方向20。長度側(cè)21平行于風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的翼展方向30。大體而言，可以通過與模具表面或與風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片I的外表面垂直地或豎直地放置預(yù)組裝縫制布帶、一條碎線氈、unifilo氈或其他多孔氈，從而制備豎直流動(dòng)通道14、17。在圖5中，通過箭頭23示出了碎線氈17在纖維性粗紗13之間的放置。可替代地，流動(dòng)通道14也能夠由多條疊覆多孔紗線25構(gòu)成。這在圖6中被圖釋地示出。在圖6中，多條粗紗13以層的形式被置于模具32中彼此之上。通過箭頭24示出了層在彼此上的放置。被放置的每層粗紗13能夠例如每10條粗紗13包含一條多孔紗線25。多孔紗線25沿豎直線被放置。箭頭20示出了豎直方向。多孔紗線25能夠由任意形式的纖維或其他材料制成，其中該纖維包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維或由木質(zhì)或植物制成的天然纖維。圖7圖釋地示出了樹脂怎樣遷移到層壓件中。圖7示出了如前所述的多條玻璃纖維粗紗13和在玻璃纖維粗紗13之間的豎直流動(dòng)通道14。當(dāng)在真空輔助樹脂傳遞模塑過程期間注入樹脂時(shí)，通過施加真空，樹脂被傳輸通過流動(dòng)通道14。樹脂通過毛細(xì)作用力和真空被進(jìn)一步傳輸?shù)讲ＡТ旨唽訅杭?3中。通過箭頭16示出了樹脂向?qū)訅杭?3中的遷移。大體而言，樹脂流動(dòng)通道14能夠被構(gòu)造成允許樹脂借助于來自于粗紗區(qū)13的毛細(xì)作用力而從通道14被抽出。任意空的通道空間均能夠是多孔結(jié)構(gòu)從而類似于夾層泡沫材料，或者通道14能夠被制成可伸縮的。這在圖8和圖9中被示出。圖8和圖9圖釋地示出了多個(gè)玻璃纖維粗紗13的截面圖，其在玻璃纖維粗紗13之間有豎直流動(dòng)通道18。圖8示出了在施加真空和注入樹脂之前被置于模具殼內(nèi)的玻璃粗紗13。圖9示出了在施加真空之后并且在向?qū)訅杭凶⑷霕渲蟊恢糜谀＞邭?nèi)的玻璃纖維粗紗13。圖9中的豎直流動(dòng)通道18是收縮的。這由箭頭19示出。能夠例如通過升溫、較高真空水平或其他受控物理變化來啟動(dòng)這種伸縮。
權(quán)利要求
1.一種通過真空輔助樹脂傳遞模塑制造工件(I)的方法，包括步驟將纖維粗紗(13)放置在包括模具腔的閉合模具系統(tǒng)的模具中，將至少一個(gè)樹脂分配裝置(14、17、18、25)放置在所述纖維粗紗(13)之間，施加真空到所述閉合模具系統(tǒng)，以及將樹脂注入所述模具腔內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，特征在于 在所述纖維粗紗之間放置多個(gè)槽或流動(dòng)增強(qiáng) 裝置或流動(dòng)通道以作為樹脂分配裝置(14、17、18、25)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，特征在于 使用多孔材料和/或使用纖維性材料來填充所述樹脂分配裝置(14、17、18、25)。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 將所述樹脂分配裝置(14、17,18,25)放置在所述纖維粗紗(13)之間處于距彼此預(yù)定距離處。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述模具包括內(nèi)模具表面，并且特征在于垂直于所述模具表面放置所述樹脂分配裝置(14、17、18、25)。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述模具包括與所述工件(I)的縱向方向(30)對(duì)應(yīng)的縱向方向，并且特征在于沿所述模具的縱向方向放置所述纖維粗紗(13)。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 使用包括多條縱向單向纖維的纖維粗紗(13)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 使用包括多條玻璃纖維和/或碳纖維和/或芳綸纖維和/或玄武巖纖維和/或天然纖維和/或竹條和/或木條的纖維粗紗(13)。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 將聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂注入所述模具腔內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 通過垂直于內(nèi)模具表面放置預(yù)組裝的縫制布帶或一條碎線氈(17)或unifilo氈或多孔氈，將所述樹脂分配裝置(14、17、18、25)相對(duì)于所述內(nèi)模具表面制備成豎直流動(dòng)通道。
11.如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 通過疊覆多條多孔紗線(25)來構(gòu)造所述樹脂分配裝置。
12.如權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 將多個(gè)粗紗層放置在彼此上，每個(gè)粗紗層包括距彼此預(yù)定距離處的多條多孔紗線(25)。
13.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的方法，特征在于 使用可伸縮通道(18)作為樹脂分配裝置。
14.通過如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的方法制造的工件(I)。
15.如權(quán)利要求14所述的工件，特征在于 所述工件是風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片(I)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過真空輔助樹脂傳遞模塑制造工件(1)的方法。該方法包括步驟將纖維粗紗(13)放置在包括模具腔的閉合模具系統(tǒng)的模具中，將至少一個(gè)樹脂分配裝置(14、17、18、25)放置在所述纖維粗紗(13)之間，施加真空到所述閉合模具系統(tǒng)，以及將樹脂注入所述模具腔內(nèi)。
文檔編號(hào)B29L31/08GK102729489SQ20121010787
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者E.格羅韋-尼爾森 申請人:西門子公司