專利名稱：粗紗線束，制造粗紗線束的方法和制造工件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造粗紗線束的方法、粗紗線束以及此類粗紗線束的用途。本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造工件(例如，風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片)的方法以及工件。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)塑性復(fù)合材料被用于諸如汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、儲(chǔ)罐等各種技術(shù)產(chǎn)品中。多數(shù)大尺寸的產(chǎn)品(如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片)是通過將輥?zhàn)由蟼魉偷牟ＡЭ椢镏糜谝粋€(gè)或多個(gè)模具中來制造的。在被稱為真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)的常用樹脂注塑工藝中，模具被閉合，并向閉合模具系統(tǒng)施加真空。然后，樹脂(諸如聚脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯或其它樹脂)被注入到模具空腔中，因此填滿層疊材料中纖維之間的空隙。在承載結(jié)構(gòu)中，通常用單向玻璃織物。可以用聚酯或類似材料的紗線將織物中的玻璃纖維粗紗結(jié)合到一起。在長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)(諸如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片)中，用多層單向纖維材料是有利的。織造工藝費(fèi)用高昂，通常 是纖維材料價(jià)格的兩倍。為了獲得高強(qiáng)度，通常增加放入模具中單向纖維層數(shù)。這需要更多的勞動(dòng)力，造成最終廣品的成本很聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是要提供一種制造粗紗線束的有利方法。本發(fā)明的第二目標(biāo)是要提供一種有利的粗紗線束。本發(fā)明的第三目的是要提供一種通過真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制造工件的改進(jìn)方法。本發(fā)明的第四目的是提供制造工件的另一方法。第一目標(biāo)通過權(quán)利要求I所述的制造粗紗線束的方法來實(shí)現(xiàn)。第二目標(biāo)通過權(quán)利要求7所述的粗紗線束來實(shí)現(xiàn)。第三目的通過權(quán)利要求12所述的制造工件的方法來實(shí)現(xiàn)。第四目標(biāo)通過權(quán)利要求14所述的制造工件的方法來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的第五目標(biāo)通過權(quán)利要求15所述的工件來實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求限定了對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)。本發(fā)明制造粗紗線束的方法被表征為在束中組建多根縱向單向纖維粗紗線和附加組分?？v向單向纖維例如可以是增強(qiáng)纖維。優(yōu)選地，在束中組建至少10根粗紗線，有利的是10-100根粗紗線。粗紗線包含數(shù)千根單纖維。通過本發(fā)明的方法，纖維紗線可以直接供應(yīng)到模具中，或者模具附近的機(jī)器可用來將粗紗線組建成束，束可以簡(jiǎn)單快捷的方式放到模具中。因此，制造粗紗線束簡(jiǎn)化了將單向纖維材料放到模具中的過程，以便例如用來制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。這些束可以被容易地(例如通過機(jī)器人)放到模具中。提供和使用在10-100或更多根粗紗線構(gòu)成的束中組建的縱向單向纖維具有如下優(yōu)點(diǎn)可以代替織造織物，織造織物通常比描述的粗紗線束費(fèi)用更高。本發(fā)明的制造粗紗線束的方法提供了一種成本降低的可用于制造工件的材料。有利的是，至少一個(gè)樹脂分配裝置或熱塑性材料可作為附加組分放到束中。通常，附加組分可放置在束的中心。樹脂分配裝置例如可以是流動(dòng)增強(qiáng)裝置或樹脂傳遞裝置，它適應(yīng)樹脂的流動(dòng)，以將纖維浸潰到周圍的粗紗中。樹脂分配裝置或流動(dòng)增強(qiáng)裝置或樹脂傳遞裝置可以有比縱向單向纖維更高的對(duì)液態(tài)樹脂流的滲透性。在本發(fā)明的制造粗紗線束方法的背景下，在所述束中可設(shè)置至少一根多孔紗線和/或至少一根纖維紗線和/或至少一個(gè)滲透管和/或至少一個(gè)樹脂流動(dòng)通道作為樹脂分配裝置。附加組分可有利地放置于粗紗線的中間或中心。位于中心的附加組分用作快速樹脂傳遞通道，以便達(dá)到粗紗纖維的快速浸潰。通過真空和毛細(xì)管力，樹脂可從中心移動(dòng)到周圍的粗紗。由于多孔紗線被設(shè)置在中心，所以與束中最外面的纖維距離相等。塑性材料、紙或其它材料的滲透管可代替多孔紗線使用?？梢允箻渲ㄟ^源于粗紗區(qū)的毛細(xì)管力從通道排出的方式構(gòu)造粗紗束中心的樹脂流動(dòng)通道?；蛘呖盏耐ǖ揽障犊梢允嵌嗫捉Y(jié)構(gòu)，像夾層泡沫材料一樣，或者通道可以制成可收縮的。這種收縮例如可以由升高的溫度、更高的真空水平或者其它可控的物理變化引起。而且，至少一根熱塑性纖維和/或至少一個(gè)熱塑性片可作為熱塑性材料設(shè)置在束 中。熱塑性材料的使用提供了熱固化束的可能性，例如在制造工件的工藝背景下。通常，玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維或例如來自木材或植物的自然纖維可用作粗紗線。優(yōu)選地，粗紗線束可通過卷繞紗線來卷繞。卷繞紗線可繞束盤繞。優(yōu)選地，卷繞紗線是彈性紗線。用彈性紗線使得在將束放到模具中時(shí)能改變其圓形形狀，從而使得所有的束都配置成束之間沒有空氣孔隙。而且，束可以存放在線軸上，供以后使用，或者束可以直接從繞線機(jī)傳送到模具。替代性地，也可想到利用沒有彈性的紗線。所用的粗紗線和/或所用的卷繞紗線可包括隨機(jī)定向的纖維或橫向纖維。隨機(jī)定向的纖維或橫向纖維例如可以是研磨纖維、短纖維或長(zhǎng)纖維。然后可將這些纖維設(shè)置在束的外側(cè)上或粗紗線的最外層中，或者可包括于束中，或附著到束上。使用隨機(jī)定向的纖維或縱向纖維增強(qiáng)了通過本發(fā)明的束產(chǎn)生的層疊材料的剪切強(qiáng)度。這些隨機(jī)定向的纖維的另一目的是提高這些單向纖維層疊材料的抗龜裂性。隨機(jī)定向的短或長(zhǎng)纖維還可組建或設(shè)置到將粗紗束保持在一起的樹脂紗線上。本發(fā)明的粗紗線束包括多根縱向單向纖維粗紗線和附加組分。一般性地，本發(fā)明的粗紗線束可通過之前描述的方法制造，具有之前提到的優(yōu)點(diǎn)。例如，本發(fā)明的粗紗線束可包括至少一個(gè)樹脂分配裝置或熱塑性材料作為附加組分。而且，它可包括至少一根多孔紗線和/或纖維紗線和/或滲透管和/或樹脂流動(dòng)通道，作為樹脂分配裝置。而且，它可包括至少一根熱塑性纖維和/或熱塑性片作為熱塑性材料。優(yōu)選地，粗紗線束包括至少一個(gè)卷繞紗線，它可繞束卷繞。而且，粗紗線可包括隨機(jī)定向的纖維或橫向纖維。纏繞紗線還可包括隨機(jī)定向的纖維或橫向纖維。關(guān)于本發(fā)明粗紗線束的進(jìn)一步的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，在之前描述的本發(fā)明的方法中已經(jīng)提到。本發(fā)明的通過真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制造工件的方法包括步驟像之前描述的一樣，將至少一根粗紗線束放到閉合模具系統(tǒng)的模具中，向閉合模具系統(tǒng)施加真空，將樹脂注塑到模具空腔中。工件可以是例如風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。有利的是，粗紗線束可直接從卷繞機(jī)器傳送到模具中。通常，束可通過機(jī)器人放到模具中。在將束放到模具中后，至少一根粗紗線束或多根粗紗線束可被壓緊。這可通過真空來完成。本發(fā)明的制造工件的一種替代性方法包括步驟將包括熱塑性材料的至少一根之前描述的粗紗線束放到模具中，然后對(duì)熱塑性材料進(jìn)行熱固化。熱固化是使材料固結(jié)來進(jìn)行的，使材料固結(jié)時(shí)首先先加熱和熔化熱塑性材料，然后再冷卻材料。為了熔化熱塑性材料，可將與增強(qiáng)纖維混合的熱塑性纖維加熱到例如200°C。然后，液態(tài)熱塑性材料可在例如真空下在增強(qiáng)纖維中流動(dòng)。當(dāng)冷卻變硬之后，工件完成。此方法提供了一種便宜、簡(jiǎn)單的制造縱向單向纖維材料的可實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明的工件是通過之前描述的方法之一來制造的。本發(fā)明的工件具有這樣的優(yōu)點(diǎn)由于可以用粗紗線束來代替昂貴的織造纖維材料，所以可用相對(duì)低的成本來制造工件。本發(fā)明包括所有之前描述的方法和裝置，其具有如下優(yōu)點(diǎn)用束來代替模具中放置的單根紗線可獲得快速的生產(chǎn)率。而且，由于結(jié)合紗線不產(chǎn)生波紋或富樹脂小包，所以獲得了改進(jìn)的線狀纖維定向性。而且，由于真空通道與毛細(xì)管力的適當(dāng)組合，可進(jìn)行纖維的更 快速浸潰。通過使用本發(fā)明，可以制造具有極高硬度(E模量)的層疊材料。通過下文結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明進(jìn)一步的特征、性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。所描述的特征單獨(dú)地或彼此組合都是有利的。


彼此對(duì)應(yīng)的不同附圖和實(shí)施例的元件被標(biāo)以相同的附圖標(biāo)記。圖I示意性地示出了本發(fā)明的制造粗紗線束的方法。圖2以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的粗紗線束。圖3以剖視圖的形式示意性地示出了由多根本發(fā)明的粗紗線束構(gòu)成的組件。圖4示意性地示出了在施加真空之后的圖3的組件。圖5示意性地示出了已盤繞的本發(fā)明的粗紗線束。圖6示意性地示出了本發(fā)明的粗紗束在模具中的放置。圖7以剖視圖的形式示意性地示出了纏繞粗紗束的另一變型。圖8以側(cè)視圖的形式示意性地示出了圖7的纏繞粗紗束。圖9以透視圖的形式示意性地示出了圖7的纏繞粗紗束。圖10以透視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的纏繞束。圖11示意性地示出了僅僅圖10的纏繞紗線。圖12以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的粗紗束。圖13以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明粗紗束的另一變型。圖14以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明粗紗束的又一變型。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照?qǐng)D1-6來描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖I示意性地示出了本發(fā)明制造粗紗線束的方法。多根粗紗線I和一根中心樹脂流動(dòng)紗線2通過卷繞設(shè)備4組建到粗紗束5中。額外的纏繞紗線3通過卷繞設(shè)備4繞粗紗束5沿圓周卷繞。粗紗線I可包括玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸或自然纖維，自然纖維例如來自于木材或植物的纖維。粗紗線I包括縱向單向增強(qiáng)纖維。束5優(yōu)選包括至少10根，有利的是10-100根粗紗線I。纏繞紗線3有利地可是彈性紗線。這使束5在被置于模具中的時(shí)候改變其圓形形狀，使所有的束5都適配成在束之間沒有空氣孔隙。但是，可以想到使用沒有彈性的紗線3。中心設(shè)置的流動(dòng)紗線2例如可以是多孔紗線或纖維紗線。優(yōu)選放在粗紗束5的中間。中心紗線用作快速樹脂傳遞通道，以便達(dá)到粗紗纖維I的快速浸潰。通過真空和毛細(xì)管力，樹脂會(huì)從中心移動(dòng)到周圍紗線。由于多孔紗線被置于中心，所以與束5的最外面纖維I有相等距離。塑性材料、紙或其它材料的滲透管可代替多孔紗線使用。圖2以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的粗紗線束。束5具有圓形形狀。樹脂傳遞紗線或管2位于束5的中心，由多根單向粗紗I圍繞。圖3示意性地示出了例如處于模具中的由多根本發(fā)明的粗紗束5構(gòu)成的組件，以制造類似風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的工件。圖3以剖視圖的形式示出了束5。在彼此接觸的束 5之間，存在空氣孔隙7。圖4示意性地示出了在真空施加當(dāng)前傳遞模塑工藝的過程期間，在施加真空之后的圖3的組件。在圖4中，粗紗束5通過例如在閉合模具系統(tǒng)中施加真空變緊實(shí)。束5之間不再存在空氣孔隙7。圖5示意性地示出了繞成盤狀的本發(fā)明的粗紗線束。在通過以之前結(jié)合圖I描述的卷繞設(shè)備4制造粗紗束5之后，將纏繞的紗線束5繞成盤狀。盤繞束由附圖標(biāo)記6表示。如果使用彈性纏繞紗線3，則本發(fā)明的粗紗線束5的盤繞尤其可行。圖6示意性地示出了本發(fā)明的粗紗束5在模具8中的放置。在圖6中，示出了用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的模具8。在模具中組建多根如之前描述的纏繞粗紗束5。優(yōu)選地，纏繞粗紗束5以縱向方向或與風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的跨度方向平行來組建?，F(xiàn)在參照?qǐng)D7-9來描述本發(fā)明的纏繞粗紗束的另一變型。圖7以剖視圖的形式示意性地示出了纏繞粗紗束15。圖8以側(cè)視圖的形式示意性地示出了纏繞粗紗束15，圖9以透視圖的形式示意性地示出了纏繞粗紗束15。纏繞粗紗束15包括單向紗線1，中心樹脂流動(dòng)通道2和多根橫向纖維9。例如，僅僅在束15的外側(cè)上或在紗線I的最外層中存在橫向或隨機(jī)定向的纖維9。橫向或隨機(jī)定向的纖維9可以是例如研磨纖維、短纖維或長(zhǎng)纖維。它們可以包括于或附著到束15，以便增強(qiáng)要產(chǎn)生的層疊材料的剪切強(qiáng)度。這些隨機(jī)定向的纖維9的另一目的可以是提高這些單向纖維層疊材料中的抗裂性。現(xiàn)在參照?qǐng)D10和圖11來描述可應(yīng)用于本發(fā)明的所有實(shí)施例的一個(gè)變型。隨機(jī)定向的短或長(zhǎng)纖維可以結(jié)合或設(shè)置于纏繞紗線3中，纏繞紗線3將粗紗束5或15保持在一起。這示意性地在圖10和圖11中示出。圖10以透視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的纏繞束25。圖11僅僅示意性地示出了圖10的纏繞紗線3。束25可具有之前在圖I和圖2中描述的束5的性質(zhì)，或者可具有之前參照?qǐng)D7_圖9描述的束15的性質(zhì)。圖10中的束25包括纏繞紗線3，纏繞紗線包括橫向或隨機(jī)定向的纖維9。橫向或隨機(jī)定向的纖維9例如可以是研磨纖維、矩纖維或長(zhǎng)纖維，這提高了要產(chǎn)生的層疊材料的剪切強(qiáng)度。而且，橫向或隨機(jī)定向的纖維9可改進(jìn)所形成的纖維層疊材料的抗裂系統(tǒng)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12-14來描述本發(fā)明的另一實(shí)施例。圖12以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的粗紗束35。束包括多根粗紗線I和一根熱塑性纖維36。熱塑性纖維36位于束35的中心。圖13以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的粗紗束45的另一變型。束45包括多根粗紗線I和多根熱塑性纖維36。在束35中，熱塑性纖維36被隨機(jī)設(shè)置在粗紗線I之間。圖14以剖視圖的形式示意性地示出了本發(fā)明的粗紗束55的另一變型。粗紗束55包括多根粗紗線1，多根熱塑性纖維36和一根樹脂傳遞紗線2。樹脂傳遞紗線2或樹脂分配裝置2放在束55的中心。樹脂分配裝置2可具有之前描述的性質(zhì)。熱塑性纖維36隨機(jī)設(shè)置于粗紗線I之間。本發(fā)明的制造粗紗線束的方法還可用于增強(qiáng)纖維I和大致例如圖12-14所示的熱塑性纖維36、熱塑性片或熱塑性材料的混合物。為了制造工件，例如風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，可將如圖12-14所示的本發(fā)明的束35、45和55放到模具中。熱塑性纖維材料36與增強(qiáng)纖 維材料I混合，然后熔化并固化。為了熔化熱塑性材料，可將與增強(qiáng)纖維混合的熱塑性纖維加熱到例如200°C。然后，液態(tài)熱塑性材料可在例如真空下在增強(qiáng)纖維之間流動(dòng)。當(dāng)冷卻、固化之后，工件被制成。除了熱固化材料之外，液態(tài)樹脂可灌入到閉合模具系統(tǒng)的填充了纖維的模具空腔中。之前描述的所有粗紗束5、15、25、35、45和55可用于通過真空輔助樹脂傳遞模塑工藝(VARTM)制造工件，例如風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。在此背景下，纖維材料，例如多個(gè)單向纖維層和/或多根本發(fā)明的粗紗束5、15、25、35、45和55放在模具外殼中。模具心可放到纖維材料上。然后，可閉合模具，并像閉合的模具空腔施加真空。然后，樹脂，諸如聚脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂或其它樹脂可注入到模具空腔中，填充層疊材料的纖維之間的空間。替代性地或額外地，熱塑性材料可與纖維增強(qiáng)材料混合，或者可設(shè)置在纖維層之間。在此情況下，熱塑性材料可被加熱、熔化。然后，熱塑性纖維和增強(qiáng)纖維材料之間的混合物被固結(jié)，這是通過初始加熱和熔化熱塑性材料，然后通過冷卻材料進(jìn)行固化實(shí)現(xiàn)的。然后，熱塑性纖維和增強(qiáng)纖維材料之間的混合物形成剛性復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種制造粗紗線(I)的束(5)的方法， 其特征在于 在束(5 )中組建多根縱向單向纖維粗紗線(I)和附加組分(2，36 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法， 其特征在于 在所述束(5)中設(shè)置至少一個(gè)樹脂分配裝置(2)或熱塑性材料(36)作為所述附加組分(2，36)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于 在所述束(5)中設(shè)置至少一根多孔紗線和/或纖維紗線和/或滲透管和/或樹脂流動(dòng)通道作為樹脂分配裝置(2)，和/或在所述束(5)中設(shè)置至少一根熱塑性纖維和/或熱塑性片作為熱塑性材料(36)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維或自然纖維作為粗紗線(I)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 通過纏繞紗線(3)對(duì)粗紗線束(5)進(jìn)行纏繞。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于 使用包括隨機(jī)定向纖維或橫向纖維(9 )的粗紗線(I)，和/或使用包括隨機(jī)定向纖維或橫向纖維(9 )的纏繞紗線(3 )。
7.一種粗紗線束(5)，包括多根縱向單向纖維粗紗線(I)和附加組分(2，36)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粗紗線束(5)， 其特征在于 它包括至少一個(gè)樹脂分配裝置(2)或熱塑性材料(36)作為所述附加組分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的粗紗線束(5)， 其特征在于 它包括至少一根多孔紗線和/或纖維紗線和/或滲透管和/或樹脂流動(dòng)通道作為樹脂分配裝置(2)，和/或它包括至少一根熱塑性纖維和/或熱塑性片作為熱塑性材料(36)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中任一項(xiàng)所述的粗紗線束(5)， 其特征在于 它包括至少一根纏繞紗線(3 )。
11.根據(jù)權(quán)利要求7-10中任一項(xiàng)所述的粗紗線束(5)， 其特征在于 所述粗紗線(I)包括隨機(jī)定向纖維或橫向纖維(9)，和/或所述纏繞紗線(3)包括隨機(jī)定向纖維或橫向纖維(9)。
12.一種通過真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制造工件的方法，包括步驟在閉合模具系統(tǒng)的模具(8)中設(shè)置至少一根如權(quán)利要求7-11任一項(xiàng)所述的粗紗線束(5)，向所述閉合模具系統(tǒng)施加真空，并將樹脂注塑到模具空腔中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法， 其特征在于通過真空來壓緊至少一根粗紗線束(5 )。
14.一種制造工件的方法，包括步驟 在模具(8)中設(shè)置如權(quán)利要求7-11任一項(xiàng)所述的至少一根粗紗線束(5)，所述粗紗線束包括熱塑性材料；以及 通過首先加熱和熔化熱塑性材料，然后使材料冷卻來進(jìn)行固結(jié)。
15.—種工件,其由權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)所述的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明涉及粗紗線束，制造粗紗線束的方法和制造工件的方法。具體地，描述了一種制造粗紗線(1)的束(5)的方法。該方法的特征在于在束(5)中組建多根縱向單向纖維粗紗線(1)和附加組分(2，36)。例如，在束(5)中可設(shè)置至少一個(gè)樹脂分配裝置(2)或熱塑性材料(36)作為附加組分(2，36)。
文檔編號(hào)B29B11/00GK102744891SQ201210114059
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者E.格羅韋-尼爾森 申請(qǐng)人:西門子公司