專利名稱：以復(fù)合材料為基礎(chǔ)制造大型空心部件的方法
以復(fù)合材料為基礎(chǔ)制造大型空心部件的方法 技術(shù)領(lǐng)域5 本發(fā)明涉及以復(fù)合材料為基礎(chǔ)生產(chǎn)大型部件的方法，尤其適用于制造風(fēng)力發(fā)電機的葉片根部。更具體地，本發(fā)明的方法包括在模具周圍螺旋形地纏繞含纖維和樹脂的復(fù)合材料帶并最終對其進(jìn)行固化操作。10 背景技術(shù)以復(fù)合材料為基礎(chǔ)制造大型部件的已知方法通常使用浸漬樹脂 的連續(xù)纖維，其纏繞在芯棒或模具周圍。在這種方式中，我們可以找到例如美國專利第5993717號，其涉及制造具有開放或閉合橫截面的 加強合成外形的方法，其中加強纖維以及加強絲或桿通過樹脂溶液，15 再穿入成形和固化外形的模具。在同一種方式中，我們可以引用歐洲專利第1056587號，其涉及 由具有連續(xù)纖維的加強合成樹脂制造漂浮體并使用繞線機制造。制造大型樹脂部件也是已知的，其中加強元件包括纖維帶或條。 在這種方式中，我們可以引用西班牙專利第2089965號，其涉及制造20用于風(fēng)力渦輪機葉片的空氣動力學(xué)外形的方法，該方法包括用浸漬合 成樹脂的纖維復(fù)合體覆蓋模具，隨后組合所有被覆蓋的模具。纖維復(fù) 合體能夠在模具上成形，例如以加強纖維的疊層為基礎(chǔ)，向模具提供 具有預(yù)浸漬合成樹脂的單向纖維的條。而且，在這種情況下纖維預(yù)浸 漬過，此外纖維帶或條穿過模具，且模具形成具有所需外形的部件。25發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目標(biāo)是能夠使用以加強纖維和樹脂為基礎(chǔ)的復(fù)合材料 獲得大型部件，其中加強纖維包括長度不定的帶，帶施加到模具上， 在模具上進(jìn)行固化并從模具分離成形的部件，只用復(fù)合材料構(gòu)成所述部件，無需成為部件一部分的其他支撐或加強元件。根據(jù)本發(fā)明的第一特征，通過在模具周圍螺旋形地纏繞復(fù)合材料帶直到得到所需的疊層，部件在模具上成形。這樣的纏繞可以在繞線機中帶動模具執(zhí)行，繞線機可以沿模具的 5軸旋轉(zhuǎn)模具，同時復(fù)合材料帶的巻筒在平行于模具的托架中線性地移動。部件的疊層通過結(jié)合巻筒托架的線性運動和模具沿其軸的旋轉(zhuǎn) 運動獲得。因此，依靠連續(xù)的掃動，通過調(diào)節(jié)每一次掃動的長度在模 具的每一區(qū)域或區(qū)段上獲得所需的疊層厚度。在形成疊層的同時，以 10 均勻的電壓維持復(fù)合材料帶以避免起皺。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，復(fù)合材料帶包括由交替的纖維層和樹脂 條形成的分層結(jié)構(gòu)。這些復(fù)合材料帶優(yōu)選由兩個纖維外層和一個樹脂 中間層組成。樹脂直到使用前都是固態(tài)的，因為復(fù)合材料帶必須低于 5。C保存。為了將復(fù)合材料帶施加到模具上，復(fù)合材料帶必須加熱到 15 15至2(TC之間，使得樹脂成為面團(tuán)狀或半液態(tài)。在開始纏繞復(fù)合材料帶之前，模具的表面必須經(jīng)過處理清潔、 涂覆脫模劑和安放熱電偶以檢驗隨后的樹脂固化步驟中的溫度。當(dāng)完成疊層時，用可移除的保護(hù)薄片覆蓋整個表面。這樣的薄片 可以是螺旋形纏繞在疊層周圍的帶，其縱向邊緣部分重疊和拉緊，從 20而完全貼合疊層的表面。保護(hù)薄片具有雙重功能， 一方面其保護(hù)疊層 免受污染，另一方面使疊層的表面對于以后的操作中施加的層足夠粗 糙從而能正確粘貼，如下所示。熱縮帶螺旋形地纏繞在保護(hù)薄片周圍，拉緊且縱向邊緣部分重 疊，從而形成連續(xù)的外罩，沿外罩形成排出空氣和滲出樹脂的通路， 25 通過在熱縮帶的特定連續(xù)纏繞圈之間橫向放置可滲透材料條形成通 路。隨后在真空中壓緊，壓緊所使用的方法在本領(lǐng)域眾所周知，其可 以包括連續(xù)使用排氣片、由吸收材料層組成的通氣層、和覆蓋及密封 組件全部側(cè)表面的真空罩或袋，其中通氣層負(fù)責(zé)吸收通過排氣片的接合處和其邊緣疊層滲出的樹脂。在排氣裝置和真空袋之間形成相互連通的縱向和橫向的真空通 路，通過這些通路抽取空氣。而且在吸收材料層上，在形成真空袋之 前，安放熱電偶和抽取空氣的管道，起始于真空通路的管道穿過吸收 5 材料層并通過末端截面離開。此外，通過將真空抽取管道連接到真空 泵形成真空時，管道經(jīng)過真空區(qū)并在后續(xù)步驟中連接到真空計。在塑 料薄片的邊緣與吸收材料層之間形成真空袋的塑料薄片的密封，以及 在熱電偶與空氣抽取管道出口處密封可以鍍袼。在真空袋內(nèi)部達(dá)到真空度之后，開始固化疊層樹脂，由于真空條 10 件可以保持壓緊，及加熱成形的主體外部和通過模具加熱內(nèi)部。該過 程在固化爐內(nèi)完成，用先前安裝的熱電偶監(jiān)控溫度，這樣能獨立于內(nèi) 部和外部的疊層執(zhí)行固化步驟，從內(nèi)到外控制固化。當(dāng)樹脂固化已經(jīng)完成且組件已經(jīng)從固化爐移走時，移走真空袋、 具有空氣通路的吸收材料層、熱電偶及真空或空氣抽取管道，最終脫 15 模主體。為了完成這一步驟及去除在疊層期間在截面最大的一側(cè)上形 成的多余材料，靠近最大的末端截面制作兩個外周切口，切口直達(dá)模 具并形成兩個環(huán)形物， 一個在末端，其由軸向切口分割，例如再細(xì)分 為兩個或多個可分離的扇形，中間環(huán)形物位于固定的支撐上，同時從 與中間環(huán)形物相反的一側(cè)軸向推動，從而移除模具。因此，通過作用 20于模具而實現(xiàn)脫模，相對于所得的主體或疊層移動模具，通過中間環(huán) 形物主體或疊層放置在固定的橫向支撐上。當(dāng)模具移走時，松脫中間 環(huán)形物并從模制的主體分離。在模具表面靠近末端截面形成外周通道，所以在模制主體上獲取 這些環(huán)形物的橫向切口不影響或觸及模具的表面。通道應(yīng)當(dāng)稍寬于形 25 成環(huán)形物的切口之間的間隔，并應(yīng)當(dāng)與切口所在位置重疊。在開始纏 繞復(fù)合材料帶之前，在該通道中填充柔軟的填充材料，如軟木，填充 材料再由與模具的側(cè)表面平齊的不滲透薄片覆蓋。因此，當(dāng)在模制的 主體中制作橫向的外周切口時，切割可以超過模制主體的厚度而不影 響模具，因為將觸及外周通道的軟木填充材料。而后，模制主體經(jīng)過對齊處理，并加工毗鄰葉片的橫切面以獲得 垂直于主體的軸的平面。在該表面制作軸向外殼，并在其中放入和粘 貼用于固定葉片的插入物。通過幾個階段的加工獲得上述軸向外殼，從而實現(xiàn)圓錐形內(nèi)區(qū)段 5 和圓柱形外區(qū)段。插入物為管狀，其外形和截面與插入物重合。在固定或不同的工作臺上執(zhí)行層疊操作和至少疊層成形之后的 操作，如真空、固化、脫模、對齊、加工和粘貼插入物的步驟，模具 將順序運送到工作臺。這樣允許在同一時間在不同的工作臺上執(zhí)行不 10 同的操作。


參考附圖，結(jié)合以下對示例的說明可以更好地理解本發(fā)明方法的 特征，其中15 圖1是在成形疊層的模具周圍螺旋形地纏繞疊層條的裝置的平面圖。圖2對應(yīng)圖1的細(xì)節(jié)A，是成形疊層過程完成時，具有真空袋和 在固化處理之前的截面圖。圖3是圖2所示具有真空袋的組件的平面圖。 20 圖4是脫模步驟之前其上具有疊層或形狀的模具的徑向截面圖。圖5是移除模具之后從疊層的較大底部所見的疊層外形圖。 圖6是從圖5所示剖線VI-V工剖開的疊層壁的部分縱向截面圖。 圖7是根據(jù)另一實施例在模具上成形疊層的正面?zhèn)纫晥D。 圖8是圖7的細(xì)節(jié)B的放大剖視圖。2具體實施方式
在附圖中提出的示例對應(yīng)于制造具有管狀結(jié)構(gòu)的風(fēng)力渦輪機葉 片的根部，其從同樣具有管狀結(jié)構(gòu)的模具獲得。為了獲得該部件，從將模具1安裝到繞線機上爪式卡盤2與對應(yīng)點3之間開始，如圖1所示。模具還包括能夠裝載復(fù)合材料帶6的巻筒5的托架4，用復(fù)合材料帶在根部層疊。托架4能夠沿平行于模具1的軸的底座7線性移動。 組合軸1的旋轉(zhuǎn)與托架4的線性運動，復(fù)合材料帶6螺旋形地纏繞在模具1周圍，達(dá)到模具的每一區(qū)域或區(qū)段所需的疊層厚度。用統(tǒng) 5—的電壓保持復(fù)合材料帶6以避免起鈹和實現(xiàn)均勻的疊層。復(fù)合材料帶6由兩層纖維與其間的一層樹脂構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)組成。纏繞復(fù)合材料帶6之后，獲得了分層結(jié)構(gòu)，如圖2的附圖標(biāo)記8 所示。保持分層結(jié)構(gòu)位于模具1上，在該分層結(jié)構(gòu)上施加可移除保護(hù)io 薄片9，樹脂可滲透該保護(hù)薄片，但是其能防止污垢到達(dá)分層結(jié)構(gòu)8 。 在該保護(hù)薄片周圍螺旋形地纏繞熱縮條以形成連續(xù)的外罩，其有助于 在以后的固化過程中壓緊疊層8。由于該熱縮條是不滲透的，在特定 的位置形成間斷，例如通過交替使用可滲透材料條，這樣形成了空氣 可以流過和樹脂可以滲出的通路。15 在該外罩上安放排氣片11，其由具有小孔的塑料薄片組成，樹脂不可以透過這些小孔而空氣可以。隨后用由吸收材料層構(gòu)成的通氣 層12覆蓋排氣片，例如無紡纖維毯。通氣層用于吸收因?qū)盈B通過排 氣片的接合點和邊緣滲出的樹脂。最終，在通氣層12上形成由放置在通氣層12周圍的不滲透薄片20構(gòu)成的真空袋13，其縱向邊緣相互密封，橫向邊緣用靠近組件的橫 截面涂覆的密封劑14密封到通氣層12。在真空袋13與通氣層12之間放置熱電偶15，熱電偶的電纜16 穿過密封劑層14退出。在真空袋13與通氣層12之間還有空氣抽取 管道17，其也穿過密封劑14伸出。管道17從在通氣層12與真空袋25 13之間形成的通路18伸出，這些通路18縱向和周邊地延伸并連接 在一起。例如，這些通路18由位于形成通氣層12的無紡纖維毯上的 網(wǎng)孔帶構(gòu)成。如圖2所示，在開始纏繞復(fù)合材料帶6之前，熱電偶19安裝在 模具l上。導(dǎo)線20退出的一側(cè)與熱電偶15的導(dǎo)線16的相同。因此，真空袋13與通氣層12完全密封，且管道穿過中間點，截 止在該真空袋與通氣層12之間的內(nèi)部，未示出。管道連接到外部的 真空計以監(jiān)控當(dāng)管道連接到真空泵時在真空袋內(nèi)部形成的真空度。當(dāng) 已經(jīng)達(dá)到所需的最小真空度時，其上具有使用疊層8成形的主體的模 5 具l、上述不同的層和真空袋運送到固化爐，其中加熱主體的外部及通過模具1加熱主體的內(nèi)部，使用熱電偶15和19監(jiān)控溫度以實現(xiàn)獨立的內(nèi)部和外部固化。在固化之后所得的組件如圖4所示，其包括模具1和具有上述各 層的疊層8。隨后必須進(jìn)行脫模，帶有疊層的模具轉(zhuǎn)移到切割和脫模 io 機，移除有助于固化的輔助材料，如真空袋、具有空氣通路18的吸 收材料層、熱電偶15和真空或空氣抽取管道17。隨后必須除去在層疊期間在具有較大截面的一側(cè)上形成的過多材料。為了完成這一歩 驟，在主體8的周圍靠近具有較大直徑的末端截面做出兩個橫向切口 22和23，切口必須穿透主體8的整體厚度，并建立末端環(huán)形物24和15 中間環(huán)形物25。為了避免破壞模具1的表面，當(dāng)制作切口 22和23時，在切口K 域有外周通道26，其在開始螺旋形纏繞復(fù)合材料帶6之前填充柔軟 的材料，如軟木27。與模具1的表面平齊的不滲透薄片或?qū)?8覆蓋 填充材料27。因此，如圖2所示，切割點22和23能夠超過對應(yīng)于20模具1的表面的高度，部分穿透填充材料27，這樣允許安全地制作 出所有切口和形成用于脫模過程的環(huán)形物24和25，如下所述。對于脫模，在外環(huán)形物24中制作軸向切口，從而外環(huán)形物24包 括容易從模具1分離的兩個或多個扇形。中間環(huán)形物25由固定位置 限制器30上的平面支撐，在箭頭D的方向推動模具1，因此容易管25理脫模部件，且在該操作期間移除環(huán)形物25。當(dāng)部件脫模時，在具有最大截面的一側(cè)必須獲得垂直于部件軸的 平面。為了這一目的，脫模的部件被運送到校正臺，在此將部件定向 到正確的位置，該位置部件不可移動。然后先加工與切口 23對應(yīng)的 橫切面31，直到獲得與主體的軸垂直的平面。其次，在平面31中形成用于安放和固定插入物33的軸向外殼32，插入物用于在風(fēng)力渦輪 機的葉片中固定主體或根部8。為了安放插入物，對其涂覆粘合劑，當(dāng)外殼的軸和插入物對齊時， 通過連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動使插入物33插入外殼32中，旋轉(zhuǎn)運動能防止形 5 成氣泡填充外殼32與涂有粘合劑34的插入物33之間的整個空間。 此外，還在插入物33的周圍涂覆粘合劑35，且該粘合劑通過將部件 移入固化爐固化。固化溫度由使用塞子預(yù)先放入插入物33的熱電偶 監(jiān)控。當(dāng)樹脂固化時，移除塞子和熱電偶。當(dāng)該過程結(jié)束時，車削插入物33。為了這一目的，部件移送到 io刨床，當(dāng)部件安裝到底刀盤時，突出的插入物的大部分被選中，以建 立用于車削的起始點。隨后使用必要的多個行程開始車削，直到插入 物全部位于垂直于主體軸的同一平面上。通過上述方法，得到構(gòu)成葉片根部的部件，部件具有足夠堅固的 結(jié)構(gòu)來執(zhí)行其必須發(fā)揮作用。作為方法檢驗，對插入物33實施牽引 15 和螺紋檢測?？赡茉趫D7所示的對稱模具36上進(jìn)行成形疊層或主體8的整個 過程，模具36等價于在較大的底座上接合的兩個如圖1所示的模具 1。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)與模具的中間區(qū)域重合地制作通道26，如圖 8所示，還應(yīng)當(dāng)使用軟木27或類似的材料填充通道26。應(yīng)當(dāng)只制作 20 —個外周切口 37，通過該切口將插入能夠在圖8所示的E或F方向 推動的元件，從而脫模在模具上成形的主體8和8'。如圖6所示，用于插入物33的外殼32可以包括外部圓柱形區(qū)段 37和內(nèi)部圓錐形區(qū)段38,內(nèi)區(qū)段向末端逐漸減小。圓錐形的同軸芯 39從底座突出，其逐漸減小的區(qū)段與外殼的壁限定出環(huán)形空間。對 25于這一部分，插入物33是管狀的，其與外殼重合，且區(qū)段40的壁較 薄，從而適合上述外殼32的壁與芯39之間的環(huán)形空間。在連續(xù)操作中加工外殼32，以獲取圓柱形區(qū)段37和圓錐形區(qū)段38。插入物33還將包括在裝配之前由擋塊42保護(hù)內(nèi)部螺紋區(qū)段41 。
權(quán)利要求
1、用復(fù)合材料制造大型部件的方法，尤其用于制造風(fēng)力渦輪機的葉片根部，該方法包括通過向模具施加含纖維和樹脂的復(fù)合材料成形部件或根部并隨后進(jìn)行固化，其特征在于包括步驟a)在連續(xù)的掃動中在模具周圍螺旋地纏繞含纖維和樹脂的復(fù)合材料帶，直到在模具的所有區(qū)域或區(qū)段上達(dá)到所需的疊層厚度；b)在成形主體的全部表面上施加可移除、能透過樹脂的保護(hù)薄片；c)對保護(hù)薄片施加熱縮條，連續(xù)覆蓋全部保護(hù)薄片；d)通過真空壓緊成形的疊層；e)固化樹脂，通過真空保持壓緊，然后脫模固化的主體；f)對齊固化的主體并加工毗鄰葉片的橫切面，直到獲得垂直于主體軸的平面，其中形成軸向外殼；及g)在上述軸向外殼中放置和粘貼用于固定葉片的插入物。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在不同的固定位置或工作臺上執(zhí)行層疊操作和至少部分使用疊層構(gòu)造執(zhí)行的步驟，帶有 疊層主體的模具連續(xù)運送到不同的固定位置或工作臺。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于復(fù)合材料帶由兩層 纖維和其間的一層樹脂構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)組成。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過熱縮條構(gòu)成的外罩形成用于抽取空氣的通路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于通過在熱縮條的特 定連續(xù)層之間交替使用可透材料條獲得所述通路。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過加熱成形主體 25的外部和經(jīng)由模具進(jìn)行加熱，以及利用先前安放在疊層中的熱電偶控制溫度，固化步驟獨立于模具上疊層的內(nèi)部和外部，保持從內(nèi)到外控 制固化。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其上形成疊層的模 具生成所需部件的外形，在具有較大截面的一側(cè)該疊層產(chǎn)生超出量，其由一個或多個外周切口除去，外周切口形成可分離的環(huán)形物。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于其上形成疊層的模 具生成一對所需部件，模具采用相對于中間橫截面對稱的結(jié)構(gòu)，中間 橫截面與這些所需部件的較大截面重合，與分離兩個成形部件的外周5 切口重合。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于靠近較大截面 模具在其周圍具有外周通道，外周通道與模制主體中的橫向切口所在 的區(qū)域重疊，在開始纏繞復(fù)合材料帶之前用柔軟的填充材料如軟木填 充外周通道，并用與該模具側(cè)表面平齊的不滲透薄片覆蓋填充材料，使外周切口與該通道軸向重合。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過在幾個歩驟中的加工實現(xiàn)圓柱形外區(qū)段和圓錐形內(nèi)區(qū)段而獲得用于插入物的軸向 外殼，內(nèi)區(qū)段向末端逐漸減小，圓錐形的同軸芯從底座突出，其逐漸減小的區(qū)段與外殼的壁限定環(huán)形空間；插入物具有管狀結(jié)構(gòu)，其外直 徑與外殼的內(nèi)直徑重合，管狀結(jié)構(gòu)的壁是厚度逐漸減小的內(nèi)區(qū)段，其能裝入上述外殼的環(huán)形空間中。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于樹脂涂覆到插入物 的側(cè)向表面用于安放和粘貼插入物，插入物與軸向外殼對齊并采用連 續(xù)的漸進(jìn)旋轉(zhuǎn)運動引入軸向外殼中，使插入物部分突出，在突出部分 的周圍涂覆樹脂，隨后固化樹脂和車削插入物，直到不含插入物的橫切面位于垂直于主體軸的同一平面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及以復(fù)合材料為基礎(chǔ)生產(chǎn)大型部件的方法，如風(fēng)力發(fā)電機的葉片根部。本發(fā)明的方法包括以下步驟在模具周圍螺旋形地纏繞含纖維和樹脂的復(fù)合材料帶；在主體表面施加可移除的保護(hù)薄片；向該薄片施加熱縮條；在真空下壓緊疊層從而成形；固化樹脂；對齊固化主體；加工將應(yīng)用于葉片的橫切面并在所述表面中形成軸向外殼；及在外殼中放置和粘貼插入物以固定葉片。
文檔編號B29C70/36GK101223024SQ200680025843
公開日2008年7月16日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者何塞伊格納西奧·略倫特岡薩雷斯, 賽爾焦·貝萊斯奧里亞 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司