BR112016029528B1 - Método de produção de uma camada de reforço de fibra contínua a partir de mantas de fibras individuais - Google Patents

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Abstract

método de produção de uma camada de reforço de fibra contínua a partir de mantas de fibras individuais é descrito um método de produção de um único conjunto de camada de fibras alargado longitudinalmente para utilização num processo de infusão de resina posterior para a produção de uma estrutura composta reforçada com fibras. o método inclui os passos de: a) proporcionar uma primeira manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da primeira manta de fibras entre duas extremidades, b) propor- cionar uma segunda manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da segunda manta de fibras entre duas extremidades, c) arranjar a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras de modo que fibras unidirecionais de uma extremidade da primeira manta de fibras juntem-se a uma extremidade da segunda manta de fibras num plano único num limite comum, e d) unir fibras unidirecionais da primeira manta de fibras na referida extremidade da primeira manta de fibras a fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na referida extremidade da segunda manta de fibras para formar uma junta de junção.

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A presente invenção refere-se a um método para produzir um único conjunto de camada de fibras que se estende longitudinalmente, para utilização num processo de infusão de resina posterior para a fabricação de uma estrutura composta reforçada com fibras. A invenção refere-se, adicionalmente, a um método de fabricação de uma peça de pá de turbina eólica através de, pelo menos, um conjunto de camadas de fibras. A invenção refere-se ainda a um conjunto de camadas de reforço de fibras que se longitudinalmente, para utilização num processo de infusão de resina posterior para a produção de uma estrutura composta reforçada com fibras.
ESTADO DA TÉCNICA
[002] As pás das turbinas eólicas são, muitas vezes, fabricadas de acordo com um dos dois projetos de construção, ou seja, um projeto onde um invólucro aerodinâmico fino é colado em uma viga, ou um projeto onde os longarina principais, também chamados de laminados principais, são integrados no invólucro aerodinâmico.
[003] No primeiro desenho, a viga constitui a estrutura de suporte de carga da pá. A viga, assim como o invólucro aerodinâmico ou as peças do invólucro, é produzida separadamente. O invólucro aerodinâmico é muitas vezes fabricado como duas partes de invólucro, tipicamente como uma parte de invólucro de pressão lateral e uma parte de invólucro de sucção lateral. As duas partes de invólucro são coladas ou, de outro, modo ligadas à viga e são ainda coladas uma à outra ao longo de uma borda dianteira e borda de fuga das partes de invólucro. Este projeto tem a vantagem de que a estrutura de suporte de carga crítica pode ser fabricada separadamente e, portanto, mais fácil de controlar. Além disso, este projeto permite vários métodos de fabricação diferentes para produzir a viga, tais como moldagem e enrolamento de filamentos.
[004] No segundo desenho, os longarina principais ou laminados principais são integrados no invólucro e são moldados em conjunto com o invólucro aerodinâmico. Os laminados principais compreendem, tipicamente, um elevado número de camadas de fibras em comparação com o restante da pá e podem formar um espessamento local do invólucro da turbina eólica, pelo menos em relação ao número de camadas de fibras. Deste modo, o laminado principal pode formar uma inserção de fibras na pá. Neste projeto, os laminados principais constituem a estrutura portadora de carga. Os invólucros das lâminas são tipicamente projetados com um primeiro laminado principal integrado na parte do invólucro de pressão lateral e um segundo laminado principal integrado na parte do invólucro de sucção lateral. A primeira laminado principal e a segunda laminado principal estão tipicamente ligados através de uma ou mais teias de cisalhamento que, por exemplo, podem ser em forma de C ou em forma de I. Para as lâminas muito compridas, os invólucros das pás, ao longo de pelo menos uma parte da extensão longitudinal, compreendem uma primeira laminado principal adicional no invólucro de pressão lateral e uma segunda laminado principal adicional no invólucro de sucção lateral. Estes laminados principais adicionais podem também ser ligados através de uma ou mais teias de cisalhamento. Este desenho tem a vantagem de ser mais fácil controlar a forma aerodinâmica da pá através da moldagem da parte do invólucro da pá.
[005] A moldagem por transferência de resina assistida a vácuo ou a vácuo (VARTM) é um método, que é tipicamente empregado para a fabricação de estruturas compostas, tais como pás de turbinas de vento que compreendem um material de matriz reforçado com fibra.
[006] Durante o processo de enchimento do molde, um vácuo, sendo o referido vácuo nesta ligação compreendido como uma pressão inferior ou pressão negativa é gerada através de saídas de vácuo na cavidade do molde, pelo que o polímero líquido é aspirado para dentro da cavidade do molde através dos canais de entrada, de modo a preencher a referida cavidade do molde. A partir dos canais de entrada o polímero dispersa em todas as direções na cavidade do molde devido à pressão negativa à medida que uma frente de fluxo move-se em direção aos canais de vácuo. Assim, é importante posicionar os canais de entrada e os canais de vácuo otimamente de modo a obter um enchimento completo da cavidade do molde. No entanto, assegurar uma distribuição completa do polímero em toda a cavidade do molde é, muitas vezes, difícil e, consequentemente, isto resulta frequentemente em chamados pontos secos, por exemplo, áreas com material de fibra não suficientemente impregnadas com resina. Assim, os pontos secos são áreas onde o material de fibra não é impregnado e onde podem existir bolsas de ar, que são difíceis ou impossíveis de remover controlando a pressão de vácuo e uma possível sobrepressão na entrada lateral. Em técnicas de infusão a vácuo que utilizam uma parte de molde rígida e uma parte de molde resiliente na forma de uma bolsa de vácuo, os lugares secos podem ser reparados após o processo de enchimento do molde perfurando a bolsa na respectiva localização e por extração fora de ar, por exemplo, por meio de uma agulha de seringa. O polímero líquido pode, opcionalmente, ser injetado na respectiva localização, e isto pode, por exemplo, ser feito por meio de uma agulha de seringa também. Este é um processo demorado e cansativo. No caso de peças de molde grandes, o bastão tem que ficar no saco de vácuo. Isto não é desejável, especialmente enquanto o polímero não endureceu, uma vez que pode resultar em deformações no material de fibra inserido e assim num enfraquecimento local da estrutura, o que pode causar, por exemplo, flambagem.
[007] A moldagem por transferência de resina (RTM) é um método de fabricação, que é semelhante ao VARTM. No RTM a resina líquida não é empurrada para dentro da cavidade do molde devido a um vácuo gerado na cavidade do molde. Em vez disso, a resina líquida é forçada para dentro da cavidade do molde através de uma sobre pressão no lado de entrada.
[008] Na maioria dos casos, o polímero ou resina aplicada é poliéster, éster vinílico ou epóxi, mas também pode ser poliuretano (PUR) ou polidiciclopentadieno (pDCPD), e o reforço da fibra é mais frequentemente baseado em fibras de vidro ou fibras de carbono. Os epóxis possuem vantagens em relação a várias propriedades, tais como encolhimento durante a cura (o que em algumas circunstâncias pode levar a menos rugas no laminado), propriedades elétricas e forças mecânicas e de fadiga. Os ésteres de poliéster e de vinilo têm a vantagem de proporcionarem melhores propriedades de ligação aos revestimentos de gel. Deste modo, pode ser aplicado um revestimento de gel à superfície exterior do invólucro durante a fabricação do invólucro aplicando um revestimento de gel ao molde antes do material de reforço de fibras estar disposto no molde. Deste modo, podem ser evitadas várias operações de pós-moldagem, tais como a pintura da pá. Além disso, os poliésteres e ésteres vinílicos são mais baratos do que os epóxis. Consequentemente, o processo de fabricação pode ser simplificado e os custos podem ser reduzidos.
[009] Frequentemente, as estruturas compostas compreendem um material de núcleo coberto com um material reforçado com fibras, tal como uma ou mais camadas de polímero reforçado com fibras. O material do núcleo pode ser utilizado como um espaçador entre essas camadas para formar uma estrutura em sanduíche e é tipicamente feito de um material rígido e leve de modo a reduzir o peso da estrutura composta. A fim de assegurar uma distribuição eficiente da resina líquida durante o processo de impregnação, o material do núcleo pode ser proporcionado com uma rede de distribuição de resina, por exemplo, proporcionando canais ou sulcos na superfície do material do núcleo.
[010] Como, por exemplo, lâminas para turbinas eólicas tornaram-se maiores e maiores no decorrer do tempo e agora podem ter mais de 70 metros de comprimento, a quantidade de material de reforço de fibra também aumentou. Quando se fabricam lâminas com um longarina principal, as mantas de fibras compreendendo fibras unidirecionais são dispostas como camadas ao longo de todo o comprimento do laminado principal, de modo a proporcionar rigidez ao laminado principal. As mantas de fibra são tipicamente aplicadas a partir de um rolo e são cortadas ao comprimento desejado. Muitas das lâminas reforçadas com fibra de vidro utilizam vidro do tipo H. Enquanto as juntas de camadas compreendendo gotas de camada são permitidas para vidros do tipo E, tais junções de camada não são permitidas para vidros do tipo H, uma vez que uma junta sobreposta resulta em rugas não aceitáveis e, portanto, reduzem a resistência. Isto significa, de fato, que se o rolo da manta de fibras termina num comprimento que seja mais curto do que o laminado principal, esta peça de extremidade tem de ser descartada e um novo rolo é iniciado. Como um exemplo, se um rolo de vidro do tipo H termina a 25 metros da raiz de uma lâmina de 47,6 metros, os 25 metros de vidro do tipo H terão que ser desmantelados. O desperdício resultante de material de reforço de fibra em excesso é significativo.
[011] No entanto, mesmo para vidro do tipo e, a utilização da peça de extremidade, a partir do rolo de manta de fibras, pode acarretar problemas, uma vez que estudos indicaram que as sobreposições de camadas internas têm uma queda de 32% na força na sobreposição. Além disso, as rugas são frequentemente observadas em tais sobreposições. Tais rugas levam a variações na rigidez e pontos fracos mecânicos na pá de turbina de vento.
Divulgação da invenção
[012] É um objetivo da invenção proporcionar um novo método para a fabricação de peças para pás de turbinas eólicas e produtos intermediários, e o qual supera ou melhora, pelo menos, uma das desvantagens da técnica anterior ou o qual proporciona uma alternativa útil.
[013] De acordo com um primeiro aspecto, a invenção proporciona um método de produção de um único conjunto de camadas de fibras que se estende longitudinalmente, para utilização num processo de infusão de resina posterior para a produção de uma estrutura composta reforçada com fibras, compreendendo o método as seguintes etapas: a) proporcionar uma primeira manta de fibras compreendendo fibras de reforço unidirecionais, orientadas numa direção longitudinal da primeira manta de fibras entre duas extremidades, b) proporcionar uma segunda manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da segunda manta de fibras entre duas extremidades, c) arranjar a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras de modo que as fibras unidirecionais, de uma extremidade da primeira manta de fibras, fiquem adjacentes a uma extremidade da segunda manta de fibras num único plano num limite comum, e d) unir fibras unidirecionais da primeira manta de fibras na referida extremidade da primeira manta de fibras, a fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na referida extremidade da segunda manta de fibras, para formar uma junta de junção.
[014] Isto proporciona uma camada de laminado mais forte numa estrutura composta final do que as camadas de laminado convencionais que são fabricadas através de duas ou mais mantas de fibras não empilhadas antes do processo de infusão. Além disso, é possível reduzir o número de rugas no laminado, diminuindo assim as fraquezas mecânicas na estrutura composta final ainda mais. Isto é particularmente alcançado uma vez que a junta de junção garante que as duas mantas não se movam durante um procedimento de encaixe, por exemplo, quando camadas de fibras adicionais são dispostas em cima de um conjunto de camadas de fibras, ou quando o material de reforço de fibras é posteriormente ensacado a vácuo e infundido.
[015] Adicionalmente, este método tem a vantagem de que o excesso de mantas de fibras de reforço de, por exemplo, rolos podem ser utilizados para formar uma única camada na estrutura composta final sem comprometer a resistência mecânica da estrutura composta. Isto pode ser particularmente útil para o vidro do tipo H onde as juntas normalmente não são permitidas. Isto reduz significativamente a quantidade de resíduos e reduz os custos de fabricação.
[016] As mantas de fibra são mantas de fibras secas, por exemplo, mantas de fibras não impregnadas. Por conseguinte, verifica-se que a invenção refere-se à produção de uma camada de reforço de fibra única, compreendendo uma pluralidade de mantas de fibras individuais e que, após a produção da camada de reforço de fibra sintética, é impregnada com uma resina, a qual é subsequentemente endurecida ou preparada para formar a estrutura composta.
[017] A junção das mantas de fibra pode ser realizada no molde, por exemplo, durante a preparação da camada longitudinal única, ou pode ser realizada numa plataforma que repousa no molde, ou pode ser levada a cabo fora do molde, por exemplo, para formar um novo rolo de material de reforço de fibras feito de mantas em excesso de fibras. A junção das mantas de fibra pode também ser utilizada para produzir camadas de fibras tendo comprimentos específicos. Escolhendo, por exemplo, mantas de fibra em excesso adequadas, a posição da junta também pode ser controlada. As extremidades da manta de fibras emendada podem ser cortadas ou aparadas, de modo a produzir uma camada do comprimento específico.
[018] No que se segue, as fibras unidirecionais são por vezes abreviadas como fibras UD.
[019] A junção, em termos da presente invenção, significa que as fibras UD da primeira manta de fibras são ligadas preliminarmente ou ligadas de outro modo a fibras UD da segunda manta de fibras antes de um processo de infusão de resina posterior.
[020] O processo de infusão pode ser, por exemplo, Moldagem por Transferência de Resina (RTM) ou Moldagem por Transferência de Resina Assistida por Vácuo (VARTM).
[021] É claro que a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras compreendem ambos uma primeira extremidade e uma segunda extremidade. Deste modo, a segunda extremidade da primeira manta de fibras pode ser montada com a primeira extremidade da segunda manta de fibras. Compreende-se que este processo pode ser continuado, de modo que a segunda extremidade da segunda manta de fibras possa ser montada com a primeira extremidade de uma terceira manta de fibras e assim por diante. Em conformidade, o conjunto de camadas de fibras pode compreender uma pluralidade de juntas de junção, compreendendo fibras UD emendadas.
[022] As fibras UD na referida extremidade da primeira manta de fibras e as fibras UD na referida extremidade da segunda manta de fibras são preferencialmente dispostas de modo que se sobreponham uma na outra na direção longitudinal numa zona longitudinal. Esta sobreposição pode ser fornecida de várias maneiras. De acordo com uma forma de realização preferida, a referida extremidade da primeira camada de fibras e a referida extremidade da segunda camada de fibras são cortadas conicamente, em que as referidas camadas de fibras no passo c) estão dispostas, de modo que o limite comum forme uma transição cônica entre fibras unidirecionais da primeira manta de fibras e as fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na direção longitudinal do conjunto único de camada de fibras, que se estende longitudinalmente. Esta forma de realização proporciona uma grande junção de emenda e sobreposição, que proporcionam um empenamento preliminar forte particular entre as duas mantas de fibra.
[023] A transição cônica vantajosamente tem uma relação espessura-comprimento entre 1:50 e 1:5, por exemplo, cerca de 1:30.
[024] Numa concretização, um adesivo ou agente de adesividade é utilizado para proporcionar a referida junção. Contudo, deve notar-se que o adesivo é utilizado apenas numa quantidade para imobilizar as fibras UD no limite comum e não deve formar uma região impermeável, o que prejudicaria o processo de infusão posterior.
[025] O adesivo é de preferência à base de pó. O adesivo à base de pó pode, por exemplo, ser um pó Neoxil®. Tal concretização mostrou proporcionar uma junta de junção altamente vantajosa, sem prejudicar o humedecimento das fibras num processo de impregnação posterior.
[026] Numa outra forma de realização, a junta de junção é aquecida, por exemplo, através de engomação. Isto pode facilitar uma ligação adesiva preliminar entre as duas capas de fibras, por exemplo, por fusão de um adesivo à base de pó e, adicionalmente, a engomação pode proporcionar uma ligação por fricção entre as capas de fibras. A ligação adesiva proporciona apenas um efeito de ligação preliminar e não é proporcionada numa quantidade que possa afetar o humedecimento do conjunto de camadas de fibras no processo de infusão posterior.
[027] Noutra concretização, o passo d) compreende o passo de costurar a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras juntos para proporcionar a referida junção. Deste modo, é possível proporcionar uma ligação mecânica entre as fibras UD das duas mantas sem afetar o humedecimento das fibras no processo de infusão posterior.
[028] A costura e o adesivo podem ser utilizados em conjunto ou separadamente.
[029] De acordo com uma forma de realização, uma tela, tal como uma fita de vidro ou uma faixa de manta de fios cortados, pode ainda ser disposta ao longo do limite comum da primeira manta de fibras e da segunda manta de fibras. A tela pode ser costurada ou aderida às duas mantas de fibra para melhorar a junção entre as fibras. A tela pode, por exemplo, ser encaixada numa superfície do conjunto de camadas, por exemplo, uma superfície superior. A tela pode ser, por exemplo, uma fita de vidro ou uma manta de fios cortados.
[030] Ainda noutra concretização, as fibras unidirecionais da primeira manta de fibras são pressionadas contra fibras unidirecionais da segunda manta de fibras para formar uma ligação de fricção entre as referidas fibras unidirecionais. Em conformidade, as fibras podem entrar em contato umas com as outras e proporcionar uma ligação por fricção ou emaranhamento, de modo a proporcionar uma outra junção entre as fibras. A ligação por fricção pode ser realizada antes da costura das mantas de fibras.
[031] Numa outra forma de realização, o passo d) compreende a utilização de rolos para pressionar as fibras unidirecionais da primeira manta e da segunda manta de fibras umas contra as outras. Numa concretização, os rolos são enrolados na direção transversal do conjunto de manta de fibras, por exemplo, ao longo da junta de junção. No entanto, noutra forma de realização, os rolos são enrolados na direção longitudinal. A largura dos rolos pode corresponder à largura da primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras.
[032] Os rolos podem compreender vantajosamente uma primeira e um segundo rolo, por exemplo, um rolo superior e um rolo inferior. O rolo pode ser disposto com um espaçamento que corresponde à espessura das mantas de fibras. Um dos rolos pode ter uma superfície ondulada ou sulcada, a qual pode ser utilizada para alinhar as fibras UD, quando enroladas na direção longitudinal. A largura das ondulações pode corresponder à largura de feixes de fibras compreendendo fibras UD das mantas de fibra. Os rolos podem ser ocos ou em forma de tubo. Além disso, os rolos podem ser providos com aberturas ou furos na superfície do rolo. Deste modo, é possível aplicar pressão de ar ou sucção aos rolos. Por exemplo, é possível aplicar pressão de ar a um rolo e sucção ao outro. Isto pode facilitar uma ligação de fricção entre as fibras UD das duas mantas, formando fios de fibras folgados, que estão ligados um ao outro. A sucção pode vantajosamente ser aplicada ao rolo com superfície ondulada ou sulcada, de tal modo que é assegurado que as fibras entrem nos sulcos e sejam alinhadas à medida que os rolos são enrolados na direção longitudinal.
[033] Numa concretização, as referidas extremidades da primeira manta de fibras e da segunda manta de fibras, respectivamente, são cortadas numa direção substancialmente ortogonal à direção longitudinal. Numa outra forma de realização, as referidas extremidades da primeira manta de fibras e da segunda manta de fibras, respectivamente, são inclinadas numa direção substancialmente ortogonal à direção longitudinal. O ângulo pode por exemplo formar um ângulo agudo de 30-85 graus em relação à direção longitudinal. As extremidades podem também ser cortadas num padrão em ziguezague na direção transversal da primeira e da segunda manta de fibras.
[034] Numa forma de realização vantajosa, as fibras unidirecionais nas ditas extremidades da primeira manta de fibras e da segunda manta de fibras são descosturadas numa zona longitudinal nas referidas extremidades antes do passo d). A este respeito observa-se que as mantas de fibra UD são geralmente costuradas na direção transversal, por exemplo, de modo a formar feixes de fibras. No entanto, é claro que se reconhece que o mesmo pode ser conseguido para mantas de fibra UD não costuradas. As fibras unidirecionais não costuradas são então, preferivelmente, sobrepostas para formar o limite comum e subsequentemente juntadas umas às outras, de preferência de modo a que as duas camadas de fibras sejam descosturadas na zona de sobreposição longitudinal atrás mencionada antes da etapa d).
[035] É claro que as fibras UD não formam necessariamente uma borda cônica após o passo d) em particular se for proporcionada uma ligação por fricção entre as fibras.
[036] Numa concretização, as fibras unidirecionais nas referidas extremidades da primeira manta de fibras e da segunda manta de fibras estão alinhadas na direção longitudinal através de meios de alinhamento, tais como um pente. Isso minimiza as rugas que muitas vezes ocorrem em limites entre duas mantas de fibra e fornece uma forte ligação de junção. Consequentemente, quaisquer debilidades mecânicas são também minimizadas na estrutura composta final.
[037] As fibras UD das mantas de fibras são preferencialmente fibras do tipo E, vidro do tipo H ou fibras de carbono.
[038] De acordo com um segundo aspecto, a invenção proporciona um método de fabricação de uma peça de pá de turbina eólica, tal como uma peça de invólucro de pá, em que o método de fabricação inclui armazenar camadas de fibras num molde, em que pelo menos uma das camadas de fibras é produzida de acordo com qualquer dos métodos acima mencionados, e em que uma resina é posteriormente fornecida às referidas camadas de fibras e subsequentemente preparado ou endurecida para formar uma estrutura composta. A estrutura composta pode, por exemplo, ser fabricada através de um procedimento RTM ou VARTM.
[039] Consequentemente, a invenção proporciona um método de fabricação de uma peça de pá de turbina eólica feita de um material polimérico reforçado com fibras, incluindo uma matriz polimérica e material de reforço de fibras incorporado na matriz polimérica, em que o método compreende os passos de:
[040] i) Proporcionar uma estrutura de conformação compreendendo uma cavidade de molde e tendo uma direção longitudinal,
[041] ii) Colocar uma pluralidade de camadas de fibras empilhadas que se prolongam numa direção longitudinal da estrutura de formação,
[042] iii) Proporcionar uma resina na cavidade do molde subsequentemente ao passo ii), e
[043] iv) Preparar ou endurecer a resina de modo a formar a estrutura composta, em que pelo menos uma dita pluralidade de camadas de fibras empilhadas é um conjunto de camadas de fibras produzido de acordo com o método acima mencionado.
[044] A pluralidade de camadas de fibras empilhadas compreende preferencialmente fibras UD. O molde é preferencialmente um molde tendo uma forma negativa da estrutura composta final. As camadas de fibras estão vantajosamente dispostas numa direção longitudinal do molde. Consequentemente, as fibras unidirecionais também estão alinhadas na direção longitudinal.
[045] Numa forma de realização, a armazenação envolve o empilhamento de uma pluralidade de camadas de fibras, e onde a referida pelo menos uma camada de fibras é colocada entre duas camadas de fibras que não têm uma junta de junção na junta de junção do referido, pelo menos um, conjunto de camada de fibras. As duas camadas de fibras são preferencialmente também mantas de fibra UD.
[046] Deste modo, verifica-se que o método refere-se a um procedimento de disposição normal, em que camadas vantajosamente contínuas estão dispostas no molde, e apenas são utilizadas camadas compreendendo mantas de fibra juntadas para reduzir a quantidade de resíduos.
[047] Numa concretização, a peça de pá de turbina eólica é uma estrutura de suporte de carga, tal como um laminado principal ou um longarina principal. O laminado principal ou o longarina principal pode ser integrado numa parte do invólucro da pá, ou pode ser fabricado como uma peça separada.
[048] De acordo com um terceiro aspecto, a invenção proporciona um conjunto de camadas de reforço de fibras , que se prolonga longitudinalmente, fabricada de acordo com o método acima mencionado. Consequentemente, a invenção proporciona um conjunto de camada de reforço de fibras que se prolonga longitudinalmente para utilização num processo de infusão de resina posterior para a fabricação de uma estrutura composta reforçada com fibras, compreendendo a camada de reforço de fibras:
[049] - uma primeira manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da primeira manta de fibras entre duas extremidades (uma primeira extremidade e uma segunda extremidade),
[050] - uma segunda manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da segunda manta de fibras entre duas extremidades (uma primeira extremidade e uma segunda extremidade), em que
[051] - a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras estão dispostas de modo que fibras unidirecionais de uma extremidade da primeira manta de fibras adjacentes a uma extremidade da segunda manta de fibras num único plano num limite comum e em que
[052] - as fibras unidirecionais da primeira manta de fibras na referida extremidade da primeira manta de fibras são juntadas a fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na referida uma extremidade da segunda manta de fibras e formando uma junta de junção.
Sumário da descrição dos desenhos
[053] A invenção é explicada detalhadamente abaixo com referência a uma forma de realização ilustrada nos desenhos, na qual
[054] FIG. 1 mostra uma turbina eólica,
[055] FIG. 2 é uma vista em perspectiva esquemática de uma pá de turbina eólica de acordo com a invenção,
[056] FIG. 3 é uma vista em perspectiva esquemática mostrando as camadas de fibras de um laminado principal,
[057] FIG. 4 é uma vista esquemática longitudinal de camadas de fibras do laminado principal,
[058] FIG. 5 é uma vista lateral esquemática de um conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[059] FIG. 6 é uma vista de topo esquemática de um primeiro conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[060] FIG. 7 é uma vista de topo esquemática de um segundo conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[061] FIG. 8 é uma vista de topo esquemática de um terceiro conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[062] FIG. 9 é uma vista de topo esquemática de um quarto conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[063] FIG. 10 é uma vista de topo esquemática de um quinto conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[064] FIG. 11 é uma vista de topo esquemática de um sexto conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[065] FIG. 12 é uma vista lateral esquemática de um sétimo conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[066] FIG. 13 é um fluxograma que mostra um exemplo de passos para a produção de um conjunto de camadas de fibras de acordo com a invenção,
[067] FIG. 14 mostra uma vista esquemática de rolos para utilização na invenção, e
[068] FIG. 15 mostra uma vista lateral esquemática dos rolos.
Descrição detalhada da invenção
[069] FIG. 1 ilustra uma turbina eólica moderna convencional de acordo com o chamado "conceito dinamarquês" com uma torre (4), uma nacelle (6) e um rotor com um eixo de rotor substancialmente horizontal. O rotor inclui um eixo (8) e três pás (10) que se prolongam radialmente a partir do eixo (8), cada uma tendo uma raiz da pá (16) mais próxima do eixo e uma ponta da pá (14) mais afastada do eixo (8). O rotor tem um raio denotado R.
[070] FIG. 2 mostra uma vista esquemática de uma primeira forma de realização de uma pá (10) de turbina eólica de acordo com a invenção. A pá (10) de turbina eólica tem a forma de uma pá de turbina de vento convencional e compreende uma raiz de região (30) mais próxima do eixo, uma região perfilada ou uma região aerodinâmica (34) mais afastada do eixo e uma região de transição (32) entre a raiz de região 30 e a aerodinâmica (34). A pá (10) compreende uma borda dianteira (18) voltada para a direção de rotação da pá (10), quando a pá está montada no eixo, e uma borda de fuga (20) voltada para a direção oposta da borda dianteira (18).
[071] A região aerodinâmica (34) (também designada por região perfilada) tem uma forma de pá ideal ou quase ideal em relação à geração de elevação, enquanto que a região de raiz (30), devido a considerações estruturais, tem uma seção transversal substancialmente circular ou elíptica que, por exemplo, torna mais fácil e mais seguro montar a pá (10) no eixo. O diâmetro (ou a corda) da região de raiz (30) pode ser constante ao longo de toda a área de raiz (30). A região de transição (32) tem um perfil de transição que varia gradualmente da forma circular ou elíptica da região de raiz (30) para o perfil de aerofólio da região aerodinâmica (34). O comprimento de corda da região de transição (32) aumenta tipicamente com o aumento da distância r a partir do eixo. A região aerodinâmica (34) tem um perfil de perfil aerodinâmico com um cordão que se estende entre a borda dianteira (18) e a borda de fuga (20) da pá (10). A largura do cordão diminui com a distância crescente r do eixo.
[072] Um ressalto (40) da pá (10) é definido como a posição, em que a pá (10) tem o seu comprimento de corda maior. O ressalto (40) é tipicamente proporcionado no limite entre a região de transição (32) e a região aerodinâmica (34).
[073] Deve notar-se que as cordas de diferentes secções da pá normalmente não se encontram num plano comum, uma vez que a lâmina pode ser torcida e / ou curvada (por exemplo, pré-dobrada), proporcionando assim ao plano de cordas um plano correspondentemente torcido e / ou de curso curvo, sendo este o caso mais frequente para compensar a velocidade local da pá, dependendo do raio a partir do eixo.
[074] A pá é tipicamente feita a partir de uma parte lateral de proteção de pressão (36) e uma parte lateral de proteção de sucção (38) que são coladas uma à outra ao longo das linhas de ligação na borda dianteira (18) e a borda de fuga da pá (20).
[075] No que se segue, a invenção é explicada relativamente ao fabrico da parte lateral de proteção de pressão (36) ou parte lateral de proteção de sucção 38.
[076] Conforme ilustrado na Fig. 3, a parte lateral de proteção de sucção (38) compreende um longarina principal ou laminado principal (50) que se prolonga na direção longitudinal da parte lateral de proteção de sucção substancialmente ao longo de todo o comprimento da parte lateral de proteção de sucção (38). O laminado principal (50) compreende uma pluralidade de camadas de fibras ou mantas (52) compreendendo fibras unidirecionais (fibras UD), tipicamente mais do que vinte camadas de fibras. As mantas de fibra são tipicamente aplicadas a partir de um rolo na forma seca e são cortadas ao comprimento desejado. A armazenação de fibras é então posteriormente ensacada a vácuo e infundida com uma resina, a qual é finalmente preparada para formar uma estrutura composta. Muitas das lâminas reforçadas com fibra de vidro utilizam vidro do tipo H. Enquanto as juntas de camadas que compreendem gotas de camada sejam permitidas para o vidro do tipo E, tais juntas de dobra não são permitidas para o vidro do tipo H. Isto significa, de fato, que se o rolo de manta de fibras termina num comprimento que seja mais curto do que o laminado principal, esta peça de extremidade terá de ser descartada e um novo rolo será iniciado. Como um exemplo, se um rolo de vidro do tipo H termina a 25 metros da raiz de uma lâmina de 47,6 metros, os 25 metros de vidro do tipo H terão que ser desmantelados. O desperdício resultante de material de reforço de fibra em excesso é significativo.
[077] A presente invenção tal como ilustrada na Fig. 4 resolve este problema produzindo o conjunto de camada de fibras (52'), a qual compreende pelo menos uma primeira manta de fibras (54) e uma segunda manta de fibras (55), onde as fibras de UD são juntadas nas extremidades das duas mantas de fibra (54), (55) de modo a formar um conjunto de camada de fibras (52'). As duas mantas de fibra (54) e (55) estão dispostas num único plano de modo que o conjunto de camadas (52') forma uma camada única sem gotas de camada. Isto proporciona uma camada de laminado mais forte numa estrutura composta final do que as camadas de laminado convencionais que são fabricadas através de duas ou mais camadas de fibras não empilhadas antes do processo de infusão. Além disso, é possível reduzir o número de rugas no laminado, o que diminuirá ainda mais as fraquezas mecânicas na estrutura composta final. Isto é particularmente conseguido uma vez que a junta de junção garante que as duas mantas não se movam durante um procedimento de encaixe, por exemplo, quando camadas de fibras adicionais são dispostas em cima dos conjuntos de camadas de fibras, ou quando o material de reforço de fibras é posteriormente ensacado a vácuo e infundido. Como se vê na fig. 4, o conjunto de camadas de fibras (52') ou pelo menos a região de montagem é intercalada entre duas mantas de fibras contínuas (52), que não têm uma junção na região de emenda do conjunto de camadas de fibras (52').
[078] De acordo com uma forma de realização preferida ilustrada na Fig. 5, as fibras UD da primeira manta de fibras (54) e as fibras UD da segunda manta de fibras (55) são cortadas conicamente de tal modo que as fibras UD das duas mantas (54) e (55) de fibras fiquem adjacentes umas às outras numa borda comum (56), que forma um afunilamento de transição entre as fibras UD das duas mantas (54) e (55). As fibras UD das duas mantas de fibra são juntadas uma à outra através de uma ligação preliminar, tal como através de um adesivo, costura ou uma ligação por fricção. O conjunto de camadas de fibras (52') é globalmente fornecida na forma seca, por exemplo, não impregnada, e é importante que a junção ou ligação preliminar não prejudique um processo de infusão de resina posterior. Consequentemente, a ligação preliminar só é estabelecida de modo a assegurar que as fibras UD não se enruguem e que as duas mantas (54) e (55) de fibra não se movam durante a armazenação ou o processo posterior de ensacamento a vácuo e infusão. De modo a proporcionar uma borda comum (56) relativamente longa e uma transição suave entre as fibras UD das duas mantas de fibra (54) e (55), a relação espessura / comprimento está entre 1:50 e 1: 5, vantajosamente em torno de 1:30.
[079] FIG. 6 ilustra uma vista de topo de uma primeira forma de realização de um conjunto de camadas (52') de acordo com a invenção. As fibras UD são cortadas ortogonalmente em relação à direção longitudinal do conjunto de camadas (52’) e as extremidades são cortadas conicamente, de modo que uma transição cônica entre as fibras UD das duas mantas (54) e (55) é formada na direção longitudinal do conjunto de camadas.
[080] FIG. 7 ilustra uma vista de topo de uma segunda forma de realização de um conjunto de camadas de acordo com a invenção, em que fibras UD de uma primeira manta de fibras (154) são juntadas com fibras UD de uma segunda manta de fibras (155). As fibras UD são cortadas de modo que a face de extremidade é angulada em relação à direção transversal do conjunto de manta de fibras. O ângulo pode, por exemplo, ser aprox. 10 graus em relação à direção transversal ou equivalentemente 80 graus em relação à direção longitudinal. As extremidades são ainda cortadas de modo que uma transição cônica entre as fibras UD das duas mantas (154) e (155) é formada na direção longitudinal do conjunto de camada de fibras.
[081] FIG. 8 ilustra uma vista de topo de uma terceira concretização de um conjunto de camadas de acordo com a invenção, em que as fibras UD de uma primeira manta de fibras (254) são juntadas com fibras UD de uma segunda manta de fibras (255). As fibras UD são cortadas de modo que as extremidades fiquem voltadas para a direção transversal, formando um padrão em ziguezague. As extremidades são ainda cortadas de modo que uma transição cônica entre as fibras UD das duas mantas (254) e (255) é formada na direção longitudinal do conjunto de camadas de fibras .
[082] Deve ser mencionado que é possível combinar as várias formas de realização para o ângulo de corte. É, por exemplo, possível proporcionar uma combinação das formas de realização ilustradas nas Figs. 7 e 8 por terem um padrão em ziguezague ao longo de um ângulo inclinado. Tal concretização pode distribuir eventuais pequenas variações numa distância longitudinal mais longa das mantas de fibras.
[083] FIG. 9 ilustra uma vista de topo de uma quarta forma de realização de um conjunto de camadas de acordo com a invenção, em que fibras UD de uma primeira manta de fibras (354) são juntadas com fibras UD de uma segunda manta de fibras (355). As fibras UD da primeira manta de fibras (354) e as fibras UD da segunda manta de fibras (355) são mostradas cortadas conicamente, de tal modo que as fibras UD das duas mantas de fibra (354) e (355) se ligam uma à outra numa fronteira comum, que forma uma transição cônica entre as fibras UD das duas mantas (354) e (355) na direção longitudinal. A junção é, nesta forma de realização, facilitada por uma costura dupla (360).
[084] FIG. 10 ilustra uma vista de topo de uma quinta forma de realização de um conjunto de camadas de acordo com a invenção, em que as fibras UD de uma primeira manta de fibras (454) são juntadas com fibras UD de uma segunda manta de fibras (455). As fibras UD da primeira manta de fibras (454) e as fibras UD da segunda manta de fibras (455) são mostradas cortadas conicamente, de modo que as fibras UD das duas mantas de fibras (454) e (455) se ligam uma à outra numa borda comum, o que forma uma transição cônica entre as fibras UD das duas mantas (454) e (455) na direção longitudinal. A junção é nesta forma de realização facilitada por uma única linha de costura (460).
[085] FIG. 11 ilustra uma vista de topo de uma sexta forma de realização de um conjunto de camadas de acordo com a invenção, em que as fibras UD de uma primeira manta de fibras (554) são juntadas com fibras UD de uma segunda manta de fibras (555). As fibras UD da primeira manta de fibras (554) e as fibras UD da segunda manta de fibras (555) são mostradas cortadas conicamente, de tal modo que as fibras UD das duas mantas (554) e (555) de fibra adjacentes umas às outras num limite comum, que forma uma transição cônica entre as fibras UD das duas mantas (554) e (555) na direção longitudinal. A junção é nesta forma de realização facilitada por uma costura em ziguezague (560).
[086] Embora as concretizações sejam mostradas como a concretização preferida com uma transição cônica entre, é reconhecido que o limite comum não necessariamente tem de ser cônico. Contudo, em geral, as fibras UD das duas mantas devem sobrepor-se na direção longitudinal, de modo que a junção possa ser conseguida.
[087] Além disso, é reconhecido que é possível combinar os métodos de costura ilustrados nas Figs. 9-11, por exemplo, combinando a costura em ziguezague com a costura única ou costura dupla.
[088] No entanto, é também possível conseguir uma junção das fibras através de uma junta traseira semelhante a uma junta de topo entre as fibras UD das duas mantas de fibras como mostrado na Fig. 12. Nesta forma de realização, as fibras UD de uma primeira manta de fibras (654) são emendadas com fibras UD de uma segunda manta de fibras (655) através de uma tela (670). A tela pode, por exemplo, ser uma fita de vidro ou uma manta de fios cortados. A tela pode ser ligada às duas mantas de fibra através de costura, uma ligação de fricção, um adesivo ou uma combinação destes.
[089] FIG. 13 mostra um exemplo dos passos envolvidos na produção de um conjunto de camada de fibras (752’) de acordo com a invenção. Num primeiro passo (700), uma primeira manta de fibras (754) que compreende painéis de fibras UD (774), que são costuradas (784) na direção transversal, é descosturada numa região de extremidade da primeira manta de fibras (754). A extensão longitudinal da região que está sendo descosturada pode ser, por exemplo, de aproximadamente 10 cm. Numa segunda etapa (710), a extremidade da primeira camada de fibras (754) é cortada conicamente. Numa terceira etapa, as fibras UD são penteadas e alinhadas de tal modo que é assegurado que os fios se estendam na direção longitudinal.
[090] Numa quarta etapa (730), uma segunda manta de fibras (755) que compreende painéis de fibras UD (775), que são costurados (785) na direção transversal, é descosturada numa região de extremidade da segunda manta de fibras (755). A extensão longitudinal da região que está a ser descosturada pode, por exemplo, ser aproximadamente 10 cm. Numa quinta etapa 740, a extremidade da segunda camada de fibra (755) é cortada conicamente. Numa sexta etapa, as fibras UD são penteadas e alinhadas de tal modo que é assegurado que os fios se prolonguem na direção longitudinal.
[091] Numa sétima etapa (760), é aplicado um pó Neoxil® (788) às fibras UD não confeccionadas da primeira manta de fibras (754). A segunda manta de fibras (755) está então num oitavo passo (770) disposto de modo que as fibras UD não costuradas da segunda manta de fibras (755) sobrepõem-se com as fibras UD não costuradas da primeira manta de fibras (754). Numa nona etapa (785), as fibras UD sobrepostas são aquecidas e engomadas de tal forma que o pó Neoxil® funde e proporciona uma junção entre as fibras UD das duas mantas (754) e (755) e o conjunto de camada de fibras (752 ') é formada.
[092] Embora o método de produção de conjunto de camada de fibras, de acordo com a invenção, seja mostrado para a junção sendo realizado através da utilização de um pó adesivo, é reconhecido que os passos de junção também podem ser realizados através de outros adesivos, costura, conexão friccional ou uma combinação dos mesmos.
[093] FIG. 14 mostra uma vista frontal esquemática, e a Fig. 15 mostra uma vista lateral esquemática de um sistema de rolos que pode ser utilizado para proporcionar uma ligação de fricção entre fibras UD de uma primeira manta de fibras (854) e uma segunda manta de fibras (855). O sistema de rolos compreende um primeiro rolo (890) e um segundo rolo (895). O primeiro rolo (890) tem uma superfície ondulada com um número de nervuras (891). O primeiro rolo é oco e compreende um número de orifícios (892) na superfície. O segundo rolo é também oco e compreende um número de orifícios (896) na superfície. O sistema de rolos permite aplicar ar pressurizado a uma entrada (897) do segundo rolo e aplicar a sucção (893) ao interior oco do primeiro rolo. A emissão de ar através dos furos (896) do segundo rolo (895) cria cordões de fibras soltas para as fibras UD não costuradas, enquanto que a sucção através dos orifícios (892) assegura que os cordões estão alinhados nas nervuras (891) do primeiro rolo (890). A distância entre os dois rolos (890) são ajustados de acordo com a espessura das mantas de fibras (854) e (855). A largura e a profundidade das nervuras (891) do primeiro rolo (890) são ajustadas de acordo com o tamanho desejado do feixe de fibras de UD em secção transversal. Os rolos (890) e (895) são enrolados ao longo das fibras UD das duas mantas de fibra (854) e (855) na direção longitudinal e podem ser enrolados para trás e para frente durante um período de tempo predeterminado ou até conseguir-se uma ligação de fricção suficiente.
[094] A invenção foi descrita com referência a formas de realização vantajosas. Contudo, o âmbito da invenção não se limita às formas de realização ilustradas, e podem ser realizadas alterações e modificações sem desviar-se do âmbito da invenção.

Claims (15)

1. Método para produzir um único conjunto de camada de fibras que se estende longitudinalmente para utilização em um processo de infusão de resina posterior para a fabricação de uma estrutura composta reforçada com fibra, caracterizado por: a) proporcionar uma primeira manta de fibras compreendendo fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da primeira manta de fibras entre duas extremidades, b) proporcionar uma segunda manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da segunda manta de fibras entre duas extremidades, c) organizar a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras de modo que as fibras unidirecionais, de uma extremidade da primeira manta de fibras, fiquem adjacentes a uma extremidade da segunda manta de fibras num único plano num limite comum, e d) juntar fibras unidirecionais da primeira manta de fibras na referida uma extremidade da primeira manta de fibras, as fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na referida uma extremidade da segunda manta de fibra para formar uma junta de junção, a primeira manta de fibra e a segunda manta de fibra formando uma manta emendada, a manta emendada consistindo em uma única camada de fibras que se estendem longitudinalmente.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por referida uma extremidade da primeira camada de fibras e a referida uma extremidade da segunda camada de fibras serem cortadas conicamente, e em que as referidas camadas de fibras na etapa (c) estão dispostas de modo que o limite comum forma uma transição cônica entre fibras unidirecionais da primeira manta de fibras e fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na direção longitudinal da única camada de fibras contínua, que se prolonga longitudinalmente.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela transição cônica ter uma relação de espessura e comprimento compreendido entre 1:50 e 1: 5, por exemplo, cerca de 1:30.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela etapa (d) compreender a utilização de um adesivo para proporcionar a referida junção.
5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo adesivo ser a base de pó.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela junta de junção ser aquecida, preferencialmente, por meio de engomação.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela etapa (d) compreender a etapa de costurar a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras em conjunto para proporcionar a referida junção.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por fibras unidirecionais da primeira manta de fibras serem adicionalmente pressionadas contra fibras unidirecionais da segunda manta de fibras, de modo a formar uma ligação por atrito entre as referidas fibras unidirecionais.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela etapa (d) compreender a utilização de rolos para pressionar as fibras unidirecionais da primeira manta e a segunda manta de fibras uns contra os outros.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelas fibras unidirecionais nas referidas extremidades da primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras são descosturadas a uma zona longitudinal na referida extremidade antes da etapa (d).
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelas fibras unidirecionais nas referidas extremidades da primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras serem alinhadas na direção longitudinal por meio de meios de alinhamento, tal como um pente.
12. Método de fabricação de uma parte da pá da turbina eólica, tal como uma parte do invólucro da lâmina, em que o método de fabricação inclui o armazenamento de camadas de fibra num molde, em que pelo menos uma das camadas de fibras são produzidos de acordo com o método conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a11, caracterizado por uma resina ser posteriormente fornecida às referidas camadas de fibras e subsequentemente preparada ou endurecida de modo a formar uma estrutura composta.
13. Método de fabricação de uma parte da pá de turbina eólica, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por o armazenamento a envolver o empilhamento de uma pluralidade de camadas de fibras, e em que a referida, pelo menos, camada de fibras é imprensada entre duas camadas de fibras que não possuem uma junta de junção na junção de pelo menos uma camada de fibras.
14. Método de fabricação de uma pá da lâmina de turbina eólica, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pela parte da pá de turbina eólica ser uma estrutura portadora de carga, tal como um laminado principal ou um longarina principal.
15. Conjunto de camada de reforço de fibra que se estende longitudinalmente para o uso num processo de infusão de resina posterior para a fabricação de uma estrutura composta reforçada com fibras, a camada de reforço de fibra, caracterizada por: - uma primeira manta de fibras compreendendo fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da primeira manta de fibras entre duas extremidades, - uma segunda manta de fibras que compreende fibras de reforço unidirecionais orientadas numa direção longitudinal da segunda manta de fibras entre duas extremidades, em que - a primeira manta de fibras e a segunda manta de fibras estão dispostas de modo que as fibras unidirecionais de uma extremidade da primeira manta de fibras juntem-se a uma extremidade da segunda manta de fibras num único plano num limite comum e em que - as fibras unidirecionais da primeira manta de fibras na referida extremidade da primeira manta de fibras são juntadas a fibras unidirecionais da segunda manta de fibras na referida extremidade da segunda manta de fibras e formando uma junta de junção.
BR112016029528-5A 2014-06-16 2014-06-16 Método de produção de uma camada de reforço de fibra contínua a partir de mantas de fibras individuais BR112016029528B1 (pt)

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