BRPI1103627A2

BRPI1103627A2 - Método para a fabricação de um componente de uma estrutura compósita

Info

Publication number: BRPI1103627A2
Application number: BRPI1103627-3A2A
Authority: BR
Inventors: Erik Grove-Nielsen
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-11-26
Also published as: US20120009069A1; CN102371686A; EP2404742A1; KR20120005985A; JP2012016948A; CA2745630A1

Abstract

MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE DE UMA ESTRUTURA COMPÓSITA. A presente invenção refere-se a um método de fabricação de um componente de uma estrutura reforçada com fibra. Várias mechas desconectadas são usadas para criar um maço de mecha. Vários maços de mecha são posicionados automaticamente na ferramenta de formação. Os maços de mechas são dispostos de uma maneira que pelo menos uma camada do componente seja montada. Os maços de mechas são alinhados unidirecionalmente na ferramenta de. formação. Cada maço de mecha é pelo menos molhado com um material de matriz antes de ser posicionado na ferramenta de formação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "METODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COMPONENTE DE UMA ESTRUTURA COMPÓSITA".

A presente invenção refere-se a um método para a fabricação de um componente de uma estrutura compósita.

Esta invenção refere-se, preferencialmente, a um método para fabricar um componente da pá de turbina eólica.

Estruturas compósitas são amplamente usadas para construir componentes para uma turbina eólica. Uma seqüência de tecidos que con-

têm, preferencialmente fibra de vidro tecida, é usada normalmente para esse propósito.

Para a fabricação de uma pá ou de um componente são utiliza- dos os assim chamados “plásticos reforçados com fibra de vidro”. Esses componentes normalmente contêm poliéster ou resina epóxi.

Os assim chamados “tecidos de vidro unidirecionais” são usados

normalmente nas partes que suportam carga de uma pá ou componente.

Esses tecidos contêm o que é chamado de “mechas de fibra de vidro”, enquanto as fibras de vidro dos tecidos são alinhadas paralelamente umas com as outras.

Até mesmo outros tecidos são usados para construir a pá ou o

componente. Um tipo de tecido é modelado como uma fiação, enquanto as fibras de vidro ou mechas de fibra de vidro são costuradas umas nas outras por fibras têxteis. As fibras têxteis contêm poliéster ou material similar.

A fiação é impregnada posteriormente com resina, quando a pá

ou o componente são fabricados. A resina é introduzida na estrutura deseja- da e então na fiação por um vácuo técnico, por exemplo. Um processo co- mumente usado é conhecido como “Moldagem em vácuo por transferência de resina” (Vacuum Assisted ResinTransfer Moulding, VARTM), por exem- plo.

Devido às áreas de fabricação ou volumes com diferentes quan-

tidades de resina são introduzidas na estrutura fabricada. Esses volumes podem ser colocados entre tecidos adjacentes ou até mesmo com tecidos usados na estrutura.

Para uma pá ou componentes fortes é muito importante obter uma distribuição equânime de fibras de vidro e resina, sem “bolsos” abun- dantes em resina dentro da estrutura.

Esses bolsos precisam ser especialmente evitados ao longo das

partes que suportam carga da pá ou componente.

Métodos padrão bem conhecidos de fabricação usam panos te- cidos tecidos e/ou manta de fio picado. Esse material contribui para o pro- blema dos bolsos cheios de resina, como mencionado acima.

Fibras unidirecionais, que estão próximas da principal área da pá

que suporta carga, devem ser alinhadas ao longo da direção longitudinal (direção zero grau) da pá. Portanto, as fibras usadas não podem ser enrola- das em um eixo que enrosca filamentos. Laminação manual comum com custosos tecidos fiados tem que ser usada nesse caso.

É a finalidade desta invenção prover um método melhorado para

a fabricação de um componente de uma estrutura compósita, preferencial- mente a pá de uma turbina eólica.

O objetivo é alcançado através das características da reivindica- ção 1. Configurações preferenciais são o assunto das reivindicações depen- dentes.

De acordo com a invenção, um componente preferencialmente com uma estrutura de fibra reforçada, é fabricado.

O componente pode ser parte da uma pá de turbina eólica, po- rém, é até mesmo possível produzir uma pá inteira de acordo com o método inventado.

De acordo com a invenção, várias mechas não conectadas são usadas para criar um maço de mechas. Um determinado número de maços de mecha é posicionado automaticamente em uma ferramenta de modelar para dar forma. Os maços de mecha são dispostos de uma maneira para 30 que pelo menos uma camada do componente seja montada. Os maços de mecha são alinhados unidirecionalmente em uma ferramenta de modelar. Cada maço de mechas é pelo menos molhado com um material matriz (co- mo resina ou cola) antes de ser posicionada na ferramenta de modelar.

De acordo com o método inventado, bolsos cheios de resina dentro do componente são reduzidos ou até mesmo evitados. Desse modo, todo o componente é impactado, tendo em vista as cargas mecânicas, as quais podem atuar sobre o componente.

A dureza do componente e da estrutura que contém o compo- nente é aumentada. Portanto, a qualidade do componente é aumentada.

Preferencialmente, uma pá de turbina eólica completa é fabrica- da pelo método inventado.

Preferencialmente fibra de vidro é usada, e pode ser fornecida

na forma de maços de mecha.

O maço de mechas é fornecido ou transportado em uma bobina.

Cada maço de mechas compreende uma pluralidade de 1.000 a 3.000 unidades de fibra de vidro por exemplo.

O molhamento ou impregnação é preferencialmente realizado

em um processo em andamento. Preferencialmente um dispositivo robótico é usado para colocar os maços encharcados na ferramenta de modelar.

Devido ao molhamento/impregnação, uma maior porcentagem de vidro do laminado final é atingida.

O componente inteiro é mais homogêneo e, assim, áreas ricas

em resina são evitadas ou até mesmo eliminadas.

Forças de adesão e a tensão da superfície ajudam a alcançar uma orientação paralela do maço na ferramenta de modelar. Assim o mane- jo de cada maço individual é mais fácil.

A invenção garante uma distribuição equânime das fibras dentro

da camada e com a mais alta porcentagem possível de vidro é obtida, sem prejudicar as propriedades de cansaço da estrutura.

Portanto é possível fabricar uma carga central suportando o mastro de uma turbina eólica.

O material matriz (como resina ou cola) não é tratado antes de

todo o material ser colocado na ferramenta de modelar (um eixo, por exem- plo). Preferencialmente epóxi tratado por calor, que é similar a resina, é usado nesse propósito.

Preferencialmente é usado poliéster ou resina epóxi com um ini- bidor adicionado, que atrasa o ciclo de tratamento.

O molhamento ou impregnação é preferencialmente realizado

com a ajuda de uma maquina de molhamento. Os maços de fibra de vidro são molhados em um banho de resina e preferencialmente puxado através de uma bocal do sistemas de molhamento.

Após deixar o bocal, as fibras estão unidirecionais. Forças de adesão e a tensão da superfície ajudam os maços de fibra a manterem uma orientação paralela e alinhada das fibras individuais.

Preferencialmente uma camada do componente é construída sem tecidos tecidos. Bolsos abundantes de resina são evitados devido à borda dura em ponto cruz e ao apertamento da fibra de vidro.

A natureza do tecido tecido, combinado com um enfadonho tra-

balho de laminação manual, é normalmente a razão para a formação de ru- gas na estrutura. A invenção presente evita o uso de tecidos tecidos, dessa forma evitando a formação de rugas na camada.

O uso de maços de mecha ao invés de esteiras de fibra pré- fabricadas, reduz o custo material do componente.

Usando vidro diretamente dos maços na bobina remove o custo da tecelagem e, por conseguinte, reduz o custo final do produto.

A laminação automatizada de acordo com a invenção pode até mesmo ser combinada com o bem conhecido tradicional trabalho de Iamina- ção. Por exemplo, a mais difícil e crítica das partes da pá, como a viga, pode ser colocada automaticamente enquanto camadas de baixa carga podem ser colocadas pelo tradicional método de laminação manual.

O método inventivo também reduz a quantidade de trabalho duro de laminação manual, em que grandes e pesados tecidos ou rolos de tecido precisam ser levantados e posicionados na ferramenta de modelar. Desta forma, as condições de trabalho para os trabalhadores da laminação melho- ram. Além disto, o uso de um sistema de molhamento consideravel- mente fechado como uma câmara de resina.melhora as condições de vida dos trabalhadores, pois as substâncias voláteis são mantidas dentro do sis- tema de molhamento.

Cada maço de mechas é preferencialmente fornecido por uma

bobina. Dessa forma, uma organização típica de produção pode vir a preci- sar de um sistema de 100 até 200 ou mais bobinas.

O procedimento descrito agora pode ser usado para a fabricação de uma viga central que suporta peso da pá de uma turbina eólica.

Um dispositivo robótico coloca os maços de fibra impregnados

em um eixo, o qual pode ter a forma de uma viga oca.

Os maços de fibra são estendidos desde a base e ainda mais adiante, com alguns maços terminando próximos da extremidade.

A parte mais pesadamente carregada da viga terá o maior nú- mero de maços de fibra. Desta forma, todos os maços começam na base da pá, mas apenas alguns se estendem até a sua extremidade.

Fibras em direções distintas de 0o, tendo em vista o eixo longitu- dinal da pá, podem ser colocadas para melhorar a rigidez da torção da pá.

As fibras, tendo sido posicionadas nestas outras direções, po- dem também serem posicionadas por máquina ou dispositivo robótico.

Um revestimento plástico pode ser colocado sobre o eixo quan- do todos os maços de mecha forem colocados. Um vácuo técnico pode ser aplicado debaixo desse revestimento.

A resina é deixada secar enquanto a pá é montada / construída. Calor pode ser usado mais tarde para curar a estrutura.

Uma estrutura inteira da pá, que usa uma viga sendo construída da forma descrita acima, pode ser completada como descrito abaixo:

todos os materiais para o forro laminado da pá da turbina eólica são colocados em um sistema fechado de molde. O sistema fechado de molde contém uma forma superior e uma inferior conectadas. Desta forma, a pá é encerrada pelo sistema fechado de molde.

Um revestimento a vácuo é aplicado na estrutura, pois é neces- sário para a aplicação do vácuo.

A estrutural curada da estrutura e duas bobinas flexíveis suple- mentares (um na parte frontal da estrutural e um atrás da mesma) são posi- cionadas entre as duas partes do molde.

Um vácuo altamente técnico é aplicado e a resina é derramada

na área do revestimento da pá, criando assim um envelope fechado em volta da espinha dorsal da estrutura.

Preferencialmente cada maço de mechas é cortado individual- mente e automaticamente em um comprimento predeterminado. Pelo contro- Ie dos comprimentos dos maços de mecha, é alcançado um planejamento e construção mais avançado e preciso das camadas de fibra

A máquina compreende, por exemplo, vários dispositivos cortan- tes usados para cortar cada maço de mechas individualmente, como descri- to acima. O corte será feito de uma maneira predeterminada para alcançar os fins específicos dos maços de mecha empilhados como, descrito acima.

Em uma primeira modalidade, um dispositivo cortante exclusivo é alocado para cada um dos maços de mecha, ou o dispositivo cortante é alocado para um determinado número de maços de mecha.

Por exemplo, maços de mecha estão passando através do olho da máquina enquanto o dispositivo cortante está localizado perto do olho.

Em uma segunda modalidade, o dispositivo cortante está situado de uma maneira móvel dentro da máquina. Desse modo, apenas um disposi- tivo cortante é necessário para diferentes maços de mecha, cortando-os em diferentes posições da máquina.

Em uma outra modalidade, os maços de mecha são estendidos

em uma ferramenta de modelar, em que a ferramenta de modelar é disposta como um molde para a pá da turbina eólica ou como uma parte do molde usado na produção da pá da turbina eólica.

Pelo menos uma camada de fibras é estendida na direção Iongi- tudinal da parte do molde. O molde pode ser tanto uma parte do molde para o lado de sucção ou para o lado da pressão de uma pá de turbina eólica.

Em uma modalidade posterior, uma ferramenta de moldar é dis- posta para construir uma parte da pá da turbina eólica, em que um transpor- tador é posicionado no fundo da ferramenta de moldar. Pelo menos uma camada de fios de mecha de fibra não conectados e unidirecionais são colo- cados no topo do transportador. O transportador é usado para levantar a parte por levantamento a vácuo ou método similar.

Conforme descrito acima, as mechas de fibra são preferencial- mente fornecidas por bobinas, as quais são preferencialmente localizadas em uma posição fixa ou estão acopladas a máquina.

A máquina está disposta para se mover para frente e para trás através do eixo do componente, para transformar as mechas de fios empi- lhadas em camadas.

A invenção não está limitada a mechas de fibra de vidro;podem ser usadas também fibras de carbono, fibras naturais e similares.

A invenção é descrita em maiores detalhes com a ajuda de um

desenho.

A Figura 1 apresenta o método inventado.

A Figura 2 apresenta a fabricação de outra pá de turbina eólica usando o método inventado, e

A Figura 3 apresenta a fabricação de outra pá de turbina eólica usando o método inventado.

A figura 1 mostra o método inventado. Uma pá de turbina eólica BL é fabricada nesse caso a principal viga estrutural.

Várias bobinas 1 são mostradas. Cada bobina 1 sustenta e for- nece um maço de mechas GF para o aparelho de molhamento 3.

O aparelho de molhamento 3 contém um bocal (não mostrado

em detalhes), através do qual os fios de mecha GF das bobinas 1 são puxa- dos .

Os maços de mecha GF são impregnados com a resina 2, en- quanto os maços de mecha GF são puxados através do aparelho de molha- mento 3.

A resina 2 é fornecida ao aparelho de molhamento 3 vinda do tanque de resina. Os fios de mecha GF, que agora se encontram impregnados com resina, formam um maço de mechas 5 quando eles deixam o molha- mento no aparelho 3. Dentro desse maço de mechas impregnado 5, todas as mechas são alinhadas unidirecionalmente.

Os maços de mechas impregnados 5 são estendidos em uma

ferramenta de formação FT para construir um formato tridimensional da pá BL1 ou de uma parte da pá.

A ferramenta de formação FT pode ser construída e planejada como uma forma inferior, que pode ser usada, por exemplo, dentro de um processo VARTM.

Preferencialmente, o aparelho 3 é acoplado á máquina M. A má- quina M se move para frente e para trás ao longo do eixo longitudinal da pá BL, para transformar vários maços de mecha empilhados em camadas.

Preferencialmente as bobinas 1 são acopladas a máquina M.

É também possível colocar vários maços de mecha impregnados

5 no mandril 4, que é usado para construir a estrutura da pá e que é preen- chido de ar sob pressão por exemplo.

Deve-se também notar que a resina 2 (ou outro material de ma- triz) não é curada antes de todo o material ser colocado no mandril 4.

Preferencialmente isso é obtido pelo uso de epóxi curado por ca-

lor como material matriz.

É também possível usar os chamados componentes "Prepreg" ou outros tecidos previamente impregnados ou mechas.

Preferencialmente uma resina de poliéster ou uma resina de e- póxi com um inibidor adicionado é usada enquanto o inibidor atrasa o ciclo de cura.

Preferencialmente um revestimento a vácuo bem apertado é co- locado em volta do mandril 4, enquanto o vácuo é aplicado. O mandril 4 é esquentado para começar e completar a cura da resina.

A figura 2 mostra a fabricação de outra pá de turbina eólica BL

usando o método inventado.

Vários tecidos secos ou tecidos pré-impregnados 6 são coloca- dos no molde inferior 7.

Uma viga estrutural em forma de O 8 fabricada pelo método in- ventivo é colocada no molde inferior 7, um mandril traseiro 9 e um mandril frontal 10 também são colocados no molde inferior 7.

Enfim, outra camada de tecido seco, ou tecidos impregnados 6

previamente, são colocados no topo da estrutura.

O molde inferior 7 está conectado com um molde superior 11 pa- ra construir um sistema de moldes fechado.

Finalmente, toda a estrutura é infundida com resina usando o processo "Vacuum Assisted Resin Transfer Mould, VARIM".

A Figura 3A mostra a fabricação da pá da turbina eólica usando uma viga estrutural em forma de O, fabricada usando o método inventado.

Um revestimento da borda de ataque 12, um revestimento de bordo de fuga 13 e uma viga estrutural em forma de O 8 . As peças 12 e 13 da borda de ataque e de fuga são produzidas em moldes separados e cola- dos na viga de sustentação 8.

A figura 3B mostra a fabricação de outra pá de turbina eólica si- milar à pá mostrada na figura 3A, porém com uma viga estrutural em forma de “T” 15.

Com referência a figura 2 e a figura 3, os componentes únicos 8,

12, 13 e 15, podem ser produzidos de acordo com o método inventado u- sando rolos de mecha individuais. No entanto, a borda de ataque e a borda de fuga não são de peso crítico, e podem ser fabricadas usando trabalho de laminação normal em moldes separados.

Claims

1. Método para fabricar um componente de uma estrutura refor- çada com fibra, - em que várias mechas desconectadas são usadas para formar um maço de mechas. - em que vários maços de mechas estão posicionados automati- camente na ferramenta de formação, enquanto os maços de mechas são dispostos de uma maneira que permita que, pelo menos uma camada do componente seja montada. - em que os maços de mechas são alinhados unidirecionalmente na ferramenta de formação. - em que cada maço de mecha é pelo menos molhado com o material matriz, antes de ser posicionado na ferramenta de formação.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que cada maço de mecha é impregnado ou saturado com o material matriz.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que cada maço de mecha é puxado através do sistema de molhamento, o qual é pro- jetado e disposto de uma maneira tal que o maço de mecha seja pelo mo- lhado pelo material matriz.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, em que cada maço de mecha é puxado através de um bocal do sistema de molhamento, que é projetado e disposto de uma maneira tal que, o maço de mecha seja pelo menos molhado e/ou que, o maço de mecha seja alinhado na ferramenta de formação.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que cada maço de mecha é suprido a partir de uma bobina.

6. Método, de acordo com a reivindicação 3 ou 5, - em que o sistema de molhamento e/ou a bobina interagem com a máquina, - em que a máquina se move para frente e para trás ao longo de um eixo geométrico longitudinal do componente ou da ferramenta de forma- ção, para construir vários maços de mechas empilhados em camadas.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que o molde ou uma mesa de laminação, uma bancada ou um mandril são usados como ferramenta de formação.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, em que o molde é usado para fabricar o componente, com a ajuda de um processo conhecido como “Moldagem em vácuo por transferência de resina” (Vacuum Assisted Resin Transfer Mould, VARTM).

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que cada maço de mecha é puxado através de uma câmara fechada, que contém o material matriz.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, em que fibras de vidro, fibras de carbono ou fibras naturais são usadas para formar o maço de mecha.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a10, em que cada maço de mechas é cortado individual e/ou automaticamen- te em um comprimento predeterminado quando ele é posicionado na ferra- menta de formação.

12.Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, em que resina ou cola é usada como material matriz.

13. Pá para turbina eólica, em que pelo menos uma camada da pá é fabricada 31, como definido nas reivindicações 1 a 12.

14. Estrutural para uma pá de turbina eólica, em que pelo menos uma camada da estrutural é fabricada como definido nas reivindicações 1 a 12.