CN101077628B - 至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件及铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铸造至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件的方法：在铸模(30，31)中设置纤维增强材料(1)，其中至少布置一排气道(2)，并且，在铸造过程期间，纤维增强材料(1)和排气道(2)至少部分被塑料(57)浸湿，并实现通过排气道(2)排气，其中排气道(2)的表面至少部分由半渗透膜制成，从而允许气体通过但不允许塑料通过或仅允许塑料缓慢通过。此外，本发明涉及至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件，其中的塑料层压材料(57)包括一个或更多排气道(2)，其中排气道(2)的表面至少部分由半渗透膜制成，从而允许气体通过但不允许塑料通过或仅允许塑料缓慢通过。

Description

至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件及铸造方法

技术领域

本发明涉及一种铸造构件的方法，该构件至少部分包括纤维增强塑料层压材料，其中所述纤维增强材料至少部分被塑料层压材料浸湿，以及一种至少部分包括所述纤维增强塑料层压材料的构件。

背景技术

这种方法用于生产纤维增强塑料层压材料，这种层压材料中不希望有手工布设或丝绕。所述纤维增强材料可以是任何已知的类型，例如chop stand或编织垫、多轴夹层纱(multi-axis interlaid scrims)、经线增强单向performs、单独或连结粗纱束、以及任何已知材料(例如玻璃、凯芙拉、碳或麻丝)。纤维增强可以用预制构件(玻璃纤维插入物、拉挤棒等等)，以及用夹芯材料(例如轻木木材、泡沫或蜂窝)补充。塑料或基体材料可以是热固性塑料，例如，聚酯、乙烯基酯、环氧树脂等等，或者它可以是热塑性的，例如聚乙烯、聚丙烯、PVC、ABS等等。塑料层压材料可以在完成纤维增强的布设之后引入，或者它可以在布设期间与纤维增强材料结合到一起，例如在所谓的预浸材料中，其中纤维增强材料以未固化但比较固态的形式被塑料层压材料预浸，或者它作为热塑材料与纤维增强材料交织或沿纤维增强材料布设。

一种此类方法是树脂灌输，其中纤维增强材料在一个模具部分中布设至干，在所述布设完成后，接着另一柔性模具部分加入以便形成围绕纤维增强材料的封闭模具，该模具被抽真空以使纤维增强材料在大气压力下实现良好的固化，注入液态基体材料来完全填充在增强纤维之间以及纤维与模具部分之间的所有空位，在完成注入之后，通常通过施加热量让基体材料硬化，而形成复合层压成品。

在另一种此类方法中，纤维增强材料被作为组合材料来制造，其中纤维与热塑性材料交织或者被热塑性材料包围。这种组合材料在一个模具部分中布设至干，在所述布设完成后，另一柔性模具部分加入以便形成围绕纤维增强材料的封闭模具，该模具被抽真空以使纤维增强材料在大气压力下实现良好的固化，并且组合材料被加热到热塑性材料的熔点以上，从而此时为液态的热塑性材料完全填充在增强纤维之间以及纤维与模具部分之间的所有空位里，在完成这一液相过程以后，材料再次被冷却而形成复合层压成品。

在大多数此类方法中，存在层压材料中夹杂空气的问题。空气由于浮力可能夹在高点处，但也可能夹杂在层压材料中的预期重力会帮助用基体材料取代空气的那些部分中。这种空气的夹杂可以由几何条件引起，或者由硬化过程期间的反应引起，例如化学分离物或易挥发成分。

现在通过仅制造那些在加工期间能通过透明真空袋观察以及因观察而可以调节真空袋内的气室位置的构件，可能存在的空气夹杂的问题已经被大体解决了。然而，当制造具有在制造期间无法接近的部分或完全封闭的空间的较大的结构时，这种方法就不起作用。

已经提出多种方法来减少层压材料中夹杂空气的问题。

文献DE19813105A1描述了一种方法，其中可以用半渗透膜扩大通气孔的排气面积。虽然这种方法能够扩大吸气的有效面积，但如果技术人员不知道夹杂空气的位置，则无法保证效果。此外，如果通气孔布设在外表面上，在铸造后它需要大量的表面修整工作。

文献EP1181149描述了一种方法，其中整个真空袋表面包括半渗透膜。这种方法会从层压材料表面去除空气而不管在哪里发生夹杂，但其具有很大的缺点：如果模具表面在上侧，而真空袋表面在下侧，那么仍有很大的夹杂空气靠近模具旁边的表面的这种风险。由于浮力，空气趋向于向上移动，远离排气膜。EP1181149中描述的这种方法还具有一个缺点，即，它需要层压材料的一侧的整个表面被昂贵的辅助材料(例如助流真空袋或半渗透膜)覆盖。此外，对于细长的半封闭的结构，在层压材料硬化之后去除辅助材料可能是困难的或不可能的，辅助材料可能需要留在原处，随着时间流逝，这反过来会导致例如在辅助材料和层压材料之间的空位处缩聚(condensation)等集中的问题。

在US5665301中，公开了一种用于制造纤维增强复合物品的方法。通过穿过真空室和内含用于获得所述物品的纤维增强材料的模腔的多个外围自密封多微孔导管，将模具中的纤维增强材料与真空连通。将树脂注入到模具中。树脂流朝向所述外围自密封多微孔导管移动，使得由于不完全真空而残留在干燥的纤维增强材料中的任何残余空气或挥发物通过外围自密封多微孔导管被吸入到外围的真空室内并通过真空泵被排出。

US5304339公开一种制造纤维增强可硬化合成树脂的大尺寸、薄壁、细长的模制品的方法，其中至少一层增强纤维布设于不变形的刚性内模具部分上。柔性的外模具部分布设于该纤维层上。液态的可硬化的合成树脂流入模腔内，以基本充满模腔。模腔内的压力减小，使得柔性的模具部分紧紧地被压靠在纤维层上并压向内模具部分，空气被从树脂和模腔及纤维层内去除，并且树脂流入纤维层和模腔内。可以在这样形成的模腔内布置多孔芯，以提高树脂分布的均匀性。

发明内容

因此，本发明的目的是公开一种用于铸造构件的方法，其降低或消除在制造为复合层压制品(特别是纤维增强塑料层压制品)的构件中夹杂空气的可能性，并且没有已知方法的缺点。本发明的另一个目的是公开一种具有较少夹杂空气的构件。

根据该方法的这一目的，提供一种用于铸造至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件的方法，其中纤维增强材料被布设在铸模中，其中至少布置一排气道在所述纤维增强材料的内侧或上侧使得夹杂空气通过所述排气道被排出到所述塑料层压材料的外面，其中在铸造期间所述纤维增强材料和所述排气道至少部分被塑料浸湿，并实现通过所述排气道排气，排气道的表面的至少一部分由半渗透膜制成，从而允许气体通过但不允许塑料通过或只允许塑料缓慢通过。

优选地，纤维增强塑料层压材料包括上表面和下表面，其中至少一排气道位于上表面附近处。

依照本发明的方法，至少一排气道布置在纤维增强材料的内侧或上侧。在这之后，纤维增强材料和排气道被塑料层压材料部分地浸湿。按照现有技术，用塑料层压材料浸湿则在塑料层压材料内经常出现夹杂的空气，这是因为空气不能彻底从塑料层压材料中排出，例如由几何条件引起或者由硬化过程期间的反应象化学分离或挥发成分引起这种空气的夹杂。在本发明中，这种夹杂空气通过排气道被排出到塑料层压材料的外面。夹杂的空气通过穿过排气道(例如允许气体通过但不允许或只允许树脂或热塑性材料缓慢通过的半渗透膜或一些其他装置)而被吸入排气道中。此时，排气道基本上无塑料材料留下。这意味着，因为排气道在塑料层压材料内，即使在外侧被浸湿它也不会停止排气。因此，实现减少或消除夹杂的空气。

优选地，排气道的内部便于空气在排气道的纵向上通过。

优选地，排气道的表面是憎树脂的，并且在被塑料浸湿时，在宏观和微观水平上保持未浸湿区域，并且至少部分由半渗透膜制成，排气道的表面被构造为便于空气在排气道的纵向上通过。

与已知方法相比，通过布置在层压材料内的排气道排出夹杂空气的方法具有几个重大的优点。

排气道可以布置成从发生空气夹杂的地方延展到便于排气到外部通气道的地方。在较大的结构中可以安装一系列排气道，所有都通向外部通气装置的一个或更多区域。

通过保证层压材料内的排气，对甚至是很大的结构也仅需要一个或几个外部通气装置的位置，可以极大地减少对表面修整的要求。

排气道可以布置在层压材料从顶到底的任意深度，无论在层压材料内的哪个深度位置发生空气夹杂，均确保适当的排气。

根据从结构中的各个位置要排出的空气的量，在给定结构中排气道可以具有不定的尺寸。

因此，大的构件(例如风车动叶片)可以容易地制造成单体，并且没有任何或较大的夹杂的空气。

在优选实施例中，纤维增强塑料层压材料包括上表面和下表面，至少一排气道位于靠近上表面处。这意味着至少一排气道位于夹杂的空气被浮力定位的位置处。

根据上述目的，提供一种至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件，其中一个或更多排气道布置在该塑料层压材料内，其中排气道的表面至少部分由允许气体通过但不允许或仅允许塑料缓慢通过的半渗透膜制成。因此，上述方法的优点也适用于该构件。

优选地，至少一排气道形成为通气过滤器。优选尺寸为5-50mm宽。因此特别容易制造无限长度的排气道，例如为较大的构件。

优选地，至少一排气道包括两层半渗透膜，通气装置在其内部。该通气装置可以是例如无纺(non-woven)热塑性材料，气体几乎无限制通过该材料，并且该材料成本低廉。由于半渗透膜，即使在外侧在没有夹杂的空气的较大区域上被浸湿，排气道也不会停止排气。因此，到达排气道的夹杂空气被有效地转移到外部通气装置。

在一优选实施例中，至少一排气道包括一条具有憎树脂(resinophobic)外表面结构的材料。这样允许空气沿该结构通过，而实际上不进入排气道。这种憎树脂结构可以是在热塑性材料的旋绕横截面形状中的纵向微槽。空气可以进入槽的低处，但树脂不能。因此，由于憎树脂的表面，即使在外侧被浸湿，排气道仍继续排气。

优选地，至少两个排气道布置为平行并隔开。由于具有半渗透或憎树脂外表面的排气道本质上存在在塑料层压材料内分层的可能性，应用时一系列的平行管道间隔设置有很大的优点。这限制了局部分层的效果，并使结构导致的大的分层的风险最小化。

在优选实施例中，至少一排气道在一个或更多集管中终止。此外，集管优选连接到一个或更多外部通气装置上。在进行铸造所用的真空袋或模具中抽出空气是有利的。它也可以简单地在塑料层压材料内靠近一个或更多外部通气孔的高点处以开放端终止。

因此，本发明允许在需要的位置处布置排气道，也可使其向外朝向模具表面，并且不需要因排气孔位于模具表面而必须修整。所使用的昂贵的半渗透膜的量也较现有技术中的要更少。

优选地，上述方法以及构件用于制造动叶片，特别用于制造风车的动叶片。因此，该构件可以是动叶片。

附图说明

下面，将参照附图更具体地解释本发明，在附图中：

图1示意性地示出根据本发明的纤维增强材料(在铸造期间穿过该装置横向截取)，其排气道部分浸湿；

图2示意性地示出根据本发明的动叶片(穿过动叶片纵向截取)，其纤维增强材料和排气道被塑料层压材料浸湿；

图3示意性地示出排气道，以通气过滤器的形式(顶视图)；

图4示意性地示出根据本发明的动叶片(穿过动叶片纵向截取)；

图5示意性地示出根据本发明的方法(在铸造期间穿过动叶片和模具纵向截取)；

图6示意性地示出模具内的成品动叶片(在铸造期间穿过动叶片纵向截取)。

具体实施方式

图1示意性地示出纤维增强材料1的一个实施例。在纤维增强材料1内部设置了几个排气道2。排气道包括通气过滤器3。在铸造期间，纤维增强材料1被塑料层压材料57浸湿。这时，例如，由于塑料层压材料57的不同的硬化，出现了夹杂的空气5。在本发明中，如图1的p所示，空气5通过排气道2的外表面。这时空气在排气道2内侧，在通气过滤器3内。由于排气道2的材料的原因，仅允许空气通过。塑料层压材料57本身不能通过。因此，空气被排气道2内的通气过滤器3引导到外部。这由箭头o示出。因此，夹杂的空气5中的空气可以通过排气道2排出。这样，消除或减少了夹杂的空气。

图3示意性地示出具有通气过滤器3的排气道2的实施例。排气道2包括外表面2a和外表面2b，所述两个外表面对于塑料层压材料57是不可渗透的，但对于空气是可渗透的。

图2示出制得的动叶片7，具有被塑料层压材料57完全浸湿的纤维增强材料1和排气道2。动叶片是一个整体的单元，其包括外壳10、芯部11、内壳12和抗剪腹板13。在芯部中有纤维增强材料1和排气道2。在其他实施例中，动叶片可制造为具有多个抗剪腹板或者没有腹板。

图4示意性地示出根据本发明的铸造方法。在边缘32、33处闭合的模具部分30和对应的模具部分31构成动叶片7的外表面的一部分的反模。在一个或更多适当的位置处，例如在封闭边缘32处，设置流管34。在整个或部分注入过程期间，可以激活温度调节系统20，特别是在注入完成以后，它可以用于使注入的层压材料达到促进硬化过程的温度。根据实施情况，如果硬化过程的发热量有可能使模具和层压材料的温度升高到有害水平，则温度调节系统也可以被用于冷却模具和层压材料。然而，技术人员也可以完全略去在模具中的温度调节系统，而在后面的单独的过程中完成可能的最终硬化。在模具部分内，设置一个或更多芯部35和可能的抗剪腹板13。芯部35至少部分被柔性膜40卷绕。在柔性膜40和芯部35之间可以设置其他材料(未示出)，例如纤维材料。在膜40上布置纤维增强材料1。在纤维增强材料1上布置排气道2，所述排气道2特别设为平行并间隔。此外，一些排气道可以被设置在纤维增强材料1内。同样，一些排气道2可以布置在动叶片的外表面附近，由此它们可以将上浮空气有效地引导到外部。在模具部分30和31以及围绕模具芯部35的柔性膜40之间，形成有腔室51。该腔室51被纤维增强材料1部分填充。该纤维增强材料1可包括几层芯材料45及/或几层纤维材料46(例如垫)以及其他芯部50。此刻向腔室51施加真空，从而留在纤维增强材料1和腔室51中的空气的至少相当一部分被抽出。此时，腔室51内的纤维增强材料1和排气道2被压缩，而膜40展开。

图5示出根据本发明制造动叶片的下一个步骤。在流管34和储池56之间建立连接件55，所述储池56具有塑料层压材料57，例如具有正确的混合比的适当的塑料层压材料57，例如包括聚酯、乙烯基酯或环氧树脂等树脂。连接件55可以是导管或管子或其组合，可以设置有可变流量控制阀58，或者以其他方式设置控制连接件55中流体流到流管34的流速的装置，例如以对塑料层压材料57上方的空间59进行压力控制的方式。连接件55可以设置有锁闭旋塞60，或者以其他方式实现阻止从储池56通过连接件55流动的可能，例如，通过能够彻底关闭连接的流量控制阀58。这对连接件55中的流动开放，并且在腔室中形成的真空与塑料层压材料57上的压力之间的压力差的作用下，塑料层压材料开始流入腔室51，注入开始。在注入期间，用流量控制阀58或用其他方式调节流量，使得注入的塑料层压材料62的流体前端61的进度受控并且在被调节的进流和重力之间保持平衡。这时，因为排气道2的原因，在注入期间可不考虑残余空气3。这是因为空气被允许与塑料层压材料57相对地穿过排气道2的外侧。在排气道2内，空气被例如通气过滤器3引导到外侧，如箭头o所示。因此，夹杂的空气被减到最小或甚至得以避免。

图6示出根据本发明在制造动叶片中的下一个步骤。流体前端61这时到达动叶片的尾缘，而塑料层压材料57这时向上穿入到一个或更多溢流容器63中。作为示例，通气道2可在某一个溢流容器63的进给管中终止。当在对应的溢流容器中存在纯塑料层压材料57时，通过锁闭旋塞60或以其他方式结束注入。在硬化完成后，打开模具并取出成品动叶片。通过根据本发明的这种方法，可以制造单件的动叶片，并且不存在大的空气夹杂。

上面描述了本方法的一个可行的实施例，其中纤维增强材料被置于干燥条件下，通过真空注入来供应塑料层压材料。在其他的可行实施例中，布置预浸制品(prepeg)，其中纤维增强材料被预先浸润塑料层压材料，其在被加真空以后通过热、UV辐射等作用而硬化，或者可以布置由耐高温纤维材料和热塑性材料组合成的纤维增强材料，在布置以后，纤维增强材料可以被置于热塑性材料能被熔化并由此在层压材料成品中作为树脂的温度下。同样，在所有这些情况中，可以应用具有上面提到的特性的排气道。本发明也可以应用为这些方法的组合，或者允许使用这种排气道的每种铸造方法。而且，流管的位置也不受附图的限制。

Claims (14)

1.一种至少部分包括纤维增强塑料层压材料的构件的铸造方法，包括下面的步骤：

在铸模(30，31)中设置纤维增强材料(1)，其中

至少布置一排气道(2)在所述纤维增强材料的内侧或上侧使得夹杂空气通过所述排气道被排出到所述塑料层压材料的外面，其中

在铸造过程期间，所述纤维增强材料(1)和所述排气道(2)至少部分被塑料(57)浸湿，并实现通过所述排气道(2)排气，其中

排气道(2)的表面至少部分由半渗透膜制成，所述半渗透膜允许气体通过但不允许塑料通过或仅允许塑料缓慢通过。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，纤维增强塑料层压材料包括上表面和下表面，其中至少一排气道位于上表面附近处。

3.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，至少两个排气道(2)以预定间隔布置在层压材料内。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，该方法用于铸造动叶片(7)。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，该方法用于铸造用于风车的动叶片。

6.一种构件，其至少部分包括纤维增强塑料层压材料，特征在于，塑料层压材料(57)内包括一个或更多排气道(2)，其中排气道(2)的表面至少部分由半渗透膜制成，所述半渗透膜允许气体通过但不允许塑料通过或仅允许塑料缓慢通过。

7.根据权利要求6的构件，其特征在于，排气道的内部便于空气在排气道的纵向上通过。

8.根据权利要求6或7的构件，其特征在于，

排气道的表面是憎树脂的，并且在被塑料浸湿时，在宏观和微观水平上保持未浸湿区域，并且至少部分由半渗透膜制成，

排气道的表面被构造为便于空气在排气道的纵向上通过。

9.根据权利要求6或7的构件，其特征在于，至少两个排气道(2)以预定间隔布置在层压材料内。

10.根据权利要求6或7的构件，其特征在于，至少一排气道(2)在一个或更多集管中终止。

11.根据权利要求10的构件，其特征在于，一个或更多集管连接到一个或更多空气抽取装置。

12.一种动叶片(7)，其包括根据前述权利要求6-11中任一所述的构件。

13.一种适用风车的动叶片(7)，其包括根据前述权利要求6-11中任一所述的构件。

14.一种具有根据权利要求12或13所述的动叶片(7)的风车。

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