CN101811366B - 制造复合材料制品的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造复合材料制品的装置和方法。提供了一种用于加工预浸渍的预制件(42)的装置，该预制件包括多种纤维和聚合物基质。该装置包括具有顶面(52)和底面(48)的基板(44)；联接到基板上的桥接工具(58)，桥接工具包括顶板和自顶板(68)延伸的至少一个支承部件(62，64)，至少一个支承部件联接到基板的顶面上；定位在桥接工具的顶板下方的压力囊(54)，压力囊大小设置成以便定位在定位于基板的顶面上的预制件上；以及真空袋(70)，压力囊和桥接工具定位在真空袋内部。

Description

制造复合材料制品的装置和方法
技术领域
本发明的领域大体涉及加工复合材料，且更具体地讲，涉及使用真空袋和气囊加工复合材料。
背景技术
由于复合材料的高强度和耐用性，以及其可形成为各种形状的能力，复合材料越来越多地用于制造各种产品。复合材料的加工的长期存在的问题是最普遍地使用真空袋来加工复合材料。数十年前，这被认为是理想的解决方案，因为一个过程(真空)将会对层压的预制件提供两种期望的效果，即从层压件中抽出空气和挥发物，同时还提供环境压力，以合并该层压件(即使其成为坚实块体)。对较小的构件例行使用的是通过高压釜来增大压力，但通过高压釜来增大压力对于大零件(例如船体和风力涡轮机叶片)并不实用。已经开发了这样的树脂系统：其使得能够在不使用高压釜的情况下使预浸渍的材料固化，以特别地解决大零件问题(船和风力涡轮机叶片)。通常使用单个真空袋来使这些系统固化；但是，复合物中的所引起的空隙含量通常太高，这会不利地影响复合物的强度和其它性质。不认为单真空袋技术是在不使用高压釜的情况下制造空隙含量非常低的复合物构件的最理想方式。施加到真空袋内部的预制件上的压力实际上通过将包含空气和/或挥发物的气泡截留在纤维和树脂的粘结层之间而妨碍了移除气泡。
克服此问题的一种已知方式是使用多个真空袋来消除对大型昂贵真空腔室的需要。美国专利No.7,413,694B2描述了用以形成内腔室和外腔室的嵌套真空袋(真空袋内真空袋)。调节内腔室和外腔室中的相应的压力，以便有利于树脂浸入到干燥的含纤维的预制件中。可由此方法实现的独立水平是有限的，且对复合物的预浸渍的形式来说是不够的。另一个专利-美国专利No.7,186,367也描述了一种双真空袋方法。在此方法中，定位在内真空袋和外真空袋之间的额外的刚性构件限制外袋在预制件处于真空下时对预制件施加任何压力。
发明内容
在一个方面中，提供了一种制造复合材料制品的方法。该方法包括提供由多种增强纤维和聚合物基质形成的预浸渍的预制件，将预制件定位在基板上，将压力囊定位预制件的顶部上，以及将桥接工具定位在压力囊上方。桥接工具包括顶板和至少一个支承部件。支承部件联接到基板上，其中顶板在压力囊上方隔开。该方法还包括将预制件和桥接工具封闭在真空袋内，在真空袋中抽真空，以从预制件中移除空气和挥发物，以及通过使压力囊膨胀来对预制件施加压力，以合并预制件。
在另一个方面中，提供了一种用于加工由多种纤维和聚合物基质形成的预浸渍的预制件的装置。该装置包括具有顶面和底面的基板，以及联接到基板上的桥接工具。桥接工具包括顶板和自顶板延伸的至少一个支承部件。支承部件联接到基板的顶面上。该装置还包括定位在桥接工具的顶板下方的压力囊。压力囊大小设置成以便定位在已经定位于基板的顶面上的预制件上。该装置进一步包括密封地附连到基板上从而形成腔室的真空袋。桥接工具和压力囊定位在腔室内部。
在另一个方面中，提供了一种制造复合材料制品的方法。该方法包括提供由多种增强纤维和聚合物基质形成的预浸渍的预制件，以及将预制件定位在加工装置内部。该加工装置包括具有顶面和底面的基板，以及联接到基板上的桥接工具。桥接工具具有顶板和自顶板延伸且联接到基板的顶面上的至少一个支承部件。该加工装置还包括定位在桥接工具的顶板下方和预制件的顶部上的压力囊，以及真空袋。桥接工具和压力囊定位在真空袋内部。该方法还包括在真空袋中抽真空，以从预制件中移除空气和挥发物，以及然后通过使压力囊膨胀来对预制件施加压力，以合并预制件。
附图说明
图1是风力涡轮机的一种示例性构造的侧面正视示意图。
图2是风力涡轮机转子叶片的前视图。
图3是根据一个实施例的用于加工预浸渍的预制件的装置的截面图。
图4是图1所示的桥接工具的顶板的俯视图。
图5是根据另一个实施例的用于加工预浸渍的预制件的装置的截面图。
图6是制造复合材料制品的方法的流程图。部件列表：
10 风力涡轮机
12 塔架
14 支承面
16 机舱
18 底座框架
20 转子
22 转子轮毂
24 转子叶片
30 空腔
32 根部部分
34 末梢端
36 主体部分
40 加工装置
42 预制件
44 基板
46 顶面
48 底面
50 垫板
52 顶面
54 压力囊
56 顶面
58 桥接工具
60 顶板
62 支承部件
64 支承部件
66 多个开口
70 真空袋
72 密封件
74 内部空腔
76 真空端口
78 真空泵
79 柔性外部真空囊
80 方法
82 提供预浸渍的预制件
84 将预制件定位在基板上
86 将垫板定位在预制件的顶部上
88 将压力囊定位在垫板的顶部上
90 将桥接工具定位在压力囊上方
92 将预制件、垫板、压力囊和桥接工具封闭在真空袋内部
94 在内部空腔中抽真空
96 通过使压力囊膨胀，在保持内部空腔中的真空的同时对预制件施加压力
具体实施方式
下面对制造复合材料制品的装置和方法进行详细描述。参照风力涡轮机叶片描述了该装置和方法，但是该装置和方法可应用于任何复合物制品。该方法使用具有硬桥接工具的外真空袋来提供真空空腔，并且使用受桥接工具限制的压力囊来操纵对压力和真空的独立控制。另外，该方法提供高于由已知真空袋工艺提供的压力(其限于约每平方英寸15磅(psi))的压力。使用压力囊允许在大于约0psi至约15psi的已知真空袋工艺的范围中操作，而且还允许在约15psi至约200psi的更高范围中操作。更高的加工压力的优点在于，更高的压力将导致更加迅速及更加完整地合并预制件。预浸渍的预制件材料通常在乙阶段缩合(B-staged)(局部固化)成预制件的聚合物基质的粘度非常高且流动性非常低的状态。对于仅已知真空压力的工艺，存在等待聚合物基质流动的有限保持时间。由压力囊提供的更高压力有利于缩短预制件的保持时间。
虽然可使用热来加快流动，但是热也将使聚合物基质的固化加速，这在制造过程中的此时间点是不合需要的。目标是在不加速固化的情况下完全合并预制件。然后将合并的预制件移到成形模具中进行最终成形，并且在真空袋中进行固化。在此模制步骤中，通常从正在形成的风力涡轮机叶片中移除截留的空气和气体，但不是非常有效。使用在下面更加全面地描述的加工预制件的装置和方法，会在模制和固化成最终叶片几何结构之前提供对空隙的完全移除。这急剧地减少了在最终几何结构的昂贵的模具中的所需时间。因此，改进了加工循环时间，且提高了制造能力。
参照附图，图1是风力涡轮机10(诸如，例如水平轴风力涡轮机)的侧面正视示意图。风力涡轮机10包括自支承面14延伸的塔架12、安装在塔架12的底座框架18上的机舱16，以及联接到机舱16上的转子20。转子20包括轮毂22和联接到轮毂22上的多个转子叶片24。在该示例性实施例中，转子20包括三个转子叶片24。在一个备选实施例中，转子20包括不止或少于三个转子叶片24。在该示例性实施例中，塔架12由管状钢材制成，且包括在支承面14和机舱16之间延伸的空腔30。在一个备选实施例中，塔架12是格状塔架。
在该示例性实施例中，风力涡轮机10的各种构件容纳在风力涡轮机10的顶部塔架12上的机舱16中。基于本领域已知的因素和条件来选择塔架12的高度。在一些构造中，使用控制系统中的一个或多个微控制器来进行整体系统监测和控制，包括变桨和速度调节、高速轴和偏航制动应用、偏航和泵马达应用以及故障监测。在风力涡轮机10的备选实施例中使用备选的分布式或集中式控制结构体系。在该示例性实施例中，单独地控制叶片24的变桨。轮毂22和叶片24共同形成风力涡轮机转子20。转子20的旋转使发电机产生电功率。
在使用时，叶片24定位在转子轮毂22周围，以有利于使旋转的转子20将来自风的动能转换成可用的机械能。当风冲击叶片24时，且当叶片24旋转并承受离心力时，叶片24会承受各种弯矩。因而，叶片24会从中立或非偏转位置偏转和/或旋转到偏转位置。另外，可由变桨机构改变叶片24的桨距角，以有利于提高或降低叶片24速度，以及有利于减小塔架12冲击。
图2中显示了转子叶片24的基本构造。在图中，转子叶片24包括用于将转子叶片24安装到轮毂22上的根部部分32。与根部部分32相对，设置有转子叶片24的末梢端34。转子叶片24的主体部分36在根部部分32和末梢端34之间延伸。
图3是可用于从预浸渍的预制件42中移除空气和挥发物以消除预制件42的空隙的加工装置40的一个示例性实施例的截面图。加工装置40还合并预制件，以形成准备好进行后续模制和固化的完全合并的制品。加工装置40包括具有顶面46和底面48的基板44。基板44也可称为工具板。预制件42定位在基板44的顶面46上以进行加工。垫板50定位在预制件42的顶面52上。压力囊54定位在垫板50的顶面56上。使用压力囊54来通过垫板50对预制件54施加压力，以合并预制件42。在另一个实施例中，没有使用垫板50，且压力囊54直接对预制件42施加压力。
桥接工具58附连到基板44上，包围预制件42、垫板50和压力囊54。也参照图4，桥接工具58包括顶板60和相对的支承部件62和64。支承部件62和64附连到基板44上，且大小设置成使得顶板60在压力囊54上方隔开。多个开口66延伸穿过顶板60，以允许空气穿过顶板60。真空袋70封闭桥接工具58、预制件42、垫板50(当使用时)和压力囊54。利用密封件72使真空袋70附连到基板44上，从而形成内部空腔74。真空端口76延伸穿过基板44，以使内部空腔74与真空泵78连通地连接。在另一个实施例中，真空端口76延伸穿过真空袋70。真空袋70可包括其它材料或结构，例如多孔材料层，以在整个内部空腔74中传导真空。在另一个实施例中，真空袋70是柔性外部真空囊79，在图5中示出。基板44、桥接工具58、预制件42、垫板50(当使用时)和压力囊54定位在真空囊79内部。真空囊79可由任何适当的材料(例如橡胶)形成。
通过用聚合物浸渍增强纤维网/垫而由多种增强纤维和聚合物基质形成预制件42。可在预制件42中使用任何适当的增强纤维。适当的增强纤维的实例包括但不限于玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、聚合纤维、陶瓷纤维、芳族聚酸胺纤维、洋麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、大麻纤维、纤维素纤维、剑麻纤维、棕丝纤维以及它们的组合。可使用任何适当的聚合物来形成预制件42，包括热固性聚合物和热塑性聚合物。适当的热固性聚合物的实例包括但不限于乙烯基酯聚合物、环氧聚合物、聚酯聚合物、聚氨酯聚合物以及它们的组合。热塑性聚合物的实例包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚砜、聚醚、丙烯酸树脂(包括甲基丙酸烯聚合物、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚亚苯基砜(polyphenelene sulfones)以及它们的组合。
基板44、垫板50和桥接工具58可由任何适当的材料制成，例如任何适当的金属，诸如钢。在其它实施例中，基板44、垫板50和桥接工具58中的任何一个均可由其它材料形成，例如塑料材料，包括纤维增强的纤维。在该示例性实施例中，基板44是平坦的；但是，在另外的实施例中，基板44可具有任何适当的形状，以产生三维预制件42。在又一个实施例中，垫板50可为柔性的，以有利于形成除平坦形预制件之外的成形制品。柔性垫板50可由具有或不具有纤维增强的柔性塑料或橡胶材料形成。
图6是制造例如图2所示的转子叶片24的复合材料制品的方法80的流程图。方法80包括提供82由多种增强纤维和聚合物基质形成的预浸渍的预制件，将预制件定位84在基板上，将垫板定位86在预制件的顶部上，以及将压力囊定位88在垫板的顶部上。方法80还包括将桥接工具定位90在压力囊上方，其中桥接工具支承部件附连到基板上，以及将预制件、垫板、压力囊和桥接工具封闭92在真空袋70内部。另外，方法80包括通过真空端口在真空袋中抽94真空，以从预制件中移除空气和挥发物。桥接工具58的顶板60防止真空袋70接触垫板50，并且防止对预制件42施加任何压力。施加到预制件42上的压力可阻止从预制件42中移除空气和挥发物。然后方法80包括当已在真空袋中建立真空之后对预制件施加96压力，并且同时保持真空。通过利用空气使压力囊54膨胀而使得压力囊54扩张，对预制件42施加压力。桥接工具58的顶板60限制压力囊54向上膨胀，从而使得压力囊对垫板50和预制件42施加压力，以合并预制件42。然后将所得到的平坦的经合并的预制件移到成形模具中进行最终成形和固化，以形成转子叶片24。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于加工预浸渍的预制件(42)的装置，所述预制件包括多种纤维和聚合物基质，所述装置包括：
具有顶面(52)和底面(48)的基板(44)；
联接到所述基板上的桥接工具(58)，所述桥接工具包括顶板和自所述顶板(68)延伸的至少一个支承部件(62，64)，所述至少一个支承部件联接到所述基板的所述顶面上；
定位在所述桥接工具的所述顶板下方的压力囊(54)，所述压力囊大小设置成以便定位在设于所述基板的所述顶面上的预制件上，以使得所述预制件位于所述基板的所述顶面上、并且位于所述压力囊下面；以及
真空袋(70)，所述压力囊和所述桥接工具定位在所述真空袋内部；
其中，当对所述真空袋抽真空时，所述桥接工具的所述顶板防止所述真空袋接触所述预制件从而防止向所述预制件施加压力，以从所述预制件移除空气和挥发物；其中，当在所述真空袋中建立真空之后、并且维持真空状态时，所述桥接工具的所述顶板限制所述压力囊向上扩张，从而使得所述压力囊对所述预制件施加压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括定位在所述压力囊(54)下方的垫板(50)，所述垫板大小设置成以便定位在所述压力囊和定位在所述基板(44)的所述顶面(52)上的预制件(42)之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空袋(70)密封地附连到所述基板(44)上，从而形成腔室，所述压力囊(54)和所述桥接工具(58)定位在所述腔室内部。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述桥接工具的所述顶板(68)包括延伸穿过其中的多个气孔。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空袋(70)包括柔性真空囊、所述基板(44)和定位在所述真空囊内部的所述桥接工具(58)。
6.一种制造复合材料制品的方法(80)，所述方法包括：
提供包括用聚合物基质浸渍过的多种增强纤维的预浸渍的预制件(42)；
将所述预制件(42)定位在加工装置内部，所述加工装置包括：
具有顶面(52)和底面(48)的基板(44)；
联接到所述基板上的桥接工具(58)，所述桥接工具包括顶板(68)和自所述顶板延伸的至少一个支承部件(62，64)，所述至少一个支承部件联接到所述基板的所述顶面上；
定位在所述桥接工具的所述顶板下方的压力囊(54)所述压力囊大小设置成以便定位在设于所述基板的所述顶面上的预制件上，以使得所述预制件位于所述基板的所述顶面上、并且位于所述压力囊下面；以及
真空袋(70)，所述桥接工具和所述压力囊定位在所述真空袋内部；
在所述真空袋中抽真空，所述桥接工具的所述顶板防止所述真空袋接触所述预制件从而防止向所述预制件施加压力，以从所述预制件中移除空气和挥发物；以及
当在所述真空袋中建立真空之后、并且维持真空状态时，通过使所述压力囊膨胀对所述预制件施加压力，所述桥接工具的所述顶板限制所述压力囊向上扩张，从而使得所述压力囊对所述预制件施加压力。
7.根据权利要求6所述的方法(80)，其特征在于，所述方法(80)进一步包括将垫板定位在所述预制件和所述压力囊之间。
8.根据权利要求6所述的方法(80)，其特征在于，所述真空袋(70)密封地附连到所述基板(44)上，从而形成腔室，所述桥接工具(58)和所述压力囊(54)定位在所述真空袋(70)内部。
9.根据权利要求6所述的方法(80)，其特征在于，对所述预制件(42)施加压力包括对所述预制件施加大于0psi至200psi的压力。
10.根据权利要求6所述的方法(80)，其特征在于，所述桥接工具(58)的所述顶板(68)包括延伸穿过其中的多个气孔。
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