CN101918201A - 预成型件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备预成型件的方法，该预成型件包括至少两个由纤维束(6)组成的层，这些层至少部分地由树脂(11)固定。该方法包括提供工作表面(3)的步骤和交替分布树脂层(11)与由纤维束(6)组成的层的步骤。

Description

预成型件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备包含至少两层纤维束的预成型件的方法，该纤维束至少部分地由一树脂固定。

背景技术

在制造大型风轮机叶片时，实际中已经开始使用具有在树脂层中的纤维，即复合材料，的半成品部件。这些半成品元件称为预成型件。这些部件可以依赖于它们的结构来提供主要在一个方向上的强度，因此可以用作风轮机叶片的加强元件。

传统上来说，已经将由在树脂中的单层纤维构成的“环形”片材制造成纺织品。随后，将这些片材切割为具有所需形状和尺寸的较小部分。将这些部分堆积和层叠以得到成品加强元件，即预成型件。

由于在将片材切割为所需形状和尺寸的较小部分时，不可能将整个片材都用掉，因此传统方法会产生废料。由于片材的造价高，传统方法由于损耗的产品大小引起很高的价值浪费。另外，切割造成时间的消耗和造价的增加。

在传统方法中，片材是在纤维于树脂中浸湿后被切割的，这有时会引起树脂粘附于切割装置的问题。通常，这需要特殊设计的切割工具，以用于切割湿润且有粘性的纤维片材。

在堆积预先浸湿的片材时，在层中间可能会夹杂空气。由于这些层是具有在树脂层中的纤维的半成品部件，因此去除层间的夹杂空气是困难的。

发明内容

本发明的实施例的一个目的是提供一种改进的制备预成型件的方法。

因此，本发明提供一种制备预成型件的方法，该预成型件包括至少两个由纤维束构成的层(纤维束层)，所述纤维束至少部分地由树脂固定，该方法包括以下步骤：

-提供一工作表面；

-在该工作表面上分布第一树脂层；

-在该第一树脂层上分布由个体(单个的，单独的，独立的，individual)纤维束组成的第一纤维层；

-在第一纤维层上分布第二树脂层；和

-随后在第二树脂层上分布由个体纤维束组成的第二纤维层。

该方法可用于制备半成品部件，也就是包括至少两层纤维束的预成型件，所述纤维束至少部分地由树脂固定。纤维束可基本相互平行地分布，并可仅通过分布在工作表面上及纤维束层上的树脂相互固定。根据预成型件的最终用途，可以选用不同类型的纤维，例如玻璃纤维、碳纤维、合成纤维、生物纤维、矿物纤维和金属纤维。预成型件包含纤维束中的纤维，该纤维束是由许多个体纤维构成的捆，例如由单向性纤维构成的捆。

虽然纤维束是单个地(单独地，分别地，以个体形式地)分布到工作表面上的，但可以同时分布多个纤维束。“单个地”是指纤维束为个体纤维束，这些个体纤维束仅通过纤维束分布在其上的树脂层以及通过施加到第一纤维层上的随后分布的树脂层束缚。

树脂层和由纤维束构成的层尤其可以顺次施加，其含义是在工作表面上分布树脂，随后在树脂上分布纤维束。随后，在纤维束上分布新的树脂层，等等。可以持续这种过程，以便在工作表面的特定部分处在第一树脂层上分布第一纤维束层，同时将第一树脂层分布到工作表面的另外部分上，等等。

每个纤维束可以包括以已知方式例如用制绳方法等扭绞的纤维。纤维束可以仅包含纤维，或者可以包含纤维以及用于粘接(捆绑)纤维的粘接剂(捆绑带)。该粘接剂可以包括树脂，例如与构成预成型件的每隔一层的树脂相似的树脂。形成纤维束中纤维的粘接剂的树脂可以是未聚合的、部分聚合的或者完全聚合的(固化的，consolidated)。

该预成型件可以由同一类型的纤维束制备。或者，一层纤维束可由例如碳纤维束制备，而另一层由例如玻璃纤维制备。

树脂可以是一种有机聚合物液体树脂，该液体树脂当转变为其最终使用形态时聚合并变为固体。例如，树脂可以为环氧基树脂或者聚酯基树脂，当然也可以应用其它种类的树脂。另外，可以使用一种或多种不同种类的树脂来制备预成型件。如果使用不同种类的树脂，最好使用同族的树脂以确保它们之间的相容性。

工作表面可以是在其上制备预成型件的工作台。或者，工作表面可以是在其上制备预成型件的衬层(垫层)或载体层。在后一种情况下，该方法还可包含提供工作台的步骤。特别地，工作表面可以是板材坯料的表面，该表面可以在树脂已经聚合之后从该树脂释放。作为示例，板材可以是纸板，该纸板涂覆有不粘涂层，例如蜡等。

根据预成型件的用途，该预成型件可以含有任意数量的纤维束层和树脂层。因此该方法可包括提供更多树脂层和/或纤维束层直至层的数量使得该预成型件适合具体目的的步骤。

由于在分布这些层的过程中，空气可能被截留于树脂层和纤维束层之间，该方法还可包括将所有层封装入封装罩内的步骤，以及从封装罩内去除空气的步骤，因为所截留的空气可能降低预成型件成品的强度，因此是不被希望的。

可通过利用盖子覆盖工作台来封装所述层，这样至少工作台的一部分形成所述层的封装罩的一部分。空气可以通过盖子上的开口去除。

在一个实施方式中，盖子可以包含三个不同的层。首先，预成型件可以由穿孔的分离薄片覆盖。该分离薄片可以由塑料或其它具有类似性能的材料制成，以限制甚至避免树脂粘附于分离薄片上。所述孔可通过刺穿薄片的小针形成，例如在每1cm²上形成所需数量的孔。

其次，可设置分布层以覆盖打孔的分离薄片。当封装罩与用以去除截留于预成型件的层之间的空气的排气机相连时，该分布层有利于抽真空以使封罩中的压力变得更均匀。作为示例，该分布层可以由聚酯毡制成。

最后，该分布层可由真空薄片覆盖以确保所述盖子基本气密。作为示例，该真空薄片可以由塑料薄片制得。

接下来，为了去除空气，可将预成型件加热以使树脂至少部分固化。当加热这些层时，可将工作台移动到加热器上，从而在所述层仍置于工作台上时将所述层加热。或者，可将预成型件移至另一个预成型件在其上被加热的表面。

为了利于去除截留的空气，可将至少一个树脂层分布成不连续的层，因为确保从连续的树脂层中去除截留的空气可能是困难的。

不连续的层应理解为未完全覆盖纤维束的层，也就是不封闭的层。作为一个例子，可以通过之字形图案(样式)、直线、正方形图案或者其它使得至少一部分纤维束不被树脂覆盖的图案来形成不连续的层。该图案也可为使得纤维束露在树脂外面的任意图案。

还应该理解，在形成不连续层时，树脂可以是连续分布的，例如经由喷雾嘴施加树脂，该喷雾嘴以一定的图案移动以便形成上述直线等图案。

树脂可能含有与分布树脂的人的皮肤接触时对其皮肤刺激或有害的成分。从而希望避免与树脂直接接触。因此，分布树脂的步骤最好通过使用喷嘴装置自动或部分自动地实施，该喷嘴装置可用于树脂的不连续分布。

可以顺次地(依次地，连续地)提供至少一个由纤维束组成的层和一个树脂层，因此允许在分布一个纤维束层之前分布一个树脂层，反之亦然。因此顺次地是指在工作表面上或在纤维层上直接喷射、滚轧或以其它方式涂布树脂。

在一个具体实施方式中，可以依次制备所有的层，而另一个替代实施方式可包括顺次提供的层和其它同时提供的层。后者允许例如在预成型件中制备一个或多个预浸体层，或者例如在分布过程中向工作表面上分布被树脂预浸湿或被树脂浸湿的纤维束。

应该理解，可以同时分布若干纤维束。这可以允许制备不同宽度的预成型件。另外，可以制备不同长度和形状的预成型件。因此，该方法还可包括单个地切割纤维束的步骤，以便能够制造包括不同长度纤维束的预成型件。

为得到不同形状的预成型件，在分布纤维束的过程中，可以切割一个或更多的纤维束，而剩余的纤维束部分仍被分布。

在利用织物纤维和树脂的片材制备合成材料的常规方式中，可通常将该织物片材切割成与最终产品的形状相配的形状。在这种情况下，垂直于切割直线延伸的每个纤维都以平行于这种片材的边缘的角度终止。

根据本发明，纤维束可以是单个地纤维束，因此可将它们单个地切割并切割成单个的长度。因此，预成型件的最终长度可由纤维束的长度确定。

由于纤维束可被基本彼此平行地分布，每个纤维束都可沿基本笔直的线排列，并且它们都可以以与该笔直的线成固定角度的切口终止。每个纤维束都可以以基本笔直的切割被终止(切断)，从而形成与该直线成80-100度的切割角。这有利于以相对于工作表面固定的角度设置切割装置，这样也可使切割工具更简单，因为它减少了切割工具中可移动元件的数量。

为了确保纤维束保持在工作台上它们被分布的位置上，以及由此减少所制备的预成型件的形状的偏差，可以有利地在分布纤维束层之前分布一个树脂层，因为树脂可以部分固定纤维束并防止各纤维束相对于其它纤维束移动。为能够移动成品预成型件，可以在由片材坯料形成的载体层上设置第一树脂层，该片材坯料例如包括纸或包括纤维材料，该纤维材料例如具有编织或非编织的纤维，例如碳纤维或玻璃纤维。

当例如在风轮机叶片的制备中应用预成型件时，可以将载体层去除。但是，在一些应用中，载体层可以形成为预成型件的一部分，并且因此可保留在最终产品中。为此，载体层可以例如包括毡片或编织的纤维材料，例如碳或玻璃纤维。

可通过例如蜡或硅树脂处理所述纸，以有利于载体层的去除，因为对于一些应用来说，如果载体层粘附于成品预成型件上，会降低预成型件的强度。

预成型件的制备可以完全或者部分地自动化，因此可以使用由操纵器例如自动机械操作的工具来分布至少一层树脂或纤维束。

作为一个例子，制备预成型件的方法可由以下设备实施，该设备包括：

-工作表面；

-纤维束分布装置，其包括许多分布通道，每个分布通道用于接收和传递纤维束，这些通道布置成为所传递的纤维束间提供分布距离；

-纤维束保持装置，其用于保持多个纤维束；以及

-操纵装置，其用于与纤维束保持装置相对地移动纤维束分布装置；

其中，该设备布置成可将纤维束的自由端从纤维束分布装置传递到纤维束保持装置，而且纤维束保持装置用于在分布距离上保持自由端，这样纤维束分布装置和纤维束保持装置之间的相互远离的移动使纤维束通过分布通道被拉伸，而且将纤维束分布于工作表面上。

一种制备预成型件的设备还可包括切割装置，该切割装置用于单个地切割纤维束。这种设备还可包括用于接收与预成型件的期望形状相关的信息的装置，该切割装置可用于根据该信息单个地切割纤维束。

在一种实施方式中，可以利用接合的工具，也就是通过将用于分布树脂的工具与用于分布纤维束的工具连接，来分布树脂层和纤维束层，因为树脂和纤维束可以基本覆盖相同的区域。这可以允许包括这些工具的相应设备的简化布置。通过连接这些工具，用于分布树脂的工具的移动可以不需要单独控制的移动模式或者甚至单独的操纵器。另外，可以允许在一个工作过程中分布纤维束和树脂。

将工具连接(接合)意味着工具可以是两个彼此相连以便能一起移动的单独的工具。或者，所述工具可通过它们的控制系统相连，该控制系统确保它们不用彼此相连就可以一起移动。

可通过喷射(喷洒)来分布至少一个树脂层。作为例子，树脂可以在压力下通过喷嘴装置进行分布。该喷嘴装置可包括基本为矩形的喷嘴开口，当移动喷嘴装置且在喷嘴装置的移动过程中开合喷嘴开口时，允许树脂被线性分布。或者，如果例如通过穿孔的薄膜或者含有小开口的格栅进行分布，树脂可以不用开闭喷嘴装置而被非连续地分布。

另外一种替代方案是通过使用小的喷嘴开口在非连续层内连续地分布树脂，该小喷嘴开口可移动地附于喷嘴装置上。通过在相对于工作表面移动喷嘴装置的同时将喷嘴开口例如从一侧移动到另一侧，可将树脂以非连续层分布形成之字形。可通过喷嘴装置和工作表面中的至少一个来使它们相对移动。

如果通过喷射分布树脂，则可例如通过将用于喷射的工具与用于分布纤维束的工具相连来同时制备至少一个纤维束层和一个树脂层。这允许在分布纤维束同时进行树脂分布，例如通过在分布的同时喷射纤维束，或者通过在分布所述纤维束的同时喷射工作表面或者先前的纤维束层。

在室温下，树脂可以为半固化状态。为了使树脂能被分布到工作表面上或分布到由纤维束构成的层上，可有利地将树脂加热到粘性降低或树脂变得足以例如通过喷射分布的“液态”的温度。作为一个示例，可将树脂加热到50-60℃的温度。

当在温度接近室温的环境下进行分布时，树脂粘性可以当温度接近该室温而增加。树脂可例如变为半固态。

这种部分地固化可以防止纤维束在去除层间的截留空气之前完全不被浸湿。如果浸湿了纤维束，树脂则可能从不连续的层转变为基本连续的层，这会阻碍空气的去除。

由于可在去除截留空气后对预成型件进行加热，所以树脂可足够薄以允许树脂与纤维束中包含的单个纤维接触以浸湿纤维束。在加热预成型件的过程中，温度可升至第一固化温度以上，从而允许进行第一固化过程。

随后，预成型件可以重新冷却以获得半固化的预成型件。预成型件可以在这种半成品状态下保存，直到进行应用，例如用做诸如叶片的风轮机部件。当制备成品部件时，可将该部件以及由此该半固化的预成型件加热至高于第二固化温度的温度，以允许第二固化过程的发生，从而完成预成型件的固化。

附图说明

下面将参照附图进一步说明本发明的实施例，在附图中：

图1示出预成型件；

图2示出制备预成型件的设备；

图3示出准备分布纤维束的制备预成型件的设备；

图4示出在分布纤维束过程中的制备预成型件的设备。

具体实施方式

图1示出一预成型件2，该预成型件在本实施方式中包括两层至少部分地由树脂固定的纤维束6。每层纤维束6部分地固定在树脂层11中。

图2、3和4示出用于通过权利要求所述的方法制备预成型件2的设备1的实施例。

图2示出用于制备预成型件2(仅示出其最上层)的设备1。该设备1包含工作表面3、纤维束分布装置4、用于保持多个纤维束6的纤维束保持装置5和一操纵装置7，该操纵装置用于使纤维束分布装置4相对于纤维束保持装置5移动。

操纵装置的第一部分7a用于移动纤维束分布装置4，而操纵装置的第二部分7b用于移动纤维束保持装置5。操纵装置的第三部分(未示出)用于移动工作表面3。

纤维束分布装置4包含多个分布通道8(为了说明的目的只示出了一部分)。每个分布通道8用于接收和传递一个纤维束6，所述分布通道8布置成提供所传递的纤维束6之间的分布距离。

设备1布置成可将纤维束6的自由端从纤维束分布装置4传递到纤维束保持装置5。纤维束保持装置5用于保持该自由端，以使纤维束分布装置4和纤维束保持装置5之间的相互远离的移动能将纤维束6拉伸，并将该纤维束分布在工作表面3上。

在所示实施例中，工作表面3是在其上制备预成型件2的工作台。

纤维束分布装置4用于接收和传递多个纤维束6。在所示实施例中，纤维束6是盘绕的，并且盘绕卷9被置于分布装置4上方，从而将纤维束6向纤维分布装置4传递，以展开盘绕卷9。由于每个分布通道8均可以接收纤维束6，所以相对每个分布通道8都存在一个盘绕卷9。为了说明的目的仅在图1中示出一个盘绕卷9。

为能分别地保持各纤维束6的自由端，纤维束保持装置5包括一个保持开口10，该保持开口与纤维束分布装置4的每个分布通道8相对应(见图3和4)。但是，不是所有的保持开口10和分布通道8都需要持续使用。根据待制备的预成型件2的大小和形状，可使用不同数目的保持开口10和分布通道8。

图3示出用于制备预成型件2的设备1，该设备1准备好分布纤维束6。设备1设置成保持开口10和分布通道8能够对齐以形成用于纤维束6的多个连续的通道。在所示实施例中，这通过朝向分布装置4移动保持装置5并由此使它们相互关联而实现。

保持开口10设置为具有相互保持距离，该相互保持距离对应于与分布通道8的相互距离。这使得纤维束6能被通过分布通道8基本平行地抽出。另外，这有利于纤维束6基本上平行地分布于工作表面3之上。

为将自由端保持在保持开口10内，纤维束保持装置5还包括一用于将自由端锁止在保持开口10内的保持锁12。该保持锁12能锁止所有自由端，并且能锁止纤维束6的选定数量的自由端。

为了限制将纤维束6分布于工作台3上时的不精确，以及进一步利于将纤维束6由分布通道8抽出，设备1包括纤维束杆13，该纤维束杆用于在分布纤维束6的过程中朝工作表面3向下按压每个纤维束6的至少一部分。如图所示，纤维束杆13在保持装置5的上方升起以位于备用位置。当开始分布纤维束6时，将纤维束杆13降低，以便朝向工作表面3上的树脂层11(图3中未示出)按压纤维束6。图4中示出纤维束杆13处于起作用的位置。

另外，设备1包括喷嘴装置14，该喷嘴装置用于将树脂分布于工作表面3上。在所示实施例中，喷嘴装置14用于将树脂分布于一个非连续层中，以有利于从预成型件2中排出空气。

喷嘴装置14包括一小的喷嘴开口，在相对于工作表面3的长度方向移动喷嘴装置14以及同时相对于工作表面3的宽度方向将喷嘴开口从一侧移动到另一侧时，该喷嘴开口允许将树脂成直线分布。所分布的树脂的量由喷嘴泵15控制。喷嘴装置14和工作表面3的相对移动通过利用第三操纵装置移动工作表面3实现，或者通过利用第一操纵装置7a移动喷嘴装置14实现，因为喷嘴装置14可以与纤维束分布装置4一起被移动。

由于设备1用于制备不同形状、不同尺寸和不同厚度的预成型件2，所以该设备1包括用于单独切割纤维束6的切割装置16。

如图1所示，纤维束6的一个层可形成基本为梯形的形状。为形成基本为梯形形状的预成型件2，有利的是能使用不同长度的纤维束6，以及由此能分别切割纤维束6，以便将纤维束6沿长度方向终止在不同的位置。

如图3中的箭头17所示，这样切割纤维束6：降低切割装置16以便分别切割每个纤维束6。在切割纤维束6之后，使切割装置16上升且相对于分布方向垂直移动，以准备切割另一个纤维束6。因此，可在分布过程中切割一个或者多个纤维束6，同时纤维束6的剩余部分仍被分布于工作表面3上。

图4示出在分布纤维束6的过程中的制备预成型件2的设备1。如图所示，通过将纤维束保持装置5移动远离纤维束分布装置4，同时使用纤维束杆13朝工作表面3按压纤维束6来分布纤维束6。

Claims (15)

1.一种制备预成型件的方法，该预成型件包括至少两层由树脂至少部分地固定的纤维束，该方法包括以下步骤：

-提供工作表面；

-在该工作表面上分布第一树脂层；

-在该第一树脂层上分布由个体纤维束组成的第一纤维层；

-在第一纤维层上分布第二树脂层；以及

-在第二树脂层上分布由个体纤维束组成的第二纤维层。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包括提供更多树脂层和/或纤维束层的步骤。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

-将所有的层封装入一封装罩中；以及

-除去该封装罩内的空气。

4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，将至少一个树脂层分布成不连续的层。

5.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，在分布树脂之前将该树脂加热。

6.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，顺次提供至少一个由纤维束组成的层和一个树脂层。

7.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，第一树脂层设置在由板材坯形成的载体层上。

8.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，使用由自动操纵器操作的工具来分布至少一个树脂层或由纤维束组成的层。

9.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，使用接合的工具来分布树脂层和由纤维束组成的层。

10.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，通过喷射分布至少一个树脂层。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，同时提供至少一个由纤维束组成的层和一个树脂层。

12.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，所有由纤维束组成的层包括相同的纤维束。

13.根据前述任一项权利要求的方法，其特征在于，基本沿直线布置每个纤维束，以及以基本的笔直切割来中断每个纤维束，从而形成与该直线成80-100度的切割角。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，预成型件设有一个沿直线延伸的边缘，以及至少一个纤维束在该边缘处以与该直线不平行的角度中断。

15.一种风轮机叶片，包括利用根据权利要求1-14中任一项所述的方法制备的预成型件。

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