CN101980857A - 通过缠绕过程制造层叠复合物品的方法以及相应的装置和制品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造层叠复合物品的方法。所述方法可包括步骤：在使浸渍树脂的带(2)沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将所述带逐次搭叠地缠绕到芯轴(3)上。所述带的在芯轴的端部附近缠绕到芯轴上的区段被折叠，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向方向大致垂直。本发明还涉及一种可选的制造层叠复合物品的方法。所述方法包括以下步骤：在使浸渍树脂的第一种带沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将所述第一种带逐次搭叠地缠绕到芯轴上；以及将多层具有直边缘(8a)和锯齿形边缘(8b)的第二种带缠绕到芯轴的端部区段上，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向方向大致垂直。本发明还涉及一种用于执行这种方法和一种通过这种方法或这种装置制造的风轮机桨叶梁。

Description

通过缠绕过程制造层叠复合物品的方法以及相应的装置和制品
技术领域
本发明涉及一种制造层叠复合物品的方法，特别是涉及一种包括将浸渍树脂的纤维带缠绕到芯轴上的方法。
背景技术
具有非凹形横截面的层叠复合物品可通过缠绕过程制造，在所述缠绕过程中，已经过具有液体热固性树脂的容器的纤维带缠绕到芯轴上。复合物品是在利用滑架组件使带沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式逐次搭叠地缠绕到芯轴上形成的。这种制造过程通常用于制造细长物品。一个示例是风轮机桨叶梁，其中，梁的变化的横截面通过使保持带的滑架越来越接近梁的根端反向获得。带的节距意味着，梁的根端必须被制造有多余量的材料，该多余材料必须在之后去除，以获得在根部具有恒定的厚度的桨叶梁。多余的材料被形成为具有三角形横截面的环部，所述环部为一个带宽长，且与层叠部一样厚。对于40-45m长的桨叶，通过去除多余的环部所丢弃的材料为每个桨叶100-150kg左右。这意味着，不仅浪费材料，而且在施加多余的材料然后再去除它时也会浪费时间。
因此，一种改进的、更高效的制造方法将是有利的。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种通过缠绕制造层叠复合物品的方法，该方法之后不必去除明显的多余材料。仍可能需要例如通过磨削对端面进行加工，以获得期望的最终的表面质量。对于风轮机桨叶梁，如此去除的材料量通常为数公斤左右。
本发明的另一目的是提供这样一种制造方法，通过所述制造方法，与现有的缠绕方法相比，降低了浪费的材料量。出于财政和环境的原因，这是有利的。
本发明的另一目的是提供这样一种制造方法，通过所述制造方法，与现有的缠绕方法相比，降低了制造时间。
本发明的一些实施例的目的是提供这样一种制造方法，所述制造方法在接近物品的端部时不必使用另外的带。
本发明的进一步的目的是提供一种现有技术的替代方案。
因此，在本发明的第一个方面中，上述目的和其他多个目的通过提供一种制造层叠复合物品的方法实现，所述方法包括步骤：在使浸渍树脂的带沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将所述带逐次搭叠地缠绕到芯轴上，所述带包括一层或多层纤维，其中，所述带的在芯轴的端部附近缠绕到芯轴上的区段被折叠，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向方向大致垂直。
通过折叠意思是指，带的侧部区段，即包括边缘的区段，优选折叠成被捕获在被缠绕的带的下方。这将在附图中示出。从而，可防止折叠的带由于纤维中的回弹张力而在折叠处打开。通过折叠用于复合物品的其余部分的带，可获得基本上为最终的几何形状，而不必使用另外的带。这可以是有利的，因为缠绕装置不需要另外的带滑架，以及因为仅必须启动一卷带的施加。
本方法优选地用于制造细长物品，但原则上也可制造任何非凹形的几何形状。折叠技术可应用于物品的一端或两端。
带中的纤维层优选形成连在一起的带。这种连在一起的特性优选通过纺织或缝合获得，但也可使用其他接合方法，例如胶粘。在每层内，纤维通常单向地定向，但它们也可具有不同的方位，且它们可被交织。
复合物品的最终几何形状可能与缠绕结束时的几何形状稍微不同，例如由于固化收缩，如上所述的磨削或安装孔的钻取。
被折叠的带的与带的纵向方向垂直的宽度，可在带向着芯轴的相应端部移动时从折叠开始处减小、以及可在带远离所述端部移动时增大。
带可至少在配给点处通过使用具有U形横截面的折叠工具折叠，在所述配给点处，所述带离开折叠工具缠绕到芯轴上。这意味着，带通过工具被引导成最终形状，而不需要任何移动部件。否则，这种移动部件可捕获松的纤维端而使得损坏带和/或打断缠绕过程。其他类型的引导装置也可代替U形工具或与U形工具组合来获得折叠。由于纤维中的回弹张力，所述引导是有利的。
配给点可紧邻所述带与被缠绕的物品之间的接触点，例如距离所述接触点在50mm内。从而，带尽可能长地被支撑，从而降低了由于纤维中的回弹张力而展开的危险。折叠工具应优选地不在缠绕的物品上施加任何压力，因为那样很可能会损坏材料。
两个或更多个带可同时缠绕到芯轴上。纤维纱也可在多层带之间缠绕到芯轴上，例如用以帮助压缩所述层以及用于在横向方向上增加复合物品的强度。
所述方法还可包括：在被折叠的带的所选的层之间将一个或多个纤维纱缠绕到复合物品上，以压缩折叠部。如果折叠的材料本要张开和缠绕的物品的层叠结构过程扭曲，这可能是必须的。
一种可选的制造层叠复合物品的方法，包括以下步骤：
-在使浸渍树脂的第一种带沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将所述第一种带逐次搭叠地缠绕到芯轴上，所述带包括一层或多层纤维；以及
-将多层具有直边缘和锯齿形边缘的第二种带缠绕到芯轴的端部区段上，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向方向大致垂直。
所述方法对于纤维类型和/或厚度使得难以令人满意地折叠的带来说是特别有利的。
两个相继的锯齿之间的距离可与缠绕的复合物品的周长大致对应。从而，通过锯齿形带施加的材料或多或少地与通过用于物品的其余部分的带形成的缠绕物“失去的”材料对应，如果利用这种带的缠绕物在带达到芯轴的端部时返回。
可选地，两个相继的锯齿之间的距离可小于缠绕的复合物品的周长，例如所述距离在所述周长的十分之一到二分之一之间，例如在十分之一到五分之一之间或在五分之一到三分之一之间。这将会产生更任选的锯齿图案，使得缠绕物品获得期望的厚度和几何形状。
第二种带可包括沿第二种带的长度方向定向的单向纤维条。由于带通常在张力下施加，因此这种单向纤维将有助于将转向的层在压缩作用下保持在位。
根据本发明的一种方法还可包括以下步骤：加热复合物品，以固化树脂。
本发明的第二个方面涉及一种用于制造层叠复合物品的装置，所述装置包括：
-芯轴，带可缠绕到所述芯轴上；
-用于转动芯轴的装置；
-滑架组件，所述滑架组件适于使所述带沿着芯轴来回前进；以及
-折叠工具，所述折叠工具适于使所述带的在芯轴的端部附近缠绕到芯轴上的区段在缠绕到芯轴上之前折叠，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向轴线大致垂直。
可选地，本发明涉及一种用于制造层叠复合物品的装置，所述装置包括：
-芯轴，第一种带可缠绕到所述芯轴上；
-用于转动芯轴的装置；
-滑架组件，所述滑架组件适于使所述第一种带沿着芯轴来回前进；以及
-用于将多层具有直边缘和锯齿形边缘的第二种带缠绕到芯轴的端部区段以获得复合物品的端面的装置，所述端面与复合物品的纵向轴线大致垂直。
在这两种实施例中，或在上述两种可选的方法中，芯轴的至少一端可具有与芯轴相比具有较大的周长的端部凸缘。这种端部凸缘可用于帮助定位带，以确保层叠物品具有正确的长度。当监测施加的材料的厚度和反作用树脂在升高的温度下固化的过程中从物品排出时，端部凸缘也可用作基准。所述凸缘根据它所要实现的目的而可在缠绕过程之前或之后设置在芯轴上。
根据本发明的装置还可包括：
-一个或多个容器，所述容器用于储存在带缠绕到芯轴上之前施加到带上的树脂，以及
-滑架组件，所述滑架组件适于使所述一个或多个容器沿着芯轴来回前进。
本发明的第三个方面涉及一种通过上述方法或利用上述装置制造的风轮机桨叶梁。
本发明的第一、第二和第三方面均可与其他任何方面组合。通过参看下面描述的实施例将显见和解释本发明的这些方面和其他方面。
附图说明
下面，参看附图更详细地描述根据本发明的制造层叠复合物品的方法。附图示出了本发明的一种实施方式，但不应认为是对落入权利要求的范围内的其他可能实施例的限制。
图1.a示意性地示出了通过现有方法制造的细长物品，在缠绕之后，这会在物品的端部处产生多余材料。图1.b示出了带在物品的长度方向上的位置(以s表示)与带缠绕到其上的芯轴的转动角度(α)之间的关系；
图2示出了由现有缠绕方法制造的物品的纵向剖视图；
图3示意性地示出了带以根据本发明的制造方法进行的折叠。该图示出了折叠的带的宽度在带向着芯轴的端部移动时如何减小、在带远离芯轴的端部移动时如何增大；
图4示出了所述带的侧边缘被折叠和在缠绕到芯轴上时通过带保持在位；
图5示意性地示出了以带的纵向方向观看的折叠工具的横截面形状；
图6是折叠工具的示意性顶视图，所述折叠工具用于将带缠绕到根据本发明制造的复合物品。图6.a和6.b示出了在带的方向刚好改变之前和刚好改变之后的状态；
图7是图6的过程的示意性端视图；
图8是包括使用第二种带的制造方法中的步骤。第二种带具有直边缘和锯齿形边缘；
图9示意性地示出了具有端部凸缘的芯轴的一部分。
具体实施方式
细长层叠复合物品例如风轮机桨叶梁的一种制造方式是通过缠绕过程进行的，在所述缠绕过程中，由连在一起的纤维层制成的带2缠绕到芯轴3上。在缠绕到芯轴3上之前，带2通常经过具有液体热固性树脂的容器(未示出)。复合物品1是在利用滑架组件(未示出)使带2沿着芯轴3来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将带2逐次搭叠地缠绕到芯轴3上形成的。这种过程对于本领域的技术人员来说是公知的，且为了强调本发明的创造性方面，在附图中省去了制造设备的多个部件；这些部件包括：树脂容器、用于转动芯轴的驱动组件和用于移动带2的滑架组件。
本发明的背景涉及这种物品的制造，所述物品具有与物品的纵向轴线大致垂直的端面，且至少在所述端部处具有大致恒定的层叠厚度。对于风轮机桨叶梁，这种端面通常存在于梁的根端处。当风轮机桨叶梁通过现有缠绕方法制造时，由于带的节距，必须缠绕比最终制品长的梁。否则，梁在根端不具有正确的几何形状和厚度。
图1.a示意性地示出了通过现有方法制造的细长物品1，所述方法在缠绕之后会在物品的端部产生多余材料。图2中以E表示的所述多余材料必须在树脂固化之后去除，这将导致材料和时间两方面的浪费；浪费的时间涉及最初的添加和之后的材料去除。图1.b示出了带在物品的长度方向(以s表示)上的位置与带缠绕到的芯轴的转动角度(α)之间的关系。位于A和B之间的带的部分即多余材料的角度位置通常在各层之间变化，这将产生图2所示的缠绕物品的横截面几何形状。多余材料具有从复合物品1的厚度t下降的厚度。
用于通过缠绕方式制造层叠复合物的带可例如包括：以与带2的纵向方向接近垂直的相反方位定向的横向纤维层、和沿纵向方向的单向纤维层。所述层例如可缝合在一起和/或其中一些层或所有层中的纤维可被交织。横向纤维在制造的物品1的长度方向上提供弯曲强度，纵向纤维用于在制造过程中压缩缠绕的材料以及在制造的物品的横向方向上提供强度。
图3示意性地示出了带如何可以不必随后去除大量的多余材料的方式折叠来获得通过缠绕制造的细长复合物品1。这通过在正被缠绕的物品1的端部附近折叠带2获得，使得折叠后的带的宽度w当带向着芯轴的端部移动时降低、当远离芯轴的端部移动时增大。保持带的滑架组件的运动方向在图3中以箭头示出。带的边缘优选向内折叠，使得被折叠的材料夹持在带2的外部分与在先施加的材料之间。从而，可防止被折叠的带2由于纤维的回弹张力而在折叠处打开。该原理进一步示于图4中，示出了带的侧边缘已被折叠且在缠绕到芯轴上时由该带保持在位。带2的纵向方向上的单向纤维将带2的外部分向着带2的折叠部分张紧，这可确保折叠颈部被充分压缩而保持平坦。在折叠部未变足够平坦的情况下，一个或多个附加纤维纱(未示出)可在张紧作用下施加以保持住折叠部。这种纤维纱可沿着物品1的整个长度使用，或仅在带2被折叠处使用。
带2的折叠可例如通过使用折叠工具5实现，所述折叠工具5具有图5中示意性示出的横截面形状。折叠工具5沿带2的纵向方向观看。图6是用于将带2缠绕到根据本发明制造的复合物品1上的图5的折叠工具5的示意性顶视图。图6.a和6.b示出了刚好在保持带的滑架组件的方向改变之前和之后的带2的方位。被折叠的材料通过虚线表示。在向着芯轴的右端缠绕的过程中(相对于图6)，带2从侧面越来越深地延伸到折叠工具5中。当带2的侧边缘达到折叠工具5中的U弯曲部6时，它随着弯曲部6并以U形方式出来。折叠工具5的配给点7如图7所示地接近带2与缠绕物品1之间的接触的切点，图7是图6中示出的过程的示意性端视图。因此，被折叠的边缘在退出形成工具5之后就被捕获在带2之下。这防止带2的折叠部分回弹。折叠工具5通常仅在缠绕物品的径向方向上移动。然而，在本发明的范围内，折叠工具5也可沿着芯轴3的要形成折叠部的部分来回运动，或者它也可被枢转。折叠工具5的形状和相对于带2的路线的位置优选被选择成仅有少量的树脂通过折叠工具5从带2去除。折叠工具5的实际尺寸和形状可能与图中所示的不同，只要可达到本发明的目的即可。
当带2达到芯轴3的端部且滑架组件改变方向时，被折叠的带的宽度增大，直到带2又展开且可用于物品1的其余部分；参看图6.b。优选每当带达到端部时形成折叠，但也可以可选地，仅对于预定数目的缠绕才形成。在这种情况下，滑架组件应优选在未被折叠的带2的缠绕边缘达到芯轴3的端部时改变方向，以避免产生之后需去除的多余材料。
图8示意性地示出了可选的制造方法中的一个步骤，其中，在缠绕之后的基本上最终的几何形状通过使用第二种带8获得，即，所述第二种带8为与用于复合物品1的其余部分的缠绕的带不同的另一种带。第二种带8优选不沿着芯轴3移动。
示出的第二种带8具有直边缘8a和锯齿形边缘8b，且它包括定位在直边缘8a处的单向纤维的条8c。带8张紧地施加，从而，单向纤维对转向层提供了压缩，这有助于将第二种带8保持在位。用于物品的其余部分的第一种带2的施加在所述带2达到芯轴3的端部4时返回，且“缺失”材料通过锯齿形带8形成。在本发明的一些实施例中，锯齿形带8与用于物品1的其余部分的带2由相同类型的纤维制成。在其他实施例中，可使用较厚的锯齿形带8，且可仅将锯齿形带8施加在带2的预定数目的其他层之间。与具有上述折叠部的实施例相比，锯齿形第二种带8的使用利用附加的带卷和必需的相应的树脂容器。但它不需要折叠工具5，且制造方法的选择可适于实际制造位置。所述选择可根据使用的带2的类型进行，这是因为某些纤维和厚度比其他的更容易折叠。
在本发明的一些实施例中，带2、8所缠绕到的芯轴3包括如图9所示的端部凸缘9。这种端部凸缘9可用于帮助带的定位，以确保层叠物品1具有正确的长度。在具有折叠的带2的实施例中，必须确保折叠颈部刚好在端部凸缘9之前，使得没有太多的材料“捕获”在端部凸缘9之后。端部凸缘9也可用作基准，当监测施加的材料的厚度和反作用树脂排出物品1时。半透性膜(未示出)可施加，以覆盖凸缘与层叠部之间的接合部，从而降低树脂从层叠部端的流出。端部凸缘9应优选可轴向移动，使得脱模夹具(未示出)可作用于端部凸缘9上、以及在固化之后使物品1脱开芯轴3。
在本发明的所有实施例中，任何合适类型的纤维都可以使用，例如玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酸胺纤维。带2也可由两种或多种类型的纤维制成，且层叠的复合物品1的多个部分也可由另一类型的带制成，例如具有与用于物品的其余部分的纤维类型不同的另一类型的纤维的带。树脂是热固性树脂，且可例如是聚酯、乙烯基酯或环氧树脂。在缠绕结束之后，物品通常在芯轴上转动的情况下在升高的温度下经受固化。实际固化温度和时间取决于所使用的树脂的类型和层叠部的厚度。
上面的描述涉及多个实施例，其中，带在缠绕到芯轴上之前经过具有液体热固性树脂的容器。然而，带由预浸渍纤维卷供给的实施例也被本发明的范围所覆盖。
尽管已结合特定的实施例描述了本发明，但不应认为是以任何方式局限于所提出的示例。本发明的范围通过从属权利要求限定。在权利要求的情况下，术语“包括”并不排除其他可能的元件或步骤。此外，不定冠词例如“一个”也不应认为排除多个。在权利要求书中使用附图中示出的元件的附图标记也不应认为是限制本发明的范围。而且，不同的权利要求中提及的各个特征可有利地组合，且不同的权利要求中提及的这些特征并不排除特征的组合是不可能的且是有利的。

Claims (15)

1.一种制造层叠复合物品的方法，所述方法包括步骤：在使浸渍树脂的带沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将所述带逐次搭叠地缠绕到芯轴上，所述带包括一层或多层纤维，其中，所述带的在芯轴的端部附近缠绕到芯轴上的区段被折叠，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向方向大致垂直。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，被折叠的带的与带的纵向方向垂直的宽度，在带向着芯轴的相应端部移动时从折叠开始处减小、以及在带远离所述端部移动时增大。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述带至少在配给点处通过使用具有U形横截面的折叠工具折叠，在所述配给点处，所述带离开折叠工具缠绕到芯轴上。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，配给点紧邻所述带与被缠绕的物品之间的接触点，例如距离所述接触点在50mm内。
5.如前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，它还包括在被折叠的带的所选的层之间将一个或多个纤维纱绕着复合物品缠绕，以压缩折叠部。
6.一种制造层叠复合物品的方法，所述方法包括以下步骤：
-在使浸渍树脂的第一种带沿着芯轴来回前进的情况下通过以螺旋卷绕的方式将所述第一种带逐次搭叠地缠绕到芯轴上，所述带包括一层或多层纤维；以及
-将多层具有直边缘和锯齿形边缘的第二种带缠绕到芯轴的端部区段上，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向方向大致垂直。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，两个相继的锯齿之间的距离与缠绕的复合物品的周长大致对应。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，两个相继的锯齿之间的距离小于缠绕的复合物品的周长，例如所述距离在所述周长的十分之一到二分之一之间，例如在十分之一到五分之一之间或在五分之一到三分之一之间。
9.如权利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于，第二种带包括沿第二种带的长度方向定向的单向纤维条。
10.如前面权利要求中任一所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：加热复合物品，以固化树脂。
11.一种用于制造层叠复合物品的装置，所述装置包括：
-芯轴，带可缠绕到所述芯轴上；
-用于转动芯轴的装置；
-滑架组件，所述滑架组件适于使所述带沿着芯轴来回前进；以及
-折叠工具，所述折叠工具适于使所述带的在芯轴的端部附近缠绕到芯轴上的区段在缠绕到芯轴上之前折叠，以获得复合物品的端面，所述端面与复合物品的纵向轴线大致垂直。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述折叠工具适于折叠所述带，使得被折叠的带的与所述带的纵向方向垂直的宽度在所述带向着芯轴的相应端部移动时从折叠开始处减小、在所述带远离所述端部移动时增大。
13.如权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述折叠工具至少在配给点处具有U形横截面，在所述配给点处，所述带离开折叠工具，以缠绕到芯轴上。
14.如权利要求11-13中任一所述的装置，其特征在于，芯轴的至少一个端部具有与芯轴相比周长较大的端部凸缘。
15.一种风轮机桨叶梁，所述风轮机桨叶梁通过权利要求1-10中任一所述的方法制造或通过使用根据11-14中任一所述的装置制造。
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