CN102371688A - 利用树脂浸渍纤维材料的设备和形成纤维加强的塑料部件的方法 - Google Patents

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CN102371688A CN2011102464596A CN201110246459A CN102371688A CN 102371688 A CN102371688 A CN 102371688A CN 2011102464596 A CN2011102464596 A CN 2011102464596A CN 201110246459 A CN201110246459 A CN 201110246459A CN 102371688 A CN102371688 A CN 102371688A
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M·格里泽尔
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Abstract

本发明涉及一种利用树脂浸渍纤维材料的设备和形成纤维加强的塑料部件的方法。该方法包括：提供模具(100，200，300，400)；提供振动发生器(70，70-73)；提供纤维材料(500)，利用树脂(550)来湿润纤维材料(500)；将纤维材料(500)放置于该模具(100，200，300，400)中；使纤维材料(500)和树脂(550)经受振动；以及使树脂(550)固化。

Description

利用树脂浸渍纤维材料的设备和形成纤维加强的塑料部件的方法
技术领域
本文所述的主题大体涉及用于形成纤维加强的塑料部件的方法和系统，且更具体地涉及用于形成诸如飞行器翼或风力涡轮转子叶片的翼梁帽这样的具有高纤维体积含量的纤维加强的塑料部件的方法和系统。
背景技术
至少某些已知的风力涡轮包括塔架和安装在塔架上的机舱。转子可旋转地安装到机舱上且由轴联接到发电机。多个转子叶片从转子延伸。叶片被定向成使得经过叶片的风转动转子且使轴旋转，从而驱动发电机发电。
除了形状之外，转子叶片的尺寸和重量是相应对风力涡轮的能量效率和能量产量有贡献的因素。随着转子叶片尺寸增大，能量产量通常也增加。因此做出持续不断的努力以在给定转子叶片强度下增加转子叶片尺寸和降低转子叶片重量。目前，具有高达126米直径的转子叶片组件的大型风力涡轮能够生成数兆瓦功率。转子叶片的所希望的长期稳定性和结构完整性典型地导致随着转子叶片的尺寸增加生产成本增加。典型地，较大的转子叶片至少部分地由或作为树脂加强的塑料部件制造。因此，需要改进对纤维加强的塑料部件的制造，特别是诸如转子叶片的翼梁帽这样的承载纤维加强塑料部件。
发明内容
在一个方面，提供一种用于形成纤维加强的塑料部件的方法。该方法包括：提供模具；提供振动发生器；将纤维材料放置于模具中；当纤维材料和树脂经受振动时用树脂浸泡纤维材料，以及使树脂固化。
在另一方面，提供用于形成纤维加强的塑料部件的另一方法。该方法包括：提供模具；提供振动发生器用于产生声场；利用树脂来湿润纤维材料；将纤维材料放置于模具内；使纤维材料和树脂经受声场；以及使树脂固化。
在又一方面，本发明提供一种利用树脂来浸渍纤维材料的设备。该设备选自由以下组成的组：包括模具和声源的设备，该模具用于利用树脂来浸泡纤维材料，声源适于在浸泡期间使纤维材料和树脂经受声场；包括至少一个浸泡辊和声源的设备，至少一个浸泡辊用于利用树脂来湿润纤维材料，声源适于在纤维材料经过至少一个浸泡辊时和/或经过至少一个浸泡辊之后使纤维材料和树脂经受声场；以及，包括至少一个压紧辊和声源的设备，至少一个压紧辊适于压制经树脂湿润的纤维材料，声源适于在经树脂湿润的纤维材料经过至少一个压紧辊之前和/或期间和/或之后使经树脂湿润的纤维材料经受声场。
从从属权利要求、说明书和附图中，本发明的另外的方面、优点和特征是显而易见的。
附图说明
在说明书的其余部分中，包括参考附图，向本领域技术人员更具体提出了包括其最佳实施方式的全面的并能实现的公开，在附图中：
图1是示范性风力涡轮的透视图；
图2是可用作图1所示的风力涡轮的转子叶片的示范性叶片的透视图；
图3是图2所示的叶片的示意性截面图；
图4是根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的模具的示意图；
图5是根据另一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的模具的示意图；
图6是根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的模具的示意图；
图7是根据实施例用于浸渍纤维材料的树脂浴池的示意图；
图8是根据实施例用于利用树脂渗透纤维材料的模具和设备的示意图；
图9示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法；
图10示出根据另一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法；
图11示出根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法；
图12示出根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法；
图13示出根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法；
图14示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法。
附图标记
风力涡轮        10
塔架            12
支承系统        14
机舱            16
转子            18
可旋转的轮毂    20
转子叶片        22
负荷转移区      26
方向            28
旋转轴线        30
声源            50，51，70-73
模具            100，200，300，400
管件            110，111
树脂储集器      120
泵              130
真空袋               150
树脂浴池             450
叶片中部             220
叶片根部             221
叶片梢部             222
叶片轴线             225
叶片壳体             230
弦线                 240
翼梁                 250
翼梁帽               251，252
纤维材料             500，520
经树脂湿润的纤维材料 510
树脂                 550
设备                 700
储存单元             710
预热单元             730
辊                   731，732
加热器               733
浸渍/湿润单元        740
浸泡辊               741，742
压制单元             750
压紧辊               751，752
拉动单元             760
分配单元             770
制造方法             1000-1004
提供模具的过程       1100
预热过程             1170
将纤维材料放置到模具中的过程    1200
在振动期间利用树脂浸泡纤维材料的过程  1300
利用树脂湿润纤维材料的过程      1310
压制过程              1400
使树脂固化的过程      1600
具体实施方式
现将详细地参考各个实施例，其中的一个或更多个示例在每个附图中示出。每个示例通过解释来提供而并不意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分的示出或描述的特征可用于其它实施例或者结合其它实施例使用以得到又一实施例。意图是本公开包括这些修改和变化。
本文所述的实施例包括用于利用树脂来浸渍纤维材料的设备和形成纤维加强的塑料部件的方法。这些设备和方法相应通过向树脂和纤维材料施加声场和振动有助于利用树脂更快速和/或更均匀地浸泡纤维材料。而且，可浸泡更复杂的、例如更厚的纤维材料。因此，可减少固化循环和总的生产成本。而且，可减小形成干斑的可能性且因此提高纤维加强的塑料部件的品质。特别地，可使用所描述的设备和/或方法来制造用于承载高负荷的纤维加强的塑料部件，诸如叶片的根部段，以及在风力涡轮转子叶片和飞行器翼中所用的抗剪腹板和翼梁帽。
如本文所用的术语“叶片”和“翼”意图表示当相对周围的流体运动时提供反作用力的任何装置。如本文所用的术语“风力涡轮”意图表示从风能产生旋转能且更具体地将风的动能转化成机械能的任何装置。如本文所用的术语“风力涡轮”特别应涵盖从风能所产生的旋转能产生电力的装置。
术语“纤维加强的复合物”和“纤维加强的塑料”在本文中同义地使用。如本文所用的术语“纤维加强的复合物”和“纤维加强的塑料”意图描述具有利用纤维加强的聚合物基体的复合材料。纤维加强的塑料部件通常用于航空、汽车、船舶和建筑工业。典型示例包括(但不限于)车辆部件、风力涡轮的机舱和转子叶片、直升机螺旋桨的叶片，和飞行器的部件，诸如飞行器机身、飞行器翼和飞行器螺旋桨的叶片。其中，主要关于风力涡轮的转子叶片解释实施例，但典型地也适用于其它纤维加强的塑料部件。
通常，纤维加强的复合物通过利用树脂或塑料浸渍纤维材料且之后使树脂或塑料固化来形成。纤维材料可以以许多传统的形式利用，诸如散纤维、纤维垫或纤维束诸如粗纱。纤维垫可提供为编结的、单向的、编织的织物，针织的织物，漩涡织物，毡垫，缠绕物等。通过使用本领域已知的技术还可进一步加强纤维的强度，诸如(但不限于)通过在一定方向使纤维定向来形成多个层或铺层，以及类似的方法。还应了解的是术语“纤维垫”也可指至少两个纤维垫的堆叠。能承载较重负荷的纤维加强的塑料部件典型地由作为纤维材料的双轴纤维垫、双轴纤维垫的堆叠和/或粗纱制成。
可用于纤维材料的示范性纤维包括：碳纤维(例如，来自TorayIndustries，Inc.的
Figure BSA00000563234300061
T800、
Figure BSA00000563234300062
T700、T620和
Figure BSA00000563234300064
T600；来自Hexcel Corporation的
Figure BSA00000563234300065
IM7和AS4；以及，来自Toho Tenax，Inc.的STS和
Figure BSA00000563234300068
HTS)，玻璃纤维(例如，来自诸如PPG、AGY、St.Gobain、Owens-Corning或Johns Manville供应商的石英、E-玻璃、S-2玻璃、R玻璃)，聚酯纤维，聚酰胺纤维(诸如可来自E.I.DuPont，Wilmington，DE，USA的NYLONTM聚酰胺)，芳香聚酰胺纤维(诸如可来自E.I.DuPont，Wilmington，DE，USA的KEVLARTM芳香聚酰胺；或者可来自奥地利Lenzing Aktiengesellschaft的P84TM芳香聚酰胺)，聚酰亚胺纤维(诸如可来自E.I.DuPont，Wilmington，DE，USA的KAPTONTM聚酰亚胺)，延长链聚乙烯(诸如来自美国新泽西州莫里斯敦(Morristown，NJ，USA)HoneywellInternational Inc.的SPECTRATM聚乙烯；或者来自Toyobo Co.，Ltd.的DYNEEMATM聚乙烯)，或DSM、硼纤维等。
典型地，树脂包括至少一种可固化的单体。单体可具有至少一种异氰酸酯单元、酯单元、乙烯单元、环醚单元或者环氧化物单元、氧杂环丁烷单元等或其组合。合适的可固化单体包括：不饱和聚酯，诸如可来自Reichhold的
Figure BSA00000563234300071
聚酯树脂，可来自DSM的
Figure BSA00000563234300072
聚酯树脂，可来自Ashland的AROPOLTM聚酯树脂；乙烯酯，诸如可来自Reichhold的和树脂，可来自Ashland的
Figure BSA00000563234300075
DERAKANE
Figure BSA00000563234300076
和
Figure BSA00000563234300077
树脂，可来自DSM的ATLAC E-
Figure BSA00000563234300078
树脂；丙烯酸酯、二丙烯酸酯、二甲基丙烯酸酯、多官能基丙烯酸酯和多官能基丙烯酸酯，诸如聚酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯和丙烯酸氨酯等，可来自诸如Cytec Surface Specialties、Sartomer、Rahn和BASF公司。可固化的单体典型地基于纤维复合物的总重量以从大约10％重量至大约90％重量的范围存在，且更优选地，基于纤维复合物的总重量以从大约20％重量至大约80％重量的范围存在。
含至少一个环醚单元的合适的树脂包括脂肪族环氧树脂、脂环族环氧树脂，诸如来自Dow Chemical Company的ERL-4221、CYRACURETM UVR-6110、CYRACURETM UVR-6107和CYRACURETM UVR-6105和来自Cytec Surface Specialties的
Figure BSA00000563234300079
1500；双酚-A环氧树脂、双酚-F环氧树脂、酚醛环氧树脂、甲酚醛环氧树脂、联苯环氧树脂、多官能基环氧树脂(即，包括两个或更多个环氧基的环氧树脂)、萘环氧树脂(例如来自Dainippon Inkand Chemicals的
Figure BSA000005632343000710
EXA-4700)、二乙烯基苯二氧化物(divinylbenzene dioxide)、2-苯基缩水甘油醚、双茂型环氧树脂(例如，来自Dainippon Ink and Chemicals的
Figure BSA000005632343000711
HP-7200)、多芳族树脂型环氧树脂等或者其组合。所有这些环氧树脂类别是本领域中已知的且是普遍易得的且通过已知方法可广泛利用和制备。另外，可使用来自CTP GmbH和BASF的用于环氧树脂的潜固化剂，诸如Baxxodur。另外的示例包括Hexion Specialty Chemicals的EPIKOTETM系统，诸如EPIKOTETM树脂
Figure BSA00000563234300081
RIMR 135和EPIKURETM固化剂
Figure BSA00000563234300082
RIMH 134-RIMH 137和EpikoteTM树脂
Figure BSA00000563234300083
RIMR 145和EpikureTM固化剂MGS RIMH 145。特别合适的环氧树脂和固化过程的其它示范性示例描述于例如美国专利Nos.4,882,201、4,920,164、5,015,675、5,290,883、6,333,064、6,518,362、6,632,892、6,800,373；美国专利申请公布No.2004/0166241和WO 03/072628 A1。也可应用多官能氧杂环丁烷树脂。
所有这些树脂应关于用于产生具有所希望的机械和环境性质的风力涡轮的纤维加强的复合部件的特别的纤维加强来选择。在将硬化剂/催化剂混合到树脂中之后，树脂通常在真空下被除气，以从液体树脂消除或移除所有夹带的空气。树脂典型地能经历热和时间的真空压力循环环境而不会形成气泡或空隙。
另外，在纤维复合物中可存在填料。填料可包括有机填料或无机填料、加强填料、延伸填料、纳米粒子等或其混合物。在特定实施例中，填料通常包括加强填料，诸如(但不限于)极限强度高于不锈钢的极限强度的纤维。填料可为UV透明的填料，诸如(但不限于)玻璃、硅石、烟制硅石、氧化铝、氧化锆、纳米粒子等。替代地，填料可为UV不透明的填料，诸如(但不限于)碳纤维、炭黑、碳化硅、氮化硼、氧化锆、二氧化钛、白垩、硫酸钙、硫酸钡、碳酸钙、硅酸盐(诸如滑石、云母或高岭土)、硅石、氢氧化铝、氢氧化镁，或者有机填料，诸如聚合物粉末、聚合物纤维等。在本文中，UV不透明意味着材料阻挡UV辐射或吸收UV辐射或者这两种情况。本领域技术人员将认识到，根据诸如物理形式或合成方法这些因素，某些填料可为UV不透明的或UV透明的。也可使用多于一种填料的混合物。填料可在组合物中基于纤维组合物的总重量在从大约1％重量至大约90％重量的范围中且更典型地在从大约10％重量至大约80％重量的范围中存在。更优选地，填料可基于纤维复合物的总重量在从大约30％至大约75％重量的范围中存在。
图1示出示范性风力涡轮10的透视图。在示范性实施例中，风力涡轮10是水平轴线风力涡轮。替代地，风力涡轮10可为竖直轴线风力涡轮。在示范性实施例中，风力涡轮10包括：塔架12，其从支承系统14延伸；机舱16，其安装于塔架12上；以及转子18，其联接到机舱16。转子18包括可旋转的轮毂20和至少一个转子叶片22，至少一个转子叶片22联接到轮毂20且从轮毂20向外延伸。在示范性实施例中，转子18具有三个转子叶片22。在替代实施例中，转子18包括多于三个或少于三个转子叶片22。在示范性实施例中，塔架12由管状钢制成以限定支承系统14与机舱16之间的腔(在图1中未示出)。在替代实施例中，塔架12是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
转子叶片22绕轮毂20间隔开以有助于旋转转子18以使动能能够从风中转化成可用的机械能且随后成为电能。通过将叶片根部221在多个负荷转移区26联接到轮毂20而使转子叶片22与轮毂20配合。负荷转移区26具有轮毂负荷转移区和叶片负荷转移区(均未在图1中示出)。引向转子叶片22的负荷经由负荷转移区26转移到轮毂20。
在一个实施例中，转子叶片22具有从大约15米(m)至大约90m范围的长度。或者，转子叶片22可具有使风力涡轮10能够如本文所述起作用的任何合适的长度。例如，叶片长度的其它非限制性示例包括10m或更小，20m，37m，或者大于91m的长度。随着风从方向28冲击转子叶片22，转子18绕旋转轴线30旋转。另外，在示范性实施例中，随着方向28变化，机舱16的偏航方向可绕偏航轴线38被控制以相对于方向28定位转子叶片22。当转子叶片22旋转且经受离心力时，转子叶片22也经受各种力和力矩。因此，希望转子叶片22在较长时间承载较重的且变化的机械负荷。
图2示出用作图1的风力涡轮10中的转子叶片22的叶片22的示意图。叶片22成形为中空的空气动力学轮廓主体，其在纵向上从叶片根部或凸缘221延伸到转子叶片梢部222。此纵向限定了纵向叶片轴线225。叶片根部221典型地安装到风力涡轮的可旋转的轮毂。空气动力学轮廓由壳体230的外表面形成。为了使重量最小，外壳体230典型地比较薄。因此，机械稳定性和刚度相应典型地主要由内部翼梁来实现，内部翼梁沿着叶片的中心部分220延伸。图3更详细地示出这种情况。
图3以垂直于纵向叶片轴线的示意截面图示出图2所示的叶片22。示范性转子叶片22包括在壳体230内的翼梁250。壳体230典型地由纤维复合物层和轻质芯层制成且限定叶片22的外部空气动力学形状或翼型件。翼梁250包括两个翼梁帽，即底部翼梁帽251和顶部翼梁帽252。相应地，翼梁帽251、252沿纵向在转子叶片22的下内侧和上内侧上延伸且提供增加的转子叶片强度。典型地，翼梁帽251和252作为纤维加强的塑料部件形成。一个或更多个抗剪腹板255通常垂直于顶部翼梁帽252和底部翼梁帽251且在顶部翼梁帽252和底部翼梁帽251之间延伸。
另外，转子叶片22可由两个叶片半件制成，这两个叶片半件沿着弦线(cord line)240分开。叶片半件典型地通过纤维垫的层压在模具中形成。并行于形成叶片半件的外部半壳体或者在叶片半件的外部半壳体形成之后，上部翼梁帽252和下部翼梁帽251相应被层压且胶合到叶片半件上。之后，两个叶片半件安装在一起且抗剪腹板255安装于翼梁帽251与252之间，典型地通过胶合。叶片半件可已由制造商紧固在一起或者在风力涡轮直立期间紧固在一起。
典型地，翼梁帽在模具中作为玻璃纤维加强的塑料部件或者碳纤维加强的塑料部件形成。翼梁帽典型地由具有高纤维体积含量的双轴纤维垫、这种纤维垫的堆叠或压制的粗纱形成。这向叶片提供充分的机械稳定性。如本文所用的术语“高纤维体积含量”意图描述在从大约55％体积至大约58％体积的范围中的纤维含量。
根据本发明的实施例，在树脂渗透纤维材料时，树脂和因此纤维材料经受振动，典型地为次声振动和/或超声振动。振动可相应导致树脂的减小的黏度和纤维材料的增加的湿润速度。因此，可改进渗透速度。另外，可在树脂渗透期间形成的小空气泡在经受振动时可更容易地从湿润的纤维材料中选出。因此，可减小在树脂浸渍的纤维材料中小空气泡的尺寸和/或数量。因此，可减小在所形成的纤维加强的塑料部件中干斑的数量和/或尺寸。因此，可改进固化产品的品质。
如本文所用的术语“振动”意图描述在给定温度下材料绕平衡点的机械振荡。机械振荡可为周期性的且典型地由一个或更多个声源或发射器而引起。机械振荡的频率可从低于一Hz至数百MHz变动。换言之，振动可为频率低于20Hz的次声振动、在从大约20Hz至大约20kHz频率范围的声振动或者在从大约20kHz至大约200Khz频率范围的超声振动。振动的频率可为固定的或可变的。而且，若干频率可叠加以形成特定的声分布。例如，增加纤维材料的湿润速度的第一频率的振动(例如次声振动)可与促进小气泡除气的第二频率的振动(例如，超声振动)叠加。振动通典型地由一个或更多个声源或振动发生器引起。术语“声源”和“振动发生器”在本文中同义地使用。如本文所用的术语“声源”和“振动发生器”意图描述被设计成引起周围的或邻接的材料(诸如空气或另一装置)的机械振荡的任何装置。典型示例包括(但不限于)扬声器、超声变换器、振动筛和振动磨砂机(vibrationsander)。
图4示意性地示出用于形成纤维加强的塑料部件的模具100的实施例。模具100配备有声源50，诸如扬声器或超声发射器。在图示实施例中，声源50布置于模具100上方。因此，放置于模具100内的纤维材料500可经受声场。在如由虚线箭头所示利用树脂550湿润和/或浸泡纤维材料500期间声场从声源50经由空气传输到模具100。这样一来，树脂550也经受声场。声场引起纤维材料500和树脂550的振动。这可导致树脂550的增加的渗透速度。因此，可缩短固化循环的时间。而且，树脂可被调整至更短的适用期或工作寿命。因此，可增加模具100的生产能力，而可降低所形成的纤维加强的塑料部件的生产成本。纤维材料500的浸渍或湿润可得到改进使得在浸渍的或湿润的纤维材料中的空气泡的数量和/或尺寸减小。因此，可减小在所形成的纤维加强的塑料部件中干斑的数量和/或尺寸。因此可改进所形成的纤维加强的塑料部件的机械性质。
根据本发明的实施例，声源为次声源。次声振动的频率典型地在从大约0.1Hz至大约40Hz的范围中，更典型地在从大约2Hz至大约20Hz的范围中。因此，可增加树脂渗透到纤维材料内的速度。例如，发现通过施加大约5Hz至10Hz的次声振动，纤维材料湿润的速度可被增加大约25％至大约80％。
根据本发明的其它实施例，声源为超声源。因此，可减小在浸渍的或湿润的纤维材料中空气泡的数量和/或尺寸。
根据本发明的实施例，在纤维材料500浸渍或湿润期间模具100还经受振动。典型地，选择声场的功率密度使得模具100和/或纤维材料500的振动在触觉上可感知，例如，通过用指尖相应触摸模具100和纤维材料500。模具100的触觉上可感知的次声振动被发现导致湿润速度高达80％的所提到的增加。声场的功率密度可为恒定的或变化的。
根据实施例，纤维材料500基本上由散纤维组成。在其它实施例中，纤维材料500包括编织的织物、非编织的织物或粗纱。在另外的实施例中，纤维材料500基本上由编织的织物、非编织的织物或粗纱组成。然而，在模具100中也能使用不同的纤维材料500的组合。
根据实施例，声源50产生大致平行于纤维材料的主取向方向传播的纵向声波。例如，纵向波可沿着粗纱传播，粗纱彼此大致平行地放置于模具100中。
根据另外的实施例，声源50产生大致垂直于纤维材料的主取向方向传播的纵向波。纤维材料可具有多于一个主取向方向。例如，双轴纤维垫可具有两个主取向方向。因此，纵向波可同时大致平行于纤维材料的第一取向方向且大致垂直于纤维材料的第二取向方向传播。
根据实施例，声源50可相对于模具100移动。因此，声源50可产生相应以不同的时间间隔大致平行于和垂直于纤维材料的主取向方向传播的纵向波。而且，声源可绕主取向方向旋转。因此，纵向波的传播方向可绕纤维材料的取向方向旋转。
根据本发明的实施例，通过使经树脂浸溃的纤维材料的树脂固化来在模具100中形成纤维加强的塑料部件。根据树脂类型，可通过热固或UV暴露来进行固化。固化更长的纤维复合物的激活典型地通过加热树脂550来进行。
根据某些实施例，模具100仅用于纤维材料500的振动支持的浸渍。因此，具有改进性质(例如关于所述包围的空气泡)的预浸渍的纤维复合物可在模具100中形成。预浸渍的纤维复合物通常呈编织物的形式或者为单向的、诸如预浸渍的粗纱。然而，预浸渍的复合物也可呈编织或针织的织物的形式，诸如双轴、三轴或四轴材料。
图5示意性地示出用于形成纤维加强的塑料部件的模具200的实施例。图5的模具200类似于图4的模具100。然而，代替使用在模具上方的声源，两个声源50和51直接联接到模具200。因此，在树脂浸泡期间，由声源50、51所产生的振动经由模具200的主体传输到纤维材料500和树脂550。将一个或更多个声源直接联接到模具200可导致纤维材料500和渗透的树脂更均匀地经受声场。因此，可进一步改进固化的纤维加强塑料部件的产品品质。典型地，这对于较大部件和/或能承载较重机械负荷的部件特别有用，诸如转子叶片的翼梁帽。声源50、51例如可为扬声器、超声变化器、振动筛或振动磨砂机。
根据本发明的另外的实施例，声源产生声场使得纵向波大致平行于和/或垂直于纤维材料的主取向方向在纤维材料和/或树脂中传播。声源可布置成使得纵向波的传播方向可绕纤维材料的取向方向旋转。声源可发出由相等频率组成的或不同频率组成的声音。例如，一个声源可发出次声以改进渗透速度，而另一声源可发出超声以改进除气。
根据其它实施例，至少某些声源并行地发出声音。声源的发声模式可具有时间相依性。例如，发声模式可根据树脂渗透到纤维材料内的过程而变化。例如，声场的功率密度可随着时间减小且因此可节省能量。
图6示意性地示出用于形成纤维加强的塑料部件的模具300的实施例。图6的模具300相应类似于图4的和图5的模具100和200。图6的模具300还配备有树脂储集器120、真空泵130、封闭纤维材料500的真空袋150和管件110、111。管件110和111相应将真空袋与真空泵130和树脂储集器120相连接。
如由管件110上方的箭头所示，在浸泡期间，真空袋150经由管件110在侧向被抽空。因此，树脂550从储集器120流经管件111到真空袋150，如由管件111上方的箭头所示。这样一来，树脂被吸入到纤维材料500内。根据实施例，这个过程由振动支持，振动由附连到模具300的一个或更多个声源50在树脂550和纤维材料500中引起。因此，可改进模具的输出和/或固化产品的品质。
具有高纤维体积含量的纤维材料典型地用于形成能承载较重机械负荷的纤维加强的塑料部件。例如，翼梁帽典型地使用高纤维体积含量的双轴纤维垫堆叠或粗纱来形成。机械上较强但轻质的翼梁帽也可由所述过程形成。特别地，振动促进的树脂浸渍导致更高的生产量和同时改进的产品品质。
根据本发明的另外的实施例，纳米微粒填料，如Al2O3粒子或硅石粒子添加到树脂。填料基于纤维复合物的总重量典型地以在组合物中从大约10％重量至大约80％重量的范围中且更典型地在从大约30％重量至大约45％重量的范围中存在。因此，可进一步增强诸如翼梁帽这样的纤维加强的塑料部件。特别地，可增加碳纤维加强的塑料部件的压缩强度。例如，通过增加纳米粒子的重量38％，单向碳纤维复合物的压缩强度可增加大约34％。典型地，纳米粒子的尺寸在从大约5nm至大约500nm的范围中，更通常地在从大约10nm至大约50nm的范围中。根据纳米粒子的浓度和尺寸，树脂的黏度可增加高达两个数量级或甚至更多。因此，利用具有纳米微粒填料的树脂湿润纤维材料的速度典型地减小。然而，在纤维材料湿润或浸渍期间可通过振动显著地减小利用纳米微粒填料湿润树脂的速度。
图7示意性地示出用于利用树脂550来浸渍纤维材料500的容器或树脂浴池450的实施例。树脂浴池300配备有声源50。在图7的实施例中，声源50布置于模具100上方。然而，在其它实施例中声源50附连到树脂浴池300的主体或与树脂550直接机械接触。
当使树脂经受声场时，纤维材料500浸没于树脂550中且被拉动通过树脂550。由于在树脂550和纤维材料500中引起振动，纤维材料500可被树脂550更快和/或更好地浸渍。因此，可缩短在树脂浴池300中的停留和/或可改进浸渍的纤维材料的品质。
图8示意性地示出用于利用树脂浸渍纤维材料500的模具400和设备700的实施例。设备700包括含纤维材料500的供应单元710。例如，纤维材料500可存储为成卷的或缠绕的纤维材料包520，如在图8所示。纤维材料500例如可包括存储于相应心轴520中的一个或更多个粗纱。替代地，设备700可包括用于从输送机接收纤维材料(例如纤维垫)的输入单元(未图示)。
设备700包括预热单元730，纤维材料500运行通过预热单元730。纤维材料500经过布置于单元730的两个导辊731与732之间的加热器733。根据具体材料，纤维材料500典型地从大约40℃预热到大约60℃。因此可改进随后浸渍纤维材料500的过程。
设备700典型地包括浸渍或湿润单元740，纤维材料500被进给通过浸渍或湿润单元740。例如，浸渍或湿润单元740包括至少一个声源70，其通过施加声场相应地促进湿润过程和浸渍过程。
在图8的实施例中，浸渍单元740包括两个浸泡辊741和742。浸泡辊741和742利用从储集器720提供的树脂550来湿润纤维材料500，如虚点线所示。声源70通过经由空气传输声场可引起树脂550和纤维材料500的振动。替代地，一个或两个声源可直接联接到一个或两个浸泡辊741和742。因此，一个或两个浸泡辊741和742振动且传送振动到经过的纤维材料500和树脂550。
在其它实施例中，单元740包括树脂浴池，纤维材料浸没在其中同时树脂和纤维材料经受振动。
根据具体材料，纤维材料典型地以大约0.5m/min至大约5m/min的速度被供给通过单元740和设备700。由于相应由振动促进的湿润和浸渍，可增加设备700的生产量和/或改进浸渍纤维材料的品质。
根据另外的实施例，在单元730中利用树脂550浸渍之后，纤维材料500经受声场。因此，可进一步改进浸渍。为此目的，一个或更多个声源71、72和73设于设备700中。经树脂湿润的纤维材料510经由空气(如对于声源71和73所示)或者经由附加的辊751可经受声场。
根据图8的实施例，设备700还包括具有两个压紧辊750、751的压制单元750。压紧辊750、751压制经树脂湿润的纤维材料500。例如，纤维材料500被提供为具有圆形横截面的粗纱。压紧辊750、751可用于压平粗纱。因此，粗纱的圆形横截面变形成矩形横截面使得粗纱随后可更致密地放置到模具100上。压紧辊752联接到声源72。因此，压紧辊752振动且将振动传给经过的经树脂湿润的纤维材料500。因此，经树脂湿润的纤维材料500(即，经树脂湿润的粗纱)的树脂浸渍，可通过振动进一步改进。替代地，声源可集成到压紧辊752内。而且，也可能两个压紧辊750、751联接到声源或包括声源或振动发生器。
在某些实施例中，声源70至73中的至少一个为次声源。次声源被发现相应地特别适用于促进纤维材料、特别是具有高纤维体积含量的纤维材料和/或在纤维之间仅具有较窄间隔的纤维材料(诸如粗纱)的渗透和浸渍。然而，声源也可为超声源。
根据图8所示的实施例，设备700还包括拉动单元760，拉动单元760从供应单元710拉动纤维材料经过预热单元730、浸渍单元740和压制单元750。
典型地，设备700还包括分配单元770用于输出经浸渍的纤维材料510到模具400内。
典型地，分配单元770可相对于模具400移动使得设备700可将经浸渍的纤维材料510置于模具100内。
在随后的树脂固化方框中，纤维加强的塑料部件典型地在模具400中形成。例如，风力涡轮转子叶片的翼梁帽、风力涡轮转子叶片的抗剪腹板、风力涡轮转子叶片的叶片半件或者风力涡轮机舱的一部分可在模具400中形成。
在下文中，关于图9至图13来解释用于形成纤维加强的塑料部件的方法。
图9示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法1000。方法1000包括提供模具的方框1100和提供振动发生器的方框1150。振动发生器可为扬声器、超声变换器、振动筛或振动磨砂机。振动发生器被布置成使得模具的内部和/或模具主体可经受声场。振动发生器例如可直接联接到模具。典型地根据待成型的部件来选择模具的尺寸和内部形状。例如，在将形成翼梁帽或转子叶片的情况下，模具可具有数10米的纵向延伸部。另外，在方框1150可提供若干振动发生器。例如，若干振动发生器可沿着纵向延伸部且在模具上方布置使得模具内部经受声场。
随后，在方框1200中，纤维材料、例如双轴纤维垫的堆叠或压制粗纱放置于模具中。振动发生器典型地布置成使得声场可施加到模具中的纤维材料。
根据本发明的实施例，该方法1000还包括方框1300，用于在纤维材料和树脂经受由振动发生器产生的振动时用树脂浸泡纤维材料。
在随后的方框1600中，树脂被固化且因此使纤维加强的塑料部件形成。可通过UV暴露或热固来进行固化。典型地，通过热量来固化更大的纤维复合物。
如上文所解释的那样，振动可导致减小的树脂黏度和因此树脂到纤维材料中的增加的渗透速度和/或在纤维材料中更均匀的树脂分配。因此，可缩短总的固化循环的时间。而且，树脂可被调整至更短的适用期。因此，可增加模具的生产能力且可降低所形成的纤维加强的塑料部件的成本。另外，可减小在纤维加强的塑料部件中所捕捉的空气的数量和/或尺寸。因此可改进纤维加强的塑料部件的机械性质。
根据实施例，在方框1300中，纤维材料被真空浸泡。由此，纤维材料的更大部件可利用树脂均匀地浸渍。可通过在浸泡纤维材料期间施加声场而加速真空浸泡过程和/或改进产品品质。
根据另一实施例，纤维材料和树脂在固化之前经受振动。因此，改进树脂浸渍。然而，也可能的是固化或局部固化设置在浸泡方框1300内。
根据又一实施例，方框1300中的浸泡过程在高于室温执行以进一步增加树脂的黏度。因此，可进一步提高湿润速度。对于热固树脂的情况，在浸泡方框1300中，树脂的温度典型地低于固化温度。典型地，在方框1300期间，树脂温度在大约30℃至大约50℃的范围中。
图10示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的另一方法1001。该方法1001典型地包括提供模具的方框1100、提供振动发生器的方框1150以及将纤维材料放置于模具中的方框1200，如与图9的方框1000一起。该方法1001还包括利用树脂来湿润纤维材料的方框1310和纤维材料及树脂(即，经树脂湿润的纤维材料)经受声场(即，振动)的随后的方框1500。经树脂湿润的纤维材料经受振动可加速树脂渗透到纤维材料内和/或改进树脂在纤维材料中的分布的均匀性。因此，可缩短总的加工时间和/或可改进在随后的树脂固化的方框1600中所形成的纤维加强的塑料部件的品质。
图11示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法1002。图11的方法1002类似于图10的方法1001。然而，方框次序不同。在图11的实施例中，相应地在利用树脂湿润纤维材料的方框1310和纤维材料及树脂经受声场的方框1500之后在方框1200将纤维材料放置于模具中。例如可由参考图8所解释的设备700来执行方法1002。
根据实施例，在方法1002中所用的纤维材料为粗纱。因此，在方框1310中利用树脂来湿润粗纱。之后，在方框1500经树脂湿润的粗纱经受声场且在方框1200中作为经树脂浸渍的粗纱置于模具内。
振动的使用有助于浸溃具有高纤维体积含量的纤维材料。例如，具有超过12,000个长丝、例如大约24,000个、48,000个长丝或甚至更多长丝的粗纱可为在振动支持的浸渍过程中浸渍的树脂。
图12示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法1003。图12的方法1003类似于图11的方法1002且也由参考图8所解释的设备700来执行。图12的方法1003用于粗纱。它还包括在方框1500与1200之间压制粗纱的方框1400。压制粗纱将其横截面从圆形变成大致矩形。因此，可在模具中更致密地装填粗纱。因此，增加在随后的方框1600中固化的纤维加强的塑料部件的机械强度。
图13示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法1004。图13的方法1004类似于图12的方法1003且也由参考图8所解释的设备700来执行。图13的方法1004还包括预热粗纱的方框1170。因此可改进在方框1310中随后湿润粗纱的过程。
图14示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法方案1005。方案1005的方法包括相应提供模具和振动发生器的初始方框1100和1150。另外，方法方案1005包括利用树脂来湿润纤维材料的方框1310；将纤维材料放置于模具中的方框1200；用于相应使树脂和/或纤维材料经受振动和声场的方框1500；以及，用于固化树脂的最终方框1600。用于经受振动的方框1500可在对应于虚线矩形1500的竖直延伸部的时间间隔期间执行一次或多次。因此，在图14中由箭头表示的方框的每个顺序对应于一类制造方法。另外，每类包括具有对于执行施加声场的方框1500的不同时间安排的若干制造方法。可由方案1005的制造方法来表示参考图9至图13所解释的方法1000至1004中的每一个。
根据本发明的实施例，方框1500与方框1310并行地和/或在方框1310之后进行。因此，可加速树脂到纤维材料内的渗透和/或在树脂分布均匀性和捕获纤维材料中的气泡方面进行改进。
对应于由实箭头所示的顺序的方法之一示出图9的方法1000。而且，对应于虚点箭头的方法之一示出图11的方法1002。
根据实施例，方框1500可以已用于对树脂进行除气和/或在方框1310中利用树脂来湿润纤维材料之前降低树脂的黏度。
根据另一实施例，用于压制纤维材料(典型地粗纱)的方框1400使用在方框1310与1200之间。这些方法对应于包括由虚箭头所示的子路径的方框的顺序。这些方法之一示出图12的方法1003。
根据又一实施例，用于预热纤维材料(典型地粗纱)的方框1170在方框1310之前使用。这些方法对应于包括由点箭头所示的子路径的方框的顺序。这些方法之一示出图13的方法1004。
根据又一实施例，在方框1600中固化树脂之前执行方框1500。然而，方框1500也可延长到固化方框1600中。
根据实施例，作为振动促进的浸泡过程执行方框1310，典型地为振动促进的真空浸泡过程，如由虚线矩形1300所示。这意味着当向树脂和纤维材料施加声场时树脂被推动或吸取穿过纤维材料。因此，对应于实箭头的方法之一示出图9的方法1000。
上述设备和方法通过使至少树脂、典型地还有纤维材料经受振动而有助于利用树脂更快和/或更均匀地浸泡和/或浸渍纤维材料。另外，可减小在纤维加强的塑料部件中干斑的尺寸和概率。因此，根据本文所述的方法生产的纤维加强的塑料部件可具有改进的机械性质和/或更短的固化循环。
在上文中详细地描述了用于形成纤维加强的塑料部件的系统和方法的示范性实施例。系统和方法并不限于本文所述的特定实施例，而是系统的构件和/或方法的步骤可独立于或分离于本文所述的其它构件和/或步骤利用。实施例并不限于关于如本文所述的风力涡轮转子叶片来实践。而是，示范性实施例可结合纤维加强的塑料部件许多其它应用来实施和利用。例如可利用本文所述的系统和方法的实施例来制造飞行器翼或其部件、飞行器螺旋桨或直升机螺旋桨的叶片和车辆外壳或其部件。而且，较小的纤维加强的塑料部件，诸如医疗器械的外壳，可利用本文所公开的系统和方法的实施例来制造。使用碳纤维加强的塑料部件来容纳医疗器械典型地改进器械的抗静电性质。更高的树脂渗透速度允许模具更高的生产量。因此，对于较小的纤维加强塑料部件也降低了制造成本。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在另一些附图中未示出，但是这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合任何其它附图的任何特征来参照和/或要求保护。
该文字描述使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。尽管在前文中公开了各种特定实施例，但本领域技术人员应认识到权利要求的精神和范围允许同等有效的修改。特别地，上文所述实施例的相互非排它性的特征可彼此组合。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于形成纤维加强的塑料部件的方法，包括：
a)提供模具(100，200，300，400)；
b)提供振动发生器；
c)利用树脂(550)来湿润纤维材料(500)；
d)将所述纤维材料(500)放置于所述模具(100，200，300，400)中；
e)使所述纤维材料(500)和所述树脂(550)经受振动；以及
f)使所述树脂(550)固化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述纤维材料(500)在固化之前经受振动。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述纤维材料(500)进行真空浸泡。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使所述纤维材料(500)和所述树脂(550)经受次声或超声。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用所述树脂(550)浸泡所述纤维材料(500)；
其中，在利用所述树脂(550)浸泡所述纤维材料(500)期间，使所述纤维材料(500)和所述树脂(550)经受振动。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在利用所述树脂(550)湿润所述纤维材料(500)之前将所述纤维材料(500)放置于所述模具(100，200，300，400)内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于所述纤维加强的塑料部件是选自由以下组成的组：直升机螺旋桨的叶片，飞行器螺旋桨的叶片，风力涡轮转子叶片的翼梁帽，风力涡轮转子叶片的抗剪腹板，风力涡轮转子叶片的叶片半件，机舱或其部件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述振动的频率处于大约2Hz至大约20Hz的范围中。
9.一种利用树脂(550)来浸渍纤维材料(500)的设备(700)，所述设备(700)选自由以下组成的组：包括模具(400)和声源(50)的设备(700)，所述模具(400)用于利用所述树脂(550)来浸泡所述纤维材料(500)，所述声源(50)适于在浸泡期间使所述纤维材料(500)和所述树脂(550)经受声场；包括至少一个浸泡辊(741，742)和声源(70，71)的设备(700)，所述至少一个浸泡辊(741，742)用于利用所述树脂(550)来湿润所述纤维材料(500)，所述声源(70，71)适于在所述纤维材料(500)经过所述至少一个浸泡辊(741，742)时和/或在经过所述至少一个浸泡辊(741，742)之后使所述纤维材料(500)和所述树脂(550)经受声场；以及，包括至少一个压紧辊(750，751)和声源(71，72，73)的设备(700)，所述至少一个压紧辊(750，751)适于压制已用所述树脂(550)湿润的所述纤维材料(500)，所述声源(71，72，73)适于在已用所述树脂(550)湿润的所述纤维材料(500，510)经过所述至少一个压紧辊(750，751)之前和/或期间和/或之后使已用所述树脂(550)湿润的所述纤维材料(500，510)经受声场。
10.根据权利要求9所述的设备(700)，其特征在于，所述声源(50，70，71，72，73)是次声源或超声源。
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