CN102729489A - 通过真空辅助树脂传递模塑制造工件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过真空辅助树脂传递模塑制造工件（1）的方法。该方法包括步骤：将纤维粗纱（13）放置在包括模具腔的闭合模具系统的模具中，将至少一个树脂分配装置（14、17、18、25）放置在所述纤维粗纱（13）之间，施加真空到所述闭合模具系统，以及将树脂注入所述模具腔内。

Description

通过真空辅助树脂传递模塑制造工件的方法

技术领域

本发明涉及用于通过真空辅助树脂传递模塑制造工件的方法，更具体地涉及用于制造风力涡轮转子叶片的方法。还涉及工件，例如风力涡轮转子叶片。

背景技术

纤维增强的塑料复合物用于各种技术产品，例如汽车、风力涡轮叶片、储罐等。具有大型尺寸的大部分产品，例如风力涡轮叶片，是通过将在辊上传送的机织玻璃布（woven glass fabric）放置到一个或更多个模具中而被制造的。在公知为VARTM（真空辅助树脂传递模塑）的常用树脂注塑工艺中，模具被闭合，并且真空被施加到闭合模具系统。之后，诸如聚酯、环氧树脂、乙烯基酯或其他树脂的树脂被注入模具腔内，从而填充层压件内纤维之间的空间。

在载重结构中，通常使用单向玻璃布。可以使用聚酯或类似材料的纱线将布中的玻璃纤维粗纱缝制在一起。当之后通过真空灌注或通过手动铺置从而使用树脂浸渍织物时，通过收紧玻璃纤维束进行的缝制导致玻璃束之间的区域是树脂富集区且几乎没有玻璃纤维。缝制还导致纤维束中存在不良起伏。理想的是获得均匀分布的玻璃纤维而没有树脂富集区的穴（pocket）。利用机织布和短切毡的标准制造没有解决这个问题。此外，使用在辊中传输的机织2-D布在模具中构建3-D结构的制造是难以实现自动化的。

在风力涡轮叶片中，所谓的梁帽（spar cap）区应该包含具有最大可实现长度方向刚度的材料，其最普遍地通过在此放置单向（UD）布而获得。由于缝制导致的在粗纱之间的穴通常被用作树脂流动通道。当放置未缝制的粗纱材料时，必须建立其他方式的树脂传输通道。

为了实现高强度，增加放置的单向纤维层数。已经引入了特殊的缝制图案，以便减少层压件中的树脂富集穴，不过总是存在机织制造中所用的固有的昂贵纺织机械的限制。这种机械非常类似于非玻璃纺织工业中所用的机械。还没有针对解决纤维增强塑料工业中的问题进行研发。

发明内容

本发明的第一目标是提供一种用于通过真空辅助树脂传递模塑来制造工件的改进方法，其减少了层压件中的树脂富集穴。本发明的第二目标是提供一种改良的工件，其中在层压件中的树脂富集穴减少。

第一目标是通过根据权利要求1所述的用于制造工件的方法来解决的。第二目标是通过根据权利要求14所述的工件来解决的。从属权利要求限定了本发明的其他改良。

用于通过真空辅助树脂传递模塑来制造工件的本发明方法包括将纤维粗纱放置在闭合模具系统的模具内的步骤。闭合模具系统包括模具腔。本发明方法还包括步骤：将至少一个树脂分配装置放置在粗纱纤维之间、向所述闭合模具系统施加真空以及将树脂注入所述模具腔内。

使用纤维粗纱并且将树脂分配装置放置在粗纱纤维之间具有如下优点，即由于真空通道和毛细作用力的适当结合，能够实现纤维的较快浸渍。此外，树脂分配装置或树脂富集流动通道能够被设置成使得它们不损害物品的强度。借助于本发明方法，能够制造具有极大刚性（E模量）的层压件。

所用的纤维粗纱通常包含数千条单纤维。能够沿结构或工件（能够是风力涡轮转子叶片）的纵向方向放置纤维粗纱。此外，能够彼此并排地放置纤维粗纱。

优选地，粗纱没有以布的形式被缝制在一起。这会产生大密度的粗纱区但是不会留下用于树脂流动的区。多个槽或由流动通道构成的流动增强装置可以被置于纤维粗纱之间以作为树脂分配装置。

树脂分配装置可以例如是流动增强装置或树脂传输装置，其容纳用于浸渍周围粗纱中的纤维的树脂流动。树脂分配装置或流动增强装置或树脂传输装置与粗纱的纵向单向纤维相比可以具有更高的液体树脂流动渗透性。使用纤维粗纱形式的纵向单向纤维，其中所述纤维代替了机织布被彼此并排地置于模具中，则能够减少工件的生产成本并且能够避免树脂富集区。

在本发明的上下文中，多个多孔纱线和/或多个纤维性纱线和/或至少一个可渗透管和/或至少一个树脂流动通道能够被置于纤维粗纱之间以用作树脂分配装置。优选地，树脂分配装置（例如槽）可以填充有多孔材料和/或纤维性材料。

有利地，树脂分配装置能够以距彼此预定距离的方式被置于纤维粗纱之间。这确保了在层压件中一致的树脂分布。例如，被放置的每层粗纱能够包含例如每10条粗纱一个流动增强装置，例如多孔纱线。

所用的模具能够包括内模具表面。树脂分配装置能够优选地被放置成与内模具表面垂直。此外，模具能够包括纵向方向。该纵向方向可以对应于工件的纵向方向。在这种情况下，纤维粗纱可以沿模具的纵向方向被放置。

通过沿长度方向（其可以是主要力方向）并且垂直于模具表面（特别是风力涡轮叶片梁帽区）放置树脂传输槽，已固化槽的低纤维含量区将不会损害叶片沿襟翼方向的刚性或强度。如果通道被置于与梁帽的外壳平行，这可导致沿襟翼方向的负载所导致的剪力失效。当对于沿边缘方向的负载情况而言梁帽区处于或靠近中性区域时，仅存在小的剪切力。因此，通道也不会损害沿边缘方向的强度。

所用的纤维粗纱可以包括多条纵向单向纤维。所用的纤维粗纱可以例如包括多条玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳纶纤维和/或玄武岩纤维和/或天然纤维和/或竹条和/或木条。天然植物纤维可以由木材或植物制成。

考虑到所用树脂，例如聚酯树脂或环氧树脂或乙烯基酯树脂可以被注入模具腔内。

大体而言，树脂分配装置能够相对于内模具表面被制备成竖直流动通道。可以通过垂直于内模具表面放置预组装的缝制布带或一条碎线毡或unifilo毡（unifilo mat）或多孔毡来制备竖直流动通道。在这种情况下，树脂能够在与模具表面垂直的单独的狭窄通道内被传输。树脂传输通道之间的距离，或者更普遍地树脂传输通道之间的距离，或者更普遍地树脂分配装置之间的距离，优选地被选择成使得粗纱区的毛细作用力能够进一步使得树脂及时地被传输到粗纱层压件中以用于所讨论的生产。

可以例如通过叠覆多个多孔纱线来构成树脂分配装置或流动通道。优选地，多个粗纱层能够被置于模具中彼此之上。每个粗纱层可以有利地包括距彼此预定距离处的多个多孔纱线。

树脂分配装置或树脂流动通道能够以如下方式被构成，即允许树脂借助于来自粗纱区的毛细作用力从树脂分配装置或通道被抽出。之后，任意空的通道空间均能够是多孔结构从而类似于夹层泡沫材料，或者树脂分配装置或通道能够制成是可伸缩的。可以例如通过升温、较高的真空水平或其他受控物理变化来启动该伸缩。大体而言，能够使用可伸缩树脂分配装置。

通过先前描述的本发明方法来制造本发明工件。工件可以具体地是风力涡轮转子叶片。大体而言，本发明工件具有与前述方法相同的优点。例如，在本发明工件中，树脂富集区或树脂富集穴被减少并且能够以较少成本来制造工件。

结合附图从实施例的下述描述中将更加显见到本发明的其他特征、性质和优点。所述特征单独地或以任意方式彼此结合均是有利的。

附图说明

图1以平面图图释地示出了在叶片翼展和叶片翼弦所限定的平面上的转子叶片。

图2图释地示出了通过转子叶片的翼型截面的沿翼弦方向的横截面。

图3图释地示出了风力涡轮转子叶片的沿翼弦方向的横截面。

图4具体地图释示出了图3的梁帽12的一部分。

图5图释地示出了多个单向玻璃纤维粗纱，其可以被置于模具内。

图6图释地示出了由多个叠覆的多孔纱线构成的流动通道的构造。

图7图释地示出了树脂怎样迁移到层压件中。

图8图释地示出了具有可伸缩竖直流动通道的多条粗纱的截面图。

图9图释地示出了具有可伸缩竖直流动通道的多条粗纱的截面图。

具体实施方式

现在将参考图1至图9描述本发明的实施例。

图1以平面图图释地示出了在叶片翼展和叶片翼弦所限定的平面上的转子叶片。翼展方向由附图标记30标示。图1中示出的转子叶片1包括具有圆筒形轮廓的根部部分3以及尖端2。尖端形成叶片的最外部。根部部分3的圆筒形轮廓用于将叶片固定到转子毂的轴承。转子叶片1还包括所谓的肩部4，该肩部4被定义为其最大轮廓深度（即叶片的最大翼弦长度）的位置。翼型部分5在肩部4和尖端2之间延伸，其具有空气动力学外形轮廓。过渡部分7在肩部4和圆筒形根部部分3之间延伸，其中产生从翼型部分5的空气动力学轮廓到根部部分3的圆筒形轮廓的过渡。

图2中示出了通过转子叶片的翼型部段5的沿翼弦方向的横截面。翼弦方向由附图标记31标示。图2中示出的空气动力学轮廓包括凸吸力侧6和略凸压力侧8。从叶片前缘9延伸到其后缘11的虚线示出了轮廓的翼弦。虽然在图2中压力侧8包括凸部段10和凹部段19，不过其还可以被实现成根本没有凹部段，只要吸力侧6比压力侧15更凸出即可。

在翼型部分5中的吸力侧6和压力侧8也分别被称为转子叶片1的吸力侧和压力侧，不过更严格地讲，叶片1的圆筒形部分3没有呈现出压力或吸力侧。

为了借助于真空辅助树脂传递模塑（VARTM）来制造工件，例如风力涡轮转子叶片，例如多个单向纤维层和/或多个纤维粗纱的纤维材料被置于模具壳内。型芯能够被置于纤维材料上。之后模具能够被闭合并且真空能够被施加到闭合的模具腔。之后，诸如聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯或其他树脂的树脂能够被注入模具腔内，从而填充层压件内的纤维之间的空间。

图3以截面图图释地示出了沿翼弦方向的风力涡轮转子叶片。风力涡轮转子叶片1包括剪力腹板15，其使得叶片1的吸力侧6和压力侧8彼此连接。剪力腹板15沿翼展方向稳定转子叶片。为了进一步稳定转子叶片1，转子叶片1在吸力侧6和压力侧8处靠近剪力翼板15的内表面包括梁帽12。在梁帽12的位置处，形成转子叶片1的壳体与风力涡轮转子叶片壳体的其他位置相比具有增大的厚度。

图4具体地图释示出了图3的梁帽12的一部分。梁帽12包括多个单向玻璃纤维粗纱13。玻璃纤维粗纱13被定向成与转子叶片的翼展方向30平行。多个树脂流动通道14被置于玻璃纤维粗纱13之间。树脂流动通道14相对于转子叶片1的表面被竖直定向。转子叶片的表面可以是在吸力侧6或在压力侧8的外表面。转子叶片1的外表面对应于模具的内模具表面，其中该模具用于借助于真空辅助树脂传输模塑来制造风力涡轮转子叶片1。与内模具表面或转子叶片1在吸力侧处的表面有关的竖直方向在图4中由箭头20表明。

优选地，在粗纱层压件13中的特定间隔处，与内模具表面或外叶片表面垂直或竖直的槽14保持在粗纱纤维13之间是开放的。槽14可以填充有提供树脂流动通道14的多孔材料或纤维性材料。当流动通道14填充有树脂时，树脂将借助于毛细作用力迁移到粗纱区13并且将填充纤维13之间的空间。纵向纤维13能够是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、天然植物纤维材料或者甚至是竹条或其他木条。

通过沿长度方向（主要力方向）并且垂直于模具表面（特别对于风力涡轮叶片梁帽区而言）设置树脂传输槽，固化槽的低纤维含量区将不会损害叶片的沿襟翼方向的刚性或强度。如果与梁帽的外壳平行地放置通道，则这将导致由沿襟翼方向的负载导致的剪力失效。当在沿边缘的负载情况下梁帽区处于或靠近中性区时，仅存在小的剪力。因此，通道也不会损害沿边缘的强度。

图5图释地示出了可以被置于模具中的多个单向玻璃纤维粗纱13。由碎线毡或其他多孔板构成的流动通道17被置于单向玻璃纤维粗纱13之间处于特定间隔处。碎线毡或其他多孔板17包括与板17的长度对应的长度侧21以及与板17的宽度对应的宽度侧22。流动通道17被置于玻璃纤维粗纱12之间以使得宽度侧22平行于竖直方向20。长度侧21平行于风力涡轮转子叶片1的翼展方向30。

大体而言，可以通过与模具表面或与风力涡轮转子叶片1的外表面垂直地或竖直地放置预组装缝制布带、一条碎线毡、unifilo毡或其他多孔毡，从而制备竖直流动通道14、17。在图5中，通过箭头23示出了碎线毡17在纤维性粗纱13之间的放置。

可替代地，流动通道14也能够由多条叠覆多孔纱线25构成。这在图6中被图释地示出。在图6中，多条粗纱13以层的形式被置于模具32中彼此之上。

通过箭头24示出了层在彼此上的放置。被放置的每层粗纱13能够例如每10条粗纱13包含一条多孔纱线25。多孔纱线25沿竖直线被放置。箭头20示出了竖直方向。多孔纱线25能够由任意形式的纤维或其他材料制成，其中该纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维或由木质或植物制成的天然纤维。

图7图释地示出了树脂怎样迁移到层压件中。图7示出了如前所述的多条玻璃纤维粗纱13和在玻璃纤维粗纱13之间的竖直流动通道14。当在真空辅助树脂传递模塑过程期间注入树脂时，通过施加真空，树脂被传输通过流动通道14。树脂通过毛细作用力和真空被进一步传输到玻璃粗纱层压件13中。通过箭头16示出了树脂向层压件13中的迁移。

大体而言，树脂流动通道14能够被构造成允许树脂借助于来自于粗纱区13的毛细作用力而从通道14被抽出。任意空的通道空间均能够是多孔结构从而类似于夹层泡沫材料，或者通道14能够被制成可伸缩的。这在图8和图9中被示出。

图8和图9图释地示出了多个玻璃纤维粗纱13的截面图，其在玻璃纤维粗纱13之间有竖直流动通道18。图8示出了在施加真空和注入树脂之前被置于模具壳内的玻璃粗纱13。图9示出了在施加真空之后并且在向层压件中注入树脂之后被置于模具壳内的玻璃纤维粗纱13。图9中的竖直流动通道18是收缩的。这由箭头19示出。能够例如通过升温、较高真空水平或其他受控物理变化来启动这种伸缩。

Claims (15)

1.一种通过真空辅助树脂传递模塑制造工件（1）的方法，包括步骤：将纤维粗纱（13）放置在包括模具腔的闭合模具系统的模具中，将至少一个树脂分配装置（14、17、18、25）放置在所述纤维粗纱（13）之间，施加真空到所述闭合模具系统，以及将树脂注入所述模具腔内。

2.如权利要求1所述的方法，特征在于

在所述纤维粗纱之间放置多个槽或流动增强装置或流动通道以作为树脂分配装置（14、17、18、25）。

3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于

使用多孔材料和/或使用纤维性材料来填充所述树脂分配装置（14、17、18、25）。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，特征在于

将所述树脂分配装置（14、17、18、25）放置在所述纤维粗纱（13）之间处于距彼此预定距离处。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述模具包括内模具表面，并且特征在于垂直于所述模具表面放置所述树脂分配装置（14、17、18、25）。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述模具包括与所述工件（1）的纵向方向（30）对应的纵向方向，并且特征在于沿所述模具的纵向方向放置所述纤维粗纱（13）。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，特征在于

使用包括多条纵向单向纤维的纤维粗纱（13）。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，特征在于

使用包括多条玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳纶纤维和/或玄武岩纤维和/或天然纤维和/或竹条和/或木条的纤维粗纱（13）。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，特征在于

将聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂注入所述模具腔内。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，特征在于

通过垂直于内模具表面放置预组装的缝制布带或一条碎线毡（17）或unifilo毡或多孔毡，将所述树脂分配装置（14、17、18、25）相对于所述内模具表面制备成竖直流动通道。

11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，特征在于

通过叠覆多条多孔纱线（25）来构造所述树脂分配装置。

12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，特征在于

将多个粗纱层放置在彼此上，每个粗纱层包括距彼此预定距离处的多条多孔纱线（25）。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，特征在于

使用可伸缩通道（18）作为树脂分配装置。

14.通过如权利要求1-13中任一项所述的方法制造的工件（1）。

15.如权利要求14所述的工件，特征在于

所述工件是风力涡轮转子叶片（1）。

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