CN104908332A - 非缝合纤维材料、方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非缝合纤维材料、方法和设备。提供非缝合纤维材料、用于制造风力涡轮的部件的方法、以及用于制造非缝合纤维材料的设备。所述非缝合纤维材料构造成当真空被施加到非缝合纤维材料和模具表面之间的空间时产生足以将纤维材料的敷层推动到模具表面上的压降，所述非缝合纤维材料包括通过粘结剂结合到一起的多个纤维。该方法的有利之处在于，其避免了在缝合纤维材料中存在的开口，所述开口允许空气流过。因此，所述非缝合纤维材料具有低透气性。

Description

非缝合纤维材料、方法和设备
技术领域
本发明涉及非缝合纤维材料、用于制造风力涡轮的部件的方法、以及用于制造非缝合纤维材料的设备。
背景技术
在图1中示出了公知风力涡轮1的示例。风力涡轮1包括连接到发电机（未示出）的转子2，该发电机设置在机舱3内侧。机舱3被设置在风力涡轮1的塔4的上端处。
转子2包括三个叶片5。这类转子2可能具有范围在例如从30至160米的直径。叶片5经受高风力负载。与此同时，叶片5需要是轻质的。出于这些原因，现代风力涡轮1中的叶片5由纤维增强复合材料制成。在本文中，出于成本原因，玻璃纤维相比碳纤维来说通常是优选的。此外，叶片5均包括轻材料的一个或多个芯部构件，以减少叶片的重量。
例如，EP 2 123 431 A1描述了一种使用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺来制造转子叶片5的方法。该工艺在以截面图示出的图2中被局部地示出。
在该制造工艺的第一步骤中，真空分布层6被铺设在模具8的模具表面7上。模具8可以是关闭模具8的下部部分，在图2中未示出该模具8的上部部分。
在另一步骤中，纤维材料的敷层9被设置在真空分布层6的顶部上。
然后，无纺玻璃纤维材料10的层被铺设在敷层9的顶部上。玻璃纤维材料10比敷层9具有更低的透气性。
真空分布层6被连接到真空泵11。当层9、10被设置在模具8上时，该真空确保了所述层9、10被牢固地定位在模具8上。因此，尤其在模具8具有深凹形状的情况下，该真空确保了层9、10遵循模具8的实际曲率。因此，防止了被称为“悬停玻璃（hovering glass）”的现象。
图3示出了用于图2的工艺中的无纺玻璃纤维材料10的一部分。
无纺玻璃纤维材料10包括由缝合纱线13保持在一起的多个玻璃纤维粗纱12。缝合纱线13导致相应粗纱12的局部收缩或变形，从而导致在粗纱12之间形成腔或开口14。
当如图2所示地施加真空时，空气流过如图3所示的开口14。因此，可能在层10下面被产生以便将敷层9推动到模具8上的真空对于一些应用来说可能不足够。
发明内容
本发明的一个目的是提供改进的纤维材料。另一目的是提供用于制造用于风力涡轮的部件的改进的方法。此外，一个目的是提供用于制造改进的纤维材料的设备。
因此，提供一种非缝合纤维材料，该非缝合纤维材料构造成当真空被施加到非缝合纤维材料和模具表面之间的空间时产生足以将纤维材料的敷层推动到模具表面上的压降。该非缝合纤维材料包括通过粘结剂结合到一起的多个纤维。
该纤维材料的有利之处在于，通过将纤维结合在一起而不使用缝合纱线，避免了在相邻纤维之间的开口或腔。这继而改善了纤维材料的气密性，从而允许在所述纤维材料上产生更大的压降。
“通过粘结剂结合在一起的纤维”尤其包括其中粘结剂将单个纤维彼此直接连接的实施例、以及其中粘结剂将相应纤维结合到支撑层的实施例，纤维因此通过粘结剂彼此连接以及连接到支撑层。
非缝合纤维材料的纤维可包括例如玻璃纤维、碳纤维和/或聚酰胺纤维。本文所使用的术语“纤维”优选地包括纤维、粗纱和/或纤维细丝。
非缝合纤维材料的粘结剂处于固化或硬化状态。也就是说，粘结剂内的分子链被完全交联或交联至其中粘结剂的形状将不再会改变或不再会显著地改变的程度。
“以产生足以将纤维材料的敷层推动到模具表面上的压降”意味着，所产生的力将防止诸如“悬停玻璃”或类似现象的现象，在该现象中，敷层或纤维材料不会遵循模具表面的曲率达到期望程度。在一些示例中，由该压降产生的力可能足以将模具翻转，例如将图2的模具8翻转180°，该力会克服重力来将敷层保持在模具表面上。
根据另一实施例，纤维彼此平行。
这以连续工艺简化了生产非缝合纤维材料。但是在一些实施例中，纤维可相对于彼此以一定角度设置。例如，纤维可设置成双轴构造。
根据另一实施例，粘结剂采用将纤维结合在一起的至少一个串珠的形状。
施加串珠至纤维可以被容易地自动化。本文的术语“串珠（bead）”优选地还包括条带、绳或带子。串珠例如可以具有圆形、正方形或矩形截面。串珠的长度是其直径（在圆形截面的情况下）或其对角线（在正方形或矩形截面的情况下）的至少2倍、优选5倍、以及更优选地10倍。
根据另一实施例，至少一个串珠相对于纤维的长度方向横向地设置。
具体地，串珠可垂直于相应纤维延伸。在本文中，“垂直地”优选地包括在串珠与相应纤维之间的为90°±45°、更优选地为90°±10°、甚至更优选地为90°±5°的角度。
根据另一实施例，多个串珠彼此平行地被提供并且设置。
两个相应串珠可彼此间隔开例如10至200 mm的距离。
根据另一实施例，至少一个串珠具有之字形形状。“之字形形状”在本文中还包括“S”形状。
根据另一实施例，非缝合纤维材料包括支撑层，纤维通过粘结剂被结合到该支撑层。
例如，支撑层可以是纤维材料、纤维毡或纤维织物的网目。
根据另一实施例，支撑层是粘结带。
具体地，自粘结的网目带是优选的。
根据另一实施例，粘结剂包括树脂。
可被使用的树脂的示例是环氧树脂、聚酯、乙烯基酯或任何其他合适的热塑性或硬质塑性材料。相反，粘结剂还可包括胶。
根据另一实施例，在优选地480 m3/h的空气的流通量下，跨过非缝合纤维材料的厚度产生的压降大于5豪巴、优选地大于10豪巴、且更优选地大于20豪巴。
这类压降将足以将表面密度为200 kg/m2的纤维材料的敷层提升。这确保了可靠的提升，因为这是纤维材料的典型敷层的重量的10倍。
根据另一实施例，非缝合纤维材料的表面密度为1200至9600 g/m2。
优选表面密度可以在1200至4000 g/m2的范围内。当非缝合纤维材料的纤维是玻璃纤维时，这些值尤其适用。
此外，提供用于制造用于风力涡轮的部件的方法。该方法包括以下步骤：a）将纤维材料的敷层设置在模具表面的顶部上；b）用非缝合纤维材料、尤其是上述非缝合纤维材料来覆盖所述敷层；以及c）向所述非缝合纤维材料与所述模具表面之间的空间施加真空，所述非缝合纤维材料将所述纤维材料的敷层推动到所述模具表面上。
非缝合纤维材料可能不仅仅通过由粘结剂将纤维结合在一起而被提供，如上所述。而是，下述方法中的一者也可被用于形成非缝合纤维材料。
例如，纤维材料的敷层可借助于热熔融物喷流（例如，树脂或胶或任何其他粘结材料）被施用。然后，单个纤维或纤维束以气密或接近气密的方式彼此紧邻地设置在敷层上。热熔融物喷流将保持纤维的位置。因此，形成具有低透气性的非缝合纤维材料。
在另一实施例中，当真空被施加到纤维材料的敷层上时，纤维或纤维束被彼此紧邻地铺设在纤维材料的敷层的顶部上。因此，真空保持了纤维的位置。因此，这代表用于形成非缝合纤维材料的另一方法。
在上述的两个实施例中，可利用机器人来将纤维或纤维束设置在纤维材料的敷层上。
用于敷层的纤维材料可包括不同形状和成分的纤维材料。例如，纤维材料可包括纤维、粗纱、纤维垫、纤维织物、纺织纤维或纤维毡的敷层。纤维可单向地设置成双轴构造或任何其他构造。纤维可包括例如玻璃纤维、碳纤维和/或聚酰胺纤维。优选地，纤维材料的敷层被设置在处于干燥（即，未浸渍）状态的模具表面的顶部上。而在其他实施例中，纤维材料的敷层可以至少局部润湿（即，预浸渍）状态被提供（所谓的预浸材料）。
步骤c）之后可以是：将真空袋设置在非缝合纤维材料的顶部上，以及将树脂注入到真空袋和模具表面之间的空间中。在树脂被凝固或已经固化（通常通过添加外部热量）之后，真空袋和/或模具被移除并且获得最终部件。当然，当使用预浸材料时，不需要用树脂来注入纤维材料。
通常，模具可以是打开或关闭模具。例如，模具可包括一个或多个部分，尤其是下部部分和上部部分。
“固化”或“凝固”是指所述树脂被硬化和/或交联至其中包括纤维材料的树脂的形状将不再会改变或不再会显著地改变的程度。
可用于浸渍纤维材料的敷层的树脂的示例是环氧树脂、聚酯、乙烯基酯或任何其他合适的热塑性或硬质塑料材料。
术语“敷层”要被理解为纤维材料的一层或多层。纤维材料可具有在上文描述的形状和构造。
"a）"、"b）"和"c）"不隐含方法步骤的固定顺序。而是，步骤a） – c）可按照本领域技术人员认为合适的不同顺序来实施。
根据另一实施例，具有模具表面的模具被翻转180°，该非缝合纤维材料克服重力将敷层保持在模具表面上。
此外，提供用于制造非缝合纤维材料的设备。该非缝合纤维材料具体地具有如上所述的特征。该设备包括供给单元和应用单元。供给单元被构造成优选地连续地供给纤维至应用单元，且该应用单元被构造成优选地连续地施加粘结剂到纤维，以用于将所述纤维结合在一起。
根据另一实施例，该设备包括用于固化粘结剂的加热单元，该加热单元被构造为旋转鼓。
该旋转鼓连续地接触包括粘结剂的纤维，或者该旋转鼓的某些区域间歇性地接触包括粘结剂的纤维。因此，热量从旋转鼓被传递到粘结剂。所传递的热量固化所述粘结剂，以便将纤维永久地结合在一起。
“风力涡轮”目前指代将风的动能转换为旋转能量的设备，该旋转能量可通过该设备再次被转换为电能。
本发明的进一步可能的实施方式或替代性方案还包括针对所述实施例在上文或下文描述的特征的组合，这种组合在本文未被明确地提出。本领域技术人员还可将单个或孤立的方面和特征添加到本发明的最基本形式。
附图说明
本发明的进一步目的、特征和优势从后述说明和所附权利要求书结合附图将显而易见，在附图中：
图1是常规风力涡轮的透视图；
图2示出了来自常规工艺的截面图；
图3示出了图2的放大图；
图4示出了根据实施例的非缝合纤维材料的俯视图；
图5示出了图4的放大透视图；
图6示出了根据另一实施例的非缝合纤维材料的俯视图；
图7示出了根据另一实施例的非缝合纤维材料的俯视图；
图8示出了用于图7的实施例的支撑层的透视图；
图9示出了截面IX-IX；
图10示出了根据另一实施例的用于生产非缝合纤维材料的工艺的透视图；
图11示出了用于制造根据实施例的非缝合纤维材料的设备的俯视图；
图12示出了根据图11的设备的侧视图；以及
图13示出了根据实施例的工艺的流程图。
具体实施方式
图4示出了用于取代例如图2所示的工艺中的纤维材料10被使用的非缝合纤维材料20的俯视图。即便在下文参考图2的实施例进行描述，但是非缝合纤维材料20可用于制造尤其是转子叶片5（图1）的部件的任何其他制造工艺中。
非缝合纤维材料20被构造成当真空被施加到非缝合纤维材料20和模具表面7之间的空间时产生足以将纤维材料的敷层9推动到模具表面8上的压降。在沿如图2所示的法向于非缝合纤维材料20的表面的方向21上的480 m3/h的空气流通量下，跨过非缝合纤维材料20的厚度t的压降优选地大于20 豪巴。这类压降将足以防止如在上文背景技术中阐述的“悬停玻璃”。此外，当模具8翻转180°以使得重力趋向于将敷层9拉离模具表面7时，这类压力将足以将敷层9牢固地保持在模具表面7上。因此，该压降足以克服重力。在一个实施例中，敷层9可具有200 kg/m2的表面密度。甚至在这种情况下，压降将足以保持纤维敷层9和模具表面7之间（在使用真空分布层6的情况下经由该真空分布层6）的紧密接触。
如图4所示，非缝合纤维材料20包括彼此平行地设置的多个纤维22（所谓的单向取向）。纤维22通过粘结剂结合在一起。在该具体情况下，粘结剂采用固化树脂的多个平行串珠23的形状。串珠23可相对于纤维22横向地设置，因此相对于纤维22以90°的角度延伸。
串珠23在纤维22的长度方向24上彼此间隔开。具体地，相邻串珠之间的距离25可以在10至200mm之间的范围内，例如在本实施例中是100mm。
例如，纤维22可构造为表面密度在从1200至9600 g/m2范围内的玻璃纤维。在该具体情况下，表面密度可以是1200 g/m2。
图5示出了图4的放大透视图。
图5示出了例如具有圆形截面26的串珠23。但是，截面26还可具有矩形或正方形形状。串珠23可具体地通过如下方式来形成：将喷嘴沿纤维22的横向方向27移动，所述喷嘴（未示出）将串珠材料沉积在纤维22上。一旦固化，串珠23就牢固地连接纤维22。在图4和5的示例中，纤维22通过相应串珠23彼此直接连接。
因此，不具有缝线的模具表面20不具有开口14，且因此与一些常规纤维材料10相比是更加气密的。具体地，非缝合纤维材料20与敷层9相比具有更低的透气性。
图6示出了根据另一实施例的非缝合纤维材料20的俯视图。
非缝合纤维材料20具有单个串珠23，其具有之字形形状并且将单个的纤维22彼此连接。不是采用之字形形状，串珠23还可具有“S”形状。
图7是根据另一实施例的非缝合纤维材料20的俯视图。
非缝合纤维材料20包括平行纤维22。构造成自粘结玻璃网目带28的支撑元件被结合到纤维22。
在图8中以透视图更详细地示出了网目28。网目带28包括纤维29网目，如图9的截面图所示，每个纤维被涂覆在例如树脂的粘结剂30中。纤维29例如可构造成玻璃纤维。
图10示出了根据两个其他实施例的制造非缝合纤维材料20的工艺。
根据第一实施例，图2的敷层9被喷射了热熔融物31。该热熔融物31例如是胶或树脂。当热熔融物31仍是软的时，机器人32将纤维22或纤维束彼此紧邻地设置在热熔融物31上。纤维21以这样紧贴的关系被定位，使得形成具有低透气性的非缝合纤维材料20，如在上文参考图4阐述的。
根据第二实施例，不是采用热熔融物31，真空例如经由真空泵11被施加到图2的敷层9上。当机器人32将纤维或纤维束22沉积在敷层9上时，真空保证了纤维22或纤维束处于彼此紧贴的关系。因此，获得了具有上述低透气性的非缝合纤维材料20。
图11示出了在上文结合图4-7描述的用于制造非缝合纤维材料20的设备33的俯视图。图12示出了图11的设备33的侧视图。
设备33包括供给单元34、应用单元35、加热单元36和存储单元37。
供给单元34例如被构造成具有纤维材料或粗纱的多个筒管。纤维22从该供给单元34被供给到应用单元35。应用单元35将串珠23施加到纤维22。例如，应用单元35可包括喷嘴，该喷嘴相对于纤维的长度横向地移动，以将相应串珠23沉积在纤维22上。
可选地，旋转鼓38可被提供成当串珠23被沉积时支撑所述纤维22。
在应用单元35之后，提供加热单元36。加热单元36被构造用于固化串珠23（树脂）。
存储单元37可被构造成用于卷起完成后的非缝合纤维材料20的鼓。
在一个实施例中，加热单元36被集成到鼓38中。当鼓38旋转时，与纤维和串珠23接触的区域传递足够的热量以固化所述串珠23。
因此，提供用于以连续工艺来制造非缝合纤维材料20的工艺。这对于高程度的自动化来说是有益的。
最后，示出了用于制造风力涡轮1的转子叶片5的方法的实施例的流程图。
再次，仅出于阐述目的而参考图2。
在第一步骤S1中，纤维材料的敷层9被设置在模具表面7的顶部上。可选地，真空分布层6被事先设置在模具表面7上。
在步骤S2中，敷层9被覆盖有非缝合纤维材料20，如上文所述的。
在另一优选实施例中，真空分布层6被设置在敷层9的顶部上，即，在非缝合纤维材料20和敷层9之间。
在步骤S3中，向非缝合纤维材料20和模具表面7之间的空间施加真空。因此，非缝合纤维材料20将纤维材料的敷层9推动到模具表面7上。
在步骤S4中，模具8可能被翻转180°，因此敷层9面朝下。由于所施加的真空，非缝合纤维材料20将敷层9保持在模具8上。
在步骤S5中，叶片5的腹板（未示出）或芯部构件被设置在例如非缝合纤维材料20的顶部上。
在步骤S6中，非缝合纤维材料20以及（视情况而定）腹板或芯部构件被覆盖有真空袋（未示出），然后真空被施加到真空袋和模具表面7之间的空间。然后，树脂被注入到所述空间中。在另一步骤中，施加外部热量，并且树脂被固化。
现在，模具8被打开，并且固化的叶片5可从模具8被移除。
虽然本发明已经根据优选实施例被描述，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所有实施例中变型都是可能的。
例如，还可能使用缝合纤维材料10（图2）以及通过树脂的气泡来关闭所述开口14。树脂的气泡可通过真空被吸入到开口14中。因此，提供了获得低透气性的纤维材料的另一方式。

Claims (15)

1. 一种非缝合纤维材料（20），所述非缝合纤维材料被构造成当真空被施加到所述非缝合纤维材料（20）和模具表面（7）之间的空间时产生足以将纤维材料的敷层（9）推动到所述模具表面（7）上的压降，所述非缝合纤维材料（20）包括通过粘结剂（23, 30）结合到一起的多个纤维（22）。
2. 根据权利要求1所述的非缝合纤维材料，其中，所述纤维（22）彼此平行。
3. 根据权利要求1或2所述的非缝合纤维材料，其中，所述粘结剂采用将所述纤维（22）结合在一起的至少一个串珠（23）的形状。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的非缝合纤维材料，其中，所述至少一个串珠（23）相对于所述纤维（22）的长度方向（24）横向地设置。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的非缝合纤维材料，其中，设置多个串珠（23），所述串珠（23）彼此平行地设置。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的非缝合纤维材料，其中，所述至少一个串珠（23）具有之字形形状。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的非缝合纤维材料，包括支撑层（28），所述纤维（22）由所述粘结剂（30）结合到所述支撑层（28）。
8. 根据权利要求7所述的非缝合纤维材料，其中，所述支撑层（28）是粘结带。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的非缝合纤维材料，其中，所述粘结剂（23, 30）包括树脂。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的非缝合纤维材料，其中，在480 m3/h的空气的流通量下跨过所述非缝合纤维材料（20）的厚度（t）形成的压降大于5豪巴、优选地大于10豪巴、且更优选地大于20豪巴。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的非缝合纤维材料，其中，所述非缝合纤维材料（20）具有在1200至9600 g/m2的表面密度。
12. 一种制造风力涡轮（1）的部件（5）的方法，所述部件尤其是转子叶片（5），所述方法包括以下步骤：
a）将纤维材料的敷层（9）设置（S1）在模具表面（7）的顶部上；
b）用非缝合纤维材料（20）、尤其是根据权利要求1至11中任一项所述的非缝合纤维材料（20）来覆盖（S2）所述敷层（9）；以及
c）向所述非缝合纤维材料（20）与所述模具表面（7）之间的空间施加（S3）真空，所述非缝合纤维材料（20）将所述纤维材料的敷层（9）推动到所述模具表面（7）上。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，具有所述模具表面（7）的模具（8）翻转180°，所述非缝合纤维材料（20）克服重力将所述敷层（9）保持在所述模具表面（7）上。
14. 一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的非缝合纤维材料（20）的设备（33），所述设备（33）包括供给单元（34）和应用单元（35），所述供给单元（34）被构造成将所述纤维（22）供给到所述应用单元（35），所述应用单元（35）被构造成向所述纤维（22）施加粘结剂（23）以用于将所述纤维（22）结合在一起。
15. 根据权利要求14所述的设备，还包括用于固化所述粘结剂（23）的加热单元（36），所述加热单元（36）被构造为旋转鼓（38）。
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