CN107073757A - 制造用于风力涡轮机叶片壳体的模具的方法 - Google Patents

Abstract

描述了用于风力涡轮机叶片模具和风力涡轮机叶片模具塞的制造的系统和方法。所述方法包括将叶片模具几何形状（70）或塞几何形状划分成单独的几何切片或区段。单独的切片然后能够用来控制坯件元件（78）的切割，以形成单独的切割表面（82）。切割表面用来形成整合的风力涡轮机模具表面。

Description

制造用于风力涡轮机叶片壳体的模具的方法

技术领域

本发明涉及用于制造在风力涡轮机叶片的制造中使用的设备的系统和方法，所述设备特别是风力涡轮机叶片模具或用于风力涡轮机叶片模具的塞（plug）。

背景技术

风力涡轮机是处于不断的全球部署状态的可再生发电技术的主要示例。由于运输中的困难加剧和/或本地内容要求的增加，风力涡轮机制造继续经历着对本地化制造和组装的驱使。一个这样的趋势是在“突然出现式（pop-up）”工厂的区域中，其特点是从零到全面生产的相对较快、低成本的升幅。这些工厂依赖于使用低成本设备，这种设备可以在短时间内部署，以促进这种设施的快速启动时间。

使用这种“突然出现式”工厂的挑战之一是提供高质量的风力涡轮机叶片模具和/或相关的模具塞。这种制造设备通常需要耗时的、高精度的工具。此外，常见的叶片制造系统要求这种叶片模具铰接，以允许叶片壳体的转动和闭合以形成风力涡轮机叶片。PCT公开No. WO2013113815描述了一种具有固定模具的风力涡轮机叶片制造系统，其降低了叶片制造设施的设立所涉及的成本。然而，提供高质量的模制表面继而需要使用精确的刀片模具塞和后续的模具来生产具有可接受标准的叶片壳体。这种模具塞和/或模具可能需要昂贵且耗时的生产技术和材料。例如，用于风力涡轮机叶片的单个叶片模具的生产从初始订单到在工厂车间安装可能需要的4-5个月的制造时间。

DE 20 2014 000999 U1公开了一种用于制造不同尺寸和形状的风力涡轮机叶片壳体的模具。该模具包括面向上的凹部，可互换的模具部分可以在该凹部中布置为形成用于制造风力涡轮机叶片壳体的阴模。

本发明的目的是提供一种用于制造风力涡轮机叶片制造设备的系统和方法，其将相对低成本与高速生产系统相结合。

发明内容

因此，提供了一种制造用于风力涡轮机叶片壳体的模具的方法，其中该方法包括以下步骤：

提供风力涡轮机叶片模具几何形状；

将所述风力涡轮机叶片模具几何形状划分成多个单独的几何切片；

提供多个模具坯件元件，其中所述多个模具坯件元件与所述多个单独的几何切片相对应；

切割所述多个模具坯件元件以形成具有切割表面的多个切割模具元件，其中所述切割基于所述多个单独的几何切片；以及

组装所述多个切割模具元件，其中所述切割模具元件的切割表面基本上形成整合的风力涡轮机叶片模具表面。

通过从多个坯件切割模具几何形状，可以以相对快速和高效的方式制造风力涡轮机叶片模具，从而允许切割和/或组装过程的自动化的容易性。此外，制造过程可以以供应链动力学的相对较小的调节相对容易地适应于模具尺寸或几何形状的差异。与需要几个月构建时间的现有技术系统相比，使用这种低成本的高速制造技术可以导致构建新的叶片模具的制造时间约为2-3周。

术语“翼展方向”将被理解为是指在风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片模具的尖端和根端之间延伸的纵向方向或相关联的几何形状。术语“弦向”将被理解为是指这种风力涡轮机叶片或风力涡轮机叶片模具的侧向或横向方向或相关联的几何形状，其中弦向方向在风力涡轮机叶片或模具的前缘和后缘之间延伸。

优选地，该方法还包括将涂层施加到所述多个切割表面的步骤。优选地，施加涂层的所述步骤在所述组装步骤之后进行。

在一个方面，施加涂层的所述步骤用于提供弹性模具表面。在附加的或替代的方面，施加涂层的所述步骤用于将所述多个切割模具元件基本上彼此粘附。此外，施加涂层的步骤可以用于平滑或掩盖整合的风力涡轮机叶片模具表面中相对较小的缺陷或不连续部。

优选地，所述切割步骤使用机器人切割构件、优选地使用CNC切割设备和/或机器人铰接操纵臂来执行。在一个方面，所述切割步骤使用热线切割构件来执行。

优选地，该方法还包括使所述整合的风力涡轮机叶片模具表面平滑的步骤。平滑可以包括进一步的切割、研磨或抛光操作。应当理解，在将涂层施加到切割表面的步骤之前和/或之后，可以在切割模具元件的切割表面上执行所述平滑步骤。

如果坯件由能够容易地加工的轻质材料形成，则其可以适合于直接在切割面上进行平滑处理。另外地或替代地，涂层材料可以由允许易于平滑的物质形成，例如，在涂层施加过程中和/或在涂层的固化或硬化之前形成。

优选地，施加涂层的所述步骤包括施加弹性体涂层，优选地施加聚脲涂层。

提供弹性体涂层导致了弹性的模具表面，该弹性的模具表面耐操作磨损和撕裂。

优选地，所述模具坯件元件由低重量材料形成，优选地由泡沫材料形成。在优选的方面，所述模具坯件元件由聚合物材料形成，所述聚合物材料可以包括但不限于聚苯乙烯或发泡聚苯乙烯（EPS）。合适的材料的示例可以包括来自陶氏化学公司（The Dow ChemicalCompany）的Styrofoam^TM，或来自BASF SE的Styropor^®。

优选地，划分所述风力涡轮机叶片模具几何形状的所述步骤包括将所述几何形状分成多个翼展方向区段和/或弦向区段。应当理解，所述多个翼展方向区段和/或弦向区段可以包括具有变化的长度和/或宽度的区段。

由于模具表面的相对复杂的曲线几何形状可以被分解成单独的、相对较小的、在几何形状上更简单的区段，因此将模具几何形状分解成许多不同的区段使得能够增加模具坯件的加工容易性。

在优选实施例中，所述划分步骤包括：

将所述风力涡轮机叶片模具几何形状的弯曲表面轮廓近似（approximate）为多个翼展方向表面部分，所述多个翼展方向表面部分沿着所述风力涡轮机叶片模具几何形状的翼展方向连续地（in series）布置。

在一个方面，所述多个翼展方向表面部分中的至少一些在翼展方向表面部分的翼展方向上包括基本上直线的轮廓形状。

另外地或替代地，所述划分步骤包括：

将所述风力涡轮机叶片模具几何形状的弯曲表面轮廓近似为多个弦向表面部分，其中所述多个弦向表面部分沿着所述风力涡轮机叶片模具几何形状的弦向方向连续地布置。

在一个方面，所述多个弦向表面部分中的至少一些在弦向表面部分的弦向方向上包括基本上直线的轮廓形状。

将表面几何形状划分成多个区段，所述区段在所述区段的一个方向上具有直线形状，这提供了可以使用直线切割装置重新创建的期望表面几何形状的近似（approximation）。例如，热线切割装置通常被布置成执行材料的直线切割，这适合于上述过程。应当理解，划分步骤可以包括翼展方向表面部分与弦向表面部分的组合。

优选地，所述多个翼展方向表面部分中的至少一些在翼展方向表面部分的弦向方向上包括弯曲轮廓。类似地，所述多个弦向表面部分中的至少一些可以包括在弦向表面部分的翼展方向上的弯曲轮廓。

虽然所述区段可以在第一翼展方向或弦向方向上基本上是直的，但是所述区段的第二弦向方向或翼展方向可以是弯曲的，其中可以通过控制由直线切割装置形成的切割深度来重建曲线。

在替代实施例中，所述划分步骤包括：

将所述风力涡轮机叶片模具几何形状的弯曲表面轮廓近似为多个平坦表面，以及

将所述多个平坦表面与所述多个翼展方向区段和/或弦向区段相关联。

在一个方面，所述多个翼展方向区段和/或弦向区段中的每一个可以包括所述多个平坦表面中的单个表面。在替代的方面，所述多个翼展方向区段和/或弦向区段中的每一个可以包括大量的所述多个平坦表面。

虽然应当理解，所述切割模具元件的切割表面可以包括单个基本上平坦的表面，但是还应当理解，每个所述切割模具元件的切割表面可以包括多个不同取向的平坦表面，以形成风力涡轮机叶片模具几何形状的近似几何切片。

此外，虽然切割表面可以在所述区段的翼展方向和弦向方向中的一者或两者上被设置成直线形或平面形，但是应当理解，切割表面可以包括围绕所述区段的翼展方向轴线或弦向轴线的一定程度的扭转。

由于可以在切割操作期间调节热线切割装置的取向以提供对相对复杂的几何形状的切割，因此切割表面可以包括一定程度的扭转以更精确地符合期望的模具几何形状。

优选地，执行所述近似步骤，其中所述多个表面或表面部分在公差裕度内遵循弯曲表面轮廓。优选地，所述公差裕度在大约10毫米内，优选地在大约5毫米内，进一步优选在大约1毫米内。

模具坯件元件可以包括平面下表面和对应于整合的风力涡轮机叶片模具表面的一部分的上表面。模具坯件元件可以在俯视图中具有矩形外形。

还提供了根据上述方法的任一方面制造的风力涡轮机叶片模具。

还提供了一种制造用于风力涡轮机叶片壳体的模具塞的方法，其中该方法包括以下步骤：

提供风力涡轮机叶片模具塞几何形状；

将所述风力涡轮机叶片模具塞几何形状分为多个单独的几何切片；

提供多个塞坯件元件，其中所述多个塞坯件元件与所述多个单独的几何切片相对应；

切割所述多个塞坯件元件以形成具有切割表面的多个切割塞元件，其中所述切割基于所述多个单独的几何切片；以及

组装所述多个切割塞元件，其中所述切割塞元件的切割表面基本上形成整合的风力涡轮机叶片模具塞表面。

类似于模具坯件元件，塞坯件元件也可以由低重量的材料制成，例如由泡沫聚合物制成，并且还可以涂覆弹性涂层，例如弹性体涂层，如聚脲涂层。

还提供了制造风力涡轮机叶片模具或风力涡轮机叶片模具塞的至少一部分的方法，该方法包括以下步骤：

提供叶片模具或叶片模具塞模板几何形状以限定风力涡轮机叶片模具或风力涡轮机叶片模具塞的至少一部分；

提供至少一个模具坯件元件；

提供柔性切割装置；以及

使用所述柔性切割装置切割所述至少一个模具坯件元件，以形成具有切割表面的至少一个切割模具元件，所述切割表面形成风力涡轮机叶片模具或风力涡轮机叶片模具塞的至少一部分，其中该方法还包括：

基于所述模板几何形状对所述柔性切割装置进行重新成形，使得所述柔性切割装置被布置成根据所述模板几何形状切割所述至少一个模具坯件元件。

将理解的是，可以提供多个模具坯件元件，其中每个所述模具坯件元件可以被切割成具有多个切割表面，这些切割表面具有不同的表面轮廓。所述不同的表面轮廓可以对应于模板几何形状的不同部分。将进一步理解，模板几何形状可以包括一系列弯曲表面部分，其中所述重新成形被执行为使得柔性切割装置成形为基本上对应于模板几何形状的弯曲表面部分。

在一个方面，在所述切割步骤之前执行所述重新成形步骤。这可以通过使切割装置弯曲以呈现期望的轮廓来执行。在附加的或替代的方面，所述重新成形步骤可以在所述切割步骤期间动态地执行。切割装置可以设置有可调节部件，例如压电致动器装置，以在切割操作之前或切割操作期间调节切割装置的轮廓。

优选地，所述柔性切割装置包括热线切割装置。这种装置通常设置为由金属材料形成的相对薄且紧的金属线，所述金属材料例如为镍铬合金或不锈钢。线通过电阻加热到大约200℃，其中线的热量通过材料的燃烧或蒸发来切穿材料。这种切割装置适于切割聚苯乙烯和类似的泡沫材料。

优选地，所述重新成形步骤包括：

基于所述模板几何形状对所述至少一个切割模具元件限定期望的切割表面轮廓；以及

将所述柔性切割装置重新成形为对应于所述期望的切割表面轮廓。

优选地，重新成形的步骤包括：

提供至少一个柔性支承表面；

基于所述模板几何形状来调节所述至少一个柔性支承表面的形状；以及

将柔性切割装置压靠在所述至少一个柔性支承表面上，使得柔性切割装置呈现所述至少一个柔性支承表面的形状。

优选地，该方法包括提供相对的第一柔性支承表面和第二柔性支承表面，其中相对的第一柔性支承表面和第二柔性支承表面形成用于使柔性切割装置重新成形的柔性夹紧装置。

通过提供与平面切割相对的成形切割轮廓，相应地，切割的不同部分或切片在对实际弯曲几何形状的平面表面近似的公差裕度方面没有限制。结果，可以使用更少数量的几何切片来近似整个模具几何形状。

还提供了一种用于成形柔性切割装置的设备，其包括：

至少一个柔性支承表面，其中所述设备可操作以使所述至少一个柔性支承表面成形，

其中所述至少一个柔性支承表面的相对侧布置成支承在柔性切割装置上，使得所述柔性切割装置呈现所述至少一个柔性支承表面的形状。

优选地，该设备包括作用在所述至少一个柔性支承表面的第一侧上的致动器阵列（array），所述致动器阵列可操作以使所述至少一个柔性支承表面成形。优选地，该设备包括线性致动器阵列。

优选地，该设备包括彼此相对布置的第一柔性支承表面和第二柔性支承表面，使得所述第一支承表面和第二支承表面可操作以形成形状互补的支承表面，其中柔性切割装置被接纳在第一支承表面和第二支承表面之间。

优选地，所述至少一个柔性支承表面由柔性材料例如橡胶材料形成。

在一个方面，在所述至少一个柔性支承表面中可以限定有接纳通道，其中所述接纳通道设置成接纳柔性切割装置的至少一部分。

优选地，该设备还包括可以操作以调节所述至少一个柔性支承表面的控制器，其中所述控制器布置成接收模板几何形状，所述控制器布置成调节所述至少一个柔性支承表面以对应于所接收的模板几何形状的至少一部分。

在优选的方面，模板几何形状包括用于风力涡轮机叶片模具或风力涡轮机叶片模具塞的模板几何形状的至少一部分。

虽然以上可以关于用于风力涡轮机叶片模具的制造的特征来描述本发明的多个方面，但是应当理解，上述特征中的任何一个也可以应用于风力涡轮机模具塞的制造。

还提供了根据上述方法的任一方面制造的用于风力涡轮机叶片模具的模具塞。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机叶片的示意图；

图3示出了图2的叶片的翼面轮廓的示意图；

图4示出了从上方以及从侧方观察的图2的风力涡轮机叶片的示意图；

图5示出了根据本发明的一个方面的制造风力涡轮机叶片模具的方法的过程图；

图6示出了用于图5的方法的样品叶片模具几何形状；

图7示出了图6的叶片模具几何形状的示例性划分；

图8示出了图7的模具几何形状的划分的翼展方向截面图；

图9示出了用于图5的方法的样品切割设备和模具坯件元件；

图10示出了由图9的切割设备制成的第一切割模具元件；

图11示出了由图9的切割设备制成的第二切割模具元件；

图12示出了根据图5的方法的实施例制造的第一风力涡轮机叶片模具；

图13示出了图6的叶片模具几何形状的替代的示例性划分；

图14示出了图13的模具几何形状的翼展方向区段的横向截面图；

图15示出了根据图5的方法的实施例制造的第二风力涡轮机叶片模具；

图16示出了图6的叶片模具几何形状的另一替代的示例性划分；

图17示出了根据图5的方法的实施例制造的第三风力涡轮机叶片模具；

图18示出了根据本发明的另一方面的制造风力涡轮机叶片模具的方法的一部分的过程图；

图19示出了用于与图18的方法一起使用的切割装置的重新成形的设备；以及

图20示出了使用图18的方法的模具几何形状划分的翼展方向截面图。

应当理解，在附图中，本发明的不同实施方式共同的元件设有相同的附图标记。此外，应当理解，附图用于说明目的，并不按比例提供。

具体实施方式

图1示出了根据所谓的“丹麦概念”的常规的现代迎风式风力涡轮机2，其具有塔架4、机身6和具有大致水平的转子轴的转子。转子包括毂部8和从毂部8径向延伸的三个叶片10，每个叶片10具有最靠近毂部的叶片根端16和最远离毂部8的叶片尖端14。转子具有用R表示的半径。

图2示出了风力涡轮机叶片10的示意图。风力涡轮机叶片10具有传统的风力涡轮机叶片的形状，并且包括：最靠近毂部的根端区域30；最远离毂部的型面或翼面区域34；以及位于根端区域30与翼面区域34之间的过渡区域32。叶片10包括前缘18和后缘20，当叶片安装在毂部上时，前缘18面向叶片10的旋转方向，并且后缘20面向前缘18的相反方向。

翼面区域34（也称为型面区域）具有关于升力的产生方面的理想或近乎理想的叶片形状，而根端区域30由于结构方面的考虑则具有大致圆形或椭圆形横截面，例如使得能够将叶片10更容易且安全地安装至毂部。根端区域30的直径（或弦）一般是沿着整个根端区域30恒定的。过渡区域32具有从根端区域30的圆形或椭圆形形状40向翼面区域34的翼面轮廓50逐渐变化的过渡轮廓42。过渡区域32的弦长一般随着距毂部的距离r增加而大致线性地增加。

翼面区域34具有翼面轮廓50，翼面轮廓50具有在叶片10的前缘18与后缘20之间延伸的弦。弦的宽度随着距毂部的距离r增加而减小。

应当注意，叶片的不同区段的弦通常不位于共同的平面内，因为叶片可能扭转和/或弯曲（即，预弯），从而提供具有相应地扭转和/或弯曲的线路的弦平面，这最常见的是为了补偿叶片的局部速度取决于距毂部的半径的情况。

图3示出了通过各种参数描绘的风力涡轮机的典型叶片的翼面轮廓50的示意图，这些参数一般用来限定翼面的几何形状。翼面轮廓50具有压力侧52和吸力侧54，压力侧52和吸力侧54在使用期间（即在转子的旋转期间）通常分别面向迎风（或逆风）侧和背风（或顺风）侧。翼面轮廓50具有弦60，弦60具有在叶片的前缘56与后缘58之间延伸的弦长c。翼面轮廓50具有厚度t，厚度t限定为压力侧52与吸力侧54之间的距离。翼面的厚度t沿着弦60变化。与对称式轮廓的偏离由拱形线62表示，拱形线62是穿过翼面轮廓50的中位线。该中位线能够通过绘制从前缘56到后缘58的内接圆而得到。该中位线遵循这些内接圆的中心，并且从弦60的偏离或距离称为拱高f。也可以通过使用称为上拱高（或吸力侧拱高）和下拱高（或压力侧拱高）的参数来限定不对称性，其中上拱高和下拱高分别限定为从弦60到吸力侧54和到压力侧52的距离。

翼面轮廓通常通过下列参数来表征：弦长c、最大拱高f、最大拱高f的位置d_f、最大翼面厚度t（其为沿着中位拱形线62的内接圆的最大直径）、最大厚度t的位置d_t、以及鼻部半径（未示出）。这些参数一般限定为与弦长c之比。因此，局部相对叶片厚度t/c给定为局部最大厚度t与局部弦长c之比。另外，最大压力侧拱高的位置d_p可以用作设计参数，当然最大吸力侧拱高的位置也可以用作设计参数。

图4示出了叶片的一些其他几何参数。叶片具有总叶片长度L。如图2所示，根端位于位置r = 0处，并且尖端位于r = L处。叶片的肩部40位于位置r = L_w处并且具有肩宽W，其中肩宽W等于肩部40处的弦长。根端的直径限定为D。另外，叶片设置有预弯曲，预弯曲限定为Δy，其对应于从叶片的俯仰轴线22的平面外偏转。

风力涡轮机叶片10通常包括由纤维加强的聚合物制成的壳体，并且一般制造为沿着结合线28胶合在一起的压力侧或逆风侧壳体部件24和吸力侧或顺风侧壳体部件26，其中结合线28沿着叶片10的后缘20和前缘18延伸。风力涡轮机叶片通常由纤维加强塑料材料例如玻璃纤维和/或碳纤维制成，这些材料布置在模具中并且用树脂固化以形成实心结构。风力涡轮机叶片通常形成为单独的叶片壳体模具中的两个半壳，这两个半壳随后结合在一起以形成整合的风力涡轮机叶片。应当理解，术语“叶片模具”和“叶片壳体模具”在本文中可以互换地使用。

当代的风力涡轮机叶片通常能够超过30或40米长，具有数米长的叶片根端直径。风力涡轮机叶片通常为了相对较长的寿命并且为了承受显著的结构载荷和动态载荷而设计。

优选地，风力涡轮机叶片可以使用两级制造系统制造，其中风力涡轮机叶片壳体可以在被转移到用于闭合和精加工的模制后支架之前在简单的叶片模具中形成。这种系统在PCT公开No. WO2013113815中描述，其内容通过引用并入本文。

为了提供用于风力涡轮机叶片模具的低成本的高速制造方法，本发明提供了一种系统，其中风力涡轮机叶片模具由多个坯件元件制成，所述多个坯件元件可以被切割以形成叶片模具的多个部分。图5中示出了本发明的实施例的过程图。

首先，在步骤100中提供期望的风力涡轮机叶片模具几何形状。几何形状可以限定用于期望的风力涡轮机叶片模具的多个不同特性特征，例如翼展方向长度、弦向长度、深度、螺栓圆直径、期望的翼面轮廓等。图6中的70处中示出了期望的模具几何形状。

在一个方面，模具几何形状可以包括多个模具表面截面，这些截面限定模具的多个横向截面的模具的形状。可以通过在所述多个模具表面截面之间施加的平滑函数来内插整合的模具几何形状。附加地或替代地，模具几何形状可以包括在三维空间中限定的多个点的点云，其中该点云限定了叶片模具的表面轮廓几何形状。

应当理解，模具几何形状可以被提供为可以存储在计算机可读存储介质上的软件文件或计算机代码。模具几何形状可以作为本发明的方法的一部分产生，或者该系统可以被布置成接收例如计算机可读文件或指令集的形式的模具几何形状。

应当理解，可以基于新设计的风力涡轮机叶片几何形状来生产模具几何形状，其中风力涡轮机叶片模具是新的模具设计。可替代地，可以基于已有风力涡轮机叶片模具的适当的扫描或其他采样来生产模具几何形状，其中理想的是复制已有的风力涡轮机叶片模具。

一旦接收到期望的模具几何形状，就执行模具几何形状数据的进一步处理，以提供多个切割模板，见步骤102，切割模板可以用作切割设备的输入。在第一方面，模具几何形状被划分成多个单独的几何切片。

参照图7，所提供的模具几何形状70被划分成多个顺序的翼展方向区段，如图7中的区段S1-S8所示。区段S1-S8的尺寸被选择为使得每个区段在所述区段的翼展方向上具有基本上直线的轮廓形状，同时提供模具70的表面几何形状的相对精确的近似。

参照图8，示出了沿着模具几何形状70的纵向或翼展方向轴线截取的图7的区段的截面轮廓。模具几何形状70在曲线M处示出，所述区段在曲线S处示出，曲线S示出了所述区段的基本上平面或直线的翼展方向投影，其中模具几何形状和所述区段叠加在曲线M+S中。区段S1-S8选择为遵循模具表面的曲率，使得区段S1-S8的基本平坦的翼展方向与该区段的该部分的实际模具几何形状表面之间的误差裕度保持在阈值以下，例如使用最佳拟合（bet-fit）算法来进行。

优选地，所述区段选择为使得由所述部分限定的翼展方向的平面或直线表面在公差裕度内遵循曲面轮廓。优选地，所述公差裕度在大约10毫米内，优选在大约5毫米内，进一步优选在大约1毫米内。

应当理解，翼展方向区段S1-S8的具体尺寸可以基于所使用的具体的模具几何形状而变化。例如，如果模具几何形状在翼展方向上相对平直且不变，则各个翼展方向区段的长度在翼展方向上可能相对较长，同时仍然满足最佳拟合条件。相比之下，对于预弯曲的风力涡轮机叶片，模具几何形状可以在翼展方向上具有大的预弯曲，这可能需要相对大量的翼展方向区段以精确地遵循模具几何形状的预弯曲曲率。在图8所示的示例中能够看到，可以使用相对大量的区段来近似具有相对较高的翼展方向曲率的区域中的相对较小的翼展方向距离。

类似地，具有相对浅的拱高或曲率的模具几何形状可能需要更少数量的翼展方向区段，因为与具有相对更复杂的曲率或模具形状的模具几何形状相比，模具几何形状可以使用更少数量的区段或部分在可接受的最佳拟合阈值裕度内近似。

翼展方向区段限定用于切割设备的切割模板，使得可以从切割坯件元件切割或加工模具表面几何形状轮廓的近似，见步骤104。翼展方向区段优选地由在坯件元件的表面中进行的切割来形成，其中所述切割在对应于弦向方向的方向上执行。参照图9，示出了根据本发明的方法的切割系统的优选实施例。

在图9中，热线切割装置形式的机器人或计算机控制的切割设备在74处示出。热线切割装置74设置在铰接臂76上，以允许调节由切割装置74提供的切割角度。提供了模具坯件元件78，模具坯件元件78优选地由轻质材料如泡沫材料形成，优选由聚苯乙烯或发泡聚苯乙烯（EPS）材料形成。热线切割装置74被布置成穿过模具坯件元件78以将表面切割成坯件。使用从模具表面几何形状轮廓的近似提供的切割模板来控制热线切割装置74的取向，使得切割成坯件78的表面对应于最佳拟合区段和/或模具表面几何形状轮廓的近似的一些部分。

切割设备穿过模具坯件元件78以形成切割模具元件80，切割模具元件80上限定有切割表面82。虽然图10的示例示出了基本上平面的切割表面82，但将理解的是，切割设备可以布置成提供弯曲表面，例如沿翼展方向区段S1-S8的弦向方向的弯曲表面。

参照图11，示出了正在从模具坯件元件78a形成弯曲切割表面82a的热线切割装置74。在该示例中，热线切割装置74跨切割装置本身的长度执行基本上直线切割，其中该长度对应于模具几何形状的翼展方向。热线切割装置74到模具坯件元件78a中执行的切割深度可以在切割期间变化，导致在切割的方向C上的曲面轮廓，该方向对应于模具几何形状的弦向方向。

参照图12，可以顺序地布置已经使用基于不同翼展方向区段的弦向切口切割的单独的切割模具元件80，使得切割模具元件80的切割表面82一起限定了整合的风力涡轮机叶片模具表面84，其中，整合的风力涡轮机叶片模具表面基本上对应于期望的模具几何形状70。

在一个优选的方面，每个翼展方向区段S1-S8可以基于为该翼展方向区段内的区域计算的最佳拟合取向，限定切割模板，切割模板在弦向方向上具有在切割模板内的多个单独的切割取向和/或切割深度。在这方面，可以对模具轮廓的每个翼展方向区段进行单个切割操作，其中切割设备沿对应于模具轮廓的弦向方向的方向穿过坯件78。对于该构造，模具坯件元件78可以最初提供为与单独的翼展方向区段S1-S8的数量和外形尺寸匹配。

在替代的方面，单独的切割模板可以由多个弦向或横向部分限定，其中对每个弦向部分执行单独的切割操作。

参照图13，所提供的模具几何形状70可以被划分成多个顺序的翼展区段，这些区段在图13中被表示为区段S1’-S7’。在翼展方向区段S1’-S7’内，每个区段可以进一步划分成总体上用C表示的多个弦向区段。弦向区段的取向和尺寸被选择为紧密地遵循用于模具的该区段的期望模具几何形状70的表面轮廓。在一个方面，弦向部分可以被布置为基本上平面的部分，但是应当理解，该部分可以在翼展方向和/或弦向方向上限定一定程度的弯曲或扭转。

对于该实施例，可以在与模具几何形状70的翼展方向对应的方向上和/或在与模具几何形状70的弦向方向相对应的方向上执行模具坯件元件的切割方向。

使用翼展切割方向可能是对具有相对复杂的曲率的叶片几何形状的区域（例如，围绕最大弦的区域和/或在尖端区域的区域中）进行切割的更有效的方法，其中模具几何形状的翼展方向轮廓沿弦向方向显著变化。在这样的区域中，例如如图11所示的弦向直线切割可能不适合于叶片区段的完整弦向切割；在这种情况下，沿着翼展方向区段的弦向方向可能需要多个不同的区段，以虑及区段的翼展方向截面轮廓的变化。

参照图14，示出了跨模具几何形状的一部分沿着弦向方向截取的样品区段的截面轮廓。在这种情况下，多个弦向部分D1-D4被选择为沿着弦向方向遵循模具表面的曲率，使得基本上平面的弦向部分与该区段的该部分的实际模具表面之间的误差裕度保持在阈值以下，例如使用最佳模拟算法来进行。

对于这种构造，每个切割模具元件80的切割表面82可以限定划分的模具几何形状的单个弦向部分，如图10所示的切割模具元件80中所指示的。因此，整合的模具表面可以由各个切割模具元件80中的每一个的拼接组件形成。

参照图15，可以依次布置已经基于不同的翼展方向区段和弦向方向区段切割的单独的切割模具元件80，使得切割模具元件80的切割表面82一起限定了整合的风力涡轮机叶片模具表面84'，其中整合的风力涡轮机叶片模具表面基本上对应于期望的模具几何形状70。

应当理解，切割可以相对于期望的模具几何形状在模具坯件元件上以任何合适的方向制成，例如：（a）在翼展方向或纵向方向上，基本上平行于风力涡轮机叶片模具的在这种模具的根端与尖端之间的纵向轴线；（b）在弦向或横向上，在风力涡轮机叶片模具的前缘与后缘之间延伸；以及（c）在翼展方向和弦向方向这两个方向上的切割的组合。

本发明方法的另一个实施例在图16和图17中示出。

在图16中，示出了模具几何形状70的划分的替代方法。在该实施例中，划分导致提供多个顺序的翼展方向区段S1”-S7”。在翼展方向上具有相对不变的或恒定的截面表面轮廓的模具几何形状的区域中（例如在根部S1”以及空气动力学主体（mainboard）部分S4”-S6”中），所述区段优选地使用弦向切割由模具坯件元件形成，如图11所示。这种区段可以被布置为使用模具的前缘和后缘之间的单个模具坯件元件，和/或在翼展方向上具有相对较长的长度。

对于沿着区段（例如，最大弦S2”-S3”的区域和模具S7”的尖端区域中的那些区段）的弦向方向具有相对复杂或变化的曲率的区域，翼展方向区段可以进一步划分成通常表示为C2”、C3”、C7”的多个顺序的弦向区段。对于这种弦向区段，可以通过在翼展方向和/或弦向切割方向上切割模具坯件元件来形成表面轮廓。由于这些相对复杂曲率的区域被分成更小的部分，所以可以将模具表面几何形状更准确地近似为单独的部分，以便于制造和组装。

图17示出了由类似于图16的模具几何形状划分形成的样品风力涡轮机叶片模具84”。在模具84”中，如上所述，模具的那些具有稳定或相对恒定的曲率的区域，例如模具的根端和模具的主体部分处的区域可以由使用模具坯件元件的弦向切割形成的单个切割模具元件形成。

同样如上所述，模具的具有相对复杂或变化的曲率的区域（例如在过渡区域中，在最大弦的区域和模具的尖端处）可以由使用模具坯件元件的弦向和/或翼展方向切割形成的多个不同的弦向切割模具元件形成。

虽然上述实施例中将切割方向描述成在弦向和/或翼展方向上进行，但是应当理解，切割方向可以在大致与弦向和/或翼展方向一致的方向上进行，例如，在切割位置处的翼展方向或弦向轴线的+/- 20度内。

还应当理解，对于模具几何形状的一些区域，切割可以沿着扫掠（sweeping）或弯曲方向进行，例如，从大致弦向方向到大致翼展方向，或反之亦然。这种切割可能适合于相对高曲率的区域，例如模具几何形状的尖端区域。

此外，应当理解，切口的开始位置和/或结束位置可以被布置成限定模具几何形状的该区段的前缘和/或后缘的轮廓。开始位置和/或结束位置的这种调节可以通过针对模具几何形状的该区段的切割方向的适当的扫描或变化来实现。

各个切割模具元件80的组件可以使用任何合适的附接方式固定在一起，例如，螺栓连接、粘合剂、卡扣连接等。

在一个方面，由组装的切割表面82呈现的整合轮廓可以在公差极限内并且足够精确以呈现成品模具表面。然而，优选地，将涂层施加到整合轮廓，见步骤108，以呈现适于接收用于模制风力涡轮机叶片壳体的材料的成品模具表面。涂层也可以用作粘合剂，以将单独的切割模具元件80结合在一起以形成整合的风力涡轮机叶片模具。优选地，涂层包括弹性体涂层材料，优选为聚脲涂层，所述材料可以提供耐操作磨损和撕裂的弹性涂层。

可以在切割模具元件的组装的切割表面上和/或施加到整合的模具表面的涂层上进行精加工操作。精加工操作可以包括进一步的切割、研磨和/或抛光操作，以提供成品模具的光滑表面，并且解决组装的切割表面的边缘之间的任何表面不连续性。

在图18的过程图中示出了本发明的另一方面。作为使用平面热线切割装置形成直线或平面切口的替代方案，如图9和图10所示，该方法可以包括其中将柔性切割装置重新成形以提供非平面切割轮廓的过程。可以基于期望的切割几何形状来执行重新成形，以确保最终产品精确地对应于期望的设备轮廓。

在步骤200中，提供期望的元件几何形状，其可以限定例如风力涡轮机叶片模具表面或风力涡轮机叶片模具塞几何形状的轮廓形状。这种几何形状可以由用于设备制造过程的合适的控制器接收，并且可以由任何合适的系统提供，例如作为设备设计过程的结果，和/或通过对已有设备轮廓进行适当的扫描和映射来进行。

参照图19，在86处指示重新成形设备。重新成形设备86包括线性致动器88a、88b的上下阵列。致动器阵列88a、88b平行连续地布置，并且能够沿着平行的轴线移动，例如沿着图19中以X表示的水平轴线。第一柔性膜90a设置成邻近致动器88a的上部阵列的下侧，并且第二柔性膜90b设置成邻近致动器88b的下部阵列的上侧。柔性膜90a、90b可以松动地连接到致动器，或者仅仅保持在与阵列88a、88b的相应侧相邻的位置。

通过适当地调节阵列88a、88b中的致动器的位置，相应的柔性膜90a、90b可以变形以呈现轮廓形状。在步骤202中，基于风力涡轮机叶片模具或模具塞的期望的元件几何形状执行这种调节。结果，成形的柔性膜90a、90b形成一对相对的支承或夹紧表面，用于柔性切割装置的重新成形。应当理解，致动器阵列88a、88b优选地被调节以形成重新成形设备86的形状互补的支承表面。虽然所示的设备86使用一对相对的支承表面，但在替代构型中，该设备可以设置有单个可调节的支承表面，其中可以将柔性切割装置施加到该单个表面上，和/或该单个表面可以压靠在切割装置上。

致动器阵列88a、88b和相应的柔性膜90a、90b被设置为重新成形设备86的单独的子组件，使得上部阵列88a和膜90a可以相对于下部阵列88b和膜90b移动，优选地以遵循图19中以Y表示的箭头的夹紧动作移动。

在步骤204中，将热线切割装置74a形式的柔性切割装置定位在相对的成形柔性膜90a、90b之间。应当理解，可以在柔性膜90a、90b中的至少一个的表面中提供接收通道，以提供线在相对的表面之间的精确定位。虽然图19示出了线切割装置的重新成形，但是应当理解，替代类型的切割装置可以在所述设备中成形。

在步骤206中，如图19中的箭头Y所示，相对的夹紧表面以夹紧动作被带到一起。将由柔性膜90a、90b限定的表面夹紧在线切割装置74a上的动作用于使线切割装置74a重新成形和变形以呈现由柔性膜90a、90b和调节的致动器88a、88b限定的轮廓。夹紧表面施加在线切割装置74a上一段时期，并且夹紧压力适于确保线切割装置74a将保持夹紧表面的轮廓。然后，在步骤208中打开夹紧表面，并且从设备86移除重新成形的线切割装置。

然后，可以在如图9和图10所示的制造方法中使用重新成形的线切割装置，以提供具有相对复杂或弯曲的切割轮廓几何形状的切割模具元件。重新成形线切割装置以形成具有弯曲表面的模具元件的能力意味着与使用具有有限公差范围的基本上平坦的平面切割表面的方法相比，将模具几何形状设置成单独的几何切片并不如此受限制。因此，可以使用较小数量的相对较大的切片来重建模具几何形状，从而减少所需的不同模具坯件元件的数量，以及可能需要平滑的相邻模具元件之间的边界数量等。

通过使用重新成形的线切割装置所带来的优点的一个例子如图20所示，其中示出了沿着模具几何形状70的纵向或翼展方向轴线截取的截面轮廓。模具几何形状70在曲线M处示出，在曲线S处示出了区段，曲线S示出了区段的基本平面或直线翼展方向投影，其中模具的几何形状和区段叠加在曲线M + S中。

与图8的横截面轮廓相比，使用重新成形的线切割装置以在弦向方向上具有弯曲的切割轮廓允许了由翼展方向区段S1’-S4’容纳模具几何形状的相对复杂的曲率，从而导致单独的翼展方向区段以及用于构造和组装所需的相关模具坯件元件的数量减少。

应当理解，尽管在制造风力涡轮机叶片模具的上下文中描述了上述实施例的特征，但是这些实施例的特征可以同样适用于制造风力涡轮机叶片模具塞，其中风力涡轮机叶片模具塞可以被理解为用于制造风力涡轮机叶片模具的叶片模具的反元件。所述塞可以是要在这种叶片模具中制造的风力涡轮机叶片壳体的形状的精确表示。

使用根据本发明的用于这种风力涡轮机叶片加工设备的制造方法提供了一种低成本的高速制造方法，其允许用于新的制造设施生产线的柔性且高效的启动过程。

本发明不限于此处所描述的实施方式，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下进行修改或改动。

Claims (16)

1.一种制造用于风力涡轮机叶片壳体的模具的方法，其中该方法包括以下步骤：

提供风力涡轮机叶片模具几何形状；

将所述风力涡轮机叶片模具几何形状划分成多个单独的几何切片；

提供多个模具坯件元件，其中所述多个模具坯件元件与所述多个单独的几何切片相对应；

切割所述多个模具坯件元件以形成具有切割表面的多个切割模具元件，其中所述切割基于所述多个单独的几何切片；以及

组装所述多个切割模具元件，其中所述切割模具元件的切割表面基本上形成整合的风力涡轮机叶片模具表面，

其特征在于，

所述模具坯件元件由低重量材料形成，优选地由泡沫材料形成，并且其中

所述方法还包括向所述多个切割表面施加涂层的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述泡沫材料是聚苯乙烯或发泡聚苯乙烯（EPS）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，施加涂层的所述步骤包括施加弹性体涂层，优选地施加聚脲涂层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述切割步骤利用切割构件、优选地利用热线切割构件来执行。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括使所述整合的风力涡轮机叶片模具表面平滑的步骤。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述模具坯件元件包括平面下表面以及对应于所述整合的风力涡轮机叶片模具表面的一部分的上表面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，划分所述风力涡轮机叶片模具几何形状的所述步骤包括将所述几何形状划分成多个翼展方向区段和/或弦向区段。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述划分步骤包括：

将所述风力涡轮机叶片模具几何形状的曲面轮廓近似成多个翼展方向表面部分，所述多个翼展方向表面部分沿着所述风力涡轮机叶片模具几何形状的翼展方向连续地布置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个翼展方向表面部分中的至少一些包括在所述翼展方向表面部分的翼展方向上的大致直线轮廓形状。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述多个翼展方向表面部分中的至少一个包括围绕翼展方向轴线或弦向轴线的一定程度的扭转。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：

提供柔性切割装置，其中所述切割步骤基于所述多个单独的几何切片利用所述柔性切割装置执行；以及

基于所述多个单独的几何切片使所述柔性切割装置重新成形，使得所述柔性切割装置布置为根据所述单独的几何切片的形状切割所述多个模具坯件元件。

12.用于根据权利要求1至11中任一项的方法制造的风力涡轮机叶片壳体的模具。

13.用于制造风力涡轮机叶片壳体的模具，其中：

所述模具风力涡轮机叶片模具几何形状，所述风力涡轮机叶片模具几何形状被划分成多个单独的几何切片；并且其中

所述模具由多个模具坯件元件组装而成，其中所述多个模具坯件元件具有与所述多个单独的几何切片相对应的切割表面；并且其中

所述多个切割模具元件被组装成基本上形成整合的风力涡轮机叶片模具表面，其特征在于，

所述模具坯件元件由低重量材料形成，优选地由泡沫材料形成，并且其中

涂层被施加到所述多个切割表面。

14.根据权利要求12或13所述的用于风力涡轮机叶片壳体的模具用于风力涡轮机叶片壳体的制造的用途。

15.一种制造模具塞的方法，所述模具塞用于风力涡轮机叶片壳体的模具的制造，其中所述方法包括以下步骤：

提供风力涡轮机叶片模具塞几何形状；

将所述风力涡轮机叶片模具塞几何形状划分为多个单独的几何切片；

提供多个塞坯件元件，其中所述多个塞坯件元件与所述多个单独的几何切片相对应；

切割所述多个塞坯件元件以形成具有切割表面的多个切割塞元件，其中所述切割基于所述多个单独的几何切片；以及

组装所述多个切割塞元件，其中所述切割塞元件的切割表面基本上形成整合的风力涡轮机叶片模具塞表面。

16.根据权利要求15所述的方法制造的用于风力涡轮机叶片壳体的模具的制造的模具塞。