CN109605781B - 表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺及成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺及成型设备，涉及风电叶片生产领域，包括碳纤维纱线的放纱步骤、用树脂进行浸胶的步骤、预成型模具的导向步骤、固化成型模具的固化步骤、牵引装置的拉牵步骤和切割成型步骤，还包括对浸胶步骤前碳纤维纱线进行加热的加热步骤以及将脱模布覆于碳纤维纱线的上下两侧表面并随碳纤维纱线进入浸渍槽的放卷步骤，其中，碳纤维纱线在固化成型模具内经三段温度依次增大的加热区域加热固化成型。本发明的工艺成型的碳纤维拉挤板材的表面覆有脱模布，便于后序制作风电叶片主梁。

Description

表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺及成型设备

技术领域

本发明涉及风电叶片生产领域，具体涉及表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺及成型设备。

背景技术

随着风电相关产业的技术不断升级，目前风电叶片的长度越来越长，而叶片减重需求也日趋迫切。同时迫于市场竞争压力，叶片的成型成本也受到了巨大的挑战。

风电叶片通常由连续纤维增强树脂基复合材料制成，理想状况是，风电叶片尽可能轻，并且风电叶片的外壳将因此通常包括相对少量的树脂基复合材料层，叶片的内部增强提供了承载结构，也就是通常所示的风电叶片主梁。

由于碳纤维复合材料具有比强度比模量高、疲劳性能优异等性能特点，使用碳纤维制造风电叶片的主梁可以明显降低叶片的总体重量。但是由于碳纤维自身的价格数倍甚至数十倍于玻璃纤维价格，这使得碳纤维复合材料在风电叶片上的应用仅局限于少数场合。随着大丝束碳纤维成本的降低，一种新的碳纤维复合材料——碳纤维拉挤板材正在逐渐成为风电叶片领域的主流。

拉挤成型是将浸渍过树脂的纤维通过模具挤压作用成型后连续生产的一种工艺，其具备连续生产、自动化程度高、纤维直线度高等特点。通过拉挤成型制造出的板材具有其他工艺(如单向布灌注成型、单向预浸料成型)成型出的复合材料更高的单向拉伸、压缩和弯曲模量，这使得风电叶片的结构设计人员可以选择更高性能的材料，从而减少碳纤维复合材料的使用量。最重要的是，通过拉挤成型的碳纤维复合材料具有最低的成本。

本发明详细介绍一种适用于风电叶片大梁设计制造使用的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺及成型设备，使碳纤维拉挤板材的表面覆有脱模布，便于制作风电叶片主梁。

本发明采用如下技术方案：

表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺，包括如下步骤：

S1、纱架上的多根碳纤维纱线在张力控制器的作用下由牵引装置拉出，张力控制器根据纱架的整体重量来控制纱架上纱卷的放卷阻力，使每一根碳纤维纱线的张力保持一致；

S2、拉出的碳纤维纱线分别通过纬向电子储纬器瓷孔进入烘箱加热，烘箱内的红外加热器随碳纤维纱线的移动速度变化自动进行温度的补给，保持碳纤维纱线的温度恒定，加热后的碳纤维纱线经过引纱板呈水平排列后从烘箱拉出；

S3、呈水平排列的碳纤维纱线经过导纱板聚拢后进入浸渍槽，放卷装置将脱模布覆于碳纤维纱线的上下两侧表面并随碳纤维纱线进入浸渍槽；

S4、压纱杆将两侧表面覆有脱模布的碳纤维纱线全部压入浸渍槽内预先设有的树脂内，浸渍后经挤胶装置将多余树脂挤出，浸渍槽内的树脂由温度平衡装置进行温度补偿；

S5、步骤S4的碳纤维纱线进入预成型模具，将两侧表面覆有脱模布的碳纤维纱线定型成与板材相近的形状；

S6、经预成型的两侧表面覆有脱模布的碳纤维纱线进入固化成型模具，在固化成型模具内经三段温度依次增大的加热区域加热固化成型成两侧表面覆有脱模布的碳纤维拉挤成型板材；

S7、两侧表面覆有脱模布的碳纤维拉挤成型板材由牵引装置从固化成型模具拉出，并由裁切装置按长度要求切割成型。

优选的，步骤S3中，放卷装置通过红外定位仪探测脱模布与水平排列的碳纤维纱线之间的宽度位置变化来自动调节脱模布的覆着位置。

优选的，步骤S4中，多余树脂通过料板流回浸渍槽，浸渍槽和料板设有相互串联的夹层，温度平衡装置将水箱内的水加热至一个温度平衡值，并通过循齿轮泵将水在浸渍槽、料板和水箱之间循环，对树脂进行温度补偿，降低树脂的粘度至1000CP～1500CP。

优选的，步骤S4中，浸渍槽内的树脂由自动供料装置随浸渍槽内的液位降低进行自动补给，保持浸渍槽内的液位始终持平，液位高度比浸渍槽的总高度低30mm。

优选的，步骤S6中，固化成型模具内三段加热区域的温度分别为80℃～110℃、150～180℃和180～210℃。

优选的，步骤S7中，通过上下移动的砂轮打磨并切割碳纤维拉挤成型板材的端部，使碳纤维拉挤成型板材的两端呈倒角。

本发明还公开了一种表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型设备，包括碳纤维纱线由前至后依次穿过的纱架、浸渍槽、预成型模具、固化成型模具、牵引装置以及裁切装置，纱架上的多根碳纤维纱线由牵引装置拉出，纱架上还设有用于控制碳纤维纱线张力的张力控制器，所述纱架与浸渍槽之间设有用于加热碳纤维纱线的烘箱，加热后的碳纤维纱线经过引纱板呈水平排列后经过导纱板聚拢后进入浸渍槽，浸渍槽的底部设有用于维持浸渍槽内树脂温度平衡的温度平衡装置，浸渍后的碳纤维纱线经挤胶装置后进入预成型模具，预定型后进入固化成型模具，所述固化成型模具内由三段温度依次增大的加热区域组成；

还包括放卷装置，所述放卷装置位于浸渍槽的前端，用于将脱模布附着于碳纤维纱线的上下两侧。

优选的，所述浸渍槽和所述料板内设有相互串联的夹层，温度平衡装置包括水箱、加热装置和循齿轮泵，加热装置将水箱内的水加热至一个温度平衡值，循齿轮泵将水箱内的水在夹层与水箱之间循环。

优选的，所述自动供料装置包括分别盛放环氧树脂、固化剂、促进剂和脱模剂的四个料罐，料罐分别通过自动流量泵与真空胶桶连接，真空胶桶内设有用于搅拌物料的伺服搅拌机，真空胶桶通过自动控制阀与浸渍槽连通，浸渍槽内设有液位计，所述液位计与自动控制阀电联接。

优选的，所述固化成型模具内分为一区和二区，所述一区和二区分别由加热板控制温度，所述一区位于固化成型模具的入口端，所述二区位于固化成型模具的出口端，所述一区的温度小于二区的温度，所述一区进口段的外壁设有夹套，夹套上设有冷却水孔，冷却水孔通过管道与散热装置连通，高压泵将散热装置内的水在散热装置与夹套之间循环。

本发明的有益效果：

(1)本发明的成型工艺，在浸胶步骤前对碳纤维纱线进行加热，随碳纤维纱线的移动速度变化自动进行温度的补给，保持碳纤维纱线的温度恒定，可以提高碳纱的柔软度和韧性；

(2)本发明的成型工艺中，浸渍槽内的树脂由温度平衡装置进行温度补偿，使浸渍槽内的树脂保持一个温度平衡值，能够降低树脂的粘度，提高树脂的流动性；

(3)本发明的成型工艺，预定型的碳纤维纱线在固化成型模具内经三段温度依次增大的加热区域加热固化成型，降低预定型的碳纤维纱线进入固化成型模具入口段的温度，防止树脂在固化成型模具入口段处有残留并有固化结核块，防止结核块逐渐变大。

附图说明

附图用来提供对本发明的优选的理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺的流程图，具体包括如下步骤：

纱架1上的多根碳纤维纱线4在张力控制器2的作用下由牵引装置拉出，纱架1上连接有用于感应纱架1重量的重力传感器3，随着碳纤维纱线4的拉出，纱架1重量减轻，张力控制器2根据纱架1的整体重量减轻来加大纱架1上纱卷的放卷阻力，使每一根碳纤维纱线4的张力保持一致，碳纱张力控制在1～5N；

拉出的碳纤维纱线4分别通过纬向电子储纬器瓷孔5进入烘箱7加热，纬向电子储纬器瓷孔5主要用于检测碳纤维纱线4是否缺失，如果缺纱未及时补充，峰鸣器6会立即报警提示；烘箱7内的红外加热器8随碳纤维纱线4的移动速度变化自动进行温度的补给，温度设定为40～80℃，保持碳纤维纱线4的温度恒定，可以提高碳纤维纱线4的柔软度和韧性，加热后的碳纤维纱线4经过引纱板9呈水平排列后从烘箱7拉出，引纱板9采用聚乙烯材料制成，引纱板9上安装磁眼，磁眼的内径是5mm，引纱板9上的磁眼和对应的导纱板11上的纱孔数一致，磁眼在整个引纱板9上均分，间距分布为30mm×30mm；

呈水平排列的碳纤维纱线4经过导纱板11聚拢后进入浸渍槽10，导纱板11采用尼龙制作，导纱板11制作时纱孔安装有磁孔，单一的产品使用单一的导纱板11，导纱板11上的孔位面积设计比产品界面设计要放大2～8倍，孔与孔之间的间距控制在10～15mm，放卷装置将脱模布24覆于碳纤维纱线4的上下两侧表面并随碳纤维纱线4进入浸渍槽10，放卷装置是卷绕有脱模布24的磁阻尼装置23内，磁阻尼装置23具有沿碳纤维纱线4宽度方向左右摆幅功能，磁阻尼装置23通过红外定位仪25探测脱模布24与水平排列的碳纤维纱线4之间的宽度位置变化来自动左右摆幅调节脱模布24的覆着位置；

压纱杆13将两侧表面覆有脱模布24的碳纤维纱线4全部压入浸渍槽10内预先设有的树脂内，浸渍槽10内的树脂由温度平衡装置进行温度补偿，浸渍槽10内的树脂由自动供料装置随浸渍槽10内的液位降低进行自动补给，保持浸渍槽10内的液位始终持平，液位高度比浸渍槽10的总高度低30mm，自动供料装置包括分别盛放环氧树脂、固化剂、促进剂和脱模剂的四个料罐A、B、C、D，料罐A、B、C、D分别通过自动流量泵29与真空胶桶30连接，真空胶桶30内设有用于搅拌物料的伺服搅拌机28，真空胶桶30通过自动控制阀32与浸渍槽10连通，浸渍槽10内设有液位计31，液位计31与自动控制阀32电联接，四种原物料A环氧树脂占比为50wt.％～80wt.％、B固化剂占比为50wt.％～80wt.％、C促进剂占总配方比例的0.5wt.％～2wt.％、D脱模剂占比为0.75％～2％，通过自动流量泵29，同时补给物料进入带有真空装置胶桶30内，密闭抽真空后通过伺服搅拌机28搅拌，搅拌速度2000～4000r/min,搅拌后备用，液位计31探测浸渍槽10内的液位降低后将信号传至自动控制阀32，搅拌后的物料进入浸渍槽10进行补给；浸渍后经挤胶装置12将多余树脂挤出，挤胶装置12对应导纱板11的层数设定挤胶的层数，通过挤胶装置12来碾压碳纤维纱线4，挤压力在100～300N，提高碳纤维纱线4之间的间隙，可将碳纤维纱线4上多余的树脂挤出，多余树脂通过料板16流回浸渍槽10，浸渍槽10和料板16内部设有相互串联的夹层，加热装置18将水箱17内的水加热至一个温度平衡值，并通过循齿轮泵19将水在浸渍槽10夹层、料板16夹层和水箱17之间循环，对树脂进行温度补偿，降低树脂的粘度至1000CP～1500CP，提高树脂的流动性；

经挤胶后的两侧表面覆有脱模布24的碳纤维纱线4进入预成型模具14，将两侧表面覆有脱模布24的碳纤维纱线4预定型成与板材相近的形状；

经预定型的两侧表面覆有脱模布24的碳纤维纱线4进入固化成型模具15，固化成型模具15内分为一区和二区，一区和二区分别由加热板26控制温度，一区位于固化成型模具15的入口端，二区位于固化成型模具15的出口端，一区的温度150～180℃小于二区的温度180～210℃，一区和二区上分别预留测温孔装置27，测温孔27距离加热板26的距离是15mm，一区进口段的外壁设有夹套，夹套上设有冷却水孔33，冷却水孔33通过管道与散热装置22连通，散热装置22通过风冷装置21来降低水的温度，高压泵20将散热装置22内的水在散热装置22与夹套之间循环，使一区进口段的温度降低成80℃～110℃，在固化成型模具15内形成三段温度依次增大的加热区域，对预定型的碳纤维纱线4加热固化成型成两侧表面覆有脱模布24的碳纤维拉挤成型板材35；

两侧表面覆有脱模布24的碳纤维拉挤成型板材35由牵引装置从固化成型模具15拉出并由裁切装置按长度要求切割，牵引装置和裁切装置均安装于支架34上，牵引装置保证恒定的速度，速度控制范围0～1.4m/min，牵引力在10～12T，牵引装置采用履带式，履带夹持力控制在5～10T,牵引出碳纤维拉挤成型板材35，支架34上有速度传感器和长度计米器，可根据设定的速度反馈给牵引装置，长度计米器将长度数据反馈给控制中心后由裁切装置进行定长度的切割，裁切装置为切割和打磨一体装置，采用金刚石砂轮切割打磨配置无尘装置，砂轮为上下移动式，拉挤方向上砂轮不移动，根据砂轮的上下移动速度配合拉挤速度可以打磨出不同斜角长度的倒角，可定长切割的长度范围为1～300m，可根据实际情况设定，使碳纤维拉挤成型板材35的两端呈倒角。

本发明的成型工艺，在浸胶步骤前对碳纤维纱线进行加热，随碳纤维纱线的移动速度变化自动进行温度的补给，保持碳纤维纱线的温度恒定，可以提高碳纱的柔软度和韧性；浸渍槽内的树脂由温度平衡装置进行温度补偿，使浸渍槽内的树脂保持一个温度平衡值，能够降低树脂的粘度，提高树脂的流动性；预定型的碳纤维纱线在固化成型模具内经三段温度依次增大的加热区域加热固化成型，降低预定型的碳纤维纱线进入固化成型模具入口段的温度，防止树脂在固化成型模具入口段处有残留并有固化结核块，防止结核块逐渐变大。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型设备，包括碳纤维纱线由前至后依次穿过的纱架、浸渍槽、预成型模具、固化成型模具、牵引装置以及裁切装置，其特征在于，纱架上的多根碳纤维纱线由牵引装置拉出，纱架上设有用于控制碳纤维纱线张力的张力控制器，所述纱架与浸渍槽之间设有用于加热碳纤维纱线的烘箱，加热后的碳纤维纱线经过引纱板呈水平排列后经过导纱板聚拢后进入浸渍槽，浸渍槽的底部设有用于维持浸渍槽内树脂温度平衡的温度平衡装置，浸渍后的碳纤维纱线经挤胶装置后进入预成型模具，预定型后进入固化成型模具，所述固化成型模具内由三段温度依次增大的加热区域组成；

还包括放卷装置，所述放卷装置位于浸渍槽的前端，用于将脱模布附着于碳纤维纱线的上下两侧；浸渍槽内的树脂由自动供料装置自动补给，所述自动供料装置包括分别盛放环氧树脂、固化剂、促进剂和脱模剂的四个料罐，料罐分别通过自动流量泵与真空胶桶连接，真空胶桶内设有用于搅拌物料的伺服搅拌机，真空胶桶通过自动控制阀与浸渍槽连通，浸渍槽内设有液位计，所述液位计与自动控制阀电联接。

2.根据权利要求1所述的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型设备，其特征在于，所述浸渍槽和料板内设有相互串联的夹层，温度平衡装置包括水箱、加热装置和循齿轮泵，加热装置将水箱内的水加热至一个温度平衡值，循齿轮泵将水箱内的水在夹层与水箱之间循环。

3.根据权利要求1所述的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型设备，其特征在于，所述固化成型模具内分为一区和二区，所述一区和二区分别由加热板控制温度，所述一区位于固化成型模具的入口端，所述二区位于固化成型模具的出口端，所述一区的温度小于二区的温度，所述一区进口段的外壁设有夹套，夹套上设有冷却水孔，冷却水孔通过管道与散热装置连通，高压泵将散热装置内的水在散热装置与夹套之间循环。

4.一种使用如权利要求1所述的成型设备进行表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1、纱架上的多根碳纤维纱线在张力控制器的作用下由牵引装置拉出，张力控制器根据纱架的整体重量来控制纱架上纱卷的放卷阻力，使每一根碳纤维纱线的张力保持一致；

S2、拉出的碳纤维纱线分别通过纬向电子储纬器瓷孔进入烘箱加热，烘箱内的红外加热器随碳纤维纱线的移动速度变化自动进行温度的补给，保持碳纤维纱线的温度恒定，加热后的碳纤维纱线经过引纱板呈水平排列后从烘箱拉出；

S3、呈水平排列的碳纤维纱线经过导纱板聚拢后进入浸渍槽，放卷装置将脱模布覆于碳纤维纱线的上下两侧表面并随碳纤维纱线进入浸渍槽；

S4、压纱杆将两侧表面覆有脱模布的碳纤维纱线全部压入浸渍槽内预先设有的树脂内，浸渍后经挤胶装置将多余树脂挤出，浸渍槽内的树脂由温度平衡装置进行温度补偿；多余树脂通过料板流回浸渍槽，浸渍槽和料板设有相互串联的夹层，温度平衡装置将水箱内的水加热至一个温度平衡值，并通过循齿轮泵将水在浸渍槽、料板和水箱之间循环，对树脂进行温度补偿，降低树脂的粘度至1000CP～1500CP；步骤S4中，浸渍槽内的树脂由自动供料装置随浸渍槽内的液位降低进行自动补给，保持浸渍槽内的液位始终持平，液位高度比浸渍槽的总高度低30mm；

S5、步骤S4的碳纤维纱线进入预成型模具，将两侧表面覆有脱模布的碳纤维纱线定型成与板材相近的形状；

S6、经预成型的两侧表面覆有脱模布的碳纤维纱线进入固化成型模具，在固化成型模具内经三段温度依次增大的加热区域加热固化成型成两侧表面覆有脱模布的碳纤维拉挤成型板材；

S7、两侧表面覆有脱模布的碳纤维拉挤成型板材由牵引装置从固化成型模具拉出，并由裁切装置按长度要求切割成型。

5.根据权利要求4所述的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺，其特征在于，步骤S3中，放卷装置通过红外定位仪探测脱模布与水平排列的碳纤维纱线之间的宽度位置变化来自动调节脱模布的覆着位置。

6.根据权利要求4所述的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺，其特征在于，步骤S6中，固化成型模具内三段加热区域的温度分别为80℃～110℃、150～180℃和180～210℃。

7.根据权利要求4所述的表面覆有脱模布的碳纤维拉挤板材的成型工艺，其特征在于，步骤S7中，通过上下移动的砂轮打磨并切割碳纤维拉挤成型板材的端部，使碳纤维拉挤成型板材的两端呈倒角。

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