CN114651106B - 用于制造塔架结构的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于制造塔架结构的系统和方法。相应地，利用第一打印头组件增材制造互锁模子环。该互锁模子环在径向内面或径向外面中限定多个凹部。利用第二打印头组件将胶凝材料沉积在凹部中的一个或多个内。利用第二打印头组件将至少一个加强构件定位在凹部内。第二打印头组件在胶凝材料的固化期间定位在胶凝材料附近，以便为胶凝材料的固化提供滑动模子。

Description

用于制造塔架结构的系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及塔架结构，并且更特别地涉及用于增材制造诸如用于支撑风力涡轮的塔架结构的系统和方法。
背景技术
风电被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。机舱包括联接到齿轮箱和发电机的转子组件。转子组件和齿轮箱安装在位于机舱内的底板支撑框架上。一个或多个转子叶片利用已知的翼型件原理捕获风的动能。转子叶片以旋转能量的形式传递动能，从而转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，并且电能可传输到容纳在塔架内的转换器和/或变压器，并随后部署到公用电网。现代风电产生系统典型地采取具有多个这样的风力涡轮发电机的风场的形式，所述风力涡轮发电机可操作以向为电网提供功率的传输系统提供功率。
塔架结构(并且特别是风力涡轮塔架)通常由钢管、预制混凝土部段或它们的组合构造成。此外，管和/或混凝土部段典型地在场外形成，运输到现场，并且然后布置在一起以建造塔架。例如，一种制造方法包括形成预浇注的混凝土环、将环运输到现场、将环布置在彼此的顶部上、以及然后将环固连在一起。然而，随着塔架高度增加，常规的制造方法受到运输法规的限制，所述运输法规禁止运输具有大于约4至5米的直径的塔架部段。因此，某些塔架制造方法包括形成多个弧形区段并在现场例如经由螺栓连接和/或焊接将所述区段固连在一起以形成塔架的直径。然而，这样的方法需要大量的劳动，并且可能是耗时的。
因此，本领域正在不断寻求用于制造塔架的新的和改进的方法。相应地，本公开涉及用于制造解决上述问题的塔架的系统和方法。特别地，本公开涉及使用安装到竖直支撑结构的自动增材打印设备在现场增材制造塔架结构的方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
在一个方面，本公开涉及一种用于制造塔架结构的方法。该方法可包括利用第一打印头组件沉积互锁模子环的一层或多层。互锁模子环可在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部。第一打印头组件可至少包括在第一方向上定向的第一打印头。该方法可包括利用第二打印头组件在多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料，以便形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个。第二打印头组件可包括在第二方向上定向的第二打印头，其中第二方向不同于第一方向。该方法还可包括利用第二打印头组件将至少一个加强构件至少部分地定位在多个凹部中的凹部内。此外，该方法可包括在胶凝材料的固化期间将第二打印头组件的可铰接成形元件定位在胶凝材料附近，以便为胶凝材料的固化提供滑动模子(slip form,亦或滑动模板)。
在实施例中，该方法还可包括在互锁模子环的径向内面和互锁模子环的径向外面中限定多个凹部。
在实施例中，该方法还可包括同时利用第三打印头组件将胶凝材料至少部分地沉积在多个凹部中的一个或多个内。第三打印头组件可设置成与第二打印头组件径向地相对。第三打印头组件可包括在第二方向上定向的第三打印头。
在附加实施例中，定位所述至少一个加强构件还可包括利用与第二打印头同步的加强模块定位所述至少一个加强构件。第二打印头组件可经由可铰接接头联接到支撑臂。
在实施例中，在所述多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料还可包括利用第二打印头的多个沉积喷嘴沉积胶凝材料。在这样的实施例中，多个沉积喷嘴中的每个喷嘴可独立地可铰接。
在实施例中，该方法还可包括同时在多个凹部中的至少两个凹部中的每一个中沉积胶凝材料和所述至少一个加强构件。
在另外的实施例中，沉积互锁模子环的一层或多层还可包括沉积具有第一固化速率的一层或多层模子材料。在这样的实施例中，胶凝材料可具有第二固化速率，第一固化速率可不同于第二固化速率。
在实施例中，多个凹部中的一个或多个还可包括燕尾横截面形状。在实施例中，定位所述至少一个加强构件可包括从由第二打印头组件的加强模块支撑的卷中沉积线、线缆、带状物或微纤维中的至少一者。
在附加实施例中，该方法可包括将力施加到所述至少一个加强构件，以便张紧所述至少一个加强构件。
在实施例中，该方法还可包括利用胶凝材料密封互锁模子环的径向内面或径向外面中的至少一个。
在实施例中，塔架结构可为风力涡轮的一部分。
在另一方面，本公开涉及一种用于制造塔架结构的增材打印设备。增材打印设备可包括支撑结构。增材打印设备还可包括可操作地联接到支撑结构的第一打印头组件。第一打印头组件可包括在第一方向上定向的第一打印头，以沉积互锁模子环的一层或多层。互锁模子环可在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部。该设备还可包括第二打印头组件，该第二打印头组件定向成同时至少部分地在所述多个凹部中的一个或多个凹部内沉积胶凝材料和至少一个加强构件。该胶凝材料可形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个。第二打印头组件可包括在第二方向上定向的第二打印头。第二打印头可包括可铰接成形元件，该可铰接成形元件定位成在胶凝材料的固化期间提供滑动模子。第二打印头组件还可包括加强模块，该加强模块与第二打印头同步并构造成将至少一个加强构件至少部分地嵌入所述多个凹部中的凹部内。
在实施例中，增材打印设备还可包括第三打印头组件，该第三打印头组件包括在大体上水平的方向上定向的第三打印头，以同时将胶凝材料沉积在所述多个凹部中的一个或多个内。胶凝材料可形成内塔架壁。第三打印头组件可设置成与第二打印头组件径向地相对。
在实施例中，增材打印设备还可包括可操作地联接到支撑结构的第四打印头组件。第四打印头组件可包括在第一方向上定向的第四打印头，以沉积互锁模子环的一层或多层。第四打印头可设置成与第一打印头组件径向地相对。
应当理解，该系统还可包括本文描述的任何附加步骤和/或特征。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1图示根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示根据本公开的塔架和用于制造该塔架的增材打印设备的一个实施例的透视图；
图3图示根据本公开的塔架结构和用于制造该塔架结构的增材打印设备的一个实施例的竖直截面图；
图4图示图2的增材打印设备的某些部件的特写视图；
图5图示根据本公开的塔架结构的一个实施例的水平截面图；
图6图示图5的截面的一部分的特写视图；
图7图示与图2的增材打印设备一起使用的控制器的示意图；和
图8图示根据本公开的用于控制连接到电力网的风场的方法的一个实施例的流程图；
在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本发明的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例通过解释本发明的方式而不是限制本发明的方式被提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，意图是，本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
如本文中所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可能够互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接两者，除非本文中另有说明。
如本文中在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言用于修饰任何定量表示，在不导致与其相关的基本功能方面的改变的情况下可容许该定量表示变化。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可指在10%的裕度内。
这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这样的范围被标识并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文中公开的所有范围都包括端点，并且端点能够彼此独立地组合。
大体上，本公开涉及一种用于制造诸如风力涡轮塔架的塔架结构的增材打印设备和方法。特别地，本公开可包括利用至少第一和第二打印头组件经由增材制造来制造塔架。本公开可包括利用第一打印头组件打印互锁模子环。第一打印头组件可包括在第一方向上定向的第一打印头，以便通过在先前沉积的层的顶部上分层堆积新的材料层，大体上从下向上形成互锁模子环。互锁模子环可在塔架结构的径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部。当互锁模子环被构建时，凹部可在层之间对齐，以便在塔架结构的相应面中形成多个竖直定向或螺旋定向的凹穴(pocket)。
在通过第一打印头组件打印互锁模子环的同时，第二打印头组件可用于利用胶凝材料和至少一个加强构件填充凹部。第二打印头组件可包括第二打印头，该第二打印头可大体上沿着水平面定向。在第二方向上定向可允许第二打印头将胶凝材料沉积到凹部中和/或沿着塔架结构的内面或外面沉积。第二打印头组件还可包括可与第二打印头同步的加强模块。换句话说，例如，加强模块可以与第二打印头相同的速率向上推进凹穴，但正好定位在第二打印头的前面，以便将(多个)加强构件放置到由互锁模子环限定的凹部中。第二打印头组件还可包括联接到第二打印头的可铰接成形元件。在胶凝材料的固化期间，可铰接成形元件可提供滑动模子。照此，第二打印头组件可将加强构件插入凹部中，用胶凝材料填充凹部，并对胶凝材料进行精加工，使得所得到的表面可能需要最少的额外处理。
现在参考附图，图1图示了根据本公开的塔架结构的实施例的透视图。如图1中所描绘，塔架结构可为风力涡轮100的部件。如图所示，风力涡轮100大体上包括从支撑表面104延伸的塔架结构200、安装在塔架结构200上的机舱106以及联接到机舱106的转子108。转子108包括可旋转的毂110和至少一个转子叶片112，所述至少一个转子叶片22联接到毂110并从毂20向外延伸。例如，在图示实施例中，转子108包括三个转子叶片112。然而，在备选实施例中，转子108可包括多于或少于三个转子叶片112。每个转子叶片112可围绕毂110间隔开，以有利于旋转转子108，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂110可能够旋转地联接到定位在机舱106内的发电机(未示出)，以允许产生电能。
应当意识到，虽然本文中参考风力涡轮塔架进行讨论，但本公开不限于风力涡轮塔架，而是可用于其它建造应用中。特别地，本公开适用于具有混凝土构造和/或高塔架结构的任何应用。例如，本公开可用于家庭、建筑物、建筑物的部分、桥梁、塔架、柱和建筑工业的其它方面的增材制造中。此外，本文中所述的方法还可适用于制造受益于本文中所述的优点的任何类似结构。
现在参考图2、图3、图5和图7，呈现了根据本公开的经由增材打印设备300形成的塔架结构200的多个实施例的描绘。如图所示，塔架结构200限定具有内塔架壁224和外塔架壁226的周向塔架壁202。此外，如图所示，塔架壁202大体上限定中空内部208，在风力涡轮100中，该中空内部208可用来容纳各种涡轮部件。此外，如下面将更详细地描述的，塔架结构200可使用增材制造来形成。
在实施例中，塔架结构200可由至少一种胶凝材料210形成，所述至少一种胶凝材料210利用一个或多个加强构件212加强。(多个)加强构件212可为线、线缆、带状物、微纤维或它们的任何组合。如下面更详细地描述的，在打印过程期间，(多个)加强构件212可嵌入到胶凝材料210中。如本文中所用，胶凝材料210可包括任何合适的可加工糊剂，其可构造成在固化后结合在一起以形成结构。合适的胶凝材料可包括例如混凝土、沥青树脂(pitchresin)、沥青(asphalt,亦或柏油)、粘土、水泥、砂浆、胶凝组合物、聚合物组合物或其它类似的材料或组合物。例如，在至少一个实施例中，胶凝材料可为与集料结合的再循环聚合物。
在至少一个实施例中，塔架结构200可通过利用增材打印设备300沉积互锁模子环214的一层或多层而形成。互锁模子环214可在径向内面206或径向外面204中的至少一个中限定多个凹部216。在至少一个实施例中，互锁模子环214可限定多个凹部216以及径向内面206和径向外面204两者。在实施例中，可在径向内面206和径向外面204两者中限定相同数量的凹部216，并且多个凹部216可径向地对齐。在至少一个实施例中，所述一个或多个凹部216可限定在径向外面204中而不是在径向内面206中。在附加实施例中，由径向外面204限定的多个凹部216和由径向内面206限定的多个凹部216可具有不同的尺寸。应当意识到，多个凹部216的对齐和定相可在计数、大小和位置上是可变的。
多个凹部216可形成为具有有利于将胶凝材料210至少部分地固持在凹部216中的每一个内的几何形状。例如，多个凹部216可形成为具有位于大体上垂直于竖直轴线(V)的平面上的大体上梯形或燕尾(dovetail)横截面形状。换句话说，对于由径向外面204限定的凹部216，凹部216可包括具有比凹部216的最大凹部宽度220短的周向长度的凹部开口217。然而，在备选实施例中，凹部216可为大体上矩形的，并且可具有周向长度与最大凹部宽度220大体上相同的凹部开口217。
在至少一个实施例中，增材打印设备300可沉积径向内面204和径向外面206，同时在它们之间留下空隙。该空隙随后可被填充。例如，在至少一个实施例中，径向内面204和径向外面206可用作胶凝材料210或其它类似组合物被浇注或打印成的模子。在这样的实施例中，径向内面204和径向外面206可由相对于填充材料具有相对短的固化时间的聚合物或其它组合物形成。
当利用增材打印设备300沉积互锁模子环214的层时，在每个后续层中的多个凹部216可对齐以形成多个凹穴222。在至少一个实施例中，诸如图2中所描绘，多个凹穴222可竖直地定向。照此，凹穴222可从支撑表面104沿塔架结构200向上延伸到期望的高度。在备选实施例中，互锁模子环214的每一层可相对于前一层周向错开(例如，旋转)，使得互锁模子环214的后续层相对于互锁模子环214的先前层周向移位。多个凹部216的周向移位可导致多个凹穴222形成环绕互锁模子环214的多个螺旋凹穴。
仍然参考图2、图3、图5和图7，增材打印设备300可构造成将胶凝材料210沉积在多个凹部216中的一个或多个内，以便形成内塔架壁224或外塔架壁226中的至少一个。在这样的实施例中，互锁模子环214及其凹穴222可用作模子，以在胶凝材料210的固化阶段期间支撑胶凝材料210。换句话说，互锁模子环214可用作骨架以支撑沉积在多个凹部216中的胶凝材料210，直到胶凝材料210已固化和硬化。
在实施例中，胶凝材料210还可形成封装互锁模子环214的均匀的内塔架壁224或外塔架壁226。互锁模子环214的封装可用于密封互锁模子环214，以便将互锁模子环214与至少一个环境条件隔离。在备选实施例中，在多个凹部216内沉积胶凝材料210之后，互锁模子环214的至少一部分可作为内塔架壁224或外塔架壁226的一部分保留。应当意识到，在这样的实施例中，内塔架壁224和/或外塔架壁226可包括互锁模子环214和胶凝材料210两者的部分。
在实施例中，互锁模子环214可由模子材料形成。模子材料可为适合于在胶凝材料210的整个固化过程中为胶凝材料210提供至少临时支撑的任何材料。例如，模子材料可为热固性塑料、树脂、泡沫、纤维素材料、粉末金属和/或胶凝材料。模子材料可具有第一固化速率，并且胶凝材料210可具有第二固化速率。第一固化速率可不同于第二固化速率。例如，第一固化速率可具有比第二固化速率短的持续时间。应当意识到，具有相对快的固化速率的模子材料可有利于互锁模子环214用作在其上施加胶凝材料210的支撑件。还应当意识到，模子材料的相对快速固化可加速塔架结构200的增材制造过程。
现在参考图2至图4，塔架结构200可经由根据本公开的方面的增材打印设备300增材制造。值得注意的是，塔架结构200的全部或部分(特别是互锁模子环214)可使用增材打印设备300逐层打印。增材打印设备300可使用任何合适的装置来沉积诸如混凝土的增材材料的层，以形成塔架结构200。因此，本主题的方面涉及用于通过增材制造来制造诸如风力涡轮塔架的塔架结构的方法。如本文中所用，增材制造大体上被理解为包括用来合成三维物体的过程，其中在计算机控制下形成材料的连续层以创建物体，照此，可从数字模型数据产生任何大小和/或形状的物体。还应当理解，本公开的增材制造方法可包括三个自由度以及多于三个自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而且还能够打印弯曲和/或不规则的形状。
如图2和图3中特别描绘的，在实施例中，增材打印设备300可包括支撑结构302。支撑结构302可沿着大体上竖直的方向(V)从地面或从支撑表面104延伸。在实施例中，支撑结构302可包括至少一个竖直支撑部件304。(多个)竖直支撑部件304可位于塔架结构200的径向外侧。在另一各实施例中，(多个)竖直支撑部件304可位于内塔架壁224的径向内侧。
在附加实施例中，诸如在图3中特别描绘的，(多个)竖直支撑部件304可支撑水平支撑部件306。在实施例中，(多个)竖直支撑部件304和水平支撑部件306可为桁架状结构(例如，类似于塔式起重机)，但可以其它合适的方式形成或具有根据备选实施例的任何其它构造。在实施例中，水平支撑部件306可能够围绕(多个)竖直支撑部件304旋转。在附加实施例中，水平支撑部件306可能够移动地联接到(多个)竖直支撑部件304，以便允许水平支撑部件306在竖直方向(V)上移动。
在至少一个实施例中，(多个)竖直支撑部件304可构造成具有在其制造期间与塔架结构200同步增加的高度。在这样的实施例中，附加区段可与(多个)竖直支撑部件304组合，以便使用升降系统来提升竖直支撑结构。一般来说，升降系统可靠近支撑表面104定位，并且可构造成用于提升(多个)竖直支撑部件304和插入附加区段。
支撑结构302可构造成支撑可移动地联接到其的至少一个支撑臂308。在至少一个实施例中，(多个)可移动支撑臂308也可用作水平支撑部件306。(多个)支撑臂308可构造成将增材打印设备300的至少一个部件定位成邻近塔架结构200。(多个)支撑臂308还可构造成将功率、空气、胶凝材料、模子材料或其它资源输送到被支撑部件。在附加实施例中，(多个)支撑臂308还可配备有至少一个传感器310，用于检测(多个)支撑臂308相对于塔架结构200的位置。
如图2至图4中所描绘，增材打印设备300可包括由支撑结构302支撑的第一打印头组件312。第一打印头组件312可通过水平支撑部件306或(多个)支撑臂308中的至少一个来定位在支撑表面104或互锁模子环214的先前层上。
在实施例中，第一打印头组件312可包括第一打印头314。第一打印头314可在第一方向(AV)上定向。在实施例中，第一方向(AV)可为竖直方向。在附加实施例中，第一方向(AV)可具有小于45度的与垂线的偏差，并且可被认为是大体上竖直的方向。由于在第一方向(AV)上定向，第一打印头314可沉积互锁模子环214的一层或多层。第一打印头组件312可包括用于相对于塔架结构200调节第一打印头314的机构。例如，第一打印头组件312可包括导轨调节机构316，其构造成用于微调第一打印头314相对于塔架结构200的位置。应当意识到，导轨调节机构316可包括如影响第一打印头314的位置可能需要的这样的导轨和致动机构。例如，导轨调节机构316可例如包括线性致动器、伺服马达、轨道传送器系统、齿条和小齿轮机构和/或滚珠丝杠线性滑块。
如图2至图4中进一步所描绘，增材打印设备300还可包括由支撑结构302支撑的至少一个第二打印头组件318。(多个)第二打印头组件318可定向成同时将胶凝材料210和(多个)加强构件212至少部分地沉积在凹部216中的一个或多个内。(多个)第二打印头组件318可定位成邻近互锁模子环214的径向内面206或径向外面204，以形成内塔架壁224和/或外塔架壁226。应当意识到，在至少一个实施例中，(多个)加强构件212可被手动地至少部分地插入凹部216中的一个或多个内。还应当意识到，手动插入可为通过(多个)第二打印头组件318自动插入(多个)加强构件212的补充或代替。
在至少一个实施例中，增材打印设备300可同时采用至少第一打印头组件312和(多个)第二打印头组件318，以便减少塔架结构200的生产时间。例如，在这样的实施例中，第一打印头组件312可用来在支撑表面104上沉积互锁模子环214的几个起步层。一旦这些起步层固化到足以用作针对胶凝材料210的模子的程度，(多个)第二打印头组件318便可用来在第一打印头组件312继续沉积互锁模子环214的附加层的同时开始在多个凹部216内沉积胶凝材料210和(多个)加强构件212。随着互锁模子环214在高度上增加，第二打印头组件218可与第一打印头组件312协同地继续向上推进互锁模子环214。应当意识到，与在添加胶凝材料之前需要完成模子结构的方法相比，在沉积互锁模子环214的附加层的同时沉积胶凝材料210可减少塔架结构200的生产时间。
仍然参考图2至图4，在实施例中，(多个)第二打印头组件318可包括第二打印头320。第二打印头320可在第二方向(AH)上定向。在实施例中，第二方向(AH)可为水平方向。在附加实施例中，第二方向(AH)可具有与水平线45度或更小的偏差，并且可被认为是大体上水平的方向。由于在第二方向(AH)上定向，第二打印头320可将胶凝材料210沉积在多个凹部216内，以形成内塔架壁224和/或外塔架壁226。
第二打印头320还可包括至少一个沉积喷嘴322。(多个)沉积喷嘴322可联接到铰接部件324。铰接部件324可允许在第二打印头320中没有相应移动的情况下引导胶凝材料210的沉积。例如，在第二打印头320相对于塔架结构200保持相对静止的同时，铰接部件324可例如通过允许(多个)沉积喷嘴322沿着大体上水平的平面横越弧形来允许胶凝材料210沉积到最大凹部宽度220。
(多个)第二打印头组件318还可包括用于相对于塔架结构200调节(多个)沉积喷嘴322的附加机构。例如，(多个)第二打印头组件318可包括导轨调节机构316，其构造成用于微调(多个)沉积喷嘴322相对于塔架结构200的位置。应当意识到，导轨调节机构316可包括如影响(多个)沉积喷嘴322的位置可能需要的这样的导轨和致动机构。例如，导轨调节机构316可例如包括线性致动器、伺服马达、轨道传送器系统、齿条和小齿轮机构和/或滚珠丝杠线性滑块。在至少一个实施例中，导轨调节机构316可在第一方向上定向，以便允许(多个)沉积喷嘴322的竖直移动，同时保持(多个)沉积喷嘴322的大体上水平的取向。
仍然参考图2至图4，在实施例中，(多个)第二打印头组件318可包括可铰接成形元件326。可铰接成形元件326可定位成在胶凝材料210的固化期间提供滑动模子。可铰接成形元件326可经由铰接接头328和至少一个模子致动器330联接到第二打印头组件。在实施例中，可铰接成形元件326可形成为对应于塔架结构200的形状和周长。在备选实施例中，可铰接成形元件326可为在形状和大小上可调节的，以便对应于其中第二打印头组件318可能正在沉积胶凝材料210的区域中的塔架结构200的形状和周长。
在另一实施例中，可铰接成形元件326可以允许胶凝材料210在胶凝材料210从可铰接成形元件326的边缘出现时凝固的速率被推进。在实施例中，(多个)第二打印头组件318和可铰接成形元件326可随着塔架结构200在高度上增加而向上推进(多个)凹穴222。在至少一个备选实施例中，第二打印头组件218和可铰接成形元件326可围绕塔架结构200周向地前进，将胶凝材料210沉积在多个凹部216中。应当意识到，在至少一个实施例中，滑动模子的使用可允许以连续方式沉积胶凝材料210，而不是分段建造。使用可铰接成形元件326作为滑动模子还可导致基本上光滑的内塔架壁224和/或外塔架壁226。这样的光洁度可能很少需要或不需要额外的处理，以便获得针对塔架结构200的期望光洁度。还应当意识到，可铰接成形元件326可由金属、塑料、复合材料或任何其它材料构成，所述材料被选择为在可铰接成形元件326向上和/或横跨塔架结构200前进时为未固化胶凝材料210提供支撑以及提供期望的表面光洁度。
在实施例中，(多个)第二打印头组件318可包括加强模块332。加强模块332可与第二打印头320同步，并构造成将至少一个加强构件212至少部分地嵌入凹部216内。在至少一个实施例中，加强模块332可经由(多个)支撑臂308联接到支撑结构302。在这样的实施例中，加强模块332可定位成与第二打印头320邻近相同的凹穴222并且可与第二打印头320协同地沿着凹穴222前进。照此，加强模块332可刚好在通过第二打印头320将胶凝材料210沉积在相同的凹穴222中之前将(多个)加强构件212嵌入凹穴222中。在附加实施例中，加强模块332可联接到第二打印头320，使得(多个)第二打印头组件318形成包括第二打印头320和加强模块332的整体部件。
在附加实施例中，加强模块332可支撑(多个)加强构件212的卷或卷轴。加强模块332可定位在第二打印头320附近，并构造成用于在沉积胶凝材料210之前展开卷并将(多个)加强构件212卷到凹部216的打印区域中，使得(多个)加强构件212变得嵌入胶凝材料210内或在其上打印有胶凝材料210。另外，在实施例中，加强模块332可包括导轨调节机构316。在又一个附加实施例中，加强模块332还可构造成将力施加到(多个)加强构件212，以便将(多个)加强构件212后张紧。
仍然参考图2至图4，在实施例中，(多个)第二打印头组件318可包括多个沉积喷嘴322，并且沉积喷嘴322中的每一个可独立地能够铰接。(多个)第二打印头组件318还可包括多个加强模块332。(多个)第二打印头组件318可跨越至少两个周向间隔开的凹部216，以便同时将胶凝材料210和(多个)加强构件212沉积在至少两个凹部中的每一个中。例如，在实施例中，(多个)第二打印头组件318可构造成同时跨越塔架结构的四分之一圆周中的多个凹穴222，以便允许胶凝材料210和(多个)加强构件212同时沉积在四分之一圆周中的凹穴222中的每一个中。在附加实施例中，(多个)第二打印头组件318可跨越包括塔架结构200的圆周的一半和包含在其中的凹穴222的弧形。应当意识到，在多个凹穴222中同时沉积胶凝材料210可用于增加制造塔架结构200的速率。
在至少一个实施例中，诸如在图3中特别地描绘的，增材打印设备300可包括至少一个第三打印头组件334。(多个)第三打印头组件334可包括第三打印头336，该第三打印头336在大体上水平(AH)的方向上定向，以同时将胶凝材料210沉积在多个凹部216中的一个或多个内。(多个)第三打印头组件334可设置成与(多个)第二打印头组件318径向地相对，使得内塔架壁224可与外塔架壁226同时形成。在实施例中，第三打印头336可包括(多个)沉积喷嘴322，(多个)沉积喷嘴322联接到铰接部件324和可铰接成形元件326，如本文中所述。应当意识到，在至少一个实施例中，(多个)第三打印头组件334还可包括加强模块332，以有利于将(多个)加强构件212至少部分地沉积在凹部216内。
仍然参考图3，在至少一个实施例中，增材打印设备300还可包括第四打印头组件338。第四打印头组件338可能可操作地联接到支撑结构302。第四打印头组件338可包括在第一方向(AV)上定向的第四打印头340。由于在第一方向(AV)上定向，第四打印头340可沉积互锁模子环214的一层或多层。第四打印头组件338可设置成与第一打印头组件312径向地相对。应当意识到，与第一打印头组件312同时采用第四打印头组件338可减少塔架结构200的所需构建时间。在至少一个实施例中，诸如图3中所描绘的，通过同时采用第一打印头组件314、第二打印头组件318、第三打印头组件334和第四打印头组件338，可进一步减少所需的构建时间。
特别地如图7中所示，图示了可控制增材打印设备300的控制器400的合适部件的一个实施例的示意图。例如，如图所示，控制器400可包括一个或多个处理器402和(多个)相关联的存储器设备404，其配置成执行各种计算机实现的功能(例如，执行如本文中公开的方法、步骤、计算等和存储相关数据)。另外，控制器400还可包括通信模块406，以有利于控制器400和增材打印设备300的各种部件之间的通信。此外，通信模块406可包括传感器接口408(例如，一个或多个模数转换器)，以允许从一个或多个传感器310传输的信号被转换成可由处理器402理解和处理的信号。应当意识到，(多个)传感器310可使用诸如有线或无线连接的任何合适的装置通信地联接到通信模块406。另外，通信模块406还可能可操作地联接到增材打印设备300的部件，以便协调塔架结构200的形成。
如本文中所用，术语“处理器”不仅指在本领域中被称为包含在计算机中的集成电路，还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其它可编程电路。另外，(多个)存储器设备400大体上可包括(多个)存储器元件，包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存存储器)、软盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)和/或其它合适的存储器元件。(多个)这样的存储器设备404可大体上配置成存储合适的计算机可读指令，当由(多个)处理器402实现时，所述指令将控制器400配置成执行各种功能，包括但不限于如本文中所述制造塔架结构以及各种其它合适的计算机实现的功能。
现在参考图8，图示了用于控制风场的方法500的一个实施例的流程图。方法500可使用例如上文参照图2至图4讨论的本公开的增材打印设备300来实现，以制造图1至图3、图5和图6的塔架结构。为了说明和讨论的目的，图8描绘了以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不偏离本公开的范围的情况下，方法500或本文中公开的任何方法的各种步骤可被调整、修改、重新布置、同时执行或以各种方式修改。
如在(502)处所示，方法500可包括利用第一打印头组件沉积互锁模子环的一层或多层。互锁模子环可在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部。第一打印头组件可至少包括在第一方向上定向的第一打印头。如在(504)处所示，方法500可包括利用第二打印头组件在多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料，以便形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个。第二打印头组件可包括在第二方向上定向的第二打印头。第二方向可不同于第一方向。如在(506)处所示，方法500可包括利用第二打印头组件将至少一个加强构件至少部分地定位在凹部内。另外，如在(508)处所示，方法500可包括在胶凝材料的固化期间将第二打印头组件的可铰接成形元件定位在胶凝材料附近，以便为胶凝材料的固化提供滑动模子。
在附加实施例中，方法500还可包括在互锁模子环的径向内面和互锁模子环的径向外面中限定多个凹部。
在实施例中，方法500还可包括同时利用第三打印头组件将胶凝材料至少部分地沉积在多个凹部中的一个或多个内。第三打印头组件可设置成与第二打印头组件径向地相对。第三打印头组件可包括在第二方向上定向的第三打印头。
此外，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可互换性。类似地，所描述的各种方法步骤和特征以及针对每个这样的方法和特征的其它已知等同物可由本领域的普通技术人员混合和匹配，以根据本公开的原理构造另外的系统和技术。当然，应当理解，不一定可根据任何特定实施例实现上述所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文中描述的系统和技术可以实现或优化如本文中教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现如本文中可教导或建议的其它目的或优点。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
条款1. 一种制造塔架结构的方法，该方法包括：利用第一打印头组件沉积互锁模子环的一层或多层，该互锁模子环在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部，第一打印头组件至少包括在第一方向上定向的第一打印头；利用第二打印头组件在所述多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料，以便形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个，第二打印头组件包括在第二方向上定向的第二打印头，第二方向不同于第一方向；利用第二打印头组件将至少一个加强构件至少部分地定位在凹部内；以及在胶凝材料的固化期间将第二打印头组件的可铰接成形元件定位在胶凝材料附近，以便为胶凝材料的固化提供滑动模子。
条款2. 根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括在互锁模子环的径向内面和互锁模子环的径向外面中限定所述多个凹部。
条款3. 根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括同时利用第三打印头组件将胶凝材料至少部分地沉积在所述多个凹部中的一个或多个内，第三打印头组件设置成与第二打印头组件径向地相对，第三打印头组件包括在第二方向上定向的第三打印头。
条款4. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，定位所述至少一个加强构件还包括利用与第二打印头同步的加强模块定位所述至少一个加强构件，第二打印头组件经由可铰接接头联接到支撑臂。
条款5. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，在所述多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料还包括利用第二打印头的多个沉积喷嘴沉积胶凝材料，其中，所述多个沉积喷嘴中的每个喷嘴独立地可铰接。
条款6. 根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括同时将胶凝材料和所述至少一个加强构件沉积在所述多个凹部中的至少两个凹部中的每一个中。
条款7. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，沉积互锁模子环的一层或多层还包括沉积具有第一固化速率的一层或多层模子材料，并且其中，胶凝材料具有第二固化速率，第一固化速率不同于第二固化速率。
条款8. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述多个凹部中的一个或多个还包括环绕互锁模子环的多个螺旋凹穴。
条款9. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，所述多个凹部中的一个或多个还包括燕尾横截面形状。
条款10. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，定位所述至少一个加强构件还包括从由第二打印头组件的加强模块支撑的卷中沉积线、线缆、带状物或微纤维中的至少一者。
条款11. 根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括将力施加到所述至少一个加强构件，以便张紧所述至少一个加强构件。
条款12. 根据前述条款中的任一项所述的方法，还包括用胶凝材料密封互锁模子环的径向内面或径向外面中的至少一个。
条款13. 根据前述条款中的任一项所述的方法，其中，塔架结构是风力涡轮的一部分。
条款14. 一种用于制造塔架结构的增材打印设备，该增材打印设备包括：支撑结构；第一打印头组件，其可操作地联接到支撑结构，该第一打印头组件包括在第一方向上定向以沉积互锁模子环的一层或多层的第一打印头，互锁模子环在径向内塔架壁或径向外塔架壁中的至少一个中限定多个凹部；和第二打印头组件，其定向成同时将胶凝材料和至少一个加强构件至少部分地沉积在所述多个凹部中的一个或多个凹部内，其中，胶凝材料形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个，该第二打印头组件包括在第二方向上定向的第二打印头，其中第二方向不同于第一方向，第二打印头还包括可铰接成形元件，该可铰接成形元件定位成在胶凝材料的固化期间提供滑动模子；以及加强模块，其与第二打印头同步，并构造成将至少一个加强构件至少部分地嵌入所述多个凹部中的凹部内。
条款15. 根据前述条款中的任一项所述的增材打印设备，还包括第三打印头组件，该第三打印头组件包括在第二方向上定向的第三打印头，以同时将胶凝材料沉积在所述多个凹部中的一个或多个内，其中，胶凝材料形成内塔架壁，第三打印头组件设置成与第二打印头组件径向地相对。
条款16. 根据前述条款中的任一项所述的增材打印设备，还包括：第四打印头组件，其可操作地联接到支撑结构，该第四打印头组件包括在第一方向上定向以沉积互锁模子环的一层或多层的第四打印头，该第四打印头设置成与第一打印头组件径向地相对；和第三打印头组件，其包括在第二方向上定向的第三打印头，以同时将胶凝材料沉积在所述多个凹部中的一个或多个内，其中，胶凝材料形成内塔架壁，该第三打印头组件设置成与第二打印头组件径向地相对。
条款17. 根据前述条款中的任一项所述的增材打印设备，其中，加强模块联接到第二打印头以形成整体部件，该第二打印头组件经由可铰接接头联接到支撑臂。
条款18. 根据前述条款中的任一项所述的增材打印设备，其中，第二打印头还包括多个沉积喷嘴，所述多个沉积喷嘴中的每个喷嘴独立地可铰接。
条款19. 根据前述条款中的任一项所述的增材打印设备，其中，第二打印头组件还包括多个加强模块，并且其中，第二打印头组件跨越所述多个凹部中的至少两个凹部，以便同时在所述至少两个凹部中的每一个中沉积胶凝材料和所述至少一个加强构件。
条款20. 一种制造风力涡轮塔架结构的方法，该方法包括：利用第一打印头组件沉积互锁模子环的一层或多层，该互锁模子环在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部，第一打印头组件至少包括在第一方向上定向的第一打印头；利用第二打印头组件在所述多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料，以便形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个，第二打印头组件包括在第二方向上定向的第二打印头，第二方向不同于第一方向；以及利用第二打印头组件将至少一个加强构件至少部分地定位在凹部内。

Claims (20)

1.一种制造塔架结构的方法，所述方法包括：
利用第一打印头组件沉积互锁模子环的一层或多层，所述互锁模子环在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部，所述第一打印头组件至少包括在第一方向上定向的第一打印头；
利用第二打印头组件在所述多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料，以便形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个，所述第二打印头组件包括在第二方向上定向的第二打印头，所述第二方向不同于所述第一方向；
利用所述第二打印头组件将至少一个加强构件至少部分地定位在所述凹部内；和
在所述胶凝材料的固化期间将所述第二打印头组件的可铰接成形元件定位在所述胶凝材料附近，以便为所述胶凝材料的所述固化提供滑动模子。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述互锁模子环的所述径向内面和所述互锁模子环的所述径向外面中限定所述多个凹部。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
同时利用第三打印头组件将所述胶凝材料至少部分地沉积在所述多个凹部中的一个或多个内，所述第三打印头组件设置成与所述第二打印头组件径向地相对，所述第三打印头组件包括在所述第二方向上定向的第三打印头。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，定位所述至少一个加强构件还包括利用与所述第二打印头同步的加强模块来定位所述至少一个加强构件，所述第二打印头组件经由可铰接接头联接到支撑臂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述多个凹部中的所述一个或多个内沉积所述胶凝材料还包括利用所述第二打印头的多个沉积喷嘴沉积所述胶凝材料，其中，所述多个沉积喷嘴中的每个喷嘴独立地可铰接。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括同时将所述胶凝材料和所述至少一个加强构件沉积在所述多个凹部中的至少两个凹部中的每一个中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积所述互锁模子环的一层或多层还包括沉积具有第一固化速率的一层或多层模子材料，并且其中，所述胶凝材料具有第二固化速率，所述第一固化速率不同于所述第二固化速率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个凹部中的一个或多个还包括环绕所述互锁模子环的多个螺旋凹穴。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个凹部中的一个或多个还包括燕尾横截面形状。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，定位所述至少一个加强构件还包括从由所述第二打印头组件的加强模块支撑的卷中沉积线、线缆、带状物或微纤维中的至少一者。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将力施加到所述至少一个加强构件，以张紧所述至少一个加强构件。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
用所述胶凝材料密封所述互锁模子环的所述径向内面或所述径向外面中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述塔架结构是风力涡轮的一部分。
14.一种用于制造塔架结构的增材打印设备，所述增材打印设备包括：
支撑结构；
第一打印头组件，其可操作地联接到所述支撑结构，所述第一打印头组件包括在第一方向上定向以沉积互锁模子环的一层或多层的第一打印头，所述互锁模子环在径向内塔架壁或径向外塔架壁中的至少一个中限定多个凹部；和
第二打印头组件，其定向成同时将胶凝材料和至少一个加强构件至少部分地沉积在所述多个凹部中的一个或多个凹部内，其中，所述胶凝材料形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个，所述第二打印头组件包括：
第二打印头，其在第二方向上定向，其中所述第二方向不同于所述第一方向，所述第二打印头还包括可铰接成形元件，所述可铰接成形元件定位成在所述胶凝材料的固化期间提供滑动模子；和
加强模块，其与所述第二打印头同步并构造成将至少一个加强构件至少部分地嵌入所述多个凹部中的所述凹部内。
15.根据权利要求14所述的增材打印设备，还包括：
第三打印头组件，其包括在第二方向上定向的第三打印头，以同时将所述胶凝材料沉积在所述多个凹部中的一个或多个内，其中，所述胶凝材料形成所述内塔架壁，所述第三打印头组件设置成与所述第二打印头组件径向地相对。
16.根据权利要求14所述的增材打印设备，还包括：
第四打印头组件，其可操作地联接到所述支撑结构，所述第四打印头组件包括第四打印头，所述第四打印头在第一方向上定向以沉积所述互锁模子环的一层或多层，所述第四打印头设置成与所述第一打印头组件径向地相对；和
第三打印头组件，其包括在第二方向上定向的第三打印头，以同时将所述胶凝材料沉积在所述多个凹部中的一个或多个内，其中，所述胶凝材料形成所述内塔架壁，所述第三打印头组件设置成与所述第二打印头组件径向地相对。
17.根据权利要求14所述的增材打印设备，其中，所述加强模块联接到所述第二打印头以形成整体部件，所述第二打印头组件经由可铰接接头联接到支撑臂。
18.根据权利要求14所述的增材打印设备，其中，所述第二打印头还包括多个沉积喷嘴，所述多个沉积喷嘴中的每个喷嘴独立地可铰接。
19.根据权利要求14所述的增材打印设备，其中，所述第二打印头组件还包括多个加强模块，并且其中，所述第二打印头组件跨越所述多个凹部中的至少两个凹部，以便同时在所述至少两个凹部中的每一个中沉积所述胶凝材料和所述至少一个加强构件。
20.一种制造风力涡轮塔架结构的方法，所述方法包括：
利用第一打印头组件沉积互锁模子环的一层或多层，所述互锁模子环在径向内面或径向外面中的至少一个中限定多个凹部，所述第一打印头组件至少包括在第一方向上定向的第一打印头；
利用第二打印头组件在所述多个凹部中的一个或多个内沉积胶凝材料，以便形成内塔架壁或外塔架壁中的至少一个，所述第二打印头组件包括在第二方向上定向的第二打印头，所述第二方向不同于所述第一方向；和
利用所述第二打印头组件将至少一个加强构件至少部分地定位在所述凹部内。
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