CN115666902A - 用于制造复合结构的方法和复合结构 - Google Patents

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H·贝玛
R·萨约斯
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Abstract

在一个方面中，本公开针对一种复合结构(100)。复合结构(100)包括三维(3D)网格结构(62)和至少一个整体式蒙皮层(70)，所述至少一个整体式蒙皮层(70)至少部分地包封和固定网格结构。照此，网格结构(62)构造成在静态局部屈曲和动态全局屈曲中的至少一种下稳定复合结构(100)。

Description

用于制造复合结构的方法和复合结构
相关申请的交叉引用
本申请要求享有美国临时专利申请No. 63/043184、No. 63/043191和No. 63/043200的权益，所有这三个申请均于2020年6月24日提交，其通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及制造诸如转子叶片的复合结构的方法和设备。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且，在这点上，风力涡轮已得到越来越多的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕获风的动能。转子叶片将动能以旋转能的形式传送，以便使将转子叶片联接到齿轮箱或在未使用齿轮箱的情况下将转子叶片直接地联接到发电机的轴转动。然后，发电机使机械能转换成可部署到公用电网的电能。
转子叶片大体上包括典型地使用模制过程来形成的吸力侧壳和压力侧壳，吸力侧壳和压力侧壳在沿着叶片的前缘和后缘的结合线处结合在一起。此外，压力壳和吸力壳是相对轻质的，并且具有未构造成承受在操作期间施加于转子叶片上的弯曲力矩和其它负荷的结构性质(例如，刚度、抗屈曲性以及强度)。因此，为了提高转子叶片的刚度、抗屈曲性以及强度，典型地使用接合壳半部的内压力侧表面和内吸力侧表面的一个或多个结构构件(例如，相对的翼梁帽，在其之间构造有抗剪腹板)来增强主体壳。
翼梁帽典型地由包括但不限于玻璃纤维层压复合物和/或碳纤维层压复合物的多种材料构成。通过使纤维织物层堆叠于壳模具中而大体上围绕叶片的翼梁帽构建转子叶片的壳。然后，典型地，例如利用热固性树脂来将层灌注在一起。因此，常规的转子叶片大体上具有夹层面板构造。照此，大型转子叶片的常规叶片制造涉及高劳动成本、慢生产率以及昂贵的模具工具的低利用率。此外，定制叶片模具可为昂贵的。
因此，用于制造转子叶片的方法可包括成节段地形成转子叶片。然后，叶片节段可在现场或不在现场被组装，以形成转子叶片。例如，一些现代的转子叶片(诸如，在提交于2015年6月29日并且标题为“Modular Wind Turbine Rotor Blades and Methods ofAssembling Same(模块化风力涡轮转子叶片及其组装方法)”的申请号为14/753137的美国专利申请(该申请通过引用以其整体并入本文中)中描述的那些叶片)具有模块化面板构造。因此，模块化转子叶片的多种叶片构件可基于叶片构件的功能和/或位置而由不同的材料构成。
鉴于上述情况，本领域正在不断寻求新的和改进的转子叶片以及用于制造和/或组装这样的转子叶片和相关联的构件的方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面中，本公开针对一种制造复合结构的方法。该方法包括将至少一个织物层放置在大体上平坦的模具的顶上。该方法还包括将至少一个热塑性膜放置在邻近于至少一个织物层的一个或多个期望的位置中。此外，该方法包括：将至少一个织物层和至少一个热塑性膜在大体上平坦的模具的顶上共灌注或共结合在一起，以形成具有富含树脂的打印侧表面的至少一个蒙皮层，其中，至少一个蒙皮层在固化之后包括热塑性树脂。此外，该方法包括经由弯曲模具迫使至少一个蒙皮层成为期望的形状。另外，该方法包括：经由计算机数字控制(CNC)装置的挤出机将液态热塑性材料打印和沉积到弯曲的至少一个蒙皮层的富含树脂的打印侧表面上，以在其上形成三维网格结构。该方法还包括在至少一个织物层内至少部分地包封和固定网格结构以形成复合结构。
在另一个方面中，本公开针对一种制造复合结构的方法。该方法包括将至少一个织物层放置在大体上平坦的模具的顶上。该方法还包括：利用可灌注热塑性树脂材料在大体上平坦的模具的顶上灌注至少一个织物层，以在至少一个织物层上形成一个或多个富含树脂的打印侧区域。此外，该方法包括经由弯曲模具迫使复合结构成为期望的形状。另外，该方法包括：经由计算机数字控制(CNC)装置的挤出机将液态热塑性材料打印和沉积到富含树脂的打印侧表面上，以在其上形成具有三维网格结构的复合结构。此外，该方法包括在至少一个织物层内至少部分地包封和固定网格结构。
在又一个方面中，本公开针对一种复合结构。该复合结构包括由可灌注热塑性树脂材料和一个或多个纤维织物构成的至少一个蒙皮层以及与至少一个蒙皮层共灌注或共结合以在至少一个蒙皮层上形成富含树脂的打印侧表面的至少一个热塑性膜。该复合结构还包括固定到至少一个蒙皮层上的富含树脂的打印侧表面的三维(3D)网格结构，至少一个蒙皮层至少部分地包封和固定网格结构。照此，网格结构构造成在静态局部屈曲和动态全局屈曲中的至少一种下稳定复合结构。
在另外的方面中，本公开针对一种复合结构。该复合结构包括：由可灌注热塑性树脂材料和一个或多个纤维织物构成的至少一个蒙皮层，至少一个蒙皮层具有富含树脂的打印侧表面；以及固定到至少一个蒙皮层上的富含树脂的打印侧表面的三维(3D)网格结构，至少一个蒙皮层至少部分地包封和固定网格结构。照此，网格结构构造成在静态局部屈曲和动态全局屈曲中的至少一种下稳定复合结构。
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。并入本说明书中并构成本说明书的部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示根据本公开的方面的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示根据本公开的方面的复合结构的一个实施例的透视图；
图3图示图2的复合结构的分解视图；
图4图示根据本公开的方面的复合结构的前缘节段的一个实施例的横截面视图；
图5图示根据本公开的方面的复合结构的后缘节段的一个实施例的横截面视图；
图6图示根据本公开的方面的图2的复合结构沿着线6-6的横截面视图；
图7图示根据本公开的方面的图2的复合结构沿着线7-7的横截面视图；
图8图示根据本公开的制造诸如大体上在图2-7中图示的复合结构的复合结构的方法的一个实施例的流程图；
图9A图示根据本公开的平坦模具台的一个实施例的简化透视图，该平坦模具台具有铺设在其上的平坦织物；
图9B图示图9A的平坦织物的简化横截面视图；
图9C图示根据本公开的模具台的另一个实施例的简化侧视图，该模具台具有形成在其中的槽；
图10图示根据本公开的真空灌注过程的一个实施例的简化侧视图；
图11图示根据本公开的真空灌注过程的另一个实施例的简化侧视图；
图12图示根据本公开的真空灌注过程的又一个实施例的简化侧视图；
图13A图示根据本公开的预热弯曲模具的一个实施例的简化侧视图；
图13B图示图13A的预热弯曲模具的简化侧视图，其中平坦织物在该模具中被迫成为期望的形状；
图13C图示根据本公开的布置在弯曲模具上方的增材打印装置的一个实施例的透视图；
图13D图示图13C的增材打印装置的透视图，其中该装置打印根据本公开的网格结构；
图14图示根据本公开制造的复合结构的一个实施例的透视图；以及
图15图示根据本公开的制造诸如大体上在图2-7中图示的复合结构的复合结构的方法的另一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。每个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，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，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生再一个另外的实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本公开针对一种用于制造复合结构(包括其结构)的设备和方法，该设备和方法使用真空灌注和经由诸如3D打印、增材制造、自动纤维沉积或带沉积的技术以及利用CNC控制和多个自由度来沉积材料的其它技术进行的材料的自动沉积。该设备大体上包括平坦模具，复合结构的蒙皮例如经由真空灌注形成到该模具上。形成的蒙皮然后被迫进入弯曲模具，以形成诸如弯曲的转子叶片的期望的形状。然后，一个或多个稳定网格结构可单独地形成或直接打印到形成的蒙皮上以形成复合结构。
因此，本文中所描述的方法提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，本文中所描述的本公开的实施例可改进制造周期时间效率。例如，本公开的方法可提供容易地定制具有多种曲率、空气动力学特性、强度、刚度等的复合结构的能力。例如，本公开的打印或成型结构可设计成匹配用于复合结构的现有夹层面板的刚度和/或抗屈曲性。更具体地，可基于所需的局部抗屈曲性更容易地定制限定本公开中大体上提供的示例性转子叶片及其构件的复合结构。再一些另外的优点包括局部和暂时地屈曲以减小负荷和/或调谐转子叶片的共振频率以避免问题频率的能力。此外，本文中所描述的结构实现诸如限定转子叶片的复合结构的弯曲-扭转联接。此外，用于改进的定制复合结构的改进的制造方法以及与其相关联的改进的制造周期时间可因此实现复合结构(包括但不限于本文中所描述的转子叶片)的成本有效的生产和可用性，诸如通过更高的自动化水平、更快的生产率以及降低的工具成本和/或更高的工具利用率。此外，本公开的复合结构可能不需要粘合剂，尤其是利用热塑性材料生产的那些粘合剂，从而消除了与结合膏相关联的成本、品质问题和额外重量。
现在参考附图，图1图示根据本公开的风力涡轮10的一个实施例。如所示出的，风力涡轮10包括塔架12，塔架12上安装有机舱14。多个转子叶片16安装到转子毂18，转子毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘使主转子轴转动。风力涡轮发电和控制构件容纳于机舱14内。仅出于说明性目的而提供图1的视图，以将本发明置于示例性使用领域中。应当意识到，本发明不限于风力涡轮或任何特定类型的风力涡轮构造。另外，本发明不限于与风力涡轮一起使用，而是可用于生产任何复合结构，诸如具有转子叶片的任何应用。此外，本文中所描述的方法还可应用于制造受益于将结构打印或铺设到模具的任何复合结构。更进一步，本文中所描述的方法可进一步应用于制造受益于将结构打印或铺设到放置到模具上的蒙皮上的任何复合结构，这可包括但不限于在蒙皮已冷却之前，以便利用来自蒙皮的热以在打印的结构和蒙皮之间提供足够的结合。照此，消除了对额外粘合剂或额外固化的需要。
现在参考图2和图3，图示根据本公开的可由本文中大体上提供的结构、设备和方法生产的示例性复合结构的多种视图。更具体地，大体上提供了限定转子叶片16的复合结构的示例性实施例。如所示出的，所图示的转子叶片16具有分节段或模块化的构造。还应当理解，转子叶片16可包括在本领域中现在已知或以后开发的任何其它合适的构造。如所示出的，模块化转子叶片16包括至少部分地由热固性材料和/或热塑性材料构成的主叶片结构15和与主叶片结构15一起构造的至少一个叶片节段21。更具体地，如所示出的，转子叶片16包括多个叶片节段21。(多个)叶片节段21也可至少部分地由热固性材料和/或热塑性材料构成。
如本文中所描述的热塑性转子叶片构件和/或材料大体上包含在性质上可逆的塑性材料或聚合物。例如，热塑性材料典型地在被加热到某个温度时变得柔韧或可模制，并且在冷却时返回到刚性更大的状态。此外，热塑性材料可包括无定形热塑性材料和/或半结晶热塑性材料。例如，一些无定形热塑性材料可大体上包括但不限于苯乙烯、乙烯树脂、纤维素塑料、聚酯、丙烯酸树脂、聚砜和/或酰亚胺。更具体地，示例性无定形热塑性材料可包括聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙二醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚碳酸酯(PC)、聚乙酸乙烯酯、无定形聚酰胺、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯、聚氨酯或任何其它合适的无定形热塑性材料。另外，示例性半结晶热塑性材料可大体上包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、含氟聚合物、甲基丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或乙缩醛。更具体地，示例性半结晶热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚醚酮或任何其它合适的半结晶热塑性材料。
另外，本文中提供的某些热塑性树脂(诸如例如PMMA和聚酰胺)可经由VARTM或本领域中已知的其它合适的灌注方法经由灌注浸渍到结构织物中。基于可灌注PMMA的树脂系统的一个示例可为来自Arkema Corporation的Elium®。在这样的实施例中，可灌注热塑性塑料可作为(多种)树脂和催化剂的低粘度混合物灌注到织物/纤维材料中。因此，在固化时，可灌注热塑性树脂在原位形成热塑性基体以制造纤维增强复合物。与热固性树脂不同，所得到的热塑性基复合物是热可逆的。与制造热塑性纤维增强层压件的其它方法相比，使用可灌注热塑性塑料的优点是减少了需要大型压机来制造需要可应用于许多风力叶片构件的大尺度层压件的方法所需的资本装备。
此外，如本文中所描述的热固性构件和/或材料大体上包含在性质上不可逆的塑性材料或聚合物。例如，热固性材料一旦固化，就不可容易地再模制或返回到液体状态。照此，在初始成型之后，热固性材料大体上耐热、耐腐蚀和/或耐蠕变。示例热固性材料可大体上包括但不限于一些聚酯、一些聚氨酯、酯、环氧树脂或任何其它合适的热固性材料。
另外，如所提到的，如本文中所描述的热塑性材料和/或热固性材料可任选地利用纤维材料来增强，该纤维材料包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维、玄武岩纤维或类似物或它们的组合。另外，纤维的方向可包括多轴方向、单向方向、双轴方向、三轴方向或任何其它的另一合适的方向和/或它们的组合。此外，纤维含量可取决于对应的叶片构件中所需的刚度、叶片构件在转子叶片16中的区域或位置和/或构件的期望的可焊接性而变化。
更具体地，如所示出的，主叶片结构15可包括下者中的任一个或下者的组合：预成型的叶片根部区段20、预成型的叶片末梢区段22、一个或多个一个或多个连续翼梁帽48、50、51、53、一个或多个抗剪腹板35(图6-7)、固定到叶片根部区段20的额外的结构构件52和/或转子叶片16的任何其它合适的结构构件。此外，叶片根部区段20构造成安装或以其它方式固定到转子18(图1)。另外，如图2中所示出的，转子叶片16限定长度或翼展23，长度或翼展23等于叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间的总长度。如图2和图6中所示出的，转子叶片16还限定宽度或翼弦25，宽度或翼弦25等于转子叶片16的前缘24与转子叶片16的后缘26之间的总长度。如大体上理解的，宽度或翼弦25可大体上随着转子叶片16从叶片根部区段20延伸到叶片末梢区段22而相对于长度或翼展23在长度上变化。
特别地参考图2-4，具有任何合适的尺寸和/或形状的任何数量的叶片节段21或面板可大体上沿大体上展向方向沿着纵向轴线27布置于叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间。因此，叶片节段21大体上用作转子叶片16的外壳/覆盖件，并且可诸如通过限定对称或弧形的翼型件形状的横截面而限定基本上空气动力学的外形。在额外的实施例中，应当理解，叶片16的叶片节段部分可包括本文中所描述的节段的任何组合，并且不限于如所描绘的实施例。另外，叶片节段21可由包括但不限于任选地利用一种或多种纤维材料来增强的热固性材料或热塑性材料的任何合适的材料构成。更具体地，在某些实施例中，叶片面板21可包括下者中的任一个或下者的组合：压力侧节段44和/或吸力侧节段46(图2和图3)、前缘节段40和/或后缘节段42(图2-6)、无接头式节段、单接头式节段、多接头式叶片节段、J形叶片节段或类似物。
更具体地，如图4中所示出的，前缘节段40可具有前压力侧表面28和前吸力侧表面30。类似地，如图5中所示出的，后缘节段42中的每个可具有后压力侧表面32和后吸力侧表面34。因此，前缘节段40的前压力侧表面28和后缘节段42的后压力侧表面32大体上限定转子叶片16的压力侧表面。类似地，前缘节段40的前吸力侧表面30和后缘节段42的后吸力侧表面34大体上限定转子叶片16的吸力侧表面。另外，如在图6中特别地示出的，(多个)前缘节段40和(多个)后缘节段42可在压力侧接缝36和吸力侧接缝38处联结。例如，叶片节段40、42可构造成在压力侧接缝36和/或吸力侧接缝38处重叠。此外，如图2中所示出的，邻近的叶片节段21可构造成在接缝54处重叠。因此，在叶片节段21至少部分地由热塑性材料构成的情况下，邻近的叶片节段21可沿着接缝36、38、54焊接在一起，将在本文中对此更详细地进行讨论。备选地，在某些实施例中，转子叶片16的多种节段可经由构造于重叠的前缘节段40和后缘节段42和/或重叠的邻近的前缘节段40或后缘节段42之间的粘合剂(或机械紧固件)来固定在一起。
在具体实施例中，如图2-3和图6-7中所示出的，叶片根部区段20可包括与其一起被灌注的一个或多个纵向地延伸的翼梁帽48、50。例如，叶片根部区段20可根据标题为“Blade Root Section for a Modular Rotor Blade and Method of ManufacturingSame(用于模块化转子叶片的叶片根部区段及其制造方法)”的提交于2015年6月29日的申请号为14/753155的美国申请而构造，该美国申请通过引用以其整体并入本文中。
类似地，叶片末梢区段22可包括与其一起被灌注的一个或多个纵向地延伸的翼梁帽51、53。更具体地，如所示出的，翼梁帽48、50、51、53可构造成抵靠转子叶片16的叶片节段21的相对的内表面而接合。此外，叶片根部翼梁帽48、50可构造成与叶片末梢翼梁帽51、53对准。因此，翼梁帽48、50、51、53可大体上设计成控制在风力涡轮10的操作期间沿大体上展向方向(与转子叶片16的长度或翼展23平行的方向)作用于转子叶片16上的弯曲应力和/或其它负荷。另外，翼梁帽48、50、51、53可设计成承受在风力涡轮10的操作期间发生的展向压缩。此外，(多个)翼梁帽48、50、51、53可构造成从叶片根部区段20延伸到叶片末梢区段22或其部分。因此，在某些实施例中，叶片根部区段20和叶片末梢区段22可经由它们相应的翼梁帽48、50、51、53来联结在一起。
另外，翼梁帽48、50、51、53可由任何合适的材料(例如热塑性材料或热固性材料或它们的组合)构成。此外，翼梁帽48、50、51、53可由热塑性树脂或热固性树脂拉挤而成。如本文中所使用的，用语“拉挤”、“拉挤成型件”或类似用语大体上包含利用树脂来浸渍并且被牵拉通过固定模使得树脂固化、凝固或经历聚合的增强材料(例如，纤维或机织股线或编织股线)。照此，制造拉挤部件的过程典型地以生产具有恒定横截面的复合零件的复合材料的连续过程为特征。因此，预固化的复合材料可包括由增强的热固性材料或热塑性材料构成的拉挤成型件。此外，翼梁帽48、50、51、53可由相同的预固化的复合物或不同的预固化的复合物形成。另外，拉挤构件可由粗纱生产，粗纱大体上包含长且窄的纤维束，这些纤维束未组合，直到通过固化的树脂而联结。
参考图6-7，一个或多个抗剪腹板35可构造于一个或多个翼梁帽48、50、51、53之间。更特别地，(多个)抗剪腹板35可构造成提高叶片根部区段20和/或叶片末梢区段22中的刚性。此外，(多个)抗剪腹板35可构造成将叶片根部区段20封闭。
另外，如图2和图3中所示出的，额外的结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且沿大体上展向方向延伸，以便向转子叶片16提供进一步的支承。例如，结构构件52可根据标题为“Structural Component for a Modular Rotor Blade(用于模块化转子叶片的结构构件)”的提交于2015年6月29日的申请号为14/753150的美国申请而构造，该美国申请通过引用以其整体并入本文中。更具体地，结构构件52可在叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间延伸任何合适的距离。因此，结构构件52构造成提供如本文中所描述的用于转子叶片16的额外的结构支承以及用于多种叶片节段21的任选的安装结构。例如，在某些实施例中，结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且可延伸预确定的展向距离，使得前缘节段40和/或后缘节段42可安装到结构构件52。
现在参考图8至图14，本公开针对复合结构100和用于制造和/或组装其的方法，诸如本文中所描述的转子叶片面板21(和/或任何额外的转子叶片构件)。照此，在某些实施例中，本文中所描述的复合结构100可为压力侧表面、吸力侧表面、后缘节段、前缘节段或它们的组合。另外，本公开的复合结构100可至少部分地使用真空灌注、预浸材料、三维(3D)打印和/或制造技术的任何其它合适的组合来制造。
如本文中所使用的，3D打印大体上被理解成包含用于合成三维物体的过程，在该过程中，在计算机控制下形成连续的材料层，以产生物体。照此，可根据数字模型数据来生产几乎任何尺寸和/或形状的复合结构。应当进一步理解，本公开的方法不限于3D打印，而是还可包含多于三个的自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲形状。
特别地参考图8，图示根据本公开的用于制造复合结构100的方法150的一个实施例的流程图。大体上，本文中所描述的方法150可应用于制造本文中关于图1-7所描述的转子叶片面板。然而，应当意识到，所公开的方法150可针对在任何合适的技术领域中的任何其它合适的复合结构来实施。此外，出于说明和讨论的目的，图8描绘以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开的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，本文中公开的方法中的任何的多种步骤可以以多种方式调适、省略、重新布置或扩展。
如在(152)处示出的，方法150可包括将一个或多个平坦织物层56放置在平坦模具64或台上。例如，如图9A和图9B中所示出的，(多个)平坦织物层56图示为邻近于平坦模具64。在这样的实施例中，(多个)平坦织物层56可包括在大多数地方是双轴的玻璃织物(以及碳纤维或任何类型的增强纤维)，但是也可包括单向、三轴、四轴织物等。因此，通过将(多个)大体上平坦的织物层56放置在(多个)平坦模具上，改进了效率和周期/固化时间。
例如，在常规的叶片制造中，叶片壳灌注过程在针对给定叶片设计的专用定制模具中完成。因此，常规的叶片灌注过程花费时间在模具中铺叠所有材料、安装以用于灌注、灌注、固化并且在一些情况下后固化。在根据本公开的方法中，所有的灌注步骤都可在廉价的平坦模具/台上离线进行。这允许专用叶片形状模具仅用于热成型和打印过程，这是更快的过程。取决于所使用的可灌注热塑性材料，可使用多个廉价的平坦模具/台来以跟上一个真空成型/打印过程的周期时间的速度生产多个蒙皮。例如，如果真空成型和打印周期时间是30分钟，并且利用这种方法铺叠、灌注和固化蒙皮的总周期时间是4小时，那么可同时灌注八个蒙皮，以最大化真空成型/3D打印系统的生产率。
此外，(多个)平坦模具64比需要专用的、独特形状的模具更经济。因此，(多个)平坦模具64易于大规模复制和/或实施，从而允许多个平坦层压件快速热成型(并在其上打印)。在这样的实施例中，真空成型和打印可在一小时以内(诸如约30-45分钟或更短)完成。此外，如图9A中所示出的，本文中所描述的(多个)平坦模具64还可包括集成的加热元件66，以帮助固化复合结构。例如，在某些实施例中，(多个)平坦模具64可包括电阻加热、被加热的工作流体、热空气系统，或者可尺寸设计成使得(多个)台可放置在大型烘箱或加热系统内部。
在备选实施例中，如图9C中所示出的，代替完全平坦的，模具64可被修改成具有槽68，该槽68设计成容纳多种层片，诸如本文中所描述的翼梁层片。这使得翼梁层片能够铺设在槽中，打印侧膜能够铺设在模具表面上，并且剩余的蒙皮层片能够铺设在两者的顶上。然后，可在其上铺设任选的UV膜(如本文中在下面描述的)，其下方具有留在原地的流动介质(如果使用UV膜)。
返回参考图8，如在(154)处示出的，方法150可包括任选地选择性地将一个或多个界面层70放置在邻近于(多个)平坦织物层56的一个或多个期望的位置中。在这样的实施例中，如图9A中所示出的，由于(多个)织物层56是大体上平坦的，故有机会应用具有基于纤维的织物的多种叠层，其不必延伸总体结构的整个长度和/或宽度。此外，(多个)界面层70可放置成以便形成叶片面板的内表面或外表面的部分。照此，本文中所描述的复合结构可定制成具有不同的材料和/或针对重量优化。另外，或者作为(多个)界面层70的备选方案，复合结构100还可包括在打印界面侧处的富含树脂的热塑性表面(诸如Elium®)。此外，复合结构100可进一步包括在叶片壳的空气动力学表面上的另一个膜。
在特定实施例中，作为示例，(多个)界面层70可放置在其中一个或多个网格结构62将被打印到其的位置处，这在本文中在下面详细地描述。在另一个实施例中，(多个)界面层70可放置在转子叶片16的结合线区域(诸如后缘结合线或在叶片16中期望改进的粘合性的任何其它结合线)处。在这样的实施例中，在优选粘合剂没有与灌注的热塑性基体(诸如Elium®)充分结合的情况下，界面层70中的一个或多个可在期望的结合线处共灌注，该结合线成为结合膏或其它合适的粘合剂可用来将叶片构件结合在一起的界面。因此，在示例实施例中，薄的预固化环氧树脂玻璃纤维层可设置在结合线区域的内表面中，以在热成型之后提供改进的粘合性。在某些实施例中，该技术可利用任何合适的膜，或者预固化的复合材料可结合到本文中所描述的可灌注热塑性塑料。这允许进一步使用在可灌注热塑性塑料的情况下原本可能不能很好地起作用的粘合剂。在分立的位置中施加这些单独的层提供了高度定制的选项。此外，由于这些层放置在(多个)平坦模具上，故制造大体上更容易且更简单地完成，从而使过程更容易自动化。
在某些实施例中，本文中所描述的(多个)界面层70可优选地由PETG制成。在其它实施例中，(多个)界面层70可由聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的任何可行组合(诸如Elium®树脂)制成。此外，在实施例中，(多个)界面层70的厚度可优选地在约0.25毫米(mm)至约0.75 mm的范围内。
另外，(多个)这样的界面层70可放置在形成所成型的(多个)织物层56的内表面的位置处。因此，在这样的实施例中，内表面最终与打印侧表面(即，网格结构打印到其的表面)重合，并且可包括富含树脂的表面。例如，在实施例中，由纯热塑性树脂或树脂共混物(即，其中包括有很少或不显著的纤维或填料)制成的一个或多个热塑性膜可用来形成(多个)蒙皮的富含树脂的打印侧表面。在另一个实施例中，具有两个或更多个不同的热塑性树脂层的一个或多个多层热塑性树脂膜可用来形成(多个)织物层56的富含树脂的打印侧表面。在这样的实施例中，(多个)膜可在灌注之前在织物叠层的顶层和/或底层上铺设在平坦模具的顶上。在灌注期间，(多个)热塑性膜可固化到层压件叠堆的顶部和/或底部。在另外的实施例中，这样的热塑性膜不必包围打印侧表面的整个顶表面或底表面，而是可选择性地仅在需要节省成本或重量的地方使用。
在备选实施例中，还可使用灌注过程(即，不使用热塑性膜)来产生富含树脂表面，以在打印侧表面上产生有意富含树脂的区域(即，与层压件的其余部分相比，在待打印界面处的树脂体积分数更高)。在这样的实施例中，在打印界面处的树脂体积分数越大，可用于在该过程后期容易地流动和扩散到打印的网格材料中的游离热塑性树脂的量就越大。多种技术可用于在灌注期间输送富含树脂的表面，包括例如使用允许在灌注之后具有高树脂体积分数的高蓬松低重量的基于纤维的织物。另外，在实施例中，应当注意选择与可灌注热塑性塑料相容的织物，并且该织物是将不会在复合结构中引入不必要的缺陷或结构弱点的结构材料(诸如基于玻璃纤维的)。用以输送富含树脂表面的其它技术包括使用纹理化真空袋、剥离层片、薄纱和/或任何其它消耗品，这些消耗品将促进在期望表面上的额外树脂流动，并且当被移除时留下合适的表面光洁度和树脂含量，以用于充分结合到本文中所描述的打印表面。
返回参考图8，如在(156)处示出的，方法150可进一步包括将(多个)平坦织物层56与(多个)界面层70(如果包括)一起真空灌注在平坦模具64的顶上，以形成中间构件。例如，在一个实施例中，(多个)织物层56可利用可灌注热塑性塑料(诸如PMMA或Elium®树脂)灌注。在其它实施例中，(多个)织物层56可经由任何合适的灌注过程利用PMMA(例如，其中使用VARTM的Elium®树脂)、PET、PU、环氧树脂和/或其它热固性材料的任何可行组合灌注。
另外，如在(158)处示出的，方法150可进一步包括允许中间构件75在平坦模具64的顶上凝固或固化，以形成复合结构100的大体上平坦的基部。因此，固化的中间构件75具有带有例如适合于风力涡轮转子叶片的所得表面光洁度的表面。在其中空气动力学外表面不抵靠平坦模具固化的备选实施例中，所得表面光洁度可比期望的(即，对于典型的风力叶片)更粗糙。在这样的实施例中，方法150可包括在该表面上使用热塑性膜(优选地UV稳定的和叶片颜色的)或在该表面上提供薄纱织物(即，在热塑性膜下面或在没有膜的情况下使用)。
更特别地，在实施例中，如图10-13中大体上所示出的，将(多个)平坦织物层56与(多个)界面层70一起真空灌注在平坦模具64的顶上可包括使用VARTM(真空辅助树脂传递模制)。特别地，图10图示本文中所描述的真空过程的基本装置。如所示出的，在平坦模具64的顶上的(多个)平坦织物层56连同一个或多个界面层70可利用真空袋72覆盖。剥离层片74也可如期望地放置在(多个)平坦织物层56的顶上。此外，流动介质76可设置在蒙皮56的顶上，以通过提供流动促进材料来改进树脂流动，该流动促进材料更容易流过(相对于纤维增强织物)，以允许在材料开始胶凝或固化之前实现更大的流动距离。因此，在灌注过程期间，树脂可通过入口78注射，并且横跨蒙皮56和(多个)界面层70被拉到出口80。另外，如所示出的，该系统经由一个或多个密封件82密封，任选地，在蒙皮56的每侧上各有一个密封件82。
图11图示真空灌注过程的另一个实施例，其中层可具有不同的尺寸。例如，如所示出的，界面层70不覆盖复合结构100的整个外表面。相反，在某些实施例中，作为示例，界面层70可能仅需要放置在如本文中所描述的网格结构62将被打印的地方。另外，如图11的实施例中所示出的，复合结构100还可包括邻近于(多个)织物层56放置的一个或多个翼梁层片84。
此外，在特定实施例中，作为示例，本文中所描述的(多个)界面层70可由PETG、PMMA、ABS或PC材料构成。在额外的实施例中，可选择可灌注热塑性树脂和用来形成(多个)界面层70的材料，使得材料彼此相容(即，可灌注热塑性树脂在灌注或固化过程期间不侵蚀(多个)界面层)。例如，在一个实施例中，某些可灌注树脂系统中的单体可充当溶剂并溶解其它材料，包括许多热塑性塑料。虽然一定量的侵蚀可有益于促进灌注的热塑性塑料和另一种材料(包括热塑性膜)之间的良好化学结合，但是太多的侵蚀可在连续的步骤中改变用于其预期目的的界面层的结构。照此，在实施例中，诸如PMMA(丙烯酸)和聚碳酸酯的热塑性膜可与Elium®树脂一起使用。在某些情况下，液态热塑性树脂系统中溶剂、液态单体和/或其它组分的存在可与某些热塑性膜反应。因此，在本公开中，完成某些制造步骤以确保不会发生这样的反应。例如，在实施例中，方法150可包括增加催化剂水平以减少固化周期时间和/或在胶凝之后立即对层压件进行后固化，以确保所有反应性成分的完全固化，并最小化对热塑性膜的侵蚀。在另一个实施例中，方法150还可包括通过单独的或组合的其它手段(例如使用UV能量、额外热或两者的组合)固化复合结构100。
在某些实施例中，(多个)界面层70还可包括具有较高Tg(即，玻璃化转变温度)的材料，以改进(多个)层和打印的材料之间的蠕变性能。例如，在一个实施例中，材料的Tg可大于约70℃，或者更优选地约90℃。此外，在另外的实施例中，本公开可包括灌注技术，以在打印界面处输送富含树脂或纯树脂的表面。例如，在某些实施例中，(多个)界面层70可包括PMMA膜和聚碳酸酯加多层膜。因此，打印表面可被选择为与网格材料相容，使得表面是可打印/可焊接的。在一个实施例中，可使用富含树脂的Elium®表面、PMMA或PC膜，其中网格材料是具有适当量的玻璃纤维负载的PBT/PC的共混物。在这样的实施例中，模具温度也可增加，以确保PC膜被充分加热到高于其Tg，使得可发生焊接。此外，在这样的实施例中，PBT浓度可保持为低的，以保持回收相容性，并且也不干扰到富含树脂的表面的焊接。
在额外的实施例中，如果(多个)界面层70容易受到侵蚀，则可增加这样的层的厚度。通过增加层厚度，将在稍后步骤中打印的表面可不受来自可灌注热塑性塑料的灌注的树脂/催化剂的化学侵蚀的影响，该化学侵蚀影响与树脂/催化剂接触的表面。例如，在PETG膜作为界面膜的情况下，在0.25 mm及更小的尺寸下，已经见证了影响与打印的网格材料结合的不可接受的退化。因此，在这样的实施例中，PETG膜的厚度可为0.5 mm或更大或0.2 mm或更大。通过使用这种技术，未防止化学侵蚀，厚度增加到允许成功使用较低耐化学性的界面材料的程度。
例如，在特定实施例中，(多个)界面层的真空灌注典型地在约25℃下发生，随后随着外部热或热和紫外线(UV)能量的组合的进一步施加而在约25℃下快速固化。具有界面层补片的快速固化蒙皮可进一步后固化，典型地在90℃下。这些方法中的每种都旨在尽可能快地固化复合结构，以最小化对热塑性膜的任何侵蚀。
上述实施例描述了如何使用技术来快速固化灌注的热塑性树脂，以便在任何界面层上进行3D打印之前改进热塑性树脂与界面层的相容性。在额外的实施例中，本公开的方法还可确保可灌注热塑性系统(诸如Elium®等)能够承受这样的材料在热成型或3D打印过程期间暴露于的温度。例如，在某些情况下，如果材料和过程两者都没有被很好地理解和正确地应用，则这样的系统可在这样的温度下产生孔隙并开始失去机械完整性。为了实现这种高温回弹性，可使用多种方法制备可灌注热塑性树脂。在一个实施例中，可灌注热塑性树脂可在混合之后或混合期间但在灌注之前真空脱气。在另一个实施例中，本公开的方法可包括使用不包含邻苯二甲酸酯的催化剂。在这样的实施例中，可选择催化剂以确保其不包含将鼓励或促进除气的元素。在又一个实施例中，本公开的方法可包括在高温暴露之前干燥固化的层压件，以避免任何水分在树脂中蒸发。在实施例中，例如，可使用具有小于约0.5%的水分的水分含量的低水分含量催化剂，诸如Perkadox GB50L。在这样的实施例中，为了使层压件的耐温性最大化，低水分含量的催化剂混合物可在灌注之前真空脱气。因此，催化剂构造成减少邻苯二甲酸酯和水分两者。所有上述内容提供了一种具有使这些层压件在高达160℃的温度下运行而不退化的能力的方法。
示例催化剂可包括例如乙二醇二苯甲酸酯(诸如来自Nouryon的Perkadox GB50X或Perkadox GB50L)，当与诸如Elium®的可灌注树脂一起使用时。当与利用包含邻苯二甲酸二环己酯的催化剂(诸如来自Nouryon的Perkadox CH-50X)制成的层压件相比时，已经脱气并包括精选催化剂(诸如来自Nouryon的Perkadox GB50X和GB50L)的所得固化层压件大体上具有低得多的除气水平。后一种催化剂类型在其一些成分中包含诸如邻苯二甲酸酯的杂质，其开始形成孔隙。
在额外的实施例中，提供在打印侧表面上的给定热塑性塑料易受来自可灌注热塑性树脂系统的化学侵蚀，并且使用多层膜可保护热塑性塑料。这使得能够为灌注树脂选择更相容的膜，其与要使用的期望的打印侧表面热塑性塑料联接。如本文中所使用的，多层膜可包括共挤出或层压在一起的两种热塑性塑料。在另一个实施例中，取决于所选择的热塑性塑料，在打印侧层和灌注侧层之间可能需要第三连结层。
在再一些另外的实施例中，除了打印侧表面之外，复合结构100还可由对应于典型叶片颜色(诸如RAL 7035)的UV稳定的着色层构成。例如，如图12中所示出的，复合结构100可形成有对应于期望的叶片颜色的UV稳定的着色层86。在另一个实施例中，应当理解，(多个)界面层70和着色层86可颠倒。
因此，着色层可对应于最终构件的空气动力学表面。如所提到的，在一个实施例中，用于外层的优选膜应当与灌注树脂系统相容，或者应当包括用以保护膜免受侵蚀的方法。在某些实施例中，仅作为几个示例，合适的膜可包括丙烯酸、PET和聚碳酸酯基系统。这些膜还可包括如本文中所描述的多层构造。在特定实施例中，由于使用本文中所描述的平坦模具，这样的膜可容易地包括为复合结构的部分，其提供了在灌注和固化过程期间不会被不利地侵蚀的膜。另外，这样的膜提供了与固化层压件的合适结合，并造成在模制之后不需要涂漆的结构。如果在没有UV稳定层的情况下形成，则复合材料的表面可涂有例如丙烯酸基涂料，该涂料也将在真空成型温度(例如，大于110℃)下流动。
当灌注多个热塑性膜或一个热塑性膜和模具表面时，还可考虑额外的考虑因素。在这样的情况下，对于零件的整个长度，特别是对于诸如风力涡轮转子叶片的大型复合结构，可能难以实现适当的灌注树脂流动。因此，如所提到的，多种消耗品可使用流动介质76来通过提供流动促进材料来改进树脂流动，该流动促进材料更容易流过(相对于纤维增强织物)，以允许在材料开始胶凝或固化之前实现更大的流动距离。一旦树脂开始胶凝或固化，粘度就会增加，这会减缓和/或停止灌注过程。流动介质通常是非结构性材料，并且不期望留在最终结构中。因此，当利用纤维增强织物灌注热塑性膜(并且所述膜旨在留在最终结构中)时，如果流动介质将产生缺陷或以不期望的方式另外削弱层压件，则不可使用流动介质。因此，为了防止该问题，方法150还可包括纹理化或压延膜以促进通过膜中的小通道的流动。
例如，在一个实施例中，这样的通道或通路可通过在产生膜时使用压光辊来压印期望的纹理来产生。在另一个实施例中，方法150可包括使用可在灌注之后留在复合结构中的基于纤维的流动介质。如果介质与灌注树脂结合良好，改进流动，并且不会引起层压件的物理性质的不期望的降低，则可使用诸如连续原丝毡(CSM)或连续长丝毡(CFM)的织物。在特定实施例中，方法150还应当包括确保纤维上的胶料与灌注树脂相容，并且优选地使用结构长丝(诸如玻璃)来降低刚度重量比损失。
在再一个实施例中，方法150可包括利用两步或更多步灌注过程。在这样的实施例中，(多个)平坦蒙皮的外蒙皮层可在第一步骤中连同热塑性膜一起灌注，该热塑性膜旨在用于首先将打印侧表面抵靠平坦模具放置，平坦模具具有在顶部上的织物层片、如需要的可移除流动介质和真空袋。在固化之后，复合结构可被移除并翻转。然后，可如需要地将翼梁层片铺设在适当的区域中，并直接灌注到(多个)先前固化的蒙皮。在某些实施例中，热塑性膜可仅用作将在稍后的过程步骤中打印的一个或多个区域中的补片，并且不存在于将灌注二次层片的区域中。通过将结构反转到其相对侧上并将层片直接灌注到在期望区域中结构的当前顶部表面，例如，经由真空袋成型直接灌注到(多个)先前固化的蒙皮，可使用平坦模具或类似物来完成层片到(多个)先前固化的蒙皮的灌注。然后，灌注树脂可固化并结合到(多个)先前固化的织物层56。
在备选实施例中，一旦如本文中稍后所描述地真空成型了复合结构，则可就在打印到其之前将额外的基于纤维的层片灌注在弯曲叶片模具内，优选地在复合结构的顶部上。如果存在可能难以有效地从预固化的平坦面板真空成型为形状的显著数量的层片，则这可为有利的。另外，在这样的实施例中，在叶片模具中固化允许二次层片被固化成期望的最终形状。另一个实施例还可包括使用来自真空成型叶片模具的热来帮助固化和后固化额外的层片。如果期望，则该步骤也可在打印周期期间完成。
在某些实施例中，本文中所描述的真空灌注过程可消除可消耗(或可重复使用)的真空袋的使用。例如，如图12中所示出的，打印侧热塑性膜70也可兼作真空袋(使得可消除真空袋72)。相反，在这样的实施例中，期望的热塑性膜70可用作真空袋，从而减少制造过程中的浪费。在该实施例中，如所示出的，热塑性膜70可延伸超过增强织物，因此可使用诸如粘合剂、胶带(例如，Tacky tape®)等的适当的固定装置82将灌注物的周边密封到模具表面。在又一个实施例中，通过使用由于平坦模具而成为可能的相容的基于热塑性膜的粘合带，可消除Tacky tape®。例如，当使用弯曲模具时，需要Tacky tape®(即，典型地是丁基橡胶)，以获得与弯曲模具表面、真空袋的褶皱和/或成轮廓表面上真空密封的其它效果相关的额外贴合。相比之下，相容胶带中的热塑性塑料在灌注和水射流修整之后可与用来制造结构的其余部分的热塑性塑料一起回收。
作为本文中所描述的真空灌注方法的备选方案，方法150还可包括使用预浸料(即“预浸渍复合纤维织物”)。预浸料织物是已经在织物内包含灌注的树脂和催化剂但尚未固化或完全固化、聚合或完全聚合的那些织物。它们保持柔性和可成型性，并且典型地使用热来固化。(预浸料不应当与已经聚合的其它热塑性纤维增强片材相混淆)。在这样的实施例中，增强织物已经利用树脂浸渍。照此，在真空袋成型之后，需要来自平坦模具的热来固化叠层。在这种情况下，热塑性膜可如本文中所描述地施加在顶层和/或底层上，或者可由预浸料制造商预固结到预浸料织物。进一步的改进可包括在预浸料生产过程中使用多层预浸料并层压打印侧热塑性膜和/或空气动力学外表面热塑性膜。这种连续过程方法允许经由自动化提高成本效率和劳动效率。具有层压膜的多层预浸料的再一个实施例是直接水射流切割预浸料，将层压膜直接放置在模具中，并且使用来自真空成型过程的热来固化层压件。然后，一旦层压件被充分固化，就可完成本文中所描述的网格结构的3D打印。
返回参考图8，如在(160)处示出的，方法150可包括随后将中间构件75在压力下在模具中热成型为期望的弯曲或成轮廓形状。例如，如图13A和图13B中所示出的，中间构件75可经由压力放置在弯曲模具88中，使得中间构件75被迫成为弯曲形状。在实施例中，当中间构件75首先放置在模具88上时，模具88可为冷的或温的，但是优选地足够凉以对操作者来说是安全的。在中间构件75固定在模具88中之后，施加真空并冷成形该零件。然后，可加热模具以进一步形成中间构件75的期望形状。例如，在实施例中，模具88可被加热到在约100℃至约200℃的范围内的温度。
一旦中间构件75被成型为期望的形状，返回参考图8，如在(162)处示出的，方法150然后包括经由计算机数字控制(CNC)装置60将三维(3D)网格结构62直接打印和沉积到例如在模具88内的中间构件75的内表面上。更具体地，在某些实施例中，如图13C和图13D中所示出的，CNC装置60构造成将网格结构62打印并沉积到中间构件75的内表面上，以便具有任何合适的形状。在其中中间构件75和网格结构62由热塑性基体形成的某些实施例中，由于中间构件75的成型温度和实现热塑性焊接/结合的期望打印温度可相同，故CNC装置60可立即将网格结构62打印到中间构件75。更具体地，在特定实施例中，在中间构件75已经从成型冷却之前(即，当仍然热或温时)，CNC装置60构造成将网格结构62打印并沉积到中间构件75的内表面上。例如，在一个实施例中，CNC装置60构造成在结构已完全冷却之前将网格结构62打印并沉积到中间构件75的内表面上。另外，在另一个实施例中，CNC装置60构造成当结构已部分冷却时将网格结构62打印并沉积到中间构件75的内表面上。因此，可选择用于网格结构62和中间构件75的合适材料，使得网格结构62在沉积期间结合到中间构件75。因此，本文中所描述的网格结构62可使用相同的材料或不同的材料打印。
另外，本公开的方法150可包括处理中间构件75以促进中间构件75和网格结构62之间的结合。更具体地，在某些实施例中，可使用火焰处理、等离子体处理、化学处理、化学蚀刻、机械研磨、压花、提高至少要打印在中间构件75上的区域的温度和/或用以促进所述结合的任何其它合适的处理方法来处理中间构件75。在额外的实施例中，方法150可包括使中间构件75形成为在内表面上具有更多(或甚至更少)基体树脂材料，以促进所述结合。在额外的实施例中，方法150可包括改变蒙皮厚度和/或纤维含量以及纤维取向。
此外，本公开的方法150可包括改变网格结构62的位置和/或设计(例如，材料、宽度、高度、厚度、形状等或它们的组合)。照此，网格结构62可限定任何合适的形状，以便形成任何合适的结构构件，诸如翼梁帽48、50、抗剪腹板35或转子叶片16的额外的结构构件。例如，如图13D中所示出的，CNC装置60可通过首先打印结构62的轮廓来开始打印网格结构62并在多个道次中构建网格结构62。照此，CNC装置60的挤出机65可设计成具有任何合适的厚度或宽度，以便分散期望量的树脂材料，从而产生具有不同的高度和/或厚度的网格结构62。此外，网格结构62的尺寸可设计成允许其肋部件中间的面片材局部屈曲，这可影响作为极端(阵风)负载减轻装置的空气动力学形状。
在额外的实施例中，网格结构62可由本文中所描述的任何合适的热固性或热塑性材料形成。对于热固性树脂，树脂可通过任何合适的纤维增强来增强。对于热塑性塑料，在另一个实施例中，网格结构62可由本文中所描述的一种或多种热塑性材料的任何合适的共混物形成。例如，在一个实施例中，网格结构62可打印到外蒙皮56上或以其它方式固定到外蒙皮56。此外，热塑性塑料或热塑性共混物网格材料可利用任何合适的纤维材料进行纤维增强。例如，在实施例中，热塑性塑料或热塑性共混物可被玻璃增强(例如至多60重量%的负载)。另外的热塑性塑料和/或热塑性共混物可选择成用于与外蒙皮56的所选界面表面的热焊接和/或粘合剂结合相容性。例如，对于具有包括PMMA(其还可包括Elium®)的打印界面表面的蒙皮，网格材料可包括PMMA(其还可包括Elium®)、聚碳酸酯或ABS。此外，蒙皮界面材料可基于优选的网格材料选择来选择。通过示例的方式，如果PBT主导的网格配方是优选的，则蒙皮界面材料可选择为包括PET、PETG、PBT和/或其它热塑性聚酯中的一种或多种，以支持网格结构62与蒙皮界面的焊接相容性和直接打印。
在另一个实施例中，网格结构62和中间构件75(连同本文中所描述的其界面层)可借助于二次加强(或结合或固定)结构进一步附连到彼此。在一个实施例中，例如，二次加强(或结合或固定)结构可由纤维增强塑料(FRP)制成。如图14中所示出的，图示根据本公开形成的复合结构100的一个实施例的透视图，并且该图包括三层构造。
该实施例的另一方面可包括在足够低的温度下将预浸料施加到模具中，以免在铺叠和真空灌注过程期间引起过早固化。这样的方法200在图15中图示。特别地，如所示出的，图15图示根据本公开的用于制造复合结构100的方法200的一个实施例的流程图。大体上，本文中所描述的方法200可应用于制造本文中关于图1-7所描述的转子叶片面板。然而，应当意识到，所公开的方法200可针对在任何合适的技术领域中的任何其它合适的复合结构来实施。此外，出于说明和讨论的目的，图15描绘以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开的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，本文中公开的方法中的任何的多种步骤可以以多种方式调适、省略、重新布置或扩展。
如在(202)处示出的，方法200包括将一个或多个未固化的热塑性预浸渍织物(即预浸料)放置在平坦模具或台上。例如，在实施例中，可为平坦的(多个)未固化的热塑性预浸渍织物可被人工放置在平坦模具的顶上。在备选实施例中，(多个)未固化的热塑性预浸渍织物可从组合所有热塑性预浸料层的连续层压机分配。因此，(多个)分配的热塑性预浸渍织物可为未固化的或部分固化的/b级片材，其直接从连续层压机分配并分配到平坦模具中以用于进一步加工。
此外，如在(204)处示出的，方法200包括选择性地将一个或多个界面层(诸如热塑性膜)放置在邻近于(多个)未固化的热塑性预浸渍织物的一个或多个期望的位置中。如在(206)处示出的，方法200包括使用真空和真空袋将(多个)未固化的热塑性预浸渍织物与(多个)界面层一起固结在平坦模具的顶上。如在(208)处示出的，方法200包括向固结的材料施加热和/或紫外线能量，以使固结的材料在平坦模具的顶上凝固，以形成中间结构。如在(210)处示出的，方法200包括将中间结构在压力下在弯曲模具中热成型为期望的弯曲或成轮廓形状。如在(212)处示出的，方法200包括经由CNC装置将3D网格结构直接打印和沉积到弯曲模具内的中间构件的内表面上，以形成复合结构。
在某些实施例中，还可为优选的是，当将(多个)预浸料添加到模具中的现有蒙皮时，蒙皮优选地已经冷成型或在足够低的温度下成型，以免引起模具中的过早固化而成形。在另一个实施例中，热塑性蒙皮可首先真空成型，然后冷却到足以允许将预浸料施加在成型的蒙皮的顶部上，并且然后加热到适合于固化预浸料和/或打印到热塑性蒙皮的至少部分上的温度。在另一个实施例中，通过使用预浸料材料，基于热固性的树脂可容易地用于蒙皮的部分或全部中。预浸料层可手工层压到热塑性蒙皮的部分，并且固化可在专用真空袋下进行，并且可在真空成型过程和/或打印过程期间使用从被加热的模具通过蒙皮传递的热进行固化。在一个实施例中，该步骤可在打印过程之后仍然在模具上时完成。备选地，该步骤可在稍后的步骤中在单独的被加热的模具上进行。
在又一个实施例中，二次灌注可用来在真空灌注和/或打印步骤期间添加额外的层。在这样的实施例中，凝固的织物层可添加在模具中的复合结构的顶部上。然后可应用典型的真空袋成型，以在模具加热过程期间抽真空至适合于固化和/或打印的温度。灌注过程可在打印过程之前或之后进行。在一个实施例中，在主蒙皮在模具中冷成型之后执行灌注过程，并且然后来自真空成型和打印过程的热可用来更快地固化灌注的层片。灌注典型地不应当在将引起树脂系统在灌注过程期间固化的温度下执行。这些实施例还允许蒙皮在期望的地方具有基于热固性的选定区域。这些技术可适用于任何可灌注树脂系统，包括热固性塑料和热塑性塑料两者。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或系统，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。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (38)

1.一种制造复合结构的方法，所述方法包括：
将至少一个织物层放置在大体上平坦的模具的顶上；
将至少一个热塑性膜放置在邻近于所述至少一个织物层的一个或多个期望的位置中；
将所述至少一个织物层和所述至少一个热塑性膜在所述大体上平坦的模具的顶上共灌注或共结合在一起以形成具有富含树脂的打印侧表面的至少一个蒙皮层，其中，所述至少一个蒙皮层在固化之后包括热塑性树脂；
经由弯曲模具迫使所述至少一个蒙皮层成为期望的形状；
经由计算机数字控制(CNC)装置的挤出机将液态热塑性材料打印和沉积到弯曲的所述至少一个蒙皮层的所述富含树脂的打印侧表面上，以在其上形成三维网格结构；以及
在所述至少一个织物层内至少部分地包封和固定所述网格结构以形成所述复合结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述至少一个织物层和所述至少一个热塑性膜在所述大体上平坦的模具的顶上共灌注或共结合在一起以形成至少一个蒙皮层进一步包括将所述至少一个织物层和所述至少一个热塑性膜与可灌注热塑性树脂材料一起共灌注。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个织物层进一步包括一个或多个大体上平坦的干燥纤维织物或已经利用树脂浸渍的至少一个预浸渍复合纤维织物中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述至少一个织物层与所述至少一个热塑性膜一起固定在所述大体上平坦的模具的顶上以形成中间构件。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，将所述至少一个预浸渍复合纤维织物与所述至少一个热塑性膜一起固定在所述大体上平坦的模具的顶上以形成所述中间构件进一步包括：
将所述至少一个热塑性膜施加在所述至少一个预浸渍复合纤维织物层的顶部或底部上；以及
在真空袋成型以固化所述至少一个预浸渍复合纤维织物之后，加热或紫外线固化所述大体上平坦的模具以固化所述至少一个预浸渍复合纤维织物。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在将所述至少一个预浸渍复合纤维织物放置到所述大体上平坦的模具上之前预固结所述至少一个预浸渍复合纤维织物。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，将所述至少一个预浸渍复合纤维织物与所述至少一个热塑性膜一起固定在所述大体上平坦的模具的顶上以形成所述中间构件进一步包括：
在足够低的温度下将所述至少一个预浸渍复合纤维织物施加到所述大体上平坦的模具上，以免引起过早固化；
将所述至少一个热塑性膜施加在所述至少一个预浸渍复合纤维织物层的顶部或底部上；以及
对所述至少一个预浸渍复合纤维织物和所述至少一个热塑性膜进行加热或施加紫外线能量以形成所述中间构件。
8.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
真空成型所述至少一个蒙皮层；
冷却所述至少一个蒙皮层以允许将所述至少一个预浸渍复合纤维织物施加到所述至少一个蒙皮层；以及
对所述至少一个蒙皮层进行加热或施加紫外线能量至适合于将所述至少一个预浸渍复合纤维织物固化到其的温度。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个热塑性膜用作留置真空袋，其中，所述真空袋的至少部分成为所述中间构件的部分。
10.根据权利要求4所述的方法，进一步包括允许所述中间构件在所述大体上平坦的模具的顶上凝固以形成所述复合结构的大体上平坦的基部。
11. 根据权利要求4所述的方法，其中，允许所述中间构件在所述大体上平坦的模具的顶上凝固进一步包括：
将所述一个或多个平坦纤维织物与所述至少一个热塑性膜一起快速地固化；以及
将所述一个或多个平坦纤维织物与所述至少一个热塑性膜一起后固化。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用火焰处理、等离子体处理、化学处理、化学蚀刻、机械研磨、压花或提高至少要打印在所述中间构件上的区域的温度中的至少一种来处理所述中间构件。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个热塑性膜包括大于约0.2毫米(mm)的厚度。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，一旦形成所述复合结构，所述方法进一步包括在打印和沉积之前在所述复合结构的顶上在所述弯曲模具内灌注一个或多个额外的基于纤维的层片。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述大体上平坦的模具包括一个或多个槽。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个热塑性膜包括乙二醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)中的至少一种。
17.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个热塑性膜包括多层膜，其中所述多层膜的第一侧与所述可灌注热塑性树脂材料相容，并且所述多层膜的第二侧针对所述网格结构的热焊接相容。
18.根据权利要求2所述的方法，其中，所述可灌注热塑性树脂材料在混合之后或混合期间但在灌注之前被真空脱气。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在所述灌注期间使用不包含邻苯二甲酸酯的催化剂。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化剂是具有小于约0.5%水分的水分含量的低水分含量催化剂。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个织物层或所述热塑性膜中的至少一个包括平坦侧和有槽或纹理化侧，所述有槽或纹理化侧促进树脂流动。
22.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述复合结构的外表面上放置紫外线(UV)稳定膜。
23.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述复合结构的一个或多个结合线区域处放置一个或多个界面层以改进在所述一个或多个结合线区域处的粘合性，所述一个或多个结合线区域不存在所述网格结构。
24.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用紫外线能量、额外的热或两者的组合中的至少一种来固化所述复合结构。
25. 根据权利要求2所述的方法，其中，将所述至少一个织物层和所述至少一个热塑性膜与所述可灌注热塑性树脂材料一起共灌注或共结合进一步包括：
将所述至少一个织物层、所述至少一个热塑性膜、所述可灌注热塑性树脂材料和基于纤维的流动介质共灌注在一起；以及
在灌注之后将所述基于纤维的流动介质留在所述复合结构中。
26.一种制造复合结构的方法，所述方法包括：
将至少一个织物层放置在大体上平坦的模具的顶上；
利用可灌注热塑性树脂材料在所述大体上平坦的模具的顶上灌注所述至少一个织物层，以在所述至少一个织物层上形成一个或多个富含树脂的打印侧区域；
经由弯曲模具迫使所述复合结构成为期望的形状；
经由计算机数字控制(CNC)装置的挤出机将液态热塑性材料打印和沉积到所述富含树脂的打印侧表面上，以在其上形成具有三维网格结构的所述复合结构；以及
在所述至少一个织物层内至少部分地包封和固定所述网格结构。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括使用织物或网状材料来帮助除了所述至少一个织物层之外还形成所述一个或多个富含树脂的打印侧区域。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括在所述一个或多个富含树脂的打印侧区域中提供在固化时不结合到所述可灌注热塑性树脂材料的纹理化表面，使得当去除所述纹理化表面时，在所述纹理化表面的空间中固化的所述可灌注热塑性树脂材料提供所述一个或多个富含树脂的打印侧区域。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述大体上平坦的模具包括一个或多个槽。
30.根据权利要求26所述的方法，进一步包括使用真空袋，所述真空袋具有一个或多个纹理化区域，所述一个或多个纹理化区域对应于所述至少一个织物层富含树脂的区域。
31.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在打印期间将所述网格结构热结合到所述至少一个蒙皮层或所述至少一个热塑性膜中的所述至少一个。
32.一种复合结构，包括：
至少一个蒙皮层，其由可灌注热塑性树脂材料和一个或多个纤维织物构成；
至少一个热塑性膜，其与所述至少一个蒙皮层共灌注或共结合以在所述至少一个蒙皮层上形成富含树脂的打印侧表面；以及
三维(3D)网格结构，其固定到所述至少一个蒙皮层上的所述富含树脂的打印侧表面，所述至少一个蒙皮层至少部分地包封和固定所述网格结构，
其中，所述网格结构构造成在静态局部屈曲和动态全局屈曲中的至少一种下稳定所述复合结构。
33.根据权利要求32所述的复合结构，进一步包括在所述至少一个蒙皮层的外表面上的紫外线稳定膜。
34.根据权利要求32所述的复合结构，其中，所述网格结构被直接增材打印到所述至少一个蒙皮层上的所述富含树脂的打印侧表面上。
35.根据权利要求32所述的复合结构，其中，所述网格结构在打印期间热结合到所述至少一个蒙皮层或所述至少一个热塑性膜中的所述至少一个。
36.根据权利要求32所述的复合结构，其中，所述至少一个热塑性膜仅覆盖所述至少一个蒙皮层的部分。
37.根据权利要求32所述的复合结构，进一步包括邻近于所述至少一个蒙皮层的一个或多个翼梁层片。
38. 一种复合结构，包括：
至少一个蒙皮层，其由可灌注热塑性树脂材料和一个或多个纤维织物构成，所述至少一个蒙皮层具有富含树脂的打印侧表面；以及
三维(3D)网格结构，其固定到所述至少一个蒙皮层上的所述富含树脂的打印侧表面，所述至少一个蒙皮层至少部分地包封和固定所述网格结构，
其中，所述网格结构构造成在静态局部屈曲和动态全局屈曲中的至少一种下稳定所述复合结构。
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