DE102009003864A1

DE102009003864A1 - Verfahren zum Herstellen eines Rotorflügels einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102009003864A1
Application number: DE102009003864A
Authority: DE
Inventors: Vishal Overland Park Bansal
Original assignee: BHA Group Inc
Current assignee: BHA Group Inc
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-12-10
Also published as: BRPI0901356A2; MX2009004717A; US20090273111A1; CN101618606A

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes (22) mit Vakuumunterstützung. Das Verfahren umfasst die Stufen des Bereitstellens eines mit Harz zu imprägnierenden Werkstückes (26). Das Werkstück (26) weist verstärkende Fasern auf. Eine mikroporöse Membran (42) ist über dem Werkstück (26) angeordnet. Die mikroporöse Membran (42) weist eine oleophobe Behandlung auf. Ein Vakuumfilm (82) ist über der mikroporösen Membran (42) angeordnet. Ein polymeres Harz wird in das Werkstück (26) eingeführt. Das Harz wird durch Anlegen eines Vakuums (100) an das Werkstück durch das Werkstück (26) infundiert. Das Harz wird zur Bildung des Gegenstandes (22) gehärtet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung eines faserverstärkten Gegenstandes und insbesondere auf das Herstellen eines Flügels einer Windkraftanlage durch vakuumunterstütztes Formen unter Benutzung einer oleophoben mikroporösen Membran.
Relativ große Gegenstände, die aus einem faserverstärkten Harzmatrix-Gegenstand hergestellt sind, sind bekannt. Ein solcher Gegenstand ist ein Flügel einer Windkraftanlage. Es werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, Rotorflügel für Windkraftanlagen zu entwickeln, die zuverlässig und effizient sind. Wegen ihrer Größe sind Rotorflügel von Windkraftanlagen meist schwierig, teuer und zeitaufwändig herzustellen.
Bekannte Flügel für Windkraftanlagen werden durch Eingießen bzw. Infundieren von Harz in eine faserverstärkte Schicht, die benachbart einem Kern angeordnet ist, unter Mithilfe von Vakuum hergestellt. Eine Schicht aus einem Verteilungsnetz wird benutzt, um Harz während der Herstellung in das Kernmaterial zu befördern. Laminiertes Folienmaterial wird über/unter dem Netz angeordnet. Das laminierte Folienmaterial schließt eine mikroporöse Membran ein. Es ist bekannt, dass das Harz bisweilen die Membran benetzen kann. Dies kann die Membran weniger wirksam machen. Es besteht daher ein Bedarf an einer verbesserten Membran zum Einsatz in vakuumunterstützten Formoperationen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes mit Vakuumunterstützung. Das Verfahren umfasst die Stufen des Bereitstellens eines mit Harz zu imprägnierenden Werkstückes. Das Werkstück weist verstärkende Fasern auf. Eine mikroporöse Membran ist über das Werkstück gelegt. Die mikroporöse Membran wurde oleophob behandelt. Ein Vakuumfilm wird über die mikroporöse Membran gelegt. Ein polymeres Harz wird in das Werkstück eingeführt. Das Harz wird durch Anwenden eines Vakuums auf das Werkstück durch das Werkstück infundiert. Das Harz wird zur Bildung des Gegenstandes gehärtet.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorflügels für Windkraftanlagen. Das Verfahren umfasst die Stufen des Bereitstellen eines Kernes. Eine verstärkende Haut wird zur Bildung einer Rotorflügel-Unterbaueinheit auf den Kern gelegt. Die verstärkende Haut weist verstärkende Fasern auf. Eine mikroporöse Membran wird über die verstärkende Haut gelegt. Die mikroporöse Membran wurde oleophob behandelt. Ein Vakuumfilm wird über die mikroporöse Membran gelegt. Ein polymeres Harz wird in den Kern eingeführt. Das Harz wird durch Anwenden eines Vakuums auf die Flügel-Unterbaueinheit durch den Kern und die verstärkende Haut infundiert. Das Harz wird zur Bildung des Rotorflügels gehärtet.
Noch ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes mit Vakuumunterstützung. Das Verfahren umfasst die Stufen des Bereitstellens eines mit Harz zu imprägnierenden Werkstückes. Das Werkstück weist verstär kende Fasern auf. Eine expandierte mikroporöse Polytetrafluorethylen-Membran wird über das Werkstück gelegt. Die Membran wurde oleophob behandelt und sie weist eine Ölbeständigkeit im Bereich von Nummer 4 bis Nummer 7, bestimmt durch AATCC 118-Testen, auf. Ein Vakuumfilm wird über die Membran gelegt. Ein polymeres Harz wird in das Werkstück eingeführt. Das Harz wird unter Anwendung eines Vakuums auf das Werkstück durch das Werkstück infundiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung besser verstanden, in der:
1 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Rotorflügel für Windkraftanlagen veranschaulicht, der gemäß einem Aspekt der Erfindung hergestellt ist,
2 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht ist, die die Herstellung eines Abschnittes des in 1 gezeigten Rotorflügels für Windkraftanlagen gemäß einem Aspekt der Erfindung zeigt;
3 eine Querschnittsansicht der in 1 veranschaulichten Komponenten ist und
4 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer in den 2 und 3 veranschaulichten Laminatschicht ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmatrix-Gegenstandes, wie eines Rotorflügels für Windkraftanlagen, unter Einsatz einer oleophoben mikroporösen Membran wird unten detailliert beschrieben. Die oleophobe mikroporöse Membran widersteht dem Durchgang von Harz zu einem Ausmaß, das bisher unbekannt ist, während sie den Durchgang von Gas gestattet. Dies erlaubt das relativ gleichmäßige Anlegen eines Vakuums an den gesamten Rotorflügel und gestattet den Gebrauch von Harzen, die relativ geringe Oberflächenspannungen aufweisen, bei Betriebsbedingungen. Die oleophobe mikroporöse Membran erleichtert auch eine kontrollierte Fließfront und verringert Fehler, die sich aus einem ungleichmäßigen Harzfluss ergeben könnten. Die Produktionszykluszeit zusammen mit der Arbeitszeit ist verringert, zusammen mit einer Verringerung der Kosten der vom Verfahren verbrauchten Materialien. Der Einsatz der oleophoben mikroporösen Membran ergibt eine verbesserte Rotorflügelqualität, z. B. geringeren Porengehalt, verringerte manuelle Nacharbeitung und optimierte Verhältnisse der verstärkenden Fasern zum Harz.
Eine Windkraftanlage hat typischerweise mehrere relativ große Rotorflügeln 20, von denen einer in 1 an eine Nabe gekoppelt veranschaulicht ist. Jeder Rotorflügel 20 ist zur Rotation und zum Übertragen kinetischer Energie vom Wind in nutzbare Energie an der Nabe herum angeordnet. Trifft der Wind auf den Rotorflügel 20, dann rotiert er um die Achse der Nabe und wird Zentrifugalkräften, verschiedenen Biegemomenten und -kräften aufgrund des Gewichtes des Rotorflügels selbst ausgesetzt.
Der Rotorflügel 20 ist aus einem Paar von Flügelhälften oder -teilen 22 und 24 hergestellt. Die Flügelteile 22 und 24 werden separat hergestellt. Die Flügelteile 22 und 24 werden dann durch geeignete Mittel zum Bilden der Rotorflügel 20 miteinander fixiert, wie in 1 gezeigt.
In 2 schließt jeder Teil 22 oder 24 der Rotorflügel 20 einen (nicht gezeigten) Kern ein, der aus einem polymeren Schaum, Holz und/oder einem metallischen bienenkorbartigen Gitter gebildet ist. Der Kern schließt typischerweise eine Vielzahl von Rillen ein, um während der Herstellung das Fließen des Harzes durch den Kern zu erleichtern. Beispiele geeigneter polymerer Schäume schließen, ohne Einschränkung, PVC-Schäume, Polyolefin-Schäume, Epoxyharz-Schäume, Polyurethan-Schäume, Polyisocyanurat-Schäume und deren Mischungen ein.
Der Flügelteil 22 oder 24 schließt mindestens eine Schicht aus verstärkender Haut 26 ein, die benachbart dem Kern angeordnet ist, um ein Werkstück zu bilden. Jede verstärkende Haut 26 ist aus einer Matte verstärkender Fasern gebildet. Typischerweise ist die Matte eine gewebte Matte aus verstärkenden Fasern oder eine ungewebte Matte aus verstärkenden Fasern. Die Matte aus verstärkenden Fasern hat Poren durch die verstärkende Haut 26 hindurch, die vollständig mit Harz zu füllen sind. Beispiele geeigneter verstärkender Fasern schließen, ohne Einschränkung, Glasfasern, Grafitfasern, Kohlenstofffasern, polymere Fasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Kenaffasern, Jutefasern, Flachsfasern, Hanffasern, Zellulosefasern, Sisalfasern, Kokosfasern und Mischungen daraus ein.
Ein Harz wird in die verstärkenden Häute 26 infundiert und gehärtet. Dies verleiht jedem Teil 22 und 24 des Rotorflügels 20 Integrität und Festigkeit. Beispiele geeigneter Harze schließen, ohne Einschränkung, Vinylesterharze, Epoxyharze, Polyesterharze und Mischungen daraus ein. Das infundierte bzw. eingegossene Harz härtet unter Wärme und/oder mit der Zeit zur Schaffung eines festen Teiles 22 oder 24 für den Rotorflügel 20.
Während der Herstellung eines Teiles 22 (2 und 3) oder 24 des Rotorflügels 20 wird die verstärkende Haut 26 um den Kern gewickelt und dann in einer Form 80 angeordnet. Die Herstellung des Teiles 22 wird detailliert unten beschrieben und es sollte klar sein, dass das Verfahren für Teil 24 das Gleiche ist.
Ein Trennmaterial 40 wird auf die äußere Oberfläche der verstärkenden Haut 26 des Teiles 22 oder 24 aufgebracht. Das Trennmaterial 40 liegt in der Form eines Trennfilmes oder einer Abziehschicht vor. Die Membran-Baueinheit 42 wird dann über dem Trennmaterial und der äußere Oberfläche des Rotorflügels 20 aufgebracht, um das Harz-Infusionsverfahren zu erleichtern.
Ein Lufttransport-Material 60 wird über der Membran-Baueinheit 42 angeordnet, um das Entgasen des Werkstückes zu unterstützen, indem man erlaubt, dass durch die Infusion des Harzes ersetzte Luft aus den Poren in der verstärkenden Haut 26 entweichen kann. Das Lufttransport-Material 60 kann aus irgendeinem geeigneten Netz- oder Gewebematerial, z. B. einem Polyethylennetz, gebildet werden.
Ein undurchlässiger Vakuumbeutelfilm oder Vakuumfilm 82, der aus einem geeigneten Material, z. B. einem Polyamid, gebildet ist, wird über dem Lufttransport-Material 60 angeordnet. Eine Vakuumverbindung 100 erstreckt sich durch den Vakuumbeutelfilm 82. Eine Abdichtung 102 erstreckt sich zwischen der Form und dem Vakuumbeutelfilm 82 um die Peripherie der Form 80 herum, um das Austreten von Luft und Harz zu verhindern. Die Abdichtung 102 befindet sich in Strömungsmittel-Verbindung mit der Vakuumverbindung 100.
Eine Harzinfusions-Eingabeverbindung 104 erstreckt sich durch den Vakuumbeutelfilm 82. Die Harzinfusions-Verbindung 104 befindet sich in Strömungsmittel-Verbindung mit einem Harz-Zufuhrrohr 106, das sich im Wesentlichen über die Längsausdehnung der Form 80 erstreckt. Das Harz-Zufuhrrohr 106 ist benachbart der äußeren verstärkenden Haut 26 angeordnet.
Das Harz wird in die Harzinfusions-Verbindung 104, das Harz-Zufuhrrohr 106 und die verstärkenden Häute 26 eingeführt, während durch die Vakuumverbindung 100 ein Vakuum eingerichtet wird. Das Vakuum erleichtert den Harzfluss und infundiert das Harz in Kern und verstärkende Haut 26. Membran-Baueinheit 42 verhindert, dass das Harz von den verstärkenden Häuten 26 wegfließt, während sie gestattet, dass durch das infundierte Harz ersetzte Luft zur Vakuumverbindung 100 entweicht. Dann wird das Harz gehärtet. Die Harz-Eingabeverbindung 104 und das Zufuhrrohr 106, Lufttransport-Material 60, Vakuumbeutelfilm 82, Membran-Baueinheit 42 und Trennmaterial 40 werden von dem Flügelteil 22 entfernt.
In einem Aspekt der Erfindung schließt Membran-Baueinheit 42 (4) eine Membran 44 ein, die thermisch oder mittels Klebstoff an ein Stützmaterial 46 laminiert ist. Das Stützmaterial 46 ist aus ungewebten oder gewebten polymeren Fasern, z. B. Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern und Mischungen davon, gebildet.
Die Membran 44 ist vorzugsweise eine mikroporöse polymere Membran, die das Fließen von Gasen, wie Luft oder Wasserdampf, in oder durch die Membran gestattet, und sie ist hydrophob. Eine bevorzugte mikroporöse polymere Membran zum Gebrauch als die Membran 26 schließt expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) ein, das vorzugsweise zumindest teilweise gesintert ist. Eine ePTFE-Membran umfasst typischerweise eine Vielzahl von Knoten, die durch Fibrillen verbunden sind, um eine mikroporöse Gitterstruktur zu bilden, wie bekannt ist.
Membran 44 hat eine mittlere Porengröße von etwa 0,01 μm bis etwa 10 μm. Membran 44 ist aus irgendeinem geeigneten Material gebildet, z. B. Polytetrafluorethylen, Polyolefin, Polyamid, Polyester, Polysulfon, Polyether, Acryl- und Methacryl-Polymeren, Polystyrol, Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen, Polyphenylensulfon und deren Mischungen.
Es wurde festgestellt, dass eine Membran 44 mit einem oleophoben Fluorpolymermaterial in einer solchen Weise überzogen werden kann, dass sich verbesserte oleophobe Eigenschaften ohne Beeinträchtigung der Luftdurchlässigkeit ergeben. Oberflächen der Knoten und Fibrillen definieren zahlreiche verbundene Poren, die sich in einem gewundenen Pfad vollständig zwischen den gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Membran durch die Membran 44 erstrecken. Typischerweise beträgt die Porosität (d. h., der Prozentsatz offenen Raumes in dem Volumen der Membran 26) der Membran 44 zwischen etwa 50% und etwa 98%. Der oleophobe Fluorpolymer-Überzug haftet an den Knoten und Fibrillen, die die Poren in der Membran definieren.
Beträchtlich verbesserte oleophobe Eigenschaften der mikroporösen Membran 16 können realisiert werden, wenn die die Poren in der Membran 44 definierenden Oberflächen und die Hauptseiten der Membran mit einem oleophoben Fluorpolymer überzogen sind. Der Überzug kann in irgendeiner geeigneten Weise aufgebracht sein, wie die, die in der US-PS 6,228,477 oder der US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung 2004/0059717 offenbart und beschrieben sind.
Der Gebrauch eines oleophoben Fluorpolymers, wie eines Polymers auf Acryl-Grundlage mit Fluorkohlenstoff-Seitenketten, zum Überziehen der mikroporösen Membran 44 verringert die Oberflächenenergie der Membran, sodass weniger angreifende Materialien in der Lage sind, die Verbundmembran zu benetzen und in die Poren einzutreten. Der oleophobe Fluorpolymer-Überzug auf der Membran 44 erhöht auch den Kontaktwinkel für ein angreifendes Material mit Bezug auf die Verbundmembran. Die verstärkte oleophobe Eigenschaft der Membran 44 ist wichtig, da eingesetzte Harze und Härter relativ geringe Oberflächenspannungen aufweisen.
Ein beispielhaftes oleophobes Fluorpolymer für den Überzug ist ein Polymer auf Acryl-Grundlage mit Fluorkohlenstoff-Seitenkette. Eine Familie von Polymeren auf Acryl-Grundlage mit Fluorkohlenstoff-Seitenketten, die eine besondere Eignung gezeigt hat, ist die Zonyl^®-Familie fluorhaltiger Polymerer (hergestellt von du Pont). Eine besonders geeignete wässerige Dispersion in der Zonyl^®-Familie ist Zonyl^® 7040.
Geeignete polymere Materialien für das poröse Stützmaterial 46 schließen, z. B., gereckte oder gesinterte Kunststoffe, wie Polyester, Polypropylen, Polyethylen und Polyamide (z. B. Nylon), ein. Diese Materialien sind häufig in verschiedenen Gewichten, einschließlich, z. B., etwa 17 g/m² (0,5 oz/yd²), etwa 34 g/m² (1 oz/yd²) und etwa 68 g/m² (2 oz/yd²) vorhanden. Gewebtes Gewebe, wie gewebte Nylontaft-Ausrüstung von 70 Denier kann ebenfalls benutzt werden. Ein anderes geeignetes Gewebe ist ein ungewebtes Textil, wie ein ungewebtes 1,8 oz/yd² flach-gebundenes Copolyester-Bikomponenten-Medium.
Die Membran-Baueinheit 42 ist gasdurchlässig und oleophob. Das heißt, die Membran-Baueinheit 42 gestattet den Durchgang von Gasen. Die Anwendung der oleophoben Behandlung erhöht die Beständigkeit der Membran-Baueinheit 42 gegen Verschmutzung durch Harz, Öl oder ölige Substanzen. Die mikroporöse Membran 44 der Membran-Baueinheit 42 hat eine Ölabhalte- oder -Beständigkeits-Beurteilung im Bereich von einer Zahl 4 bis zu einer Zahl 7, wie durch AATCC 118-Testen bestimmt. Die mikroporöse Membran hat auch eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 0,01 US-Fuß³/min (CFM)/US-Fuß² bei 0,5 Zoll ('') Wassersäule, wie durch ASTM D737-Testen bestimmt.
Während die Erfindung in Form verschiedener spezifischer Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass sich die Erfindung über die spezifisch offenbarten Ausführungsformen zu anderen alternativen Ausführungsformen und/oder Benutzungen der Systeme, Techniken und offensichtlichen Modifikationen und Äquivalente der Offenbarten erstreckt. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der offenbarten Erfindung nicht durch die oben beschriebenen speziell offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes 22 mit Vakuumunterstützung. Das Verfahren umfasst die Stufen des Bereitstellens eines mit Harz zu imprägnierenden Werkstückes 26. Das Werkstück 26 weist verstärkende Fasern auf. Eine mikroporöse Membran 42 ist über dem Werkstück 26 angeordnet. Die mikroporöse Membran 42 weist eine oleophobe Behandlung auf. Ein Vakuumfilm 82 ist über der mikroporösen Membran 42 angeordnet. Ein polymeres Harz wird in das Werkstück 26 eingeführt. Das Harz wird durch Anlegen eines Vakuums 100 an das Werkstück durch das Werkstück 26 infundiert. Das Harz wird zur Bildung des Gegenstandes 22 gehärtet.

20: Rotorflügel
22: Teil
24: Teil
26: verstärkende Haut
40: Trennmaterial
42: Membran-Baueinheit
44: Membran
46: Stützmaterial
60: Lufttransport-Material
80: Form
82: Vakuumbeutelfilm
100: Vakuumverbindung
102: Abdichtung
104: Harzinfusions-Verbindung
106: Harz-Zufuhrrohr

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6228477 [0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- AATCC 118-Testen [0006]
- AATCC 118-Testen [0032]
- ASTM D737-Testen [0032]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes (22) mit Vakuumunterstützung, wobei das Verfahren die Stufen umfasst: Bereitstellen eines mit Harz zu imprägnierenden Werkstückes (26), wobei das Werkstück verstärkende Fasern aufweist; Aufbringen einer mikroporösen Membran (42) über dem Werkstück (26), wobei die mikroporöse Membran oleophob behandelt wurde; Aufbringen eines Vakuumfilms (82) über der mikroporösen Membran (42); Einführen eines polymeren Harzes in das Werkstück (26); Infundieren des Harzes durch das Werkstück (26) durch Anwenden eines Vakuums (100) auf das Werkstück, und Härten des Harzes zum Bilden des Gegenstandes (22).
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mikroporöse Membran (42) aus expandiertem Polytetrafluorethylen hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mikroporöse Membran eine Ölbeständigkeits-Beurteilung im Bereich von einer Nummer 4 bis zu einer Nummer 7, bestimmt durch AATCC 118-Testen, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die oleophobe Behandlung auf der mikroporösen Membran (42) ein fluoriertes Acrylpolymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mikroporöse Membran (42) eine Vielzahl von Poren mit einem mittleren Durchmesser von etwa 0,01 μm bis etwa 10 μm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mikroporöse Membran (42) ein Stützmaterial (44) auf einer Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das polymere Harz mindestens eines von Vinylesterharzen und Epoxyharzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mikroporöse Membran (42) eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 0,01 CFM/ft², wie durch ASTM D737-Testen bestimmt, aufweist.