DE102012109275A1

DE102012109275A1 - Kombiniertes UV-IR-Aushärtesystem und Verfahren zur Verwendung in der Herstellung und Reparatur von Windkraftanlagenblättern

Info

Publication number: DE102012109275A1
Application number: DE102012109275A
Authority: DE
Inventors: Xiaomei Fang; Thomas Miebach; David Simon; Jordan Philipp Seeger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: LM Wind Power AS
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-04-04
Also published as: DK178163B1; US20130240118A1; CN103029243B; US20120138223A1; DK201270562A; US9970411B2; CN103029243A

Abstract

Ein kombiniertes UV-IR-Aushärtesystem und Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Verbundbauteilen wie zur Verwendung in der Herstellung und Repartur von Windkraftanlagenblättern. Das System und Verfahren verwendet eine UV-IR-Doppelstrahlungsquelle, um glasfaserverstärkte Verbundstoffe auszuhärten, die einen Photoinitiator enthalten. Die UV-IR-Doppelstrahlungsquelle kann als eigenständige UV- und IR-Lampen, die nebeneinander verwendet werden, eine Vielzahl von UV-Lampen mit IR-Wärmestrahlung, eine kombinierte UV/IR-Lampe oder andere Formen von Lichtquellen konfiguriert sein, die sowohl UV- als auch IR-Strahlung bereitstellen. Zum Erreichen eines hohen Glasübergangs und zum vollständigen Aushärten dicker Verbundstoffe wird zuerst die IR-Strahlungsquelle eingeschaltet, um den Verbundstoff bis auf etwa 40°C–100°C zu erwärmen, bevor die UV-Strahlungsquelle eingeschaltet wird. Die IR-Strahlungsquelle kann ausgeschaltet werden, nachdem die UV-Strahlungsquelle aktiviert wurde.

Description

HINTERGRUND
Die hierin dargestellten Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf Aushärteverfahren für Verbundmaterialien und insbesondere auf Aushärteverfahren zur Verwendung in der Herstellung und Reparatur von Bauteilen aus Verbundmaterialien wie den Verbundstoffen eines Windkraftanlagenrotorblatts.
Als umweltverträgliche und relativ preisgünstige alternative Energiequelle haben Windkraftanlagen an Aufmerksamkeit gewonnen. Aufgrund dieses zunehmenden Interesses wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Herstellungs- und Reparaturverfahren für Windkraftanlagen zu entwickeln, die zuverlässig und effizient sind.
Im Allgemeinen umfasst eine Windkraftanlage einen Rotor mit mehreren Blättern. Der Rotor ist in einem Gehäuse bzw. einer Gondel gelagert, die an der Spitze eines Trägers oder Rohrturms positioniert ist. Versorgungswindkraftanlagen (d. h. Windkraftanlagen, die entwickelt wurden, um elektrischen Strom an ein Versorgungsnetz zu liefern) können große Rotoren aufweisen (z.B. 30 Meter oder länger) und haben im Allgemeinen eine Rotorblattgröße von 24 Metern bis 47 Metern Länge. Des Weiteren werden die Windkraftanlagen typischerweise an Türme montiert, die mindestens 60 Meter hoch sind. Die Blätter dieser Rotoren wandeln Windenergie in ein Rotationsmoment oder eine Rotationskraft um, das bzw. die einen oder mehrere Generatoren antreibt. Das Design der Windkraftanlagenrotorblätter ist im Laufe der Zeit zunehmend komplexer geworden, um die aerodynamischen Eigenschaften zu maximieren und einer Vielfalt von Umgebungen und Gegebenheiten standzuhalten.
Ohne die Rotorblätter kann eine Windkraftanlage keinen elektrischen Strom erzeugen. Im Allgemeinen werden Windkraftanlagenrotorblätter aus Verbundfasermaterialien und Matrizen hergestellt, die aus mehreren Schichten oder Lagen bestehen. In vielen Fällen kann die Windkraftanlage, wenn Materialversagen in den Windkraftanlagenrotorblättern auftritt, vom Netz genommen und das Windkraftanlagenblatt ersetzt oder repariert werden. Der mit dem Transport der Ersatzblätter und der Installation der Ersatzblätter verbundene Kosten- und Zeitaufwand ist enorm. Die gegenwärtigen zum Reparieren von Windkraftanlagenrotorblättern eingesetzten Verfahren sind zeit- und arbeitsintensiv und erfordern spezielle Reparaturverfahren und -einrichtungen, die Herstellung und Reparatur von Windkraftanlagenrotorblättern an sich ist schwierig und teuer.
Ein herkömmlicher Ansatz, der sowohl in der Herstellung als auch der Reparatur von Windkraftanlagenblättern verwendet wird, beinhaltet das Aushärten mehrerer Schichten, wobei alle Schichten zeitgleich in einem Autoklav oder Ofen miteinander gehärtet werden. Anders ausgedrückt beinhaltet der Prozess das aufeinanderfolgende Aufbringen mehrerer Schichten und das anschließende Aushärten aller Schichten. Die Adhäsion zwischen den Schichten ist im Allgemeinen gut, aber manchmal machen andere Nachteile diesen Ansatz unmöglich. Zum Beispiel kann in der Herstellung oder der Reparatur des Wurzelbereiches eines Windkraftanlagenblattes ein Verbiegen und eine dimensionale Verformung sowie ein Wellen der Fasern während der Verdichtung im Aushärtezyklus auftreten. Auch eine übermäßige, exotherme Reaktion aus dicken Teilen kann Probleme bereiten. Ein anderer Ansatz zum Aushärten dieser mehreren Schichten beinhaltet das sequenzielle aufeinanderfolgende Auftragen und vollständige Aushärten der Schichten mithilfe eines einzelnen Aushärtemechanismus. Anders ausgedrückt wird eine erste Verbundschicht vollständig ausgehärtet, bevor die zweite Verbundschicht aufgebracht wird. Anschließend wird die zweite Verbundschicht vollständig ausgehärtet, bevor eine dritte Verbundschicht aufgebracht wird. Der Prozess fügt weitere Verbundschichten in derselben sequenziellen Art und Weise mithilfe des einzelnen Aushärtemechanismus hinzu. Leider bringt dieses Herstellungsverfahren ziemlich schwache sekundäre Klebeverbindungen zwischen den Verbundschichten hervor. Diese sekundären Klebeverbindungen führen zu einer unerwünscht niedrigen interlaminaren Festigkeit.
Alternativ ist eine Reparatur vor Ort, einschließlich einer Reparatur oben im Turm denkbar. In diesen Fällen kann ein Isolationsfolienwärmeverfahren eingesetzt werden, das einen sinterfreien Aushärte- und einen verlängerten Nachhärteprozess erfordert, um die gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Die Zeit oben im Turm, die für einen langen Wärmehärteprozess erforderlich ist, trägt wesentlich zu den Arbeitsstundenkosten bei Windkraftanlagenblattreparaturprozessen bei. Das UV-Aushärten kann ein schnelleres Aushärten von Verbundstoffen als effizienten Vor-Ort-Reparaturprozess bieten, allerdings sind UV-Aushärteprozesse allein auf das Aushärten von dünnen Verbundstoffen begrenzt. Es ist allgemein bekannt, dass das UV-Aushärten allein keine hohe Glasdurchdringung und kein vollständiges Aushärten dicker Verbundstoffe erreicht.
Somit muss ein verbessertes Verfahren entwickelt werden, um die vorstehend erwähnten Probleme in den Herstellungs- und Reparaturprozessen anzugehen.
KURZBESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Herstellungs- oder Reparatursystem eine erste Strahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, eine Vielzahl von Schichten einer Verbundkonstruktion durch eine Dicke der Vielzahl von Schichten der Verbundkonstruktion zu erwärmen, um eine Vielzahl von vorgewärmten Schichten einer Verbundkonstruktion zu bilden, und eine zweite Strahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, die Vielzahl von vorgewärmten Schichten der Verbundkonstruktion durch eine Dicke der Verbundkonstruktion zu härten.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Herstellungs- oder Reparatursystem eine Verbundkonstruktion, einschließlich einer ersten Schicht, die ein verstärktes Harz mit einer reaktiven Gruppe und einem Photoinitiator und eine Vielzahl von sukzessiven Schichten umfasst, welche das verstärkte Harz mit der reaktiven Gruppe und dem Photoinitiator umfassen. Die erste Schicht und die Vielzahl von sukzessiven Schichten sind stapelartig aufgebaut. Das System beinhaltet ferner eine erste Strahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, die erste Schicht und die Vielzahl von sukzessiven Schichten der Verbundkonstruktion durch eine Dicke der Vielzahl von Schichten der Verbundkonstruktion zu erwärmen, um eine Vielzahl von vorgewärmten Schichten einer Verbundkonstruktion zu bilden, und eine zweite Strahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, die Vielzahl von vorgewärmten Schichten der Verbundkonstruktion durch eine Dicke der Vielzahl von vorgewärmten Schichten der Verbundkonstruktion zu härten, und eine kovalente Bindung über einer Schnittstelle der ersten Schicht und einer angrenzenden sukzessiven Schicht sowie eine Vielzahl von weiteren kovalenten Bindungen über weiteren Schnittstellen der Vielzahl von sukzessiven Schichten zu bilden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung beinhaltet ein Verfahren die Bereitstellung einer ersten Schicht aus einem darin enthaltenen verstärkten Harz mit einer reaktiven Gruppe und einem Photoinitiator. Im nächsten Schritt werden weitere sukzessive Schichten des verstärkten Harzes mit der reaktiven Gruppe und dem Photoinitiator auf die erste Schicht aufgebracht. Eine erste Strahlungsquelle wird bereitgestellt und angewendet, um die erste Schicht und die weiteren sukzessiven Schichten durch eine Dicke der Schichten vorzuwärmen. Dann wird eine zweite Strahlungsquelle angewendet, um die vorgewärmte erste Schicht und die Vielzahl von weiteren sukzessiven Schichten durch eine Dicke der Schichten zeitgleich zu härten.
In Bezug auf verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung bestehen verschiedene Verbesserungen der vorstehend genannten Merkmale. Auch können weitere Merkmale in diese verschiedenen Aspekte integriert werden. Diese Verbesserungen und weiteren Merkmale können einzeln oder in einer beliebigen Kombination vorhanden sein. Zum Beispiel können verschiedene nachstehend in Bezug auf eine oder mehrere der dargestellten Ausführungsformen erläuterte Merkmale in jedem der vorstehend beschriebenen Aspekte der vorliegenden Erfindung einzeln oder in jedweder Kombination integriert sein. Die vorstehend dargestellte kurze Zusammenfassung ist lediglich dazu gedacht, den Leser mit verschiedenen Aspekten und Zusammenhängen der vorliegenden Erfindung vertraut zu machen, ohne Begrenzung auf den beanspruchten Erfindungsgegenstand.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Lektüre der nachstehenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen gleiche Bezugsziffern durch alle Zeichnungen gleiche Teile darstellen, in denen:
1 eine diagrammatische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des kombinierten Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparatursystems gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsform ist;
2 eine diagrammatische Darstellung einer anderen beispielhaften Ausführungsform des kombinierten UV-IR-Herstellungs- und Reparatursystems gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsform ist;
3 eine diagrammatische Darstellung einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform des kombinierten UV-IR-Herstellungs- und Reparatursystems gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsform ist;
4 in einer schematischen Querschnittsansicht, gesehen durch eine kombinierte Strahlungsquelle, eine alternative UV-IR-Lampenkonfiguration gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsform darstellt;
5 in einer schematischen Querschnittsansicht, gesehen durch eine kombinierte Strahlungsquelle, eine alternative UV-IR-Lampenkonfiguration gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsform darstellt;
6 ein Flussdiagramm ist, welches Beispielschritte für ein Verfahren zur Reparatur einer Verbundkonstruktion mithilfe eines kombinierten UV-IR-Herstellungs- und Reparatursystems gemäß hierin offenbarten bestimmten Ausführungsformen darstellt;
7 eine Datentabelle darstellt, welche die vergleichenden Glasübergangstemperaturprofile für Verbundschichten bei Verwendung einer UV-Aushärtequelle in einem UV-Herstellungs- und Reparatursystem darstellt;
8 eine Datentabelle darstellt, welche die vergleichenden Glasübergangstemperaturprofile für Verbundschichten bei Verwendung einer hochintensiven UV-Härtquelle in einem UV-Herstellungs- und Reparatursystem darstellt;
9 eine Datentabelle darstellt, welche die vergleichenden Glasübergangstemperaturprofile für Verbundschichten bei Verwendung einer kombinierten UV-IR-Aushärtequelle in einem kombinierten UV-IR-Herstellungs- und Reparatursystems gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen darstellt;
10 eine diagrammatische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Verbundkonstruktion ist, die in einem Windkraftanlagensystem verwendet wird, das Blätter umfasst, die gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen hergestellt oder repariert werden; und
11 eine diagrammatische Darstellung der in dem Windkraftanlagensystem, wie in 7 dargestellt, hergestellten oder reparierten Blätter ist, gemäß bestimmten hierin offenbarten Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie nachstehend ausführlich erläutert, stellen die hierin dargestellten Ausführungsformen ein kombiniertes UV-IR-Herstellungs- und Reparatursystem für Verbundkonstruktionen und ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur einer Verbundkonstruktion mithilfe eines kombinierten UV-IR-Aushärtesystems bereit. Eine hierin verwendete Verbundkonstruktion wird als eine Konstruktion mit mehreren Verbundschichten, oder Lagen, definiert, wobei die Verbundkonstruktion mithilfe einer kombinierten UV-IR-Aushärtequelle hergestellt und/oder repariert wird, um die mehreren Schichten auszuhärten. Die mehreren Verbundschichten umfassen mindestens ein Füllmaterial oder eine Faser, ein härtbares Monomer und mindestens einen Photoinitiator. In der Patentschrift und den nachfolgenden Patentansprüchen beinhalten die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen, sofern der Kontext nicht zwingend etwas anderes bestimmt. Die „kombinierten“ Verfahren, wie hierin verwendet, sind Herstellungs- oder Reparaturverfahren, bei denen zunächst eine Vielzahl von Materialschichten, welche die Verbundkonstruktion bilden, durch einen Aufwärmschritt mithilfe einer ersten Strahlungsquelle erwärmt werden, gefolgt von einem Aushärteschritt, um die Verbundkonstruktion mithilfe einer zweiten Strahlungsquelle vollständig auszuhärten, wobei die erste Strahlungsquelle eine Infrarotstrahlung abgibt und die zweite Strahlungsquelle eine Ultraviolettstrahlung abgibt. Das kombinierte Aufwärm- und Aushärteverfahren, das in dem kombinierten UV-IR-Aushärtesystem bzw. Herstellungs- und Reparaturverfahren verwendet wird, führt zu einem gleichmäßigen Aushärten durch alle Schichten, zur Bildung kovalenter Bindungen an Schnittstellen der mehreren Schichten und optimiert die hohen Glasübergangstemperaturen durch die mehreren Schichten.
Schnelle und gründliche Aushärtesysteme sind bei großen Verbundkonstruktionen wünschenswert, um die gewünschte Herstellungs- oder Reparaturzykluszeit zu erhalten, erhebliche Anlagen- und Ausstattungskosten zu reduzieren und ferner die Kosten für die Herstellung und Reparatur eines Verbundbauteils zu senken. Dies erfordert die Einbindung einer geeigneten Harzchemie in eine entsprechende Aushärtequelle. In einem hierin offenbarten System und Verfahren werden bei Verbundkonstruktionen Doppelstrahlungsquellen in Kombination mit einem UV-empfindlichen Initiator eingeführt, was das Aushärten des Verbundmaterials ermöglichen und zu einem vollständigen Aushärten durch eine gesamte Dicke des Verbundmaterials führen wird. Die hierin offenbarte Doppelstrahlungsquelle beinhaltet eine erste Strahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, eine Infrarotstrahlung abzugeben, und eine zweite Strahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, eine Ultraviolettstrahlung abzugeben.
Mit Bezug auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen durch alle Ansichten auf gleiche Elemente beziehen, und insbesondere in 1, ist eine diagrammatische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des kombinierten Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparatursystems 100 gemäß einer hierin offenbarten Ausführungsform dargestellt. Insbesondere ist System 100 dargestellt, wobei eine Verbundkonstruktion 110 darin positioniert ist. Die Verbundkonstruktion 110 ist einschließlich einer Vielzahl von Schichten, oder Lagen, 112 eines faserverstärkten Harzes oder eines anderen Materials gemäß den Ausführungsformen dargestellt. Wie hierin verwendet, umfasst „Harz“ ein Harz oder ein Harzgemisch. In alternativen Ausführungsformen kann die Verbundkonstruktion 110 zwei oder mehrere Schichten, oder Lagen, einer anderen Materialart enthalten. Die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 enthält eine reaktive Gruppe. Wie hierin verwendet, ist die „reaktive Gruppe“ als ein Atom oder eine Gruppe von Atomen in einer organischen Verbindung definiert, das bzw. die der Verbindung einige der Eigenschaften verleiht, durch die sie auf einen spezifischen Aushärtemechanismus reagiert. Einige nicht-begrenzende Beispiele für reaktive Gruppen beinhalten Aldehyde, Amine, Hydroxyl, Acrylat, Methacrylat, Vinyl, Cycloepoxid, Glycidyletherepoxid mit Aminkurativen, Urethan, thiolene reaktive Gruppen oder eine Kombination davon. Einige nichtbegrenzende Beispiele für diese reaktiven Gruppen umfassende Harze sind ungesättigte Polyester, Vinylester, Melamine, Urea-Formaldehyde, Phenolharze, Methacrylate, Acrylate, Epoxidharze, Urethane etc.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 in stapelartigem Aufbau angeordnet und nach dem Aushärten durch eine kovalente Bindung, die an einer Schnittstelle 114 zwischen den benachbarten Schichten der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 gebildet ist, gebunden. Wie vorstehend offenbart, beinhaltet die Verbundkonstruktion 110 eine Vielzahl von Schichten, oder Lagen, 112 eines faserverstärkten Harzes oder eines anderen Materials. In besonderen Ausführungsformen umfasst das Fasermaterial im Allgemeinen eine Verstärkungsfaser oder einen Verstärkungsfüllstoff, wie, aber nicht beschränkt auf, eine Faser mit einer hohen Festigkeit. Die Festigkeit der Fasern kann ferner durch in der Technik bekannte Verfahren erhöht werden, wie z. B., aber nicht beschränkt auf, das Bilden einer Vielzahl von Schichten oder Lagen durch Ausrichten der Fasern in eine Richtung und ähnliche Verfahren. Die Fasern können in einer beliebigen herkömmlichen Form vorliegen, z.B. geflochten, einseitig gerichtet, als Webware, Wirkware, Kräuselstoff, Filzmatte, Wickel und dergleichen. Beispielhafte Fasern, die vorteilhaft verwendet werden können, umfassen Glasfasern (z. B. Quarz, E-Glas, S-2-Glas, R-Glas von Lieferanten wie PPG, AGY, St. Gobain, Owens-Corning oder Johns Manville). Die Fasern sind zumindest teilweise UV-durchlässige Fasern, wie, aber nicht beschränkt auf, Glas, Quarz, Kieselsäure, pyrogene Kieselsäure, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Nanoteilchen und dergleichen. Gemische aus mehr als einer Faser fallen ebenfalls in den Anwendungsbereich dieser Offenbarung.
Die Faser ist typischerweise in der Zusammensetzung des Verbundmaterials in einem Umfang von ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 90 Gew.-% vorhanden, und noch typischer in einem Umfang von ungefähr 10 Gew.-% bis ungefähr 80 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung. Noch bevorzugter ist die Faser im Umfang von ungefähr 45 Gew.-% bis ungefähr 75 Gew.-% vorhanden, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung.
In einem nicht-begrenzenden Beispiel kann die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 eine Vielzahl von Fasern beinhalten, welche mindestens eine Verbundgewebelage, einschließlich einem aushärtbaren Monomer oder einem Harzmaterial, bilden. Das Harzmaterial kann auf das Verbundgewebe durch Vorimprägnierung in die Gewebeschicht (z. B. Prepreggewebe) und noch spezieller durch Infusion des Harzmaterials in die Gewebeschicht per vakuumunterstütztem Harzinjektionsverfahren (VaRTM), Harzinjektionsverfahren (RTM) oder dergleichen oder durch Einpinseln oder Einwalzen des Harzes auf der Oberfläche der Gewebeschicht aufgebracht werden, bis das Harzmaterial absorbiert wurde.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 typischerweise Monomere mit mindestens einer Ethyleneinheit, einer zyklischen Ethereinheit oder Epoxideinheit, Oxetaneinheit oder dergleichen, oder Kombinationen davon. In anderen Ausführungsformen umfassen die Zusammensetzungen typischerweise Monomere mit mindestens einer Isocyanateinheit, einer Estereinheit oder dergleichen, oder Kombinationen davon. Geeignete aushärtbare Monomere, oder Harzmaterialien beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, ungesättigte Polyester wie POLYLITE^®-Polyesterharz erhältlich bei Reichhold, SYNOLITE^®-Polyesterharz erhältlich bei DSM, AROPOL^®-Polyesterharz erhältlich bei Ashland; Vinylester wie DION^®-, NORPOL^®- und HYDREX^®-Harze erhältlich bei Reichhold, DERAKANE^®-, DERAKANE MOMENTUM^®- und HETRON^®-Harze erhältlich bei Ashland, ATLAC E-NOVA^®-Harz erhältlich bei DSM; Acrylate, Diacrylate, Dimethacrylate, multifunktionale Acrylate und multifunktionale Methacrylate wie Polyesteracrylate, Epoxidacrylate und Urethanacrylate, und dergleichen, erhältlich bei Unternehmen wie Cytec Surface Specialties, Sartomer, Rahn und BASF, und Polyvinyl, Melamine, Urea-Formaldehyde, Phenolharze. Das aushärtbare Monomer ist typischerweise in einem Umfang von ungefähr 90 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% vorhanden, basierend auf dem Gesamtgewicht der Zusammensetzung, und noch bevorzugter in einem Umfang von ungefähr 80 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Erfindung.
Geeignete Harze, die mindestens eine zyklische Ethereinheit umfassen, umfassend aliphatische Epoxidharze, cycloaliphatische Epoxidharze wie ERL-4221, CYRACURE^TM UVR-6110, CYRACURE^TM UVR-6107 und CYRACURE^TM UVR-6105 von Dow Chemical Company und UVACURE^® 1500 von Cytec Surface Specialties; Bisphenol-A-Epoxidharze, Bisphenol-F-Epoxidharze, Phenolnovolac-Epoxidharze, Cresol-Novolac-Epoxidharze, Biphenyl-Epoxidharze, multifunktionale Epoxidharze (d. h. zwei oder mehr Epoxidgruppen umfassende Epoxidharze), Naphthalen-Epoxidharze (z.B. EPICLON^® EXA-4700 von Dainippon Ink und Chemicals), Divinylbenzendioxid, 2-Glycidylphenylglycidylether, Dicyclopentadienartige Epoxidharze (z. B. EPICLON^® HP-7200 von Dainippon Ink und Chemicals), multiaromatische harzartige Epoxidharze oder dergleichen, oder Kombinationen davon. Alle diese Epoxidharzklassen sind in der Technik bekannt, überall erhältlich und durch bekannte Verfahren herstellbar.
In einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Photoinitiatoren in der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 enthalten, um freie Radikale zu erzeugen, wenn sie einer Strahlung mit einer Wellenlänge ausgesetzt sind, bei welcher der Photoinitiator aktiv ist. In anderen Ausführungsformen erzeugen geeignete Photoinitiatoren Säure (Photosäuregeneratoren oder PAGs), wenn sie einer Strahlung mit einer Wellenlänge ausgesetzt werden, bei welcher die Photoinitiatoren aktiv sind. Verschiedene Arten von Photoinitiatoren können allein oder als Gemisch verwendet werden. In einer speziellen Ausführungsform kann ein Photosäuregenerator zusammen mit einem radikalen Photoinitiator verwendet werden, um das Aushärten von kationischen aushärtbaren Monomeren zu initiieren. Geeignete Photoinitiatoren beinhalten, aber sind nicht beschränkt auf, organische Peroxide, Azoverbindungen, Chinone, Benzophenone, Nitrosoverbindungen, Acrylhalogenide, Hydrazone, Mercaptoverbindungen, Pyryliumverbindungen, Triacrylimidazole, Bisimidazole, Chloroalkyltriazine, Benzoinether, Benzilketale, Thioxanthone, Acetophenone, Acylphosphinoxide, Derivate der zuvor erwähnten Verbindungen und Gemische davon. Beispielhafte Photoinitiatoren umfassen: Benzilketale wie 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon (erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals unter der Handelsmarke IRGACURE^® 651); Acetophenonderivate wie 2,2-Diethoxyacetophenon („DEAP“, erhältlich bei First Chemical Corporation); 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-propan-1-one („HMPP“, erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals unter der Handelsmarke DAROCUR^TM 1173); 2-Benzyl-2-N,N-dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-1-butanon (erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals unter der Handelsmarke IRGACURE^TM 369); 2-Methyl-1-(4-(methylthio)phenyl)-2-morpholinopropan-1-one (erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals unter der Handelsmarke IRGACURE^® 907) oder Acylphosphinoxide wie 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid („TPO“), Bis(2,6-Dimethoxybenzoyl)-2,4,4-trimethylpentylphosphinoxid („DMBAPO“) oder Bis(2,4,6-Trimethylbenzoyl)-phenylphosphinoxid („BTBPPO“). BTBPPO ist erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals unter der Handelsmarke IRGACURE^® 819; DMBAPO ist erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals in Form von Gemischen mit anderen Ketonen, einschließlich: 25/75 Gew.-%-Gemisch mit HMPP als IRGACURE^® 1700 und 1-Hydroxy-Cyclohexyl-Phenyl-Keton (oder HCPK) als IRGACURE^® 1850 oder 1800 je nach Anteilen. TPO ist ebenfalls erhältlich bei Ciba Specialty Chemicals in 50/50 Gew.-%-Gemischen mit HMPP (als IRGACURE^® 4265). In einer bevorzugten Ausführungsform sind die verwendeten Photoinitiatoren vom Typ Acylphosphinoxid, am bevorzugtesten IRGACURE^® 819, das bei Ciba Specialty Chemicals erhältlich ist. Die Photoinitiatoren, die Säure generieren, wenn sie einer Strahlung mit einer Wellenlänge ausgesetzt werden, bei welcher die Photoinitiatoren aktiv sind, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Oniumsalze, Arylsulfonium- und Aryliodoniumsalze schwachbasischer Anione wie Hexafluorophosphat oder Hexafluoroantimonat. Einige spezielle Beispiele umfassen (4-(octyloxy)phenyl)phenyliodoniumhexafluoroantimonat (OPPI) erhältlich bei Hampford Research, Triarylsulfoniumhexafluorophosphat; [4-[(2-hydroxytetradecyl)oxy]phenyl]phenyliodoniumhexafluoroantimonat erhältlich bei Aldrich; UVACURE^® 1600 von Cytec Surface Specialties, IRGACURE^® 250 von Ciba Specialty Chemicals, IGM-C445 von IGM Resins, Inc., Bartlett, Ill.; CYRACURE^TM UVI6992 und CYRACURE^TM UVI6976 von Dow Chemicals; ESACURE^® 1064 und ESACURE^® 1187 von Lamberti; R-gen 1130, R-gen BF1172, CHIVACURE^® 1176 und CHIVACURE^® 1190 von Chitec und Ferroceniumsalze wie IRGACURE^® 261 von Ciba Specialty Chemicals.
Geeignete Mengen an Photoinitiator liegen im Bereich von ungefähr 0,01 Gew.-% bis ungefähr 20 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,1 Gew.-% bis ungefähr 10 Gew.-% und am bevorzugtesten im Bereich von ungefähr 0,5 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des aushärtbaren Monomers.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Herstellungs- und Reparatursystem mit der Kombination aus Ultraviolett (UV) und Infrarot (IR) allgemein mit 100 bezeichnet. Die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 ist im System 100 und auf einem Stützsubstrat 101 positioniert dargestellt, wobei jede Schicht, oder Lage, ein glasfaserverstärktes Verbundmaterial 116 umfasst. Noch spezieller umfasst in dieser besonderen Ausführungsform die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 glasfaserverstärkten Vinylester, der einen Photoinitiator enthält. Das System 100 beinhaltet eine erste Strahlungsquelle 118, die in einem Abstand „x-y“ von einer obersten Schicht 120 der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 positioniert ist. Noch spezieller ist, wie dargestellt, die erste Strahlungsquelle 118 positioniert, um Strahlung in einem Winkel „α“ bezogen auf die oberste Schicht 120 der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 abzugeben, wobei α zwischen etwa 30–90° Grad beträgt. Die erste Strahlungsquelle 118 wird verwendet, um das Erwärmen der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 zu initiieren. In der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht die erste Strahlungsquelle 118 aus einer Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 700 nm bis 1 µm abgeben kann. Noch spezieller kann die erste Strahlungsquelle 118 Infrarotstrahlung abgeben, wobei geeignete Quellen Infrarotglühlampen, Infrarotquarzröhren, Infrarot-Leuchtdioden, Infrarot-Leuchtlaser und dergleichen beinhalten.
Eine zweite Strahlungsquelle 122 ist im Wesentlichen senkrecht zur obersten Schicht 120 und in einem Abstand „x“ von der obersten Schicht 120 der Vielzahl der Schichten eines Verbundmaterials 112 bereitgestellt und positioniert. Die zweite Strahlungsquelle 122 wird verwendet, um das Photoaushärten der in der Vielzahl der Schichten eines Verbundmaterials 112 enthaltenden reaktiven Gruppe zu initiieren. In der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht die zweite Strahlungsquelle 122 aus einer Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 100 bis 400 Nanometern abgeben kann. Noch spezieller kann die zweite Strahlungsquelle 122 ultraviolettes Licht abgeben, wobei geeignete Quellen Ultraviolettleuchtstofflampen, Ultraviolettleuchtdioden, Ultraviolettleuchtlaser und dergleichen beinhalten.
1 stellt die Anwendung der ersten Strahlungsquelle 118 (IR) zum Erwärmen der Vielzahl von Schichten, oder Lagen, 112 des Verbundmaterials dar. Im Betrieb wird die erste Strahlungsquelle 118 eingeschaltet, um die Vielzahl von Schichten, oder Lagen, 112 des Verbundmaterials auf eine Temperatur zwischen 40 und 100°C zu erwärmen. Wenn die Vielzahl von Schichten 112 die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird die zweite Strahlungsquelle 122 (UV) eingeschaltet, um das Photoaushärten der in der Vielzahl von Schichten 112 enthaltenen reaktiven Gruppe gemäß der in 1 beschriebenen Ausführungsform zu initiieren. Bei Aktivierung der zweiten Strahlungsquelle 122 kann die erste Strahlungsquelle 118 ausgeschaltet werden.
Bei Einwirkung durch die zweite Strahlungsquelle 122 zerfällt der Photoinitiator, um freie Radikale oder Säuren zu bilden, die dann das Aushärten des photoaushärtbaren Monomers initiieren. Die Zeit, die die Zusammensetzung der Strahlung ausgesetzt ist, und die Intensität der Strahlung können stark variieren. In verschiedenen Ausführungsformen reichen die Bestrahlungszeit, die Strahlungsintensität oder beide aus, um das Photoaushärten zu initiieren. In besonderen Ausführungen liegt die Bestrahlungszeit im Allgemeinen im Bereich von ungefähr 1 Sekunde bis ungefähr 5 Stunden, noch bevorzugter im Bereich von ungefähr 5 Sekunden bis ungefähr 1 Stunde. Diese Parameter können von einem Fachmann leicht ermittelt werden. In einer Ausführungsform können Variationen in der Strahlungsintensität und Bestrahlungsdauer der Zusammensetzung eingesetzt werden, um die Zeit bis zur Initiierung des Aushärtens zu steuern.
In einigen Ausführungsformen wird die Zusammensetzung der Strahlung für einen Zeitraum ausgesetzt, der ausreicht, um das Aushärten zu beenden. Die zweite Strahlungsquelle 122 kann ausgeschaltet werden, bevor das Harz vollständig ausgehärtet ist. Es ist keine weitere externe Energiequelle nötig, um das Aushärten der Zusammensetzung nach dem Ausschalten der zweiten Strahlungsquelle 122 zu gewährleisten. Die Verwendung einer Doppelstrahlungsquelle zum Erreichen des Aushärtens durch die Dicke der Verbundschicht, oder Lagen, führt zu einer wesentlichen Reduzierung des Energieverbrauchs, was einen kosteneffektiven Prozess zur Folge hat.
Durch diese Offenbarung ist abzusehen, dass die Doppelstrahlungsquelle unabhängige UV- bzw. IR-Lampen, die nebeneinander verwendet werden und wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben konfiguriert sind, unabhängige UV- bzw. IR-Lampen, die nebeneinander verwendet werden und wie nachstehend in 2 beschrieben konfiguriert sind, oder kombinierte UV-/IR-Lampen oder andere Formen von Lichtquellen sein können, die sowohl UV- als auch IR-Strahlung bereitstellen, kombiniert in einer einzelnen Lichtquelle oder einem Gehäuse, wie nachstehend mit Bezug auf 3 beschrieben.
Durch diese Offenbarung ist zusätzlich abzusehen, dass das hierin offenbarte UV-IR-Aushärteverfahren als stufenartiger Aushärteprozess verwendet werden kann, um bei Bedarf Dicke zu erzielen. Zum Beispiel kann ein 10-lagiger Verbundstoff zunächst mithilfe des UV-IR-Doppelaushärteprozesses ausgehärtet werden und dann wird ein weiterer 10-lagiger Verbundstoff auf den ersten Satz aus gehärtetem 10-Schichtverbundstoff gehärtet, wodurch ein 20-lagiger ausgehärteter Verbundstoff erzielt wird.
Mit Bezug auf 2 wird eine alternative Ausführungsform eines kombinierten Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparaturverfahren dargestellt, das im Allgemeinen mit 125 bezeichnet ist. In dieser speziellen Ausführungsform ist die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 im System 125 und auf einem Stützsubstrat 101 positioniert dargestellt, wobei jede Schicht, oder Lage, ein glasfaserverstärktes Verbundmaterial umfasst. Das System 125 beinhaltet eine erste Strahlungsquelle 118, die im Wesentlichen senkrecht und in einem Abstand „x“ von einer obersten Schicht 120 der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 positioniert ist. Ähnlich der vorigen Ausführungsform besteht die erste Strahlungsquelle 118 aus einer Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 700 nm bis 1 µm abgeben kann. Eine zweite Strahlungsquelle 122 ist neben der ersten Strahlungsquelle 118 bereitgestellt und positioniert und im Wesentlichen senkrecht zur obersten Schicht 120 und in einem Abstand „x“ zur obersten Schicht 120 der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 positioniert. Ähnlich der zuvor beschriebenen Ausführungsform besteht in der in 2 dargestellten Ausführungsform die zweite Strahlungsquelle 122 aus einer Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 100 bis 400 Nanometern abgeben kann.
Mit Bezug auf 3 wird eine alternative Ausführungsform eines kombinierten Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparaturverfahren dargestellt, das im Allgemeinen mit 130 bezeichnet ist. Wie zuvor erwähnt, beziehen sich gleiche Bezugsziffern in allen Ansichten auf gleiche Elemente. In 3 ist die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 dargestellt, die im System 130 und auf einem Substrat 101 positioniert sind. Jede der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 umfasst ein faserverstärktes Verbundmaterial. Noch spezieller besteht in einer Ausführungsform die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 jeweils aus glasfaserverstärktem Epoxidharz, das einen Photoinitiator enthält. In dieser speziellen Ausführungsform und im Gegensatz zu den vorigen mit Bezug auf 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen ist eine erste Strahlungsquelle 118 und eine zweite Strahlungsquelle 122 bereitgestellt, die in Kombination als kombinierte Strahlungsquelle 132 konfiguriert sind. Wie zuvor erwähnt, kann die kombinierte Strahlungsquelle 132 entweder als kombinierte UV-/IR-Lampe konfiguriert sein oder als andere Formen von Lichtquellen, die sowohl UV- als auch IR-Strahlung oder eigenständige UV- und IR-Strahlungsquellen bereitstellen, die in einem einzelnen Gehäuse kombiniert sind, wie nachstehend mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben und dargestellt. Die kombinierte Strahlungsquelle 132 ist in einem Abstand „x“ von einer obersten Schicht 120 der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 bereitgestellt und positioniert. Die erste Strahlungsquelle 118, als Teil der kombinierten Strahlungsquelle 132 konfiguriert, wird verwendet, um das Erwärmen der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 zu initiieren. Die erste Strahlungsquelle 118 besteht aus einer Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 700 nm bis 1 µm abgeben kann. Noch spezieller kann die erste Strahlungsquelle 118 Infrarotstrahlung abgeben, wobei geeignete Quellen Infrarotglühlampen, Infrarotquarzröhren, Infrarot-Leuchtdioden, Infrarot-Leuchtlaser und dergleichen beinhalten. Die zweite Strahlungsquelle 122 wird verwendet, um das Photoaushärten der in der Vielzahl der Schichten eines Verbundmaterials 112 enthaltenden reaktiven Gruppe zu initiieren. In der in 3 dargestellten Ausführungsform besteht die zweite Strahlungsquelle 122 aus einer Strahlungsquelle, die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 100 bis 400 Nanometern abgeben kann. Noch spezieller kann die zweite Strahlungsquelle 122 ultraviolettes Licht abgeben, wobei geeignete Quellen Ultraviolettleuchtstofflampen, Ultraviolettleuchtdioden, Ultraviolettleuchtlaser und dergleichen beinhalten.
Ähnlich den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen sieht die kombinierte Strahlungsquelle 132 zuerst die Anwendung der ersten Strahlungsquelle 118 (IR) vor, um die Vielzahl von Schichten, oder Lagen, 112 des Verbundmaterials zu erwärmen. Noch spezieller wird im Betrieb die erste Strahlungsquelle 118 eingeschaltet, um die Vielzahl von Schichten, oder Lagen, 112 des Verbundmaterials auf eine Temperatur zwischen 40 und 100°C zu erwärmen. Wenn die Vielzahl von Schichten 112 die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird die zweite Strahlungsquelle 122 (UV) eingeschaltet, um das Photoaushärten der in der Vielzahl von Schichten 112 enthaltenen reaktiven Gruppe zu initiieren. Wie vorstehend beschrieben, sind im Gegensatz zu den mit Bezug auf 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen die erste Strahlungsquelle 118 und die zweite Strahlungsquelle 122, wie in dieser Ausführungsform dargestellt, als eine kombinierte Strahlungsquelle 132 konfiguriert, die wie vorstehend beschrieben arbeiten kann.
Mit Bezug auf 4 und 5 werden kombinierte Strahlungsquellen dargestellt, die im Allgemeinen der zuvor mit Bezug auf 3 beschriebenen kombinierten Strahlungsquelle 132 ähnlich sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die eigenständigen UV- und IR-Strahlungsquellen in einem einzelnen Gehäuse konfiguriert. Es sollte verstanden werden, dass die in 4 und 5 gezeigte Anordnung der Strahlungsquellen nur beispielhaft ist und dass weitere Anordnungen oder Auslegungen absehbar sind. Mit speziellem Bezug auf 4 wird eine kombinierte Strahlungsquelle 134 einschließlich einer ersten Strahlungsquelle (IR) 118 dargestellt, die als eine kreisförmige IR-Wärmelampe 119 konfiguriert ist. Zusätzlich ist eine zweite Strahlungsquelle 122 enthalten, die als Vielzahl von individuellen UV-Lampen 123 konfiguriert ist. Die Lampen 119 und 123 sind in einem einzelnen Gehäuse untergebracht und für den wie vorstehend beschriebenen Betrieb konfiguriert. Mit speziellem Bezug auf 5 wird eine kombinierte Strahlungsquelle 136 einschließlich einer ersten Strahlungsquelle (IR) 118 dargestellt, welche als Konfiguration mehrerer streifenförmiger IR-Wärmelampen 121 vorliegt. Zusätzlich ist eine zweite Strahlungsquelle 122 enthalten, die als Vielzahl von individuellen UV-Lampen 123 konfiguriert ist. Die Lampen 121 und 123 sind in einem einzelnen Gehäuse untergebracht und für den wie vorstehend beschriebenen Betrieb konfiguriert.
6 stellt ein Verfahren 150 zum Aushärten einer Verbundkonstruktion 110 gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Das Verfahren 150 beinhaltet das Bereitstellen eines Verbundmaterials einschließlich einer ersten Schicht, die ein faserverstärktes Harz mit einer reaktiven Gruppe und einem Photoinitiator in Schritt 152 umfasst. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bereitstellen einer oder mehrerer sukzessiver Schichten eines faserverstärkten Harzes mit einer reaktiven Gruppe in Schritt 154, bis die gewünschte Anzahl an Schichten in der entstandenen Verbundkonstruktion 110 bereitgestellt ist. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erwärmen der Vielzahl von Schichten, oder Lagen, eines Verbundmaterials in Reaktion auf eine erste Strahlungsquelle in Schritt 156. Das Verfahren beinhaltet ferner das Aktivieren einer reaktiven Gruppe eines Harzes in der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 in Reaktion auf die zweite Strahlungsquelle in Schritt 158, wodurch gleichzeitig die Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 ausgehärtet wird. Nach der Aktivierung der zweiten Strahlungsquelle 112 kann die erste Strahlungsquelle 118 ausgeschaltet werden. Während der Bestrahlung durch die zweite Strahlungsquelle 122 kann die reaktive Gruppe (wie vorstehend beschrieben) der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 (wie mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben), und noch spezieller, die Verbundkonstruktion 110 vollständig ausgehärtet werden. Wie vorstehend erwähnt, kann der Prozess, wenn stufenweises Aushärten gewünscht wird, um die Dicke einer Verbundkonstruktion oder eines Bauteils zu erzielen, wiederholt werden, wobei ein erster Satz aus einer Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 zunächst gemäß dem Verfahren 150 ausgehärtet werden kann und anschließend ein weiterer Satz aus einer Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials 112 auf den ersten Satz ausgehärtet werden kann, um eine Verbundstoffkonstruktion, wie gewünscht, zu erzielen.
7 stellt ein Temperaturprofil eines Verbundmaterials dar, welches, wie angegeben, aus einer Vielzahl von Schichten, oder Lagen besteht, im Allgemeinen ähnlich der Verbundkonstruktion 110 aus 1–3. In dieser speziellen Tabelle, allgemein mit 160 bezeichnet, wurde anstelle einer kombinierten Strahlungsquelle, wie hierin offenbart, nur eine einzelne UV-Strahlungsquelle zum Aushärten der Vielzahl von Schichten oder Lagen verwendet. In 7 werden speziell Daten dargestellt, die das UV-Aushärten des glasfaserverstärkten Harzes Dion 9102-00 widerspiegeln, welches 0,6 Gew.-% eines Photoinitiators enthält und mit nieriger UV-Intensität von 0,008 W/cm² ausgehärtet wurde. In den Schichten des Verbundmaterials wird der Glasübergang bestimmt durch den Einsatz der Speicherschubmoduls (G') versus Temperatur(°C)-Kurve in einem Kurvenbild der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) (nicht dargestellt). Eine Deckschicht, in der Tabelle als Schicht #1 angegeben, befindet sich näher an der Strahlungsquelle (UV), wobei die nachfolgenden Schichten, die als Schichten #2, 5, 7 und 10 angegeben und in dem Schichtstapel von der Strahlungsquelle (UV) weiter entfernt positioniert sind. Die Glasübergangstemperatur einer jeden Schicht, #1–#10, wird durch Bestrahlung der Zusammensetzung mit einer Wellenlänge aus einer UV-Strahlungsquelle zum Photoaushärten der Zusammensetzung erhalten. Wie in 7 ersichtlich wird, erreichen alle Lagen des Verbundmaterials, wenn nur mit einer UV-Strahlung ausgehärtet, niedrige Glasübergangstemperaturen bei niedriger UV-Intensität, wobei die oberen Lagen gerade so die geringen Anforderungen an das Design erfüllen, nicht aber die optimalen Anforderungen.
8 stellt ein Temperaturprofil eines Verbundmaterials dar, welches, wie angegeben, aus einer Vielzahl von Schichten, oder Lagen, besteht, im Allgemeinen ähnlich der Verbundkonstruktion 110 aus 1–3. In dieser speziellen Tabelle, allgemein mit 170 bezeichnet, wurde anstelle einer kombinierten Strahlungsquelle, wie hierin offenbart, nur eine einzelne hochintensive UV-Strahlungsquelle zum Aushärten der Vielzahl von Schichten oder Lagen verwendet. In 8 sind insbesondere Daten dargestellt, die das hochintensive UV-Aushärten des glasfaserverstärkten Harzes Dion 9102-00 widerspiegeln, welches 0,6 Gew.-% eines Photoinitiators enthält und mit hoher UV-Intensität von 0,069 W/cm² ausgehärtet wurde. Wie vorstehend beschrieben, wird in dem Verbundmaterial der Glasübergang durch den Einsatz der Speicherschubmodul (G') versus Temperatur(°C)-Kurve in einem Kurvenbild der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) bestimmt. Eine Deckschicht, in der Tabelle als Schicht #1 angegeben, befindet sich näher an der Strahlungsquelle (UV), wobei die nachfolgenden Schichten, die als Schichten #2, 5, 7 und 10 angegeben und in dem Schichtstapel von der Strahlungsquelle (UV) weiter entfernt positioniert sind. Die angegebenen Daten für die Schichten #1–#10 zeigen das Temperaturprofil des Verbundmaterials, welches durch Bestrahlung der Zusammensetzung mit einer Wellenlänge von einer hochintensiven UV-Strahlungsquelle zum Aushärten der Zusammensetzung erhalten wurde. Wie aus 8 ersichtlich wird, ergibt das Erhöhen der UV-Intensität höhere Glasübergangstemperaturen, ist jedoch auf ein paar obere Schichten begrenzt. Des Weiteren wird ein wesentlicher und stetiger Abfall der Glasübergangstemperatur von den oberen zu den unteren Lagen beobachtet.
9 stellt ein Temperaturprofil eines Verbundmaterials dar, welches, wie angegeben, aus einer Vielzahl von Schichten, oder Lagen, besteht, im Allgemeinen ähnlich der Verbundkonstruktion 110 aus 1–3. In dieser speziellen Tabelle, allgemein mit 180 bezeichnet, wurde eine kombinierte Strahlungsquelle, umfassend eine IR-Strahlungsquelle und eine UV-Strahlungsquelle, zum Aushärten der Vielzahl von Schichten oder Lagen verwendet. In 9 sind speziell Daten dargestellt, welche das kombinierte IR-UV-Aushärten des glasfaserverstärkten Harzes Dion 9102-00 widerspiegeln, welches 0,6 Gew.-% eines Photoinitiators enthält. Die UV-Intensität beträgt ungefähr 0,043 W/cm² und liegt damit leicht unter der UV-Intensität der in 8 dargestellten hohen UV-Intensität. Die IR-Strahlungsquelle wird ausgeschaltet, wenn die Oberflächentemperatur der mehreren Schichten in dem Probestück 70°C erreicht hat. Wie in den in 9 erhaltenen Daten angegeben, ergibt das kombinierte UV-IR-Aushärten ein gleichmäßiges Aushärten der Lagen durch die Gesamtdicke, wobei alle einen optimalen hohen Glasübergang aufweisen.
Das offenbarte kombinierte Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparatursystem liefert eine gewünschte Festigkeit und Potenzial bei Klebeverbindungen in Verbundkonstruktionen, die Harze umfassen, wie in den vorstehenden Absätzen beschrieben. Das Zusammenfügen und Montieren von Teilstücken und Subkomponenten zu einstückigen Konstruktionen ist besonders vorteilhaft und nützlich für die Modulbauweise. Auch wenn sowohl mechanische als auch Klebeverbindungsstellen verwendet werden können, gewährleisten im Allgemeinen Klebeverbindungen Designs mit geringerem Gewicht und der gewünschten Festigkeit. Verbundkonstruktionen mit Harzen können bei mechanischen Komponenten als Materialien für das gewünschte Klebeverbinden beim Zusammenfügen und Montieren mechanischer Komponenten eingesetzt werden.
10 ist eine diagrammatische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Verbundkonstruktion 200, die im Allgemeinen einer Verbundkonstruktion 110 von 1–3 ähnelt, und stellt ein Windkraftanlagensystem 300 dar, einschließlich mindestens eines Abschnitts, der gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen hergestellt oder repariert wurde. Einige der Eigenschaften, die bewirken, dass Verbundstoffe wie glasfaserverstärkte Verbundstoffe in Windkraftanlagenblättern Anwendung finden, sind wünschenswerte mechanische Eigenschaften wie die Anpassbarkeit von Materialeigenschaften und die Vielseitigkeit von Herstellungsverfahren. Des Weiteren liefern Faserglasverbundstoffe eine wünschenswerte Härte und eine kürzere Prozesszykluszeit als die aus den bestehenden Herstellungsverfahren bekannten. Das Windkraftanlagensystem 300 beinhaltet eine Vielzahl von Blättern 302 (z. B. drei Blätter). Die Blätter 302 ermöglichen, dass das System 300 die Energie des Windes einfangen kann. Insbesondere zwingt der Wind die Blätter 302 dazu, um eine Achse zu rotieren, wodurch ein innerhalb des Systems 300 angeordneter elektrischer Generator angetrieben wird. Lange Blätter sind wünschenswert, da sie einen größeren Hebel zum Einfangen der gewünschten Energiemenge darstellen. In einem nicht-begrenzenden Beispiel weisen die Blätter 302 des Windkraftanlagensystems 300 eine typische Länge von maximal 30 Metern auf, um das Einfangen der Energie zu maximieren und die Energiekosten zu reduzieren. Die Komponenten des Blattes 302 können die Verbundkonstruktion 110 umfassen, wie nachstehend erläutert. Die Blätter 302 sind an einen Turm 304 gekoppelt. Die Höhe des Turmes, welche die Höhe des Windkraftanlagensystems 300 bestimmt, spielt im Design des Windkraftanlagensystems 300 eine wesentliche Rolle. Da sich die Windgeschwindigkeit mit der Einsatzhöhe, auch als Windgradient bekannt, ändert, ist eine optimale Höhe für eine optimale Leistung des Windkraftanlagensystems 300 wünschenswert. Für eine optimale Leistung weist die Höhe des Turmes 304 im Allgemeinen ungefähr die zweifache bis dreifache Länge der Blätter 302 auf.
11 stellt ein Moduldesign eines Blattes 302, wie in 10 beschrieben, eines Windkraftanlagensystems 300 dar, bei dem mindestens ein Teil gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt oder repariert wurde. Das dargestellte Blatt 302 beinhaltet eine Oberverkleidung 306 und einen Schersteg 308, der zwischen einem Paar aus Holmgurten 310 angeordnet ist, die an ein Gehäuse 312 gekoppelt sind. Der Schersteg 308 verleiht dem Blatt 302 eine gewünschte Festigkeit und bietet dem Paar Holmgurten 310 eine gewünschte Stütze. Das Blatt 302 beinhaltet ferner eine Unterverkleidung 314, die unterhalb des Scherstegs 308 angeordnet ist. Das Paar 112 aus glasfaserverstärktem Verbundmaterial wurde gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen hergestellt und repariert. Da das Blatt 302 eine wesentliche Komponente des Windkraftanlagensystems 300 ist, wie in 10 dargestellt, verleiht die Verwendung einer Verbundstruktur wie einer Verbundkonstruktion 110, wie sie in 1–3 dargestellt und in den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben ist, dem Kraftanlagenblattsystem 300 die gewünschte mechanische Festigkeit sowie ein Mittel zur effizienten und kosteneffektiven Reparatur und Herstellung. Ferner können die Oberverkleidung 306 und die Unterverkleidung 314 zusätzlich die Verbundkonstruktion umfassen.
Dementsprechend werden ein kombiniertes UV-IR-Aushärtesystem und ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Verbundbauteilen wie Windblattherstellung und -reparatur offenbart. Das System und Verfahren verwendet eine UV-IR-Doppelstrahlungsquelle, um glasfaserverstärkten Vinylester oder Epoxidharzverbundstoffe auszuhärten, die einen Photoinitiator enthalten. Die UV-IR-Doppelstrahlungsquelle kann als eigenständige UV- und IR-Lampen, die nebeneinander verwendet werden, eine Vielzahl von UV-Lampen mit IR-Wärmestrahlung, eine kombinierte UV/IR-Lampe oder andere Formen von Lichtquellen konfiguriert sein, die sowohl UV- als auch IR-Strahlung bereitstellen. Zum Erreichen eines hohen Glasübergangs und zum vollständigen Aushärten dicker Verbundstoffe wird zuerst die IR-Strahlungsquelle eingeschaltet, um den Verbundstoff bis auf etwa 40°C–100°C zu erwärmen, bevor die UV-Strahlungsquelle eingeschaltet wird. Die IR-Strahlungsquelle kann ausgeschaltet werden, nachdem die UV-Strahlungsquelle aktiviert wurde. Des Weiteren kann das UV-IR-Aushärteverfahren als stufenförmiger Aushärteprozess verwendet werden, um bei Bedarf Dicke zu erzielen.
Während nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleuten viele Modifikationen und Änderungen offensichtlich werden. Es sollte daher verstanden werden, dass die angefügten Patentansprüche gedacht sind, alle diese Modifikationen und Änderungen als in den wahren Geist der Erfindung fallend abzudecken. Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen anfällig ist, wurden spezielle Ausführungsformen in den Zeichnungen als Beispiel dargestellt und hierin ausführlich beschrieben. Jedoch sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten besonderen Formen begrenzt werden sollte. Vielmehr soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Geist und Anwendungsbereich der Erfindung fallen, wie von den nachstehenden Patentansprüchen definiert.
Ein kombiniertes UV-IR-Aushärtesystem und Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Verbundbauteilen wie zur Verwendung in der Herstellung und Repartur von Windkraftanlagenblättern. Das System und Verfahren verwendet eine UV-IR-Doppelstrahlungsquelle, um glasfaserverstärkte Verbundstoffe auszuhärten, die einen Photoinitiator enthalten. Die UV-IR-Doppelstrahlungsquelle kann als eigenständige UV- und IR-Lampen, die nebeneinander verwendet werden, eine Vielzahl von UV-Lampen mit IR-Wärmestrahlung, eine kombinierte UV/IR-Lampe oder andere Formen von Lichtquellen konfiguriert sein, die sowohl UV- als auch IR-Strahlung bereitstellen. Zum Erreichen eines hohen Glasübergangs und zum vollständigen Aushärten dicker Verbundstoffe wird zuerst die IR-Strahlungsquelle eingeschaltet, um den Verbundstoff bis auf etwa 40°C–100°C zu erwärmen, bevor die UV-Strahlungsquelle eingeschaltet wird. Die IR-Strahlungsquelle kann ausgeschaltet werden, nachdem die UV-Strahlungsquelle aktiviert wurde.
Bezugszeichenliste

100: kombiniertes Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparatursystem
101: Stützsubstrat
110: Verbundkonstruktion
112: Vielzahl von Schichten, oder Lagen
114: Schnittstelle zwischen den Schichten
116: glasfaserverstärktes Verbundmaterial
118: erste Strahlungsquelle
119: Rundstrahlung
120: oberste Schicht
121: mehrere IR-Lampen
122: zweite Strahlungsquelle
123: Vielzahl von UV-Lampen
124
125: kombiniertes Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparatursystem
126
128
130: kombiniertes Ultraviolett(UV)-Infrarot(IR)-Herstellungs- und Reparatursystem
132: kombinierte Strahlungsquelle
134: eine kombinierte Strahlungsquelle
136: eine kombinierte Strahlungsquelle
150: Verfahren zum Aushärten einer Verbundkonstruktion
152: Bereitstellen eines Verbundmaterials einschließlich einer ersten Schicht, die ein faserverstärktes Harz umfasst, welches eine reaktive Gruppe und einen Photoinitiator aufweist
154: Bereitstellen einer oder mehrerer sukzessiver Lagen eines faserverstärkten Harzes, welches eine reaktive Gruppe aufweist
156: Erwärmen der Vielzahl von Schichten, oder Lagen, eines Verbundmaterials in Reaktion auf eine erste Strahlungsquelle
158: Aktivieren einer reaktiven Gruppe eines Harzes in der Vielzahl von Schichten eines Verbundmaterials in Reaktion auf die zweite Strahlungsquelle
160
200: Verbundkonstruktion
300: Windkraftanlagensystem
302: Blätter
304: Turm
306: Oberverkleidung
308: Schersteg
310: Holmgurte
312: Gehäuse
314: Unterverkleidung

Claims

Herstellungs- und Reparatursystem (100, 125, 130), welches umfasst: eine erste Strahlungsquelle (118), die konfiguriert ist, um eine Vielzahl von Schichten (112) einer Verbundkonstruktion (110) durch eine Dicke der Vielzahl von Schichten (112) der Verbundstruktur (110) zu erwärmen, um eine Vielzahl von vorgewärmten Schichten (112) einer Verbundkonstruktion (110) zu bilden; und eine zweite Strahlungsquelle (122), die konfiguriert ist, um die Vielzahl von vorgewärmten Schichten (112) der Verbundkonstruktion (110) durch eine Dicke der Verbundkonstruktion (110) auszuhärten.
Herstellungs- und Reparatursystem nach Anspruch 1, wobei die erste Strahlungsquelle (118) Infrarotstrahlung umfasst.
Herstellungs- und Reparatursystem nach Anspruch 2, wobei die erste Strahlungsquelle (118) konfiguriert ist, um Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 nm bis 1 µm abzugeben.
Herstellungs- und Reparatursystem nach Anspruch 2, wobei die zweite Strahlungsquelle (122) Ultraviolettstrahlung umfasst.
Herstellungs- und Reparatursystem nach Anspruch 4, wobei die zweite Strahlungsquelle (122) konfiguriert ist, um Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 400 nm abzugeben.
Herstellungs- und Reparatursystem nach Anspruch 4, wobei die erste Strahlungsquelle (118) und die zweite Strahlungsquelle (122) als kombinierte Strahlungsquelle (132) konfiguriert sind.
Herstellungs- und Reparatursystem nach Anspruch 4, wobei die erste Strahlungsquelle (118) und die zweite Strahlungsquelle (122) als eigenständige unabhängige Strahlungsquellen konfiguriert sind.
Verfahren, welches umfasst: Bereitstellen einer ersten Schicht (152), welche ein verstärktes Harz umfasst, das eine reaktive Gruppe und einen Photoinitiator aufweist; Bereitstellen weiterer sukzessiver Schichten (154), die das verstärkte Harz mit der reaktiven Gruppe und dem Photoinitiator umfassen. Aufbringen einer ersten Strahlung (156) aus einer ersten Strahlungsquelle (118), um die erste Schicht und die weiteren sukzessiven Schichten durch eine Dicke der Schichten vorzuwärmen; und Aufbringen einer zweiten Strahlung (158) einer zweiten Strahlungsquelle (122), um die vorgewärmte erste Schicht und die Vielzahl von weiteren sukzessiven Schichten durch eine Dicke der Schichten gleichzeitig auszuhärten.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Strahlungsquelle (118) eine Infrarotstrahlungsquelle umfasst, die konfiguriert ist, um Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 nm bis 1 µm abzugeben.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zweite Strahlungsquelle (122) eine Ultraviolettstrahlungsquelle umfasst, die konfiguriert ist, um Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 400 nm abzugeben.