DE60210729T2

DE60210729T2 - Verfahren zur Herstellung von Windmühlenflügeln

Info

Publication number: DE60210729T2
Application number: DE60210729T
Authority: DE
Inventors: Hendrik Stiesdal; Peder Bay Enevoldsen; Kaj Johansen; Jens Jörgen Ö. Kristensen; Michael Nörtem; Martin Winther-Jensen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: DK200101745A; US20030116262A1; EP1310351B1; DK176335B1; ATE323593T1; US7473385B2; ES2262747T3; DK1310351T3; EP1310351A1; DE60210729D1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Windradblattes aus Verbundwerkstoffen, die einen faserverstärkten Grundwerkstoff enthalten, wobei das Blatt in einer geschlossenen Form einteilig hergestellt wird, und mit den folgenden Schritten, die folgendes bereitstellen:

– einen Formkern mit einem flexiblen äußeren Kernteil und einem inneren, festen oder bearbeitbaren Kernteil und äußeren Formteilen, die so angeordnet sind, daß sie sich um den Formkern schließen, um dazwischen einen Formhohlraum zu bilden,
– daß der Verbundwerkstoff und mögliche Kerneinsätze auf ein äußeres Formteil und/oder den Formkern gelegt sind,
– daß die äußeren Formteile um den Formkern und um den in dem Formhohlraum angeordneten Verbundwerkstoff geschlossen sind,
– daß der Verbundwerkstoff ausgehärtet wird,
– daß die äußeren Formteile entfernt werden und
– daß der Formkern aus dem formbeständigen Blatt herausgenommen wird, bevor oder nachdem die äußeren Formteile abgenommen werden,
– daß ein Teil des erforderlichen Grundwerkstoffs in Verbindung mit der Verstärkungsfaser verwendet wird und wobei zusätzlicher Grundwerkstoff nach dem Schließen der Form zugesetzt wird. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Verbundwerkstoffen wie etwa glas- oder kohlenstoffaserverstärktem Epoxidharz, Polyester, Vinylester oder Thermokunststoff.

Allgemeiner Stand der Technik
Es sind verschiedene Verfahren zum Herstellen von Windradblättern bekannt.
Es ist somit bekannt, daß Windradblätter hergestellt werden können durch Wickeln von Rovingbändern oder Rovingbündeln um einen Kern oder Dorn herum. Verfahren dafür werden unter anderem beschrieben in NL-A-8 800 301, US-Patenten 4,242,160 und 4,381,960.
Solche Verfahren durch Wickeln haben den Nachteil, daß der gewickelte Gegenstand nach dem Erhärten normalerweise mit der rohen Verbundwerkstoffoberfläche als einer äußeren Oberfläche erscheint, die mit vielen Anwendungen inkompatibel ist, z.B. für Windradblätter. Eine zufriedenstellende Oberflächenqualität setzt somit eine Oberflächenbehandlung voraus, z.B. durch das Verkleben der separat hergestellten Schalen.
Ein weiterer Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, daß das Wickeln normalerweise den Einsatz eines Dorns mit einer bestimmten Stärke voraussetzt, der deshalb wiederverwendet werden soll. In diesen Fällen kann das Verfahren nur mit Gegenständen mit einer Geometrie verwendet werden, die das Entfernen des Dorns gestattet, was bedeutet, daß die Abmessungen des Innenquerschnitts des Hohlraums in einer gegebenen Entfernung von dem Ende, aus dem der Dorn herausgezogen wird, nicht die Abmessungen eines beliebigen der zwischen der fraglichen Position und dem Ende gelegenen Querschnitte übersteigen darf und daß in der Praxis eine gewisse Verjüngung in der Form normalerweise erforderlich ist. Ein derartiges Verfahren kann somit nicht für z.B. Tanks oder ganze Windradblätter verwendet werden.
Es ist ebenfalls Stand der Technik, daß Windradblätter durch ein Verfahren hergestellt werden können, bei dem ein Blatt üblicherweise mit zwei Halbschalen hergestellt wird, die an Vorder- und Hinterkante durch Verkleben miteinander verbunden werden. Die Halbschalen werden üblicherweise innerhalb des Blatthohlraums von einem oder mehreren Träger/n getragen, die ebenfalls durch Verkleben mit den Halbschalen verbunden werden, wobei die Träger z.B. in einer U- oder einer I-Form hergestellt sein können, so daß die Flansche dieser Träger Kontaktoberflächen mit den Halbschalen bilden, oder wo die Träger z.B. durch Wickeln hergestellt werden können, so daß ein Teil der äußeren Oberfläche des gewickelten Trägers Kontaktoberflächen in Richtung der Halbschalen bildet. Die Halbschalen können z.B. aus trockenen Faserwerkstoffen hergestellt werden, denen Harz durch manuelles Legen, Vakuumeinspritzen oder dergleichen zugesetzt wird, oder sie können aus einem Prepreg hergestellt werden, wo die Faserwerkstoffe im voraus mit Harz imprägniert werden, das durch die Einwirkung von Wärme, UV-Strahlung oder etwas ähnlichem zum Erhärten gebracht wird. Bei anderen Ausführungsformen werden Träger und/oder Halbschalen aus Thermokunststoff hergestellt, indem z.B. Faserwerkstoffe verwendet werden, die Kombinationen aus temperaturbeständigen Faserwerkstoffen und Thermokunststoff sind und wobei der Faserwerkstoff nach dem Legen auf eine Temperatur gebracht wird, wo der thermoplastische Werkstoff schmilzt und dadurch als Harz in dem fertiggestellten Laminat wirkt.
Bei diesem Verfahren besteht jedoch ein Problem darin, daß es möglicherweise schwierig ist, eine zufriedenstellende Qualität der im Inneren der Struktur hergestellten Klebeverbindungen für das Miteinanderverbinden der Halbschalen und zum Verbinden möglicher Träger mit den Halbschalen sicherzustellen. Dies ist teilweise zurückzuführen auf fundamentale Probleme hinsichtlich Werkstofftechnologie, teilweise auf spezifischere Herstellungsprobleme.
Die fundamentalen Probleme hinsichtlich Werkstofftechnologie können zusammenfassend beschrieben werden als Konsequenzen der Unmöglichkeit, die gleichen Werkstoffeigenschaften in dem Klebstoff sowie in dem Rest des Blattes zu haben. Der Grund dafür ist, daß die allgemeinen Werkstoffeigenschaften in den Blattschalen und den Laminaten der möglichen Träger durch die Faserverstärkung bestimmt werden, die normalerweise eine Starrheit aufweist, die um mehrere Größenordnungen höher ist als die des Harzes, wodurch die Eigenschaften des Harzes minimale Signifikanz für die Starrheit des Fertiglaminats aufweisen. Umgekehrt wird der Klebstoff normalerweise als reine Harze (die möglicherweise aus anderen Kunststoffen als den in den Laminaten verwendeten bestehen können) oder als Mischung aus Harzen und Filmmaterialien, aber ohne Faserverstärkung, hergestellt. Das Ergebnis davon ist, daß der Elastizitätsmodul des Klebstoffs üblicherweise um eine Größenordnung, oftmals mehrere Größenordnungen, von den mit dem Klebstoff verbundenen Teilen abweicht. Dazu kommt, daß Klebewerkstoffe oftmals brüchig sind und deshalb möglicherweise gegenüber lokalen Momenten anfällig sind, die dazu tendieren, die Klebeverbindung zu öffnen, sogenanntes Peeling. Solche lokalen Momente treten insbesondere durch sehr große Belastungen an dem Blatt auf, wobei nichtlineare Effekte implizieren können, daß der Blattquerschnitt seine Gestalt ändert. Weil Klebewerkstoffe normalerweise relativ brüchig sind, kann danach die Gefahr vorliegen, daß sich Risse in Klebeverbindungen weit von dem Bereich entfernt ausbreiten, wo die ursprünglichen Überlastungen aufgetreten sind.
Unter den Herstellungsproblemen ist eines der wesentlichen Probleme, daß die Klebeverbindungen an Vorder- und Hinterkante und zwischen Träger und Schale vorgesehen werden, so daß eine Klebeverbindung an der unvorbereiteten Oberfläche auf der Innenseite des Schalenlaminats hergestellt wird. Das Problem dieser Verbindung besteht darin, daß die Klebeoberfläche möglicherweise nur innerhalb eines bestimmten großen Toleranzbereichs definiert ist. Dazu kommt, daß im Fall der Hinter- und Vorderkantenbindung das Schalenlaminat in Richtung des Rands der Schale reduziert werden muß, wenn es sich wie z.B. im Fall von Windradblättern um Halbschalen handelt, wo die Ränder zueinander geneigt aneinanderstoßen, so daß die Klebeverbindung eine fast gleichförmige Dicke aufweisen kann. Diese Reduzierung wird möglicherweise nicht immer mit den erforderlichen Toleranzen versehen, weshalb eine reale Anpassung das Bearbeiten der Montageflächen erfordert, was wiederum einen großen Kostenanstieg impliziert. Ein weiteres Problem ist, daß die in den Blattschalen in Verbindung mit kleinen Variationen beim Herstellungsprozeß entstehenden Verformungen eine variierende Lücke innerhalb des Hohlraums des Gegenstands verursachen können, so daß es möglicherweise schwierig ist, ein vollständiges Füllen des Zwischenraums zwischen Träger und Schale mit Klebstoff sicherzustellen. Alle diese Probleme mit Toleranzen haben zum Ergebnis, daß Klebeverbindungen im allgemeinen variierende Querschnitte und Füllungen aufweisen können, was wiederum ein Risiko erheblicher Beanspruchungskonzentrationen in den Klebstoff und den benachbarten Blattschalen und Träger impliziert. Zudem ist ein Problem, daß die meisten Klebewerkstoffe voraussetzen, daß die zu bondenden Oberflächen im voraus geschliffen werden und zwar mit den assoziierten Problemen, die notwendigen Toleranzen einzuhalten. Schließlich ist es üblicherweise schwierig, die Klebeverbindungen visuell zu inspizieren, und es ist aufgrund des verjüngten Laminats und der unregelmäßigen Geometrie des Gegenstands auch schwierig, sie durch NDT-Verfahren (NDT – non-destructive testing – zerstörungsfreie Prüfung) zu inspizieren.
Ein Problem mit Verfahren auf der Basis des Bondens individueller Teile von Blättern besteht auch darin, daß, obwohl individuelle Sektionen der Blätter in geschlossenen Prozessen mit kleiner oder keiner Umweltbelastung hergestellt werden können, dies üblicherweise nicht der Fall beim Bonden selbst ist. Hier werden Arbeiter üblicherweise Schleifstaub vom Trockenschleifen ausgesetzt, teils weil es für den nachfolgenden Klebeprozeß ungünstig ist, ein Naßschleifen vorzunehmen, und teils weil sie den Kontakt mit und/oder Dämpfen von dem Klebewerkstoff selbst ausgesetzt werden, was die Notwendigkeit für persönliche Schutzmittel impliziert.
Kurze Darstellung der Erfindung
Der Zweck der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Windradblättern aus Verbundwerkstoffen, so daß diese in einem geschlossenen Prozeß und hauptsächlich einteilig ohne jegliche Klebeverbindungen hergestellt werden können.
Erreicht wird dies mit einem Verfahren der in der Einleitung angegebenen Art, daß insofern einzigartig ist, daß der Verbundwerkstoff um einen Kernwerkstoff gelegt wird, um das Blatt als eine Sandwich-Struktur zu bilden, wobei der Kernwerkstoff für die Evakuierung und die Strömung bei der Herstellung des Blattes mittels Unterdruck verwendet wird, wenn der Formhohlraum einem Unterdruck ausgesetzt wird, wodurch gleichzeitig mit dem Pressen von Verbundwerkstoffen und möglichen Kerneinsätzen gegen die Innenseite der äußeren Formteile aufgrund des flexiblen äußeren Kernteils des Formkerns Luft evakuiert wird und wobei der Grundwerkstoff nach der Ausbildung des Formhohlraums durch Unterdruck eingespritzt wird.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 definiert.
Mehrere Vorteile werden durch dieses Verfahren im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik erreicht.
Indem das Blatt einteilig hergestellt wird, wobei ein substantieller Teil der Außenseite ein Eindruck einer oder mehrerer äußerer Formteile ist, wird der Vorteil erreicht, daß durch Verwendung von Gelcoat in der Form oder durch eine nachfolgende einfache Oberfläche die Blattoberfläche in der Qualität erscheint, die bezüglich aerodynamischer Effizienz und ästhetischem Eindruck gefordert wird.
Indem das Blatt einteilig ohne irgendwelche Klebeverbindungen hergestellt wird, werden die Probleme nach dem Stand der Technik mit Klebeverbindungen, einschließlich Probleme mit Toleranzen von Klebeverbindungsabmessungen und den Schwierigkeiten mit der nachfolgenden Inspektion der Qualität der Klebeverbindungen eliminiert.
Indem das Blatt einteilig in einem geschlossenen Prozeß hergestellt wird, wird die Exposition von Arbeitern gegenüber möglicherweise umweltschädigender Substanzen in dem Verbundwerkstoff eliminiert, so daß die Notwendigkeit für persönliche Schutzmaßnahmen auf ein absolutes Minimum reduziert werden kann.
Indem das Blatt in einer Sandwich-Konstruktion mit einem Kernwerkstoff hergestellt wird, der größtenteils kontinuierlich um das Querschnittsprofil des Blattes herum läuft, wird eine besonders vorteilhafte Kombination aus Produktionstechnik und Eigenschaften des Fertigprodukts erreicht. Der Kernwerkstoff kann somit als Evakuierungs- und Strömungskanal durch einen Prozeß auf Unterdruckbasis verwendet werden, und der kontinuierliche Prozeß stellt gleichförmige Querschnittseigenschaften ohne nachteilige Übergänge zwischen Sandwich und massiver Struktur in stark belasteten Bereichen sicher. Der kontinuierliche Kernwerkstoff und die wirkliche Trennung des lasttragenden Teils des Laminats in eine äußere und eine innere Sektion liefert zudem den Konstruktionsvorteil, daß eine mögliche Rißbildung in einem (äußeren oder inneren) Laminat nur ein sehr kleines Risiko der Ausbreitung auf das andere Laminat impliziert. Hierdurch wird eine bisher unbekannte Redundanz der Struktur erreicht.
Die Zeichnung
Nachfolgend wird das Verfahren unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich erläutert. Die 1–2 liefern Beispiele für den Stand der Technik, und 3 gibt ein gemäß der Erfindung hergestelltes Blatt an. Mit 4–11 wird das Verfahren in einer Ausführungsform erläutert, bei der das Laminat durch Vakuuminjektion aus einem duroplastischen Kunststoff hergestellt wird.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt ein gemäß einem üblichen Verfahren hergestelltes Windradblatt. Ein Träger 1 wird hergestellt durch Wickeln um einen Dorn herum, der später aus dem Träger herausgenommen wird. Um den Träger herum werden zwei Halbschalen 2 und 3 geklebt. Jede Halbschale besteht aus einem äußeren Laminat 4, einem Sandwich-Kern 5, der z.B. aus Balsaholz oder PVC-Schaum hergestellt sein kann, und einem inneren Laminat 6. Die Halbschalen werden durch Klebverbindungen an der Vorderkante 7, an der Hinterkante 8 und am Träger 9 befestigt. Ein gemäß diesem üblichen Verfahren hergestelltes Blatt weist anfänglich drei Hauptteile auf, nämlich den Träger 1 und die beiden Halbschalen 2 und 3. Gemäß den Umständen können diese Hauptteile durch weitere Hauptteile ergänzt werden, z.B. an der Wurzel des Blattes, um einen Übergang zum Blattlager und/oder zur Rotornabe zu bilden.
2 zeigt ein gemäß einem weiteren üblichen Verfahren hergestelltes Windradblatt. Zwei Träger 10 und 11 werden durch Formen in separaten Formen hergestellt. Die beiden Träger werden mit zwei Halbschalen 12 und 13 verbunden. Die Halbschalen werden durch Klebeverbindungen an der Vorderkante 14, an der Hinterkante 15 und gegen die Träger 16 und 17 befestigt. Am Anfang weist ein gemäß diesem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestelltes Blatt vier Hauptteile auf, nämlich die Träger 10 und 11 und die beiden Halbschalen 12 und 13. Gemäß den Umständen können diese Hauptteile durch weitere Hauptteile ergänzt werden, z.B. an der Wurzel des Blattes, um einen Übergang zum Blattlager und/oder zur Rotornabe zu bilden.
3 zeigt ein gemäß dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestelltes Windradblatt. Das Blatt ist eine integrierte Einheit, die von einer Außenschale 18, einem Sandwich-Kern 19, einer Innenschale 20 und einer Scherbahn 21 gebildet wird. In anderen Sektionen kann das Blatt mit mehreren Scherbahnen oder vollständig ohne Bahnen hergestellt werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch ein Formteil, das sich eignet, um Windradblätter mit dem Verfahren gemäß der Erfindung herzustellen, wobei das Laminat durch Vakuuminjektion von duroplastischem Kunststoff hergestellt wird. Das Formteil 22 wird als ein Negativabdruck eines Teils der äußeren Oberfläche des Blattes hergestellt; als Beispiel wird hier die als die Druckseite bezeichnete Sektion bezeichnet, die während des Betriebs des Windrades größtenteils dem Wind zugewandt ist. Das Formteil 22 kann mit einem geeigneten Trennmittel auf der Oberfläche 23 behandelt werden, auf der das Blatt geformt wird. Das Formteil ist mit Verschlußkanten 24 versehen, mit denen Dichtheit durch Anstoßen an andere Formteile erzielt werden kann. Das Formteil kann mit einem integrierten Temperaturregelsystem 25 erzielt werden, mit dem die Temperatur des Blattlaminats während des Härtens geändert werden kann. Das Formteil 22 kann aus mehreren Teilen mit Verbindungen bestehen, die Dichtheit erzielen sollen.
5 zeigt einen ersten Schritt beim Herstellen von Windradblättern durch das Verfahren gemäß der Erfindung. Eine äußere Schicht aus Faserwerkstoff 26 wird in das Formteil 22 gelegt, z.B. Matten oder eine Bahn aus Glasfaser oder Kohlenstoffaser. Ein Teil der äußeren Schicht aus Faserwerkstoff kann sich beispielsweise über den Verschlußrand 24 der Vorderkante 27 hinauserstrecken. Auf zumindest einem Teil der äußeren Schicht aus Faserwerkstoff 26 ist ein Kernwerkstoff 28 vorgesehen, der z.B. aus Balsaholz oder PVC-Schaum hergestellt sein kann. An einer oder mehreren geeigneten Stellen, hier durch die Vorderkante 27 angedeutet, sind ein oder mehrere Strömungsrohre 29 vorgesehen, oder andere Arten von Öffnungen sind entlang des Blattes hergestellt. Neben dem Kernwerkstoff 28, der auf der äußeren Schicht aus Faserwerkstoff 26 plaziert ist, können andere Kernteile 30 vorgesehen sein, die ganz oder teilweise von dem Faserwerkstoff 26 eingeschlossen sind. Mindestens ein Teil der Oberfläche des Faserwerkstoffs 26, des Kernwerkstoffs 28, des möglichen Strömungsrohrs 29 und möglicher anderer Kernteile 30 werden dann von einer inneren Schicht aus Faserwerkstoff 31 bedeckt. Diese innere Schicht aus Faserwerkstoff 31 kann sich auf die gleiche Weise wie die äußere Schicht aus Faserwerkstoff 26 ganz oder teilweise über die Verschlußkante 24 hinauserstrecken. Das Strömungsrohr 29 kann mit Löchern oder Sägenuten 32 versehen sein, oder es können auf andere Weisen Strömungskanäle für Harz aus dem Inneren des Strömungsrohrs 29 zum Kernwerkstoff 28, zur äußeren Schicht aus Faserwerkstoff 26 und zu der inneren Schicht aus Faserwerkstoff 31 vorgesehen sein. Der Kernwerkstoff 28 und mögliche andere Kernteile 30 können mit Bahnen 33 oder Strömungswegen für Harz zwischen dem Kernwerkstoff 28 und mindestens einer der beiden Schichten 26 und 31 vorgesehen sein. Der Kernwerkstoff 28 und mögliche andere Kernteile 30 können mit Bohrungen oder durchgehenden Einschnitten 34 versehen sein, oder Strömungskanäle für Harz zwischen den beiden Oberflächen des Kernwerkstoffs 28 können auf andere Weisen vorgesehen sein.
6 zeigt einen nachfolgenden Schritt beim Herstellen von Windradblättern mit dem Verfahren gemäß der Erfindung. Auf der inneren Schicht aus Faserwerkstoff 31 werden der Formkern 35 und mögliche Scherbahnen 36 plaziert. Bei dem gezeigten Beispiel wird ein Formkern in zwei Teilen 37 und 38 verwendet, die jeweils in Unterteile unterteilt werden können. Ein Kernteil 37 kann z.B. aus einem festen inneren Teil 39 bestehen, der z.B. aus Holz oder einem Verbundwerkstoff hergestellt ist. Der feste innere Teil 39 kann auf mindestens einem Teil seiner Außenseite von einem flexiblen äußeren Teil 40 umgeben sein, der z.B. aus Schaumgummi bestehen kann. Jeder Kernteil 37 ist von einer flexiblen luftdichten Membran 41 umgeben, die z.B. aus Nylon oder Silikonkautschuk bestehen kann. Die flexible Membran 41 kann mit einem geeigneten Trennmittel behandelt sein. Eine Scherbahn 36 kann mit einem inneren Kernteil 42 hergestellt sein, der z.B. aus Sperrholz, Balsaholz oder PVC-Schaum bestehen kann und der auf jeder Seite ein Kernschlitzteil 43 in einem oder mehreren Teilen enthalten kann, der z.B. aus Sperrholz, Balsaholz oder PVC-Schaum bestehen kann. Auf jeder oder beiden Seiten der Kernteile 42 und 43 kann ein Faserwerkstoff 44 z.B. aus Glas oder Kohlenstoff plaziert werden. Der Faserwerkstoff 44 kann sich vorteilhafterweise zu einem gewissen Ausmaß über die innere Schicht aus Faserwertstoff 31 und auch über den Kernteil 37 erstrecken.
7 zeigt einen nachfolgenden Schritt beim Herstellen von Windradblättern mit dem Verfahren gemäß der Erfindung. Über den Kernteil 35 und den Faserwerkstoff 44 von der einen oder den mehreren möglichen Scherbahnen 36 wird eine innere Schicht aus Faserwerkstoff 45 gelegt, bei der es sich z.B. um Matten oder eine Bahn aus Glasfaser oder Kohlenstoffaser handeln kann, die vorteilhafterweise auf die gleiche Weise wie die innere Schicht aus Faserwerkstoff 31 im unteren Formteil 22 zusammengesetzt sein kann. Auf mindestens einem Teil der inneren Schicht aus Faserwerkstoff 45 ist ein Kernwerkstoff 46 bereitgestellt, der z.B. aus Balsaholz oder PVC-Schaum bestehen kann und der vorteilhafterweise auf die gleiche Weise wie der Kernwerkstoff 28 im unteren Formteil 22 gestaltet sein kann. In einigen Fällen wird es vorteilhaft sein, das Verlegen des Strömungsrohrs 29 wie oben in Schritt 5 beschrieben zu diesem Stadium des Prozesses zu verschieben. Zumindest ein Teil der Oberfläche des Faserwerkstoffs 45, des Kernwerkstoffs 46, des möglichen Strömungsrohrs 29 und möglicher anderer Kernteile 30 wird dann von einer äußeren Schicht aus Fasermaterial 47 bedeckt. Diese äußere Schicht aus Fasermaterial 47 können z.B. Matten oder eine Bahn aus Glas- oder Kohlenstoffaser sein und können vorteilhafterweise auf die gleiche Weise wie die äußere Schicht aus Faserwerkstoff 26 im unteren Formteil 22 zusammengesetzt sein. Beim Prozeß des Verlegens des inneren Faserwerkstoffs 45, des Kernwerkstoffs 46 und des äußeren Faserwerkstoffs 47 werden die Teile der äußeren Schicht aus Faserwerkstoff 26 und der inneren Schicht aus Faserwerkstoff 31, die sich nach dem Verlegen des Werkstoffs in dem Formteil 22 über die Verschlußkante 24 hinauserstrecken, in dem inneren Faserwerkstoff 45 und/oder dem äußeren Faserwerkstoff 47 so zusammengegeben, daß eine Überlappung von Faserwerkstoff über die am Verschlußrand 24 auftretende Verbindungsfläche 48 erreicht wird. Diese Schichten aus Faserwerkstoffen 26 und 31, die sich nach dem Verlegen des Werkstoffs in dem Formteil 22 über den Verschlußrand 24 hinauserstrecken, können sich ganz oder teilweise bis zur Hinterkante erstrecken, wenn sie auf den Formkern 35, den Faserwerkstoff 44 von der oder den möglichen Scherbahnen und/oder den Kernwerkstoff 46 gelegt werden.
8 zeigt den nächsten Schritt beim Herstellen von Windradblättern durch das Verfahren gemäß der Erfindung. Über der äußeren Schicht aus Faserwerkstoff 47 werden ein oder mehrere Formteile 48 angeordnet, die als Negativabdruck eines Teils der äußeren Oberfläche des Blattes gestaltet sind, wobei hier der als die Saugseite bezeichnete Teil dargestellt ist, und der beim Betrieb des Windrades größtenteils vom Wind wegweist. Der Formteil 48 kann auf der Oberfläche 49, auf der das Blatt ausgeformt ist, mit einem geeigneten Trennmittel behandelt werden. Der Formteil ist mit Verschlußkanten 50 versehen, mit denen Dichtheit gegenüber dem ersten Formteil 22 erreicht werden kann. Das Formteil kann mit einem integrierten Temperaturregelsystem 25 erzielt werden, mit dem die Temperatur des Blattlaminats während des Härtens geändert werden kann. Das Formteil 48 kann aus mehreren Teilen mit Verbindungen bestehen, die Dichtheit erzielen sollen.
9 zeigt den nächsten Schritt beim Herstellen von Windradblättern durch das Verfahren gemäß der Erfindung. Zwischen auf der einen Seite den Formteilen 22 und 48 und auf der anderen Seite der flexiblen Membran 41 um den Formkern 35 herum befindet sich ein Hohlraum 51. Der Hohlraum 51 ist teilweise von den Faserwerkstoffen 26, 31, 44, 45 und 47, den Kernwerkstoffen 28, 42, 43 und 46, dem Strömungsrohr 29 und möglichen anderen Kernteilen 30 gefüllt, während die Hohlräume zwischen den Fasern und zwischen der Faser und anderen Teilen mit Luft gefüllt sind. Nun wird Unterdruck an den Hohlraum 51 angelegt, so daß mindestens ein wesentlicher Teil der Luft zwischen den Teilen in dem Hohlraum evakuiert wird. Dadurch werden Faser- und Kernwerkstoffe usw. in dem Hohlraum 51 komprimiert, wenn sich die flexible Membran 41 ausdehnt. Um eine gute Abdichtung sicherzustellen, können die Oberflächen zwischen den Verschlußkanten 24 und 50 vorteilhafterweise mit mindestens zwei Abdichtanordnungen, einer inneren Anordnung 52 und einer äußeren Anordnung 53, hergestellt werden, so daß zwischen diesen Anordnungen ein Hohlraum 54 bereitgestellt wird, der separat von dem Unterdruck im Hohlraum 51 einem Unterdruck ausgesetzt wird und der vorteilhafterweise bei einem niedrigeren Absolutdruck als der Hohlraum 51 gehalten wird, wodurch ein mögliches Leck aus der umgebenden Luft zum Hohlraum 51 verhindert wird.
10 zeigt den nächsten Schritt beim Herstellen von Windradblättern durch das Verfahren gemäß der Erfindung. Die geschlossene Form, die aus den Formteilen 22 und 48 mit der ganzen Menge an Faser- und Kernwerkstoffen, Formkernen usw. besteht, wird nun um ihre Längsachse gedreht, so daß das Strömungsrohr 29 eine Position nahe beim niedrigsten Punkt in einem Querschnitt der geschlossenen Form einnimmt. Zwischen dem Strömungsrohr 29 und einem Reservoir 56 mit geeignetem Harz 57 mit dem richtigen Mischverhältnis, z.B. Polyester, Vinylester oder Epoxidharz, wird eine Verbindung 55 hergestellt. Die Verbindung 55, bei der es sich um ein Rohr oder einen Schlauch oder Kombinationen davon handeln kann, kann mit einem einstellbaren Drosselventil 58 versehen sein, oder es können auf andere Weisen Mittel festgelegt werden zum Steuern der Strömungsrate in der Verbindung 55 zum Strömungsrohr 29, z.B. in Form einer Drucksteuerung des Raums 59 über dem Harz 57. Die Verbindung 55 kann mit einem Absperrhahn 60 versehen sein oder auf andere Weisen kann eine Möglichkeit hergestellt werden zum Blockieren der Strömung von dem Reservoir 56 durch die Verbindung 55, z.B. dadurch, daß das Drosselventil 58 in der Lage ist, die Verbindung vollständig zu unterbrechen. Wenn das Blatt die gewünschte Position hat, wird für die Strömung in die Verbindung 55 geöffnet und die Einspritzung beginnt, wenn das Harz unter der Wirkung der Druckdifferenz zwischen dem in dem Hohlraum hergestellten Unterdruck und dem Druck auf das Harz 57 in den Hohlraum 51 strömt. Während der Einspritzung wird die Strömung mit dem Drosselventil 58 oder auf andere Weisen geregelt, so daß eine gesteuerte Entwicklung der Fluidfront 51 des eingespritzten Harzes 62 mit einem Gleichgewicht zwischen geregelter Einströmung und Schwerkraft aufrechterhalten wird. Es kann z.B. versucht werden, die Fluidfront ungefähr horizontal zu halten, so daß die Gefahr, größere oder kleinere Mengen an Restluft zu blockieren und einzuschließen, auf ein Minimum reduziert wird.
11 zeigt den nächsten Schritt beim Herstellen von Windradblättern gemäß der Erfindung. Die Strömungsfront 61 hat nun die Hinterkante des Blattes erreicht, und Harz dringt nun aufwärts in einen oder mehrere Überlaufbehälter 63. Wenn reines Harz in den relevanten Überlaufbehältern vorliegt, wird die Einspritzung durch den Absperrhahn 60 oder auf andere Weisen beendet. Das Temperaturregelsystem 25 kann während des ganzen Einspritzprozesses oder eines Teils davon aktiv sein, und insbesondere nach der abgeschlossenen Einspritzung kann es dazu verwendet werden, um das eingespritzte Laminat auf eine Temperatur zu bringen, die den Härtungsprozeß für das Harz verstärkt. Je nach der Ausführungsform kann das Temperaturregelsystem auch zum Kühlen von Form und Laminat verwendet werden, wenn Gefahr besteht, daß die exotherme Wärme des Härtungsprozesses die Temperatur der Form und des Laminats auf einen unerwünschten Pegel anhebt. Ein Temperaturregelsystem in der Form kann auch vollständig entfallen und die mögliche Enthärtung kann in einem separaten Prozeß danach durchgeführt werden.
Nach der Beendigung des Aushärtens werden die Formen geöffnet und das fertiggestellte Blatt wird herausgenommen.
Vor oder nach dem Herausnehmen des Blattes wird der Formkern 35 entfernt. Bei dem gezeigten Beispiel wird ein Formkern in zwei Kernteilen 37 und 38 verwendet. Der vordere Kernteil 37 kann in diesem Beispiel einteilig entfernt werden, wohingegen der hintere Kernteil 38 vorteilhafterweise in Unterteile unterteilt sein kann, die in der Reihenfolge entfernt werden, die bezüglich Geometrie und Handhabung die zweckmäßigste ist. Wenn ein Kernteil 37 aus einem festen inneren Teil 39 umgeben von einem flexiblen äußeren Teil 40 besteht, der zum Beispiel aus Schaumgummi bestehen und über zumindest einen Teil seiner Außenseite von einer flexiblen luftdichten Membran umschlossen sein kann, kann es vorteilhaft sein, einen Unterdruck an dem flexiblen äußeren Teil 40 anzulegen, wodurch sich die luftdichte Membran 41 zusammenzieht und relativ zu dem Hohlraum in dem ausgeformten Blatt entspannt wird. Für diesen Prozeß kann es ein Vorteil sein, daß die flexible luftdichte Membran 41 aus mehreren Schichten besteht, so daß eine mögliche Haftung zwischen dem ausgeformten Blatt und der luftdichten Membran auf die äußerste Schicht der Membran begrenzt ist. Es kann auch ein Vorteil sein, eine luftdichte Schicht zwischen dem festen inneren Teil 39 und dem flexiblen äußeren Teil 40 bereitzustellen, so daß Unterdruck auf den flexiblen äußeren Teil 40 begrenzt wird und größere oder kleinere Druckbelastungen nicht auf den festen inneren Teil 39 ausgeübt werden.
Oben wird der Prozeß mit der Verwendung eines Strömungsrohrs 29 beschrieben, das in die Vorderkante des Blattes integriert ist. Das Strömungsrohr kann durchaus außerhalb des Blattes selbst angeordnet sein, z.B. in einer Vertiefung in der Form, und diese Vertiefung kann den Strömungskanal darstellen, so daß kein separates Rohr erforderlich ist. Es können auch Versionen mit mehr Strömungsrohren und Strömungskanälen, in das Blatt integriert sowie außerhalb als kontinuierliche Vertiefungen oder Schläuche in den Formteilen angeordnet, oder teilweise oder ganz in der Gestalt von Strömungsrohren mit diskreten Einlässen an den Innenseiten der Formteile in betracht gezogen werden.
Oben wird eine praktische Ausführungsform des Verfahrens beschrieben, bei dem der Faserwerkstoff unter trockenen Bedingungen ausgelegt wird und wobei das Harz durch Vakuumeinspritzung zugeführt wird. Bei anderen praktischen Ausführungsformen wird ein sogenannter Prepreg ausgelegt, wobei die Faserwerkstoffe im voraus mit Harz imprägniert werden, der nach Anlegen eines Unterdrucks durch die Einwirkung von Wärme, UV-Strahlung oder etwas ähnlichem zum Aushärten gebracht wird, oder Faserwerkstoffe, die Kombinationen aus temperaturbeständigen Faserwerkstoffen und Thermokunststoff sind, können ausgelegt werden, und wobei der Faserwerkstoff nach dem Auslegen auf eine Temperatur gebracht werden kann, wo das duroplastische Material schmilzt und dadurch als Harz in dem fertiggestellten Laminat wirkt.
Kombinationen aus der praktischen Ausführungsform des Verfahrens mit unter trockenen Bedingungen ausgelegtem Faserwerkstoff und wobei ein Teil des ausgelegten Materials in Form fertiggestellter Faserverstärkter Teile vorliegt, z.B. ein zuvor ausgeformtes Teil für die Blattwurzel oder in Längsrichtung stranggezogener Profile. Es können auch Kombinationen von Werkstoffen beim Auslegen in Betracht gezogen werden, die ansonsten bei Verfahren nach dem Stand der Technik voneinander getrennt gehalten werden. Z.B. können Matten in Prepreg ebenfalls in Betracht gezogen werden, wo das integrierte Harz zu der Einspritzung des umgebenden trockenen Faserwerkstoffs bis zu einem bestimmten Grad beiträgt und wobei die für eine vollständige Imprägnierung des Laminats erforderliche Harzmenge wie oben beschrieben durch Vakuumeinspritzung bereitgestellt wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Windradblattes aus Verbundwerkstoffen, die einen faserverstärkten Grundwerkstoff enthalten, wobei das Blatt in einer geschlossenen Form einteilig hergestellt wird, und mit den folgenden Schritten, die folgendes bereitstellen: – einen Formkern mit einem flexiblen äußeren Kernteil und einem inneren, festen oder bearbeitbaren Kernteil und äußeren Formteilen, die so angeordnet sind, daß sie sich um den Formkern schließen, um dazwischen einen Formhohlraum zu bilden, – daß der Verbundwerkstoff und mögliche Kerneinsätze auf ein äußeres Formteil und/oder den Formkern gelegt sind, – daß die äußeren Formteile um den Formkern und um den in dem Formhohlraum angeordneten Verbundwerkstoff geschlossen sind, – daß der Verbundwerkstoff ausgehärtet wird, – daß die äußeren Formteile entfernt werden und – daß der Formkern aus dem formbeständigen Blatt herausgenommen wird, bevor oder nachdem die äußeren Formteile abgenommen werden, – daß ein Teil des erforderlichen Grundwerkstoffs in Verbindung mit der Verstärkungsfaser verwendet wird und wobei zusätzlicher Grundwerkstoff nach dem Schließen der Form zugesetzt wird, – dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff um einen Kernwerkstoff gelegt wird, um das Blatt als eine Sandwich-Struktur zu bilden, wobei der Kernwerkstoff für die Evakuierung und die Strömung bei der Herstellung des Blattes mittels Unterdruck verwendet wird, wenn der Formhohlraum einem Unterdruck ausgesetzt wird, wodurch gleichzeitig mit dem Pressen von Verbundwerkstoffen und möglichen Kerneinsätzen gegen die Innenseite der äußeren Formteile aufgrund des flexiblen äußeren Kernteils des Formkerns Luft evakuiert wird und wobei der Grundwerkstoff nach der Ausbildung des Formhohlraums durch Unterdruck eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Werkstoff durch einen Kanal eingespritzt wird, der an einer vertikalen Unterseite des Formhohlraums angeordnet ist und wobei eine Strömung so geregelt ist, daß eine sich nach oben ausbreitende Fluidfront des Grundwerkstoffs gesteuert wird, um einen Einschluß von Luft in dem Formhohlraum zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine äußere Schicht aus Faserwerkstoff, die sich über eine Seitenkante des Formhohlraums hinauserstreckt, auf einen ersten äußeren Formteil gelegt wird, wobei wenigstens ein Strömungsrohr an der Seitenkante angeordnet ist, um Grundwerkstoff einzuspritzen, wobei eine Schicht aus Kernwerkstoff und mögliche andere Teile aufgelegt werden, wobei eine innere Schicht aus Faserwerkstoff, die sich über die Seitenkante erstreckt ausgelegt wird, wobei der Formkern in den ausgelegten Schichten plaziert wird, wobei der sich über die Seitenkante erstreckende Faserwerkstoff über dem Formkern und dem Strömungsrohr eingefaltet wird, wobei eine Schicht aus Kernwerkstoff und eine äußere Schicht aus Faserwerkstoff auf den Formkern gelegt werden, wobei ein zweiter äußerer Formteil in engem Kontakt mit dem ersten äußeren Formteil plaziert wird, wobei Unterdruck an den Formhohlraum angelegt wird und wobei der Grundwerkstoff über das Strömungsrohr eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kerneinsätze zwischen den Schichten aus Faserwerkstoff angeordnet werden und zusammen mit dem Verbundwerkstoff aus der Form herausgenommen werden, um ein Blatt herzustellen, bei dem solche Einsätze Strukturelemente in dem fertiggestellten Blatt bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmehärten verwendet wird und wobei die Temperatur in den Verbundwerkstoffen des Blattes während des Härtens durch Verwendung eines Temperatursteuersystems in mindestens einem der Formteile verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem der Kernwerkstoff mit hindurchgehenden Passagen versehen wird, die als Kanäle für flüssigen Grundwerkstoff zwischen den beiden Schichten aus Faserwerkstoff verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einspritzen des Grundwerkstoffs beendet wird, wenn flüssiger Grundwerkstoff aus Öffnungen an der nach oben gewandten Seitenkante des Blattes herausgedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formkern als mehrere separate Sektionen vorgesehen ist.