KR20120005985A - 복합 구조물의 부품을 제조하는 방법 - Google Patents

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KR20120005985A
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에릭 그로브-닐센
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 섬유 보강 구조물의 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 많은 연결되지 않은 로빙이 로빙 번들을 형성시키기 위해서 사용된다. 많은 로빙 번들이 성형 공구내로 자동적으로 위치된다. 로빙 번들은 부품의 하나 이상의 층이 조립되게 하는 방식으로 정렬된다. 로빙 번들은 성형 공구내로 단방향으로 정렬된다. 각각의 로빙 번들은 성형 공구내로 위치되기 전에 매트릭스 재료로 적어도 습윤화된다.

Description

복합 구조물의 부품을 제조하는 방법{Method to manufacture a component of a composite structure}
본 발명은 복합 구조물의 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 바람직하게는 풍력 터빈 블레이드(wind-turbine blade)의 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
복합 구조물이 풍력 터빈을 위한 부품을 제조하는데 광범위하게 사용된다. 바람직하게는 직포 유리 섬유를 함유하는 일련의 직포가 이러한 목적에 일반적으로 사용된다.
부품 또는 블레이트의 제조를 위해서, 소위 "유리 섬유 보강된 플라스틱"이 사용된다. 이들은 일반적으로 폴리에스테르 또는 에폭시 수지를 함유한다.
소위 "단방향 유리 직포(unidirectional glass fabrics)"가 종종 블레이드 또는 부품의 부하 지지 부분에 사용된다.
이들 직포는 소위 "유리 섬유 로빙(glass fibre roving)"을 함유하며, 그러한 직포중의 유리 섬유는 서로 평행하게 정렬된다.
다른 직포도 블레이드 또는 부품을 형성시키는데 사용된다. 그러한 직포의 유형중 하나는 위브(weave)와 유사한 모양이며, 유리 섬유 또는 유리 섬유 로빙은 얀(yarn)에 의해서 함께 스티칭(stitched)된다. 얀은 폴리에스테르 또는 유사한 재료를 함유한다.
블레이드 또는 부품이 제조될 때, 위브에는 수지가 함침된다. 수지는, 예를 들어, 기술적 진공에 의해서, 요구된 구조내로 유입되며, 그에 따라서, 위브내로 유입된다. 한 가지 일반적으로 사용되는 공정은, 예를 들어, "진공 보조 수지 전달 모울딩(Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding, VARTM)"으로 공지되어 있다.
제조 면적 또는 용적으로 인해서, 상이한 양의 수지가 제조 구조물에 도입된다. 이들 수지가 인접 직물 사이에 또는 구조물 내에 사용된 직물 내에 위치할 수 있다.
강한 블레이드 또는 부품을 위해서, 구조물내에 수지 풍부한 "포켓(pocket)" 없이 유리 섬유와 수지의 고른 분포를 얻는 것이 아주 중요하다.
이들 포켓은 특히 블레이드 또는 부품의 부하-지지면을 따라서는 없어야 한다.
공지된 표준 제조 방법은 직포 및 또는 촙드 스트랜드 매트(chopped strand mat)를 사용한다. 이러한 재료는 상기 기재된 수지-풍부한 포켓의 문제에 일조한다.
블레이드의 주요 부하 지지면에 근접하는 단방향 섬유는 블레이드의 세로방향(각도 0(zero) 방향)을 따라서 정렬되어야 한다. 따라서, 사용된 섬유는 필라멘드 와인딩 맨드렐(filament winding mandrel)를 상에 감길 수 없다. 고가의 직포에 의한 수 적층 작업(hand lay up work)이 이용되어야 한다.
본 발명의 목적은 복합 구조물, 바람직하게는 풍력 터빈 블레이드의 부품을 제조하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 중 청구항 1의 특징에 의해서 달성된다. 바람직한 형태는 종속항의 목적이다.
본 발명에 따르면, 부품, 바람직하게는 섬유 보강된 구조물의 부품이 제조된다.
도 1은 본 발명의 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 방법을 이용한 또 다른 풍력 터빈 블레이드의 제조방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 방법을 이용한 또 다른 풍력 터빈 블레이드의 제조방법을 나타낸다.
부품은 풍력 터빈 블레이드의 부분일 수 있지만, 본 발명의 방법에 따라서 전체 블레이드를 생산하는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, 많은 연결되지 않은 로빙을 사용하여 로빙 번들(roving bundle)을 형성시킨다. 많은 로빙 번들은 성형 공구 내로 자동적으로 위치된다. 로빙 번들은 부품의 하나 이상의 층이 조립되는 방식으로 배열된다. 로빙 번들은 성형 공구내로 단방향으로 정렬된다. 각각의 로빙 번들은 성형 공구 내로 위치되기 전에 (수지 또는 아교(glue)와 같은) 매트릭스 재료로 적어도 습윤화된다.
본 발명의 방법에 따르면, 부품내의 수지-풍부한 포켓이 감소되거나 회피될 수 있다. 따라서, 전체 부품이 부품에 작용할 수 있는 기계적인 부하에 대해서 강화된다.
부품 및 부품을 함유하는 구조물의 강도가 증가된다. 따라서, 부품의 품질이 향상된다.
바람직하게는, 완전한 풍력 터빈 블레이드가 본 발명의 방법에 의해서 제조된다.
바람직하게는, 유리 섬유가 사용되며, 이는 로빙 얀으로서 공급될 수 있다.
로빙 얀은 바람직하게는 보빈(bobbin)에 의해서 제공되거나 운반된다.
각각의 로빙 얀은, 예를 들어, 복수의 1000 내지 3000 단일 섬유들을 포함한다.
습윤화 또는 함침은 바람직하게는 온고잉 공정(ongoing process)으로 수행된다. 바람직하게는, 로봇 장치가 사용되어 습윤화된 번들을 성형 공구 상에 올려놓거나 그 내부에 넣는다.
습윤화/함침으로 인해서, 최종 적층체의 더 높은 유리 백분율이 달성된다.
전체 부품은 더욱 균질하고, 그에 따라서, 수지 풍부한 면이 회피되거나 제거된다.
접착력 및 표면장력이 성형 공구내의 로빙의 평행한 배열을 달성시키는 것을 돕는다. 따라서, 개개의 로빙 번들의 취급이 더 용이하다.
본 발명은 구조물의 피로 특성에 손상을 주지 않으면서 층내에 섬유가 고르게 분포되게 하고 가장 높은 가능한 유리 백분율이 달성되게 함을 보장한다. 따라서, 풍력 터빈의 중심 부하 지지 스파(load bearing spar)를 제조하는 것이 가능하다.
매트릭스 재료(예컨대, 수지 또는 아교)는 모든 재료가 성형 공구(예, 멘트렐)에 위치하기 전에 경화되지 않는다. 바람직하게는, 수지와 유사한 열 경화성 에폭시가 본 목적으로 사용된다.
바람직하게는, 폴리에스테르 또는 에폭시 수지가 경화 사이클을 지연시키는 첨가된 개시제와 함께 사용된다.
습윤화/함침은 바람직하게는 습윤화 시스템의 도움으로 수행된다. 유리 섬유의 번들이 수지조(resin bath)에서 습윤화되고, 바람직하게는 습윤화 시스템의 노즐을 통해서 당겨진다.
노즐을 빠져나온 후에, 섬유는 단방향성이다. 접착력 및 표면 장력이 섬유 번들이 개개의 섬유의 평행 및 정렬된 배향을 유지하는 것을 돕는다.
바람직하게는, 부품의 층이 직포 없이 형성된다. 유리 섬유 번들의 크로스-스티칭(cross-stitching) 및 타이트닝(tightening)으로 인한 수지 풍부한 포켓이 회피된다.
지루한 수 적층 작업과 결부된 직포의 특성은 일반적으로 구조물에서의 주름 형성의 원인이다. 본 발명은 직포의 사용을 피하고 있으며, 그에 따라서, 층에서의 주름의 형성이 회피되고 있다.
미리-제작된 섬유 매트 대신에 로빙 번들을 사용함으로써 부품의 재료비가 또한 감소된다. 로빙 보빈으로부터 직접 유리를 사용함으로써 직포의 직조 비용이 제거되며, 그에 따라서, 최종 제품의 비용이 감소된다.
본 발명에 따른 자동화된 적층(lay-up)이 공지된 통상의 적층 작업과 결합될 수 있다. 예를 들어, 빔과 같은 블레이드의 가장 어렵고 중요한 부분이 자동으로 적층될 수 있으면서, 저부하 층이 통상의 적층 및 수 적층 방법에 의해서 적층될 수 있다.
본 발명의 방법은 또한 어려운 수 적층 작업의 양을 감소시키고, 크고 무거운 직포 또는 직포의 롤이 성형 공구내로 이동되고 위치되게 해야 한다. 따라서, 적층 작업자의 작업 조건을 개선시키고 있다.
추가로, 수지 챔버와 같은 실질적으로 폐쇄된 습윤화 시스템의 사용은 작업자의 작업 조건을 개선시키는데, 그 이유는 휘발성 물질이 습윤화 시스템내에 폐쇄되어 유지되게 하기 때문이다.
각각의 로빙 번들은 바람직하게는 보빈에 의해서 제공된다. 따라서, 전형적인 생산 셋업은 100 내지 200 또는 그 초과의 보빈의 어레이를 필요로 할 수 있다.
본원에 기재된 과정은 풍력 터빈 블레이드의 중심 부하 지지 스파를 제조하는데 이용될 수 있다.
로봇 장치가 중공 스파의 모양을 지닐 수 있는 맨드렐상에 함침된 섬유 번들을 올려놓는다.
섬유 번들이 루트 단부(root end)로부터 내려지고, 추가로 밖으로 밀려서, 일부 번들이 팁(tip)의 근처에서 종료된다.
스파의 가장 무거운 부하 부분이 가장 많은 수의 섬유 번들을 지닐 것이다. 따라서, 모든 번들이 블레이드 루트에서 시작되지만, 단지 몇 개가 팁으로 연장된다.
블레이드의 세로축에 대해서 0°가 아닌 다른 방향에서의 섬유가 블레이드의 비틀림 강도를 향상시키도록 위치될 수 있다.
이들의 다른 방향에서의 위치되는 섬유가 또한 기계 또는 로봇-장치에 의해서 위치될 수 있다.
모든 로빙 번들이 위치되는 때에, 플라스틱 라이너가 맨드렐상에 위치될 수 있다. 기술적 진공은 라이너 아래에 적용될 수 있다.
이제, 수지가 경화되게 하면서, 블레이드가 조립되고/형성되게 한다. 열이 후에 적용되어 구조물을 경화시킬 수 있다.
상기 기재된 바와 같이 형성되는 스파를 사용하는 전체 블레이드 구조물이 이하 기재된 바와 같이 완성될 수 있다:
풍력 터빈 블레이드의 스킨 라미네이트(skin laminate)를 위한 모든 필요한 재료가 폐쇄된 모울드 시스템에 위치된다. 폐쇄된 모울드 시스템은 서로 연결되는 상부 모울드 및 하부 모울드를 함유한다. 따라서, 블레이드가 폐쇄된 모울드 시스템에 의해서 둘러싸일 수 있다.
진공 라이너가 진공이 적용되는 것을 필요로 하는 구조물에 적용된다.
경화된 백본(backbone) 구조물 및 두 개의 보조 연질 맨드렐(하나는 백본의 전방에 하나는 그 뒤에)이 두 모울드 부분 사이에 놓인다.
높은 기술적 진공이 적용되고 수지가 블레이드 스킨 영역에 주입되고, 그에 따라서, 백본 구조물을 둘레의 폐쇄된 엔벨로프(envelope)가 달성된다.
바람직하게는, 각각의 단일 로빙 번들이 개별적으로 및 자동으로 소정의 길이로 절단된다. 로빙 번들의 길이를 조절함으로써, 섬유-층들의 진보된 및 더욱 정밀한 디자인 및 적층이 달성된다.
기계는, 예를 들어, 상기 기재된 바와 같이 각각의 로빙 번들을 개별적으로 절단하는데 사용된 다수의 절단 장치를 포함한다. 절단은 상기 기재된 바와 같은 스태킹된 로빙 번들의 특정의 종료를 달성하도록 소정의 방법으로 수행될 것이다.
첫 번째 구체예에서, 전용 절단 장치가 각각의 단일 로빙 번들에 할당되거나 그러한 절단 장치가 많은 로빙 번들에 할당된다.
예를 들어, 로빙 번들은 기계의 아이(eye)를 통해서 진행하면서, 절단 장치가 아이에 근접되게 위치된다.
두 번째 구체예에서, 사용된 절단 장치는 기계내에서 이동 가능하게 위치된다. 따라서, 단지 하나의 절단 장치가 다른 로빙 번들을 위해서 요구되어, 기계의 상이한 위치에서 이들을 절단한다.
추가의 구체예에서, 로빙 번들은 성형 공구내로 준비되고, 여기서, 성형 공구가 풍력 터빈 블레이드를 위한 모울드로서 또는 풍력 터빈 블레이드의 생산을 위해서 사용되는 모울드의 일부로서 배열된다. 하나 섬유 층이 모울드 부분의 세로 방향으로 펼쳐진다. 모울드는 풍력 터빈 블레이드의 흡인측 또는 압력측을 위한 모울드 부분일 수 있다.
추가의 구체예에서, 성형 공구는 풍력 터빈 블레이드의 일부를 형성하도록 배열되고, 여기서, 캐리어(carrier)가 성형 공구의 바닥에 위치한다. 섬유-재료의 연결되지 않은 단방향 로빙 번들들의 하나 이상의 층이 캐리어의 상부 상에 펼쳐진다. 캐리어는 진공 리프팅(vacuum lifting) 등에 의해서 그 부분을 들어올리는데 사용된다.
상기 기재된 바와 같이, 로빙 번들은 바람직하게는 보빈에 의해서 공급되고, 그러한 보빈은 바람직하게는 고정된 설비에 위치하거나 기계에 고정된다. 기계는 부품의 세로 축을 따라서 전후방으로 이동하도록 배열되어 스태킹된 로빙-번들들을 층으로 축적시킨다.
본 발명은 탄소 섬유로서의 유리 섬유 로빙에 제한되지 않으며, 천연 섬유 등이 또한 사용될 수 있다.
본 발명이 이하 도면을 참조로 하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명을 방법을 나타낸다. 풍력 터빈 블레이드(BL)가 제조되며, 본 경우에, 이는 주된 구조적 스파(spar)이다.
다수의 보빈(1)이 도시되어 있다. 각각의 보빈(1)은 습윤화 장치(3)에 로빙 번들(GF)을 지지하고 공급한다.
습윤화 장치(3)는 노즐(도시되지 않음)을 함유하고, 여기서, 이를 통해서 보빈(1)의 로빙 번들(GF)이 당겨진다.
로빙 번들(GF)은 습윤화 장치(3)를 통해서 당겨지면서 수지(2)로 함침된다..
수지(2)는 수지 탱크로부터 습윤화 장치(3)에 공급된다.
수지로 함침되는 로빙 번들(GF)이 습윤화 장치(3)을 빠져나오는 때에는 이들은 합침된 로빙 번들(5)을 형성한다. 이러한 함침된 로빙 번들(5)내에서 모든 로빙이 단방향으로 정렬된다.
함침된 로빙 번들(5)이 성형 공구(FT)에 놓여서 블레이드(BL) 또는 블레이드 부분의 3차원 모양을 형성시킨다.
성형 공구(FT)는 하부 모울드로서 구성되고 설계될 수 있으며, 그러한 모울드가, 예를 들어, VARTM-공정내에서 이용될 수 있다.
바람직하게는, 습윤화 장치(3)가 기계(M)에 연결된다. 기계(M)는 블레이드(BL)의 세로 축을 따라서 전후방으로 이동하여 다수의 스태킹된 로빙-번들을 층으로 적층시킨다.
바람직하게는 보빈(1)이 기계(M)에 결합된다.
다수의 함침된 로빙 번들(5)을 맨드렐(4) 상으로 내려 놓는 것이 또한 가능하며, 그러한 맨드렐은 블레이드 구조물을 형성시키는데 사용되고, 예를 들어, 압력하에 공기로 충전되어 있다.
수지(2)(또는 또 다른 매트릭스 재료)는 모든 재료가 맨드렐(4)상에 놓이기 전에는 경화되지 않는다는 것을 주지해야 한다.
바람직하게는, 이는 매트릭스 재료로서 열 경화성 에폭시의 사용에 의해서 달성된다.
소위 "프리프레그(Prepreg)"-성분 또는 다른 예비-함침된(pre-impregnated) 직포 또는 로빙을 사용하는 것이 또한 가능하다.
바람직하게는, 첨가된 억제제를 함유한 폴리에스테르-수지 또는 에폭시-수지가 사용되어서, 억제제가 경화 사이클을 지연시킨다.
바람직하게는, 진공 밀봉 라이너(vacuum tight liner)가 맨드렐(4) 둘레에 팩킹되어, 진공이 적용된다. 맨드렐(4)이 수지의 경화를 개시시키고 완료시키도록 가열된다.
도 2는 본 발명의 방법을 이용한 또 다른 풍력 터빈 블레이드(BL)의 제조방법를 나타내고 있다.
많은 건조 직물 또는 예비-함침된 직포(6)이 하부 모울드(7)상에 놓인다.
본 발명의 방법에 의해서 제조된 O-형 백본 빔(8)이 하부 모울드(7)상에 놓이며, 후방 맨드렐(9) 및 전방 맨드렐(10)이 또한 하부 모울드(7)상에 놓인다.
마지막으로, 건조 직물 또는 예비-함침된 직물(6)의 또 다른 층이 구조물의 상부에 놓인다.
하부 모울드(7)이 상부 모울드(11)와 연결되어 폐쇄된 모울드 시스템을 형성시킨다.
최종적으로, "진공 보조 수지 전달 모울드, VARTM" 공정을 이용하여 구조물에 수지가 주입된다.
도 3a는 본 발명이 방법을 이용하여 제조된 O-형 백본 빔을 사용한 풍력 터빈 블레이드의 제조방법을 나타낸다.
리딩 에지 쉘(leading edge shell: 12), 트레일링 에지 쉘(trailing edge shell: 13) 및 O-형 백본 빔(8). 리딩- 및 트레일링-에지 부분(12, 13)이 별도의 모울드에서 생산되고, 백본 빔(8)에 접착된다.
도 3b는 도 3a에 도시된 블레이드와 유사하지만 I-형 백본 빔(15)을 지닌 또 다른 풍력 터빈 블레이드의 제조방법을 나타내고 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 단일 부품(8, 12, 13 및 15)이 개개의 로빙 번들을 사용함으로써 본 발명에 따라서 생산될 수 있다. 그러나, 리딩 에지와 트레일링 에지는 부하 임계 부분이 아니며, 별도의 모울드에서 통상의 적층 작업을 이용함으로써 제작될 수 있다.

Claims (14)

  1. 섬유 보강 구조물의 부품을 제조하는 방법으로서,
    많은 연결되지 않은 로빙(roving)이 사용되어 로빙 번들(roving bundle)을 형성시키고,
    많은 로빙 번들이 자동적으로 성형 공구내로 위치되면서, 부품의 하나 이상의 층이 조립되게 하는 방식으로 로빙 번들이 배열되고,
    로빙 번들이 성형 공구내로 단방향으로 정렬되고,
    각각의 로빙 번들이 성형 공구내로 위치되기 전에 매트릭스 재료에 의해서 적어도 습윤화되는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 각각의 로빙 번들이 매트릭스 재료로 함침되거나 포화되는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 각각의 로빙 번들이 습윤화 시스템을 통해서 당겨지고, 로빙 번들이 매트릭스 재료로 적어도 습윤화되게 하는 방식으로 습윤화 시스템이 설계되고 배열되는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 각각의 로빙 번들이 습윤화 시스템의 노즐을 통해서 당겨지고, 로빙 번들이 적어도 습윤화되고/거나 성형 공구내로 정렬되게 하는 방식으로 습윤화 시스템이 설계되고 배열되는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 각각의 로빙 번들이 보빈(bobbin)으로부터 제공되는 방법.
  6. 제 3항 또는 제 5항에 있어서,
    습윤화 시스템 및/또는 보빈이 기계와 상호작용하고,
    기계가 부품 또는 성형 공구의 세로 축을 따라서 전후방으로 이동하여 많은 스태킹된(stacked) 로빙 번들을 층으로 적층시키는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 모울드, 레이-업 테이블(lay-up table), 벤치(bench) 또는 맬드렐(mandrel)이 성형 공구로서 사용되는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 모울드가 "진공 보조 수지 전달 모울드(VARTM)" 공정의 도움으로 부품을 제조하기 위해서 사용되는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 각각의 로빙 번들이 매트릭스 재료를 함유하는 폐쇄된 챔버를 통해서 당겨지는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 유리 섬유, 탄소 섬유, 또는 천연 섬유가 로빙 번들을 형성시키기 위해서 사용되는 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 로빙 번들이 성형 공구내로 위치되는 때에 소정의 길이로 개별적으로 및/또는 자동적으로 절단되는 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 수지 또는 아교(glue)가 매트릭스 재료로서 사용되는 방법.
  13. 풍력 터빈을 위한 블레이드로서, 블레이드의 하나 이상의 층이 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 방법에 따라서 제조되는 블레이드.
  14. 풍력 터빈 블레이드의 백본(backbone)으로서, 백본의 하나 이상의 층이 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 방법에 따라서 제조되는 백본.
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