KR20120083865A - 섬유 보강된 라미네이트에 사용하기 위한 강화 시트, 섬유 보강된 라미네이트 및 풍력 터빈 블레이드, 및 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 섬유 보강된 라미네이트에 사용하기 위한 강화 시트, 그러한 강화 시트를 포함한 섬유 보강된 라미네이트 및 풍력 터빈 블레이드, 및 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 섬유 보강된 라미네이트에서 사용하기 위한 강화 시트를 기재하며, 상기 강화 시트는 섬유 재료로 제조된 강화 시트 기저층(23)의 표면에 연결되는 보강 스트립(25)들을 포함한다. 본 발명은 그러한 강화 시트를 포함한 섬유 보강된 라미네이트 및 풍력 터빈 블레이드, 및 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법을 더 기재한다.

Description

섬유 보강된 라미네이트에 사용하기 위한 강화 시트, 섬유 보강된 라미네이트 및 풍력 터빈 블레이드, 및 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법{STIFFENING SHEET FOR USE IN A FIBRE REINFORCED LAMINATE, FIBRE REINFORCED LAMINATE AND WIND TURBINE BLADE, AND A METHOD OF MANUFACTURING A FIBRE REINFORCED LAMINATE}
본 발명은 섬유 보강된 라미네이트에 사용하기 위한 강화 시트, 그러한 강화 시트를 포함한 섬유 보강된 라미네이트 및 풍력 터빈 블레이드, 및 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법을 개시한다.
풍력 터빈 블레이드들은 전체 블레이드가 몰딩될 수 있는 폐쇄형 몰드 주조 기술과 같은 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유 매트 감(matting)이 적절하게 성형된 몰드내에 소자층(component layers)들을 만들기 위해 사용될 수 있으며, 매트 감의 층들은 수지와 결합하여 몰드 내에서 경화됨으로써, 일반적으로 단순히 "유리섬유"라 불리우는 섬유 보강된 중합체 또는 유리 보강된 플라스틱을 제공한다. 이러한 방법이 유럽특허 공개번호 제1 310 351A1호에 기재되어 있다.
이러한 폐쇄형 몰드 주조 기술에 의해 준비된 소자층들은 수십층 내지 수백층의 보강 매트, 예컨대 유리 섬유 매트들 또는 층들로 구성될 수 있으며, 이들은 섬유 매트 또는 층들에 수지를 함침시킴으로써 함께 결합된다. 대안적으로, 섬유 보강된 라미네이트 구조들은 주조 부품의 강도와 강성을 향상시키기 위해 소자층들로서 이용될 수 있다.
섬유 보강된 소자층의 구조적 특징들은 일반적으로 라미네이트 구조의 각 층에서 섬유들의 양, 종류 및 방위에 의해 좌우된다. 통상적으로, 소자층의 강성과 강도는 섬유 길이 방향으로 발생하는 부하에 따라 좌우된다. 따라서, 전통적으로 설계된 섬유 보강된 소자층은 완성된 소자층의 섬유들이 몰드 내에 위치되었을 때와 동일한 방위를 완성된 소자 내에서 갖게 될 것으로 가정한다. 그러나 몇몇 경우에서, 제조 프로세스 과정중 섬유 층들에 주름(wrinkles), 접힘(folds) 또는 니트(knits)가 형성될 수 있다. 그러한 경우, 상기 주름, 접힘 또는 니트에 있는 섬유들은 더 이상 요구되는 방위를 갖지 않으며, 섬유 보강된 소자층의 극심한 과부하가 초래될 수 있다.
상기 주름, 접힘 또는 니트들은 많은 이유로 형성될 수 있다. 경화 과정중 섬유 보강된 소자층의 열 팽창이 몰드의 열 팽창을 초과할 수 있으며, 그 경우 통상적으로 열가소성 또는 열경화성 재료인 매트릭스 재료가 요구되는 방위로 섬유를 유지할 만큼 충분히 경화되기 전에 섬유 보강된 소자층이 압축 압력을 받을 수 있다. 섬유 보강된 소자층 아래의 불균일한 구조들 또는 섬유 보강된 소자층이 위에 형성되는 표면에서의 기복이 상기 주름, 접힘 또는 니트의 발생을 조장할 수 있다.
섬유 보강된 소자층들에서 주름을 방지하기 위한 시도들은 통상적으로 하나 또는 그 이상의 공지 기술의 조합을 포함한다. 예를 들어, 발열적 열 발생을 최소화하기 위해, 섬유 보강된 소자층의 두께가 특정 한계 아래로 유지된다. 섬유 보강된 소자층이 위에 형성되어지는 몰드와 다른 표면들은 고품질로 유지되어야만 한다. 열팽창 차이를 최소화하도록 신중하게 제어된 온도 구배로 경화가 이루어져야만 한다. 그러나 이러한 추가적인 노력은 전체 제조비를 증가시킨다.
섬유층들에서 주름을 방지하기 위한 다른 방법은 섬유층들 사이에 강화 시트들을 포함시키는 것으로 이루어진다. 상기 강화 시트들은 섬유 재료보다 더 강한(stiffer) 재료로부터 선택된다. 강화 시트가 예컨대 유리섬유 매트 층들 사이에 배치되면, 강화 시트들에 의해 섬유 매트들이 어느 정도 평탄하게 유지되기 때문에, 강화 시트는 섬유 매트 층들에서 주름, 접힘 또는 니트들이 형성되는 것을 방지한다.
상용되고 있는 강화 시트들은 수지재로 된 사전-경화된(pre-cured) 고체 시트, 다공성 메시형(mesh-like) 시트 또는 예컨대 목재 또는 금속으로 제조된 호일과 같은 임의의 다른 수지 투과성 시트이다.
미국특허 공개번호 제2005/0048260A1호에는 금속 호일과 복수의 섬유 플라이(fibre plies)를 포함한 라미네이트된 복합체의 제조 방법이 개시되어 있다. 상기 방법은 금속 호일 시트를 천공하는 단계, 상기 천공된 금속 호일 시트를 상기 복수의 섬유 플라이에 미리결정된 순서 및 방위로 서로 맞대어 적층하는 단계, 상기 적층된 시트와 플라이들에 수지를 주입(infuse)하여, 수지가 금속 호일 시트의 통공으로 흘러 상기 복수의 섬유 플라이 사이에 배치됨으로써 라미네이트 복합체를 형성하도록 하는 단계를 포함한다. 천공된 금속 호일 대신, 섬유 플라이 사이에 배열되는 금속 복합 요소들로서 복수의 얇은 금속 호일 스트립들이 사용되어 수지 주입 및 강화(hardening) 후 요구되는 강성을 가진 라미네이트 섬유-금속 복합 구조를 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 호일 스트립들은 라미네이트 구조 내의 섬유 플라이를 습윤시키기 위해 수지가 호일 스트립들 사이의 공간을 통해 흐를 수 있게 하는데 사용된다.
국제 공개번호 제WO2004/071761A1호에는 알루미늄 합금으로 형성된 2개 이상의 플레이트로 이루어지고, 이들 사이에 서로 평행하며 연속적인 2개 이상의 섬유 그룹을 포함한 중간층이 위치되는, 라미네이트가 개시되어 있다. 상기 중간층은 수지 경화 과정중에 상기 금속 플레이트들에 연결된다. 그러나 이 라미네이트는 수지 주입 기술에 따라 준비될 수 없으며, 따라서 복잡하고 고가의 라미네이트를 초래하게 된다.
국제 공개번호 제WO95/20479A1호에는 단방향성으로 배향된 복수의 층, 예컨대 단방향성으로 배향된 섬유들로 보강된 매트릭스 재료층들을 가진 복합 라미네이트의 제조 방법이 개시되어 있다. 하나 이상의 내측 금속층, 예컨대 라미네이트의 외표면을 형성하지 않는 금속층이 다른 층들과 함께 배열되어 균형잡히고 대칭적인 라미네이트를 제공하게 된다.
EP특허 공개번호 제2113373A1호에는 섬유 재료 시트를 포함하는 보강된 라미네이트의 제조 방법이 개시되어 있다. 상기 섬유 보강된 라미네이트에는, 제 2 측면 방향에서보다 제 1 측면 방향에서 강성이 더 크고, 상기 라미네이트를 구성하는 다른 층들보다 제 1 측면 방향에서 더 큰 강성을 가진 층이 준비된다. 이 문헌에 따르면, 이 층의 특수한 특성은 경화된 수지가 상기 시트의 제 1 횡방향을 따라 연장하는 이격된 스트립들을 형성하도록 수지가 부분적으로 함침되고 사전-경화되는 섬유 재료 시트에 의해 구현된다.
상기 종래 기술에 기재되어 있는 시트들 및 층들과 같은 경질(rigid) 또는 강성(stiff) 시트들의 단점은 상기 층이 곡면체(rounded body) 또는 만곡체(curved body) 위에 성형될 수 없다는 것일 수 있다.
그러나 제조 과정중 예방 조치가 취해졌음에도 불구하고 섬유 보강된 소자층들에 주름, 접힘 또는 니트들이 형성된다면, 이러한 주름, 접힘 또는 니트들로 인한 강성 및/또는 강도의 손실이 임의의 실제 안전 여유 또는 허용 오차를 종종 초과할 것이기 때문에, 층들에 대한 수선 또는 폐기가 일반적으로 요구될 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전술한 문제점을 극복하기 위하여, 섬유 보강된 라미네이트에 사용하기 위한 강화 시트, 그러한 강화 시트를 포함한 섬유 보강된 라미네이트 및 풍력 터빈 블레이드, 및 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항에 따른 강화 시트, 청구항 제 11 항에 따른 섬유 보강된 라미네이트, 청구항 제 12 항에 따른 풍력 터빈 블레이드, 및 청구항 제 13 항에 따른 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법에 의해 달성된다.
상기 섬유 보강된 라미네이트에 사용하기 위한 강화 시트는 섬유 재료로 제조된 강화 시트 기저층의 표면에 연결되거나 결합되는 보강 스트립들을 포함한다. 강화 기저층의 표면에 대한 보강 스트립들의 양호한 연결은 상기 강화 기저층 상에서 적절한 패턴으로 강화 요소들의 고정, 즉 상기 보강 스트립들의 고정을 허용한다.
가장 바람직하게, 상기 보강 스트립들은 서로로부터 적절하게 이격되도록 배열된다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 보강 스트립들은 상기 기저층의 표면상에 실질적으로 평행한 패턴으로 배열된다. 물론, 이들은 라미네이트 부품에서 상기 강화 시트의 용도에 좌우되는 굽힘형 형태 또는 임의의 다른 적합한 만곡된 패턴으로 배열될 수 있다. 상기 기저층의 한 부분에 다른 부분보다 더 많은 보강 스트립들을 배열하거나, 상기 기저층의 일부분들에서 2개의 인접한 보강 스트립들 사이의 간격을 줄이는 것이 바람직할 수 있다. 이는 강화 시트에 의해 제공되는 보강 방향 또는 상기 강화 시트의 강성을 보다 간단하게 변형시킬 수 있도록 허용한다.
상기 강화 요소들이 강화 시트 기저층의 표면상에 적절하게 배열되면, 상기 강화 시트는 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법에 유리하게 사용될 수 있다. 상기 강화 시트는 복합 섬유 보강된 라미네이트 제품의 제조 프로세스 과정 중 하부 섬유 매트들 또는 섬유 보강된 층들이 주름, 접힘 또는 니트들을 형성하는 것을 방지하는데 있어서 유리하다. 상용되고 있는 상대적으로 경질인(rigid) 강화 시트들에 비해, 본 발명의 강화 시트는 강화 요소 패턴의 가요성과 기저층에 대한 강화 요소들의 직접 연결로 인하여 곡면체 또는 만곡체 위에 용이하게 성형되어 드레이프(draped)될 수 있다. 보강 스트립들이 기저층에 적절하게 연결되지 않거나 결합되지 않고, 하부 섬유 매트들에 전혀 고정되지 않은 상태로 배치되는 경우, 보강 효과 또는 소위 주름 방지 효과는 제조 프로세스 과정 중, 특히 섬유 보강된 층들에 수지를 주입하는 과정 중 용이하게 유지되지 않을 것이다. 그 이유는 상기 강화 요소들이 섬유 매트들에 연결되지 않거나, 서로 직접 연결되지 않거나 서로로부터 이격되어 있다면, 용이하게 변위될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 강화 시트들과 섬유 재료로 이루어진 교호층들의 측 스택(layer stack of alternate layers)으로 구성되는 본 발명의 섬유 보강된 라미네이트에서, 주름, 접힘 또는 니트들의 형성은 제조 프로세스 과정 중 유리하게 방지된다. 따라서, 상기 강화 시트에 포함된 그 주름 방지 효과 때문에, 상기 섬유 보강된 라미네이트의 강성 및/또는 강도가 개선될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 상기 용어 "교호층들의 층 스택"은, 이러한 라미네이트에서 2개 이상의 서로 다른 층들이 서로 위에 적층되는 한, 다음 강화 시트가 위에 배열되기 전에 섬유 매트들 또는 섬유 플라이들과 같은 2개 또는 그 이상의 섬유 재료 시트가 서로 인접하게 될 수 있는 층 스택들(layer stacks) 또는 라미네이트 스택들(laminate stacks)을 또한 포함하고자 하는 것이다. 대안적으로, 2개 또는 그 이상의 강화 시트가 서로 인접하게 된 후, 하나 또는 그 이상의(one or more) 섬유 재료 시트가 계속될 수 있다. 본 발명에 있어서, 섬유 재료 시트들에 대하여 강화 시트들의 주름 방지 효과를 제공하기 위해 강화 시트들이 섬유 재료 시트들 내에 실질적으로 교대순으로 배열되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드는 본 발명의 강화 시트 또는 바람직하게 섬유 보강된 라미네이트를 포함하며, 따라서 포함되거나 사용되는 상기 강화 시트의 각각의 주름 방지 효과로 인해 개선된 강성과 강도를 갖는다.
본 발명에 따른 섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법에서, 본 발명의 강화 시트는 섬유 재료층 상에 배열된다. 섬유 재료로 제조된 강화 시트 기저층의 표면에 연결되거나 결합되는 보강 스트립들을 포함한 강화 시트의 사용은, 층 스택을 조립하고 수지를 주입 및 경화하는 프로세스 단계들 도중에 하부 섬유 매트가 주름, 접힘 또는 니팅(knitting)을 형성하는 것을 방지한다. 본 발명의 맥락에서 "경화"란 자체-경화(self-hardening) 프로세스 또는 열에 의한 수지의 경화를 의미한다.
본 발명에 따른 강화 시트는 특히 수지가 경화되지 않은 상태에서 각각의 기저층에 전혀 연결되지 않고 섬유 매트들에 배열된 일반적인 강화 시트와 유사한 금속 플레이트들에 비해 개선된 주름 방지 작용을 담당한다. 더욱이, 주름 방지 요소들로서 사용된 보강 스트립들은 제조 방법에 사용된 몰드 또는 제조하고자 하는 라미네이트의 형태에 따라 임의의 적합한 형상으로 배열될 수 있다. 보강 스트립들은 강화 시트의 기저층에 연결되거나 결합되기 때문에, 상기 보강 스트립들은 기저층의 표면상에서 자신들의 위치에 실질적으로 고정되며, 이에 따라 라미네이트 내의 수지가 아직 경화되지 않았을지라도 라미네이트 스택에서도 실질적으로 고정된다.
하기된 상세한 설명에 개시된 바와 같은 본 발명의 특히 유리한 실시예들과 구성들이 종속항에 제시되어 있다. 실시예들의 구성들은 다른 실시예들을 도출하기 위해 요구되는 바에 따라 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 강화 시트는 본 발명의 일 실시예에서 강화 시트 기저층에 접합(bonded)된 하나 이상의 보강 스트립을 포함할 수 있다. 본 발명의 맥락에서 "접합"은 적합한 일시적인 또는 영구적인 접합 수단에 의해 기저층에 보강 스트립이 견고하게 고정되거나 결합된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 보강 스트립은 강화 시트 기저층에 스트립형 패턴(strip-like pattern)으로 접합될 수 있다. 이러한 스트립형 패턴은 아교와 같은 접합제의 스트립을 기저층의 표면에 제공한 다음, 상기 접착제에 보강 스트립을 압착함으로써 형성될 수 있다. 강화 시트의 보강 스트립들 중 하나 이상은 이러한 방식으로 기저층에 접합되는 것이 적절한 반면, 이 강화 시트의 다른 보강 스트립들은 다른 방식으로 기저층에 연결될 수 있다. 예를 들어, 강화 시트의 중간에 있는 보강 스트립들만이 접합되는 반면, 강화 시트들의 외측에 있는 보강 스트립들은 다른 방식으로, 예컨대 하기에 설명되는 바와 같은 예시적 연결 수단들 중 하나에 의해 연결된다. 물론, 모든 보강 스트립들이 기저층의 표면에 접합되는 것이 또한 본 발명에 속한다.
다른 실시예에서, 상기 보강 스트립들이 하기된 실시예들 또는 예들 중 하나에 개시된 바와 같은 임의의 연결 수단에 의해 스트립형 패턴으로 기저층에 결합되는 것도 가능하다.
일 실시예에서, 상기 보강 스트립들 중 하나 이상은 단일의 부착점에서 상기 강화 시트 기저층에 연결되거나 결합될 수 있다. 예시적인 부착점으로서 접착제 부착점, 수지 부착점 또는 클램프 부착점이 거론될 수 있다. 대안적으로, 보강 스트립들 중 하나 이상은 강화 시트 기저층에 스티치(stitched)되거나 박음질(sewn)되어 단일의 부착점을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이 보강 스트립이 적어도 단일의 부착점에 연결되면, 보강 스트립의 다른 부분들, 즉 상기 단일의 부착점들 사이에 놓인 보강 스트립들의 부분들은 기저층에 고정되지 않을 수 있다. 이 경우, 강화 시트는 보강 스트립의 길이 방향으로도 약간의 가요성을 가질 것이다. 따라서, 보강 스트립들은 굽힘형 또는 만곡된 형태 또는 라미네이트 및/또는 몰드의 형상으로 조절될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 강화 시트는 그 길이 방향으로 이동가능하도록 기저층에 연결되는 하나 이상의 보강 스트립을 포함할 수 있다. 본 발명의 맥락에서, "그 길이 방향으로 이동가능하다"는 용어는 보강 스트립이 그 측면 방향으로는 실질적으로 고정되지만 그 길이 방향 내에서는 약간 움직일 수 있도록 강화 시트 기저 재료층에 연결됨을 의미한다. 예를 들어, 보강 스트립은 기저층의 표면에 배열되어 그 길이 방향으로만 움직일 수 있도록 단일 부착점에 연결된다. 따라서, 상기 강화 시트는 보강 스트립들 중 하나 이상이 기저층에 대하여 단지 측면 방향으로만 고정되고 그 길이 방향으로는 고정되지 않기 때문에, 보강 스트립들의 길이 방향으로도 적합한 가요성을 가질 수 있다. 이는 강화 시트의 주름 방지 효과에 영향을 주지 않고 라미네이트 스택의 곡면 형상 또는 섬유 매트들의 만곡면 위에 강화 시트를 위치시키는 것이 더 용이하기 때문에 유리하다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명의 강화 시트의 임의의 보강 스트립 또는 하나 이상의 보강 스트립은 강화 시트 기저층에 제공되는 스트립들 또는 포켓(pockets)들과 같은 안내 수단들을 통해 안내될 수 있다. 대안적으로, 상기 안내 수단들은 예를 들어 기저층에 수개의(several) 홀을 제공함으로써 기저층 재료 자체에 의해 형성될 수 있으며, 보강 스트립의 상부의 일부분과 보강 스트립의 아래의 다른 부분들에 기저층이 제공되도록 상기 홀들을 통해 보강 스트립들이 밀어 넣어진다. 이에 따라, 상기 보강 스트립은 안내 수단으로서의 홀들에 의해 측면 방향으로 고정되지만, 스트립의 길이 방향으로는 움직일 수 있다.
보강 스트립들의 상술한 배열과 유사하게, 안내 수단에 의해 안내된 보강 스트립은 강화 시트에 대해 길이 방향으로 충분한 가요성을 제공하지만, 측면 방향으로 기저층에 보강 스트립들을 고정한다. 따라서, 라미네이트 스택의 곡면 형상 또는 만곡된 형상에 대한 개선된 조절이 가능하면서도, 주름 방지 효과가 유지된다.
일반적으로, 본 발명의 맥락에서, 보강 스트립은 강화 시트의 보강 방향으로 요구되는 강성 또는 강도(rigidity)를 제공하기에 적합한 임의의 강화 요소일 수 있다. 본 발명의 강화 시트에 사용하기 위한 보강 스트립들의 예시적 실시예들로서, 바람직하게, 본질적으로 경질(rigid)의 재료로 구성되는 얇은 로드(rods)들을 언급할 수 있다. 길이 방향으로 충분한 강성과 강도를 가지면서도 그들의 측면 방향으로 강화 시트에 충분한 가요성을 제공하는 얇은 로드들은 이들이 충분한 강도(strength)와 강성을 제공하는 한 임의의 단면을 가질 수 있다. 상기 보강 스트립들의 예시적 재료들로서, 스트립들의 길이 방향으로 충분한 강성을 제공하는 임의의 재료들이 언급될 수 있다. 상기 재료들은 바람직하게 목재 및/또는 금속 및/또는 유리 섬유 및/또는 수지를 포함한다.
상기 보강 스트립들은 로드들에서와 같이 본질적으로 둥근 또는 타원형 단면을 가질 수 있으나, 재료가 매우 강성의 재료라면 평탄한 스트립들일 수도 있다. 비교적 평탄한 스트립들은 라미네이트의 기저층과 다음 섬유 재료층 사이에 너무 큰 홀들 또는 공간들을 초래하지 않을 것이기 때문에 유리할 수 있다. 또한, 상기 보강 스트립들 또는 가느다란 로드들이 사용된 강화 시트와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 것이 바람직하다. 물론, 완성품이 풍력 터빈의 블레이드라면, 일반적으로 뷰(view) 강화 시트들은 연속된 순서로 놓여져야 한다. 이 경우, 보강 스트립들이 서로 일직선으로 배열되지 않고 서로 맞물리는 방식으로 배열되도록 인접한 강화 시트들을 포개는 것이 바람직하다.
상기 보강 스트립들 또는 가느다란 로드들은 유리하게 약 0.01 내지 2cm, 보다 바람직하게 0.02 내지 0.5cm, 및 일반적으로 약 0.15cm의 범위 내의 폭 또는 직경을 가질 수 있다.
2개의 인접한 보강 스트립들 사이의 공간들은 상기 스트립들의 직경 또는 폭의 약 10배 내지 500배의 범위 이내이며, 바람직하게, 상기 공간들은 약 1cm 내지 15cm의 범위 이내이고, 보다 바람직하게 약 5cm이다.
강화 시트들과 섬유 재료로 된 교호층들의 층 스택으로 구성되는 본 발명에 따른 섬유 보강된 라미네이트는 충분한 강성과 강도(strength)를 갖게 되는 전술한 본 발명의 강화 시트들 중 임의의 강화 시트를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드는 본 발명에 따른 강화 시트와, 바람직하게 상기 강화 시트의 주름 방지 효과로 인해 충분한 강성과 강도(strength)를 가진 본 발명의 섬유 보강된 라미네이트를 포함한다.
섬유 보강된 라미네이트의 제조 방법은 섬유 재료층에 본 발명의 강화 시트를 배열하는 단계를 포함한다. 섬유 재료로 제조된 강화 시트 기저층의 표면에 연결되거나 결합되어 있는 보강 스트립들을 포함한 강화 시트의 이용은 라미네이트 스택의 조립 프로세스를 용이하게 할 뿐만 아니라, 제조 프로세스 과정중 주름, 접힘 또는 니트들이 적게 형성되거나 전혀 형성되지 않고 안정적인 방식으로 제조되는 형상의 범위를 확대시킨다. 특히, 본 발명의 방법의 바람직한 실시예에서, 상기 라미네이트에 적어도 2개의 강화 시트들이 사용되며, 이들은 제 1 강화 시트의 보강 방향이 제 2 강화 시트의 보강 방향에 대하여 실질적으로 횡방향으로, 바람직하게는 60° 내지 120°의 각도로, 또는 보다 바람직하게는 90°의 각도가 되도록 배열된다. 이에 따라, 라미네이트 스택의 2개 이상의 강화 시트에서 보강 스트립들의 상이한 보강 방향 때문에, 완성된 라미네이트의 강성과 강도가 하나보다 많은 방향에서 향상될 수 있다.
본 발명의 방법의 다른 실시예에서, 상기 방법은,
a) 몰드에 섬유 재료로 된 하나 또는 그 이상의 시트를 적층하여 라미네이트의 섬유 재료층을 형성하는 단계;
b) 상기 섬유 재료층의 상부에 미리 제조된 본 발명의 강화 시트를 배열하는 단계; 및
c) 상기 라미네이트의 요구되는 결합된 두께를 얻기 위해 상기 단계 a) 및 단계 b) 중 하나 이상을 선택적으로 반복하는 단계;를 포함한다.
첨부도면과 함께 고려되는 하기된 상세한 설명으로부터 본 발명의 다른 목적들과 구성들이 명백하게 될 것이다. 그러나, 도면들은 단지 설명을 위해 도안된 것일 뿐 본 발명의 한계를 규정하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
도 1은 라미네이트된 풍력 터빈 블레이드의 단면을 개략적으로 도시하고,
도 2는 도 1의 세부를 개략적으로 도시하며,
도 3은 도 1에 따른 풍력 터빈 블레이드를 제조하는 프로세스에서 제 1 단계를 개략적으로 도시하며,
도 4는 도 1에 따른 풍력 터빈 블레이드를 제조하는 프로세스에서 제 2 단계를 도시하며,
도 5는 도 1에 따른 풍력 터빈 블레이드를 제조하는 프로세스에서 제 3 단계를 도시하며,
도 6은 강화 시트 기저층의 표면에 실질적으로 평행한 보강 스트립들을 가진 본 발명의 강화 시트의 실시예의 일부를 사시도로 개략적으로 도시하며,
도 7은 강화 시트 기저층의 표면에 만곡된 보강 스트립들을 가진 본 발명의 강화 시트의 다른 실시예의 일부를 사시도로 개략적으로 도시한다.
도면들 전체에서, 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 도면의 구성요소들은 반드시 축척에 따라 도시되지는 않았다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 라미네이트된 풍력 터빈 블레이드(1)의 개략적 단면도이다. 상기 풍력 터빈 블레이드(1)는 상부 하프(half)(3)와 하부 하프(5)로 제조되며, 이 하프들은 각각 비후부(9)와 비-비후부(non-thickened section)(11)를 포함한다. 상기 상하부 하프(3,5)들은 도면에 개별적으로 도시되지 않은 다수의 섬유 보강된 층들을 포함한다. 상기 비후부(9)에서의 섬유 보강된 층들의 수는 상기 비-비후부(11)에 비해 증대되어 있다.
상기 상부 하프(3)의 비후부(9)가 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다. 상기 비후부(9)에서, 본 발명에 따른 강화 시트(13)들은 하부의 섬유 재료의 층(15)(이하에서는 섬유 재료층들이라고도 함)들에서의 주름, 접힘 또는 니트를 방지하기 위해 사용된다. 상기 강화 시트(13)들은 길이 방향으로 배열된 보강 스트립들에 의한 특수한 구조로 인하여 수직 방향에서보다 보강 방향에서 더 강하며, 라미네이트를 구성하는 섬유 재료층(15)들 또는, 존재한다면, 추가 층(미도시)들보다 더 강하다. 상기 강화 시트들은 경화 후 완성품에 섬유 보강된 층들을 생성하는 섬유 재료층(15)들 사이에 배열된다.
상기 층(13,15)들의 스택에 추가 층들이 존재할 수도 있다. 이러한 추가 층들은 예를 들어 더 평탄한 표면을 제공하기 위한 마감층(finishing layers)들 또는 이형(demoulding) 특성을 개선하기 위한 층들일 수 있다.
본 발명의 다양한 양태들에 있어서, 상기 강화 시트(13)들은 대안적으로 블레이드 하프(3,5)들의 상기 비-비후부(11)에 통합되거나, 상기 비후부(9)와 상기 비-비후부(11)의 조합에 통합될 수 있다.
상기 섬유 재료층(15)들과 아울러 상기 강화 시트(13)들은 수지 주입 및 이에 후속한 수지의 강화 또는 경화에 의해 형성될 수 있는 수지 매트릭스 내에 삽입(embedded)될 수 있다. 주입 및 경화 프로세스 과정중, 상기 강화 시트(13)들은 섬유 재료층(15)들에서 주름, 접힘 또는 니트들이 형성되는 것을 방지하게 되는데, 그 이유는 상기 강화 시트(13)들의 큰 강성으로 인해 상기 섬유 재료층(15)들이 실질적으로 주름지거나, 접히거나 또는 니팅할 수 없기 때문이다. 그 이유는 상기 섬유 재료층들이 몰드와 강화 시트(13) 사이에 또는 2개의 강화 시트(13)들 사이에 샌드위치되기 때문이다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 도 1 및 도 2에 도시된 풍력 터빈 블레이드(1)의 형성 방법을 설명한다.
일반적으로, 풍력 터빈 블레이드(1)의 상하부 하프(3,5)들은 섬유 재료층(15)을 형성하기 위해 몰드(17)에 건식 섬유 매트(19)들을 중첩하여(on top of each other) 위치시키고, 수지 주입으로 상기 섬유 매트(19)들을 습윤한 다음, 상기 수지를 경화시킴으로써 제조될 수 있다. 이에 따라, 수지 주입은 한번에(one step) 이루어질 수 있고, 몰드에 또는 섬유 매트 스택에 각각의 섬유 매트를 배치하기 전에 이루어질 필요가 없기 때문에, 섬유 보강된 라미네이트 구조가 저렴한 비용과 용이한 방식으로 제조될 수 있다. 풍력 터빈 블레이드(1)의 제조와 관련하여 설명하였으나, 도 3 내지 도 5와 관련하여 설명되는 방법은 풍력 터빈 블레이드 제조에 한정되는 것이 아니라, 다른 섬유 보강된 라미네이트된 구조들의 제조를 위해, 예컨대 선박 구조 산업 또는 자동차 구조 산업 또는 건축 산업에서 사용될 수도 있다.
풍력 터빈 블레이드(1)의 제조 방법의 제 1 단계가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 섬유 재료층(15)을 형성하는 다수의 섬유 매트(19)들, 예컨대 유리 섬유 매트들, 탄소 섬유 매트들 또는 아라미드 섬유 매트들과, 몰드(17)의 단면도를 개략적으로 도시하며, 상기 다수의 섬유 매트들은 섬유 매트(19)들의 스택을 형성하도록 서로 중첩하여 몰드(17)에 위치되어 있다. 상기 섬유 매트들은 건조 상태일 수 있으며, 몰드(17)에 위치될 때 수지 함침될 필요가 없다. 이는 섬유 재료층들의 적층을 상당히 용이하게 하고, 신뢰할 수 있는 섬유 보강된 라미네이트 제품의 제조 비용을 낮춘다. 단순화를 위하여, 섬유 매트(19)들과 섬유 재료층(15)들은 평탄한 층들로 도시하였다. 대안적으로, 이들은, 예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이 둥글거나 만곡된 층들을 포함할 수 있다. 그 형상은 주로 완성품의 형태 및 형상뿐만 아니라 기능에도 좌우된다.
그에 따라 형성된, 섬유 매트(19)들로 구성되는 섬유 재료층(15)이 몰드(17)에 위치된 후, 섬유 매트(19)들의 스택 위에 강화 시트(13)가 위치된다(도 4 참조).
강화 시트(13)가 제 1 섬유 재료층(15) 위에 위치된 후, 여기서는 다수의 섬유 매트(19)들을 포함하는 다른 섬유 재료층(15)이 도 5에 도시된 바와 같이, 강화 시트(13) 위에 위치된다.
섬유 재료층(15)과 강화 시트(13)로 된 교호층들의 층 스택이 요구되는 전체 두께에 도달할 때까지 계속될 수 있다. 섬유 재료층(15)에 적층되는 섬유 매트(19)들의 갯수는 본질적으로 무제한이며, 강화 시트(13)의 주름 방지 효과에 영향을 미치지 않는다.
도 3 내지 도 5에 도시되지 않았으나, 최하위 섬유 재료층(15)을 구성하는 최하위 섬유 매트(19)들의 스택 아래에 하나 또는 그 이상의 추가적인 강화 시트(13)가 존재할 수 있다. 이 경우, 강화 시트(13)가 몰드(17)에 위치된 제 1 층이 될 것이며, 보강 스트립들은 바람직하게 적층된 층들을 대면하게 된다. 이 경우, 라미네이트 제품의 외표면은 실질적으로 균일한 외표면을 갖기 위해 강화 시트 기저층으로 구성된다. 강화 시트(13)들과 교호하는 섬유 재료층(15)들의 스택들로 구성된 전체 스택의 최외층은 하나 이상의 강화 시트(13)일 수도 있다. 여기서도, 보강 스트립들은 바람직하게 강화 시트 기저층으로 구성되는 본질적으로 균일한 외표면을 형성하기 위해 적층된 층들을 대면하게 된다.
(도 5에 도시된 바와 같이) 침지되지 않거나 건조된 상태에서 섬유 재료층(15)들과 강화 시트(13)들을 적층한(layering) 다음, 몰드(17)를 폐쇄하고 몰드(17)에 진공을 인가한다(미도시). 그 다음, 예컨대, 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지 또는 아라미드 수지와 같은 열가소성 또는 열경화성 재료를 배기된(evacuated) 몰드(17)에 주입한다. 수지는 섬유 재료층(15)들과 강화 시트(13)들을 통해 침투하여, 섬유 재료로 이루어진 섬유 매트들을 습윤하거나 함침시키게 된다. 잠시 후, 모든 섬유 재료층(15)들 및 또한 모든 강화 시트(13)들이 충분히 습윤된다. 다음 단계에서, 외부 가열에 의해, 또는 외부 가열 없이, 수지가 강화되거나 경화된다. 대안적으로, 상기 강화 또는 경화 프로세스를 개시하거나 가속하기 위해 중합화 개시기(polymerisation initiator)가 사용될 수 있다. 수지 경화 후, 몰드(17)는 해체된다.
상기 경화 프로세스 도중, 강화 시트(13)들은 섬유 재료층(15)들이 주름을 형성하지 않도록, 즉, 섬유 매트(19)의 섬유의 연장에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 접히지 않도록 한다. 그 이유는 강화 시트(13)가 섬유 재료층(15)보다 더 높은 강성을 가짐으로써 이들 자체가 접히지 않기 때문이다. 상기 강화 시트(13)가 실질적으로 일 방향으로 연장하고 있는 보강 스트립(15)을 구비하기 때문에, 상기 강화 시트(13)는 보강 방향에서의 강성이 그에 수직한 방향에서의 강성보다 더 크다. 따라서, 바람직하게, 강화 시트(13)의 보강 스트립(25)들은 하부의 섬유 재료층(15)의 섬유의 연장에 실질적으로 수직하게 위치된다.
라미네이트가 섬유 재료층(15)들의 스택 내에 배열된 강화 시트(13)를 포함하기 때문에, 몰드(17)와 제 1 강화 시트(13) 사이 또는 2개의 강화 시트(13)들 사이에 주름이 형성될 수 있는 가용 공간이 전혀 없거나 단지 최소의 공간만이 존재하게 된다. 아울러, 몰드(17)와 강화 시트(13) 사이 또는 2개의 강화 시트(13)들 사이에 샌드위치된 섬유 보강된 층(15)에 작은 주름들이 발생하게 된 경우에도, 이 주름들은 강화 시트(13)에 의해 섬유 재료층(15)의 섬유 매트들의 그 특정 스택에 한정될 것이다. 특히, 상기 하나 또는 그 이상의 강화 시트(13)에 의해 전체 라미네이트에서의 주름 또는 접힘의 전파가 방지될 것이며, 완성품에서의 결함이 최소화될 수 있다. 따라서, 섬유 보강된 라미네이트에서 또는 본 발명의 방법에서 본 발명의 강화 시트들을 사용함으로써, 제품의 품질이 개선될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 강화 시트(13)의 일부를 사시도로 개략적으로 도시한다. 상기 강화 시트(13)는 일반적으로 섬유 재료로 제조된, 바람직하게는 시트 형태의, 실질적으로 평탄한 기저층(23)으로 구성된다. 상기 강화 시트(13)는 상기 섬유 재료층(15)들과 유사하게 서로 중첩되어 위치된 하나 또는 그 이상의 섬유 재료층들로 이루어질 수 있다(미도시). 섬유 재료 기저층(23) 위에는 하나 또는 그 이상의 보강 스트립(25)이 제공되며, 여기서, 상기 보강 스트립은 소위 가느다란 로드의 형태이다. 각각의 강화 시트의 보강 스트립(25)들은 실질적으로 평행한 방향(21)으로 연장하며, 수직 방향(22)으로 이격되어 있다. 이는 도 6의 수직 방향(22)에서 보다, 특히 보강 방향(21)인 보강 스트립(25)들의 방향에서, 전체 강화 시트(13)의 강성이 더 커지도록 한다. 따라서, 상기 강화 시트(13)는 보강 방향(21)에서 바람직하게 강성이며, 수직 방향(22)에서는 가요성이다. 이는 재료가 가요성으로 인해 몰드로 용이하게 드레이프될 수 있으면서도, 강화 시트에 인접한 섬유 재료층(들)(15)에서 주름을 충분히 방지한다는 것을 의미한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 섬유 재료로 제조된 기저층(23)은 여기서는 가느다란 로드 형태인 하나 또는 그 이상의 보강 스트립(25)들에 대하여 수개의 부착점(26)에서 적어도 부분적으로 부착된다. 이 실시예에서, 상기 가느다란 로드들은 적합한 박음질 섬유 또는 실을 이용하여 상기 부착점(26)들에서 기저층의 섬유 재료에 스티치되거나 박음질된다. 섬유 재료층의 재료에 따라, 가요성 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 아라미드 섬유들이 박음질 섬유 또는 실로서 사용될 수 있다.
이와 같은 방식으로, 기저층(23)이 보강 스트립(25)들에 의해 보강됨으로써, 상기 강화 시트의 요구되는 강성이 보강 방향(21)으로 적절히 제공될 수 있다. 이 실시예에서 사용된 바와 같은 보강 스트립(25)들은 사용된 재료들의 유사성 때문에 인발(pultruded) 유리 섬유로 제조된다. 이 경우, 기저층(23)의 섬유 재료, 보강 스트립(25)들 및 박음질 재료(26)들은 서로 다른 형태의 유리 섬유 재료들로 제조된다. 이는 바람직한데, 그 이유는 수지가 경화된 후, 사용된 재료들의 유사성이 경화된 제품에서의 박리 효과를 효과적으로 방지하기 때문이다.
도 7에 도시된 실시예에서, 강화 시트는 강화 시트 기저층(23)의 표면에 만곡된 보강 스트립(25)들을 구비한다. 이 경우, 강화 시트는 시트의 일부분에서 시트의 다른 부분들에서와 상이한 보강 능력을 가질 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 보강 스트립(25)들은 좌우측에 도시된 부분들에서보다 강화 시트의 중간에서 더 넓게 이격되어 있다. 이는 강화 효과가 이 강화 시트의 중간에서 향상된 반면, 그 바깥쪽에서 더 유연하다는 것을 의미한다. 강화 시트의 기저층 상에서 이러한 보강 스트립(25)들의 패턴은 풍력 터빈 블레이드와 같이 만곡되거나 휘어진 형상을 가진 라미네이트들에서 적절하게 이용될 수 있다.
본 발명을 그 바람직한 실시예들 및 변형예들의 형태로 개시하였으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그들에 대한 다수의 추가적인 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 섬유 재료층에 보강 스트립들을 박음질하는 대신, 기저층에 스트립들을 서로 다른 부착점들에서 부착하기 위해 저온(cold) 접착제 또는 핫멜트(hotmelt) 접착제, 수지 또는 클램프가 사용될 수 있다. 또한, 유리 섬유들로 제조되는 보강 스트립들의 강성이 라미네이트의 응용분야에 적합하도록 조절되어야 한다면, 목재, 금속, 탄소 또는 아라미드 섬유들, 경화된 수지들 또는 이 재료들의 조합과 같은 적합한 재료들이 본 발명의 대안적 실시예들에 사용될 수 있다.
명료함을 위하여, 본 출원서에 걸쳐서 관사("a" 또는 "an")의 사용은 복수를 배제하는 것이 아니며, 용어 "포함하는(comprising)"은 다른 단계들 또는 구성요소들을 배제하지 않음을 이해하여야 한다. 달리 언급하지 않았다면, "수단" 또는 "층"은 다수의 수단들 또는 층들을 포함할 수 있다.

Claims (15)

  1. 섬유 보강된 라미네이트에서 사용하기 위한 강화 시트로서,
    상기 강화 시트는 섬유 재료로 제조된 강화 시트 기저층(23)의 표면에 연결되는 보강 스트립(25)들을 포함하는,
    강화 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들 중 하나 이상은 상기 강화 시트 기저층(23)에 접합되는,
    강화 시트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들 중 하나 이상은 상기 강화 시트 기저층(23)에 스트립형 패턴으로 연결되는,
    강화 시트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들 중 하나 이상은 상기 강화 시트 기저층(23)에 단일의 부착점(26)들에서 연결되는,
    강화 시트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부착점들 중 하나 이상은 접착제 부착점, 수지 부착점 또는 클램프 부착점인,
    강화 시트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들 중 하나 이상은 상기 강화 시트 기저층(23)에 스티치되고/스티치되거나 박음질되는,
    강화 시트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들 중 하나 이상은 그 길이 방향으로 보강 스트립(25)이 움직일 수 있도록 연결되는,
    강화 시트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들 중 하나 이상은 상기 강화 시트 기저층(23)에 제공된 안내 요소를 통해 안내되는,
    강화 시트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들은 얇은 로드들이며, 바람직하게, 본질적으로 강성의 재료로 구성되는,
    강화 시트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 스트립(25)들의 재료는 목재 및/또는 금속 및/또는 유리 섬유들 및/또는 수지를 포함하는,
    강화 시트.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 강화 시트(13)들과 섬유 재료(15)로 이루어진 교호층들의 층 스택으로 구성되는 섬유 보강된 라미네이트.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 강화 시트와, 바람직하게, 제 11 항에 따른 섬유 보강된 라미네이트를 포함하는 풍력 터빈 블레이드.
  13. 섬유 재료층(15) 상에 강화 시트(13)를 배열함으로써 섬유 보강된 라미네이트를 제조하는 방법으로서,
    상기 강화 시트(13)는 섬유 재료로 제조된 강화 시트 기저층(23)의 표면에 연결되는 보강 스트립(25)들을 포함하는,
    섬유 보강된 라미네이트 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 라미네이트에 2개 이상의 강화 시트(13)들을 사용하는 단계를 포함하며,
    제 1 강화 시트(13)의 보강 방향(21)이 제 2 강화 시트(13)의 보강 방향(21)에 대하여 실질적으로 횡방향으로, 바람직하게는 60° 내지 120°의 각도로, 또는 보다 바람직하게는 90°의 각도로 배열되는,
    섬유 보강된 라미네이트 제조 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    a) 몰드에 섬유 재료(19)로 된 하나 또는 그 이상의 시트를 적층하여 상기 라미네이트의 섬유 재료층(15)을 형성하는 단계;
    b) 상기 섬유 재료층(15)의 상부에 미리 제조된 강화 시트(13)를 배열하는 단계; 및
    c) 상기 라미네이트의 요구되는 결합된 두께를 얻기 위해 상기 단계 a) 및 단계 b) 중 하나 이상을 선택적으로 반복하는 단계;를 포함하는,
    섬유 보강된 라미네이트 제조 방법.
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