NO161363B - Fremgangsmaate til fremstilling av en filamentviklet gjenstand. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av en avsmalnende fiberarmert plastgjenstand ved kontinuerlig spiralformet påvikling av et fiberbånd på en form som smalner av i lengderetningen, hvorved fiberbåndet påvikles mellom formens tykke og den tynne ende og vindingene i en vikling anbringes mellom vindingene i den foregående vikling med samme fiberretning.

Tråd- eller filamentviklingsteknikk finner ofte anvendelse

i moderne tilvirkningsmetoder for fremstilling av gjenstander med forbedrete fasthetsegenskaper, såsom det omtales i US-patentskrifter 3.429.758, 4.273.601 og DE-off.skrift 2.736.125. I disse metoder inngår vikling av høyfaste filamenter eller tråder som er anordnet i en matrise av bindemateriale rundt en form eller kjerne av en fasong som i hovedsak motsvarer den ønskete form av den ferdige gjenstand, med påfølgende herding av matrisematerialet. Ved fremstilling av en langstrakt gjenstand, eksempelvis en aerofoil, ved anvendelse av ovennevnte filamentviklingsmetode, kan formen og filamentene forflyttes i frem- og tilbakegående retning i forhold til hverandre langs formens lengde- eller viklingsakse, under påviklingen av filamentene rundt formen, hvorved det dannes en rekke lag av filamentmateriale hvor filamentene i hvert lag forløper i en vinkel med formens lengde- eller viklingsakse og likeledes med filamentene i tilgrensende lag. For å oppnå kontinuerlig, frem- og tilbakegående forflytting av filamentene langs formen under påviklingen, anordnes vendere eller viklings-ringer ved enden av formen eller det formsegment som vikles,

og de overliggende endevindinger i de ulike sjikt dannes derved idet filamentene vikles over kantene og tvers over en ytterside av viklingsringen, under reversering av retningen for den langs-

gående bevegelse mellom fibrene og formen. Dessuten kan fiberbåndet påvikles med en overlapping på ca. 50% på formen.

Påviklingen kan videre skje med varierende mønstre når gjenstanden avsmalner. i lengderetningen. F.eks. fremstilles en slik gjenstand ifølge DE-off.skrift ved at en avsmalnende form kontinuerlig påvikles et fiberbånd. Et første lag dannes ved at båndet påvikles mellom formens tykke og tynne ender. På den tykke ende anbringes båndet med innbyrdes avstand og i et andre lag anbringes båndet i mellomrommene i det første lag osv.

Dersom gjenstanden som vikles, eksempelvis et moderne vindturbinblad, har en slik form som avsmalner i lengderetning, vil en kontinuerlig vikling av filamentene rundt formen under opprett-holdelse av den innbyrdes, frem- og tilbakegående bevegelse mellom filamentene og formen, resultere i en tykkere material-ansamling ved den smale formende enn ved den grovere ende, slik det vil være åpenbart for den fagkyndige. Dette er ofte uønsket. Hvis den viklete gjenstand f.eks. består av et vindturbinblad,

er det, for å redusere påkjenningene i bladet grunnet sentrifugal-kreftene til et minimum, nødvendig at bladspissen er tynnere enn bladroten. I overensstemmelse med den kjente teknikk er det, ved vikling av en gjenstand på slik måte at et smalere spissparti blir tynnere enn et grovere rotparti, vanlig at gjenstanden vikles av et antall rettavkortede, kontinuerlige filamentsjikt. Dette innebærer f.eks. at det opprettes et første, fullstendig sjikt ved at det på formen, stort sett i dennes fulle lengde, anbringes påviklet filamentmateriale. Det påvikles deretter et andre, kontinuerlig sjikt bare rundt en del av kjernen, slik at det udekkete, første sjikt danner det smalere spissparti av gjenstanden som fremstilles. Deretter vikles et tredje, kontinuerlig sjikt over en del av formen på slik måte, at deler av det første og det andre lag forblir blottlagt. Det vil innses at en slik metode for vikling av en avsmalnende gjenstand hvor tykkelsen avtar fra den grovere til den smalere ende, resulterer i at gjenstanden får et tverrsnitt eller tykkelsesprofiler av avsats- eller trinnform. Ved anvendelse av kjent viklingsteknikk vil høyden av hvert trinn motsvare det antall filamentmaterial-tykkelser som er nødvendig for opprettelse av et fullstendig, kontinuerlig sjikt. Selv om det med en slik metode er mulig for tilvirkeren, i grovt tilnærmet gard, å gjengi en optimal (ønsket)

tykkelsesprofil for gjenstanden, vil det være ønskelig med en fremgangsmåte for tilnærmet gjengivelse, innenfor snevrere gren-ser, av en ønsket tykkelsesprofil.

En annen fremgangsmåte for vikling av gjenstander under nøyaktig regulering av tykkelsen omfatter anvendelse av tynnere filamentmateriale (forgarn) under viklingsprosessen. Kravene til håndteringen av slike forgarn vil imidlertid i alvorlig grad nedsette effektiviteten av denne produksjons-vikleprosess, grunnet økningen av sjiktantallet og dermed den nødvendige vikletid.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse

å angi en forbedret fremgangsmåte til fremstilling av en filamentviklet gjenstand, som vil muliggjøre en større tilnærming til en ønsket tykkelsesprofil, enn det som hittil har vært oppnåelig i tilknytning til kjent filamentviklingsteknikk slik den eksempelvis fremgår av de ovennevnte patentskrifter.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved

a) at fiberbåndvindingene i et første trinn anbringes i den tykke ende av formen med en innbyrdes avstand som er lik båndets

bredde, i formens midtområde anbringes tett opptil hverandre til dannelse av et første lukket lag, og i den tynne ende av formen anbringes slik at de overlapper hverandre, og

b) at fiberbåndet i et andre trinn bare påvikles mellom den tykke ende og midtområdet, hvorved vindingene i det tykke område

anbringes mellom båndene anbrakt i trinn a) og i midtområdet anbringes under dannelse av et andre lukket lag.

Ved en foretrukket utførelse kan samtlige fiberbåndvindinger i trinn a) og trinn b) påvikles parallelle med hverandre, eller alternativt påvikles slik at de krysser hverandre.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et perspektivriss av en gjenstand under fremstilling ved hjelp av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et del-sideriss av en gjenstand som fremstilles ved filamentvikling i overensstemmelse med oppfinnelsen.

Fig. 3 viser et snitt langs linjen 3-3 i fig. 2.

Fig. 4 viser et snitt langs linjen 4-4 i fig. 2.

Fig. 5 viser et snitt langs linjen 5-5 i fig. 2.

Fig. 6 viser et del-sideriss av gjenstanden ifølge fig.

2 etter ytterligere filamentviklingstrinn i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Fig. 7 viser et snitt langs linjen 7-7 i fig. 6.

Fig. 8 viser et snitt langs linjen 8-8 i fig. 6.

Fig. 9 viser et forstørret del-snitt langs linjen 9-9 i fig. 6. Fig. 10 viser et del-snitt av en gjenstand som er fremstilt i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 11 viser et delsideriss av en gjenstand under fremstilling i overensstemmelse med en alternativ versjon av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

En langstrakt, avsmalnende gjenstand er i fig. 1 vist under fremstilling ved hjelp av filamentviklingsprosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse. I det viste tilfelle består gjenstanden av et avsmalnende aerofoilblad, eksempelvis for anvendelse i store vindturbinblader. Fremgangsmåten gjennomføres på en vikle-maskin 10, innbefattende en dreibar spindel eller aksel 13 med en påmontert form 16 som kan rotere med spindelen om en lengde-eller viklingsakse gjennom formen. Viklemaskinen 10 omfatter også en vogn eller et viklehode 19 som gjennomløper en rettlin-jet, frem- og tilbakegående bevegelse langs viklemaskinen i et spor 22. Fra en passende kilde (ikke vist) overføres et antall kontinuerlige filamenter eller forgarn 25, eksempelvis av glass-fiber eller liknende, til viklehodet 19, hvor de belegges med et egnet bindemiddel, såsom epoksy eller annet, egnet stoff,

slik at fibrene kan anordnes samlet i en matrise av bindemiddel, på en måte som er kjent innen teknikken. Fibrene anbringes på formen i et bånd som innbefatter overliggende enkeltsjikt eller flersjikt av innbyrdes tilgrensende forgarn i enkeltstrenger eller bunter. Den aerofoil som tilvirkes i overensstemmelse med denne fremgangsmåte, omfatter et antall viklete sjikt av filamentmateriale. Som det fremgår, danner vindingene i det lag som vikles på formen, en vinkel med vindingene i det foregående lag som er påviklet formen. Det er lett å innse at denne vinkelfor-skyvning av vindingene skyldes viklehodets langsgående bevegelse i forhold til formen, hvorved viklehodehastigheten i forhold til rotasjonshastigheten bestemmer vindingenes vinkelretning.

Ved vikling av det første lag (den første omgang av vindinger langs formen) fastgjøres filamentenes bindemiddelbehand-lete ender til høyre i formen, og formen roterer om sin lengde-akse mens viklehodet forflyttes langs formen fra høyre mot venstre. Idet det nærmer seg en vendeskive eller nålring 30, utlegger viklehodet en endevinding 3 2 av filamentmaterialet. Når viklehodet passerer enden av formen, oppfanges filamentene av én eller flere spiker som rager utad fra vendeskivekanten. Etter å ha passert vendeskiven, reverserer viklehodet

bevegelsesretningen

og vikler derved filamentene tvers over vendeskivens ytterside, hvoretter fibrene oppfanges av et antall spiker som er forskjøvet i forhold til de spikrer som først oppfanget filamentene. Under sin fortsatte bevegelse forflyttes viklehodet langs formen, fra venstre mot høyre, idet det først vikler endevindingen 37 som krysser over endevindingen 32. Ved fortsatt bevegelse av viklehodet 19 langs formen 16, mens denne roterer på spindelen, opprettes et andre lag eller en andre omgang av innbyrdes atskilte vindinger av filamentmaterialet. Viklehodets frem- og tilbakegående passering av formen gjentas under påføring av ulike, overliggende lag av innbyrdes atskilte forgarnvindinger, hvor hvert lag eller hver omgang danner en vinkel med det nærmest foregående lag. Det fremgår følgelig at et tredje lag vil påføres etter forflytting av viklehodet 19 langs formen fra venstre mot høyre, og reversering av viklehodets bevegelsesretning. Det er åpenbart at vindingene i det tredje lag vil forløpe stort sett parallelt med vindingene i det første lag, men krysser vindingene i det andre lag. På denne måte vikles vindingene i hvert lag parallelt med vindingene i foregående lag eller omganger som er påført ved forflytting av viklehodet i én og samme retning.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan også utøves ved å bibringe formen en frem- og tilbakegående dreie-bevegelse i forhold til det uviklete bånd (viklehodet), slik at hver endring av viklehodets bevegelse i langsgående retning, langs viklingsaksen, i forhold til formen etterfølges av en reversering av formens rotasjonsretning. Idet viklehodet full-fører sin langsgående bevegelse og reverserer bevegelsesretningen, vil rotasjonsretningen for formen på spindelen 13 reverseres, slik at samtlige vindinger som vikles på formen 16, for-løper stort sett parallelt, og innbyrdes kryssing av vindingene bortfaller. Denne fremgangsmåte er nærmere beskrevet i norsk

patentsøknad 823568.

Når en avsmalnende gjenstand, eksempelvis et aerofoilblad, vikles av innbyrdes ovenpåliggende, fullstendige sjikt av filamentmateriale, vil, som tidligere nevnt, tykkelsen av det viklete materiale være omvendt proporsjonalt med formens omkrets. Ved konstant viklingsvinkel kan dette forhold uttrykkes generelt ved nedenstående ligning:

Pl <fc>l <-><P>2 fc2o

hvor er et mål på omkretsen eller omfanget ved en stasjon 1, P2 er et mål på omkretsen eller omfanget ved en stasjon 2,

t^ er middeltykkelsen av det viklete materiale ved stasjon 1

og t2 er middeltykkelsen av det viklete materiale ved stasjon 2. Det fremgår av dette at for en avsmalnende gjenstand, eksempelvis det foreliggende vindturbinaerofoilblad, vil bladets spissparti, i overensstemmelse med dette forhold, bli vesentlig tykkere enn rotpartiet. Da spisspartiet vanligvis belastes mindre enn rotpartiet, er det motsatte å foretrekke, dvs. at det vanligvis er ønskelig at spisspartiet tilvirkes betydelig tynnere enn rotpartiet. Ved hjelp av tidligere kjent filamentviklingsteknikk kan dette oppnås ved at det ved spisspartiet vikles fullstendige sjikt i et mindre antall enn ved rot- og midtpartiene. Det kan f.eks. vikles et fullstendig sjikt i formens fulle lengde, og et andre, fullstendig sjikt fra roten til en stasjon på formen, hvor det bortenfor denne stasjon bare kreves ett materialsjikt. Et tredje, fullstendig sjikt kan deretter vikles på det andre sjikt fra roten til en stasjon på bladet, hvor det bortenfor denne stasjon er tilstrekkelig bare med de to første sjikt. På denne måte oppstår en avsats- eller trinnformet konstruksjon.

Det er selvsagt lett å innse at den nøyaktighet hvormed denne avsats- eller trinnformete tykkelsesprofil kan tilnærmes en stort sett jevn og motsvarende dimensjonert (ønsket) profil, begrenses av tykkelsen av de viklete sjikt. Ved en avsmalnende konstruksjon, eksempelvis det ovennevnte vindturbinblad, er det innlys-ende, slik det fremgår av den tidligere omtalte forbindelse mellom tykkelse og formomkrets, at filamentsjikt som vikles på formen, kan være mange ganger tykkere enn ønskelig ved spisspartiet, grunnet forskjellen i omkrets for spisspartiet og rotpartiet av formen. Ved tidligere kjente viklemetoder for vikling av et antall innbyrdes ovenpåliggende sjikt av minskende lengder, for opprettelse av en trinnprofil i tilnærmelse til den ønskete tyk-kelsesprof il , vil trinnhøydene motsvare tykkelsen av fullstendige filamentsjikt, og av den grunn vil slike trinn ofte bare gi meget grove tilnærmelser til en kontinuerlig tykkelsesprofil som be-tinges av den analytiske utforming av komponenten.

Ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse kan trinnhøyden reduseres vesentlig, og den filamentviklete gjenstand vil derfor kjennetegnes ved en tykkelsesprofil i større tilnærmelse til

en jevn konstruksjonsprofil enn det som er oppnåelig ved anvendelse av tidligere kjent viklingsteknikk. Ifølge den foreliggende oppfinnelse utformes et antall innbyrdes ovenpåliggende "delsjikt" som omfatter sammenhengende partier ved mindre formomkrets og usammenhengende partier ved større formomkrets, som senere dekkes av andre delsjikt. På denne måte vil høydene av viklings-trinnene i tilnærmelse til den ønskete tykkelsesprofil reduseres betydelig i forhold til trinnhøydene i tilknytning til fullstendige filamentsjikt, og det oppnås en større tilnærmelse til en jevn, ønsket tykkelsesprofil.

Ved utøvelse av den foreliggende oppfinnelse blir det,

som vist i fig. 2-5, opprettet en første, en andre og en tredje stasjon, henholdsvis 50, 55 og 60, på formen, hvor den andre stasjon 55 er beliggende mellom den første og den tredje stasjon. Ved den første stasjon 50 har formen større omfang enn ved den tredje stasjon 60. I eksemplet ifølge fig. 2-5 er omfanget ved stasjon 50, av illustrasjonsmessige grunner, antatt å være to ganger større enn ved stasjon 55 og fire ganger større enn ved stasjon 60. Når stasjonenes beliggenhet er tilstrekkelig bestemt, vikles filamentmaterialet kontinuerlig rundt formen ved anvendelse av en av de fremgangsmåter som er beskrevet i det oven-stående i forbindelse med fig. 1. Ifølge fig. 2-5 reverseres viklehodets og det dermed forbundne filamentbånds bevegelse i langsgående retning samtidig med reversering av formens rotasjonsretning, slik at etterfølgende lag eller omganger av filament-vindinger anordnes parallelt med hverandre. Filamentbåndet av hensiktsmessig bredde eller tykkelse vikles kontinuerlig rundt formen mellom den første og tredje stasjon, til hele omfanget av formen ved den andre stasjon er dekket med et sjikt av filamentmateriale av ønsket tykkelse, mens deler av formomfanget i sonen ved den første stasjon forblir udekket av materiale.

Dette danner et av de ovennevnte "delsjikt". Ifølge fig. 2-5

er omkretsen eller omfanget ved stasjon 60 halvparten så stort som ved stasjon 55 hvor omfanget dekkes av et filamentbåndlag av enkelttykkelse, og derfor vil vindingene ved stasjon 60, i overensstemmelse med oppfinnelsen, plasseres ovenpå hverandre i slik omfatning at filamentbåndet blir viklet i dobbelt tykkelse ved stasjon 60. Men da omfanget ved stasjon 50 er to ganger så stort som ved stasjon 55 hvor stasjon 55 er dekket av materiale, vil stasjon 50 bare dekkes omtrent halvveis.

Som vist i fig. 6-9 vikles deretter filamentbånd mellom stasjonene 50 og 55, til omfanget av formen ved den første stasjon er helt dekket av filamentmateriale. Når dette trinn er fullført er formen ved stasjon 50 således dekket av et enkelt-sjiktbånd, slik det tydeligst fremgår av fig. 7, mens formen ved stasjon 55 er dekket av et filamentbånd av dobbelt tykkelse.

Det er følgelig åpenbart, at når formen vikles i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, vil samtlige stasjoner på formen bli fullstendig dekket, selv om formen ved stasjon 60 bare dekkes av et dobbelt bånd av materialtykkelse. Ved anvendelse av tidligere kjente metoder, hvor det bare skulle vikles fullstendige sjikt innen overliggende sjikt ble påviklet mellom stasjonene 50 og 55, ville minimumstykkelsen ved stasjon 60 utgjøre fire båndtykkelser, idet omkretsen ved stasjon 60

er en fjerdedel av omkretsen ved stasjon 50. Det fremgår således at når en hel gjenstand tilvirkes ved filamentvikling i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, vil høyden av de anordnete trinn i tilnærmelse til den ønskete tykkelsesprofil bli vesentlig mindre enn ved tidligere kjente metoder, slik at tilnærmelsen i meget større grad enn hittil mulig vil overensstemme med en ønsket tykkelsesprofil. Av eksemplet i fig. 2-9 vil det fremgå at det første av disse trinn bare har dobbelt båndtykkelse, mens samme, første trinn ville få fire båndtykkelser ved anvendelse av tidligere kjent teknikk for vikling av innbyrdes ovenpåliggende, fullstendig kontinuerlige sjikt.

Fig. 10 viser den forbedrete tilnærmelse til en ønsket tykkelsesprofil som kan oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. I fig. 10 er det vist en profil av spisspartiet av et filamentviklet aerofoilblad. Trinn 75-100 representerer de delsjikt som opprettes i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, og dette innebærer at det blottlagte parti av hvert trinn representerer en fullstendig (kontinuerlig) fordeling av viklete filamenter, mens det parti av hvert trinn som dekkes av et overliggende sjikt, som tidligere beskrevet, innbefatter åpne eller ufullstendige soner. Linjen 105 representerer en ønsket tykkelsesprofil, eksempelvis basert på analytiske konstruk-sjonsmetoder. Linjen 115 representerer profilen av en ende av vindturbinbladviklingen, som ville opprettes med forgarn av ens-artet tykkelse under anvendelse av tidligere kjent teknikk. Det er lett å innse, at med slike, kjente metoder hvorved det vikles fullstendige, kontinuerlige sjikt, vil spisstykkelsen bli at-skillig større enn tykkelsen i en indre sone. Det er således tydelig at med slike, tidligere kjente teknikker vil tykkelses-profilen ved enden ikke engang ha grov tilnærmelse til den ønskete tykkelsesprofil. Det er imidlertid åpenbart at ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, nemlig vikling av delsjikt dvs. sjikt med avbrudd, hvor sjiktet dekkes av etterfølgende sjikt, kan trinndimensjonene være meget mindre enn de hittil kjente, og en slik reduksjon av trinndimen-sjonen vil, slik den fagkyndige vil innse, muliggjøre en meget snevrere tilnærmelse til en ønsket profil. De reduserte trinn-dimensjoner medfører dessuten en minskning i antall og størrelse av de opptredende hulrom, hvorved den viklete gjenstands fasthet økes.

Selv om den foreliggende oppfinnelse er beskrevet i tilknytning til filamentviklingsteknikk hvor samtlige lag eller omganger vikles på formen i generelt parallelle retninger, vil det innses av den fagkyndige at denne fremgangsmåte er like egnet for viklingsteknikk av kryssingstype, hvor hvert lag eller hver viklet omgang danner en vinkel med de tilgrensende lag, slik at det opprettes et "kurvflettings"-mønster av filamentbåndet.

En slik båndfordeling er vist i fig. 11. Som tidligere omtalt oppstår dette båndmønster når viklehodet forflyttes frem og til-bake i langsgående retning i forhold til formen, mens formens rotasjonsretning opprettholdes konstant. Fig. 11 viser stasjonene 50, 55 og 60, hvor formen ved stasjon 50 innbefatter åpne soner eller avbrudd mellom båndene. Ved stasjon 55 har båndene dobbelt tykkelse, mens filamenttykkelsen ved stasjon 60 motsvarer fire båndtykkelser. De åpne partier og overliggende eller kryssende bånd ved stasjon 50 blir i middeltall en enkelt båndtykkelse som, med den doble båndtykkelsen ved stasjon 55 og den firdoble båndtykkelsen ved stasjon 60, er i overensstemmelse med den tidligere omtalte forbindelse mellom viklet fibertykkelse og form-omfang. Det vil innses av den fagkyndige, at egenskapene som følge av redusert trinndimensjon, for nøyaktig tilnærmelse av konstruksjonstykkelsesprofiler, vil oppnås like lett med denne kryssviklingsfremgangsmåte som med de tidligere beskrevne fremgangsmåter for parallellvikling av bånd.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av en avsmalnende fiberarmert plastgjenstand ved kontinuerlig spiralformet påvikling av et fiberbånd på en form som smalner av i lengderetningen, hvorved fiberbåndet påvikles mellom formens tykke og den tynne ende og vindingene i en vikling anbringes mellom vindingene i den foregående vikling med samme fiberretning, karakterisert ved a) at fiberbåndvindingene i et første trinn anbringes i den tykke ende av formen med en innbyrdes avstand som er lik båndets bredde, i formens midtområde anbringes tett opptil hverandre til dannelse av et første lukket lag, og i den tynne ende av formen anbringes slik at de overlapper hverandre, og b) at fiberbåndet i et andre tinn bare påvikles mellom den tykke ende og midtområdet, hvorved vindingene i det tykke område anbringes mellom båndene anbrakt i trinn a) og i midtområdet anbringes under dannelse av et andre lukket lag.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at samtlige fiberbåndvindinger i trinn a) og trinn b) påvikles parallelle med hverandre.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at samtlige fiberbåndvindinger påvikles slik at de krysser hverandre.