NO823568L - Fremgangsmaate til fremstilling av en filamentviklet gjenstand - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse har generell befatning med

en fremgangsmåte til fremstilling av en gjenstand ved filament-eller trådvikling, og vedrører, nærmere bestemt, en slik fremgangsmåte hvor hulrom i den viklete gjenstand reduseres til et minimum.

Filamentviklingsteknikker kommer ofte til anvendelse i forbindelse med moderne metoder til fremstilling av gjenstander med øket fasthet. Slike teknikker innbefatter vikling av høyfaste filamenter eller tråder som er anordnet i en matrise av binde-materiale rundt en form eller kjerne av en fasong som stort sett motsvarer den ønskete form av den ferdige gjenstand, med påføl-gende herding av matrisematerialet. Ved fremstilling av en langstrakt gjenstand, eksempelvis en aerofoil, under anvendelse av slike trådviklingsmetoder, blir trådene vanligvis viklet rundt formen mens formen og trådene forskyves frem og tilbake i forhold til hverandre langs formens lengde- eller viklingsakse.

På denne måte anbringes flere lag av filamentmateriale på formen, hvor filamentene i hvert lag danner en vinkel med viklingsaksen og likeledes med filamentene i de tilgrensende lag. For å oppnå en kontinuerlig plassering av filamentene i frem- og tilbakegående retning langs formen under påviklingen av filamentene, anbringes vendere eller viklingsringer ved endene av formen eller endene av segmentet av den form som vikles, og det dannes overliggende endetørn i de ulike sjikt ved at filamentene vikles over kantene og tvers over en utside av viklingsringen, under reversering av retningen for den langsgående forskyvning mellom fibrene og formen.

Det vil innses at filamentbåndene i hvert lag krysser båndene i det umiddelbart foregående lag under en spesiell vinkel som motsvarer den doble viklingsvinkel. Da belastningene rett-vinklet mot viklingsflaten under viklingsprosessen .'iblant er utilstrekkelig til i vesentlig grad å sammenpresse fibrene, med-fører slike krysninger av innbyrdes ovenpåliggende filamentbånd-sjikt at det oppstår hulrom i det lag som dannes av de to sjikt. Slike hulrom har tendens til å forårsake uregelmessige viklings-flater, svekke den filamentviklete gjenstand og innvirke uguns-tig på overensstemmelsen mellom den virkelige form av den viklete gjenstand og de ønskete konstruksjonsformer.

Viklingsmetoden som er beskrevet i det ovenstående, dvs. måten å vikle et filamentbånd rundt en roterende form under frem-og tilbakegående bevegelse av båndet og formen i langsgående retning, blir først benyttet ved opprettelse av regelmessige, geometriske former, såsom sylindrer og kuler, ved hjelp av filamentviklingsteknikk. Det vil være åpenbart for den fagkyndige at ved vikling av slike regelmessige, geometriske former vil filamentene følge stort sett geodetiske baner, dvs. baner som angir den korteste avstand mellom to atskilte overflatepunkter. Ved vikling av kompliserte, uregelmessige former, såsom en stor vindturbinaerofoil av vridd, avsmalnende fasong, er det imidlertid, for å kunne opprettholde konstant viklingsvinkel, ofte nød-vendig at filamentene vikles i ikke-geodetiske baner, hvorved båndene påføres tverrbelastning under påviklingen rundt formen eller det tilgrensende filamentsjikt. Slik tverrbelastning vil ofte resultere i separasjon av forgarn i et bånd og dannelse av hulrom som følge av denne separasjon. Det vil innses, at da hvert filamentlag krysser et foregående lag vil hulrom som oppstår på grunn av forgarnsseparasjon, senere ikke utfylles av ovenpåliggende, viklete lag.

Som omtalt i det ovenstående, impregneres filamentmaterialet med et bindemiddel eller lim, f.eks. en epoksyharpiks eller liknende, som herdes etter viklingen. Selv om det kunne antas at hulrommene som oppstår i den viklete gjenstand som følge av sjiktkrysningen og filamentseparasjonen grunnet ikke-geodetiske viklingsbaner, skal kunne gjenfylles ved utflyting av bindemiddel, er det på grunn av den relativt høye filament-(lave bindemiddel ) -gehalt som er nødvendig for øket fasthet, i forening med kapillarvirkning og oppsuging som medfører at praktisk talt alt uherdet bindemiddel klebes til forgarnene, ikke konstatert noen slik utflyting.

Det er derfor et hovedformål ved oppfinnelsen å angi en forbedret fremgangsmåte til fremstilling av gjenstander ved fila- mentvikling hvorved dannelsen av hulrom i gjenstanden reduseres til et minimum. Ifølge fremgangsmåten vil hulrommene som oppstår mellom filamentene på grunn av vikling langs ikke-geodetiske baner, gjenfylles av filamentmateriale fra overliggende viklings-lag.

Ifølge oppfinnelsen er dette oppnådd, slik det fremgår

av nedenstående beskrivelse og medfølgende tegninger, ved at samtlige lag i et enkeltsjikt blir viklet i samme retning, hvorved alle kryssinger i hvilke som helst av sjiktene bortfaller slik at filamenter i et sjikt kan utfylle hulrom i et underliggende lag i samme sjikt. Ifølge oppfinnelsen vil en slik plassering av filamentmaterialet oppnås ved opprettelse av samtidige, frem- og tilbakegående, rettlinjete og roterende bevegelser mellom den form eller kjerne hvorom gjenstanden påvikles, og et bånd av filamentmateriale som vikles på formen. Ved en slik frem-og tilbakegående bevegelse vikles båndet rundt formen langs en viklingsakse gjennom formen, og når båndet er fremført til enden av formen, reverseres retningen, og båndet forflyttes bakover langs viklingsaksen, idet retningsreverseringen ledsages av en stort sett samtidig reversering av retningen for den innbyrdes dreiebevegelse mellom filamentmaterialet og formen. Det vil innses at slike samtidige retningsforandringer både i rettlinjet bevegelse langs viklingsaksen og dreiebevegelse om viklingsaksen medfører at forgarn i tilgrensende sjikt anbringes med ensartet viklingsretning rundt formen under fullstendig eliminering av filamentkryssinger med derav følgende hulromsdannelser. Grunnet den ensartede viklingsvinkel vil også forgarn i et overliggende lag kunne utfylle hulrom mellom forgarn i et underliggende lag.

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 anvendelse av en kjent filamentviklingsmetode. Fig. 2 viser et del-sideriss av et parti av en gjenstand under vikling, som vist i fig. 1.

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

Fig. 4 viser et perspektivriss av en gjenstand under fremstilling ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 viser et del-perspektivriss av en gjenstand under fremstilling ved anvendelse av filamentviklemetoden ifølge fore-

liggende oppfinnelse.

I fig. 1 er en gjenstand av ikke-sirkulær, langstrakt tverr-snittsform, i dette tilfelle et langstrakt aerofoilblad eksempelvis for anvendelse i store vindturbiner vist under fremstilling ved hjelp av en kjent filamentviklemetode. Metoden er tilpasset for en viklemaskin 10 som omfatter en dreibar aksel (spindel) 13 som er forbundet med en form 16 som er slik påmontert at den roterer med akselen om formens lengde- eller viklingsakse. Videre omfatter viklemaskinen 10 en vogn eller et viklehode 19 som ved rettlinjet, frem- og tilbakegående bevegelse langs spor 22 gjen-nomløper viklemaskinen i dennes lengderetning. Fra en passende kilde (ikke vist) overføres et antall kontinuerlige filamenter eller forgarn 25, f.eks. glassfiber eller liknende, til viklehode 19 hvor de belegges med et egnet bindemiddel, f.eks. epoksy eller annen, egnet substans, slik at fibrene anordnes kollektivt i en matrise av bindemiddel på en måte som er velkjent innen denne teknikk. Fibrene anbringes på formen i et bånd innbefat-tende enkeltsjikt eller flersjikt av forgarn som befinner seg i umiddelbar berøring med hverandre, eller forgarn i enkle stren-ger eller bunter. Aerofoilen som fremstilles i overensstemmelse med denne metode, omfatter et antall viklete sjikt av filamentmateriale. I denne forbindelse betegner "sjikt" en kontinuerlig, fullstendig fordeling av forgarn over formens ytterflate eller over et indre, tilgrensende sjikt. Som det fremgår, er vindingene vinkelforskjøvet i forhold til formens viklingsakse, og det vil lett innses at en slik vinkelretning av vindingene fremkommer på grunn av viklehodets langsgående bevegelse i forhold til formen, hvorved viklehodets hastighet i forhold til formens rota-sjonshastighet er bestemmende for vindingenes vinkelretning.

Ved vikling av det første eller innerste sjikt eller omfar, som vist i fig. 1, fastgjøres ender av det bindemiddelbehandlete filamentbånd ved en ende av formen, og formen dreies om sin lengdeakse mens viklehodet forflyttes langs formen fra høyre til venstre. Idet det nærmer seg en vendeskive 30, utlegger viklehodet et endetørn 32 av filamentmateriale. Når viklehodet pas-serer enden av formen, oppfanges filamentene av én eller flere spikrer som strekker seg ut fra kanten av vendeskiven 30. Etter å ha passert vendeskiven reverserer viklehodet retningen, for derved å vikle filamentene over utsiden av vendeskiven, hvoretter fibrene oppfanges av et antall spikrer som er forskjøvet i for hold til de spikrer som først oppfanget filamentene. Idet viklehodet innleder sin forflytting langs formen i den motsatte retning, utlegges en endevinding 37 som krysser endevindingen 32. Ved fortsatt forflytting av viklehodet 19 langs formen 16 fra venstre til høyre, mens formen roterer, fremkommer et andre sjikt (omfar) av innbyrdes atskilte vindinger av filamentmateriale . Det vil innses at et tredje sjikt anbringes etter at viklehodet 19 har passert langs formen i den retning som er vist i fig. 1 og bevegelsesretningen for viklehodet 19 er reversert. Det vil være åpenbart for den fagkyndige at forgarnvindingene

i det tredje lag stort sett forløper parallelt med og i tilgrens-ning til vindingene i det første lag, men at de krysser vindingene i det andre lag. Hvert etterfølgende lag anbringes parallelt med de lag som er påført under viklehodets forflytting langs formen i samme retning. Ved kontinuerlig gjentagelse av denne prosess fremkommer et fullstendig sjikt av forgarn som er påført formen i "kurvflettings"-mønster med en tykkelse av to lag.

Fig. 2 og 3 viser tre lag i forstørret målestokk. Forgarn 4 0 representerer det første lag som er viklet på formen og som forløper i en vinkel med formens viklingsakse. Hvis det i illust-rerende hensikt antas at fig. 2 er sett i samme hovedretning som fig. 1, vil det innses at forgarnet 40 påvikles mens viklehodet forflyttes langs formen i retning fra høyre til venstre. Idet viklehodet når enden av formen og forandrer retning for

å forflyttes fra venstre mot høyre til sin utgangsstilling, påvikles laget som innbefatter fibrene 45. Etter å ha passert langs hele formen i denne retning vil viklehodet reversere retningen og bevege seg fra høyre mot venstre under påføring av et tredje lag forgarn 50, parallelt med forgarnene 40 og i nær berøring med disse under kryssing av forgarnene 45.

Som vist i fig. 3 avgrenser forgarnene 40 og 45 i forening med yttersiden av formen 16 et hulrom 55 mellom kanten av det bånd som dannes av forgarnene 4 0 og de deler av forgarnene 4 5 som befinner seg i kontakt med formen 16. Det er lett å innse at hver kryssing, i likhet med den som oppstår ved at forgarnene 40 krysses av forgarnene 45, forårsaker et liknende hulrom, og at det i hvert enkeltsjikt hos en stor, filamentviklet gjenstand forekommer hundrevis av slike hulrom. I betraktning av at en slik stor, filamentviklet gjenstand kan omfatte et stort antall av slike lag, er det åpenbart at det i en slik gjenstand kan

dannes tusenvis av hulrom.

Som tidligere omtalt, er det ikke alltid mulig, ved fila-mentvikling av gjenstander av komplisert form, å vikle i geodetiske baner. Av den grunn blir det nødvendig å vikle i ikke-geodetiske baner, og det vil være åpenbart for den fagkyndige at det ved en slik vikling utøves reaksjonskrefter mot filamentene med derav følgende tendens til å separere filamenter i ett og samme bånd, hvorved det oppstår langstrakte hulrom i båndet. Slike "mellombånds"-hulrom nedsetter den iboende fasthet for

den filamentviklete gjenstand på samme måte som hulrommene 55. Ifølge den foreliggende oppfinnelse vil de hulrom som er vanlig forekommende i tilknytning til kjent filamentviklingsteknikk, praktisk talt elimineres grunnet opprettholdelsen av en ensartet vinkelretning for samtlige lag i et forgarnsjikt. Fig. 4 viser en viklemaskin som i hovedtrekk er den samme som vist i fig. 1. Av illustrasjonsmessige grunner er det, på samme måte som i fig. 1, vist en form 16 stort sett av aerofoilfasong. De binde-middelsbehandlete filamenter eller forgarn legges eller vikles på formen ved rettlinjet, frem- og tilbakegående bevegelse av vognen 19, mens formen roterer på akselen 13. I motsetning til den kjente viklemetode som er beskrevet i det ovenstående vil formen, ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse, rotere frem og tilbake i forhold til det upåviklete filamentbånd, mens viklehodet, og følgelig båndet, beveges frem og tilbake i langsgående retning i forhold til formen. Ifølge oppfinnelsen foregå hver endring av formens rotasjonsretning stort sett samtidig med en forandring av retningen for viklehodets rettlinjete forflyttingsbevegelse. Som det videre fremgår av fig. 4, påvikles det første lag mens formen roterer i pilretningen 60 og viklehodet forflyttes langs spor 22 fra høyre mot venstre. Etter å være fremført til formens venstre ende oppfanges forgarnene av nålene på vendeskiven, slik som tidligere beskrevet, og viklehodet og formen reverserer den innbyrdes rotasjonsretning, slik at formen deretter roterer i pilretningen 65 mens viklehodet forflyttes fra venstre mot høyre, hvorved det andre lag påvikles formen parallelt med og side om side med det første lag, uten at noen av de andre lagvindinger krysser de første lågvindinger. Det er åpenbart at ved forsettelse av denne fremgangsmåte vil forgarnbåndene plasseres parallelt og side om side, slik at det dannes et fullstendig filamentsjikt med samme tykkelse som et enkelt forgarn. Det fremgår følgelig at kryssinger innenfor et enkeltsjikt bortfaller i likhet med de hulrom som forårsakes av slike kryssinger. Det fremgår videre at det ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan vikles et sjikt med tykkelse av tofila-mentdiametre, hvor samtlige vindinger forløper parallelt med hverandre. Hvis det således er dannet mellombåndshulrom som følge av vikling i ikke-geodetiske baner, vil slike hulrom lett gjenfylles av overliggende, parallelle forgarn under den fortsatte viklingsprosess .

Det vil innses at fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse også kjennetegnes ved forskjellige, andre særtrekk. Ved et kontinuerlig filamentsjikt med samme tykkelse som en enkeltfilamentdiameter vil f.eks. tykkelsen kunne reguleres til nøyaktigere dimensjon enn med tidligere kjente metoder, hvor hvert sjikt har dobbeltfilamenttykkelse i det tidligere omtalte "kurvflettings"-mønster. Det er dessuten mulig å vikle innbyrdes overliggende, parallelle lag som ligger i hverandre, hvorved det frembringes en jevn overflate uten overdreven spenning for oppnåelse av sammenpressing, da en slik spenning medfører risiko for fiberbrudd med derav følgende avbrudd i vikleprosessen.

Fig. 5 viser den venstre ende av formen ifølge fig. 4.

Det fremgår av fig. 4 at oppfangingen av forgarnet på vendeskiven foregår på slik måte at forgarnet vikles om spindelen tvers over vendeskivens ytterflate, innen vikleretningen reverseres. Som vist i fig. 5, er det imidlertid mulig å vikle det andre laget på slik måte at forgarnet, umiddelbart etter å være oppfanget på vendeskiven, vikles i motsatt retning parallelt med og i til-grensning til vindingene i det første lag. Derved bortfaller plasseringen av forgarnet tvers over vendeskivens ytterflate og rundt spindelen, og det oppnås en økonomisk rimeligere til-virkningsprosess .

Innenfor rammen av oppfinnelsen kan filamentene i de innbyrdes tilgrensende sjikt selvsagt forløpe parallelt eller i en vinkel med hverandre. Det er bare nødvendig at hvert sjikt er dannet av parallelle fibre, for å unngå opprettelse av hulrom i den viklete gjenstand. Filamentene i innbyrdes tilgrensende sjikt kan forløpe i en vinkel i forhold til hverandre, f.eks.

for å oppfylle fasthetskrav, uten at det oppstår hulrom i kon-struksjonen .

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av filamentviklete gjenstander, som omfatter vikling av et bånd av filamenter (25), impregnert med et bindemiddel, om en form (16), karakterisert ved at formen (16) og båndet (25) bibringes en frem- og tilbakegående, relativ dreiebevegelse samtidig med en frem- og tilbakegående relativ, rettlinjet bevegelse av formen (16) og båndet (25), hvorved hver forandring av retningen for den relative dreiebevegelse av formen (16) og båndet (25) foregår stort sett samtidig med en motsvarende forandring av retningen for den relative, rettlinjete bevegelse av formen (16) og båndet (25), slik at praktisk talt alt filamentmateriale i hvert enkeltsjikt som påvikles formen, forløper i samme vinkelretning i forhold til en akse gjennom formen.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakteri- < sert ved at det, på kjernen (16), vikles filament i et sjikt som forløper i en vinkel i forhold til filamentene i et tilgrensende sjikt.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at den frem- og tilbakegående, relative rotasjonsbevegelse av formen (16) og båndet (25) innbefatter en frem- og tilbakegående dreining av formen om en viklingsakse.