用于真空辅助树脂传递模塑工艺的树脂流动构件的制作方法与工艺

本发明涉及一种用于真空辅助树脂传递模塑工艺（VARTM）的树脂流动增强构件，其包括腔，该腔具有作为树脂入口的第一开口和可连接到真空泵的第二开口。本发明还涉及包括纤维叠层和至少一个根据本发明的树脂流动增强构件的纤维加强塑性层叠件，以及涉及通过利用根据本发明的树脂流动增强构件制备的纤维加强塑性复合材料。此外，本发明涉及一种真空辅助树脂传递模塑工艺，用于将树脂从根据本发明的树脂流动增强构件注入纤维叠层中。纤维加强复合材料和真空辅助树脂传递工艺尤其适于制造各种技术产品，诸如汽车零件、飞机零件、储存罐、风力涡轮机叶片等。

背景技术：
用于风力涡轮机转子的风力涡轮机叶片目前具有约40米或更大（有时约为90或100米）的长度。风力涡轮机叶片需要很坚固，因此通常构成包括金属或复合材料的壳结构。对于复合材料，汽车或飞机的零件需要满足类似的物理要求。这类复合材料一般由通过纤维（诸如玻璃纤维、碳纤维或其它纤维）加强的塑性材料组成。越来越多的这类产品是通过真空辅助树脂传递模塑工艺制造的。在VARTM中，一堆纤维或者一纤维叠层放置在模具中。该模具被第二模具部分闭合，或者将塑性衬套放在模具之上。通过与模具的一个开口连接的真空泵为填有纤维的中空模具结构施加真空。然后将树脂从树脂容器（可以是树脂混合设施）灌输到纤维叠层中。所提供的树脂填满纤维之间的空间并且最终在模具中固化。以此方式，制造出具有特定形状的刚性加强复合结构。树脂通过分布在模具表面上的入口孔流入模具腔中。在常规的VARTM工艺中，模具内表面中或核芯材料表面中的树脂流动槽用于允许树脂更快流动到模具系统的特定区域。对模具表面中和核芯材料表面中的额外的树脂槽的使用改进了树脂从层叠件两侧到纤维叠层中的渗透，从而得到了对整个纤维叠层的快速浸湿。然而，额外的树脂槽会消耗额外的树脂量，这使得制造的复合零件更重且更昂贵。替代性地，现有技术中已知，在塑性套管（例如真空膜或真空箔材）和待被树脂浸湿的纤维叠层之间放置特殊的树脂流动增强构件，也被称作流动薄片（例如填充有纤维的管或薄片构件）。当树脂被吸入模具腔中时，它快速流过树脂流动增强构件，然而纤维材料较为密集，对树脂流具有较大的阻力。部分地受真空产生的力以及部分地受毛细力的作用，树脂分布到纤维材料中。当树脂流过一区域时，运动中树脂的最前区域被称作树脂流动锋面（flowfront）。在进行VARTM工艺期间，最高真空出现在树脂流动锋面填充有空气的空间中。在树脂流动锋面之后，静态真空下降。由于静态压力差，树脂快速流过树脂流动增强构件，大体上穿过待被浸湿的纤维材料。因此，不能确保对模具内所有纤维进行正确的浸湿，尤其是在具有大的厚度和/或长度的纤维叠层中。

技术实现要素：
因此，本发明的一个目的是要提供改进的树脂流动增强构件、纤维加强塑性层叠件、纤维加强塑性复合材料以及用于将树脂从树脂流动增强构件注入纤维叠层中的改进的真空辅助树脂传递模塑工艺。本发明的目的由根据本发明的树脂流动增强构件、纤维加强塑性层叠件、纤维加强塑性复合材料以及用于将树脂从树脂流动增强构件注入纤维叠层中的改进的真空辅助树脂传递模塑工艺来实现。根据本发明的树脂流动增强构件适于用于真空辅助树脂传递模塑工艺。树脂流动增强构件包括腔，该腔具有可以与VARTM设备的树脂入口连接的第一开口和可以与VARTM设备的真空泵连接的第二开口。所述构件的腔用作穿过构件的树脂流动路径。两个开口可以布置在腔的相反端，以使得树脂从树脂进入开口、第一开口直接流到第二开口。树脂流动增强构件一般具有下述功能，即，通过提供树脂流动的腔并且使得树脂沿垂直方向渗透到与所述构件相邻布置的纤维叠层中，来确保或改进树脂从树脂入口到第二开口的传输。树脂流动增强构件可以具有大体管状或薄片状结构，该结构具有由真空膜或真空箔材制成的第一上表面和第二下表面，该第二下表面具有例如开口，该开口用于使树脂在所述构件中与树脂流动方向垂直地流入纤维叠层中，或者该第二下表面是一种材料，树脂可以通过该材料渗透到位于其下的纤维叠层中。替代性地，树脂流动增强构件的两个相对表面可以适于使得树脂在任一表面处侵入毗邻的纤维叠层中。如果树脂流动增强构件被用在纤维叠层中（这表示其用作保留在纤维叠层内的中间层），则可以使用该替代方式。在此管状或薄片状构件中，通过利用静态压力差（即，第二开口处为真空，而第一开口处约为大气压力或更高的压力），可以将树脂从第一开口越过纤维叠层的表面运输到第二开口。一般而言，两个端部之间的任意压力差都有助于树脂在构件中的流动。因此，用语“真空”表示在这侧的静态压力低于另一侧处的静态压力。替代性地，如果两个压力都大于大气压力，则用语“真空”表示相对于构件的树脂入口侧减小的压力。在树脂流动锋面后方，树脂通过开口沿着与在树脂流动增强构件中流动的树脂流成角度的方向浸入纤维叠层中。例如，浸入可以发生在与树脂流动方向基本垂直的方向上。根据以上描述可见，树脂流动增强构件具有支撑结构，该支撑结构用于确保和改进树脂从树脂流动增强构件的一端向其相对端的输送。根据本发明的树脂流动增强构件额外包括树脂流动调节装置，其用于通过向第二开口施加真空而在树脂流动增强构件中沿从第一开口到第二开口的树脂流动方向改变树脂流的横截面，即，横截面积。因此，与不具有这种树脂流动调节装置的常规树脂流动增强构件相反，树脂流动调节装置使得树脂流动锋面较慢地移动。同时，增加了与所述构件的表面垂直的树脂的树脂流动。因此，通过树脂流动调节装置的特殊结构促进了树脂从树脂流动增强构件侵入毗邻所述表面的纤维叠层中。这可以改进纤维叠层的浸湿过程，即使纤维叠层具有大的厚度。树脂流动调节装置的有益效果在于现在可以通过真空控制对树脂流动的动态阻力。这意味着，树脂侵入量可被同时控制，因为，如果树脂流动锋面的动态阻力减小，则侵入纤维叠层的树脂会同时增加。以上目的在本发明的另一方面中，由包括纤维叠层和根据至少一个本发明的树脂流动增强构件的纤维加强塑性层叠件实现，所述树脂流动增强构件在纤维叠层表面中的至少一个表面上。用语“纤维加强层叠件”指的是，包括一定量（表示至少一个，但也可以是多个，即两个或更多个）纤维层和位于此纤维层的至少一个表面上的至少一个树脂流动增强构件的层叠件。纤维层可以由一个或多个纤维层片制成。一个或多个这类纤维层可被布置在用于根据本发明的纤维加强层叠件中的一个纤维叠层中。根据本发明的纤维加强层叠件可以是经树脂浸入处理和固化的层叠件。在层叠件中使用根据本发明的树脂流动增强构件使得可以控制与树脂流动增强构件中的树脂流动方向垂直的树脂流动。因此，可以改进树脂对纤维叠层的侵入，特别是比在常规VARTM工艺中进行得更可靠且更快。另一方面，使用根据本发明的树脂流动增强构件可以制造具有改进的性能（诸如较小的重量和提高的可靠性）的纤维加强塑性复合材料。根据本发明的加强塑性复合材料包括通过利用根据本发明的树脂流动增强构件制备的经真空辅助树脂传递模塑的树脂加强塑性层叠件。在本发明的另一方面中，通过用于将树脂从树脂流动增强构件注入纤维叠层的真空辅助树脂传递模塑工艺达到上述一般目的。在此工艺中，树脂流动增强构件包括：腔，具有能够与VARTM设备的树脂入口连接的第一开口和能够与VARTM设备的真空泵连接的第二开口；用于使树脂渗透到所述纤维叠层中的树脂可渗透壁或开口；以及树脂流动调节装置。所述工艺包括的其中一个步骤是通过在所述第二开口处施加真空而沿树脂流动方向改变树脂流动增强构件的树脂流横截面或横截面积。通过在第二开口处施加真空来改变树脂流动增强构件的树脂流横截面，可以控制在树脂流动增强构件中流动的树脂的动态阻力。在本发明的工艺中，在树脂流动锋面前方的填充有空气的区域处于低静态压力水平（真空），向树脂流提供高动态阻力。与此相反，在流动锋面后方的区域中，静态压力较高并且对树脂流的动态阻力减小。因此，可以改进树脂在树脂流动增强构件中的流动以及树脂向所述构件下方区域中的纤维叠层的分散或侵入。如在以下描述中所揭示的，优选实施方案给出了本发明的优选实施例和特征。通过结合下文描述的不同实施例的特征可以得到其它实施例，并且可以按合适方式结合不同类实施例的特征。根据优选实施例的树脂流动增强构件具有树脂流动调节装置，即薄片状元件或薄片结构，该树脂流动调节装置包括一定量的管，所述管优选布置在一层中，具有真空可压缩外壁结构，特别地是被纵向地定向在所述树脂流动方向中。可压缩外壁结构是指每个管的壁由柔韧材料制成或具有柔韧结构，该柔韧结构允许通过改变管的大体结构或形状（例如管自身的直径）来改变每个管的横截面积。如果向管施加低静态压力，即，在向管（在树脂流动锋面的前方）施加真空的状态下，管的外部形状将改变为较小的管直径。如果静态压力增大（例如在树脂流动锋面的后方），则管的直径增大并且较大的直径促进管内的树脂流动。同时，随着直径变大和树脂流动增强构件中增大的树脂流，与树脂流动锋面的移动垂直地流动的树脂（即流入纤维叠层中的树脂）增加。当流入纤维叠层中的树脂增加时，树脂流动锋面的移动速度减小。因此，可以通过如包括在根据本发明的树脂流动增强构件中的特定树脂流动调节装置来改进树脂向纤维叠层的侵入。在替代实施例中或作为上述实施例的另一技术改进，树脂流动增强构件优选具有包括一定量真空可膨胀填充元件的树脂流动调节装置。填充元件是被设置在管的内腔中的分离元件，并且填充管横截面积的一部分。因此，通过填充元件的数量和形状可以具体调节所述横截面积。填充元件的较大的数量和较大的外部形状将引起树脂自由流过树脂流动增强构件的横截面积减小。这类真空可膨胀填充元件的优选例子包括闭合的胞式粒子和/或中空纤维和/或中空球体。更具体地，所述元件通过具有闭合的胞腔（cellcavities）而真空可膨胀，该胞腔中优选填充有气体（例如空气）。当元件外的静态压力减小时，它们将由于从它们内部施加的气体压力而膨胀。这表示真空可膨胀元件在低压（真空）下胀大，并因此减小树脂流动增强构件中元件之间的自由空间。同时树脂流的横截面积减小。因此，树脂向纤维叠层的侵入增加并且树脂流动锋面的移动速度由于在树脂流动前部前方的胀大元件而减小。这类真空可膨胀元件的优选例子是具有柔韧壁或由柔韧壁材料制成的填充有气体的微型气球、填充有气体的中空纤维、或具有柔韧壁的填充有气体的多孔或闭合细胞纤维或粒子。用于元件的示例性柔韧材料是具有弹性的塑性材料，例如酚醛塑性球体，或热塑性弹性体（TPE），例如由SPANDEX（也被称作氨纶或LYCRA）制成的TPE纤维，SPANDEX是DuPont研制的聚氨酯聚脲共聚物。热塑性弹性体还可以与诸如热塑性聚酯等的其它热塑性纤维混合。根据本发明第二方面的纤维加强塑性层叠件优选被研制为使得所述层叠件包括布置在纤维叠层中的多个树脂流动增强构件。所述构件可以被设置在层叠件外表面处和/或纤维叠层中，设置在纤维叠层中是指设置在两个或多个纤维层之间，以增强在树脂堆的一些部分处的树脂流动。如果设置树脂流动增强元件，则即使在厚纤维叠层中也可以更快地进行树脂灌输。在另一实施例中，纤维加强塑性层叠件包括树脂流动增强构件，该树脂流动增强构件具有用于使树脂渗透到纤维叠层中的一定量树脂开口。所述开口优选在管壁的这一区域中，该区域在操作期间与纤维叠层直接或间接相邻。其它管壁优选被不可渗透膜（诸如用于维持构件内的静态压力的真空膜）覆盖。对于以上实施例来说可选择的或附加的，纤维加强塑性层叠件可以包括具有用于使树脂渗透到纤维叠层中的树脂可渗透壁的树脂流动增强构件。在用于VARTM工艺期间，这种可渗透壁可以由适于被树脂渗透的多孔材料制成。在根据本发明第二方面的纤维加强塑性层叠件的另一实施例中，层叠件包括在纤维叠层和树脂流动增强构件之间的剥离层片或剥离层，以便在VARTM工艺结束后剥离树脂流动增强构件。这使得此构件仅用于生产纤维加强复合材料。这可以改进纤维加强复合材料的重量。替代性地，可以在固化步骤之后机械地磨蚀或磨碎树脂流动增强构件。根据本发明另一优选实施例的纤维加强塑性层叠件包括设置在树脂流动增强构件上的真空膜。真空膜通常用于真空辅助树脂灌输工艺，其中柔韧真空袋被用作上模具。在树脂已经固化之后，此真空膜通常被剥离，优选与剥离层片和树脂流动增强构件一起被剥离。根据第三实施例的纤维加强塑性复合材料可以优选被研制为使得复合材料具有风力涡轮机叶片的形状。优选使用根据本发明的树脂流动增强构件来利用VARTM工艺制造风力涡轮机叶片，这是因为由于在制造工艺期间可以实现较好的浸湿，因而所述复合材料具有提高的可靠性和较高的品质。此外，使用更快和更有效的树脂侵入工艺使得可以使用较少的树脂。因此，降低制造成本并且可以使得材料的重量更轻。在根据本发明第四方面的优选实施例的真空辅助树脂传递模塑工艺中，树脂流动锋面在工艺期间从树脂侵入侧移动到树脂流动增强构件的真空侧。此外，改变树脂流动锋面处的横截面或横截面积，以便树脂更快且更有效地（与模具表面和树脂流动增强构件方向成角度地，例如垂直地）迁移或侵入到纤维叠层中。此外，由于工艺效率提高，因此使用较少的树脂。可以减少用于制造塑性复合材料的成本和时间。附图说明根据下文的详细描述，并结合附图考虑，本发明的其它目的和特征将变得明显。然而，应该理解，附图仅是为了图示目的而设计的，并不作为对本发明的限制。图1示出了根据现有技术的VARTM设备的示意性剖视图；图2示出了根据现有技术的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图；图3示出了根据本发明第一实施例的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图；图4示出了根据本发明第二实施例的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图；图5示出了在两种不同压力环境下在根据本发明实施例的工艺中使用的真空可膨胀填充元件的示意图；图6示出了根据本发明第三实施例的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图；以及图7示出了图6层叠部分的透视图。具体实施方式在所有附图中，相同的附图标记标示了相同的对象。图中的对象不一定是按比例绘制的。图1示出了常规真空辅助树脂传递模塑（VARTM）设备的示意图，该设备可用来应用根据本发明的工艺。所述设备包括具有腔105的模具100，该腔105基本上为待生产的塑性复合部件的形式。所述设备进一步包括经由树脂入口115与腔105连接的树脂容器110。在腔105的相反端，所述设备包括与树脂收集器126和真空泵127连接的树脂出口125。由多个纤维加强织物层组成的纤维叠层位于由第一模具部分101和第二模具部分102组成的模具100的腔105中。模具100闭合并且树脂被注入模具100中，以浸湿位于腔105中的织物层（未示出）。浸湿过程从树脂入口115侧开始并且伸展到树脂出口125侧。树脂迁移的驱动力是真空泵127产生的低静态压力。在树脂工艺已经完成之后，固化所生产的纤维加强塑性复合物。根据用途/树脂系统，合适的固化温度是从室温至约200℃。因此，优选可以将加热元件（未示出）集成到模具100中或模具100周围。替代性地，可以至少在固化步骤将模具放入高压锅。可以改变以上VARTM设备，使得模具100由支撑板和作为第二模具部分的柔韧的真空膜制成，该柔韧的真空膜位于被布置在支撑板上的纤维叠层上的。可选地，树脂流动增强构件可以位于纤维叠层和真空膜之间。图2示出了在使用根据现有技术的树脂流动增强构件的VARTM工艺中层叠部分的剖视图。层叠部分位于支撑板（未示出）上，在支撑板上直接或间接放置纤维叠层1。作为层叠件的下一层，由树脂可渗透材料制成的剥离层片2位于纤维叠层上，随后是由无纺布热塑性纺织品组成的树脂流动增强构件3。作为最上层，层叠件包括作为上模具部分的真空塑性膜4。树脂进入开口（未示出）在右手侧并且真空泵（未示出）位于层叠件的左手侧。因此，在此图中，树脂流动方向5是从左手侧到右手侧。在树脂6在树脂流动增强构件3中迁移期间，树脂6通过纤维叠层1中的静态压力（真空）和通过毛细力浸入或被分布到纤维材料中。树脂6与树脂流动方向5成角度（优选基本垂直）地浸入纤维叠层1中。在附图中，通过箭头指示树脂6的浸入流。具体而言，树脂6渗透通过开口16而侵入到纤维叠层1中。图3示出了根据本发明第一实施例的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图。除了使用根据本发明的树脂流动增强构件3之外，该层叠件具有与图2中的层叠件相同的构造。因此，对于总体构成，可参照图2的描述。树脂流动增强构件3由填充有气体的中空纤维7、9组成。纤维材料由柔韧的热塑性弹性材料制成。因此，中空纤维7、9具有真空可膨胀树脂流动调节元件的功能。当树脂流过树脂流动增强构件3中的纤维叠层区域时，树脂流动增强构件3中的静态压力在树脂流动锋面11发生变化。变化是指这点，即，静态压力在流动锋面处的一定长度内从低压逐渐改变到高压（而不是在某一前部处突然改变）。静态压力（P1）在树脂流动锋面的前方低，并且在树脂流动锋面后方（这表示填充有树脂的那侧）高（P2）。在VARTM工艺期间，由于低静态压力（P1=20mbar），在树脂流动锋面11前方的中空纤维7在树脂流动锋面的另一侧胀大到约50mm3的体积。在树脂流动锋面后方，由于树脂流动增强构件3中的较高静态压力（P1=1013mbar），中空纤维9的体积下降到1mm3。因此，树脂流的自由横截面积或树脂流动增强构件3中的中空纤维7、9之间的自由空间在树脂流动锋面11之前减小，因此流动锋面11自身的速度被胀大的中空纤维9降低。因此，树脂流动增强构件3有利地提供了树脂流动锋面11的较慢移动，并因此确保与从树脂流动增强构件3到纤维叠层1的表面垂直的较大树脂6的流。这允许，树脂更快更有效地迁移到纤维叠层1中，由于更好的浸湿而获得的品质更高的纤维加强部件，以及减少树脂材料量，以便降低VARTM工艺的总成本以及减小所生产的部件的重量。图4示出了根据本发明第二实施例的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图。层叠件由第一真空膜4、第一纤维叠层1、第一中间层20、树脂流动增强构件3、第二中间层20、第二纤维叠层1以及第二真空膜4构成。除了树脂浸入与树脂流动增强构件3相邻布置的第一和第二纤维叠层1（如箭头6所示）之外，根据本发明所述实施例的树脂流动增强构件3与第一实施例中使用的树脂流动增强构件3类似。树脂流动增强构件3包括填充有气体的中空纤维7、9，所示中空纤维7、9通过施加真空而可膨胀，从而它们在压力条件P1（减小的静态压力或真空）下比在压力条件P2（约大气压力）下在树脂流动增强构件3中填充更大空间。由此，可以减慢树脂流动锋面11的移动并且可以增加在树脂流动增强构件3中垂直于树脂流动方向5侵入纤维叠层1中的树脂6侵入。图5示出了在两种不同压力环境中的真空可膨胀填充元件的示意图。在左手侧，中空纤维7或中空球体8处于大气压力下，而在图的右手侧中空纤维9或中空球体10处于减小的压力（真空）下。此图示意性地示出作为填充元件的中空纤维7、9或中空球体8、10形状改变的效果。更具体地，相比示出大气压力情况的左手侧，在施加真空的那侧，树脂流的自由横截面积显著减小。图6示出了根据本发明第三实施例的VARTM工艺中的层叠部分的剖视图，并且图7示出了此层叠部分的透视图。此实施例与图3所示的第一实施例类似。因此，对于层叠件的大体构造，我们主要参照此图的描述。树脂流动增强构件包括具有柔韧管壁的多个平行管17。柔韧是指这点，即，高静态压力侧的管直径14大于低静态压力（真空）侧的管直径15。此表现通过利用弹性聚合物材料实现，该弹性聚合物材料通过树脂从管内提供的静态压力自动伸展。相对于树脂流动锋面移动在树脂流动锋面11前方的管部分12由于管内的低静态压力而小于树脂流动锋面11后方的管部分13。因此，树脂流动同样被控制，即沿平行于管的方向（与表示树脂流动方向5的箭头一致）减慢，但是同时，侵入纤维叠层中的树脂（由箭头表明的树脂6流动）增加。此实施例所基于的技术原理与第一和第二实施例中相同，因为树脂流动增强构件中的自由流动横截面在树脂流动方向5中变化。尽管已经以优选实施例及其变型的方式公开的本发明，但是应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本发明进行许多额外的改进和变型。尽管已经参照风力涡轮机叶片描述了本发明，但是利用本发明的方法也可以制备其它塑性复合材料，诸如飞机的机翼或转子、直升机、冷却器或汽车零件以及汽车工业中的零件或类似装置。树脂流动增强构件通常可以用于真空辅助树脂传递模塑工艺领域，例如用于制造可以广泛用于类似技术领域的复合材料的真空辅助树脂侵入工艺等。为清楚起见，应该理解，本申请使用的表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个，并且用语“包括”并不排除其它步骤或元件。除非另有说明，用语“构件”、“装置”或“元件”可以包括一定量分离的构件、装置或元件。