专利名称：以复合材料为基础制造大型空心部件的方法
以复合材料为基础制造大型空心部件的方法 技术领域5 本发明涉及以复合材料为基础生产大型部件的方法，尤其适用于制造风力发电机的叶片根部。更具体地，本发明的方法包括在模具周围螺旋形地缠绕含纤维和树脂的复合材料带并最终对其进行固化操作。10 背景技术以复合材料为基础制造大型部件的已知方法通常使用浸渍树脂 的连续纤维，其缠绕在芯棒或模具周围。在这种方式中，我们可以找到例如美国专利第5993717号，其涉及制造具有开放或闭合横截面的 加强合成外形的方法，其中加强纤维以及加强丝或杆通过树脂溶液，15 再穿入成形和固化外形的模具。在同一种方式中，我们可以引用欧洲专利第1056587号，其涉及 由具有连续纤维的加强合成树脂制造漂浮体并使用绕线机制造。制造大型树脂部件也是已知的，其中加强元件包括纤维带或条。 在这种方式中，我们可以引用西班牙专利第2089965号，其涉及制造20用于风力涡轮机叶片的空气动力学外形的方法，该方法包括用浸渍合 成树脂的纤维复合体覆盖模具，随后组合所有被覆盖的模具。纤维复 合体能够在模具上成形，例如以加强纤维的叠层为基础，向模具提供 具有预浸渍合成树脂的单向纤维的条。而且，在这种情况下纤维预浸 渍过，此外纤维带或条穿过模具，且模具形成具有所需外形的部件。25发明内容本发明的目标是能够使用以加强纤维和树脂为基础的复合材料 获得大型部件，其中加强纤维包括长度不定的带，带施加到模具上， 在模具上进行固化并从模具分离成形的部件，只用复合材料构成所述部件，无需成为部件一部分的其他支撑或加强元件。根据本发明的第一特征，通过在模具周围螺旋形地缠绕复合材料带直到得到所需的叠层，部件在模具上成形。这样的缠绕可以在绕线机中带动模具执行，绕线机可以沿模具的 5轴旋转模具，同时复合材料带的巻筒在平行于模具的托架中线性地移动。部件的叠层通过结合巻筒托架的线性运动和模具沿其轴的旋转 运动获得。因此，依靠连续的扫动，通过调节每一次扫动的长度在模 具的每一区域或区段上获得所需的叠层厚度。在形成叠层的同时，以 10 均匀的电压维持复合材料带以避免起皱。根据本发明的另一方面，复合材料带包括由交替的纤维层和树脂 条形成的分层结构。这些复合材料带优选由两个纤维外层和一个树脂 中间层组成。树脂直到使用前都是固态的，因为复合材料带必须低于 5。C保存。为了将复合材料带施加到模具上，复合材料带必须加热到 15 15至2(TC之间，使得树脂成为面团状或半液态。在开始缠绕复合材料带之前，模具的表面必须经过处理清洁、 涂覆脱模剂和安放热电偶以检验随后的树脂固化步骤中的温度。当完成叠层时，用可移除的保护薄片覆盖整个表面。这样的薄片 可以是螺旋形缠绕在叠层周围的带，其纵向边缘部分重叠和拉紧，从 20而完全贴合叠层的表面。保护薄片具有双重功能， 一方面其保护叠层 免受污染，另一方面使叠层的表面对于以后的操作中施加的层足够粗 糙从而能正确粘贴，如下所示。热縮带螺旋形地缠绕在保护薄片周围，拉紧且纵向边缘部分重 叠，从而形成连续的外罩，沿外罩形成排出空气和渗出树脂的通路， 25 通过在热縮带的特定连续缠绕圈之间横向放置可渗透材料条形成通 路。随后在真空中压紧，压紧所使用的方法在本领域众所周知，其可 以包括连续使用排气片、由吸收材料层组成的通气层、和覆盖及密封 组件全部侧表面的真空罩或袋，其中通气层负责吸收通过排气片的接合处和其边缘叠层渗出的树脂。在排气装置和真空袋之间形成相互连通的纵向和横向的真空通 路，通过这些通路抽取空气。而且在吸收材料层上，在形成真空袋之 前，安放热电偶和抽取空气的管道，起始于真空通路的管道穿过吸收 5 材料层并通过末端截面离开。此外，通过将真空抽取管道连接到真空 泵形成真空时，管道经过真空区并在后续步骤中连接到真空计。在塑 料薄片的边缘与吸收材料层之间形成真空袋的塑料薄片的密封，以及 在热电偶与空气抽取管道出口处密封可以镀袼。在真空袋内部达到真空度之后，开始固化叠层树脂，由于真空条 10 件可以保持压紧，及加热成形的主体外部和通过模具加热内部。该过 程在固化炉内完成，用先前安装的热电偶监控温度，这样能独立于内 部和外部的叠层执行固化步骤，从内到外控制固化。当树脂固化已经完成且组件已经从固化炉移走时，移走真空袋、 具有空气通路的吸收材料层、热电偶及真空或空气抽取管道，最终脱 15 模主体。为了完成这一步骤及去除在叠层期间在截面最大的一侧上形 成的多余材料，靠近最大的末端截面制作两个外周切口，切口直达模 具并形成两个环形物， 一个在末端，其由轴向切口分割，例如再细分 为两个或多个可分离的扇形，中间环形物位于固定的支撑上，同时从 与中间环形物相反的一侧轴向推动，从而移除模具。因此，通过作用 20于模具而实现脱模，相对于所得的主体或叠层移动模具，通过中间环 形物主体或叠层放置在固定的横向支撑上。当模具移走时，松脱中间 环形物并从模制的主体分离。在模具表面靠近末端截面形成外周通道，所以在模制主体上获取 这些环形物的横向切口不影响或触及模具的表面。通道应当稍宽于形 25 成环形物的切口之间的间隔，并应当与切口所在位置重叠。在开始缠 绕复合材料带之前，在该通道中填充柔软的填充材料，如软木，填充 材料再由与模具的侧表面平齐的不渗透薄片覆盖。因此，当在模制的 主体中制作横向的外周切口时，切割可以超过模制主体的厚度而不影 响模具，因为将触及外周通道的软木填充材料。而后，模制主体经过对齐处理，并加工毗邻叶片的横切面以获得 垂直于主体的轴的平面。在该表面制作轴向外壳，并在其中放入和粘 贴用于固定叶片的插入物。通过几个阶段的加工获得上述轴向外壳，从而实现圆锥形内区段 5 和圆柱形外区段。插入物为管状，其外形和截面与插入物重合。在固定或不同的工作台上执行层叠操作和至少叠层成形之后的 操作，如真空、固化、脱模、对齐、加工和粘贴插入物的步骤，模具 将顺序运送到工作台。这样允许在同一时间在不同的工作台上执行不 10 同的操作。
参考附图，结合以下对示例的说明可以更好地理解本发明方法的 特征，其中15 图1是在成形叠层的模具周围螺旋形地缠绕叠层条的装置的平面图。图2对应图1的细节A，是成形叠层过程完成时，具有真空袋和 在固化处理之前的截面图。图3是图2所示具有真空袋的组件的平面图。 20 图4是脱模步骤之前其上具有叠层或形状的模具的径向截面图。图5是移除模具之后从叠层的较大底部所见的叠层外形图。 图6是从图5所示剖线VI-V工剖开的叠层壁的部分纵向截面图。 图7是根据另一实施例在模具上成形叠层的正面侧视图。 图8是图7的细节B的放大剖视图。2具体实施方式
在附图中提出的示例对应于制造具有管状结构的风力涡轮机叶 片的根部，其从同样具有管状结构的模具获得。为了获得该部件，从将模具1安装到绕线机上爪式卡盘2与对应点3之间开始，如图1所示。模具还包括能够装载复合材料带6的巻筒5的托架4，用复合材料带在根部层叠。托架4能够沿平行于模具1的轴的底座7线性移动。 组合轴1的旋转与托架4的线性运动，复合材料带6螺旋形地缠绕在模具1周围，达到模具的每一区域或区段所需的叠层厚度。用统 5—的电压保持复合材料带6以避免起铍和实现均匀的叠层。复合材料带6由两层纤维与其间的一层树脂构成的分层结构组成。缠绕复合材料带6之后，获得了分层结构，如图2的附图标记8 所示。保持分层结构位于模具1上，在该分层结构上施加可移除保护io 薄片9，树脂可渗透该保护薄片，但是其能防止污垢到达分层结构8 。 在该保护薄片周围螺旋形地缠绕热縮条以形成连续的外罩，其有助于 在以后的固化过程中压紧叠层8。由于该热縮条是不渗透的，在特定 的位置形成间断，例如通过交替使用可渗透材料条，这样形成了空气 可以流过和树脂可以渗出的通路。15 在该外罩上安放排气片11，其由具有小孔的塑料薄片组成，树脂不可以透过这些小孔而空气可以。随后用由吸收材料层构成的通气 层12覆盖排气片，例如无纺纤维毯。通气层用于吸收因层叠通过排 气片的接合点和边缘渗出的树脂。最终，在通气层12上形成由放置在通气层12周围的不渗透薄片20构成的真空袋13，其纵向边缘相互密封，横向边缘用靠近组件的横 截面涂覆的密封剂14密封到通气层12。在真空袋13与通气层12之间放置热电偶15，热电偶的电缆16 穿过密封剂层14退出。在真空袋13与通气层12之间还有空气抽取 管道17，其也穿过密封剂14伸出。管道17从在通气层12与真空袋25 13之间形成的通路18伸出，这些通路18纵向和周边地延伸并连接 在一起。例如，这些通路18由位于形成通气层12的无纺纤维毯上的 网孔带构成。如图2所示，在开始缠绕复合材料带6之前，热电偶19安装在 模具l上。导线20退出的一侧与热电偶15的导线16的相同。因此，真空袋13与通气层12完全密封，且管道穿过中间点，截 止在该真空袋与通气层12之间的内部，未示出。管道连接到外部的 真空计以监控当管道连接到真空泵时在真空袋内部形成的真空度。当 已经达到所需的最小真空度时，其上具有使用叠层8成形的主体的模 5 具l、上述不同的层和真空袋运送到固化炉，其中加热主体的外部及通过模具1加热主体的内部，使用热电偶15和19监控温度以实现独立的内部和外部固化。在固化之后所得的组件如图4所示，其包括模具1和具有上述各 层的叠层8。随后必须进行脱模，带有叠层的模具转移到切割和脱模 io 机，移除有助于固化的辅助材料，如真空袋、具有空气通路18的吸 收材料层、热电偶15和真空或空气抽取管道17。随后必须除去在层叠期间在具有较大截面的一侧上形成的过多材料。为了完成这一歩 骤，在主体8的周围靠近具有较大直径的末端截面做出两个横向切口 22和23，切口必须穿透主体8的整体厚度，并建立末端环形物24和15 中间环形物25。为了避免破坏模具1的表面，当制作切口 22和23时，在切口K 域有外周通道26，其在开始螺旋形缠绕复合材料带6之前填充柔软 的材料，如软木27。与模具1的表面平齐的不渗透薄片或层28覆盖 填充材料27。因此，如图2所示，切割点22和23能够超过对应于20模具1的表面的高度，部分穿透填充材料27，这样允许安全地制作 出所有切口和形成用于脱模过程的环形物24和25，如下所述。对于脱模，在外环形物24中制作轴向切口，从而外环形物24包 括容易从模具1分离的两个或多个扇形。中间环形物25由固定位置 限制器30上的平面支撑，在箭头D的方向推动模具1，因此容易管25理脱模部件，且在该操作期间移除环形物25。当部件脱模时，在具有最大截面的一侧必须获得垂直于部件轴的 平面。为了这一目的，脱模的部件被运送到校正台，在此将部件定向 到正确的位置，该位置部件不可移动。然后先加工与切口 23对应的 横切面31，直到获得与主体的轴垂直的平面。其次，在平面31中形成用于安放和固定插入物33的轴向外壳32，插入物用于在风力涡轮 机的叶片中固定主体或根部8。为了安放插入物，对其涂覆粘合剂，当外壳的轴和插入物对齐时， 通过连续的旋转运动使插入物33插入外壳32中，旋转运动能防止形 5 成气泡填充外壳32与涂有粘合剂34的插入物33之间的整个空间。 此外，还在插入物33的周围涂覆粘合剂35，且该粘合剂通过将部件 移入固化炉固化。固化温度由使用塞子预先放入插入物33的热电偶 监控。当树脂固化时，移除塞子和热电偶。当该过程结束时，车削插入物33。为了这一目的，部件移送到 io刨床，当部件安装到底刀盘时，突出的插入物的大部分被选中，以建 立用于车削的起始点。随后使用必要的多个行程开始车削，直到插入 物全部位于垂直于主体轴的同一平面上。通过上述方法，得到构成叶片根部的部件，部件具有足够坚固的 结构来执行其必须发挥作用。作为方法检验，对插入物33实施牵引 15 和螺纹检测。可能在图7所示的对称模具36上进行成形叠层或主体8的整个 过程，模具36等价于在较大的底座上接合的两个如图1所示的模具 1。在这种情况下，应当与模具的中间区域重合地制作通道26，如图 8所示，还应当使用软木27或类似的材料填充通道26。应当只制作 20 —个外周切口 37，通过该切口将插入能够在图8所示的E或F方向 推动的元件，从而脱模在模具上成形的主体8和8'。如图6所示，用于插入物33的外壳32可以包括外部圆柱形区段 37和内部圆锥形区段38,内区段向末端逐渐减小。圆锥形的同轴芯 39从底座突出，其逐渐减小的区段与外壳的壁限定出环形空间。对 25于这一部分，插入物33是管状的，其与外壳重合，且区段40的壁较 薄，从而适合上述外壳32的壁与芯39之间的环形空间。在连续操作中加工外壳32，以获取圆柱形区段37和圆锥形区段38。插入物33还将包括在装配之前由挡块42保护内部螺纹区段41 。
权利要求
1、用复合材料制造大型部件的方法，尤其用于制造风力涡轮机的叶片根部，该方法包括通过向模具施加含纤维和树脂的复合材料成形部件或根部并随后进行固化，其特征在于包括步骤a)在连续的扫动中在模具周围螺旋地缠绕含纤维和树脂的复合材料带，直到在模具的所有区域或区段上达到所需的叠层厚度；b)在成形主体的全部表面上施加可移除、能透过树脂的保护薄片；c)对保护薄片施加热缩条，连续覆盖全部保护薄片；d)通过真空压紧成形的叠层；e)固化树脂，通过真空保持压紧，然后脱模固化的主体；f)对齐固化的主体并加工毗邻叶片的横切面，直到获得垂直于主体轴的平面，其中形成轴向外壳；及g)在上述轴向外壳中放置和粘贴用于固定叶片的插入物。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于在不同的固定位置或工作台上执行层叠操作和至少部分使用叠层构造执行的步骤，带有 叠层主体的模具连续运送到不同的固定位置或工作台。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于复合材料带由两层 纤维和其间的一层树脂构成的分层结构组成。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过热縮条构成的外罩形成用于抽取空气的通路。
5、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于通过在热縮条的特 定连续层之间交替使用可透材料条获得所述通路。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过加热成形主体 25的外部和经由模具进行加热，以及利用先前安放在叠层中的热电偶控制温度，固化步骤独立于模具上叠层的内部和外部，保持从内到外控 制固化。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于其上形成叠层的模 具生成所需部件的外形，在具有较大截面的一侧该叠层产生超出量，其由一个或多个外周切口除去，外周切口形成可分离的环形物。
8、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于其上形成叠层的模 具生成一对所需部件，模具采用相对于中间横截面对称的结构，中间 横截面与这些所需部件的较大截面重合，与分离两个成形部件的外周5 切口重合。
9、 根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于靠近较大截面 模具在其周围具有外周通道，外周通道与模制主体中的横向切口所在 的区域重叠，在开始缠绕复合材料带之前用柔软的填充材料如软木填 充外周通道，并用与该模具侧表面平齐的不渗透薄片覆盖填充材料，使外周切口与该通道轴向重合。
10、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过在几个歩骤中的加工实现圆柱形外区段和圆锥形内区段而获得用于插入物的轴向 外壳，内区段向末端逐渐减小，圆锥形的同轴芯从底座突出，其逐渐减小的区段与外壳的壁限定环形空间；插入物具有管状结构，其外直 径与外壳的内直径重合，管状结构的壁是厚度逐渐减小的内区段，其能装入上述外壳的环形空间中。
11、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于树脂涂覆到插入物 的侧向表面用于安放和粘贴插入物，插入物与轴向外壳对齐并采用连 续的渐进旋转运动引入轴向外壳中，使插入物部分突出，在突出部分 的周围涂覆树脂，随后固化树脂和车削插入物，直到不含插入物的横切面位于垂直于主体轴的同一平面上。
全文摘要
本发明涉及以复合材料为基础生产大型部件的方法，如风力发电机的叶片根部。本发明的方法包括以下步骤在模具周围螺旋形地缠绕含纤维和树脂的复合材料带；在主体表面施加可移除的保护薄片；向该薄片施加热缩条；在真空下压紧叠层从而成形；固化树脂；对齐固化主体；加工将应用于叶片的横切面并在所述表面中形成轴向外壳；及在外壳中放置和粘贴插入物以固定叶片。
文档编号B29C70/36GK101223024SQ200680025843
公开日2008年7月16日 申请日期2006年7月14日 优先权日2005年7月15日
发明者何塞伊格纳西奥·略伦特冈萨雷斯, 赛尔焦·贝莱斯奥里亚 申请人:歌美飒创新技术公司