专利名称：用于生产风力涡轮叶片的阴模的直接生产的制作方法
技术领域：
本发明涉及生产风カ涡轮的叶片的技术领域。具体而言，本发明涉及(a)生产用于铸造风カ涡轮叶片的阴模的方法和(b)风カ涡轮叶片的制造方法，其中使用所述的阴摸。 此外，本发明还涉及(c)用于铸造风カ涡轮叶片的阴模以及(d)已通过上述制造方法和/或通过使用上述阴模生产的风カ涡轮叶片。
背景技术：
用于风カ涡轮转子的叶片通常借助于铸造过程被生产。用于新型风カ涡轮叶片的铸造过程包括(a)生产代表预计要生产的叶片的设计模型的阳模，(b)生产代表阳模的阴复制品的阴模，以及(c)通过将适当叶片材料铸造到阴模中来生产叶片。因而，每一歩骤必须在后一歩骤开始之前结束。在本文中，阳模也被称为公模具、阳模型和/或凸模。阴模也被称为母模具、阴模型和/或铸模。阳模，即凸摸，通常借助于铣削エ艺生产，该铣削エ艺借助于大型计算机数控 (CNC)铣削机来实现。因而，由于材料性质的原因，阳模的副框架需要具有阳模的大致几何形状。在副框架上，较软的可铣削复合材料层被铺设在较硬的可固化材料(如玻璃纤维)之间。由于阳模具有大尺寸，因此这种铣削エ艺通常持续8至10周。需要使用CNC铣削机实现多道完整铣削エ艺，以便精整副框架以及阳模的大部分最终表面。在铣削エ艺中被精整的最后ー层通常是某种形式的环氧树脂膏。由于铣削机的铣削头大小、所用材料硬度及铣刀长度的综合原因，阳模表面的ー些部分必须被手动砂磨以便精确地实现正确的几何构造。随后形成连接阳模的不同部件的凸缘的表面的区域必须在最高精度下被处理。一旦已经完成铣削、砂磨和表面精整，则阳模以单件或多件形式被运送到将铸造阴模的位置。为了适当地铸造阴摸，阳模的各个部件必须被对齐且固定到地板，这个过程对于每个阳模而言通常占用一組工人四天时间。如果阳模包括多个部件，则在对齐之后，必须通过手工来修复不同部件之间的连接并且修复相应表面，这个过程通常持续数周。通常，当在阳模上铸造阴模时，将需要大约12周才能准备好运输。一旦阴模的不同部件被置于正确位置，则需要额外四天来使得部件彼此精确对齐。
发明内容
需要以减少叶片生产所需时间的方式促进风カ涡轮叶片的生产。这种需求可以通过根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。根据本发明的第一方面，提供用于生产用于铸造风カ涡轮叶片的阴模的方法。所提供的方法包括基于阴模的三维数据直接生产阴摸，其中为了生产阴模而使用铣削机。所述方法是基于如下构思，即当直接使用铣削机，特別是计算机数控(CNC)铣削机吋，能够完全省去生产预计要被铸造的风カ涡轮叶片的阳模的耗时、复杂且大成本的过程。 这意味着在不需要事先生产相应阳模的情况下直接生产阴摸。所述阴模生产方法允许直接铣削用于铸造风カ涡轮叶片的阴模。当不产生阳模吋，能够显著减少生产新叶片所需的时间量。能够使用具有大型门架、大型轨道和/或大型机器人臂的CNC铣削机来直接铣削阴模或者阴模的至少ー个(多个)部分。当然，阴模应该由一种适当材料或不同的适当材料制成，所述材料能够使用所用的铣削机被机加工。应该提到的是，用于生产叶片的阴模可以包括不同部件。这可能是必须的，这不仅是因为风カ涡轮叶片是极大的物体，其具有例如高达58m的长度并且在转子的根部具有an 的宽度。阴模或阴模的各部件可以包括基座和闭合头。通过在铸造过程和固化过程之后打开闭合头，能够从阴模容易地取出生产的叶片。根据本发明的实施例，阴模的至少ー个内表面由铣削机形成。这可以提供如下优点，即不必要由一个エ件生产整个阴模或阴模的整个部件。可以仅在需要精确材料处理时使用产生非常平滑内表面的铣削エ艺。当然，对于阴模而言，需要在最大准确性的情况下机加工限定被铸产品(这里是风カ涡轮叶片)的外表面的内表面形状。根据本发明的又ー实施例，通过浇注エ艺来形成阴模的至少ー个内表面。因而，可以通过适当浇注材料来浇注出阴模的中间内表面。在结束所述浇注エ艺之后，浇注材料的顶表面可以代表阴模的内表面。浇注出中间表面会产生ー层浇注材料，这将提供代表阴模内表面的特別平滑的外表面。根据本发明的又ー实施例，通过喷涂エ艺来形成阴模的至少ー个内表面。通过喷涂阴模的腔室，能够在阴模的中间表面之上形成具有非常平滑顶表面的相对薄层。因而，喷涂层的外表面可以代表阴模的内表面。根据本发明的又ー实施例，阴模由如下材料制成，其在高达至少100°C的温度吋、 优选地高达至少120°C的温度时且特别是高达至少140°C的温度时是尺寸稳定的。这可以提供如下优点，即各种新的エ艺和过程可以用于生产用于铸造风力涡轮叶片的阴摸。根据本发明的又ー实施例，该材料包括(a)可浇注环氧树脂泡沫、(b)聚氨酯泡沫、 (c)玻璃泡沫、(d)高温树脂和/或(e)热塑性材料中的至少ー种。该材料，具体是可浇注环氧树脂泡沫，能够被直接铸造成块坯形状。因而，模具可以由多个不同块坯构成，所述块坯在空间上彼此设置成由风カ涡轮叶片形状所限定的方式。可以具体地通过将较大形式的挤压材料切割成适当块坯形状来制造块坯。当使用高达大于100°C的温度的高尺寸稳定性的所述材料吋，能够显著减小块坯中的张カ且随后减小整个模具中的张力。通过使用适当成形的块坯来构成模具，可以提供如下优点，即能够容易地进行上述铣削。应该提及的是，当使用所述温度稳定的材料吋，当模具能够承受大于至少100°C的温度时将可用各种不同エ艺。根据本发明的另一方面，提供用于风カ涡轮叶片的制造方法。所提供的制造方法包括(a)通过根据前述权利要求中任一项所述的方法来生产阴摸，以及(b)通过使用该阴模来铸造风カ涡轮叶片。同样地，所述风カ涡轮制造方法是基于如下构思，即当使用直接生产的阴模时，能够显著加快风カ涡轮叶片生产过程。这具体的是因为能够完全省去用于生产风カ涡轮叶片的阳模的耗时、复杂且大成本的过程。根据本发明实施例，通过使用所述阴模铸造风カ涡轮叶片包括在该阴模中铸造风 カ涡轮叶片。铸造的风カ涡轮叶片可以是预计现实中将被用于产生动カ的风カ涡轮的叶片。可替代地，铸造的风カ涡轮叶片可以是叶片原型，其能够被用于测试目的。因此，如果对应的一种或更多种测试成功的话，则原型叶片能够用作进ー步的风カ涡轮转子叶片的空间设计的模板，其中所述进ー步的风力涡轮转子叶片将在现实中被用于风カ涡轮的动カ生产。根据本发明的又ー实施例，通过使用所述阴模铸造风カ涡轮叶片包括(a)在阴模内铸造风力涡轮叶片的阳摸，(b)使用阳模来生产至少ー个其他阴模，以及(C)在所述其他阴模内铸造风カ涡轮叶片。这可以意味着使用两步铸造过程来生产最终的风カ涡轮叶片。首先，在(第一)阴模内铸造阳模，该阴模已经使用上述铣削机被直接生产。其次，在其他(第二)阴模内生产风力涡轮叶片，该其他阴模已经通过使用所述阳模以传统方式被生产。根据本发明的另ー实施例，制造方法还包括(a)在阴模内铸造原型风カ涡轮叶片以及(b)测试铸造的原型风カ涡轮叶片。因而，可以在进行阳模的上述铸造之前进行原型风カ涡轮叶片的铸造以及对铸造的原型风カ涡轮叶片的测试。优选地，仅在测试过程得到了肯定结果时进行阳模的铸造。这可以提供如下优点，即仅在对应的原型上进行的ー个(多个)测试表明预计将被生产的风カ涡轮叶片适于实用时才生产风カ涡轮叶片。根据本发明的另一方面，提供用于铸造风カ涡轮叶片的阴模。所提供的阴模包括具有一表面的材料，该表面已经基于阴模的三维数据由铣削机直接生产。所述阴模是基于如下构思，即当直接使用铣削机，具体是CNC铣削机吋，能够完全省去用于生产风カ涡轮叶片的阳模的耗时、复杂且大成本的过程。优选地，已经通过铣削机形成了阴模的至少ー个内表面。因此，阴模的内表面是相对软的表面，不过其硬至能够相应地由铣削机铣削处理。根据本发明的又ー实施例，阴模还包括(a)提供阴模的基本形状的框架，(b)在框架上形成的玻璃纤维材料，以及(c)在玻璃纤维材料上形成的合成材料。其中，已经铣削了合成材料的表面。框架可以由金属材料制成或者可以包括金属材料。框架可以为阴模提供可靠的机械支撑。玻璃纤维材料可以是玻璃纤维层，其形成在框架上或上方。玻璃纤维材料可以向整个结构提供大刚度以致风力涡轮叶片能够形成非常复杂的几何形状。此外，玻璃纤维层可以导致如下的积极事实，即阴模将能够承受更多数量的铸件。合成材料可以是相对软的材料，具体地相对玻璃纤维材料相对较软。不过，如上文已经指出的，相对软的合成材料必须具有一定硬度以允许通过铣削来处理该合成材料。根据本发明的另ー实施例，合成材料包括环氧树脂。环氧树脂材料可以是高密度和/或高温环氧树脂泡沫。环氧树脂材料可以具有在100kg/m3至1000kg/m3之间的密度。优选地，环氧树脂材料是具有在250kg/m3至600kg/m3 之间的密度的泡沫或膏。这可以提供如下优点，即这样的环氧树脂泡沫是当前可商用获得的。根据本发明的又ー实施例，合成材料包括多个环氧树脂层。具体地，形成于彼此之上的多个环氧树脂层可以提供如下优点，即它们代表了对阴模内表面的密封。这可以防止湿气进入阴模的壁或覆层中。因此，能够有效地避免阴模由于湿气导致的不期望的收缩或膨胀。根据本发明的另ー实施例，阴模还包括在合成材料之上形成的表面层。其中，表面层包括由(a)半永久性脱模剂、(b)特氟龙和(c)例如聚丙烯或任意其他热塑性材料的塑料袋材料构成的组中的至少ー种。上述表面层可以提供如下优点，即在铸造过程中，阴模和铸造的风カ涡轮叶片(原型的实际叶片)彼此分离。因此，在阴模和铸件之间不存在直接接触以致不需要制备阴模的特殊内表面。上述表面层还可以提供如下优点，即在已经完成铸造之后，能够从阴模容易地去除铸造的风カ涡轮叶片。与已知脱模剂相比，半永久性脱模剂具有如下优点，即其至少对于ー些铸件将保持在阴模内或在阴模的内表面上。因此，在必须添加新的半永久性脱模剂来代替同时已经被消耗的半永久性脱模剂之前能够制造多个铸件。在此方面，应该提及的是，在表面层的顶部上当然可以施加常用脱模剂。这种脱模剂可以进ー步导致在最终铸造过程之后，能够从阴模容易地去除铸造的风カ涡轮叶片。表面层可以例如借助于例如特氟龙的涂层喷涂和/或粉末涂覆被施加在合成材料上来代表模具表面。涂覆模具所用的喷涂材料可以在正确的温度被熔融到铸件。应该提及的是，也可以使用其他适当材料来涂覆模具。根据本发明的另一方面，框架由如下材料制成，其在高达至少100°C的温度吋、优选地高达至少120°C的温度时且特别是高达至少140°C的温度时是尺寸稳定的。根据本发明的另一方面，提供风カ涡轮叶片。已经(a)通过执行上述制造方法和/ 或(b)通过使用上述阴模，生产了所提供的风カ涡轮叶片。应该注意到，已经參考不同主题描述了本发明的实施例。具体而言，已经參考方法权利要求描述了ー些实施例，而參考产品权利要求描述了另一些实施例。不过，除非另有提示，否则本领域的技术人员将从上述和下述描述中得出，除了属于ー种主题类型的特征的任意組合之外，涉及不同主题的特征之间的任意組合，具体是方法权利要求的特征和产品权利要求的特征之间的任意組合，也被认为被本申请所公开。从之后描述的实施例示例可以显而易见到本发明的上述方面和其他方面，并且參考实施例示例解释了各方面。此后，将參考实施例的示例更加具体地描述本发明，不过本发明不限于这些示例。
图1示出了根据本发明第一实施例的阴模的截面图。图2示出了根据本发明的第二实施例的阴模的截面图。
具体实施例方式附图中的图示是示意性的。应该注意，在不同附图中，类似或相同元件具有对应附图标记仅首位不同的附图标记。图1示出了阴模100的截面图。阴模包括框架结构110，其由金属制成并且已经具有阴模100的基本形状。在框架110顶部上或在框架110之上，形成玻璃纤维层120。玻璃纤维层120包括能够承受在铸造过程期间可能产生的高温的复合材料。在玻璃纤维层120 顶部上或在玻璃纤维层120之上，形成环氧树脂泡沫130。根据这里描述的实施例，环氧树脂泡沫130是高密度的高温环氧树脂泡沫。例如，能够使用具有250kg/m3或600kg/m3密度的商售环氧树脂泡沫。在环氧树脂泡沫130上已经进行了表面精整140。根据这里描述的实施例，已经通过对环氧树脂泡沫130的精密铣削处理实现了表面精整140。应该提及的是，任选地，可以在表面精整140之下或代替表面精整140引入ー个或多个环氧树脂层。这种环氧树脂层可以为阴模提供密封。这可以防止湿气进入阴模。因而， 能够有效地避免阴模由于湿气所导致的不希望的收缩或膨胀。还应该提及的是，在表面精整上或在(代替表面精整的)环氧树脂泡沫上，可以施加半永久性脱模剂，其至少对于ー些铸件将保留在阴模内和/或在阴模的内表面上。如上文已经提到的，半永久性脱模剂可以允许在必须添加新的半永久性脱模剂来代替同时已经被消耗的半永久性脱模剂之前能够制造多个铸件。半永久性脱模剂可以例如是水基半永久性脱模剂或者是基于溶剂的半永久性脱模剂。优选地使用水基半永久性脱模剂，这是因为其是无毒的并且/或者可以在不需要特殊处理器械的情况下允许容易地处理。此外，还应该提及的是，在表面精整上或代替表面精整，可以形成特氟龙层或塑料袋材料，例如聚丙烯。根据这里描述的实施例，环氧树脂泡沫130在浇注エ艺中已经被施加到阴模100 的框架110。在这样的浇注エ艺中，环氧树脂泡沫130能够被简单地浇注遍布玻璃纤维层 120直到到达所需表面高度。可替代地，为了节省材料和铣削成本，能够制造用于环氧树脂泡沫的临时模具。被预铸造成正确高度的小型环氧树脂泡沫块坯能够被胶粘到玻璃纤维层上。之后环氧树脂泡沫被浇注到表面上并且之后被例如聚丙烯的刚硬且柔性的材料覆盖。之后，泡沫膨胀到正确高度并且能够去除阴模的柔性部分。在下文中，将提到可能用来实现阴模的平滑内表面的一些处理方法 (a)在不同涂层之间能够砂磨一个或多个喷涂的环氧树脂层。(b)能够手动碾轧且能够通过硅整平工具来分布环氧树脂层。( c )通过使用喷涂凝胶来涂覆内表面。如上所述，在这个平滑内表面的顶部上，可以施加半永久性脱模剂且随后任选地施加特氟龙层。用于实现阴模的平滑内表面的另ー方法是直接在环氧树脂泡沫的顶部上简单地使用“塑料袋”。可以通过聚丙烯或ー些其他热塑材料的连续片材来实现“塑料袋方法”，其中该连续片材被置于阴模的内表面上。在这种情况下，在阴模和铸件(即铸造的风カ涡轮叶片)之间不存在直接接触以致不需要特殊的表面处理。
在下文中，将描述(工作性描述)用于实现阴模100的可能过程
在第一歩中，框架110被制备成具有如下表面，该表面近似具有与最终阴模相同的形状减去环氧树脂泡沫130和玻璃纤维层120的预期厚度。在第二步中，玻璃纤维层120被添加到框架110的顶部上。在第三步中，环氧树脂泡沫130被浇注到玻璃纤维层120上。浇注エ艺能够持续到到达所需泡沫厚度。可替代地，能够借助于临时阳模实现浇注以便产生非常均勻的厚度。在第四步中，环氧树脂泡沫130被铣削成正确的最终形状。图2以截面图示出根据本发明第二实施例的阴模200。根据图1所示的阴模100， 阳模200也包括(金属)框架210、在框架210上形成的玻璃纤维层220和在玻璃纤维层220 上形成的环氧树脂泡沫230。与图1所示的阴模100相比，阳模200还额外地包括在环氧树脂泡沫230上形成的另ー玻璃纤维层222以及在所述另ー玻璃纤维层222上形成的另ー环氧树脂泡沫232。 在所述另ー环氧树脂泡沫232上已经进行了表面精整M0。在下文中，将描述(工作性描述)用于实现阴模200的可能过程。因此，參考阴模 200的上述给定工作性描述的第一、第二和第三歩，其同样被执行以便生产阴模200。在用于实现阴模200的这三步之后，进行第四歩，其中另ー玻璃纤维层222被添加到环氧树脂泡沫230的顶部上。这个另一玻璃纤维层222使得结构具有更大刚性以便能够处理风力涡轮叶片的更具挑战性的几何构造或形状。此外，由于提供了所述另ー玻璃纤维层222，最终阴模200将能够承受更多数量的铸件。在被执行以实现阴模200的第五步中， 添加另ー环氧树脂泡沫232。根据这里描述的实施例，另ー环氧树脂泡沫232比环氧树脂泡沫230更薄。此外，另ー环氧树脂泡沫232可以被命名为环氧树脂层。最后，在第六步中， 完成对环氧树脂泡沫232的最终铣削。因而，实现表面精整M0。根据未在附图中示出的本发明的另ー实施例，阴模包括材料的下述序列
1.呈阴模基本形状的金属框架
2.高温玻璃纤维层
3.高温环氧树脂泡沫
4.在所述环氧树脂泡沫上的被铣削表面
5.高温玻璃纤维层
6.高密度高温环氧树脂泡沫
7.用于密封所述表面的一个或多个环氧树脂层
8.半永久性脱模剂
9.任选特氟龙层
因此，材料层7、8和9可以被指定成表面精整。通过使用使得形成阳模(相应地凸摸)的传统过程变得多余的被直接铣削的阴模， 新的风カ涡轮叶片能够以传统地生产风カ涡轮叶片(的原型)所需时间的近似一半被铸造且能够被制备以便测试。在被直接铣削的阴模中铸造叶片产生更加匹配最初构造的模具几何构造。此外， 与阳模相比，能够更加精确地铣削阴模的角度，这是因为，铣削机的铣削头具有更大的余隙。这导致更少地手动精整阴模的几何构造。
在本发明的优选实施例中，使用环氧树脂泡沫作为阴模的内表面，其通过铣削机来制备。能够使用250kg/m3和600kg/m3的商售环氧树脂泡沫。由CNC机器直接铣削的环氧树脂泡沫复合阴模可以产生下述改进
(a)阴模可以是高温阴模，其能够承受传统生产的阴模所能承受温度的近似两倍。(b)通过重建包括3D数据的文件可重复地精确生产被直接生产的阴摸。(c)与用于生产阴模的传统エ艺相比，阴模的所述单步生产过程节省时间和金钱。(d)不需要阳模的特殊存储。(e)所述阴模的所有部件均抗潮湿。(f)能够仅使用少量原料将被直接生产的阴模实现为具有简化的复合层。(g)在固化过程中，具体地如果使用上述材料则在阴模中仅产生非常小的机械张力。因此，能够使用简化的框架结构。通过铣削掉环氧树脂泡沫的上表面并且浇注新的ー层环氧树脂泡沫，被磨损的阴模能够被容易地修复成准确的几何构造。与现有技术的阴模相比这是ー个巨大的改进，在现有技术中，需要通过铸造从底部开始构建新的阴模，其中在开始时必须使用阳模(相应地凸模)。应该注意到，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“ー种”并不排除多个。而且，与不同实施例相关的元件可以相结合。还应该注意到，权利要求中的附图标记不意味着限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种用于生产用于铸造风カ涡轮叶片的阴模(100、200)的方法，该方法包括基于所述阴模(100、200)的三维数据直接生产所述阴模(100、200)，其中为了生产所述阴模(100、200)而使用铣削机。
2.如前ー权利要求所述的方法，其中所述阴模(100、200)的至少ー个内表面(140、 240)由所述铣削机形成。
3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阴模(100、200)的至少ー个内表面(140、240)通过浇注エ艺和/或通过喷涂エ艺形成。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阴模(100、200)由ー种材料制成，该材料在高达至少100°C的温度时、优选地高达至少120°C的温度时且特别是高达至少140°C的温度时是尺寸稳定的。
5.如前ー权利要求所述的方法，其中所述材料包括如下中的至少ー种 -可浇注环氧树脂泡沫(130、230)，-聚氨酯泡沫， -玻璃泡沫， -高温树脂，和/或 -热塑性材料。
6.一种用于风カ涡轮叶片的制造方法，所述制造方法包括-通过根据前述权利要求中任一项所述的方法来生产阴模(100、200)，以及 -通过使用所述阴模(100、200)铸造所述风カ涡轮叶片。
7.如权利要求6所述的制造方法，其中通过使用所述阴模(100、200)铸造所述风カ涡轮叶片包括-在所述阴模(100、200)中铸造所述风カ涡轮叶片的阳摸， -使用所述阳模来生产至少一个其他阴模，以及 -在所述其他阴模中铸造所述风カ涡轮叶片。
8.如前ー权利要求所述的制造方法，还包括-在所述阴模(100、200)中铸造原型风カ涡轮叶片，以及 -测试所铸造的原型风カ涡轮叶片。
9.一种用于铸造风力涡轮叶片的阴摸，所述阴模(100、200)包括-具有一表面(140、240)的材料，该表面已经基于所述阴模(100、200)的三维数据由铣削机直接产生。
10.如前ー权利要求所述的阴摸，所述阴模还包括 -提供所述阴模的基本形状的框架(110、210)，-在所述框架上形成的玻璃纤维材料(120、220)，以及-在所述玻璃纤维材料(120、220)上形成的合成材料(130、230)，其中所述合成材料的表面(140、240)已经被铣削。
11.如前ー权利要求所述的阴摸，其中所述合成材料包括环氧树脂(130、230 )。
12.如前述权利要求10和11所述的阴摸，其中所述合成材料包括多个环氧树脂层(230、232 )。
13.如前述权利要求10和12所述的阴模，还包括-在所述合成材料(230、232)之上形成的表面层(240)，其中所述表面层(240)包括如下各项构成的组中的至少ー者 -半永久性脱模剂， -特氟龙，-塑料袋材料，例如聚丙烯或任意其他热塑性材料。
14.如前述权利要求10-13中任一项所述的阴模，其中所述框架(110、210)由ー种材料制成，该材料在高达至少100°C的温度时、优选地高达至少120°C的温度时且特别是高达至少140°C的温度时是尺寸稳定的。
15.一种风カ涡轮叶片，其中所述风カ涡轮叶片已经通过执行如前述权利要求5-8中任一项所述的制造方法以及/ 或者通过使用如前述权利要求9-14中任一项所述的阴模(100、200)而被生产。
全文摘要
描述了用于生产用于铸造风力涡轮叶片的阴模(100、200)的方法。所述方法包括基于阴模的三维数据直接生产阴模，其中为了生产阴模，使用铣削机。还描述了借助于所述阴模制造风力涡轮叶片的制造方法。此外，描述了这种阴模和使用这种阴模生产的风力涡轮叶片。
文档编号B29C31/08GK102574310SQ201080046391
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月12日 优先权日2009年10月13日
发明者H.施蒂斯达尔, J.斯特格 申请人:西门子公司