用于在包括纖維材料的板材上提供錐形邊緣的方法以及設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于在包括纖維材料的板材上提供錐形邊緣的方法以及設備。錐形纖 維材料可以用來制造風力渦輪機葉片。
【背景技術】
[0002] 本發明涉及用于對復合結構(諸如風力渦輪機葉片)中使用的層或者板層進行倒 棱的技術,層或者板層在本文中通稱為板材。
[0003] 復合結構典型地包括一個或多個板材,在本文中還稱為板層,每個板層為纖維加 強板材,可以包括熱塑性或者熱固性樹脂基體。在制造復合結構期間,例如在層疊或者噴射 模塑過程期間,纖維可以由基體預浸漬為"預浸體",或者基體可以浸漬到纖維板材中。可替 換地,纖維加強板材可以通過樹脂箔僅在一側被預浸漬,即"半浸漬"。作為進一步的替換, 纖維材料能夠例如諸如在VARTM(真空輔助樹脂傳遞模塑)中通過真空輔助傳遞至干纖維 材料疊層而嵌有層壓結構的基體樹脂。通常使用的樹脂是熱固性樹脂,其黏度當加熱時降 低,稍后當繼續加熱以凝固時黏度升高以變成固態。
[0004] 板層通常以層式或層壓式布置彼此上下疊置。單板層式復合結構也是可以的,其 中多個單厚度的板層在它們的邊緣處重疊。板層能夠由泡沫芯體支撐以限定該芯體上或圍 繞該芯體的表皮,例如以提供夾層結構。
[0005] 在風力渦輪機葉片中,該結構在從葉片根部到葉片末端的葉展方向上以及在翼弦 (chordwise)方向上都通常是錐形的。為此,一些板層可以在該結構的端部的內側終止或者 "降低",留下其他連續板層進一步朝向該端部延伸。但是,這種板層降低會引起層壓結構的 弱化,從而引起損壞,諸如分層或者破裂。邊緣倒棱有助于強化負荷路徑以及最大化板層之 間的界面的表面積。這允許使用更厚的板層,這樣利于層疊處理,因為在層壓結構中于是需 要較少的層來實現所需總體厚度。
[0006] 復合結構中所使用的板層難以有效、精確及可重復地尤其以淺錐度進行倒棱,而 為了最大化邊緣界面的表面積,淺錐度是期望的。板層是柔性的并且是可壓縮的,因而在倒 棱處理所施加的力下趨于不可預測地移動。而且,板層會因倒棱處理生成的熱而劣化。這 在預浸體的情況下尤其是個問題,如果通過熱使基體凝固或者以其他方式轉化熱的話。例 如,倒棱期間生成的熱會引起熱塑性基體軟化或熔化并堵塞倒棱工具。如果基體軟化或熔 化,那么倒棱工具還可能不可預測地拖動該板層,有可能使得板層扭曲,因而無法確定切削 的準確度。
[0007] 板層錐化工具的一些例子公開于EP1786617。這些包括類似于剃刀的指狀銑刀,但 指狀銑刀不適合于切削纖維嵌入基體的預浸體,因為纖維在預浸體板層中的封閉集成防止 了指狀銑刀在纖維之間貫穿。而且,在干纖維構成的板材中,纖維例如通過縫合而被保持于 一起并且定向成各種角度,阻止了指狀銑刀在纖維之間貫穿。EP1786617還公開了具有傾斜 面的面銑刀,其繞與包含錐形邊緣的平面正交的軸線轉動。當如EP1786617中所示那樣構 造時,面銑刀施加熱量至預浸體板層會劣化板層并熔化其基體;使用砂帶磨光機等的其他 研磨技術也存在這個問題。而且,在干纖維板層中,當如EP1786617中所示那樣構造時,面 銑刀向板層施加平行于錐形邊緣的側力,這趨向使板層以及其中的各纖維扭曲,因而無法 確定切削的精度。
[0008] W02012013193公開了這樣的技術,其中預浸體板層被夾在冷凍鋼塊之間,砂輪布 置成平移過板層的自由邊緣以從該邊緣移除材料從而產生倒棱,供給冷凍劑的噴嘴布置成 與砂輪協作地移動。雖然這是一個有效的技術,但是仍存在改進的空間,尤其是利于例如風 力渦輪機葉片的大規模制造。因此,需要一種用于對纖維材料板材的邊緣以可控方式及以 適于高數量葉片制造的穩定的質量進行倒棱的處理。
【發明內容】
[0009] 本發明的一個目的是提供一種用于對纖維材料板材的邊緣以可控方式及以適于 例如風力渦輪機葉片的大規模制造的一致質量進行倒棱的技術。本發明的另一目的是利于 降低會導致風力渦輪機葉片中的層壓結構弱化的板層降低的風險。
[0010] 這些目的通過根據權利要求1所述的在包括纖維材料的板材上提供錐形邊緣的 方法來實現。所述方法包括移動所述板材同時實施以下步驟:
[0011]-將所述板材移動經過冷凍裝置,所述板材至少在所述板材的第一邊緣處設置有 嵌有所述纖維材料的物質,所述物質在室溫下尤其在20攝氏度下處于非固態,
[0012] -使用所述冷凍裝置冷卻所述第一邊緣,使得所述第一邊緣處的所述物質變成固 態,
[0013] -在使用所述冷凍裝置將所述物質冷卻為固態的同時將所述板材移動經過機加工 裝置,以及
[0014] -在將所述板材移動經過機加工裝置的步驟期間,用所述機加工裝置機加工所述 第一邊緣以提供第一錐形邊緣。
[0015] 所述纖維材料可以是適合于風力渦輪機葉片的任何類型,諸如機織的或者分層的 三軸、雙軸,無方向型的等。而且,所述纖維可以是任何類型,例如玻璃、碳等。嵌有纖維材 料的物質指的是,該物質浸漬該纖維材料。
[0016] 本發明提供的是,保持該物質在用機加工裝置機加工時是固態的,使得第一邊緣 的一部分能夠被機加工以創建錐面,而不存在該物質污染機加工裝置的任何部分的風險。 該板材可以包括預浸材料,其中該物質是基體樹脂。由于預浸材料的正常粘性,機加工時尤 其難以讓工具不被樹脂材料所覆蓋。而根據本發明,當樹脂保持固態時可以避免該情況。而 且,機加工趨向于因摩擦和剪切力而產生熱量,但本發明將抑制該現象。因而,當該物質是 樹脂時,第一邊緣能夠被錐化,而不存在機加工期間樹脂被破壞或者開始凝固的風險。
[0017] 如以下示例出的,該物質還可包括水,或者該物質是水,例如軟化水,當錐化干纖 維板層時使用,其中暫時提供所述水以在機加工期間穩定纖維,例如水將作為載體以利于 磨削干纖維,因為當被機加工時水保持冷凍。這使得可以制造出精確的錐面。當然,該物 質應該在所述物質通過冷凍裝置之前被提供至板材。浸漬能夠在冷卻裝置上游的浸漬站進 行,優選地,水浸漬僅在板材的邊緣進行,沿著該邊緣來執行錐化加工。可替換地,其中,板 材設置為卷中的卷板,在卷板仍在卷上的同時可例如通過將整個卷浸入水中或者將水澆在 卷上來提供水。
[0018] 優選地,在板材移動經過冷凍裝置時同時執行對第一邊緣的冷卻。板材優選布置 成沿水平是平坦的,當板材經過冷凍裝置以及機加工裝置時,第一邊緣平行于板材移動方 向。因為在所述方法步驟期間板材是移動的,所以冷凍裝置和機加工裝置可以是靜止的。 這又允許大規模制造,因為可以進行非常長板材的處理。例如,板材可以是設置為材料卷的 卷板,當執行將板材移動經過冷凍裝置和機加工裝置的這些步驟時,板材能夠被滾下該卷。 然后板材能夠連續移動而離開該卷,并且經過冷凍裝置和機加工裝置。當然這意味著,在該 處理期間的任何給定時刻,在第一邊緣的尚未達到冷凍裝置的一部分中該物質將是非固態 的,而在第一邊緣的被機加工裝置進行機加工的部分中該物質將是固態的。清楚的是:在該 物質經過機加工裝置時使用冷凍裝置將物質冷卻為固態的。
[0019] 物質在室溫下尤其20攝氏度下是非固態的,這意味著其高于其玻璃化轉變溫度 (Tg);然后該物質例如呈流體或者半流體狀態。當冷卻時該物質變成固態,此時意味著其 低于其玻璃化轉變溫度。更通常的是,該物質在高于物質的玻璃化轉變溫度的第一溫度下 (尤其室溫)具有第一黏性,在低于物質的玻璃化轉變溫度的第二溫度下具有第二黏性。尤 其是,第一黏性對應于物質的固態,第二黏性對應于物質的非固態。
[0020] 對于物質是環氧基樹脂的情形,未凝固的環氧基樹脂的玻璃化轉變溫度取決于所 使用的樹脂類型而稍微有所變化。在板材的錐化(倒棱)期間將樹脂溫度維持低于其未凝 固玻璃化轉變溫度,這可確保在倒棱處理期間樹脂保持堅硬。未凝固的樹脂的玻璃化轉變 溫度在本領域中還可以稱為'冷T g'或者'未凝固Tg'并且是樹脂的固有屬性,將因材料而 變化。簡單的說,冷/未凝固1;是基體在環境溫度下反應的玻璃化轉變溫度,因此呈現相 對低的交聯度。對于環氧基樹脂來說,典型的未凝固1;值能夠在-15°c以及+5°C之間。對 于預浸的半固態雙酚A型環氧基樹脂來說,冷/未凝固T g通常是-2°C左右。Hexcel復合 材料公司銷售的HexPly? M9. 6G的樹脂具有的未凝固1;為+2°C。隨著基體老化,將產生一 些額外的交聯,引起冷Tg隨著時間而稍微增加。比較來說,當基體在高溫下被凝固時,其將 呈現相對高的交聯度,從而導致凝固的基體具有很高的T g,通常大大超過KKTC。
[0021] 優選地,該方法包括加熱機加工裝置的磨削表面,使得磨削表面在機加工的步驟 期間處于高于室溫的溫度。在物質是環氧樹脂而使得板材形成預浸板層的情況下,加熱機 加工裝置將防止環氧基樹脂污染機加工裝置。環氧樹脂是一種熱固性聚合物,能夠是例如 雙酚A型環氧基樹脂或者雙酚F型環氧樹脂。避免污染的原因在于,環氧基樹脂將因加熱 而獲得低黏性,在該狀態下,環氧基樹脂將不能夠在機加工裝置的磨削表面上積聚任何顯 著大量的沉積。相反,磨削表面將保持濕潤以及沒有沉積。如以下更詳細描述的,能夠使用 感應熱來加熱磨削表面。
[0022] 當物質是環氧樹脂的情況下,加熱磨削表面的步驟可包括加熱磨削表面,使得其 在機加工的步驟期間處于高于30攝氏度的溫度,優選高于40攝氏度,更優選地高于50攝 氏度,以及還更優選地至少為60度。從而,磨削表面以及因而樹脂能夠被加熱,使得其在機 加工的步驟期間處于環氧基樹脂為半固態的溫度間隔以上的溫度。當物質是環氧基樹脂 的情況下