預成型件的制備方法

專利名稱：預成型件的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種制備包含至少兩層纖維束的預成型件的方法，該纖維束至少部分 地由一樹脂固定。
背景技術：
在制造大型風輪機葉片時，實際中已經開始使用具有在樹脂層中的纖維，即復合 材料，的半成品部件。這些半成品元件稱為預成型件。這些部件可以依賴于它們的結構來 提供主要在一個方向上的強度，因此可以用作風輪機葉片的加強元件。傳統上來說，已經將由在樹脂中的單層纖維構成的“環形”片材制造成紡織品。隨 后，將這些片材切割為具有所需形狀和尺寸的較小部分。將這些部分堆積和層疊以得到成 品加強元件，即預成型件。由于在將片材切割為所需形狀和尺寸的較小部分時，不可能將整個片材都用掉， 因此傳統方法會產生廢料。由于片材的造價高，傳統方法由于損耗的產品大小引起很高的 價值浪費。另外，切割造成時間的消耗和造價的增加。在傳統方法中，片材是在纖維于樹脂中浸濕后被切割的，這有時會引起樹脂粘附 于切割裝置的問題。通常，這需要特殊設計的切割工具，以用于切割濕潤且有粘性的纖維片 材。在堆積預先浸濕的片材時，在層中間可能會夾雜空氣。由于這些層是具有在樹脂 層中的纖維的半成品部件，因此去除層間的夾雜空氣是困難的。

發明內容
本發明的實施例的一個目的是提供一種改進的制備預成型件的方法。因此，本發明提供一種制備預成型件的方法，該預成型件包括至少兩個由纖維束 構成的層(纖維束層)，所述纖維束至少部分地由樹脂固定，該方法包括以下步驟-提供一工作表面；-在該工作表面上分布第一樹脂層；-在該第一樹脂層上分布由個體(單個的，單獨的，獨立的，individual)纖維束組 成的第一纖維層；-在第一纖維層上分布第二樹脂層；和-隨后在第二樹脂層上分布由個體纖維束組成的第二纖維層。該方法可用于制備半成品部件，也就是包括至少兩層纖維束的預成型件，所述纖 維束至少部分地由樹脂固定。纖維束可基本相互平行地分布，并可僅通過分布在工作表面 上及纖維束層上的樹脂相互固定。根據預成型件的最終用途，可以選用不同類型的纖維，例 如玻璃纖維、碳纖維、合成纖維、生物纖維、礦物纖維和金屬纖維。預成型件包含纖維束中的 纖維，該纖維束是由許多個體纖維構成的捆，例如由單向性纖維構成的捆。雖然纖維束是單個地(單獨地，分別地，以個體形式地)分布到工作表面上的，但可以同時分布多個纖維束。“單個地”是指纖維束為個體纖維束，這些個體纖維束僅通過纖 維束分布在其上的樹脂層以及通過施加到第一纖維層上的隨后分布的樹脂層束縛。樹脂層和由纖維束構成的層尤其可以順次施加，其含義是在工作表面上分布樹 脂，隨后在樹脂上分布纖維束。隨后，在纖維束上分布新的樹脂層，等等。可以持續這種過 程，以便在工作表面的特定部分處在第一樹脂層上分布第一纖維束層，同時將第一樹脂層 分布到工作表面的另外部分上，等等。每個纖維束可以包括以已知方式例如用制繩方法等扭絞的纖維。纖維束可以僅包 含纖維，或者可以包含纖維以及用于粘接(捆綁)纖維的粘接劑(捆綁帶)。該粘接劑可以 包括樹脂，例如與構成預成型件的每隔一層的樹脂相似的樹脂。形成纖維束中纖維的粘接 劑的樹脂可以是未聚合的、部分聚合的或者完全聚合的(固化的，consolidated)。該預成型件可以由同一類型的纖維束制備。或者，一層纖維束可由例如碳纖維束 制備，而另一層由例如玻璃纖維制備。樹脂可以是一種有機聚合物液體樹脂，該液體樹脂當轉變為其最終使用形態時聚 合并變為固體。例如，樹脂可以為環氧基樹脂或者聚酯基樹脂，當然也可以應用其它種類的 樹脂。另外，可以使用一種或多種不同種類的樹脂來制備預成型件。如果使用不同種類的 樹脂，最好使用同族的樹脂以確保它們之間的相容性。工作表面可以是在其上制備預成型件的工作臺。或者，工作表面可以是在其上制 備預成型件的襯層(墊層)或載體層。在后一種情況下，該方法還可包含提供工作臺的步 驟。特別地，工作表面可以是板材坯料的表面，該表面可以在樹脂已經聚合之后從該樹脂釋 放。作為示例，板材可以是紙板，該紙板涂覆有不粘涂層，例如蠟等。根據預成型件的用途，該預成型件可以含有任意數量的纖維束層和樹脂層。因此 該方法可包括提供更多樹脂層和/或纖維束層直至層的數量使得該預成型件適合具體目 的的步驟。由于在分布這些層的過程中，空氣可能被截留于樹脂層和纖維束層之間，該方法 還可包括將所有層封裝入封裝罩內的步驟，以及從封裝罩內去除空氣的步驟，因為所截留 的空氣可能降低預成型件成品的強度，因此是不被希望的。可通過利用蓋子覆蓋工作臺來封裝所述層，這樣至少工作臺的一部分形成所述層 的封裝罩的一部分。空氣可以通過蓋子上的開口去除。在一個實施方式中，蓋子可以包含三個不同的層。首先，預成型件可以由穿孔的分 離薄片覆蓋。該分離薄片可以由塑料或其它具有類似性能的材料制成，以限制甚至避免樹 脂粘附于分離薄片上。所述孔可通過刺穿薄片的小針形成，例如在每Icm2上形成所需數量 的孔。其次，可設置分布層以覆蓋打孔的分離薄片。當封裝罩與用以去除截留于預成型 件的層之間的空氣的排氣機相連時，該分布層有利于抽真空以使封罩中的壓力變得更均 勻。作為示例，該分布層可以由聚酯氈制成。最后，該分布層可由真空薄片覆蓋以確保所述蓋子基本氣密。作為示例，該真空薄 片可以由塑料薄片制得。接下來，為了去除空氣，可將預成型件加熱以使樹脂至少部分固化。當加熱這些層 時，可將工作臺移動到加熱器上，從而在所述層仍置于工作臺上時將所述層加熱。或者，可將預成型件移至另一個預成型件在其上被加熱的表面。為了利于去除截留的空氣，可將至少一個樹脂層分布成不連續的層，因為確保從 連續的樹脂層中去除截留的空氣可能是困難的。不連續的層應理解為未完全覆蓋纖維束的層，也就是不封閉的層。作為一個例子， 可以通過之字形圖案(樣式)、直線、正方形圖案或者其它使得至少一部分纖維束不被樹脂 覆蓋的圖案來形成不連續的層。該圖案也可為使得纖維束露在樹脂外面的任意圖案。還應該理解，在形成不連續層時，樹脂可以是連續分布的，例如經由噴霧嘴施加樹 脂，該噴霧嘴以一定的圖案移動以便形成上述直線等圖案。樹脂可能含有與分布樹脂的人的皮膚接觸時對其皮膚刺激或有害的成分。從而希 望避免與樹脂直接接觸。因此，分布樹脂的步驟最好通過使用噴嘴裝置自動或部分自動地 實施，該噴嘴裝置可用于樹脂的不連續分布。可以順次地(依次地，連續地)提供至少一個由纖維束組成的層和一個樹脂層，因 此允許在分布一個纖維束層之前分布一個樹脂層，反之亦然。因此順次地是指在工作表面 上或在纖維層上直接噴射、滾軋或以其它方式涂布樹脂。在一個具體實施方式
中，可以依次制備所有的層，而另一個替代實施方式可包括 順次提供的層和其它同時提供的層。后者允許例如在預成型件中制備一個或多個預浸體 層，或者例如在分布過程中向工作表面上分布被樹脂預浸濕或被樹脂浸濕的纖維束。應該理解，可以同時分布若干纖維束。這可以允許制備不同寬度的預成型件。另 外，可以制備不同長度和形狀的預成型件。因此，該方法還可包括單個地切割纖維束的步 驟，以便能夠制造包括不同長度纖維束的預成型件。為得到不同形狀的預成型件，在分布纖維束的過程中，可以切割一個或更多的纖 維束，而剩余的纖維束部分仍被分布。在利用織物纖維和樹脂的片材制備合成材料的常規方式中，可通常將該織物片材 切割成與最終產品的形狀相配的形狀。在這種情況下，垂直于切割直線延伸的每個纖維都 以平行于這種片材的邊緣的角度終止。根據本發明，纖維束可以是單個地纖維束，因此可將它們單個地切割并切割成單 個的長度。因此，預成型件的最終長度可由纖維束的長度確定。由于纖維束可被基本彼此平行地分布，每個纖維束都可沿基本筆直的線排列，并 且它們都可以以與該筆直的線成固定角度的切口終止。每個纖維束都可以以基本筆直的切 割被終止(切斷)，從而形成與該直線成80-100度的切割角。這有利于以相對于工作表面 固定的角度設置切割裝置，這樣也可使切割工具更簡單，因為它減少了切割工具中可移動 元件的數量。為了確保纖維束保持在工作臺上它們被分布的位置上，以及由此減少所制備的預 成型件的形狀的偏差，可以有利地在分布纖維束層之前分布一個樹脂層，因為樹脂可以部 分固定纖維束并防止各纖維束相對于其它纖維束移動。為能夠移動成品預成型件，可以在 由片材坯料形成的載體層上設置第一樹脂層，該片材坯料例如包括紙或包括纖維材料，該 纖維材料例如具有編織或非編織的纖維，例如碳纖維或玻璃纖維。當例如在風輪機葉片的制備中應用預成型件時，可以將載體層去除。但是，在一些 應用中，載體層可以形成為預成型件的一部分，并且因此可保留在最終產品中。為此，載體層可以例如包括氈片或編織的纖維材料，例如碳或玻璃纖維。可通過例如蠟或硅樹脂處理所述紙，以有利于載體層的去除，因為對于一些應用 來說，如果載體層粘附于成品預成型件上，會降低預成型件的強度。預成型件的制備可以完全或者部分地自動化，因此可以使用由操縱器例如自動機 械操作的工具來分布至少一層樹脂或纖維束。作為一個例子，制備預成型件的方法可由以下設備實施，該設備包括-工作表面；-纖維束分布裝置，其包括許多分布通道，每個分布通道用于接收和傳遞纖維束， 這些通道布置成為所傳遞的纖維束間提供分布距離；_纖維束保持裝置，其用于保持多個纖維束；以及-操縱裝置，其用于與纖維束保持裝置相對地移動纖維束分布裝置；其中，該設備布置成可將纖維束的自由端從纖維束分布裝置傳遞到纖維束保持裝 置，而且纖維束保持裝置用于在分布距離上保持自由端，這樣纖維束分布裝置和纖維束保 持裝置之間的相互遠離的移動使纖維束通過分布通道被拉伸，而且將纖維束分布于工作表 面上。一種制備預成型件的設備還可包括切割裝置，該切割裝置用于單個地切割纖維 束。這種設備還可包括用于接收與預成型件的期望形狀相關的信息的裝置，該切割裝置可 用于根據該信息單個地切割纖維束。在一種實施方式中，可以利用接合的工具，也就是通過將用于分布樹脂的工具與 用于分布纖維束的工具連接，來分布樹脂層和纖維束層，因為樹脂和纖維束可以基本覆蓋 相同的區域。這可以允許包括這些工具的相應設備的簡化布置。通過連接這些工具，用于 分布樹脂的工具的移動可以不需要單獨控制的移動模式或者甚至單獨的操縱器。另外，可 以允許在一個工作過程中分布纖維束和樹脂。將工具連接(接合)意味著工具可以是兩個彼此相連以便能一起移動的單獨的工 具。或者，所述工具可通過它們的控制系統相連，該控制系統確保它們不用彼此相連就可以
一起移動。可通過噴射(噴灑)來分布至少一個樹脂層。作為例子，樹脂可以在壓力下通過 噴嘴裝置進行分布。該噴嘴裝置可包括基本為矩形的噴嘴開口，當移動噴嘴裝置且在噴嘴 裝置的移動過程中開合噴嘴開口時，允許樹脂被線性分布。或者，如果例如通過穿孔的薄膜 或者含有小開口的格柵進行分布，樹脂可以不用開閉噴嘴裝置而被非連續地分布。另外一種替代方案是通過使用小的噴嘴開口在非連續層內連續地分布樹脂，該小 噴嘴開口可移動地附于噴嘴裝置上。通過在相對于工作表面移動噴嘴裝置的同時將噴嘴開 口例如從一側移動到另一側，可將樹脂以非連續層分布形成之字形。可通過噴嘴裝置和工 作表面中的至少一個來使它們相對移動。如果通過噴射分布樹脂，則可例如通過將用于噴射的工具與用于分布纖維束的工 具相連來同時制備至少一個纖維束層和一個樹脂層。這允許在分布纖維束同時進行樹脂分 布，例如通過在分布的同時噴射纖維束，或者通過在分布所述纖維束的同時噴射工作表面 或者先前的纖維束層。在室溫下，樹脂可以為半固化狀態。為了使樹脂能被分布到工作表面上或分布到由纖維束構成的層上，可有利地將樹脂加熱到粘性降低或樹脂變得足以例如通過噴射分布 的“液態”的溫度。作為一個示例，可將樹脂加熱到50-60°C的溫度。當在溫度接近室溫的環境下進行分布時，樹脂粘性可以當溫度接近該室溫而增 加。樹脂可例如變為半固態。這種部分地固化可以防止纖維束在去除層間的截留空氣之前完全不被浸濕。如果 浸濕了纖維束，樹脂則可能從不連續的層轉變為基本連續的層，這會阻礙空氣的去除。由于可在去除截留空氣后對預成型件進行加熱，所以樹脂可足夠薄以允許樹脂與 纖維束中包含的單個纖維接觸以浸濕纖維束。在加熱預成型件的過程中，溫度可升至第一 固化溫度以上，從而允許進行第一固化過程。隨后，預成型件可以重新冷卻以獲得半固化的預成型件。預成型件可以在這種半 成品狀態下保存，直到進行應用，例如用做諸如葉片的風輪機部件。當制備成品部件時，可 將該部件以及由此該半固化的預成型件加熱至高于第二固化溫度的溫度，以允許第二固化 過程的發生，從而完成預成型件的固化。


下面將參照附圖進一步說明本發明的實施例，在附圖中圖1示出預成型件；圖2示出制備預成型件的設備；圖3示出準備分布纖維束的制備預成型件的設備；圖4示出在分布纖維束過程中的制備預成型件的設備。
具體實施例方式圖1示出一預成型件2，該預成型件在本實施方式中包括兩層至少部分地由樹脂 固定的纖維束6。每層纖維束6部分地固定在樹脂層11中。圖2、3和4示出用于通過權利要求所述的方法制備預成型件2的設備1的實施例。圖2示出用于制備預成型件2 (僅示出其最上層)的設備1。該設備1包含工作表 面3、纖維束分布裝置4、用于保持多個纖維束6的纖維束保持裝置5和一操縱裝置7，該操 縱裝置用于使纖維束分布裝置4相對于纖維束保持裝置5移動。操縱裝置的第一部分7a用于移動纖維束分布裝置4，而操縱裝置的第二部分7b用 于移動纖維束保持裝置5。操縱裝置的第三部分(未示出)用于移動工作表面3。纖維束分布裝置4包含多個分布通道8(為了說明的目的只示出了一部分)。每 個分布通道8用于接收和傳遞一個纖維束6，所述分布通道8布置成提供所傳遞的纖維束6 之間的分布距離。設備1布置成可將纖維束6的自由端從纖維束分布裝置4傳遞到纖維束保持裝置 5。纖維束保持裝置5用于保持該自由端，以使纖維束分布裝置4和纖維束保持裝置5之間 的相互遠離的移動能將纖維束6拉伸，并將該纖維束分布在工作表面3上。在所示實施例中，工作表面3是在其上制備預成型件2的工作臺。纖維束分布裝置4用于接收和傳遞多個纖維束6。在所示實施例中，纖維束6是盤 繞的，并且盤繞卷9被置于分布裝置4上方，從而將纖維束6向纖維分布裝置4傳遞，以展開盤繞卷9。由于每個分布通道8均可以接收纖維束6，所以相對每個分布通道8都存在一 個盤繞卷9。為了說明的目的僅在圖1中示出一個盤繞卷9。為能分別地保持各纖維束6的自由端，纖維束保持裝置5包括一個保持開口 10，該 保持開口與纖維束分布裝置4的每個分布通道8相對應(見圖3和4)。但是，不是所有的 保持開口 10和分布通道8都需要持續使用。根據待制備的預成型件2的大小和形狀，可使 用不同數目的保持開口 10和分布通道8。圖3示出用于制備預成型件2的設備1，該設備1準備好分布纖維束6。設備1設 置成保持開口 10和分布通道8能夠對齊以形成用于纖維束6的多個連續的通道。在所示 實施例中，這通過朝向分布裝置4移動保持裝置5并由此使它們相互關聯而實現。保持開口 10設置為具有相互保持距離，該相互保持距離對應于與分布通道8的相 互距離。這使得纖維束6能被通過分布通道8基本平行地抽出。另外，這有利于纖維束6 基本上平行地分布于工作表面3之上。為將自由端保持在保持開口 10內，纖維束保持裝置5還包括一用于將自由端鎖止 在保持開口 10內的保持鎖12。該保持鎖12能鎖止所有自由端，并且能鎖止纖維束6的選 定數量的自由端。為了限制將纖維束6分布于工作臺3上時的不精確，以及進一步利于將纖維束6 由分布通道8抽出，設備1包括纖維束桿13，該纖維束桿用于在分布纖維束6的過程中朝工 作表面3向下按壓每個纖維束6的至少一部分。如圖所示，纖維束桿13在保持裝置5的上 方升起以位于備用位置。當開始分布纖維束6時，將纖維束桿13降低，以便朝向工作表面 3上的樹脂層11 (圖3中未示出)按壓纖維束6。圖4中示出纖維束桿13處于起作用的位 置。另外，設備1包括噴嘴裝置14，該噴嘴裝置用于將樹脂分布于工作表面3上。在所 示實施例中，噴嘴裝置14用于將樹脂分布于一個非連續層中，以有利于從預成型件2中排 出空氣。噴嘴裝置14包括一小的噴嘴開口，在相對于工作表面3的長度方向移動噴嘴裝置 14以及同時相對于工作表面3的寬度方向將噴嘴開口從一側移動到另一側時，該噴嘴開口 允許將樹脂成直線分布。所分布的樹脂的量由噴嘴泵15控制。噴嘴裝置14和工作表面3 的相對移動通過利用第三操縱裝置移動工作表面3實現，或者通過利用第一操縱裝置7a移 動噴嘴裝置14實現，因為噴嘴裝置14可以與纖維束分布裝置4 一起被移動。由于設備1用于制備不同形狀、不同尺寸和不同厚度的預成型件2，所以該設備1 包括用于單獨切割纖維束6的切割裝置16。如圖1所示，纖維束6的一個層可形成基本為梯形的形狀。為形成基本為梯形形 狀的預成型件2，有利的是能使用不同長度的纖維束6，以及由此能分別切割纖維束6，以便 將纖維束6沿長度方向終止在不同的位置。如圖3中的箭頭17所示，這樣切割纖維束6 降低切割裝置16以便分別切割每個 纖維束6。在切割纖維束6之后，使切割裝置16上升且相對于分布方向垂直移動，以準備切 割另一個纖維束6。因此，可在分布過程中切割一個或者多個纖維束6，同時纖維束6的剩 余部分仍被分布于工作表面3上。圖4示出在分布纖維束6的過程中的制備預成型件2的設備1。如圖所示，通過將纖維束保持裝置5移動遠離纖維束分布裝置4，同時使用纖維束桿13朝工作表面3按壓纖 維束6來分布纖維束6。
權利要求
一種制備預成型件的方法，該預成型件包括至少兩層由樹脂至少部分地固定的纖維束，該方法包括以下步驟 提供工作表面； 在該工作表面上分布第一樹脂層； 在該第一樹脂層上分布由個體纖維束組成的第一纖維層； 在第一纖維層上分布第二樹脂層；以及 在第二樹脂層上分布由個體纖維束組成的第二纖維層。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，還包括提供更多樹脂層和/或纖維束層的步驟。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，還包括如下步驟 -將所有的層封裝入一封裝罩中；以及-除去該封裝罩內的空氣。
4.根據權利要求1-3中任一項的方法，其特征在于，將至少一個樹脂層分布成不連續的層。
5.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，在分布樹脂之前將該樹脂加熱。
6.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，順次提供至少一個由纖維束組成的 層和一個樹脂層。
7.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，第一樹脂層設置在由板材坯形成的 載體層上。
8.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，使用由自動操縱器操作的工具來分 布至少一個樹脂層或由纖維束組成的層。
9.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，使用接合的工具來分布樹脂層和由 纖維束組成的層。
10.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，通過噴射分布至少一個樹脂層。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于，同時提供至少一個由纖維束組成的層和一 個樹脂層。
12.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，所有由纖維束組成的層包括相同的 纖維束。
13.根據前述任一項權利要求的方法，其特征在于，基本沿直線布置每個纖維束，以及 以基本的筆直切割來中斷每個纖維束，從而形成與該直線成80-100度的切割角。
14.根據權利要求13的方法，其特征在于，預成型件設有一個沿直線延伸的邊緣，以及 至少一個纖維束在該邊緣處以與該直線不平行的角度中斷。
15.一種風輪機葉片，包括利用根據權利要求1-14中任一項所述的方法制備的預成型件。
全文摘要
本發明提供了一種制備預成型件的方法，該預成型件包括至少兩個由纖維束(6)組成的層，這些層至少部分地由樹脂(11)固定。該方法包括提供工作表面(3)的步驟和交替分布樹脂層(11)與由纖維束(6)組成的層的步驟。
文檔編號B29C70/30GK101918201SQ200880125113
公開日2010年12月15日 申請日期2008年12月18日 優先權日2007年12月19日
發明者A·貝奇 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司