用于制造復合構件的方法、復合構件和風能設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種根據權利要求1的前序部分所述的用于制造風能設備的復合構件 的方法,所述復合構件具有多個至少兩部件式的復合成型件,其中第一部件由成型的忍材 料形成并且第二部件形成為接合層的一部分。本發明也設及一種根據權利要求9的前序部 分所述的相應的復合構件。本發明尤其設及一種夾層構件、一種轉子葉片元件和一種具有 運種復合構件的風能設備。
【背景技術】
[0002] 復合成型件是由兩種或更多種彼此連接的材料構成的成型件,所述成型件作為具 有固定的幾何尺寸的本體來制造。在復合件中出現的材料通常具有功能特性、尤其受制于 其使用領域。對于所獲得的材料的特性而言,各個部件的材料特性并且可能還有幾何特性 有重要意義。運實現:使不同部件的特性彼此結合,由此復合材料得到廣泛的應用可能性。 對于最終產品所需要的特性可W根據需求通過選擇用于部件的不同的原材料來設置。
[0003] 復合構件通常具有如下特性,所述特性在負荷作用下顯示出復合成型件的優化的 性能。所述特性可W在例如一定硬度、剛度或者可延展性方面進行分配。復合成型件在負荷 作用下應相對于復合件的單部件顯示出復合件的優化的性能。負荷成型件的發展基本上如 下:所要求的特性與使用壽命結合地進行優化,W便承受住長年的負荷。尤其,在風能設備 的轉子葉片和其它部件中,被施加高且強地改變的負荷作用,所述負荷作用此外隨著風能 設備的部件的尺寸增加而同樣增加。尤其是,轉子葉片要承受住靜態負荷而且要承受住出 現的動態負荷。
[0004] 復合構件能夠W不同的方式和方法制造。因此,風能設備的轉子葉片現今主要由 纖維復合材料制成,在所述纖維復合材料中,通常作為墊的增強型纖維嵌入在通常為玻璃 纖維增強型塑料的基質中。轉子葉片通常W半殼夾層構造方式制造。例如越來越多地使用 碳纖維增強型塑料。在此所要求的特性一方面是在結構強度相對高的情況下小的重量,W 及不同的硬度等級和針對負荷作用的抗拉強度。玻璃纖維增強型或碳纖維增強型材料在任 何情況下都能夠基本上并且在上述視點下關于其優化的硬度取代迄今為止對輕木的使用。 [000引復合構件的典型使用是將其W夾層構造方式集成,在此,嵌入多個具有不同特性 的層,W便獲得相應設置的構件。在結構上一方面各個部件的材料而且取向或定向都有重 要意義。忍材料可W由例如為紙、紙板、塑料、金屬、輕木、波紋板、塑料、泡沫的材料和其它 成型部件構成,通常結合有結構上的空腔。忍材料的目的是,傳遞牽引力W及剪切力并且支 持覆蓋層。
[0006]纖維增強的部件或者復合構件具有分布在層壓材料中的纖維,其中所述纖維沿著 至少一個特定的方向取向,W便實現纖維復合材料的高品質的特性。基本上在任何情況下 都可W區分材料中的=個起作用的相:非常抗拉的纖維、首先在任何情況下都相對軟的嵌 入式的基質和將運兩個部件連接的邊界層。纖維通常可W由玻璃、碳、陶瓷W及也可W由芳 族聚酷胺、尼龍纖維、混凝上纖維、天然纖維或者鋼纖維構成。嵌入式的基質本身通常即聚 合物具有材料特定的彎曲剛度,將纖維保持在其位置中,在其之間傳遞應力并且保護纖維 免受外部的機械和化學影響。邊界層用于運兩個部件之間的應力傳遞。在纖維增強的復合 構件中有問題的是,在構件的承受負荷的區域中可能形成相應的纖維的裂紋;運種裂紋形 成可能首先由于因動態機械負荷提高而引起的彎曲力矩而產生。
[0007] 然而,在層壓或者基質材料中具有相應特定數量的纖維的纖維增強型部件或者復 合構件顯著改進相應部件的機械性能。對于材料特定的特征變量如剪切剛度和彎曲剛度W 及纖維沿著所限定的方向的集中而言,可W具體地有針對性地設置相應部件的機械支撐特 性、尤其是關于相應的復合件的抗拉強度。用于測量纖維復合材料的一個因數是纖維和基 質之間的體積比。纖維的份額越高,復合材料就越牢固,然而也越脆。除了抗拉強度外,如果 復合件承受壓力,那么剪切剛度和彎曲剛度也可起重要作用。尤其,此外基本上已知的是, 通過具有忍和一個或兩個覆蓋層(遵循T載體的原理)的所謂的夾層狀的復合件構造,可W 借助于適度抗剪切的忍和至少一個相對抗彎曲的覆蓋層實現復合件的高機械剛度,其中復 合件仍然可WW輕質構造方式實現。
[0008] 已知的是,發泡的熱塑性塑料可W作為夾層復合件或者復合構件中的忍層來使 用。發泡的塑料板的制造例如可W借助于擠出法進行。對于高要求的應用而言,需要夾層復 合件,其中熱塑性塑料設有纖維,所述纖維具有高度的強度和剛度、尤其對于壓力和剪切負 荷的剪切剛度和彎曲剛度。材料特征值的提高可W通過將層復合件加和線性地進行。然而, 復合構件的過高的質量會引起各個構件的高比重。因此,除了材料選擇外也期望提出結構 上的措施,借助于所述措施能夠相應地調整和/或改建復合構件的特性需求。
[0009] EP 2 307 193公開了一種面狀的結構元件,其中泡沫體通過并排設置成一個平面 的并且彼此連接為泡沫體的體區段構成,所述體區段在其對接的面上具有扁平的焊縫并且 在此焊縫由彼此間隔的凹槽中斷。在此,面狀的結構元件尤其是板狀的并且優選用作為忍 或者夾層復合件中的忍層,例如風力發電站的轉子葉片中的忍層。
[0010] 在EP 1 308 265中公開了一種呈細長的構造方式的構件,所述構件的特征在于, 分層的、彼此平行的板由纖維塑料復合件構成。所期望的是一種改進的復合構件,該復合構 件適合于使用在風能設備中。
[0011] 德國專利和商標局在優先權申請中檢索了下述現有技術:DE 1 504 768 A,DE 603 03 348 T2,EP 2 307 193 BI,EP 1 308 265 Al。
【發明內容】
[0012] 本發明的目的是,提出關于現有技術(針對在上文中所描述的問題中的至少一個) 進行改進的一種復合構件、一種風能設備和一種方法。至少要提出在現有技術中已知的解 決方案的一個替選的解決方案。尤其,復合構件和用于制造復合構件的方法要設計為,使得 形成簡化但是仍然進一步發展的如下可行性:在剛度和/或強度方面優化構件。尤其,所述 復合構件和用于制造復合構件的方法要能夠W改進的方式和方法實行。尤其,所述復合構 件和所述方法要實現長期的并且針對負荷作用的剛度和/或強度,優選在不僅提高彎曲剛 度而且提高剪切剛度的情況下。
[0013] 關于所述方法,所述目的通過本發明借助于權利要求1的方法來實現。本發明W用 于制造風能設備的復合構件的方法為出發點,所述復合構件具有多個至少兩部件式的復合 成型件,其中第一部件由成型的忍材料構成并且第二部件形成為接合層的一部分。
[0014] 本發明W如下考慮為出發點:由兩個部件構成的復合構件關于所要求的材料特性 可W通過組合來優化。在此得到如下解決方案,所述解決方案設及運兩個部件;因此復合構 件例如可W設有在嵌入基質內的有取向的纖維,W便抵抗較高的負荷。本發明由如下考慮 為出發點:復合構件要制成為,使得在夾層結構或者類似的結構方面,連接是可行的,尤其, 運要通過粘接或者接合、尤其熱接合或者粘合是可行的。本發明已認識到,如果除了材料選 擇外也如下設計復合構件的結構形式使得力在復合件中能夠W改進的方式被吸收,那么復 合構件獲得改進的復合件特定的材料特性。
[0015] 根據本發明提出,成型的忍材料遵循棱柱形狀作為具有多邊形的基面的棱柱體形 成,其中基面的多邊形具有底部和相對于底部在30°和60°之間的角度,并且多個棱柱體被 接合,其中在彼此觸碰的側邊處形成接合層的功能取向,使得接合層相對于彼此鄰接的棱 柱中的至少一個的底部面W30°至60°的角度伸展。
[0016] 有利的是,根據本發明的設計理念,纖維或者絲線或者類似的束狀物的縱向和橫 向定向被轉移到忍的幾何形狀上;尤其在使用纖維復合構件時,縱向和橫向定向進行補充 性輔助。復合構件在負荷作用如牽拉或者擠壓的情況下相應地具有宏觀機械強度,但是即 使在受剪切負荷時也相應地具有宏觀機械強度,所述宏觀機械強度由接合層的有取向的剛 度和材料的組合產生。
[0017] 如果成型的忍材料預設接合層的功能取向,所述功能取向根據力平行四邊形可W 消除沿著不同方向的牽引力,那么可W沿著側邊接合構件,所述構件可W吸收剪切和扭轉 應力并且可W抵抗相應的負荷作用如牽拉或者擠壓并且抵抗相應的彎曲強度。W功能取向 的通過側邊預設的相應的角度的接合在此證實是有利的措施,所述措施必要時還可W通過 角度的選擇來影響。
[0018] 根據本發明的設計理念,=維的應力張量可W抵消。多邊形的基面預設不同的取 向可行性并且形成用于接合層的交織(Geflecht)的基本框架(Grundgeriist ),所述基本框 架抵抗負荷作用。在現有技術中提到的結構特征如下針對法向力(運對應于單軸的應力張 量):力垂直于表面起作用。然而,除此之外可W通過根據本發明的設計理念而有利的力分 布按照設置和接合塊實現=維的負荷作用。所述設計理念實現了抵抗強度的忍材料的定 向,其方式是:接合層傾斜于構件的主延伸部伸展并從而顯示出附加的進行增強的結構措 施的功能W形成在強度上相應提高的復合構件。
[0019] 經由選擇基面的尺寸,可W如下改變材料特性:可通過面的尺寸并從而通過成型 的忍的體積份額設定關于剪切強度和剪切剛度的材料忍變量。通過側邊W具有相應的角度 變化和相應的體積份額的特定幾何設置接合,可W設定抗