通過纏繞過程製造層疊複合物品的方法以及相應的裝置和製品的製作方法

2023-07-21 19:51:51 3

專利名稱：通過纏繞過程製造層疊複合物品的方法以及相應的裝置和製品的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造層疊複合物品的方法，特別是涉及一種包括將浸漬樹脂的纖 維帶纏繞到芯軸上的方法。
背景技術：
具有非凹形橫截面的層疊複合物品可通過纏繞過程製造，在所述纏繞過程中，已 經過具有液體熱固性樹脂的容器的纖維帶纏繞到芯軸上。複合物品是在利用滑架組件使帶 沿著芯軸來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式逐次搭疊地纏繞到芯軸上形成的。這種 製造過程通常用於製造細長物品。一個示例是風輪機槳葉梁，其中，梁的變化的橫截面通過 使保持帶的滑架越來越接近梁的根端反向獲得。帶的節距意味著，梁的根端必須被製造有 多餘量的材料，該多餘材料必須在之後去除，以獲得在根部具有恆定的厚度的槳葉梁。多餘 的材料被形成為具有三角形橫截面的環部，所述環部為一個帶寬長，且與層疊部一樣厚。對 於40-45m長的槳葉，通過去除多餘的環部所丟棄的材料為每個槳葉100-150kg左右。這意 味著，不僅浪費材料，而且在施加多餘的材料然後再去除它時也會浪費時間。因此，一種改進的、更高效的製造方法將是有利的。

發明內容
本發明的目的是提供這樣一種通過纏繞製造層疊複合物品的方法，該方法之後不 必去除明顯的多餘材料。仍可能需要例如通過磨削對端面進行加工，以獲得期望的最終的 表面質量。對於風輪機槳葉梁，如此去除的材料量通常為數公斤左右。本發明的另一目的是提供這樣一種製造方法，通過所述製造方法，與現有的纏繞 方法相比，降低了浪費的材料量。出於財政和環境的原因，這是有利的。本發明的另一目的是提供這樣一種製造方法，通過所述製造方法，與現有的纏繞 方法相比，降低了製造時間。本發明的一些實施例的目的是提供這樣一種製造方法，所述製造方法在接近物品 的端部時不必使用另外的帶。本發明的進一步的目的是提供一種現有技術的替代方案。因此，在本發明的第一個方面中，上述目的和其他多個目的通過提供一種製造層 疊複合物品的方法實現，所述方法包括步驟在使浸漬樹脂的帶沿著芯軸來回前進的情況 下通過以螺旋卷繞的方式將所述帶逐次搭疊地纏繞到芯軸上，所述帶包括一層或多層纖 維，其中，所述帶的在芯軸的端部附近纏繞到芯軸上的區段被摺疊，以獲得複合物品的端 面，所述端面與複合物品的縱向方向大致垂直。通過摺疊意思是指，帶的側部區段，即包括邊緣的區段，優選摺疊成被捕獲在被纏 繞的帶的下方。這將在附圖中示出。從而，可防止摺疊的帶由於纖維中的回彈張力而在折 疊處打開。通過摺疊用於複合物品的其餘部分的帶，可獲得基本上為最終的幾何形狀，而不必使用另外的帶。這可以是有利的，因為纏繞裝置不需要另外的帶滑架，以及因為僅必須啟 動一卷帶的施加。本方法優選地用於製造細長物品，但原則上也可製造任何非凹形的幾何形狀。折 疊技術可應用於物品的一端或兩端。帶中的纖維層優選形成連在一起的帶。這種連在一起的特性優選通過紡織或縫合 獲得，但也可使用其他接合方法，例如膠粘。在每層內，纖維通常單向地定向，但它們也可具 有不同的方位，且它們可被交織。複合物品的最終幾何形狀可能與纏繞結束時的幾何形狀稍微不同，例如由於固化 收縮，如上所述的磨削或安裝孔的鑽取。被摺疊的帶的與帶的縱向方向垂直的寬度，可在帶向著芯軸的相應端部移動時從 摺疊開始處減小、以及可在帶遠離所述端部移動時增大。帶可至少在配給點處通過使用具有U形橫截面的摺疊工具摺疊，在所述配給點 處，所述帶離開摺疊工具纏繞到芯軸上。這意味著，帶通過工具被引導成最終形狀，而不需 要任何移動部件。否則，這種移動部件可捕獲松的纖維端而使得損壞帶和/或打斷纏繞過 程。其他類型的引導裝置也可代替U形工具或與U形工具組合來獲得摺疊。由於纖維中的 回彈張力，所述引導是有利的。配給點可緊鄰所述帶與被纏繞的物品之間的接觸點，例如距離所述接觸點在50mm 內。從而，帶儘可能長地被支撐，從而降低了由於纖維中的回彈張力而展開的危險。摺疊工 具應優選地不在纏繞的物品上施加任何壓力，因為那樣很可能會損壞材料。兩個或更多個帶可同時纏繞到芯軸上。纖維紗也可在多層帶之間纏繞到芯軸上， 例如用以幫助壓縮所述層以及用於在橫向方向上增加複合物品的強度。所述方法還可包括在被摺疊的帶的所選的層之間將一個或多個纖維紗纏繞到復 合物品上，以壓縮摺疊部。如果摺疊的材料本要張開和纏繞的物品的層疊結構過程扭曲，這 可能是必須的。一種可選的製造層疊複合物品的方法，包括以下步驟-在使浸漬樹脂的第一種帶沿著芯軸來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式將 所述第一種帶逐次搭疊地纏繞到芯軸上，所述帶包括一層或多層纖維；以及-將多層具有直邊緣和鋸齒形邊緣的第二種帶纏繞到芯軸的端部區段上，以獲得 複合物品的端面，所述端面與複合物品的縱向方向大致垂直。所述方法對於纖維類型和/或厚度使得難以令人滿意地摺疊的帶來說是特別有 利的。兩個相繼的鋸齒之間的距離可與纏繞的複合物品的周長大致對應。從而，通過鋸 齒形帶施加的材料或多或少地與通過用於物品的其餘部分的帶形成的纏繞物「失去的」材 料對應，如果利用這種帶的纏繞物在帶達到芯軸的端部時返回。可選地，兩個相繼的鋸齒之間的距離可小於纏繞的複合物品的周長，例如所述距 離在所述周長的十分之一到二分之一之間，例如在十分之一到五分之一之間或在五分之一 到三分之一之間。這將會產生更任選的鋸齒圖案，使得纏繞物品獲得期望的厚度和幾何形 狀。第二種帶可包括沿第二種帶的長度方向定向的單向纖維條。由於帶通常在張力下施加，因此這種單向纖維將有助於將轉向的層在壓縮作用下保持在位。根據本發明的一種方法還可包括以下步驟加熱複合物品，以固化樹脂。本發明的第二個方面涉及一種用於製造層疊複合物品的裝置，所述裝置包括-芯軸，帶可纏繞到所述芯軸上；_用於轉動芯軸的裝置；-滑架組件，所述滑架組件適於使所述帶沿著芯軸來回前進；以及-摺疊工具，所述摺疊工具適於使所述帶的在芯軸的端部附近纏繞到芯軸上的區 段在纏繞到芯軸上之前摺疊，以獲得複合物品的端面，所述端面與複合物品的縱向軸線大
致垂直。可選地，本發明涉及一種用於製造層疊複合物品的裝置，所述裝置包括-芯軸，第一種帶可纏繞到所述芯軸上；_用於轉動芯軸的裝置；-滑架組件，所述滑架組件適於使所述第一種帶沿著芯軸來回前進；以及-用於將多層具有直邊緣和鋸齒形邊緣的第二種帶纏繞到芯軸的端部區段以獲得 複合物品的端面的裝置，所述端面與複合物品的縱向軸線大致垂直。在這兩種實施例中，或在上述兩種可選的方法中，芯軸的至少一端可具有與芯軸 相比具有較大的周長的端部凸緣。這種端部凸緣可用於幫助定位帶，以確保層疊物品具有 正確的長度。當監測施加的材料的厚度和反作用樹脂在升高的溫度下固化的過程中從物品 排出時，端部凸緣也可用作基準。所述凸緣根據它所要實現的目的而可在纏繞過程之前或 之後設置在芯軸上。根據本發明的裝置還可包括-一個或多個容器，所述容器用於儲存在帶纏繞到芯軸上之前施加到帶上的樹脂， 以及-滑架組件，所述滑架組件適於使所述一個或多個容器沿著芯軸來回前進。本發明的第三個方面涉及一種通過上述方法或利用上述裝置製造的風輪機槳葉
M
TTC。本發明的第一、第二和第三方面均可與其他任何方面組合。通過參看下面描述的 實施例將顯見和解釋本發明的這些方面和其他方面。


下面，參看附圖更詳細地描述根據本發明的製造層疊複合物品的方法。附圖示出 了本發明的一種實施方式，但不應認為是對落入權利要求的範圍內的其他可能實施例的限 制。圖l.a示意性地示出了通過現有方法製造的細長物品，在纏繞之後，這會在物品 的端部處產生多餘材料。圖l.b示出了帶在物品的長度方向上的位置(以s表示)與帶纏 繞到其上的芯軸的轉動角度(α)之間的關係；圖2示出了由現有纏繞方法製造的物品的縱向剖視圖；圖3示意性地示出了帶以根據本發明的製造方法進行的摺疊。該圖示出了摺疊的 帶的寬度在帶向著芯軸的端部移動時如何減小、在帶遠離芯軸的端部移動時如何增大；
圖4示出了所述帶的側邊緣被摺疊和在纏繞到芯軸上時通過帶保持在位；圖5示意性地示出了以帶的縱向方向觀看的摺疊工具的橫截面形狀；圖6是摺疊工具的示意性頂視圖，所述摺疊工具用於將帶纏繞到根據本發明製造 的複合物品。圖6. a和6. b示出了在帶的方向剛好改變之前和剛好改變之後的狀態；圖7是圖6的過程的示意性端視圖；圖8是包括使用第二種帶的製造方法中的步驟。第二種帶具有直邊緣和鋸齒形邊 緣；圖9示意性地示出了具有端部凸緣的芯軸的一部分。
具體實施例方式細長層疊複合物品例如風輪機槳葉梁的一種製造方式是通過纏繞過程進行的，在 所述纏繞過程中，由連在一起的纖維層製成的帶2纏繞到芯軸3上。在纏繞到芯軸3上之 前，帶2通常經過具有液體熱固性樹脂的容器(未示出)。複合物品1是在利用滑架組件 (未示出)使帶2沿著芯軸3來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式將帶2逐次搭疊地 纏繞到芯軸3上形成的。這種過程對於本領域的技術人員來說是公知的，且為了強調本發 明的創造性方面，在附圖中省去了製造設備的多個部件；這些部件包括樹脂容器、用於轉 動芯軸的驅動組件和用於移動帶2的滑架組件。本發明的背景涉及這種物品的製造，所述物品具有與物品的縱向軸線大致垂直的 端面，且至少在所述端部處具有大致恆定的層疊厚度。對於風輪機槳葉梁，這種端面通常存 在於梁的根端處。當風輪機槳葉梁通過現有纏繞方法製造時，由於帶的節距，必須纏繞比最 終製品長的梁。否則，梁在根端不具有正確的幾何形狀和厚度。圖l.a示意性地示出了通過現有方法製造的細長物品1，所述方法在纏繞之後會 在物品的端部產生多餘材料。圖2中以E表示的所述多餘材料必須在樹脂固化之後去除，這 將導致材料和時間兩方面的浪費；浪費的時間涉及最初的添加和之後的材料去除。圖l.b 示出了帶在物品的長度方向(以s表示)上的位置與帶纏繞到的芯軸的轉動角度(α )之 間的關係。位於A和B之間的帶的部分即多餘材料的角度位置通常在各層之間變化，這將 產生圖2所示的纏繞物品的橫截面幾何形狀。多餘材料具有從複合物品1的厚度t下降的 厚度。用於通過纏繞方式製造層疊複合物的帶可例如包括以與帶2的縱向方向接近垂 直的相反方位定向的橫向纖維層、和沿縱向方向的單向纖維層。所述層例如可縫合在一起 和/或其中一些層或所有層中的纖維可被交織。橫向纖維在製造的物品1的長度方向上提 供彎曲強度，縱向纖維用於在製造過程中壓縮纏繞的材料以及在製造的物品的橫向方向上 提供強度。圖3示意性地示出了帶如何可以不必隨後去除大量的多餘材料的方式摺疊來獲 得通過纏繞製造的細長複合物品1。這通過在正被纏繞的物品1的端部附近摺疊帶2獲 得，使得摺疊後的帶的寬度w當帶向著芯軸的端部移動時降低、當遠離芯軸的端部移動時 增大。保持帶的滑架組件的運動方向在圖3中以箭頭示出。帶的邊緣優選向內摺疊，使得 被摺疊的材料夾持在帶2的外部分與在先施加的材料之間。從而，可防止被摺疊的帶2由 於纖維的回彈張力而在摺疊處打開。該原理進一步示於圖4中，示出了帶的側邊緣已被摺疊且在纏繞到芯軸上時由該帶保持在位。帶2的縱向方向上的單向纖維將帶2的外部分向 著帶2的摺疊部分張緊，這可確保摺疊頸部被充分壓縮而保持平坦。在摺疊部未變足夠平 坦的情況下，一個或多個附加纖維紗(未示出)可在張緊作用下施加以保持住摺疊部。這 種纖維紗可沿著物品1的整個長度使用，或僅在帶2被摺疊處使用。帶2的摺疊可例如通過使用摺疊工具5實現，所述摺疊工具5具有圖5中示意性 示出的橫截面形狀。摺疊工具5沿帶2的縱向方向觀看。圖6是用於將帶2纏繞到根據本 發明製造的複合物品1上的圖5的摺疊工具5的示意性頂視圖。圖6. a和6. b示出了剛好 在保持帶的滑架組件的方向改變之前和之後的帶2的方位。被摺疊的材料通過虛線表示。 在向著芯軸的右端纏繞的過程中(相對於圖6)，帶2從側面越來越深地延伸到摺疊工具5 中。當帶2的側邊緣達到摺疊工具5中的U彎曲部6時，它隨著彎曲部6並以U形方式出 來。摺疊工具5的配給點7如圖7所示地接近帶2與纏繞物品1之間的接觸的切點，圖7 是圖6中示出的過程的示意性端視圖。因此，被摺疊的邊緣在退出形成工具5之後就被捕 獲在帶2之下。這防止帶2的摺疊部分回彈。摺疊工具5通常僅在纏繞物品的徑向方向上 移動。然而，在本發明的範圍內，摺疊工具5也可沿著芯軸3的要形成摺疊部的部分來回運 動，或者它也可被樞轉。摺疊工具5的形狀和相對於帶2的路線的位置優選被選擇成僅有 少量的樹脂通過摺疊工具5從帶2去除。摺疊工具5的實際尺寸和形狀可能與圖中所示的 不同，只要可達到本發明的目的即可。當帶2達到芯軸3的端部且滑架組件改變方向時，被摺疊的帶的寬度增大，直到帶 2又展開且可用於物品1的其餘部分；參看圖6. b。優選每當帶達到端部時形成摺疊，但也 可以可選地，僅對於預定數目的纏繞才形成。在這種情況下，滑架組件應優選在未被摺疊的 帶2的纏繞邊緣達到芯軸3的端部時改變方向，以避免產生之後需去除的多餘材料。圖8示意性地示出了可選的製造方法中的一個步驟，其中，在纏繞之後的基本上 最終的幾何形狀通過使用第二種帶8獲得，S卩，所述第二種帶8為與用於複合物品1的其餘 部分的纏繞的帶不同的另一種帶。第二種帶8優選不沿著芯軸3移動。示出的第二種帶8具有直邊緣8a和鋸齒形邊緣8b，且它包括定位在直邊緣8a處 的單向纖維的條8c。帶8張緊地施加，從而，單向纖維對轉向層提供了壓縮，這有助於將第 二種帶8保持在位。用於物品的其餘部分的第一種帶2的施加在所述帶2達到芯軸3的端 部4時返回，且「缺失」材料通過鋸齒形帶8形成。在本發明的一些實施例中，鋸齒形帶8 與用於物品1的其餘部分的帶2由相同類型的纖維製成。在其他實施例中，可使用較厚的 鋸齒形帶8，且可僅將鋸齒形帶8施加在帶2的預定數目的其他層之間。與具有上述摺疊 部的實施例相比，鋸齒形第二種帶8的使用利用附加的帶卷和必需的相應的樹脂容器。但 它不需要摺疊工具5，且製造方法的選擇可適於實際製造位置。所述選擇可根據使用的帶2 的類型進行，這是因為某些纖維和厚度比其他的更容易摺疊。在本發明的一些實施例中，帶2、8所纏繞到的芯軸3包括如圖9所示的端部凸緣 9。這種端部凸緣9可用於幫助帶的定位，以確保層疊物品1具有正確的長度。在具有摺疊 的帶2的實施例中，必須確保摺疊頸部剛好在端部凸緣9之前，使得沒有太多的材料「捕獲」 在端部凸緣9之後。端部凸緣9也可用作基準，當監測施加的材料的厚度和反作用樹脂排 出物品1時。半透性膜(未示出)可施加，以覆蓋凸緣與層疊部之間的接合部，從而降低樹 脂從層疊部端的流出。端部凸緣9應優選可軸向移動，使得脫模夾具(未示出)可作用於端部凸緣9上、以及在固化之後使物品1脫開芯軸3。在本發明的所有實施例中，任何合適類型的纖維都可以使用，例如玻璃纖維、碳纖 維或芳族聚酸胺纖維。帶2也可由兩種或多種類型的纖維製成，且層疊的複合物品1的多 個部分也可由另一類型的帶製成，例如具有與用於物品的其餘部分的纖維類型不同的另一 類型的纖維的帶。樹脂是熱固性樹脂，且可例如是聚酯、乙烯基酯或環氧樹脂。在纏繞結束 之後，物品通常在芯軸上轉動的情況下在升高的溫度下經受固化。實際固化溫度和時間取 決於所使用的樹脂的類型和層疊部的厚度。上面的描述涉及多個實施例，其中，帶在纏繞到芯軸上之前經過具有液體熱固性 樹脂的容器。然而，帶由預浸漬纖維卷供給的實施例也被本發明的範圍所覆蓋。儘管已結合特定的實施例描述了本發明，但不應認為是以任何方式局限於所提出 的示例。本發明的範圍通過從屬權利要求限定。在權利要求的情況下，術語「包括」並不排 除其他可能的元件或步驟。此外，不定冠詞例如「一個」也不應認為排除多個。在權利要求 書中使用附圖中示出的元件的附圖標記也不應認為是限制本發明的範圍。而且，不同的權 利要求中提及的各個特徵可有利地組合，且不同的權利要求中提及的這些特徵並不排除特 徵的組合是不可能的且是有利的。
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權利要求
一種製造層疊複合物品的方法，所述方法包括步驟在使浸漬樹脂的帶沿著芯軸來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式將所述帶逐次搭疊地纏繞到芯軸上，所述帶包括一層或多層纖維，其中，所述帶的在芯軸的端部附近纏繞到芯軸上的區段被摺疊，以獲得複合物品的端面，所述端面與複合物品的縱向方向大致垂直。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，被摺疊的帶的與帶的縱向方向垂直的寬度， 在帶向著芯軸的相應端部移動時從摺疊開始處減小、以及在帶遠離所述端部移動時增大。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述帶至少在配給點處通過使用具有U 形橫截面的摺疊工具摺疊，在所述配給點處，所述帶離開摺疊工具纏繞到芯軸上。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，配給點緊鄰所述帶與被纏繞的物品之間的 接觸點，例如距離所述接觸點在50mm內。
5.如前面權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，它還包括在被摺疊的帶的所選的 層之間將一個或多個纖維紗繞著複合物品纏繞，以壓縮摺疊部。
6.一種製造層疊複合物品的方法，所述方法包括以下步驟_在使浸漬樹脂的第一種帶沿著芯軸來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式將所述 第一種帶逐次搭疊地纏繞到芯軸上，所述帶包括一層或多層纖維；以及-將多層具有直邊緣和鋸齒形邊緣的第二種帶纏繞到芯軸的端部區段上，以獲得複合 物品的端面，所述端面與複合物品的縱向方向大致垂直。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，兩個相繼的鋸齒之間的距離與纏繞的複合 物品的周長大致對應。
8.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，兩個相繼的鋸齒之間的距離小於纏繞的復 合物品的周長，例如所述距離在所述周長的十分之一到二分之一之間，例如在十分之一到 五分之一之間或在五分之一到三分之一之間。
9.如權利要求6-8中任一所述的方法，其特徵在於，第二種帶包括沿第二種帶的長度 方向定向的單向纖維條。
10.如前面權利要求中任一所述的方法，其特徵在於，它還包括以下步驟加熱複合物 品，以固化樹脂。
11.一種用於製造層疊複合物品的裝置，所述裝置包括-芯軸，帶可纏繞到所述芯軸上；-用於轉動芯軸的裝置；-滑架組件，所述滑架組件適於使所述帶沿著芯軸來回前進；以及-摺疊工具，所述摺疊工具適於使所述帶的在芯軸的端部附近纏繞到芯軸上的區段在 纏繞到芯軸上之前摺疊，以獲得複合物品的端面，所述端面與複合物品的縱向軸線大致垂直。
12.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述摺疊工具適於摺疊所述帶，使得被折 疊的帶的與所述帶的縱向方向垂直的寬度在所述帶向著芯軸的相應端部 移動時從摺疊開 始處減小、在所述帶遠離所述端部移動時增大。
13.如權利要求11或12所述的裝置，其特徵在於，所述摺疊工具至少在配給點處具有 U形橫截面，在所述配給點處，所述帶離開摺疊工具，以纏繞到芯軸上。
14.如權利要求11-13中任一所述的裝置，其特徵在於，芯軸的至少一個端部具有與芯2軸相比周長較大的端部凸緣。
15. 一種風輪機槳葉梁，所述風輪機槳葉梁通過權利要求1-10中任一所述的方法製造 或通過使用根據11-14中任一所述的裝置製造。
全文摘要
本發明涉及一種製造層疊複合物品的方法。所述方法可包括步驟在使浸漬樹脂的帶(2)沿著芯軸來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式將所述帶逐次搭疊地纏繞到芯軸(3)上。所述帶的在芯軸的端部附近纏繞到芯軸上的區段被摺疊，以獲得複合物品的端面，所述端面與複合物品的縱向方向大致垂直。本發明還涉及一種可選的製造層疊複合物品的方法。所述方法包括以下步驟在使浸漬樹脂的第一種帶沿著芯軸來回前進的情況下通過以螺旋卷繞的方式將所述第一種帶逐次搭疊地纏繞到芯軸上；以及將多層具有直邊緣(8a)和鋸齒形邊緣(8b)的第二種帶纏繞到芯軸的端部區段上，以獲得複合物品的端面，所述端面與複合物品的縱向方向大致垂直。本發明還涉及一種用於執行這種方法和一種通過這種方法或這種裝置製造的風輪機槳葉梁。
文檔編號B29C70/32GK101980857SQ200980111600
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月19日 優先權日2008年3月31日
發明者A·貝克 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司