至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件及鑄造方法
2023-05-10 02:13:46
專利名稱：至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件及鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種鑄造構件的方法，該構件至少部分包括纖維增強塑料層壓材料，其中所述纖維增強材料至少部分被塑料層壓材料浸溼，以及一種至少部分包括所述纖維增強塑料層壓材料的構件。
背景技術：
這種方法用於生產纖維增強塑料層壓材料，這種層壓材料中不希望有手工布設或絲繞。所述纖維增強材料可以是任何已知的類型，例如chop stand或編織墊、多軸夾層紗(multi-axis interlaid scrims)、經線增強單向performs、單獨或連結粗紗束、以及任何已知材料(例如玻璃、凱芙拉、碳或麻絲)。纖維增強可以用預製構件(玻璃纖維插入物、拉擠棒等等)，以及用夾芯材料(例如輕木木材、泡沫或蜂窩)補充。塑料或基體材料可以是熱固性塑料，例如，聚酯、乙烯基酯、環氧樹脂等等，或者它可以是熱塑性的，例如聚乙烯、聚丙烯、PVC、ABS等等。塑料層壓材料可以在完成纖維增強的布設之後引入，或者它可以在布設期間與纖維增強材料結合到一起，例如在所謂的預浸材料中，其中纖維增強材料以未固化但比較固態的形式被塑料層壓材料預浸，或者它作為熱塑材料與纖維增強材料交織或沿纖維增強材料布設。
一種此類方法是樹脂灌輸，其中纖維增強材料在一個模具部分中布設至幹，在所述布設完成後，接著另一柔性模具部分加入以便形成圍繞纖維增強材料的封閉模具，該模具被抽真空以使纖維增強材料在大氣壓力下實現良好的固化，注入液態基體材料來完全填充在增強纖維之間以及纖維與模具部分之間的所有空位，在完成注入之後，通常通過施加熱量讓基體材料硬化，而形成複合層壓成品。
在另一種此類方法中，纖維增強材料被作為組合材料來製造，其中纖維與熱塑性材料交織或者被熱塑性材料包圍。這種組合材料在一個模具部分中布設至幹，在所述布設完成後，另一柔性模具部分加入以便形成圍繞纖維增強材料的封閉模具，該模具被抽真空以使纖維增強材料在大氣壓力下實現良好的固化，並且組合材料被加熱到熱塑性材料的熔點以上，從而此時為液態的熱塑性材料完全填充在增強纖維之間以及纖維與模具部分之間的所有空位裡，在完成這一液相過程以後，材料再次被冷卻而形成複合層壓成品。
在大多數此類方法中，存在層壓材料中夾雜空氣的問題。空氣由於浮力可能夾在高點處，但也可能夾雜在層壓材料中的預期重力會幫助用基體材料取代空氣的那些部分中。這種空氣的夾雜可以由幾何條件引起，或者由硬化過程期間的反應引起，例如化學分離物或易揮發成分。
現在通過僅製造那些在加工期間能通過透明真空袋觀察以及因觀察而可以調節真空袋內的氣室位置的構件，可能存在的空氣夾雜的問題已經被大體解決了。然而，當製造具有在製造期間無法接近的部分或完全封閉的空間的較大的結構時，這種方法就不起作用。
已經提出多種方法來減少層壓材料中夾雜空氣的問題。
文獻DE 19813105 A1描述了一種方法，其中可以用半滲透膜擴大通氣孔的排氣面積。雖然這種方法能夠擴大吸氣的有效面積，但如果技術人員不知道夾雜空氣的位置，則無法保證效果。此外，如果通氣孔布設在外表面上，在鑄造後它需要大量的表面修整工作。
文獻EP 1181149描述了一種方法，其中整個真空袋錶面包括半滲透膜。這種方法會從層壓材料表面去除空氣而不管在哪裡發生夾雜，但其具有很大的缺點如果模具表面在上側，而真空袋錶面在下側，那麼仍有很大的夾雜空氣靠近模具旁邊的表面的這種風險。由於浮力，空氣趨向於向上移動，遠離排氣膜。EP 1181149中描述的這種方法還具有一個缺點，即，它需要層壓材料的一側的整個表面被昂貴的輔助材料(例如助流真空袋或半滲透膜)覆蓋。此外，對於細長的半封閉的結構，在層壓材料硬化之後去除輔助材料可能是困難的或不可能的，輔助材料可能需要留在原處，隨著時間流逝，這反過來會導致例如在輔助材料和層壓材料之間的空位處縮聚(condensation)等集中的問題。
在US 5665301中，公開了一種用於製造纖維增強複合物品的方法。通過穿過真空室和內含用於獲得所述物品的纖維增強材料的模腔的多個外圍自密封多微孔導管，將模具中的纖維增強材料與真空連通。將樹脂注入到模具中。樹脂流朝向所述外圍自密封多微孔導管移動，使得由於不完全真空而殘留在乾燥的纖維增強材料中的任何殘餘空氣或揮發物通過外圍自密封多微孔導管被吸入到外圍的真空室內並通過真空泵被排出。
US 5304339公開一種製造纖維增強可硬化合成樹脂的大尺寸、薄壁、細長的模製品的方法，其中至少一層增強纖維布設於不變形的剛性內模具部分上。柔性的外模具部分布設於該纖維層上。液態的可硬化的合成樹脂流入模腔內，以基本充滿模腔。模腔內的壓力減小，使得柔性的模具部分緊緊地被壓靠在纖維層上並壓向內模具部分，空氣被從樹脂和模腔及纖維層內去除，並且樹脂流入纖維層和模腔內。可以在這樣形成的模腔內布置多孔芯，以提高樹脂分布的均勻性。
發明內容
因此，本發明的目的是公開一種用於鑄造構件的方法，其降低或消除在製造為複合層壓製品(特別是纖維增強塑料層壓製品)的構件中夾雜空氣的可能性，並且沒有已知方法的缺點。本發明的另一個目的是公開一種具有較少夾雜空氣的構件。
根據該方法的這一目的，提供一種用於鑄造至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件的方法，其中纖維增強材料被布設在鑄模中，其中至少布置一排氣道，其中在鑄造期間所述纖維增強材料和所述排氣道至少部分被塑料浸溼，並實現通過所述排氣道排氣，排氣道的表面的至少一部分由半滲透膜製成，從而允許氣體通過但不允許塑料通過或只允許塑料緩慢通過。
依照本發明的方法，至少一排氣道布置在纖維增強材料的內側或上側。在這之後，纖維增強材料和排氣道被塑料層壓材料部分地浸溼。按照現有技術，用塑料層壓材料浸溼則在塑料層壓材料內經常出現夾雜的空氣，這是因為空氣不能徹底從塑料層壓材料中排出，例如由幾何條件引起或者由硬化過程期間的反應象化學分離或揮發成分引起這種空氣的夾雜。在本發明中，這種夾雜空氣通過排氣道被排出到塑料層壓材料的外面。夾雜的空氣通過穿過排氣道(例如允許氣體通過但不允許或只允許樹脂或熱塑性材料緩慢通過的半滲透膜或一些其他裝置)而被吸入排氣道中。此時，排氣道基本上無塑料材料留下。這意味著，因為排氣道在塑料層壓材料內，即使在外側被浸溼它也不會停止排氣。因此，實現減少或消除夾雜的空氣。
與已知方法相比，通過布置在層壓材料內的排氣道排出夾雜空氣的方法具有幾個重大的優點。
排氣道可以布置成從發生空氣夾雜的地方延展到便於排氣到外部通氣道的地方。在較大的結構中可以安裝一系列排氣道，所有都通向外部通氣裝置的一個或更多區域。
通過保證層壓材料內的排氣，對甚至是很大的結構也僅需要一個或幾個外部通氣裝置的位置，可以極大地減少對表面修整的要求。
排氣道可以布置在層壓材料從頂到底的任意深度，無論在層壓材料內的哪個深度位置發生空氣夾雜，均確保適當的排氣。
根據從結構中的各個位置要排出的空氣的量，在給定結構中排氣道可以具有不定的尺寸。
因此，大的構件(例如風車動葉片)可以容易地製造成單體，並且沒有任何或較大的夾雜的空氣。
在優選實施例中，纖維增強塑料層壓材料包括上表面和下表面，至少一排氣道位於靠近上表面處。這意味著至少一排氣道位於夾雜的空氣被浮力定位的位置處。
根據上述目的，提供一種至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件，其中一個或更多排氣道布置在該塑料層壓材料內，其中排氣道的表面至少部分由允許氣體通過但不允許或僅允許塑料緩慢通過的半滲透膜製成。因此，上述方法的優點也適用於該構件。
優選地，至少一排氣道形成為通氣過濾器。優選尺寸為5-50mm寬。因此特別容易製造無限長度的排氣道，例如為較大的構件。
優選地，至少一排氣道包括兩層半滲透膜，通氣裝置在其內部。該通氣裝置可以是例如無紡(non-woven)熱塑性材料，氣體幾乎無限制通過該材料，並且該材料成本低廉。由於半滲透膜，即使在外側在沒有夾雜的空氣的較大區域上被浸溼，排氣道也不會停止排氣。因此，到達排氣道的夾雜空氣被有效地轉移到外部通氣裝置。
在一優選實施例中，至少一排氣道包括一條具有憎樹脂(resinophobic)外表面結構的材料。這樣允許空氣沿該結構通過，而實際上不進入排氣道。這種憎樹脂結構可以是在熱塑性材料的旋繞橫截面形狀中的縱向微槽。空氣可以進入槽的低處，但樹脂不能。因此，由於憎樹脂的表面，即使在外側被浸溼，排氣道仍繼續排氣。
優選地，至少兩個排氣道布置為平行並隔開。由於具有半滲透或憎樹脂外表面的排氣道本質上存在在塑料層壓材料內分層的可能性，應用時一系列的平行管道間隔設置有很大的優點。這限制了局部分層的效果，並使結構導致的大的分層的風險最小化。
在優選實施例中，至少一排氣道在一個或更多集管中終止。此外，集管優選連接到一個或更多外部通氣裝置上。在進行鑄造所用的真空袋或模具中抽出空氣是有利的。它也可以簡單地在塑料層壓材料內靠近一個或更多外部通氣孔的高點處以開放端終止。
因此，本發明允許在需要的位置處布置排氣道，也可使其向外朝向模具表面，並且不需要因排氣孔位於模具表面而必須修整。所使用的昂貴的半滲透膜的量也較現有技術中的要更少。
優選地，上述方法以及構件用於製造動葉片，特別用於製造風車的動葉片。因此，該構件可以是動葉片。
下面，將參照附圖更具體地解釋本發明，在附圖中圖1示意性地示出根據本發明的纖維增強材料(在鑄造期間穿過該裝置橫向截取)，其排氣道部分浸溼；圖2示意性地示出根據本發明的動葉片(穿過動葉片縱向截取)，其纖維增強材料和排氣道被塑料層壓材料浸溼；圖3示意性地示出排氣道，以通氣過濾器的形式(頂視圖)；圖4示意性地示出根據本發明的動葉片(穿過動葉片縱向截取)；圖5示意性地示出根據本發明的方法(在鑄造期間穿過動葉片和模具縱向截取)；圖6示意性地示出模具內的成品動葉片(在鑄造期間穿過動葉片縱向截取)。
具體實施例方式
圖1示意性地示出纖維增強材料1的一個實施例。在纖維增強材料1內部設置了幾個排氣道2。排氣道包括通氣過濾器3。在鑄造期間，纖維增強材料1被塑料層壓材料57浸溼。這時，例如，由於塑料層壓材料57的不同的硬化，出現了夾雜的空氣5。在本發明中，如圖1的p所示，空氣5通過排氣道2的外表面。這時空氣在排氣道2內側，在通氣過濾器3內。由於排氣道2的材料的原因，僅允許空氣通過。塑料層壓材料57本身不能通過。因此，空氣被排氣道2內的通氣過濾器3引導到外部。這由箭頭o示出。因此，夾雜的空氣5中的空氣可以通過排氣道2排出。這樣，消除或減少了夾雜的空氣。
圖3示意性地示出具有通氣過濾器3的排氣道2的實施例。排氣道2包括外表面2a和外表面2b，所述兩個外表面對於塑料層壓材料57是不可滲透的，但對於空氣是可滲透的。
圖2示出製得的動葉片7，具有被塑料層壓材料57完全浸溼的纖維增強材料1和排氣道2。動葉片是一個整體的單元，其包括外殼10、芯部11、內殼12和抗剪腹板13。在芯部中有纖維增強材料1和排氣道2。在其他實施例中，動葉片可製造為具有多個抗剪腹板或者沒有腹板。
圖4示意性地示出根據本發明的鑄造方法。在邊緣32、33處閉合的模具部分30和對應的模具部分31構成動葉片7的外表面的一部分的反模。在一個或更多適當的位置處，例如在封閉邊緣32處，設置流管34。在整個或部分注入過程期間，可以激活溫度調節系統20，特別是在注入完成以後，它可以用於使注入的層壓材料達到促進硬化過程的溫度。根據實施情況，如果硬化過程的發熱量有可能使模具和層壓材料的溫度升高到有害水平，則溫度調節系統也可以被用於冷卻模具和層壓材料。然而，技術人員也可以完全略去在模具中的溫度調節系統，而在後面的單獨的過程中完成可能的最終硬化。在模具部分內，設置一個或更多芯部35和可能的抗剪腹板13。芯部35至少部分被柔性膜40卷繞。在柔性膜40和芯部35之間可以設置其他材料(未示出)，例如纖維材料。在膜40上布置纖維增強材料1。在纖維增強材料1上布置排氣道2，所述排氣道2特別設為平行並間隔。此外，一些排氣道可以被設置在纖維增強材料1內。同樣，一些排氣道2可以布置在動葉片的外表面附近，由此它們可以將上浮空氣有效地引導到外部。在模具部分30和31以及圍繞模具芯部35的柔性膜40之間，形成有腔室51。該腔室51被纖維增強材料1部分填充。該纖維增強材料1可包括幾層芯材料45及/或幾層纖維材料46(例如墊)以及其他芯部50。此刻向腔室51施加真空，從而留在纖維增強材料1和腔室51中的空氣的至少相當一部分被抽出。此時，腔室51內的纖維增強材料1和排氣道2被壓縮，而膜40展開。
圖5示出根據本發明製造動葉片的下一個步驟。在流管34和儲池56之間建立連接件55，所述儲池56具有塑料層壓材料57，例如具有正確的混合比的適當的塑料層壓材料57，例如包括聚酯、乙烯基酯或環氧樹脂等樹脂。連接件55可以是導管或管子或其組合，可以設置有可變流量控制閥58，或者以其他方式設置控制連接件55中流體流到流管34的流速的裝置，例如以對塑料層壓材料57上方的空間59進行壓力控制的方式。連接件55可以設置有鎖閉旋塞60，或者以其他方式實現阻止從儲池56通過連接件55流動的可能，例如，通過能夠徹底關閉連接的流量控制閥58。這對連接件55中的流動開放，並且在腔室中形成的真空與塑料層壓材料57上的壓力之間的壓力差的作用下，塑料層壓材料開始流入腔室51，注入開始。在注入期間，用流量控制閥58或用其他方式調節流量，使得注入的塑料層壓材料62的流體前端61的進度受控並且在被調節的進流和重力之間保持平衡。這時，因為排氣道2的原因，在注入期間可不考慮殘餘空氣3。這是因為空氣被允許與塑料層壓材料57相對地穿過排氣道2的外側。在排氣道2內，空氣被例如通氣過濾器3引導到外側，如箭頭o所示。因此，夾雜的空氣被減到最小或甚至得以避免。
圖6示出根據本發明在製造動葉片中的下一個步驟。流體前端61這時到達動葉片的尾緣，而塑料層壓材料57這時向上穿入到一個或更多溢流容器63中。作為示例，通氣道2可在某一個溢流容器63的進給管中終止。當在對應的溢流容器中存在純塑料層壓材料57時，通過鎖閉旋塞60或以其他方式結束注入。在硬化完成後，打開模具並取出成品動葉片。通過根據本發明的這種方法，可以製造單件的動葉片，並且不存在大的空氣夾雜。
上面描述了本方法的一個可行的實施例，其中纖維增強材料被置於乾燥條件下，通過真空注入來供應塑料層壓材料。在其他的可行實施例中，布置預浸製品(prepeg)，其中纖維增強材料被預先浸潤塑料層壓材料，其在被加真空以後通過熱、UV輻射等作用而硬化，或者可以布置由耐高溫纖維材料和熱塑性材料組合成的纖維增強材料，在布置以後，纖維增強材料可以被置於熱塑性材料能被熔化並由此在層壓材料成品中作為樹脂的溫度下。同樣，在所有這些情況中，可以應用具有上面提到的特性的排氣道。本發明也可以應用為這些方法的組合，或者允許使用這種排氣道的每種鑄造方法。而且，流管的位置也不受附圖的限制。
權利要求
1.一種至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件的鑄造方法，包括下面的步驟在鑄模(30，31)中設置纖維增強材料(1)，其中至少布置一排氣道(2)，其中在鑄造過程期間，所述纖維增強材料(1)和所述排氣道(2)至少部分被塑料(57)浸溼，並實現通過所述排氣道(2)排氣，其中排氣道(2)的表面至少部分由半滲透膜製成，所述半滲透膜允許氣體通過但不允許塑料通過或僅允許塑料緩慢通過。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於，纖維增強塑料層壓材料包括上表面和下表面，其中至少一排氣道位於上表面附近處。
3.根據前述任一權利要求的方法，其特徵在於，至少兩個排氣道(2)以預定間隔布置在層壓材料內。
4.根據前述任一權利要求的方法，其特徵在於，該方法用於鑄造動葉片(7)，尤其是鑄造用於風車的動葉片。
5.一種構件，其至少部分包括纖維增強塑料層壓材料，特徵在於，塑料層壓材料(57)內包括一個或更多排氣道(2)，其中排氣道(2)的表面至少部分由半滲透膜製成，所述半滲透膜允許氣體通過但不允許塑料通過或僅允許塑料緩慢通過。
6.根據權利要求5的構件，其特徵在於，排氣道的內部便於空氣在排氣道的縱向上通過。
7.根據權利要求5或6的構件，其特徵在於，排氣道的表面是憎樹脂的，並且在被塑料浸溼時，在宏觀和微觀水平上保持未浸溼區域，並且至少部分由半滲透膜製成排氣道的表面被構造為便於空氣在排氣道的縱向上通過。
8.根據權利要求5-7中任一所述的構件，其特徵在於，至少兩個排氣道(2)以預定間隔布置在層壓材料內。
9.根據權利要求5-8中任一所述的構件，其特徵在於，至少一排氣道(2)在一個或更多集管中終止。
10.根據權利要求9的構件，其特徵在於，一個或更多集管連接到一個或更多空氣抽取裝置。
11.一種特別適用風車的動葉片(7)，其包括根據前述權利要求5-10中任一所述的構件。
12.一種具有根據權利要求11所述的動葉片(7)的風車。
全文摘要
本發明涉及一種用於鑄造至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件的方法在鑄模(30，31)中設置纖維增強材料(1)，其中至少布置一排氣道(2)，並且，在鑄造過程期間，纖維增強材料(1)和排氣道(2)至少部分被塑料(57)浸溼，並實現通過排氣道(2)排氣，其中排氣道(2)的表面至少部分由半滲透膜製成，從而允許氣體通過但不允許塑料通過或僅允許塑料緩慢通過。此外，本發明涉及至少部分包括纖維增強塑料層壓材料的構件，其中的塑料層壓材料(57)包括一個或更多排氣道(2)，其中排氣道(2)的表面至少部分由半滲透膜製成，從而允許氣體通過但不允許塑料通過或僅允許塑料緩慢通過。
文檔編號B29C70/54GK101077628SQ20071010519
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月24日 優先權日2006年5月26日
發明者亨裡克·斯蒂斯代爾 申請人:西門子公司