具有一體式加熱的模具及其製造方法
2023-05-20 20:03:36
專利名稱：具有一體式加熱的模具及其製造方法
技術領域：
本發明主要涉及風力渦輪機葉片的模具，且具體地涉及玻璃增強的、可容許熱膨
脹的、用電加熱的模具的製備方法。
背景技術：
近年來，關於全球變暖及燃料排放物的有害影響的擔憂產生了對更清潔及可持續 的能源(例如風能)的新需求。風力渦輪機作為對環境安全及相對廉價的替代能源已經越 來越受到關注。隨著對這種關注的日益增長，人們對發展可靠和高效的風力渦輪機做出了 相當大的努力。 風力渦輪機利用風的動能並將該動能轉變成電能。因此，電力可以幾乎無汙染的 方式產生。為了發電，風力渦輪機通常包括轉子，轉子支承從轉子上沿徑向延伸的多個葉 片。這些葉片捕獲風的動能，繼而導致發電機的傳動軸和轉子做旋轉運動。由這種風力發 電系統產生的能量的多少取決於風力渦輪機捕獲風的能力，且繼而取決於轉子葉片的物理 參數和結構參數。 通常需要的是，對風力渦輪機的葉片設計和製造保持良好的質量控制標準。各個 轉子葉片是該轉子葉片在其中進行鑄造的模具的鏡像。因此，設計和製造這些模具所依據 的技術對於成品葉片的質量至關重要。 一旦鑄造，則葉片型面必須根據尺寸和質量規範，並 在連續的鑄造件之間具有極其有限的變動。另外，對於工藝過程(包括在鑄造過程中的快 速吞吐時間)也有嚴格要求。 為了提高在轉子葉片生產中的效率和速度，要求對模鑄過程本身進行更大程度的 控制。模具需要裝配加熱器件，以便使轉子葉片的成分尤其是環氧樹脂固化。在葉片製造 中使用的環氧樹脂的固化率很大程度上取決於溫度。樹脂的固化溫度可高達大約13(TC。 對模具加熱的另一項有益之處在於使環氧樹脂系統後固化的能力。後固化是這樣一種工藝 過程，即通過該工藝過程，固化的產品在較高的溫度下保持一段時間，以便通過釋放應力提 高產品的機械性能。 一個示範性的後固化工藝過程是在大約65t:至大約7(TC的溫度下保 持長達大約12小時的時間段。該溫度應當在大約士3t:的誤差範圍內可控。
因此，需要一種模具及製造模具的方法，該模具可提供穩健的加熱解決方案，而並 不降低模具本身的效率或耐用性，同時實現高質量的模製產品(如以上所討論的風力葉 片)所需的可重複性及可複製性。
發明內容
總體而言，本發明提供了轉子葉片模具及製造該模具的方法，該模具具有與模具 的其它零件一起的一體式加熱以及可容許的熱膨脹。 本發明的一方面在於製造模具的方法。模具通過以下方式製造提供具有預 定形狀的支承結構；在支承結構上施加熱分配層；在熱分配層上施加加熱元件網狀物 (network);在所述加熱元件網狀物上施加至少一層玻璃成分層；對各加熱元件網狀物和
3至少一層玻璃成分層施加樹脂成分；以及使熱分配層、加熱元件網狀物、至少一層玻璃成分 層以及樹脂成分形成一體，以便形成模具單元。 本發明的另一方面在於模具本體。模具本體包括熱分配層；至少一層加熱元件 網狀物層；布置在至少一層加熱元件網狀物層上的至少一層玻璃成分層，其中，該至少一層 加熱元件網狀物層和該至少一層玻璃成分層由固化的樹脂包封。 本發明的又一方面在於製造模具的方法。該模具通過以下方式製造提供具有預 定形狀的支承結構；為支承結構施加熱分配層；至少一層碳織物層；在至少一層碳織物層 上施加至少一層玻璃纖維層；對至少一層碳織物層和至少一層玻璃纖維層中的各者施加樹 脂；以及使熱分配層、碳織物、玻璃纖維層和樹脂形成為一體，以便形成模具單元。
當參照附圖閱讀以下詳細說明時，將會更好地理解本發明的這些及其它特徵、方 面和優點，全部附圖中相同的標號代表相同的零件，在附圖中圖1是根據本發明的一個實施例的製備中的模具的截面圖。圖2是根據本發明的一個實施例的已完成模具的一部分的俯視圖。圖3是梭織(woven)網狀物的實例。圖4是編織(braided)網狀物的實例。圖5是針織網狀物的實例。零件清單10模具單元12支承結構14型塞的外表面16加熱元件網狀物18玻璃成分層20表面隔離層22樹脂成分40表面隔離42熱分配層44電源46連接至電源的金屬或合金線
具體實施例方式
如以下詳細討論，本發明的實施例包括製造轉子葉片模具的方法及模具本身。 本發明的模具可用於完整的葉片或相應葉片的一定部分，或者備選地用於要求與
風力渦輪機的葉片類似的結構或表面特性的產品(例如快艇等)。相應而言，模具可以為不
同的形狀、尺寸，並取決於使用這些模具進行製造的葉片或葉片的部分而具有不同的機構
和多個零件。因此，形成模具及模具的構件的更詳細的細節將有所變化。僅有特定的特徵
和工藝過程在本文中進行描述，這些特徵和工藝過程對於理解本發明是必需的。
圖1是根據本發明的一個實施例構造的模具10的示意圖。製造新的葉片模具10從設計包括型塞(Plug)(具有所需葉片或葉片零件的精確外部形狀的全比例模型)的支承 結構12開始。型塞用作製造相應的轉子葉片模具的凹模(negative mould)。支承結構12 可以為任何材料，例如金屬、合金、環氧樹脂、木材、任何複合材料或其任意組合。支承結構 12製造為使得鄰近模具10的型塞表面14具有適當的表面特徵，以保證當與支承結構12分 開時模具10也將具有適當的內表面40(圖2)特性，通常為光滑的表面，當隨後使用模具10 鑄造時，該特性又決定了葉片的表面特性。 加熱元件網狀物16布置在支承結構12的型塞的表面14上。在本發明的一個實 施例中，加熱元件網狀物16包括碳。在模具表面40(圖2)上需要均勻地加熱而沒有顯著 變化，並且應當完全地防護以免過熱。為了橫越模具內表面40達到均勻的溫度，熱分配層 42通常布置在型塞表面14上，由此從模具表面40覆蓋加熱元件網狀物16的表面。熱分配 層42通過散射自加熱元件網狀物16所引導的熱而提供適當的散熱，由此當鑄造葉片零件 時防止對其局部加熱(除非需要)。通過防止加熱元件網狀物16暴露到環境中及遭受任 何其它可能的直接機械裂紋或裂縫，熱分配層42還用作加熱元件網狀物16的保護層。熱 分配層42可以是玻璃纖維、玻璃成分和樹脂的混合物或這些成分的任意組合的薄層。在一 個實施例中，熱分配層可在施加加熱元件網狀物16之前布置在支承結構12的型塞的表面 14(圖1)上。在另一個實施例中，熱分配層42在模具從型塞中移出之後布置在模具的表面 40上。在一個具體的實施例中，熱分配層以玻璃噴漆(glass painting)的形式施加。
加熱元件網狀物16可以不同的形狀提供，例如長纖維、梭織織物(圖3)、編織網狀 物(圖4)、針織網狀物(圖5)，或這些形狀的任意組合。儘管不同的加熱元件材料提供了 獨特的結構特性和電特性，但諸如梭織、編織或針織網狀物的形式具有更大程度的交聯性， 並且不會因為局部失效而不起作用。 在加熱元件網狀物16(圖1)上布置有至少一層玻璃成分層18。玻璃成分是模具 本體的主要部分，並且以層或疊層的形式施加。玻璃成分為模具本體提供強度和剛度，並且 還保證對加熱元件網狀物16的無氧環境。玻璃成分層18還是模具本體的主要的負荷承載 零件。玻璃成分層18可採用纖維、一組纖維、織物、疊層或編織物的形式或這些形式的任意 組合。 樹脂成分22施加到玻璃成分層18上。樹脂成分滲入玻璃成分層18和加熱元件 網狀物16，以便形成包封的模具本體10。樹脂22可初始以粘性形式施加且隨後固化，以變 成堅硬層。在一個實施例中，樹脂22通過施加熱而固化。在一個具體的實施例中，經由加 熱元件網狀物16所供送的熱使樹脂22固化。在一個實施例中，熱反射層20也用於模具10 的外表面附近，以便改進熱管理和提高熱效率。熱反射層20將熱反射回模具本體中，且由 此提高模具10的熱效率。 然後，具有形成一體的熱分配層42、加熱元件網狀物16、玻璃成分層18、熱反射層 20以及樹脂成分22的模具10在不影響模具的表面特性的情況下與支承結構12分離。分 離可通過在特定的溫度下以機械方式使模具倒置而實現。在一個實施例中，模具從型塞上 移出之後具有非常光滑的表面40(圖2)。在另一個實施例中，通過施加適當材料如玻璃或 樹脂的塗層，可給予模具內表面光滑的光潔度。 當由電源44供電時，加熱元件網狀物16(圖2)通過電阻加熱而變熱。加熱元件 網狀物16可用任何適當的方式連接至電源44，例如包括通過焊接或釺焊而附接適當的金
5。焊接或釺焊的材料並不受限，並且可為任何傳統的金屬或合金材料。適當
材料的實例包括銅、銀、鉬、鎢和類似的金屬及其合金。在一個實施例中，在加熱元件網狀物
16施加到支承結構12上之前，將金屬或合金線46附接至加熱元件網狀物16上。 在模具10(圖2)中，熱分配層42、加熱元件網狀物16、玻璃成分層18以及樹脂成
分22相互接觸，並在鑄造、固化和後固化轉子葉片時一起作用。因此，在葉片(或產品)制
造的所有階段，在這些構件之間具有物理和化學相容性非常重要。加熱元件、玻璃和樹脂不
應當在操作條件下彼此起化學反應，以保證不在模具中形成有害的化學化合物(其將會降
低模具的效率和壽命)。模具構件的一項重要的物理特性為熱膨脹。通常，這些構件的熱膨
脹、尤其是加熱元件和玻璃成分的熱膨脹彼此相差很大，並且這些構件在循環加熱過程中
的不均勻膨脹可在模具本體中導致裂紋，並降低其使用壽命。因此，重要的是使加熱元件網
狀物和玻璃成分或通過化學變化或通過結構變化與這些構件中的一者或兩者相匹配。本發
明的一些方面涉及這些問題。 本發明的另一方面通過以下方式提供模具10(圖1)以及製造模具10的方法提供具有預定形狀的支承結構12 ;對支承結構施加熱分配層42 ;施加至少一層碳加熱網狀物層16 ;在至少一層碳加熱網狀物層16上施加至少一層玻璃網狀物層18 ;對所述至少一層
碳加熱網狀物層16和至少一層玻璃網狀物層18中的各者施加樹脂22 ;以及使熱分配層42、碳網狀物層16、玻璃網狀物層18和樹脂22形成為一體，以便形成模具單元10。在一個具體的實施例中，碳加熱網狀物層16以針織織物的形式使用，並且針織的碳加熱網狀物層16通過焊接或釺焊的金屬或合金線46而連結到電源44上。可選的是，散熱的表面隔離層20可增加到模具10的外表面上，以便將熱反射回模具10中。 碳可生成為寬廣範圍的電導率。碳還具有優良的機械特性，允許其對於不同的電阻率應用而採用不同的厚度和長度。用於本發明的該實施例的碳材料並不受限於分子結構，並且可例如為石墨碳、無定形碳或具有處於石墨碳與無定形碳之間的中間結晶結構的碳。 石墨形式的碳具有很大程度的各向異性的熱膨脹。從室溫加熱時，沿著其六角晶體結構的c-方向存在有膨脹，而沿著基面方向存在有收縮。大多數碳纖維通常呈現出優選的基面取向，且因此將在橫向方向上沿其c-軸線取向。因此，對於具有石墨形式的碳纖維而言，沿著橫向方向的熱膨脹將比沿著軸向方向的熱膨脹更大。碳的這種特性使碳加熱元件網狀物的周圍部分經歷極大程度的各向異性的熱膨脹。因此，需要對碳加熱元件網狀物進行結構變更，以降低其熱膨脹的各向異性。 在本發明中使用的碳材料並不受限於形狀，並且可例如為碳纖維、碳纖維布、編織的碳或針織碳網狀物的形式。這些碳網狀物可以單獨使用，或者以組合的方式使用。這些組合還可以用來在模具的不同部分提供差溫加熱。可選的是，碳加熱元件可具有覆蓋物，以防止碳的氧化變化，或者對碳加熱元件網狀物16提供物理穩健性。只要可達到預期的加熱結果，在本發明中所用碳的纖維直徑並不受限。然而，在一個實施例中，碳纖維的直徑從大約3 ii m至大約9 ii m。 本發明的一個實施例在於提供纖維集(collection)形式的加熱元件網狀物16。纖維在保持其交聯性的同時可分散在玻璃成分中，使得纖維單獨的熱膨脹與周圍的玻璃成分相適應，由此經受相結合的較大的熱膨脹差異。
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本發明的一個實施例在於提供梭織織物形式的加熱元件網狀物16。梭織物可以為 二維(2-D)或三維(3-D)。圖3顯示了簡單的2-D梭織織物的實例。2-D梭織織物顯示出 良好的平面內(in-plane)特性。這種2_D梭織織物易於製備，因為可利用高度自動化的初 加工製造方法。另外，這種2-D梭織織物可提供良好的布質性能，由此克服模具結構形成過 程中層構造的剛度。梭織織物還適合於大面積的覆蓋，且因此尤其適合於轉子葉片模具的 加熱元件，因為模具通常在尺寸上較大，並且長度可達大約50-60米，寬度可達大約3-4米。 3-D梭織織物可以受限的梭織形狀形成，並顯示出合理的平面內特性及平面外特性。在3-D 物理特性如3-D延展性和熱膨脹較重要的情況下，這一點尤其有用。以梭織織物的形式布 置加熱元件可為加熱元件16的膨脹提供空間，由此限制對玻璃成分18的影響。在一個實 施例中，梭織織物以波狀的形式布置。波狀可降低織物的剛性，且使其更適應在模具中發生 的機械和熱膨脹的變化。 本發明的另一個實施例為編織形式的加熱元件網狀物16。在編織形式中，單獨的 紗線通常以不同於0。和90°的角度交織。在任何一個時刻，部分紗線如在圖4中所示沿 著正方向行進，而其它部分沿著負方向行進。對於±45°的編織角度，交織為一半用於平 織，這意味著可減少起皺，並且使紗線更有利於複合的平移強度。編織織物的結構使其沿著 軸向方向和徑向方向高度可變形。編織物的肋結構通常具有非同尋常的高度彈性，並且尤 其適合於適應加熱元件的熱膨脹。在一個實施例中，加熱元件網狀物16的編織形式包括一 些波狀部分。 本發明的又一個實施例為針織形式的加熱元件網狀物16(圖5)。針織織物的有 利之處在於其具有延展性，在涉及適應熱膨脹的情況下，這一點是一項重要的考慮因素。還 有，針織織物更堅固並且能夠更好地耐受結構磨損。針織織物可以為緯編型或經編型，並且 還可為2-D的針織形式或3-D的針織形式。圖5顯示了簡單的2-D緯編的針織織物的實 例。針織形式的加熱元件16可以按任何要求均勻地施加熱，並且甚至比梭織或編織的形式 更能適應熱膨脹。 —旦形成，則模具單元10(圖2)便可隨後用於製造風力渦輪葉片或其零件(或其 它產品)。在模具上鑄造葉片時，模具內部光滑的表面40將接收葉片成分。在模具IO中鑄 造之後，加熱元件網狀物16主要用來固化所形成的葉片結構。加熱元件網狀物16通常通 過焊接或釺焊的金屬或合金線46而連接至外部電源44。藉助於熱分配層，加熱元件網狀物 16通常能夠在製造過程中根據要求提供受控並且分散的熱輸出，以便使模鑄的物體如葉片 的固化和後固化達到最佳程度。 在前文中描繪的模具單元10僅為了說明目的而描述為具有均勻內部表面的結 構。根據使用模具10進行鑄造的葉片或葉片零件的結構，模具的內表面40可具有肋狀物、 梁、剌突等特徵，這些特徵或在模具本身構造的過程中或在初始的模具形成之後通過連接 而一體地形成到模具結構中。 儘管為說明目的而對典型實施例進行了闡述，但以上描述不應視為對本發明範圍 的限制。相應而言，本領域的技術人員可想到多種變更、改進和備選方案，而並不背離本發 明的精神和範圍。
權利要求
一種製造模具的方法，包括提供具有預定形狀的支承結構；在所述支承結構上施加熱分配層；在所述熱分配層上施加加熱元件網狀物；在所述加熱元件網狀物上施加至少一層玻璃成分層；將樹脂成分施加到所述加熱元件網狀物和所述至少一層玻璃成分層中的各者上；以及使所述熱分配層、所述加熱元件網狀物、所述至少一層玻璃成分層以及所述樹脂成分形成為一體，以便形成模具單元。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述加熱元件網狀物包括碳。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述加熱元件網狀物包括梭織織物、編織 形式或針織形式的任意組合。
4. 一種模具本體，包括 熱分配層；布置在所述熱分配層上的至少一層加熱元件網狀物層；布置在所述至少一層加熱元件網狀物層上的至少一層玻璃成分層，其中，所述熱分配 層、所述至少一層加熱元件網狀物和所述至少一層玻璃成分層由固化的樹脂所包封。
5. 根據權利要求4所述的模具本體，其特徵在於，所述模具本體還包括聯接至所述至 少一層加熱元件網狀物層上的電連接件。
6. 根據權利要求4所述的模具本體，其特徵在於，電源線通過合金連接至所述加熱元 件網狀物上。
7. 根據權利要求4所述的模具本體，其特徵在於，所述加熱元件網狀物包括梭織織物、 編織形式或針織形式的任意組合。
8. 根據權利要求4所述的模具本體，其特徵在於，所述加熱元件網狀物層包括波狀部。
9. 一種製造模具的方法，包括 提供具有預定形狀的支承結構； 在所述支承結構上施加熱分配層； 在所述熱分配層上施加至少一層碳網狀物層； 在所述至少一層碳網狀物層上施加至少一層玻璃網狀物層；將樹脂施加到所述至少一層碳網狀物層和所述至少一層玻璃網狀物層中的各者上；以及使所述熱分配層、碳網狀物層、玻璃網狀物層和所述樹脂形成為一體，以便形成模具單元。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述碳網狀物包括梭織織物、編織形式 的碳或針織形式的碳的任意組合。
全文摘要
本發明涉及具有一體式加熱的模具及其製造方法。具體而言，提供了製造模具的方法以及通過該方法製造的模具。模具通過以下方式製造提供具有預定形狀的支承結構；在支承結構上施加熱分配層；在熱分配層上施加加熱元件網狀物；在加熱元件網狀物上施加至少一層玻璃成分層；將樹脂成分施加到加熱元件網狀物和至少一層玻璃成分層中的各者上；以及使熱分配層、加熱元件網狀物、至少一層玻璃成分層和樹脂成分形成為一體，以便形成模具單元。
文檔編號B29C33/38GK101780697SQ200910258758
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月10日 優先權日2008年12月10日
發明者T·科爾維恩 申請人:通用電氣公司