利用树脂浸渍纤维材料的设备和形成纤维加强的塑料部件 的方法 技术领域 本文所述的主题大体涉及用于形成纤维加强的塑料部件的方法和系统， 且更具体 地涉及用于形成诸如飞行器翼或风力涡轮转子叶片的翼梁帽这样的具有高纤维体积含量 的纤维加强的塑料部件的方法和系统。
背景技术 至少某些已知的风力涡轮包括塔架和安装在塔架上的机舱。 转子可旋转地安装到 机舱上且由轴联接到发电机。多个转子叶片从转子延伸。叶片被定向成使得经过叶片的风 转动转子且使轴旋转， 从而驱动发电机发电。
除了形状之外， 转子叶片的尺寸和重量是相应对风力涡轮的能量效率和能量产量 有贡献的因素。随着转子叶片尺寸增大， 能量产量通常也增加。因此做出持续不断的努力 以在给定转子叶片强度下增加转子叶片尺寸和降低转子叶片重量。目前， 具有高达 126 米 直径的转子叶片组件的大型风力涡轮能够生成数兆瓦功率。 转子叶片的所希望的长期稳定 性和结构完整性典型地导致随着转子叶片的尺寸增加生产成本增加。典型地， 较大的转子 叶片至少部分地由或作为树脂加强的塑料部件制造。因此， 需要改进对纤维加强的塑料部 件的制造， 特别是诸如转子叶片的翼梁帽这样的承载纤维加强塑料部件。
发明内容
在一个方面， 提供一种用于形成纤维加强的塑料部件的方法。 该方法包括 ： 提供模 具； 提供振动发生器 ； 将纤维材料放置于模具中 ； 当纤维材料和树脂经受振动时用树脂浸 泡纤维材料， 以及使树脂固化。
在另一方面， 提供用于形成纤维加强的塑料部件的另一方法。 该方法包括 ： 提供模 具； 提供振动发生器用于产生声场 ； 利用树脂来湿润纤维材料 ； 将纤维材料放置于模具内 ； 使纤维材料和树脂经受声场 ； 以及使树脂固化。
在又一方面， 本发明提供一种利用树脂来浸渍纤维材料的设备。该设备选自由以 下组成的组 ： 包括模具和声源的设备， 该模具用于利用树脂来浸泡纤维材料， 声源适于在浸 泡期间使纤维材料和树脂经受声场 ； 包括至少一个浸泡辊和声源的设备， 至少一个浸泡辊 用于利用树脂来湿润纤维材料， 声源适于在纤维材料经过至少一个浸泡辊时和 / 或经过至 少一个浸泡辊之后使纤维材料和树脂经受声场 ； 以及， 包括至少一个压紧辊和声源的设备， 至少一个压紧辊适于压制经树脂湿润的纤维材料， 声源适于在经树脂湿润的纤维材料经过 至少一个压紧辊之前和 / 或期间和 / 或之后使经树脂湿润的纤维材料经受声场。
从从属权利要求、 说明书和附图中， 本发明的另外的方面、 优点和特征是显而易见 的。 附图说明在说明书的其余部分中， 包括参考附图， 向本领域技术人员更具体提出了包括其 最佳实施方式的全面的并能实现的公开， 在附图中 ：
图 1 是示范性风力涡轮的透视图 ；
图 2 是可用作图 1 所示的风力涡轮的转子叶片的示范性叶片的透视图 ；
图 3 是图 2 所示的叶片的示意性截面图 ；
图 4 是根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的模具的示意图 ；
图 5 是根据另一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的模具的示意图 ；
图 6 是根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的模具的示意图 ；
图 7 是根据实施例用于浸渍纤维材料的树脂浴池的示意图 ；
图 8 是根据实施例用于利用树脂渗透纤维材料的模具和设备的示意图 ；
图 9 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法 ；
图 10 示出根据另一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法 ；
图 11 示出根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法 ；
图 12 示出根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法 ；
图 13 示出根据又一实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法 ；
图 14 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法。 附图标记 风力涡轮 10 塔架 12 支承系统 14 机舱 16 转子 18 可旋转的轮毂 20 转子叶片 22 负荷转移区 26 方向 28 旋转轴线 30 声源 50， 51， 70-73 模具 100， 200， 300， 400 管件 110， 111 树脂储集器 120 泵 130 真空袋 150 树脂浴池 450 叶片中部 220 叶片根部 221 叶片梢部 222 叶片轴线 225 叶片壳体 230弦线 240 翼梁 250 翼梁帽 251， 252 纤维材料 500， 520 经树脂湿润的纤维材料 510 树脂 550 设备 700 储存单元 710 预热单元 730 辊 731， 732 加热器 733 浸渍 / 湿润单元 740 浸泡辊 741， 742 压制单元 750 压紧辊 751， 752 拉动单元 760 分配单元 770 制造方法 1000-1004 提供模具的过程 1100 预热过程 1170 将纤维材料放置到模具中的过程 1200 在振动期间利用树脂浸泡纤维材料的过程 利用树脂湿润纤维材料的过程 1310 压制过程 1400 使树脂固化的过程 16001300具体实施方式
现将详细地参考各个实施例， 其中的一个或更多个示例在每个附图中示出。每个 示例通过解释来提供而并不意味作为限制。例如， 作为一个实施例的一部分的示出或描述 的特征可用于其它实施例或者结合其它实施例使用以得到又一实施例。 意图是本公开包括 这些修改和变化。
本文所述的实施例包括用于利用树脂来浸渍纤维材料的设备和形成纤维加强的 塑料部件的方法。 这些设备和方法相应通过向树脂和纤维材料施加声场和振动有助于利用 树脂更快速和 / 或更均匀地浸泡纤维材料。而且， 可浸泡更复杂的、 例如更厚的纤维材料。 因此， 可减少固化循环和总的生产成本。 而且， 可减小形成干斑的可能性且因此提高纤维加 强的塑料部件的品质。特别地， 可使用所描述的设备和 / 或方法来制造用于承载高负荷的 纤维加强的塑料部件， 诸如叶片的根部段， 以及在风力涡轮转子叶片和飞行器翼中所用的 抗剪腹板和翼梁帽。
如本文所用的术语 “叶片” 和 “翼” 意图表示当相对周围的流体运动时提供反作用力的任何装置。如本文所用的术语 “风力涡轮” 意图表示从风能产生旋转能且更具体地将 风的动能转化成机械能的任何装置。如本文所用的术语 “风力涡轮” 特别应涵盖从风能所 产生的旋转能产生电力的装置。
术语 “纤维加强的复合物” 和 “纤维加强的塑料” 在本文中同义地使用。如本文所 用的术语 “纤维加强的复合物” 和 “纤维加强的塑料” 意图描述具有利用纤维加强的聚合物 基体的复合材料。纤维加强的塑料部件通常用于航空、 汽车、 船舶和建筑工业。典型示例包 括 ( 但不限于 ) 车辆部件、 风力涡轮的机舱和转子叶片、 直升机螺旋桨的叶片， 和飞行器的 部件， 诸如飞行器机身、 飞行器翼和飞行器螺旋桨的叶片。其中， 主要关于风力涡轮的转子 叶片解释实施例， 但典型地也适用于其它纤维加强的塑料部件。
通常， 纤维加强的复合物通过利用树脂或塑料浸渍纤维材料且之后使树脂或塑料 固化来形成。纤维材料可以以许多传统的形式利用， 诸如散纤维、 纤维垫或纤维束诸如粗 纱。纤维垫可提供为编结的、 单向的、 编织的织物， 针织的织物， 漩涡织物， 毡垫， 缠绕物等。 通过使用本领域已知的技术还可进一步加强纤维的强度， 诸如 ( 但不限于 ) 通过在一定方 向使纤维定向来形成多个层或铺层， 以及类似的方法。还应了解的是术语 “纤维垫” 也可指 至少两个纤维垫的堆叠。 能承载较重负荷的纤维加强的塑料部件典型地由作为纤维材料的 双轴纤维垫、 双轴纤维垫的堆叠和 / 或粗纱制成。 可用于纤维材料的示范性纤维包括 ： 碳纤维 ( 例如， 来自 Toray Industries， Inc. 的 T800、 T700、 T620 和 T600 ； 来自 Hexcel Corporation 的 IM7 和 AS4 ； 以 及， 来自 Toho Tenax， Inc. 的 STS 和 HTS)， 玻璃纤维 ( 例如， 来自诸如 PPG、 AGY、 St.Gobain、 Owens-Corning 或 Johns Manville 供应商的石英、 E- 玻 璃、 S-2 玻璃、 R 玻璃 )， 聚酯纤维， 聚酰胺纤维 ( 诸如可来自 E.I.DuPont， Wilmington， DE， TM USA 的 NYLON 聚酰胺 )， 芳香聚酰胺纤维 ( 诸如可来自 E.I.DuPont， Wilmington， DE， USA TM TM 的 KEVLAR 芳香聚酰胺 ； 或者可来自奥地利 Lenzing Aktiengesellschaft 的 P84 芳香 聚酰胺 )， 聚酰亚胺纤维 ( 诸如可来自 E.I.DuPont， Wilmington， DE， USA 的 KAPTONTM 聚酰 亚胺 )， 延长链聚乙烯 ( 诸如来自美国新泽西州莫里斯敦 (Morristown， NJ， USA)Honeywell TM International Inc. 的 SPECTRA 聚乙烯 ； 或者来自 Toyobo Co.， Ltd. 的 DYNEEMATM 聚乙 烯 )， 或 DSM、 硼纤维等。
典型地， 树脂包括至少一种可固化的单体。单体可具有至少一种异氰酸酯单元、 酯单元、 乙烯单元、 环醚单元或者环氧化物单元、 氧杂环丁烷单元等或其组合。合适的 可固化单体包括 ： 不饱和聚酯， 诸如可来自 Reichhold 的 聚酯树脂， 可来 TM 自 DSM 的 聚酯树脂， 可来自 Ashland 的 AROPOL 聚酯树脂 ； 乙烯酯， 诸如 可来自 Reichhold 的 和 树脂， 可来自 Ashland 的 DERAKANE 和 树脂， 可来自 DSM 的 ATLAC E树脂 ； 丙烯酸酯、 二丙烯酸酯、 二甲基丙烯酸酯、 多官能基丙烯酸酯和多官能基 丙烯酸酯， 诸如聚酯丙烯酸酯、 环氧丙烯酸酯和丙烯酸氨酯等， 可来自诸如 Cytec Surface Specialties、 Sartomer、 Rahn 和 BASF 公司。可固化的单体典型地基于纤维复合物的总重 量以从大约 10％重量至大约 90％重量的范围存在， 且更优选地， 基于纤维复合物的总重量 以从大约 20％重量至大约 80％重量的范围存在。
含至少一个环醚单元的合适的树脂包括脂肪族环氧树脂、 脂环族环氧树脂， 诸如 TM TM 来自 Dow Chemical Company 的 ERL-4221、 CYRACURE UVR-6110、 CYRACURE UVR-6107 和 TM CYRACURE UVR-6105 和来自 Cytec Surface Specialties 的 1500 ； 双酚 -A 环氧树脂、 双酚 -F 环氧树脂、 酚醛环氧树脂、 甲酚醛环氧树脂、 联苯环氧树脂、 多官能基环 氧树脂 ( 即， 包括两个或更多个环氧基的环氧树脂 )、 萘环氧树脂 ( 例如来自 Dainippon Ink and Chemicals 的 EXA-4700)、 二乙烯基苯二氧化物 (divinylbenzene dioxide)、 2- 苯基缩水甘油醚、 双茂型环氧树脂 ( 例如， 来自 Dainippon Ink and Chemicals 的 HP-7200)、 多芳族树脂型环氧树脂等或者其组合。所有这些环氧树脂类别 是本领域中已知的且是普遍易得的且通过已知方法可广泛利用和制备。另外， 可使用来自 CTP GmbH 和 BASF 的用于环氧树脂的潜固化剂， 诸如 Baxxodur。另外的示例包括 Hexion TM Specialty Chemicals 的 EPIKOTE 系统， 诸如 EPIKOTETM 树脂 RIMR 135 和 EPIKURETM 固化剂 RIMH 134-RIMH 137 和 EpikoteTM 树脂 RIMR 145 和 EpikureTM 固化 剂 MGS RIMH 145。特别合适的环氧树脂和固化过程的其它示范性示例描述于例如美国专 利 Nos.4,882,201、 4,920,164、 5,015,675、 5,290,883、 6,333,064、 6,518,362、 6,632,892、 6,800,373 ； 美国专利申请公布 No.2004/0166241 和 WO 03/072628 A1。也可应用多官能氧 杂环丁烷树脂。 所有这些树脂应关于用于产生具有所希望的机械和环境性质的风力涡轮的纤维 加强的复合部件的特别的纤维加强来选择。在将硬化剂 / 催化剂混合到树脂中之后， 树脂 通常在真空下被除气， 以从液体树脂消除或移除所有夹带的空气。树脂典型地能经历热和 时间的真空压力循环环境而不会形成气泡或空隙。
另外， 在纤维复合物中可存在填料。填料可包括有机填料或无机填料、 加强填料、 延伸填料、 纳米粒子等或其混合物。在特定实施例中， 填料通常包括加强填料， 诸如 ( 但不 限于 ) 极限强度高于不锈钢的极限强度的纤维。填料可为 UV 透明的填料， 诸如 ( 但不限 于 ) 玻璃、 硅石、 烟制硅石、 氧化铝、 氧化锆、 纳米粒子等。替代地， 填料可为 UV 不透明的填 料， 诸如 ( 但不限于 ) 碳纤维、 炭黑、 碳化硅、 氮化硼、 氧化锆、 二氧化钛、 白垩、 硫酸钙、 硫酸 钡、 碳酸钙、 硅酸盐 ( 诸如滑石、 云母或高岭土 )、 硅石、 氢氧化铝、 氢氧化镁， 或者有机填料， 诸如聚合物粉末、 聚合物纤维等。 在本文中， UV 不透明意味着材料阻挡 UV 辐射或吸收 UV 辐 射或者这两种情况。 本领域技术人员将认识到， 根据诸如物理形式或合成方法这些因素， 某 些填料可为 UV 不透明的或 UV 透明的。也可使用多于一种填料的混合物。填料可在组合物 中基于纤维组合物的总重量在从大约 1％重量至大约 90％重量的范围中且更典型地在从 大约 10％重量至大约 80％重量的范围中存在。更优选地， 填料可基于纤维复合物的总重量 在从大约 30％至大约 75％重量的范围中存在。
图 1 示出示范性风力涡轮 10 的透视图。在示范性实施例中， 风力涡轮 10 是水平 轴线风力涡轮。替代地， 风力涡轮 10 可为竖直轴线风力涡轮。在示范性实施例中， 风力涡 轮 10 包括 ： 塔架 12， 其从支承系统 14 延伸 ； 机舱 16， 其安装于塔架 12 上 ； 以及转子 18， 其 联接到机舱 16。转子 18 包括可旋转的轮毂 20 和至少一个转子叶片 22， 至少一个转子叶片 22 联接到轮毂 20 且从轮毂 20 向外延伸。在示范性实施例中， 转子 18 具有三个转子叶片 22。在替代实施例中， 转子 18 包括多于三个或少于三个转子叶片 22。在示范性实施例中， 塔架 12 由管状钢制成以限定支承系统 14 与机舱 16 之间的腔 ( 在图 1 中未示出 )。在替代
实施例中， 塔架 12 是具有任何合适高度的任何合适类型的塔架。
转子叶片 22 绕轮毂 20 间隔开以有助于旋转转子 18 以使动能能够从风中转化成 可用的机械能且随后成为电能。通过将叶片根部 221 在多个负荷转移区 26 联接到轮毂 20 而使转子叶片 22 与轮毂 20 配合。负荷转移区 26 具有轮毂负荷转移区和叶片负荷转移区 ( 均未在图 1 中示出 )。引向转子叶片 22 的负荷经由负荷转移区 26 转移到轮毂 20。
在一个实施例中， 转子叶片 22 具有从大约 15 米 (m) 至大约 90m 范围的长度。或 者， 转子叶片 22 可具有使风力涡轮 10 能够如本文所述起作用的任何合适的长度。例如， 叶 片长度的其它非限制性示例包括 10m 或更小， 20m， 37m， 或者大于 91m 的长度。随着风从方 向 28 冲击转子叶片 22， 转子 18 绕旋转轴线 30 旋转。 另外， 在示范性实施例中， 随着方向 28 变化， 机舱 16 的偏航方向可绕偏航轴线 38 被控制以相对于方向 28 定位转子叶片 22。当 转子叶片 22 旋转且经受离心力时， 转子叶片 22 也经受各种力和力矩。因此， 希望转子叶片 22 在较长时间承载较重的且变化的机械负荷。
图 2 示出用作图 1 的风力涡轮 10 中的转子叶片 22 的叶片 22 的示意图。叶片 22 成形为中空的空气动力学轮廓主体， 其在纵向上从叶片根部或凸缘 221 延伸到转子叶片梢 部 222。此纵向限定了纵向叶片轴线 225。叶片根部 221 典型地安装到风力涡轮的可旋转 的轮毂。空气动力学轮廓由壳体 230 的外表面形成。为了使重量最小， 外壳体 230 典型地 比较薄。 因此， 机械稳定性和刚度相应典型地主要由内部翼梁来实现， 内部翼梁沿着叶片的 中心部分 220 延伸。图 3 更详细地示出这种情况。 图 3 以垂直于纵向叶片轴线的示意截面图示出图 2 所示的叶片 22。 示范性转子叶 片 22 包括在壳体 230 内的翼梁 250。壳体 230 典型地由纤维复合物层和轻质芯层制成且限 定叶片 22 的外部空气动力学形状或翼型件。翼梁 250 包括两个翼梁帽， 即底部翼梁帽 251 和顶部翼梁帽 252。相应地， 翼梁帽 251、 252 沿纵向在转子叶片 22 的下内侧和上内侧上延 伸且提供增加的转子叶片强度。典型地， 翼梁帽 251 和 252 作为纤维加强的塑料部件形成。 一个或更多个抗剪腹板 255 通常垂直于顶部翼梁帽 252 和底部翼梁帽 251 且在顶部翼梁帽 252 和底部翼梁帽 251 之间延伸。
另外， 转子叶片 22 可由两个叶片半件制成， 这两个叶片半件沿着弦线 (cord line)240 分开。 叶片半件典型地通过纤维垫的层压在模具中形成。 并行于形成叶片半件的 外部半壳体或者在叶片半件的外部半壳体形成之后， 上部翼梁帽 252 和下部翼梁帽 251 相 应被层压且胶合到叶片半件上。之后， 两个叶片半件安装在一起且抗剪腹板 255 安装于翼 梁帽 251 与 252 之间， 典型地通过胶合。叶片半件可已由制造商紧固在一起或者在风力涡 轮直立期间紧固在一起。
典型地， 翼梁帽在模具中作为玻璃纤维加强的塑料部件或者碳纤维加强的塑料部 件形成。翼梁帽典型地由具有高纤维体积含量的双轴纤维垫、 这种纤维垫的堆叠或压制的 粗纱形成。这向叶片提供充分的机械稳定性。如本文所用的术语 “高纤维体积含量” 意图 描述在从大约 55％体积至大约 58％体积的范围中的纤维含量。
根据本发明的实施例， 在树脂渗透纤维材料时， 树脂和因此纤维材料经受振动， 典 型地为次声振动和 / 或超声振动。振动可相应导致树脂的减小的黏度和纤维材料的增加的 湿润速度。因此， 可改进渗透速度。另外， 可在树脂渗透期间形成的小空气泡在经受振动时 可更容易地从湿润的纤维材料中选出。因此， 可减小在树脂浸渍的纤维材料中小空气泡的
尺寸和 / 或数量。因此， 可减小在所形成的纤维加强的塑料部件中干斑的数量和 / 或尺寸。 因此， 可改进固化产品的品质。
如本文所用的术语 “振动” 意图描述在给定温度下材料绕平衡点的机械振荡。机 械振荡可为周期性的且典型地由一个或更多个声源或发射器而引起。 机械振荡的频率可从 低于一 Hz 至数百 MHz 变动。换言之， 振动可为频率低于 20Hz 的次声振动、 在从大约 20Hz 至大约 20kHz 频率范围的声振动或者在从大约 20kHz 至大约 200Khz 频率范围的超声振动。 振动的频率可为固定的或可变的。而且， 若干频率可叠加以形成特定的声分布。例如， 增加 纤维材料的湿润速度的第一频率的振动 ( 例如次声振动 ) 可与促进小气泡除气的第二频率 的振动 ( 例如， 超声振动 ) 叠加。 振动通典型地由一个或更多个声源或振动发生器引起。 术 语 “声源” 和 “振动发生器” 在本文中同义地使用。如本文所用的术语 “声源” 和 “振动发生 器” 意图描述被设计成引起周围的或邻接的材料 ( 诸如空气或另一装置 ) 的机械振荡的任 何装置。 典型示例包括 ( 但不限于 ) 扬声器、 超声变换器、 振动筛和振动磨砂机 (vibration sander)。
图 4 示意性地示出用于形成纤维加强的塑料部件的模具 100 的实施例。模具 100 配备有声源 50， 诸如扬声器或超声发射器。 在图示实施例中， 声源 50 布置于模具 100 上方。 因此， 放置于模具 100 内的纤维材料 500 可经受声场。在如由虚线箭头所示利用树脂 550 湿润和 / 或浸泡纤维材料 500 期间声场从声源 50 经由空气传输到模具 100。这样一来， 树 脂 550 也经受声场。声场引起纤维材料 500 和树脂 550 的振动。这可导致树脂 550 的增加 的渗透速度。因此， 可缩短固化循环的时间。而且， 树脂可被调整至更短的适用期或工作寿 命。因此， 可增加模具 100 的生产能力， 而可降低所形成的纤维加强的塑料部件的生产成 本。纤维材料 500 的浸渍或湿润可得到改进使得在浸渍的或湿润的纤维材料中的空气泡的 数量和 / 或尺寸减小。因此， 可减小在所形成的纤维加强的塑料部件中干斑的数量和 / 或 尺寸。因此可改进所形成的纤维加强的塑料部件的机械性质。
根据本发明的实施例， 声源为次声源。次声振动的频率典型地在从大约 0.1Hz 至 大约 40Hz 的范围中， 更典型地在从大约 2Hz 至大约 20Hz 的范围中。因此， 可增加树脂渗透 到纤维材料内的速度。例如， 发现通过施加大约 5Hz 至 10Hz 的次声振动， 纤维材料湿润的 速度可被增加大约 25％至大约 80％。
根据本发明的其它实施例， 声源为超声源。 因此， 可减小在浸渍的或湿润的纤维材 料中空气泡的数量和 / 或尺寸。
根据本发明的实施例， 在纤维材料 500 浸渍或湿润期间模具 100 还经受振动。 典型 地， 选择声场的功率密度使得模具 100 和 / 或纤维材料 500 的振动在触觉上可感知， 例如， 通过用指尖相应触摸模具 100 和纤维材料 500。模具 100 的触觉上可感知的次声振动被发 现导致湿润速度高达 80％的所提到的增加。声场的功率密度可为恒定的或变化的。
根据实施例， 纤维材料 500 基本上由散纤维组成。在其它实施例中， 纤维材料 500 包括编织的织物、 非编织的织物或粗纱。在另外的实施例中， 纤维材料 500 基本上由编织的 织物、 非编织的织物或粗纱组成。 然而， 在模具 100 中也能使用不同的纤维材料 500 的组合。
根据实施例， 声源 50 产生大致平行于纤维材料的主取向方向传播的纵向声波。例 如， 纵向波可沿着粗纱传播， 粗纱彼此大致平行地放置于模具 100 中。
根据另外的实施例， 声源 50 产生大致垂直于纤维材料的主取向方向传播的纵向波。纤维材料可具有多于一个主取向方向。例如， 双轴纤维垫可具有两个主取向方向。因 此， 纵向波可同时大致平行于纤维材料的第一取向方向且大致垂直于纤维材料的第二取向 方向传播。
根据实施例， 声源 50 可相对于模具 100 移动。因此， 声源 50 可产生相应以不同的 时间间隔大致平行于和垂直于纤维材料的主取向方向传播的纵向波。而且， 声源可绕主取 向方向旋转。因此， 纵向波的传播方向可绕纤维材料的取向方向旋转。
根据本发明的实施例， 通过使经树脂浸溃的纤维材料的树脂固化来在模具 100 中 形成纤维加强的塑料部件。根据树脂类型， 可通过热固或 UV 暴露来进行固化。固化更长的 纤维复合物的激活典型地通过加热树脂 550 来进行。
根据某些实施例， 模具 100 仅用于纤维材料 500 的振动支持的浸渍。因此， 具有改 进性质 ( 例如关于所述包围的空气泡 ) 的预浸渍的纤维复合物可在模具 100 中形成。预浸 渍的纤维复合物通常呈编织物的形式或者为单向的、 诸如预浸渍的粗纱。 然而， 预浸渍的复 合物也可呈编织或针织的织物的形式， 诸如双轴、 三轴或四轴材料。
图 5 示意性地示出用于形成纤维加强的塑料部件的模具 200 的实施例。图 5 的模 具 200 类似于图 4 的模具 100。然而， 代替使用在模具上方的声源， 两个声源 50 和 51 直接 联接到模具 200。因此， 在树脂浸泡期间， 由声源 50、 51 所产生的振动经由模具 200 的主体 传输到纤维材料 500 和树脂 550。将一个或更多个声源直接联接到模具 200 可导致纤维材 料 500 和渗透的树脂更均匀地经受声场。因此， 可进一步改进固化的纤维加强塑料部件的 产品品质。典型地， 这对于较大部件和 / 或能承载较重机械负荷的部件特别有用， 诸如转子 叶片的翼梁帽。声源 50、 51 例如可为扬声器、 超声变化器、 振动筛或振动磨砂机。 根据本发明的另外的实施例， 声源产生声场使得纵向波大致平行于和 / 或垂直于 纤维材料的主取向方向在纤维材料和 / 或树脂中传播。声源可布置成使得纵向波的传播方 向可绕纤维材料的取向方向旋转。声源可发出由相等频率组成的或不同频率组成的声音。 例如， 一个声源可发出次声以改进渗透速度， 而另一声源可发出超声以改进除气。
根据其它实施例， 至少某些声源并行地发出声音。声源的发声模式可具有时间相 依性。例如， 发声模式可根据树脂渗透到纤维材料内的过程而变化。例如， 声场的功率密度 可随着时间减小且因此可节省能量。
图 6 示意性地示出用于形成纤维加强的塑料部件的模具 300 的实施例。图 6 的模 具 300 相应类似于图 4 的和图 5 的模具 100 和 200。图 6 的模具 300 还配备有树脂储集器 120、 真空泵 130、 封闭纤维材料 500 的真空袋 150 和管件 110、 111。管件 110 和 111 相应将 真空袋与真空泵 130 和树脂储集器 120 相连接。
如由管件 110 上方的箭头所示， 在浸泡期间， 真空袋 150 经由管件 110 在侧向被抽 空。因此， 树脂 550 从储集器 120 流经管件 111 到真空袋 150， 如由管件 111 上方的箭头所 示。这样一来， 树脂被吸入到纤维材料 500 内。根据实施例， 这个过程由振动支持， 振动由 附连到模具 300 的一个或更多个声源 50 在树脂 550 和纤维材料 500 中引起。因此， 可改进 模具的输出和 / 或固化产品的品质。
具有高纤维体积含量的纤维材料典型地用于形成能承载较重机械负荷的纤维加 强的塑料部件。 例如， 翼梁帽典型地使用高纤维体积含量的双轴纤维垫堆叠或粗纱来形成。 机械上较强但轻质的翼梁帽也可由所述过程形成。特别地， 振动促进的树脂浸渍导致更高
的生产量和同时改进的产品品质。
根据本发明的另外的实施例， 纳米微粒填料， 如 Al2O3 粒子或硅石粒子添加到树 脂。填料基于纤维复合物的总重量典型地以在组合物中从大约 10％重量至大约 80％重量 的范围中且更典型地在从大约 30％重量至大约 45％重量的范围中存在。因此， 可进一步 增强诸如翼梁帽这样的纤维加强的塑料部件。特别地， 可增加碳纤维加强的塑料部件的压 缩强度。例如， 通过增加纳米粒子的重量 38％， 单向碳纤维复合物的压缩强度可增加大约 34％。典型地， 纳米粒子的尺寸在从大约 5nm 至大约 500nm 的范围中， 更通常地在从大约 10nm 至大约 50nm 的范围中。根据纳米粒子的浓度和尺寸， 树脂的黏度可增加高达两个数 量级或甚至更多。因此， 利用具有纳米微粒填料的树脂湿润纤维材料的速度典型地减小。 然而， 在纤维材料湿润或浸渍期间可通过振动显著地减小利用纳米微粒填料湿润树脂的速 度。
图 7 示意性地示出用于利用树脂 550 来浸渍纤维材料 500 的容器或树脂浴池 450 的实施例。树脂浴池 300 配备有声源 50。在图 7 的实施例中， 声源 50 布置于模具 100 上 方。 然而， 在其它实施例中声源 50 附连到树脂浴池 300 的主体或与树脂 550 直接机械接触。
当使树脂经受声场时， 纤维材料 500 浸没于树脂 550 中且被拉动通过树脂 550。 由 于在树脂 550 和纤维材料 500 中引起振动， 纤维材料 500 可被树脂 550 更快和 / 或更好地 浸渍。因此， 可缩短在树脂浴池 300 中的停留和 / 或可改进浸渍的纤维材料的品质。 图 8 示意性地示出用于利用树脂浸渍纤维材料 500 的模具 400 和设备 700 的实施 例。设备 700 包括含纤维材料 500 的供应单元 710。例如， 纤维材料 500 可存储为成卷的或 缠绕的纤维材料包 520， 如在图 8 所示。纤维材料 500 例如可包括存储于相应心轴 520 中的 一个或更多个粗纱。替代地， 设备 700 可包括用于从输送机接收纤维材料 ( 例如纤维垫 ) 的输入单元 ( 未图示 )。
设备 700 包括预热单元 730， 纤维材料 500 运行通过预热单元 730。纤维材料 500 经过布置于单元 730 的两个导辊 731 与 732 之间的加热器 733。根据具体材料， 纤维材料 500 典型地从大约 40℃预热到大约 60℃。因此可改进随后浸渍纤维材料 500 的过程。
设备 700 典型地包括浸渍或湿润单元 740， 纤维材料 500 被进给通过浸渍或湿润单 元 740。例如， 浸渍或湿润单元 740 包括至少一个声源 70， 其通过施加声场相应地促进湿润 过程和浸渍过程。
在图 8 的实施例中， 浸渍单元 740 包括两个浸泡辊 741 和 742。浸泡辊 741 和 742 利用从储集器 720 提供的树脂 550 来湿润纤维材料 500， 如虚点线所示。声源 70 通过经由 空气传输声场可引起树脂 550 和纤维材料 500 的振动。替代地， 一个或两个声源可直接联 接到一个或两个浸泡辊 741 和 742。因此， 一个或两个浸泡辊 741 和 742 振动且传送振动到 经过的纤维材料 500 和树脂 550。
在其它实施例中， 单元 740 包括树脂浴池， 纤维材料浸没在其中同时树脂和纤维 材料经受振动。
根据具体材料， 纤维材料典型地以大约 0.5m/min 至大约 5m/min 的速度被供给通 过单元 740 和设备 700。由于相应由振动促进的湿润和浸渍， 可增加设备 700 的生产量和 / 或改进浸渍纤维材料的品质。
根据另外的实施例， 在单元 730 中利用树脂 550 浸渍之后， 纤维材料 500 经受声
场。因此， 可进一步改进浸渍。为此目的， 一个或更多个声源 71、 72 和 73 设于设备 700 中。 经树脂湿润的纤维材料 510 经由空气 ( 如对于声源 71 和 73 所示 ) 或者经由附加的辊 751 可经受声场。
根据图 8 的实施例， 设备 700 还包括具有两个压紧辊 750、 751 的压制单元 750。压 紧辊 750、 751 压制经树脂湿润的纤维材料 500。例如， 纤维材料 500 被提供为具有圆形横 截面的粗纱。压紧辊 750、 751 可用于压平粗纱。因此， 粗纱的圆形横截面变形成矩形横截 面使得粗纱随后可更致密地放置到模具 100 上。压紧辊 752 联接到声源 72。因此， 压紧辊 752 振动且将振动传给经过的经树脂湿润的纤维材料 500。因此， 经树脂湿润的纤维材料 500( 即， 经树脂湿润的粗纱 ) 的树脂浸渍， 可通过振动进一步改进。替代地， 声源可集成到 压紧辊 752 内。而且， 也可能两个压紧辊 750、 751 联接到声源或包括声源或振动发生器。
在某些实施例中， 声源 70 至 73 中的至少一个为次声源。次声源被发现相应地特 别适用于促进纤维材料、 特别是具有高纤维体积含量的纤维材料和 / 或在纤维之间仅具有 较窄间隔的纤维材料 ( 诸如粗纱 ) 的渗透和浸渍。然而， 声源也可为超声源。
根据图 8 所示的实施例， 设备 700 还包括拉动单元 760， 拉动单元 760 从供应单元 710 拉动纤维材料经过预热单元 730、 浸渍单元 740 和压制单元 750。
典型地， 设备 700 还包括分配单元 770 用于输出经浸渍的纤维材料 510 到模具 400内。 典型地， 分配单元 770 可相对于模具 400 移动使得设备 700 可将经浸渍的纤维材 料 510 置于模具 100 内。
在随后的树脂固化方框中， 纤维加强的塑料部件典型地在模具 400 中形成。例如， 风力涡轮转子叶片的翼梁帽、 风力涡轮转子叶片的抗剪腹板、 风力涡轮转子叶片的叶片半 件或者风力涡轮机舱的一部分可在模具 400 中形成。
在下文中， 关于图 9 至图 13 来解释用于形成纤维加强的塑料部件的方法。
图 9 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的方法 1000。方法 1000 包括 提供模具的方框 1100 和提供振动发生器的方框 1150。振动发生器可为扬声器、 超声变换 器、 振动筛或振动磨砂机。振动发生器被布置成使得模具的内部和 / 或模具主体可经受声 场。振动发生器例如可直接联接到模具。典型地根据待成型的部件来选择模具的尺寸和内 部形状。 例如， 在将形成翼梁帽或转子叶片的情况下， 模具可具有数 10 米的纵向延伸部。 另 外， 在方框 1150 可提供若干振动发生器。例如， 若干振动发生器可沿着纵向延伸部且在模 具上方布置使得模具内部经受声场。
随后， 在方框 1200 中， 纤维材料、 例如双轴纤维垫的堆叠或压制粗纱放置于模具 中。振动发生器典型地布置成使得声场可施加到模具中的纤维材料。
根据本发明的实施例， 该方法 1000 还包括方框 1300， 用于在纤维材料和树脂经受 由振动发生器产生的振动时用树脂浸泡纤维材料。
在随后的方框 1600 中， 树脂被固化且因此使纤维加强的塑料部件形成。 可通过 UV 暴露或热固来进行固化。典型地， 通过热量来固化更大的纤维复合物。
如上文所解释的那样， 振动可导致减小的树脂黏度和因此树脂到纤维材料中的增 加的渗透速度和 / 或在纤维材料中更均匀的树脂分配。因此， 可缩短总的固化循环的时间。 而且， 树脂可被调整至更短的适用期。 因此， 可增加模具的生产能力且可降低所形成的纤维
加强的塑料部件的成本。另外， 可减小在纤维加强的塑料部件中所捕捉的空气的数量和 / 或尺寸。因此可改进纤维加强的塑料部件的机械性质。
根据实施例， 在方框 1300 中， 纤维材料被真空浸泡。由此， 纤维材料的更大部件可 利用树脂均匀地浸渍。可通过在浸泡纤维材料期间施加声场而加速真空浸泡过程和 / 或改 进产品品质。
根据另一实施例， 纤维材料和树脂在固化之前经受振动。因此， 改进树脂浸渍。然 而， 也可能的是固化或局部固化设置在浸泡方框 1300 内。
根据又一实施例， 方框 1300 中的浸泡过程在高于室温执行以进一步增加树脂的 黏度。因此， 可进一步提高湿润速度。对于热固树脂的情况， 在浸泡方框 1300 中， 树脂的温 度典型地低于固化温度。典型地， 在方框 1300 期间， 树脂温度在大约 30℃至大约 50℃的范 围中。
图 10 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的另一方法 1001。该方法 1001 典型地包括提供模具的方框 1100、 提供振动发生器的方框 1150 以及将纤维材料放置 于模具中的方框 1200， 如与图 9 的方框 1000 一起。该方法 1001 还包括利用树脂来湿润纤 维材料的方框 1310 和纤维材料及树脂 ( 即， 经树脂湿润的纤维材料 ) 经受声场 ( 即， 振动 ) 的随后的方框 1500。 经树脂湿润的纤维材料经受振动可加速树脂渗透到纤维材料内和 / 或 改进树脂在纤维材料中的分布的均匀性。因此， 可缩短总的加工时间和 / 或可改进在随后 的树脂固化的方框 1600 中所形成的纤维加强的塑料部件的品质。
图 11 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法 1002。 图 11 的方 法 1002 类似于图 10 的方法 1001。然而， 方框次序不同。在图 11 的实施例中， 相应地在利 用树脂湿润纤维材料的方框 1310 和纤维材料及树脂经受声场的方框 1500 之后在方框 1200 将纤维材料放置于模具中。例如可由参考图 8 所解释的设备 700 来执行方法 1002。
根据实施例， 在方法 1002 中所用的纤维材料为粗纱。因此， 在方框 1310 中利用树 脂来湿润粗纱。之后， 在方框 1500 经树脂湿润的粗纱经受声场且在方框 1200 中作为经树 脂浸渍的粗纱置于模具内。
振动的使用有助于浸溃具有高纤维体积含量的纤维材料。例如， 具有超过 12,000 个长丝、 例如大约 24,000 个、 48,000 个长丝或甚至更多长丝的粗纱可为在振动支持的浸渍 过程中浸渍的树脂。
图 12 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法 1003。 图 12 的方 法 1003 类似于图 11 的方法 1002 且也由参考图 8 所解释的设备 700 来执行。图 12 的方法 1003 用于粗纱。它还包括在方框 1500 与 1200 之间压制粗纱的方框 1400。压制粗纱将其 横截面从圆形变成大致矩形。因此， 可在模具中更致密地装填粗纱。因此， 增加在随后的方 框 1600 中固化的纤维加强的塑料部件的机械强度。
图 13 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法 1004。 图 13 的方 法 1004 类似于图 12 的方法 1003 且也由参考图 8 所解释的设备 700 来执行。图 13 的方法 1004 还包括预热粗纱的方框 1170。因此可改进在方框 1310 中随后湿润粗纱的过程。
图 14 示出根据实施例用于形成纤维加强的塑料部件的又一方法方案 1005。方 案 1005 的方法包括相应提供模具和振动发生器的初始方框 1100 和 1150。另外， 方法方案 1005 包括利用树脂来湿润纤维材料的方框 1310 ； 将纤维材料放置于模具中的方框 1200 ； 用于相应使树脂和 / 或纤维材料经受振动和声场的方框 1500 ； 以及， 用于固化树脂的最终方 框 1600。 用于经受振动的方框 1500 可在对应于虚线矩形 1500 的竖直延伸部的时间间隔期 间执行一次或多次。因此， 在图 14 中由箭头表示的方框的每个顺序对应于一类制造方法。 另外， 每类包括具有对于执行施加声场的方框 1500 的不同时间安排的若干制造方法。可由 方案 1005 的制造方法来表示参考图 9 至图 13 所解释的方法 1000 至 1004 中的每一个。
根据本发明的实施例， 方框 1500 与方框 1310 并行地和 / 或在方框 1310 之后进行。 因此， 可加速树脂到纤维材料内的渗透和 / 或在树脂分布均匀性和捕获纤维材料中的气泡 方面进行改进。
对应于由实箭头所示的顺序的方法之一示出图 9 的方法 1000。而且， 对应于虚点 箭头的方法之一示出图 11 的方法 1002。
根据实施例， 方框 1500 可以已用于对树脂进行除气和 / 或在方框 1310 中利用树 脂来湿润纤维材料之前降低树脂的黏度。
根据另一实施例， 用于压制纤维材料 ( 典型地粗纱 ) 的方框 1400 使用在方框 1310 与 1200 之间。这些方法对应于包括由虚箭头所示的子路径的方框的顺序。这些方法之一 示出图 12 的方法 1003。
根据又一实施例， 用于预热纤维材料 ( 典型地粗纱 ) 的方框 1170 在方框 1310 之 前使用。这些方法对应于包括由点箭头所示的子路径的方框的顺序。这些方法之一示出图 13 的方法 1004。
根据又一实施例， 在方框 1600 中固化树脂之前执行方框 1500。 然而， 方框 1500 也 可延长到固化方框 1600 中。
根据实施例， 作为振动促进的浸泡过程执行方框 1310， 典型地为振动促进的真空 浸泡过程， 如由虚线矩形 1300 所示。这意味着当向树脂和纤维材料施加声场时树脂被推动 或吸取穿过纤维材料。因此， 对应于实箭头的方法之一示出图 9 的方法 1000。
上述设备和方法通过使至少树脂、 典型地还有纤维材料经受振动而有助于利用树 脂更快和 / 或更均匀地浸泡和 / 或浸渍纤维材料。另外， 可减小在纤维加强的塑料部件中 干斑的尺寸和概率。因此， 根据本文所述的方法生产的纤维加强的塑料部件可具有改进的 机械性质和 / 或更短的固化循环。
在上文中详细地描述了用于形成纤维加强的塑料部件的系统和方法的示范性实 施例。系统和方法并不限于本文所述的特定实施例， 而是系统的构件和 / 或方法的步骤可 独立于或分离于本文所述的其它构件和 / 或步骤利用。实施例并不限于关于如本文所述的 风力涡轮转子叶片来实践。而是， 示范性实施例可结合纤维加强的塑料部件许多其它应用 来实施和利用。例如可利用本文所述的系统和方法的实施例来制造飞行器翼或其部件、 飞 行器螺旋桨或直升机螺旋桨的叶片和车辆外壳或其部件。而且， 较小的纤维加强的塑料部 件， 诸如医疗器械的外壳， 可利用本文所公开的系统和方法的实施例来制造。 使用碳纤维加 强的塑料部件来容纳医疗器械典型地改进器械的抗静电性质。 更高的树脂渗透速度允许模 具更高的生产量。因此， 对于较小的纤维加强塑料部件也降低了制造成本。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在另一些附图中 未示出， 但是这仅仅是为了方便。 根据本发明的原理， 附图中的任何特征可结合任何其它附 图的任何特征来参照和 / 或要求保护。该文字描述使用示例以公开本发明， 包括最佳实施方式， 并且也使本领域技术人 员能够实践本发明， 包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。尽管 在前文中公开了各种特定实施例， 但本领域技术人员应认识到权利要求的精神和范围允许 同等有效的修改。特别地， 上文所述实施例的相互非排它性的特征可彼此组合。本发明的 专利范围由权利要求限定， 并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示 例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件， 或者如果它们包括具有与权利要求的 字面语言无实质差别的等同结构元件， 则这种其它示例意图在权利要求的范围内。