DE60319150T2

DE60319150T2 - Vor-form und verfahren zum vorbereiten einer vor-form

Info

Publication number: DE60319150T2
Application number: DE2003619150
Authority: DE
Inventors: Anton Bech
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: DK1603723T3; AU2003215637A1; AU2003215637B2; EP1892071A2; US9180606B2; CA2517951C; AU2009201654A1; AU2008201192A1; ES2377536T5; CN101348009A; EP1603723B1; US8778106B2; AU2009201654B2; PT1603723E; EP1892071B1; EP2324979B1; ATE385884T1; DK1892071T4; ATE534498T1; ES2298632T5

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft faserverstärkte Verbundstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Halbfabrikat, das ein Harz und mehrere Schichten aus Faser-Towgarnen umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorformlinge, die Harz und Fasern umfassen, sind im Stand der Technik bekannt.
Das US-Patent 6,139,942 offenbart einen Vorformling mit einem Stapel aus partiell imprägniertem Stoff und nicht imprägniertem Stoff. Die Schichten eines derartigen Stapels können vor dem Härten gleiten und können daher schwierig zu handhaben sein. Es wird vorgeschlagen, Diagonalnähte zu verwenden, um dies zu verhindern, jedoch ist dieses Verfahren mühsam und kann bei der Härtung der Form des Stapels unerwünschte Beschränkungen auferlegen.
Das EP-Patent 0 475 883 offenbart ebenfalls einen Vorformling mit einer Mehrzahl von orientierten Faserschichten. Jedoch erfordert der Vorformling die Infusion eines Harzes zur Härtung, was zeitaufwändig sein kann und in einem gewissen Ausmaß die Umordnung der Fasern und des Harzes beim Härten verhindern kann.
Die WO 02/090089 offenbart ein Formungsmaterials mit einer Belüftungsstruktur in ansonsten kontinuierlichen Harzschichten. Die Belüftungsstruktur ist so ausgelegt, dass sie ermöglicht, dass Gas bei der Verarbeitung in der Ebene des Harzes und/oder in der Ebene des Verstärkungsmaterials aus dem Formungsmaterial entfernt werden kann. Wenn der Grundriss des Formungsmaterials zunimmt, wird dies aufgrund des erhöhten Risikos des Verstopfens bei der Verarbeitung eine noch unsicherere Weise, Gas aus dem Formungsmaterials zu entfernen.
Die FR 2794400 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials gemäß der Einleitung von Anspruch 1 bzw. 20 aus faserigen Lagen. Bei dem Ausgangsmaterial handelt es sich um Prepregs, d. h. imprägnierte Textillagen aus Fasern. Die Lagen werden gestapelt und zusammengeknüpft, wonach der Stapel in eine Oberflächenschicht eingewickelt wird.
ZIELE DER ERFINDUNG
Es ist das Ziel der Erfindung, einen Vorformling bereitzustellen, der zur Herstellung von verstärkten Verbundstoffen verwendet werden kann und der eine gute Reproduzierbarkeit, geringe Porosität und gute physikalische Eigenschaften besitzt.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Vorformling und ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings bereitzustellen, welche an eine automatisierte Verarbeitung angepasst werden können.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die obigen und weitere Ziele werden durch die Erfindung verwirklicht, wie in den Figuren, bevorzugten Ausführungsformen und Ansprüchen beschrieben und erklärt.
Ein Vorformling ist ein Verbundmaterial, das Fasern und – falls nicht anders angegeben – ein ungehärtetes Harz umfasst. Die Fasern sind bevorzugt in Schichten aus orientierten Fasern, wie zum Beispiel Faser-Towgarnen, oder Prepregs vorgesehen. Faser-Towgarne sind gegenüber Prepregs vorteilhaft. Weiter sind Faser-Towgarne gegenüber Prepregs vorteilhaft, indem sie mit einer größeren Freiheit in dem Vorformling bereitgestellt werden können, der Preis niedriger ist sowie die Abfallmenge niedriger sein kann. Die Erfindung stellt einen Vorformling bereit, der ein Harz und mindestens zwei Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen umfasst, jedoch nimmt der Vorteil der Verwendung eines Vorformlings oder eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung mit zunehmender Zahl der Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen zu. Demgemäß umfasst der Vorformling bevorzugt mindestens drei Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen. Eine höhere Zahl von Schichten, zum Beispiel 4, 5, 8, 10, 15, 20, 50, 100 oder mehr Schichten, können innerhalb des Bereichs der Erfindung verwendet werden.
Neben Fasern und Harz kann ein Vorformling gemäß der Erfindung zum Beispiel einen oder mehrere Füllstoffe (z. B. ein billiges inertes Material) und/oder Lösungsmittel und/oder Verdünnungsmittel und/oder Viskositätsveränderer und/oder Viskositätseinstellungsmittel enthalten.
Die Schichten aus orientierten Fasern sind Faser-Towgarne, im Gegensatz zu Prepregs, da dies einen höheren Grad der Freiheit der Gestaltung liefert und eine niedrigere Viskosität und Mobilität der Fasern bei der anschließenden Verarbeitung eines Vorformlings, zum Beispiel Vorverfestigung oder Härtung, ermöglicht. Weiter sind Vorformlinge, die aus Faser-Towgarnen hergestellt sind, gegenüber Vorformlingen vorteilhaft, die aus Prepregs hergestellt sind, indem die Produktionskosten geringer sind sowie die Abfallmenge typisch geringer ist. Faser-Towgarne sind Bündel einer großen Zahl individueller Fasern, zum Beispiel 1.000-e, 10.000-e oder 100.000-e von Fasern.
Man kann die Theorie aufstellen, dass die Festigkeit eines Verbundstoffs unter anderem von der Festigkeit der Grenzflächen zwischen den Fasern und dem Matrixmaterial (d. h. dem gehärteten Harz) abhängt. Wenn die Steifheit der Fasern zunimmt, nimmt die Empfindlichkeit gegenüber der Festigkeit der Grenzfläche ebenfalls zu. Die Anwesenheit von Porosität kann die Grenzfläche schwächen, aber die tatsächliche Auswirkung der Porosität hängt zum Beispiel von der Anordnung und der Größe der Poren ab. Allgemein gesprochen, ist es umso schlechter, je größer die Poren und je größer die Porenmenge ist. Ein weiterer Aspekt ist das Benetzen der Fasern. Die Schwierigkeit, eine gute Benetzung der Fasern zu erhalten, nimmt zu, wenn der Faserdurchmesser abnimmt. Die Verfahren und Produkte der vorliegenden Erfindung sind für Vorformlinge besonders vorteilhaft, welche dünne und steife Fasern wie beispielsweise Kohlefasern umfassen, jedoch sind diese Verfahren und Produkte dem Stand der Technik auch überlegen, wenn andere Arten von Fasern als Verstärkung verwendet werden, wie beispielsweise Glasfasern, Aramid-Fasern, synthetische Fasern (z. B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern), Biofasern (z. B. Hanf, Jute, Cellulosefasern usw.), Mineralfasern (z. B. Rockwool^TM), Metallfasern (z. B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw.) oder Borfasern.
Herkömmlich wurde Gas, das vor und während des Härtens in dem Vorformling eingeschlossen war, in Richtung der Fasern, d. h. in der Ebene einer Harzschicht, entfernt. Deshalb muss, je größer die Struktur ist, das Gas umso länger wandern, um aus der Struktur freigesetzt zu werden. Das Risiko, dass Gas innerhalb einer gehärteten Struktur eingeschlossen wird, nimmt daher mit der Größe der Struktur zu. Es scheint, dass das Problem mit eingeschlossenem Gas besonders ausgeprägt ist, wenn die Verstärkung aus gleichgerichteten Fasern besteht. Man kann spekulieren, dass dies auf der sehr dichten Packung der Fasern beruht, welche in einigen Bereichen eines Verbundstoffs, der durch gleichgerichtete Fasern verstärkt ist, entstehen kann. Jedoch können Probleme mit eingeschlossenem Gas auch bei anderen Arten der Faserorientierung, zum Beispiel biaxialen oder statistischen Orientierungen, vorhanden sein, und die erfinderische Idee der vorliegenden Erfindung ist deshalb für jede Art von Faserorientierung vorteilhaft, auch wenn der Vorteil am größten ist, wenn eine gleichgerichtete Faserorientierung verwendet wird.
Mit Gas sind hierin eingeschlossene Atmosphärenluft sowie gasförmige Produkte, Nebenprodukte und Ausgangsmaterialien gemeint, welche mit dem Herstellungsverfahren in Beziehung stehen.
Bei den Fasern kann es sich um eine Mischung von mehr als einer Art von Fasern handeln. Zum Beispiel kann eine Kombination von Glasfasern und Kohlefasern verwendet werden, aber jede Kombination von zwei oder mehr hierin erwähnten Faserarten kann denkbar sein. Die Mischung kann homogen sein, mit verschiedenen Konzentrationen in getrennten Faserschichten oder mit verschiedenen Konzentrationen von Fasern innerhalb irgendeiner Faserschicht. Das Mischen von Fasern kann vorteilhaft sein, da dies die Möglichkeit für ein Maßschneidern der Materialeigenschaften zum Beispiel aus einer kombinierten Spannungs/Kosten-Perspektive eröffnet, oder Teile eines für die Verbindung an andere Materialien besonders geeigneten Vorformlings können bereitgestellt werden. Jedoch sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Fasern hauptsächlich oder ausschließlich Kohlefasern.
Mit Kohlefasern (oder Kohlenstofffasern) sind nachstehend Fasern gemeint, bei denen die Hauptkomponente Kohlenstoff ist. Daher umfassen anhand dieser Definition Kohlefasern Fasern mit Graphit, amorphem Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Deshalb sind Kohlefasern, die zum Beispiel über einen Polyacrylnitril-Weg und einen auf Abstand basierenden Weg erzeugt werden, durch diese Definition eingeschlossen.
Mit Fasern sind nachstehend Teilchen mit einem Längen/Äquivalentdurchmesser-Verhältnis von mehr als 10 gemeint. Mit Äquivalentdurchmesser ist der Durchmesser eines Kreises mit der gleichen Fläche wie die Querschnittsfläche des Teilchens gemeint. Jedoch sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Fasern kontinuierliche Fasern, d. h. Fasern, die im Wesentlichen von einem Rand eines Vorformlings zum anderen verlaufen.
Es wird aus Gründen der chemischen und thermischen Stabilität sowie der Leichtigkeit der Verarbeitung hauptsächlich ein wärmehärtendes Harz verwendet. Es wird weiter bevorzugt, dass das Harz ein Harz auf Epoxy-Basis oder Polyester-Basis ist, am bevorzugtesten ein Harz auf Epoxy-Basis. Das Harz kann mehr als ein Harzsystem umfassen. Es kann vorteilhaft sein, mehr als ein Harzsystem zu verwenden, um in der Lage zu sein, die Eigenschaften des Harzes für die anschließenden Verarbeitungsschritte zum Beispiel bezüglich Viskosität und Zeitststeuerung/Steuerung des Härtungsverfahrens zu optimieren. Diese Systeme können auf der gleichen Harzart beruhen oder auch nicht, jedoch wird es bevorzugt, dass derartige Systeme auf der gleichen Harzart beruhen, wie zum Beipsiel zwei oder mehr System auf Epoxy-Basis. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Harzarten, sind die Harzarten aber kompatibel.
Das Verfahren der Erfindung ist an eine automatische Verarbeitung angepasst. Zum Beispiel können die Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen, der Klebstoff und das Harz vorteilhaft durch einen Roboter verteilt werden. Die Automation wird durch eine zumindest teilweise Immobilisierung der Fasern mittels eines Klebstoffs erleichtert, was eine Verwirrung in den Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen verhütet oder zumindest in großem Maß verringert. Wenn der Klebstoff nur auf ausgewählte Bereiche des Grundrisses des Vorformlings aufgetragen wird, wird weiter Zeit eingespart, im Vergleich zur Verteilung von Harz über die gesamte Grundebene.
Harzsysteme können Komponenten enthalten, die reizend oder schädlich sein können, wenn sie mit nackter Haut in Kontakt kommen, eingenommen oder inhaliert werden. Das Vermeiden des direkten Kontakts ist deshalb hoch wünschenswert. Da die Produkte und Verfahren gemäß der Erfindung für eine Automation besonders gut angepasst sind, stellen die Produkte und Verfahren gemäß der Erfindung eine signifikante Verbesserung bezüglich der Arbeitsumgebung bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Schnittsansicht eines Vorformlings.
2 zeigt eine schematische Ansicht von bevorzugten geometrischen Grundrissen und Faserorientierungen in einem Vorformling.
3 zeigt eine schematische Ansicht von bevorzugten Konfigurationen einer Harzschicht.
4 zeigt eine schematische Ansicht von bevorzugten Konfigurationen eines Klebstoffs.
5 zeigt Beispiele für Vorformen mit sich verjüngenden Teilen.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines Harzes.
7 zeigt ein Beispiel für einen Vorformling mit sich verjüngenden Teilen, der aus Faserschichten mit im Wesentlichen derselben Größe hergestellt ist.
8 zeigt ein Beispiel für einen Vorformling, der für eine Kopplung von zwei Verbundstoffmitgliedern, die zwei verschiedene Arten von Verstärkungsfasern enthalten, verbessert ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In 1 ist ein Beispiel für eine schematische Schnittansicht eines Vorformlings gezeigt, die ein Beispiel für die Reihenfolge der Komponenten angibt. In einem tatsächlichen Vorformling wäre die Entfernung zwischen den Schichten viel kleiner und das Harz und der Klebstoff wären gewöhnlich teilweise in den Faserschichten absorbiert. Schichten aus orientierter Faser 2 sind mit Streifen von Klebstoff 6 (siehe 4) in einem Winkel – hier etwa orthogonal – zu den Schichten von orientierten Faser-Towgarnen 2 bereitgestellt. Zwei Schichten aus Harz 4 sind ebenfalls bereitgestellt. Das Harz 4 ist in einer Anzahl von Linien (siehe 3) in einem Winkel – hier etwa orthogonal – zu den Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen 2 verteilt. Das Harz ist demgemäß in einer nicht-kontinuierlichen Schicht verteilt, um zu ermöglichen, dass Gas aus dem Vorformling orthogonal zur Richtung der Faser-Towgarne entweicht.
In 1 ist das Harz zwischen zwei Schichten aus Faser-Towgarnen vorgesehen. Dies ist die bevorzugte Anordnung von Harz und wenn diese Anordnung verwendet wird, ist es höchst wünschenswert, dass das Harz in nicht-kontinuierlichen Schichten verteilt ist. Jedoch kann das Harz auch in Kontakt mit nur einer Schicht aus Faser-Towgarnen, d. h. oben oder unten auf dem Vorformling, vorgesehen sein. In diesem Fall wird es bevorzugt, das Harz unten auf dem Vorformling bereitzustellen, und das Harz kann in einer kontinuierlichen Schicht bereitgestellt werden, da Gas gewöhnlich nicht durch die Harzschicht entweichen muss. In einer bevorzugten Ausführungsform ist Harz nur oben und/oder unten auf dem Vorformling bereitgestellt, d. h. nur Klebstoff ist zwischen den Schichten aus Fasern vorgesehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Harz nur unten auf dem Vorformling vorgesehen, d. h. zwischen den Schichten aus Fasern ist nur Klebstoff vorgesehen.
Der Klebstoff 6 soll die Fasern, die über dem Klebstoff vorgesehen sind, zumindest teilweise immobilisieren. Bei dem Klebstoff kann es sich um jede Art Klebstoff handeln, jedoch sollte der Klebstoff mit dem Harz kompatibel sein, bevorzugt ist der Klebstoff ein Klebstoff vom Harz-Typ und mit dem Harz in dem Vorformling in dem Sinn verwandt, dass er die gleiche Art von Chemie umfasst. Zum Beispiel kann der Klebstoff mindestens eine der Komponenten des Harzes (z. B. eine gemeinsame Epoxy-Komponente) umfassen. Eine Weise, um die Kompatiblität zwischen dem Harz und dem Klebstoff sicherzustellen, besteht darin, im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung zu verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zusammensetzung des Klebstoffs die gleiche wie die Zusammensetzung des Klebstoffs. Es liegt im Bereich der Erfindung, mehr als einen Klebstoff in einem Vorformling zu verwenden. Zum Beispiel können einige Teile des Klebstoffs die gleiche Zusammensetzung wie das Harz aufweisen, während andere Teile eine andere Zusammensetzung aufweisen können.
Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen von geometrischen Grundrissen 10 von Vorformlingen sind in 2 gezeigt. Die Linien 2 zeigen die Hauptfaserorientierung(en) einer Faserschicht an. Jede Schicht von Fasern umfasst typisch eine große Zahl (z. B. mehrere Millionen) von Fasern, die in der Haupt- und gegebenenfalls weiteren Orientierung orientiert sind. Ein Fachmann ist in der Lage, eine Anzahl von anderen geometrischen Grundrissen abzuleiten, ohne von der erfinderischen Idee der Erfindung abzuweichen. 2A zeigt einen rechteckigen Vorformling, der für flache oder zylindrische Strukturen besonders geeignet sein kann. 2B–2F zeigen Vorformlinge mit im Wesentlichen trapezförmigen Grundflächen. Die Winkel α und β können gleich oder verschieden sein, jedoch wird es bevorzugt, dass diese Winkel im Wesentlichen gleich sind, da der Vorformling dann für die Produktion von beispielsweise konischen Strukturen verwendet werden kann.
Das Verhältnis des Abstandes zwischen den parallelen Seiten und der Länge irgendeiner der parallelen Seiten beträgt bevorzugt mindestens 3 und bevorzugter mindestens 5, da derartige Vorformlinge für die Erzeugung von langen, leicht konischen Strukturen, wie Holmen für Windturbinenflügel, besonders nützlich sind. Der Grundriss in 2F weist ein Verhältnis von etwa 6 auf.
2G zeigt einen Vorformling mit einem dreieckigen Grundriss. Wiederum wird es bevorzugt, dass die Winkel α und β im Wesentlichen die gleichen sind. Ein derartiger Vorformling kann besonders nützlich sein für die Verstärkung einer Struktur mit einer relativ scharfen Ecke. Der Vorformling in 2H weist einen unregelmäßigeren viereckigen Grundriss auf. Derartige viereckige Grundrisse können einen oder zwei Winkel von 90° aufweisen oder nicht.
In 2I findet sich ein Beispiel für eine Schicht mit zwei Hauptfaserorientierungen. Hier sind die Fasern hauptsächlich parallel zu den längeren Kanten angeordnet. Jedoch sind andere Orientierungen sowie mehr als zwei Hauptorientierungen denkbar. 2J zeigt ein Beispiel für eine Schicht mit ungeraden Fasern. Die Fasern sind vorzugsweise so orientiert, dass sie die Endstruktur – nach Formen und Härten – mit Bezug auf die Festigkeit und/oder andere Eigenschaften optimieren.
Die Fasern 2 können in jeder gewünschten Orientierung, wie beispielsweise gleichgerichtet, biaxial oder statistisch, vorgesehen sein. Jedoch sollten die Fasern so orientiert sein, dass sie die Bereiche der Endstruktur festigen, welche bei der Verwendung einer höheren Spannung ausgesetzt sind. Typisch kann dies durch Orientierung der Fasern hauptsächlich in einer Richtung und entweder im Wesentlichen parallel zu oder orthogonal zu einem Rand des Vorformlings verwirklicht werden. in 2A, C, D, H und I sind die Fasern im Wesentlichen parallel zu mindestens einem Rand des Vorformlings angeordnet und in 2A, B, E, F, G und H sind die Faser-Towgarne im Wesentlichen orthogonal zu mindestens einem Rand des Vorformlings angeordnet. Wenn der Grundriss zwei parallele Seiten hat und das Verhältnis der Entfernung zwischen den parallelen Seiten und der Länge irgendeiner der parallelen Seiten sehr groß ist, d. h. > 5, kann angenommen werden, dass die gleichgerichteten Fasern, die zwischen den zwei parallelen Seiten angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zu den längeren Kanten vorliegen (siehe z. B. 2F). Andere Weisen der Orientierung können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne von der erfinderische Idee der Erfindung abzuweichen.
Die Orientierung der Fasern kann in allen Faserschichten die gleiche sein oder nicht; jedoch sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Fasern in allen Faserschichten im Wesentlichen gleich orientiert. Wenn eine oder mehrere Faserschichten anders als andere Schichten orientiert sind, kann dies zum Beispiel der Fall sein, wenn die Spannungsanalyse eine multiaxiale Faseranordnung nahelegt, aber eine gleichgerichtete Faseranordnung ist aus Herstellungsgründen günstig.
Eine andere Weise, den Bereich der Endstruktur zu stärken, der beim Betrieb hoher Spannung ausgesetzt sein wird, besteht darin, die Menge der Fasern in diesen Bereichen zu erhöhen. Ein Beispiel dafür ist in 3E gezeigt, wo der Bereich nahe dem zentralen Teil des Vorformlings eine größere Menge an Faser-Towgarnen als die äußeren Teile des Vorformlings aufweist.
Es wird bevorzugt, dass das Harz so bereitgestellt wird, dass es (eine) nicht-kontinuierliche Schicht oder Schichten bildet, selbst wenn dies kein Erfordernis für Harzschichten ist, wenn Gas während der anschließenden Verfestigung und/oder Härtung des Vorformlings nicht durch diese entweicht. Das Harz kann an Fasern einer oder mehrerer Schichten kleben und/oder diese zumindest teilweise immobilisieren. Die diskreten Punkte können zum Beispiel aus einem Harz gebildet werden, das als Flüssigkeit bereitgestellt wird. Ein flüssiges Harz kann auch als Linie oder mehrere Linien bereitgestellt werden, die vielleicht ein orientiertes Muster, ein statistisches Muster oder ein kombiniertes Muster bilden. Ein Beispiel für ein orientiertes Muster ist in 3A gezeigt, wo ein Harz als Harzlinien 4a senkrecht zu einer Hauptfaser-Orientierung verteilt ist. Als Abwandlung der in 3A gezeigten Verteilung kann das Harz teilweise über dem Rand vorgesehen sein, d. h. der sich wendende Teil des Strangs kann vom Grundriss entfernt sein, um für eine gleichmäßigere Harzdichte zu sorgen. Jedoch hat dies einen unerwünschten Abfall zum Ergebnis und sollte zum Beispiel durch Steuerung des Harzflusses während der Auftragung weggelassen werden. Ein Beispiel für ein statistisches Muster ist in 3C gezeigt, wo ein Harz in Wellenlinien verteilt ist. Ein anderer Ansatz für eine nicht-kontinuierliche Harzschicht ist in 3D gezeigt, wo eine Harzlage 4d mit einer Anzahl von durchgängigen Löchern 12 bereitgestellt ist. Wie es aus diesen Beispielen für Harzmuster offensichtlich ist, ist der Fachmann in der Lage, andere Muster bereitzustellen, ohne von der erfinderischen Idee der Erfindung abzuweichen.
Der Klebstoff 6 kann im Prinzip in den gleichen Mustern wie das Harz vorgesehen sein, jedoch wird es bevorzugt, ein weniger dichtes Muster für den Klebstoff bereitzustellen, um Zeit zu sparen. In 4 sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Klebstoffverteilung gezeigt. Es ist wichtig sich daran zu erinnern, dass der Zweck des Klebstoffs darin besteht, sicherzustellen, dass die Fasern zumindest teilweise immobilisiert sind, um das Faserlegen zu erleichtern. Weiter erhöht der Klebstoff häufig die mechanische Festigkeit und daher die Handhabbarkeit eines unverfestigten und ungehärteten Vorformlings durch zumindest teilweise Fixierung aneinandergrenzender Faserschichten. Eine Weise, um eine Erleichterung des Faserlegens sicherzustellen, ist die Bereitstellung eines Streifens aus Klebstoff nahe bei oder genau da, wo beim Faserlegen mit den Fasern angefangen wird. In 4A ist die Richtung des Faserlegens durch den Pfeil 14 angezeigt. Daher wird mit den Fasern nahe am Klebstoff 6a begonnen. Eine bevorzugte Weise, eine relativ gute Fixierung der Fasern sicherzustellen, besteht darin, Klebstoff 6b nahe dem Ende der Fasern bereitzustellen. Wenn der Klebstoff 6a und 6b keine hinreichende Fixierung der Fasern liefert, kann weiterer Klebstoff 6c vorgesehen sein. In 4A wird der Klebstoff als Streifen bereitgestellt, jedoch sind auch andere Ausführungsformen denkbar, wie zum Beispiel Punkte, gestrichelte oder gekrümmte Linien usw. In einigen Fällen kann eine Automatisierung ein Klebstoffmuster begünstigen, wobei der Klebstoff in einer kontinuierlichen Linie aufgetragen wird, zum Beispiel als Zickzack-Muster, wie in 4B gezeigt. Dies ist ein Beispiel für ein Muster, bei dem die Zahl der Klebstoffanfänge und -enden im Vergleich zum Muster in 4A verringert sind. Ein Fachmann erkennt den Vorteil der Bereitstellung lediglich einer begrenzten Menge an Klebstoff verglichen mit entweder einer vollen oder nahezu vollen Harzschicht oder mit einem Diagonalvernähen, insbesondere bezüglich der Zeit, die während der Verarbeitung eingespart wird, und der Leichtigkeit der Automation.
In einigen Anwendungen ist der Vorformling für Verstärkungsstrukturen mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt gedacht, wie zum Beispiel einen Holm mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt, wobei der Vorformling um eine relativ scharfe Kante herum gebogen wird. Die bevorzugte Faserorientierung in einem derartigen Fall ist, dass die Hauptfaserorientierung parallel zu der Kante, zum Beispiel in der Richtung I-I in 5, verläuft. Es kann dann vorteilhaft sein, mindestens einen Teil des Vorformlings dreidimensional zu formen, um die Formung des Vorformlings zu verbessern. Um ein signifikantes Ergebnis einer dreidimensionalen Formung zu verwirklichen, sollte der Vorformling gewöhnlich mindestens drei Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen umfassen, da der Vorformling, wenn der Vorformling nur aus zwei Schichten besteht, gewöhnlich ohne dreidimensionale Formung des Vorformlings gebogen werden kann. Je höher die Zahl der Schichten ist, desto größer ist der Vorteil aus der dreidimensionalen Formung des Vorformlings. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Vorformling mit zwei sich gegen die Ränder verjüngenden Abschnitten 22 im Wesentlichen parallel zur Faserorientierung bereitgestellt, wie in 5 angezeigt. Jedoch kann der Fachmann eine Anzahl von Abwandlungen ableiten, ohne von der erfinderischen Idee der Erfindung abzuweichen. Derartige Abwandlungen können zum Beispiel die Verwendung von einem, drei oder einer anderen Zahl von sich verjüngenden Teilen, die Verwendung einer oder mehrerer Stufen anstelle von sich verjüngenden Teilen, die Anordnung eines sich verjüngenden Teils weg vom Rand zum Beispiel nahe dem Zentrum usw. sein.
Mit dreidimensional geformt werden ist hierin gemeint, dass die Dicke (z. B. die Zahl der Schichten oder Menge der Fasern und/oder des Harzes) und/oder die Form des Grundrisses für einen Teil (z. B. 20, 22) des Vorformlings relativ zum Körper (z. B. 24) des Vorformlings eingestellt wird.
Eine dreidimensionale Formung kann auch zur Verringerung der Grenzflächenspannung zwischen einem Vorformling und einer angrenzenden Struktur verwendet werden. Beispiele für derartige angrenzende Strukturen sind andere Vorformlinge und Teile größerer Strukturen, zum Beispiel ein Fuß oder ein Flügel für eine Windturbine. Typisch beinhalten derartige dreidimensionale Formen die Schaffung einer großen Kontaktfläche orthogonal zur Hauptspannungsrichtung in mindestens einer Achse. In 5 ist ein Teil 20 ein Beispiel für eine dreidimensionale Form zur Verringerung der Grenzflächenspannung zwischen dem Vorformling und einer angrenzenden verbundenen Struktur. Eine Distanz, die viel größer ist als die orthogonale Distanz, trennt die Enden der Faserschichten im sich verjüngenden Abschnitt 20, wie im Schnitt entlang I-I in 5 ersichtlich, und daher ist die Grenzflächenspannung verringert.
Ein spezieller Grundriss oder eine spezielle dreidimensionale Form können zum Beispiel durch selektives Beginnen und/oder Beenden der Faser-Towgarne während des Faserlegens verwirklicht werden.
Die Hauptfunktion des Klebstoffs besteht darin, die Fasern zu immobilisieren, wenn sie oben auf den Klebstoff gegeben werden. Dies kann mittels eines klebrigen Klebstoffs erzielt werden, wobei die Fasern an dem klebrigen Klebstoff kleben. Bei dem Klebstoff kann es sich um irgendein klebriges Material oder um einen Festkörper mit einer klebrigen Oberfläche handeln und der Klebstoff kann zum Beispiel Polyester, Polyurethan, Epoxy oder ähnliche Verbindungen oder eine Kombination derselben umfassen. Es liegt im Bereich der Erfindung, irgendein Material oder irgendeine Kombination von Materialien mit einer klebrigen Oberfläche zu verwenden, einschließlich fester Materialien mit klebrigen Oberflächen. Mehr als eine Art Klebstoff kann mit einem Vorformling verwendet werden. Zum Beispiel liegt es im Bereich der Erfindung, das Harz als Klebstoff zwischen den Schichten aus Faser-Towgarnen zu verwenden, wenn ein Harz vorgesehen ist, oder eine zweite Art Harz unter der ersten Schicht von Faser-Towgarnen zu verwenden.
Bei dem Harz kann es sich um ein flüssiges Material handeln. Das Harz kann zum Beispiel auf ungesättigtem Polyester, Polyurethan, Epoxy oder ähnlichen chemischen Verbindungen, einschließlich Kombinationen derselben, basieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Harz eine Flüssigkeit und wird das Harz durch Resin Transfer Moulding, RTM, oder Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding, VARTM, in eine Einheit eingeführt, die mehrere Schichten aus orientierten Faser-Towgarnen umfasst, welche zuvor während des Faserlegens durch einen Klebstoff immobilisiert wurden.
Das Harz kann mehr als ein System umfassen, zum Beispiel kann das Harz zwei Systeme oder selbst mehr Systeme umfassen. Bei diesen Systemen kann es sich um irgendeine Kombination von verschiedenen oder gleichartigen Systemen handeln, jedoch wird es bevorzugt, dass das Harz zwei im Wesentlichen auf Epoxy basierende Systeme umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen zwei Systeme auf Epoxy-Basis eine gemeinsame Komponente. Bei der gemeinsamen Komponente kann es sich zum Beispiel um einen gemeinsamen Katalysator, eine gemeinsame Amin-Komponente oder eine gemeinsame Epoxy- Komponente handeln, jedoch wird es bevorzugt, dass die gemeinsame Komponente eine Epoxy-Komponente ist. Ein Harz, das zwei Systeme auf Epoxy-Basis mit einer gemeinsamen Epoxy-Komponente umfasst, kann eine Amin-Komponente eines ersten Systems auf Epoxy-Basis umfassen, die mit der gemeinsamen Epoxy-Komponente bei einer ersten relativen niedrigen Temperatur, wie beispielsweise unter 50°C, bevorzugter etwa Raumtemperatur, reagiert. Bei dieser ersten Temperatur reagiert ein zweites System auf Epoxy-Basis vorzugsweise nicht oder die Reaktion findet mit sehr geringer Geschwindigkeit statt. Da die Reaktionsgeschwindigkeit des zweiten Systems auf Epoxy-Basis sehr niedrig sein sollte, kann dieses vorteilhaft durch einen Katalysator, der bis zur Aktivierung unreaktiv ist, katalysiert werden. Diese Aktivierung kann zum Beispiel durch UV-Licht, Zugabe einer Verbindung oder durch Wärme geschehen, jedoch wird es bevorzugt, dass der Katalysator durch Wärme aktiviert wird.
In einer Ausführungsform, die in 6 skizziert ist, umfasst eine Vormischung 36 Amin-Komponenten 30a und 30b und einen Katalysator 32, bevorzugt für die Katalyse der Härtung eines zweiten Systems auf Epoxy-Basis. Die Vormischung sollte eine stabile Lösung oder Aufschlämmung sein und falls die Viskosität zu gering ist, um das Ausfallen einer festen Komponente wie eines Katalysators zu verhindern, kann eine geringe Menge einer Epoxy-Komponente, vorzugsweise einer gemeinsamen Epoxy-Komponente der Systeme, zugesetzt werden. Typisch sollte 0,5 bis 5 Gew.-% Epoxy ausreichend sein, um die Viskosität einzustellen. Die Vormischung und eine gemeinsame Epoxy-Komponente sollten unmittelbar vor der Verteilung des Harzes 40 gemischt werden. Das Harz kann erwärmt werden, um die Viskosität zu verringern.
Erfindungsgemäß zu verwendende Harze können auf die meisten herkömmlichen Weisen hergestellt werden, die dem Fachmann geläufig sind, und die Ausführungsform im Hinblick auf die Herstellung des Harzes, die in 6 offenbart ist, sollte als Beispiel dafür angesehen werden, wie ein Harz hergestellt werden kann. Diese Ausführungsform sollte keineswegs als Beschränkung des Bereichs der Erfindung angesehen werden.
Alternativ kann eine einfache dreidimensionale Gestalt vorgesehen sein, wie in 7 gezeigt, wo eine Anzahl von identischen Grundrissen von orientierten Fasern 50 übereinandergelegt, aber leicht verschoben sind. Die Linien, die auf den Grundrissen 50 gezeigt sind, zeigen nicht die Orientierung der Faser-Towgarne an, sondern sind lediglich eingeschlossen, um die Unterscheidungsmöglichkeit der verschiedenen Schichten zu verbessern, wenn sie kombiniert sind. Im mittleren Abschnitt von 7 werden die Schichten Schritt für Schritt aufeinandergelegt und bilden daher im unteren Teil der 7 einen Vorformling, der Teile 52 mit einer geringen Zahl von Faserschichten, Teile 54 mit einer mittleren Zahl von Faserschichten und einen Teil 56 mit einer hohen Zahl von Faserschichten aufweist. Wenn eine hohe Zahl von Schichten vorgesehen ist, können die Teile 52 und 54 so hergestellt werden, dass sie nahezu konisch aussehen. Dieses Verfahren kann gleichzeitig einen Vorformling mit zwei, drei, vier oder mehr sich verjüngenden Teilen bereitstellen.
Die Eigenschaften eines faserverstärkten Verbundstoffs hängen in großem Maß von den Eigenschaften der Faser ab. Jedoch variieren die Eigenschaften der verschiedenen Arten von Fasern beträchtlich. Zum Beispiel ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kohlefasern sehr niedrig und in einigen Fällen sogar negativ. Es kann deshalb sehr schwierig sein, Kohlefaser-verstärkte Verbundstoffe mit Verbundstoffen zu verbinden, die durch andere Arten von Fasern verstärkt sind, und ein Vorformling, der Kohlefasern umfasst, kann deshalb vorteilhaft für eine Kopplung mit einem Verbundstoffelement verstärkt werden, das eine zweite Art von Fasern und ein Harz umfasst. Beispiele für zweite Arten von Fasern sind Glasfasern, Aramid-Fasern, synthetische Fasern (z. B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern), Biofasern (z. B. Hanf, Jute, Cellulosefasern usw.), Mineralfasern (z. B. Rockwool^TM), Metallfasern (z. B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw.) oder Borfasern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vorformling durch das Versehen des Vorformlings mit einer zweiten Art von Fasern für eine Verbindung verbessert. Diese zweite Art von Fasern sollte sich über den Vorformling hinaus erstrecken, um einen Teil für eine Verbindung bereitzustellen. Die zweite Art von Fasern sowie die Kohlefasern können in verschachtelten Schichten vorgesehen sein, die reich an den jeweiligen Fasern sind. Zum Beispiel können die Schichten ausschließlich nur eine der Faserarten aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind Schichten, welche die Fasern vom zweiten Typ umfassen, als Prepregs vorgesehen. Die Prepregs können gleichgerichtete Prepregs sein, jedoch schlagen experimentelle Ergebnisse überraschend vor, dass biaxiale Prepregs, welche die zweite Art von Fasern umfassen, eine bessere Grundlage für die Verbindung des Vorformlings mit einer Struktur bereitstellen, die durch Fasern der zweiten Art verstärkt ist.
Nahe dem Ende einer Faserschicht, die mit einem Material mit anderen Eigenschaften verschachtelt ist, bildet sich eine Spannungskonzentration auf. Um die Spannungkopplung von den Enden einer Schicht zu den Enden der nächsten Schicht zu verringern oder zu verhüten, sollte die Distanz der Verschachtelung größer sein als das Ausmaß der Spannungskonzentration. Da das Ausmaß der Spannungskonzentration schwierig zu ermitteln ist, wird es bevorzugt, eine Sicherheitsspanne zu verwenden und daher die Enden der zwei benachbarten Schichten um mindestens das 2-fache des Ausmaßes der Spannungskonzentration zu trennen.
Es ist auch vernünftig sicherzustellen, dass die Distanz zwischen dem nächsten Schichtende der gleichen Faserart durch eine Distanz, die dem Ausmaß einer Spannungskonzentration entspricht, vorzugsweise mit einem Sicherheitsspielraum ist und daher unter Verwendung eines Faktors 2 getrennt sein sollte.
Das Ausmaß der Konzentrationsspannung hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, wie beispielsweise der Dicke der Schichten, der Art der Fasern, der Harzart usw., und kann durch Modellierung oder durch empirische Verfahren ermittelt werden.
Vorformlinge gemäß der Erfindung und bereitgestellt durch ein Verfahren gemäß der Erfindung sind sehr nützlich für eine Vorverfestigung, da das Entweichen von Gas aus dem Vorformling durch die Anwesenheit von nicht-kontinuierlichen Harzschichten erleichtert wird. Die Vorformlinge können alternativ direkt für die Herstellung von Verbundstoffelementen durch Härtung verwendet werden. Insbesondere sind die Vorformlinge für die Herstellung von Elementen für Windturbinenflügel höchst nützlich, da Verbundstoffe, welche die Qualitätsanforderungen und Reproduzierbarkeitsanforderungen erfüllen, hergestellt werden können.
Wenn größere Strukturen, die erfindungsgemäße Vorformlinge oder durch ein Verfahren gemäß der Erfindung erzeugte Vorformlinge umfassen, hergestellt werden sollen, kann dies einem Verfahren folgen, bei dem der Vorformling vor oder nach dem Formen mit weiteren Vorformlingen verbunden wird, um eine größere Struktur zu liefern. Der Vorformling kann auch mit anderen Strukturen verbunden werden. Es ist bevorzugt, aber nicht erforderlich, dass die Verbindungen einen sich verjüngenden Teil oder Schichten beinhalten, die Fasern der zweiten Art umfassen. Die vereinigte Struktur kann in ein Vakuumgehäuse gegeben werden und vor dem Härten unter Vakuum gesetzt werden. Schließlich wird die Vorformlingsstruktur gehärtet.
8 zeigt ein Beispiel für einen Schnitt eines Vorformlings, der für eine Verbindung mit einer Struktur oder anderen Vorformlingen verbessert ist, wobei er durch Fasern der zweiten Art verstärkt ist. Gründlichere Verbindungen sind insbesondere wichtig, wenn die physikalischen Eigenschaften der zu verbindenden Strukturen signifikant unterschiedlich sind. Typisch werden die physikalischen Eigenschaften in hohem Maß von den Verstärkungsfasern diktiert und Beispiele für relevante physikalische Eigenschaften sind der Wärmeausdehnungskoeffzient, WAK, und der Youngsche Modul. Daher sind diese Arten von Verbindungen zum Beispiel relevant, wenn ein Verbundstoff, der Kohlefasern umfasst, mit einem Verbundstoff verbunden wird, der durch eine andere Art von Fasern verstärkt wird, da der WAK von Kohlefasern sehr niedrig ist und sogar negativ sein kann. Jedoch kann die gleiche Art von Verbindung für starke Verbindungen zwischen Verbundstoffen verwendet werden, die durch andere Arten von Fasern verstärkt sind. Die Fasern der zweiten Art können von jedem Fasertyp sein, der zuvor in der Beschreibung erwähnt wurde, und zum Beispiel kann diese Art Verbindung zum Verbinden eines Kohlefaser-verstärkten Verbundstoffs mit einem Glasfaser-verstärkten Verbundstoff verwendet werden. Der Vorformling in 8 weist Schichten aus Fasern der zweiten Art 62 (z. B. Glasfasern) auf, die zwischen den Schichten aus Kohlefasern 60 des Vorformlingkörpers geschachtelt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Überlappungsdistanz der Verschachtelung 64 größer als das Ausmaß des Endzustandes der Grenzflächenspannung zwischen Schichten, die reich sind an Kohlefasern oder diese ausschließlich enthalten, und Schichten, die reich sind an Fasern der zweiten Art oder diese ausschließlich enthalten, da dies eine Kopplung oder einen Aufbau von Spannung zwischen den verschachtelten Schichten verhindert. Aus demselben Grund und aus dem Grund der Einführung einer Sicherheitsspanne wird es mehr bevorzugt, dass die Distanz der Verschachtelung 64 größer ist als das 2-fache des Ausmaßes des Endzustandes der Grenzflächenspannung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Distanz 66 zwischen den Enden der Schichten, die reich an Fasern der zweiten Art sind und die zwischen Schichten eingeschachtelt sind, die reich an Kohlefasern sind, durch eine Distanz getrennt, die größer ist als das Ausmaß des Endzustandes der Grenzflächenspannung zwischen Schichten, die reich an Kohlefasern sind, und Schichten, die reich an Fasern der zweiten Art sind. Wieder dient dies dazu, eine Kopplung oder einen Aufbau von Spannung zwischen den verschachtelten Schichten zu verhindern. Aus dem gleichen Grund und aus dem Grund der Einführung einer Sicherheitsspanne wird es mehr bevorzugt, dass die Distanz zwischen Enden der Schichten, die reich an Fasern der zweiten Art sind, größer als das 2-fache des Ausmaßes des Endzustandes der Grenzflächenspannung ist.
In einer möglichen Verwendung des Vorformlings wird der Vorformling weiter durch eine Vorverfestigung behandelt, um einen vorverfestigten Vorformling zu bilden, wie im folgenden Abschnitt beschrieben. Eine Vorverfestigung ist besonders nützlich, wenn die Fasern als Faser-Towgarne bereitgestellt sind, im Vergleich zu Fasern, die in Prepregs bereitgestellt sind, wegen einer niedrigeren Viskosität während des Vorverfestigungsprozesses. Dies erhöht die Umverteilung von Harz und/oder Fasern, was hoch wünschenswert ist, da dies die Homogenität des resultierenden Produkts erhöht.
Mit Vorverfestigung ist hier ein Verfahren gemeint, durch welches ein Gas innerhalb eines Vorformlings entfernt wird und ein Vorformling mit niedriger Porosität gebildet wird. Die Vorverfestigung beinhaltet die Umverteilung eines Harzes und gegebenenfalls eine Umverteilung von Fasern. Weiter kann die Vorverfestigung ein begrenztes Härten des Harzes beinhalten. Eine Vorverfestigung ist besonders nützlich, da sie einen dichten Vorformling (nachstehend als vorverfestigter Vorformling bezeichnet) erzeugt. Vorverfestigte Vorformlinge und Verbundstoffe, die aus vorverfestigten Vorformlingen hergestellt sind, werden unter anderem aufgrund einer guten Reproduzierbarkeit, niedrigen Porosität, hohen Homogenität, hohen Festigkeit, Fähigkeit zum plastischen Formen des vorverfestigten Vorformlings, Fähigkeit, mit anderen Vorformlingen und/oder anderen Strukturen verbunden zu werden, Eignung für die Automation und langer Haltbarkeit ohne vorzeitiges Härten geschätzt.
Wenn die Vorverfestigung eine beschränkte Härtung beinhaltet, kann diese begrenzte Härtung eine Freisetzung von bis zu 50% der Energie beinhalten, die durch eine vollständige Härtung des Harzes freigesetzt wird. Jedoch wird es bevorzugt, dass das Ausmaß des Härtens auf ein Ausmaß beschränkt ist, das es ermöglicht, dass der Vorformling plastisch verformt wird. Der Härtungsgrad, der die plastische Verformung eines vorverfestigten Vorformlings ermöglicht, hängt unter anderem von dem genauen Harz sowie der Faserart und dem Fasergehalt ab. Im Allgemeinen wird es bevorzugt, dass das begrenzte Härten weniger als etwa 20% der Energie beinhaltet, die durch ein vollständiges Härten des Harzes freigesetzt wird, und bevorzugter, dass das begrenzte Härten zwischen 3 bis 15% der Energie beinhaltet, die durch ein vollständiges Härten freigesetzt wird.
Allgemein gesprochen sollte der Vorhärtungsprozess die Porosität eines Vorformlings verringern, jedoch wird es bevorzugt, dass die resultierende Porosität des vorverfestigten Vorformlings weniger als 5 Vol.-%, bevorzugt weniger als 2 Vol.-% und bevorzugt weniger als 1 Vol.-% beträgt. In einigen Fällen kann sogar eine Porosität von 1% die Eigenschaften eines Verbundstoffes beträchtlich verringern. Man wird anerkennen, dass in diesen Fällen das Verfahren und die vorverfestigten Vorformlinge mit Porositäten gut unterhalb von 1% erzeugt werden können. Zum Beispiel wurde eine reproduzierte Porosität von etwa 0,2 Vol.-% bei einem Verbundstoff mit 60% Kohlefasern in Epoxy verwirklicht. Die Verringerung der Porosität kann zum Beispiel das Ergebnis der Einwirkung von Druck und/oder eines Vakuums auf den Vorformling mit Bezug auf das Vorhärtungsverfahren sein.
Die Porosität des vorverfestigten Vorformlings kann nicht direkt erfasst werden, da die Dichte nicht bekannt ist und im ganzen Material schwanken kann. Demgemäß sollte die Porosität durch ein optisches Verfahren an einer materialographischen Probe erstellt werden. Die Präparation von materialographischen Proben aus einem ungehärteten vorverfestigten Vorformling ist sehr anspruchsvoll, da das Material sowohl ein sehr weiches Element (d. h. ein Harz) als auch ein sehr hartes Element (z. B. die Faser) umfasst. Um ein reproduzierbares Ergebnis zu erstellen, ist es daher notwendig, den Vorformling vor der materialographischen Präparation zu härten. Dieses Härten sollte drucklos sein, um sicherzustellen, dass die Porosität durch das Verfahren nicht beeinflusst wird.
Um die Handhabbarkeit sicherzustellen, sollten die vorverfestigten Vorformen im Wesentlichen nicht klebrig sein, d. h. er sollte leicht von irgendeiner relevanten Oberfläche entfernbar sein und er sollte nicht eine überschüssige Menge an Harz auf einer Oberfläche zurücklassen, wenn der Druck erniedrigt wird.
Um eine lange Lebensdauer und/oder Stabilität beim Transport sicherzustellen, ist es wichtig, dass die Härtungsreaktion des Volumenteils des Harzes bei Raumtemperatur ausreichend gering ist und dass ein Katalysator – falls anwesend – nicht versehentlich aktiviert wird. Zum Beispiel sollte, wenn der Katalysator durch Erwärmen aktiviert wird, sichergestellt werden, dass die Aktivierungstemperatur beträchtlich höher ist als die erwartete maximale Temperatur bei der Lagerung.
Eines der Merkmale der vorverfestigten Vorformlinge ist, dass sie mindestens teilweise verformbar sind. Dies kann zum Beispiel durch ausgewogenes und beschränktes Härten beim Vorverfestigungsprozess verwirklicht werden. Bei einer möglichen Verwendung des Vorformlings kann zumindest ein Teil eines vorgehärteten Vorformlings um eine Achse parallel zur Hauptfaser-Orientierung mit einem Durchmesser von mehr als 1 cm herumgebogen werden, jedoch kann in einigen Fällen ein vorverfestigter Vorformling mit einem Durchmesser von mehr als 5 cm durch plastisches Verformen gebogen werden. Die geringen Biegedurchmesser können durch Umordnung von Harz und/oder Fasern oder durch dreidimensionale Formung eines Vorformlings verwirklicht werden. Mit dreidimensionaler Formung ist hierin gemeint, dass die Dicke (z. B. die Zahl der Schichten oder die Menge der Fasern und/oder des Harzes) und/oder die Form des Grundrisses für einen Teil des Vorformlings relativ zur Volumenteil des Vorformlings eingestellt wird. Typisch wird nur ein Teil des vorverfestigten Vorformlings für ein sehr scharfes Biegen präpariert, wohingegen das Biegen um eine Achse herum mit größeren Durchmessern, z. B. 50 cm, häufig mit allen Teilen des vorverfestigten Vorformlings verwirklicht werden kann.
Die Steifigkeit eines Vorformlings, die bei einem Vorverfestigungsprozess geschaffen wird, sollte sicherstellen, dass der vorverfestigte Vorformling steif genug ist, um eine Relaxation des vorverfestigten Vorformlings in der Längenrichtung der Fasern zu verhindern, wenn er auf eine unebene Oberfläche gegeben wird, und doch eine plastische Verformung um eine Achse parallel zur Längsrichtung der Fasern herum zu ermöglichen. Insbesondere wenn ein vorverfestigter Vorformling, der Kohlefasern umfasst, auf sich überkreuzende Schichten von Glasfasern oder Glasfaser-Prepregs mit teilweise Überlappung gegeben wird, sollte der vorverfestigte Vorformling beim Legen und Härten im Wesentlichen flach bleiben, wohingegen die Glasfasern sich an die Gestalt/Form des vorverfestigten Vorformlings anpassen sollten. Daher werden die Kohlefasern gerade verbleiben, was zu einer erhöhten Festigkeit der vereinigten Struktur führt.
Das Vorverfestigungsverfahren führt häufig zu einer Erhöhung der Viskosität des Harzes im Vorformling, zum Beispiel durch partielles Härten. Es wird bevorzugt, dass die Viskosität bei Raumtemperatur um einen Faktor von mindestens zwei und bevorzugter um einen Faktor von mindestens fünf erhöht wird, da eine Erhöhung der Viskosität die Handhabbarkeit, Festigkeit und Nicht-Klebrigkeit verbessert. In einigen Fällen kann die Viskosität um einen viel höheren Faktor, wie beispielsweise 10, 100 oder 1000, erhöht werden. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn ein Teil des Harzes als Raumtemperatur-Flüssigkeit in den Vorformling eingespritzt wird. Eine andere Weise, um die Erhöhung der Viskosität auszudrücken, besteht darin, die Viskosität direkt anzuschauen. Es wird bevorzugt, dass die Viskosität des Harzes in dem unverfestigten Vorformling zwischen etwa 0,1–10 Ns m^–2 (100 bis 10.000 cP) bei der Temperatur, bei der das Vorverfestigungsverfahren durchgeführt wird, vorzugsweise zwischen etwa 0,5–3 Ns m^–2 (500 bis 3.000 cP) liegt.
Die Temperatur, bei der das Vorverfestigungsverfahren durchgeführt wird, kann insbesondere abhängig von der Zusammensetzung des Harzes beträchtlich variieren. Typisch sind die Vorverfestigungstemperaturen für Harzsysteme auf Epoxy-Basis 50 bis 90°C und bevorzugt 60 bis 80°C, jedoch können in einigen Systemen sowohl höhere als auch niedrigere Temperaturen verwendet werden.
Das Vorverfestigungsverfahren kann zu einer Erhöhung der Glasübergangstemperatur T_g des Harzes, beispielsweise durch ein partielles Härten, führen. Es wird bevorzugt, dass die T_g des Harzes bei der Vorverfestigung um mindestens 2°C und bevorzugt um mindestens 5°C erhöht wird, da eine Erhöhung der T_g gewöhnlich eine Erhöhung des durchschnittlichen Molekulargewichts des Harzes anzeigt, was die Handhabbarkeit, Festigkeit und Nicht-Klebrigkeit verbessert. In einigen Fällen kann die T_g mehr erhöht werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die T_g des nicht-verfestigten Vorformlings sehr niedrig ist.
Allgemein gesprochen sollte ein vorverfestigter Vorformling mit einem Harzsystem auf Epoxy-Basis typisch eine T_g zwischen –10 bis +30°C und bevorzugt eine T_g zwischen –5 bis 10°C aufweisen. Bevorzugt ist die T_g des Harzes des vorverfestigten Vorformlings höher als etwa 0°C und bevorzugt höher als etwa 3°C. Bei dem nicht-verfestigten Vorformling sollte die T_g des Harzes unter etwa 5°C und bevorzugt unter etwa 2°C liegen.
In einigen Fällen hat das Härten eines vorverfestigten Vorformlings, ohne dass er einem Vakuum ausgesetzt wird, ein Material mit Eigenschaften zum Ergebnis, die einem Vakuum-gehärteten Vorformling äquivalent sind, da die Porosität bei dem Vorverfestigungsprozess vor dem Härten beseitigt oder in großem Maß verringert worden ist.
Das Harz kann mehr als ein System umfassen, zum Beispiel kann das Harz zwei Systeme umfassen. Diese Systeme können irgendeine Kombination von verschiedenen oder der gleichen Art von Systemen sein, jedoch wird es bevorzugt, dass das Harz zwei im Wesentlichen auf Epoxy basierende Systeme umfasst. Die Systeme eines Harzes sollten kompatibel sein. Bevorzugt umfassen zwei Systeme auf Epoxy-Basis eine gemeinsame Komponente. Die gemeinsame Komponente kann zum Beispiel ein gemeinsamer Katalysator, eine gemeinsame Amin-Komponente oder eine gemeinsame Epoxy-Komponente sein, es wird jedoch bevorzugt, dass die gemeinsame Komponente eine Epoxy-Komponente ist. Ein Harz, das zwei Systeme auf Epoxy-Basis mit einer gemeinsamen Epoxy-Komponente umfasst, kann eine Amin-Komponente eines ersten Systems auf Epoxy-Basis umfassen, die mit der gemeinsamen Epoxy-Komponente bei einer ersten relativ niedrigen Temperatur wie beispielsweise unter 50°C, bevorzugt etwa Raumtemperatur, reagiert. Bei dieser ersten Temperatur ist ein zweites System auf Epoxy-Basis bevorzugt unreaktiv oder die Reaktion findet mit einer sehr geringen Geschwindigkeit statt. Da die Reaktionsgeschwindigkeit des zweiten Systems auf Epoxy-Basis sehr gering sein sollte, kann es vorteilhaft sein, dass es durch einen Katalysator katalysiert wird, der inaktiv ist, bis er aktiviert wird. Diese Aktivierung kann zum Beispiel mittels UV-Licht, unter Zugabe einer Verbindung oder durch Erwärmen stattfinden, jedoch wird es bevorzugt, dass der Katalysator durch Erwärmen aktiviert wird.
In einem bevorzugten Verfahren zur Vorverfestigung eines Vorformlings wird ein Vorformling auf eine Reaktoroberfläche wie beispielsweise eine Platte, eine Form usw. gegeben. Es wird bevorzugt, dass die Reaktoroberfläche flach ist und dass sie einem Erwärmen und/oder Vakuum standhält. Dann wird ein Druck auf den Vorformling angewandt. Der Druck kann durch eine Presse oder – vorzugsweise – ein Vakuum innerhalb eines Vakuumgehäuses ausgeübt werden. Wenn ein Vakuum verwendet wird, dann sollte vor dem Pressen ein Vakuumgehäuse erhalten werden. Das Vakuumgehäuse kann beispielsweise einen Vakuumbeutel umfassen oder es kann eine Reaktoroberfläche und eine flexible Abdeckung umfassen, die auf vakuumdichte Weise mit der Reaktoroberfläche verbunden ist. Gas kann zum Beispiel durch die Reaktoroberfläche oder durch eine Öffnung in dem Vakuumbeutel oder der flexiblen Abdeckung evakuiert werden. Die Vorverfestigung wird aktiviert. Die Aktivierung kann vor und/oder während und/oder nach dem Anwenden von Druck stattfinden. Die Aktivierung umfasst eine Verringerung der Viskosität des Harzes. Dies kann zum Beispiel durch physikalische Mittel (z. B. Erwärmen, Lösungsmittelzugabe, Druck usw.) und/oder durch eine chemische Reaktion bewirkt werden. Während des Vorverfestigungsverfahrens kann ein beschränktes Härten stattfinden oder nicht. Wenn die Porosität auf ein gewünschtes Maß verringert worden ist oder ein anderes Ziel der Vorverfestigung erhalten wird, wird das Vorverfestigungsverfahren beendet. Die Beendigung kann zum Beispiel ein Ergebnis der Erschöpfung eines ersten Harzsystems oder des Abkühlens des vorverfestigten Vorformlings auf eine Temperatur sein, bei der die Härtungsreaktion ausreichend langsam ist und/oder die Viskosität ausreichend gering ist, damit der vorverfestigte Vorformling die Stabilität erreicht, die für die gewünschte Lebensdauer benötigt wird.
Bei einer möglichen Verwendung des Vorformlings weist der vorzuverfestigende Vorformling mindestens eine nicht-kontinuierliche Harzschicht auf, durch welche das Gas in dem Vorverfestigungsverfahren entfernt werden kann. Daher muss das Gas nicht in einer Ebene einer Harzschicht oder in einer Ebene einer Faserschicht entfernt werden. Die Transportentfernung und das Risiko, dass Gas innerhalb des vorverfestigten Vorformlings eingeschlossen bleibt, ist in großem Maß verringert. Bei einer anderen möglichen Verwendung sind alle Harzschichten – gegebenenfalls außer einer Schicht auf der obersten Faserschicht oder unterhalb der untersten Faserschicht – nicht-kontinuierlich.
Ein Beispiel für ein Verfahren zur Sicherstellung, dass Gas kontinuierlich bei der Vorverfestigung aus dem Vorformling entfernt werden kann, beinhaltet eine allmähliche Aktivierung des Vorverfestigungsverfahrens, die entweder im Zentrum des Vorformlings beginnt und sich auf die Oberflächen zu bewegt oder sich von einer Seite oder einem Rand aus durch den Vorformling hindurch bewegt. Dies kann zum Beispiel bewerkstelligt werden, indem man nur die Reaktionsoberfläche erwärmt und demgemäß allmählich von der Seite des Vorformlings her, die in Kontakt mit der Reaktionsoberfläche steht, aktiviert, oder durch gesteuerte Mikrowellenerwärmung, wobei man daher allmählich von der Innenseite des Vorformlings und mit Bewegung auf die Oberflächen zu aktiviert.
Vorformlinge gemäß der Erfindug und durch ein Verfahren gemäß der Erfindung bereitgestellt sind für die Herstellung von Verbundstoffelementen durch Härten sehr nützlich. Insbesondere sind die Vorformlinge für die Herstellung von Elementen von Windturbinenflügeln und insbesondere in Holmen in einem Windturbinenflügel äußerst nützlich, da diese Verbundstoffe die Qualitätsanforderungen und Reproduzierbarkeitsanforderungen erfüllen.
Wenn größere Strukturen hergestellt werden sollen, die Vorformlinge gemäß der Erfindung oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellte Vorformlinge umfassen, kann dies einem Verfahren folgen, bei dem der Vorformling zumindest teilweise plastisch geformt wird. Der Vorformling kann vor oder nach der Formung mit einem oder mehreren weiteren vorverfestigten Vorformlingen und/oder unverfestigten Vorformlingen verbunden werden, um eine größere Struktur bereitzustellen. Der Vorformling kann auch mit anderen Strukturen verbunden werden. Es ist bevorzugt, aber nicht erforderlich, dass die Verbindungen einen sich verjüngenden Teil oder Schichten beinhalten, die eine zweite Art Fasern umfassen. Die kombinierte Struktur kann in ein Vakuumgehäuse gegeben und vor dem Härten unter Vakuum gesetzt werden. Schließlich wird die Vorformlingsstruktur gehärtet.
Die Eigenschaften einer laminaren Struktur mit Schichten aus orientierten Fasern hängen in großem Maß von der Verteilung der Hauptelemente des Harzes, der Fasern und der Porosität der Struktur ab. Das Harz besitzt im Vergleich zu den Fasern eine geringe Festigkeit und kann daher einen Weg für eine Rissverpflanzung durch die Struktur bereitstellen, wenn zu große Harzschichten vorliegen. Eine Porosität kann die Festigkeit der Struktur dramatisch verringern, aber der Schaden hängt von der Größe der Poren, der Form und der Verteilung ab, d. h. die Auswirkung von kleinen isolierten kugelförmigen Poren ist beschränkt, wohingegen größere Poren, die in der Grenzfläche zwischen Harz und Fasern angeordnet sind, für die Struktur verhängnisvoll sein können. Es ist daher essentiell, dass man die Verteilung der Elemente steuern kann.
Das Ausmaß der Umverteilung hängt unter anderem von der Viskosität des Harzes beim Kompaktierungsverfahren ab, d. h. je niedriger die Viskosität ist, desto leichter ist die Umverteilung der Elemente. Durch Verwendung eines Vorverfestigungsverfahrens kann die Viskosität des Harzes mehr verringert werden, als es im Stand der Technik möglich ist, da die Struktur nicht darauf beschränkt ist, während des Verfahrens eine spezielle Form zu tragen. Wenn die Vorverfestigung eine begrenzte Härtung des Harzes beinhaltet, kann die Viskosität weiter verringert werden, da das Härten die Handhabbarkeit erhöht und das Kleben des vorverfestigten Vorformlings verringert. Daher ermöglicht die Vorverfestigung eine Umverteilung von Harz und/oder Fasern in einem viel größeren Maß, als es im Stand der Technik verwirklicht werden kann. Die resultierenden vorverfestigten Vorformlinge können eine sehr geringe Porosität sowie eine homogenere Struktur besitzen. Dies kann zum Beispiel eine Verbundstruktur mit einer weniger ausgeprägten laminaren Struktur zum Ergebnis haben, d. h. bei der die Schichten weniger ausgeprägt sind als in einer entsprechenden Verbundstoffstruktur, welche nur Vorformlinge umfasst, die vor dem Härten nicht vorverfestigt wurden.

2: Fasern, die eine Hauptfaserorientierung anzeigen
4: Harz
4a: Harzlinie
4b: Harzpunkte oder -teilchen
4c: unregelmäßige Harzlinie
4d: Harzlage
6: Klebstoff
6a: Klebstoff nahe Faserbeginn
6b: Klebstoff nahe Faserende
6c: Klebstoff auf einem zentralen Teil des Vorformlings
6d: Klebstoff auf einem zentralen Teil des Vorformlings in Zickzack-Muster
10: Grundriss von Vorformling
12: durchgehendes Loch
14: Richtung des Faserlegens
γ: Winkel zwischen Kanten eines Grundrisses eines Vorformlings
α: Winkel zwischen Kanten eines Grundrisses eines Vorformlings
β: Winkel zwischen Kanten eines Grundrisses eines Vorformlings
20: sich verjüngender Teil von Vorformling in der Hauptrichtung der Fasern
22: sich verjüngender Teil des Vorformlings orthogonal zur Hauptrichtung der Fasern
24: nicht-konischer Teil von Vorformling
30a: Amin eines ersten Systems auf Epoxy-Basis
30b: Amin eines zweiten Systems auf Epoxy-Basis
32: Katalysator für ein zweites System auf Epoxy-Basis
34: Epoxy-Komponente
36: Vormischung, umfassend Amin-Komponente und Katalysator
38: Misch- und Auftragungseinheit
40: gemischtes und verteiltes Harz
50: Grundriss von orientierten Fasern
52: Teil mit einer geringen Zahl von Faserschichten
54: Teil mit einer mittleren Zahl von Faserschichten
56: Teil mit einer hohen Zahl von Faserschichten
60: Faserschicht, die Kohlefasern umfasst
52: Faserschicht, die Fasern der zweiten Art umfasst
64: Überlappungsdistanz der Verschachtelung
66: Distanz zwischen den Enden von Schichten, die Fasern der zweiten Art umfasst

Claims

Vorformling, umfassend ein Harz und mindestens drei Faserschichten (2), wobei das Harz (4) hauptsächlich ein ungehärtetes wärmehärtendes Harz ist und ein Teil des Vorformlings dreidimensional so geformt ist, dass der Teil des Vorformlings konisch zuläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Faserschichten orientierte Faser-Towgarne (2) sind.
Vorformling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, synthetische Fasern, z. B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern, Biofasern, z. B. Hanf-, Jute-, Cellulosefasern usw., Mineralfasern, z. B. Rockwool^TM, Metallfasern, z. B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw., oder Borfasern sind.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) kontinuierliche Fasern sind.
Vorformling nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) hauptsächlich ein Harz auf Epoxy-Basis oder ein Harz auf Polyester-Basis ist.
Vorformling nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) zwei Harzsysteme, bevorzugt zwei Systeme auf Epoxy-Basis, umfasst.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss (10) des Vorformlings im Wesentlichen rechteckig ist.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss (10) des Vorformlings im Wesentlichen trapezförmig ist, wobei die Winkel (α, β) im Wesentlichen die gleichen sind.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen parallelen Seiten mindestens das Dreifache der Länge irgendeiner der parallelen Seiten, bevorzugt mehr als das Fünffache der Länge irgendeiner der parallelen Seiten ist.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundriss (10) des Vorformlings im Wesentlichen viereckig oder dreieckig ist.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) hauptsächlich in einer Richtung orientiert sind.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) im Wesentlichen orthogonal zu einer Kante des Vorformlings orientiert sind.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) im Wesentlichen parallel zu einer Kante des Vorformlings orientiert sind.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) so orientiert sind, dass Bereiche des Endelements gefestigt werden, die während des Betriebs einer höheren Beanspruchung ausgesetzt sind.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Fasern (2) in allen Schichten im Wesentlichen die gleiche ist.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Fasern (2) in einer ersten Schicht von der Orientierung der Fasern (2) in einer zweiten Schicht verschieden ist.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling Kohlenstofffasern (60) umfasst und wobei der Vorformling für eine Kopplung des Vorformlings an ein Verbundstoffelement verstärkt ist, das Fasern eines zweiten Typs (62) und ein Harz (4) umfasst, wobei die Fasern vom zweiten Typ (62) bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe von Glasfasern, Aramidfasern, synthetischen Fasern, z. B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern, Biofasern, z. B. Hanf-, Jute-, Cellulosefasern usw., Mineralfasern, z. B. Rockwool^TM, Metallfasern, z. B. Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw., oder Borfasern und ein Teil des Vorformlings in Richtung auf dieses Verbundstoffelement mit Fasern des zweiten Typs (62) versehen ist und die Fasern des zweiten Typs (62) sich über den Vorformling hinaus erstrecken.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling Kohlenstofffasern (60) umfasst und wobei der Vorformling für eine Kopplung des Vorformlings an ein Verbundstoffelement verstärkt ist, das Fasern vom zweiten Typ (62) und ein Harz (4) umfasst, wobei die Fasern vom zweiten Typ (62) vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe von Glasfasern, Aramidfasern, synthetischen Fasern, z. B. Acryl-, Polyester-, PAN-, PET-, PE-, PP- oder PBO-Fasern, Biofasern, z. B. Hanf-, Jute-, Cellulosefasern usw., Mineralfasern, z. B. Rockwool^TM, Metallfasern, z. B. Stahl-, Aluminium-, Messing, Kupfer usw., oder Borfasern, und wobei ein Teil des Vorformlings in Richtung auf das Verbundstoffelement hin mit Schichten versehen ist, die reich sind an Fasern vom zweiten Typ (62) oder diese ausschließlich enthalten, wobei diese zwischen Schichten verschachtelt sind, die reich an Kohlenstofffasern (60) sind oder diese ausschließlich enthalten und die Fasern vom zweiten Typ (62) sich über den Vorformling hinaus erstrecken.
Vorformling nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überlappungsdistanz der Verschachtelung (64) größer ist als das Ausmaß des Endzustands der Grenzflächenbeanspruchung zwischen Schichten, die reich an Kohlenstofffasern sind oder diese ausschließlich enthalten, und Schichten, die reich an Fasern vom zweiten Typ sind oder diese ausschließlich enthalten, vorzugsweise die Überlappungsdistanz der Verschachtelung größer ist als das Zweifache des Ausmaßes des Endzustandes der Grenzflächenbeanspruchung zwischen Schichten, die reich an Kohlenstofffasern sind oder diese ausschließlich enthalten, und Schichten, die reich an Fasern vom zweiten Typ sind oder diese ausschließlich enthalten.
Vorformling nach irgendeinem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (66) zwischen den Enden der Schichten, die reich an Fasern vom zweiten Typ (62) sind, welche zwischen Schichten verschachtelt sind, die reich an Kohlenstofffasern (60) sind, durch einen Abstand getrennt sind, der größer ist als das Ausmaß des Endzustandes der Grenzflächenbeanspruchung zwischen Schichten, die reich an Kohlenstofffasern (60) sind, und Schichten, die reich an Fasern vom zweiten Typ (62) sind, vorzugsweise der Abstand (66) zwischen den Enden der Schichten, die reich an Fasern vom zweiten Typ (62) sind, größer ist als das Zweifache des Ausmaßes des Endzustands der Grenzflächenspannung zwischen Schichten, die reich an Kohlenstofffasern (60) sind, und Schichten, die reich an Fasern vom zweiten Typ (62) sind.
Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings, umfassend die Schritte: • Bereitstellung von Schichten von Fasern (2) • Bereitstellen eines Klebstoffs (6) zwischen den Schichten von Fasern (2), um zumindest teilweise die Fasern (2) zu immobilisieren, • Bereitstellen eines Harzes (4) in Kontakt mit mindestens einer der Schichten der Fasern (2), wobei eine Faserschicht weg von der Kante einer vorangehenden Faserschicht vorgesehen wird, wodurch ein konischer Teil des Vorformlings verwirklicht wird, und das Harz (4) ein ungehärtetes wärmehärtendes Harz ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten von Fasern orientierte Faser-Towgarne (2) sind.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) zwischen zwei Schichten aus Faser-Towgarnen (2) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (6) mindestens eine der Komponenten des Harzes (4) umfasst, wobei der Klebstoff (6) vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung wie das Harz (4) aufweist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) so vorgesehen ist, dass es (eine) nicht-kontinuierliche Schicht oder Schichten bildet.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) als kontinuierliche Schichten vorgesehen ist, in welche durchgängige Löcher eingeführt worden sind, vorzugsweise durch Stanzen.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) als Flüssigkeit vorgesehen ist, vorzugsweise, um ein orientiertes oder statistisches Muster einer Linie, mehrerer Linien oder Punkte zu bilden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (6) in nicht-kontinuierlichen Schichten vorgesehen ist, vorzugsweise der Klebstoff (6) in Linien vorgesehen ist, die einen Winkel relativ zu Orientierung der Fasern aufweisen, wobei der Winkel bevorzugt etwa 90° relativ zu einer Orientierung der Fasern (2) beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) im Wesentlichen auf Epoxy basiert.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (4) zwei Systeme auf Epoxy-Basis umfasst, wobei die Systeme auf Epoxy-Basis bevorzugt eine gemeinsame Komponente umfassen und die gemeinsame Komponente bevorzugter eine Epoxy-Komponente ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Systeme auf Epoxy-Basis verschiedene Amin-Komponenten umfassen; vorzugsweise reagiert eine Amin-Komponente eines ersten Systems auf Epoxy-Basis bei einer ersten Temperatur mit einer Epoxy-Komponente, wohingegen eine Amin-Komponente (30b) eines zweiten Systems auf Epoxy-Basis bei der ersten Temperatur hauptsächlich unreaktiv verbleibt; die erste Temperatur liegt bevorzugt unter 50°C, bevorzugter ist die erste Temperatur etwa Raumtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Amin-Komponente (30b) des zweiten Systems auf Epoxy-Basis nach Aktivierung eines entsprechenden Katalysators (32) aushärtet, wobei der entsprechende Katalysator bevorzugt durch Erwärmen aktiviert wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 28 bis 30, weiter umfassend den Schritt der Herstellung einer Vormischung (36), welche die Amin-Komponente (30) und den Katalysator (32) umfasst, um eine stabile Flüssigkeit oder Aufschlämmung zu bilden, wobei gegebenenfalls die Viskosität durch Zugabe von 0,1 bis 5 Gew.-% einer Epoxy-Komponente (34) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, weiter umfassend den Schritt der Herstellung einer Harzmischung (38), welche die Vormischung (36) und die Epoxy-Komponente (34) umfasst, unmittelbar vor Anwendung der Harzmischung für die Herstellung eines Vorformlings.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) und gegebenenfalls das Harz (4) so bereitgestellt werden, dass sie einen im Wesentlichen rechteckigen Grundriss (10) des Vorformlings bilden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) und gegebenenfalls das Harz (4) so verteilt werden, dass sie einen im Wesentlichen trapezförmigen Grundriss (10) des Vorformlings bilden, wobei die Winkel (α, β) bevorzugt im Wesentlichen die gleichen sind.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) und gegebenenfalls das Harz (4) so verteilt werden, dass sie einen im Wesentlichen viereckigen oder dreieckigen Grundriss (10) des Vorformlings bilden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (2) so bereitgestellt werden, dass sie eine gewünschte Orientierung bilden und/oder einen Grundriss (10) bilden, indem die Fasern (2) selektiv geschnitten und/oder gestartet werden, vorzugsweise während der Faserlegung.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht innerhalb des Bereichs bereitgestellt wird, der durch die vorangehende Faserschicht begrenzt wird, bevorzugter die Fasern (2) durch selektives Schneiden und/oder Starten der Fasern (2) bereitgestellt werden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 20 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserschicht mit im Wesentlichen der gleichen Größe wie eine vorangehende Faserschicht entfernt von der Kante der vorangehenden Faserschicht bereitgestellt wird, wodurch gleichzeitig mindestens zwei konische Teile des Vorformlings verwirklicht werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus orientierten Fasern Kohlenstofffasern (60) umfassen, und weiter umfassend den Schritt der Bereitstellung von Schichten, welche Fasern vom zweiten Typ (62) umfassen, wobei sich die Schichten, die Fasern vom zweiten Typ (62) umfassen, von der Innenseite des Vorformlings über mindestens eine der Seiten des Vorformlings hinaus erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten, welche Fasern vom zweiten Typ (2, 62) umfassen, Prepregs sind, bevorzugt biaxiale Prepregs.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 39 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überlappungsdistanz (64) vom Ende der Schichten, welche die Fasern vom zweiten Typ (62) umfassen, innerhalb des Vorformlings bis zu den Enden der angrenzenden Schichten von orientierten Fasern, die Kohlenstofffasern (60) umfassen, größer ist als das Ausmaß des Endzustands der Grenzflächenbeanspruchung zwischen den Schichten von orientierten Kohlenstofffasern (60) und der Schichten, welche die Faser vom zweiten Typ (62) umfassen, bevorzugt größer als das Zweifache des Ausmaßes des Endzustands der Grenzflächenbeanspruchung zwischen den Schichten von orientierten Kohlenstofffasern (60) und den Schichten, die Faser vom zweiten Typ (62) umfassen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 39 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz (66) zwischen dem Ende der Schichten, welche die Fasern vom zweiten Typ (62) umfassen, innerhalb des Vorformlings durch eine Distanz von mehr als dem Zweifachen des Ausmaßes des Endzustandes der Grenzflächenbeanspruchung zwischen den Schichten von orientierten Kohlenstofffasern (60) und den Schichten, welche die Faser vom zweiten Typ (62) umfassen, getrennt ist.
Vorformling, erhältlich durch irgendeinen der Ansprüche 20 bis 42.
Verwendung eines Vorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19 oder 43 zur Herstellung eines vorverfestigten Vorformlings.
Verwendung eines Vorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19 oder 43 zur Herstellung eines Verbundstoffelements.
Verwendung eines Vorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19 oder 43 in einem Windturbinenflügel.
Verwendung eines Vorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19 oder 43 in einem Holm für einen Windturbinenflügel.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffelements, umfassend die Schritte: – plastisches Formen eines Vorformlings nach irgendeinem der Ansprüche 1–19 zu einer gewünschten Form, – gegebenenfalls Anordnen eines oder mehrerer weiterer Vorformlinge in Verbindung mit dem Vorformling, – gegebenenfalls Anordnen der Vorformlingstruktur in einer Vakuumumhüllung, – Härten der Vorformlingsstruktur.