JP5027309B2 - 複合材を製造する方法及び風車羽根 - Google Patents

Description

本発明は、複合材を製造する方法及び風車羽根に関する。本発明は、特に風車羽根を製造する方法に関する。

現代の風車羽根は、通常、真空補助式レジンインジェクション法、すなわち、真空下で圧縮された強化材料に樹脂を注入することによって強くて軽い複合材を製造する方法を用いて製造される。強化材料の大部分は、通常、ガラス繊維又は炭素繊維の織物のマットである。

型の内面の深く凹んだ形状のために、繊維マットは、積層の間に型に対して緊密に所定の位置に維持されない危険性がある。型の実際の曲率に従うのではなく、繊維マットは、ある状況では、たるみ（垂れ下がったチェーンの様な）形状になる傾向があり、型の内面と繊維マットとの間に空所を生ぜしめる（"ホバリングガラス"）。繊維マットの複数の層が互いに上下に配置されていると、真空が提供された時に繊維マットが型に対して押し付けられるのを妨げるほど、層の間の摩擦が強いことがある。その後の成形プロセスにおいて、型の表面と繊維マットとの間の空所は、繊維材料によって強化されていない樹脂で充填される。その結果、"ホバリングガラス"の領域における羽根の構造的な特徴は、望ましくないものとなることがある。

さらに、真空を提供する際に、ガラスが、空所内へ部分的に又は完全に押し込まれると、これは、繊維マットのしわ及び折れを生じる恐れがあり、それ自体は、樹脂が注入される前にしわ又は折れが伸ばされていないと機械的な弱さにつながる。

米国特許出願公開第２００３／００７７９６５号明細書には、繊維強化ポリマ複合材の製造において使用するための、三次元スペーサ織物樹脂注入媒体と、強化複合層とが開示されている。複合層として三次元スペーサ織物を使用することは、樹脂注入速度と、層における樹脂均一性とを高める。

国際公開第２００７／０３８９３０号パンフレットには、繊維強化製品を製造するためのレジンインジェクション成形法が開示されている。この方法は、ａ）少なくとも１つの多孔質部材を型に配置し、ｂ）強化繊維の１つ又は２つ以上の層を型に配置し、ｃ）多孔質部材に分配するための樹脂を繊維層に導入し、ｄ）樹脂を硬化させ、連続的な層を形成するために分配部材を合体させるステップを有している。

欧州特許第１３１０３５１号明細書には、繊維強化マトリックス材料を含む複合材料から風車羽根を形成する方法が開示されており、この場合、羽根は、閉鎖された型において一体に形成される。この方法は以下のステップを有する。すなわち、フレキシブルな外側コア部分と、内部の、堅い又は加工可能なコア部分とを備える型コアを用いて、外側型部分が、間に型空洞を形成するように型コアの周囲を閉鎖するように配置される。複合材料及び可能なコア挿入体は、外側型部分及び／又は型コアに配置される。外側型部分は、型コアの周囲と、型空洞に配置された複合材料との周囲に閉鎖される。複合材料は硬化される。外側型部分は除去される。型コアは、外側型部分を除去する前又は後に、形状永久羽根から取り出される。幾つかの必要なマトリックス材料が、複合材料を配置する場合に強化繊維に関連して使用され、付加的なマトリックス材料が、型を閉鎖した後に付加される。この方法は、ガラス繊維又は炭素繊維で強化されたエポキシ、ポリエステル、ビニルエステル又は熱可塑性プラスチック等の複合材料を使用する。

本発明の第１の目的は、深く凹んだ型における複合材の製造中に"ホバリングガラス"及び折れが回避される、複合材を製造する方法を提供することである。本発明の第２の目的は、有利な風車羽根を提供することである。

第１の目的は、請求項１記載の、複合材を製造する方法によって解決される。第２の目的は、請求項１４記載の風車羽根によって解決される。従属請求項は、発明のさらなる改良を定義している。

本発明による、複合材を製造する方法は、少なくとも１つの繊維マットを型の内面に配置するステップと、型の内面と少なくとも１つの繊維マットとの間に吸引作用を提供するステップと、少なくとも１つの繊維マットの最も外側の繊維マットを少なくとも１つの真空バッグで被覆するステップと、真空バッグと型との間の領域に真空を導入するステップと、真空を提供しながら、真空バッグと型との間の領域に樹脂を注入するステップと、樹脂を硬化させるステップと、型を除去するステップとを有している。

本発明の概念は、積層の間に型の内面と繊維マットとの間に吸引作用を提供することである。これは、この吸引作用が、少なくとも１つの繊維マットの最も外側の繊維マットが少なくとも１つの真空バッグで被覆される前に型の内面の間に提供されることを意味する。吸引作用は、繊維マットを型の内面に対して平らに押し付ける。この手段によって、特に深く凹んだ型における、複合材の製造中の"ホバリングガラス"及び折れが有効に回避される。

少なくとも１つの繊維マットの最も外側の繊維マットは、真空バッグが最も外側のマット上に配置されるように少なくとも１つの真空バッグによって被覆された型コアで被覆される。これは、有利には、真空バッグと型との間の領域に真空を導入する前に行われることができる。

さらに、真空を分配するために適した媒体は、型の内面と少なくとも１つの繊維マットとの間及び／又は２つの後続の繊維マットの間に配置されることができる。真空を分配するのに適したこの媒体は、型の内面と、少なくとも１つの繊維マットとの間に吸引作用を提供するために使用されてよい。本発明に関連して、真空を分配するのに適した媒体は、真空分配媒体とも呼ばれる。この真空分配媒体は、型の内面に配置されてよい。繊維材料の１つ又は２つの層は、真空分配媒体の上に配置される。空気が真空分配媒体から吸い出されると、吸引作用が媒体を型の内面に対して平らに押し付け、それと同時に、繊維材料の層が真空分配媒体に向かって吸い付けられる。繊維材料は気密ではないので、既存の層の上に配置された繊維材料の後続の層も吸引作用を受け、ひいては、型に対して平らに位置させられる。

樹脂によって含浸可能な、真空を分配するのに適した媒体、すなわち真空分配媒体が、使用されることができる。この場合、真空分配媒体は、積層体の一体化された部分になることができる。さもないと、複合材の表面、例えば風車羽根の表面は剥がれ落ちてしまう。

必要であれば、繊維マットの１つの層におけるしわ及び折れは、次の層が配置される前に手作業で除去されることができる。しわ及び折れが除去されると、吸引作用が層を平らに保持する。

有利には、繊維マットよりも低い空気透過率を有する材料の層が、最も外側の繊維マットの上に配置されてよい。積層のために適した、繊維マットよりも低い空気透過率を有する材料が、使用されることができる。この場合、繊維マットよりも低い空気透過率を有する材料も、積層体の一体化された部分になることができる。概して、繊維マットよりも低い空気透過率を有する材料の層を最も外側の繊維マットの上に配置することは、繊維マットを所定の位置に保持する吸引作用を増大させる。

例えば、全ての繊維、及び場合によってはその他のコア材料が、所定の位置に配置されると、低い空気透過率を有する材料の１つの層が、コア材料を所定の位置に保持する吸引作用を増大させるために、上側に配置されることができる。風車羽根を製造する場合、低い空気透過率、特に使用される繊維マットよりも低い空気透過率の層が、有利には、積層のために適していることができる。なぜならば、せん断ウェブがこの層の上に配置されることができるからである。この場合、せん断ウェブと、積層された羽根の他の部分との間には強い結合が形成されることが重要である。

概して、繊維材料は気密ではなく、層の２つの側、例えば繊維マットの２つの側の間の差圧は小さい。しかしながら、繊維材料は極めて柔軟であり、小さな差圧が、繊維材料を所定の位置に保持するのに十分である。

概して、本発明の方法は、風車羽根を製造するために使用されてよい。この場合、複合材は風車羽根であってよく、方法は、少なくとも１つの繊維マットを、型の下側部分及び上側部分の凹んだ内面に配置するステップと、型の部分のうちの少なくとも一方の内面と、少なくとも１つの繊維マットとの間に吸引作用を提供するステップと、型の下側部分に位置する最も外側の繊維マットを、真空バッグが最も外側のマットの上に配置されるように少なくとも１つの真空バッグによって被覆された型コアで被覆するステップと、型の上側部分を、型が閉鎖されるように型の下側部分の上に配置するステップと、真空バッグと型との間の領域に真空を導入するステップと、真空バッグと型との間の領域に真空を提供しながら樹脂を注入するステップと、樹脂を硬化させるステップと、型及び型コアを除去するステップとを有する。この方法により、風車羽根を、接着による接合部を備えることなく一体に製造することができる。好適には、型の上側部分を、型の下側部分の上に配置する前に、長手方向軸線を中心に回転させることができる。

真空を分配するのに適した媒体は、型の上側部分及び／又は下側部分の内面と、繊維マットとの間に配置されることができる。真空を分配するのに適した媒体は、２つの後続の繊維マットの間に配置されてもよい。

付加的に、コア材料は、後続の繊維マットの間に配置されることができる。コア材料は、真空を分配するのに適した媒体として使用されてもよい。さらに、少なくとも１つのせん断ウェブは、型の下側部分に位置する最も外側の繊維マットの上に配置されることができる。

好適には、型の下側部分に配置された少なくとも１つの繊維マットは、型の上側部分に配置された少なくとも１つの繊維マットと重なり合うことができる。付加的に又は択一的に、型の上側部分に配置された少なくとも１つの繊維マットは、型の下側部分に配置された少なくとも１つの繊維マットと重なり合うことができる。この重なり合いは、完成した羽根の２つの半部の間の接合の安定性を高める。有利には、二軸繊維マットは、型の上側部分又は下側部分の少なくとも１つの繊維マットと重なり合う繊維マットとして使用されることができる。

例えば、型の上側部分及び下側部分は、内側の凹面が上を向くように位置決めしつつ、繊維及びコア材料で充填されることができる。繊維及びコア材料は、上述のように吸引作用を提供しながら型の両部分に配置されることができる。次に、せん断ウェブと、型コアと、真空バッグとが、型の下側部分に配置されることができる。次いで、型の上側部分は、長手方向軸線を中心に１８０゜回転させられ、型が閉鎖されるように下側部分の上に配置されることができる。繊維材料及びコア材料が軽いので、低い空気透過率の、つまり空気透過率が繊維マットの空気透過率よりも小さい最も外側の層の内外における小さな差圧が、この回転プロセスの間、コア材料を所定の位置に保持するのに十分である。繊維及びコア材料の重量は、一般的に、１０ｇ／ｃｍ²未満〜２０ｇ／ｃｍ²であり、これは、大気圧の数パーセントの差圧が十分であることを意味する。

２つの部分が組み立てられた時に、型の下側部分に配置された繊維材料の層の幾つかが型の上側部分に配置された層の幾つかと重なり合うことが重要である。さもないと、完成した羽根の２つの半部の間の接合部は、繊維強化を有することのない、硬化された樹脂だけから成る。このような接合部は、望まれるよりも弱くなる。

概して、真空分配層を、型の内面に又は型の内面にすぐ隣接して配置し、繊維マットが覆い被せられている間にこの真空分配層から空気を吸い出すことにより、繊維マットは型の内面に向かって吸引され、これにより、樹脂の注入が開始される時に、繊維ガラスに"ホバリングガラス"及びしわ又は折れが残らない。

繊維マットは、ガラス繊維又は炭素繊維の織物マットから成っていてよい。

積層された構造を備える本発明による風車羽根は、一方向ガラス繊維の少なくとも１つの層と、二軸ガラス繊維の少なくとも１つの層と、積層される前に真空を分配するのに適した少なくとも１つの層とを有している。積層される前に真空を分配するのに適した層は、コア材料を含んでいてよい。

本発明のその他の特徴、特性及び利点は、添付の図面に関連した実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。全ての記載された特徴は、個別でも、互いに組み合わせても有利である。

従来技術による風車羽根を製造するための組み立てられた型を概略的に示す断面図である。 本発明による組立て方法における型の上側部分と下側部分とを概略的に示す断面図である。 様々な層の積層の択一的な態様を概略的に示す図である。

ここで本発明の実施形態を図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、欧州特許第１３１０３５１号明細書に記載された組み立てられた型の断面図を概略的に示している。欧州特許第１３１０３５１号明細書に記載された製造方法の第１のステップは、型の下側部分１を、ガラス繊維と、バルサ材等のコア材料との層２で充填することである。型コア３Ａ及び３Ｂは、真空バッグ５Ａ及び５Ｂによって被覆されており、せん断ウェブ４と一緒に型内に配置されている。次いで、さらにガラス繊維及びコア材料６が型コア上に配置され、型の上側部分７が所定の位置に配置される。真空バッグ５Ａ，５Ｂの間の領域に真空が導入され、真空が提供されながら樹脂がコア材料内に注入（射出）される。

図２は、組立てプロセス中の、型の上側部分７及び下側部分１の断面を概略的に示している。図２は、本発明による風車羽根を製造する方法を示している。型の上側部分７と下側部分１が組み立てられる直前における、図１に円で囲まれた型の一部の断面の拡大図が示されている。図２は、羽根の前縁における積層プロセス及び型部分の組立てのみを示している。後縁におけるプロセスは同様であり、ここでは詳述しない。

真空分配層１０は、型の上側部分７及び下側部分１の内面に配置される。真空分配層１０は、吸引作用を提供するために真空ポンプ８に接続されている。二軸ガラス繊維の層１１が、真空分配層１０の内面に配置されており、一方向ガラス繊維マットの１つ又は２つ以上の層１２が、バルサ材等のコア材料の層１３と一緒に付加される。二軸ガラス繊維の層１１と、一方向ガラス繊維マットの層１２と、コア材料の層１３との積層の間に、型部分１，７の内面と層１１，１２，１３との間に真空分配層１０によって吸引作用が提供される。

コア材料１３の上には、一方向ガラス繊維マットの１つ又は２つ以上の付加的な層１４が配置される。最後に、積層は、二軸ガラス繊維の第２の層１５によって完了する。この第２の層１５は、空気をより透過させない不織布タイプであることができるか、又はその他の繊維マットよりも低い空気透過率を備える不織布ガラス繊維の付加的な層が、二軸ガラス繊維の第２の層１５の上に配置されることができる。一方向ガラス繊維マット１４の付加的な層と、二軸ガラス繊維の第２の層１５との積層の間に、型の部分１，７の内面と、層１４，１５との間に、真空分配層１０によって吸引作用がさらに提供される。

型の両部分における積層が完了すると、型コア３Ａ，３Ｂが真空バッグ５Ａ，５Ｂ及びせん断ウェブ４と一緒に、型の下側部分１に配置される。型の両部分における繊維材料の全ての層、特にせん断ウェブ４と接触する層は、積層のために適しているので、せん断ウェブ４は、積層された羽根構造において堅固に一体化される。次に、型の上側部分７は長手方向軸線を中心に１８０゜回転させられて、型が閉じられるように所定の位置に配置される。

二軸ガラス繊維の層１１，１５は、羽根にねじり強さを提供することを目的としており、したがって、羽根の全周にわたって連続的な二軸ガラス繊維強化積層体が形成されることが重要である。一方向ガラス繊維マット１２，１４は、羽根の長手方向の引張り強さを提供することを目的とする。したがって、型の２つの部分１，７に一方向ガラス繊維マット１２，１４の間に重なりを有することは重要ではない。

図２に示したように、型の下側部分１に配置されたガラス繊維マットとコア材料との一部は、型の下側部分１のエッジ９を超えて延びている。択一的に又は付加的に、型の上側部分７に配置されたガラス繊維マット及びコア材料の一部は、型の上側部分７のエッジ１６を超えて延びていてよい。積層の初期段階において、この材料は、型１，７のエッジ９，１６上に覆い被されることができる。型コア３Ａが型に位置決めされると、型のエッジ９を超えて延びておりかつ型の表面に向かって吸引されない、型の下側部分１におけるガラス繊維層の部分は、図２に示したように、型コア３Ａに沿って位置決めされる。

型の２つの部分が組み合わされると、２つの部分における二軸ガラス繊維の層１１，１５が重なり合い、これにより、羽根の２つの半部の間の積層体の強い接合部が形成される。

図３には別の変化態様が示されておりこの場合、真空分配媒体１８は型１７内に直接配置されない。その代わりに、繊維材料の層１９は型１７の内面に配置され、真空分配媒体１８がこの層の上に配置される。この場合、繊維材料の第１の層１９は、真空分配媒体１８が所定の位置に配置され、繊維材料の第２の層２０がその上に配置され、ポンプ８が真空分配媒体１８に接続されるまで、型１７の表面に対して平らに押し付けられない。上述のように、繊維材料の後続の層２１，２２が配置されて平らに押し付けられる。

別の態様においては、コア材料１３は、吸引作用分配媒体又は真空分配媒体として使用される。これは、吸引作用が提供されながら外側の層が積層されず、コア材料が配置されて吸引作用が提供されると、外側層が型に対して堅固に押し付けられ、内側における新たな層もコア材料に対して堅固に押し付けられる。

ガラス繊維積層体のエッジの近くにおいては、個々の層の間の圧力は他の部分よりも高い。したがって、吸引作用は、エッジにおいて層が型から剥離するのを阻止するのに十分ではないことがある。これを補償するために、最も外側の層は、他の層よりも高い剛性を有するように選択されることができる。

型の下側部分１に位置する最も外側の繊維マットを、真空バッグ５Ａ，５Ｂが最も外側の繊維マット１５，２２上に配置されるように、真空バッグ５Ａ，５Ｂによって被覆された型コア３Ａ，３Ｂで被覆し、型が閉じられるように型の下側部分１の上に型の上側部分７を配置した後、真空バッグ５Ａ，５Ｂと型１，７との間の領域に真空が導入される。次いで、真空バッグ５Ａ，５Ｂと型１，７との間の領域に、真空が提供されながら樹脂が注入される。樹脂が硬化すると、型１，７と型コア３Ａ，３Ｂが除去される。

本発明は、特に深く凹んだ型における、複合材の製造中に折れ及び"ホバリングガラス"の発生を有効に阻止する。

１ 下側部分、 ２ 層、 ３Ａ，３Ｂ 型コア、 ４ せん断ウェブ、 ５Ａ，５Ｂ 真空バッグ、 ８ 真空ポンプ、 ９ エッジ、 １０ 真空分配層、 １１ 二軸ガラス繊維の層、 １２ 一方向ガラス繊維マットの層、 １３ コア材料の層、 １４ 一方向ガラス繊維マットの層、 １５ 二軸ガラス繊維の第２の層、 １７ 型、 １８ 真空分配媒体、 １９ 繊維材料の層、 ２０ 繊維材料の第２の層、 ２１，２２ 繊維材料の層

Claims (12)

1. 複合材を製造する方法であって、
   型（１，７，１７）の内面に少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）を配置するステップと、
   型（１，７，１７）の内面と少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）との間に吸引作用を提供するステップと、
   少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）の最も外側の繊維マット（１５，２２）を少なくとも１つの真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）で被覆するステップと、
   真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）と型（１，７，１７）との間の領域に真空を導入するステップと、
   真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）と型（１，７，１７）との間の領域に、真空を提供しながら樹脂を注入するステップと、
   樹脂を硬化させるステップと、
   型（１，７，１７）を除去するステップとを含む方法において、
   真空を分配するのに適した媒体（１０，１８）が、型（１，７，１７）の内面と少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）との間及び／又は２つの後続の繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）の間に配置され、型（１，７，１７）の内面と少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）との間に吸引作用を提供するために使用され、
   真空を分配するのに適した媒体（１０，１８）が、吸引作用を提供するために真空ポンプ（８）に接続されており、
   少なくとも１つの繊維マットの最も外側の繊維マットが少なくとも１つの真空バッグで被覆される前に吸引作用が提供されることを特徴とする、複合材を製造する方法。
2. 少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）の最も外側の繊維マット（１５，２２）が、少なくとも１つの真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）によって被覆された型コア（３Ａ，３Ｂ）で被覆され、真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）が最も外側の繊維マット（１５，２２）上に配置される、請求項１記載の方法。
3. 樹脂によって含浸可能な、真空を分配するのに適した媒体（１０，１８）が、使用される、請求項１又は２記載の方法。
4. 繊維マットよりも低い空気透過率を有する材料の層が、最も外側の繊維マット（１５，２２）の上に配置される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 積層に適した、繊維マットよりも低い空気透過率を有する材料が、使用される、請求項４記載の方法。
6. 複合材が風車羽根であり、前記方法が、
   型の下側部分（１，１７）及び上側部分（７，１７）の凹んだ内面に少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）を配置するステップと、
   吸引作用を提供した後に、型の下側部分（１，１７）に位置する最も外側の繊維マット（１５，２２）を、少なくとも１つの真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）によって被覆された型コア（３Ａ，３Ｂ）で被覆し、真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）が最も外側の繊維マット（１５，２２）上に配置されるステップと、
   型が閉じられるように型の下側部分（１，１７）の上に型の上側部分（７，１７）を配置するステップと、
   真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）と型（１，７，１７）との間の領域に真空を導入するステップと、
   真空バッグ（５Ａ，５Ｂ）と型（１，７，１７）との間の領域に、真空を提供しながら樹脂を注入するステップと、
   樹脂を硬化させた後に、型（１，７，１７）及び型コア（３Ａ，３Ｂ）を除去するステップとを含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 型の上側部分（７，１７）を型の下側部分（１７）の上に配置する前に型の上側部分（７，１７）が該上側部分の長手方向軸線を中心に回転させられる、請求項６記載の方法。
8. 真空を分配するのに適した媒体（１０，１８）が、型の上側部分（７，１７）及び／又は下側部分（１，１７）の内面と繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）との間、及び／又は２つの後続の繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）の間に配置される、請求項６又は７記載の方法。
9. 後続の繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）の間にコア材料（１３）が配置される、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 型の下側部分（１，１７）に位置する最も外側の繊維マット（１５，２２）上に少なくとも１つのせん断ウェブ（４）が配置される、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 型の下側部分（１，１７）に配置された少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）が、型の上側部分（７，１７）に配置された少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）と重なり、かつ／又は型の上側部分（７，１７）に配置された少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）が、型の下側部分（１，１７）に配置された少なくとも１つの繊維マット（１１，１２，１４，１５，１９−２２）に重なる、請求項６から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 型の上側部分（７，１７）又は下側部分（１，１７）の少なくとも１つの繊維マットと重なる繊維マットとして、二軸繊維マット（１１，１５）が使用される、請求項１１記載の方法。

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