阴模中的纤维自动放置的制作方法

专利名称：：阴模中的纤维自动放置的制作方法阴模中的纤维自动放置
技术领域：
本发明所描述的主题大体上涉及纤维自动放置系统，更具体而言，本发明涉及用于在阴模中自动地放置纤维以制备用于叶片根段(bladerootsection)的层的方法和系统。
背景技术：
：风力涡轮机(windturbine)作为环境安全和相对廉价的可替代能源资源，已经日渐受到关注。随着对可替代能源资源兴趣的增长，已有相当可观的努力用来发展可靠且有效的风力涡轮机。至少一些已知的风力涡轮机包括转子，其将风能转换成转动转矩，该转动转矩驱动一个或多个发电机。至少一些已知的转子包括多个叶片根段。一些已知的系统通过绕心轴来卷绕纤维片，将该心轴的外表面靠着模子的内表面定位，并把卷绕的纤维片机械地压靠在模子的内表面上，这样来制备叶片根段。其他已知的系统通过将纤维片靠在模子的内表面上解绕展开来制备叶片根段。
发明内容在一个方面，提供了一种用于形成具有纤维层的制品的方法。该方法包括，绕旋转轴线旋转具有表面的模子，绕该旋转轴线旋转包括头部的装置，并用该头部把纤维施加在模子的表面上以形成制品。在另一个方面，提供了一种用来形成具有纤维层的制品的系统。该系统包括模子和装置。模子具有表面，模子设置成绕旋转轴线旋转。装置包括基座和连接在基座上的头部，基座设置成绕旋转轴线旋转，头部设置成用以施加纤维在模子的表面上以形成制品。在又一个方面，提供了一种制品。该制品使用纤维放置系统和包括内表面的阴模形成。该制品在该内表面上形成。该制品包括至少一个层，其包括用离心力施加的至少一根纤维。图1是一种示例性风力涡轮机的透视图2是适合与图1所示风力涡轮机一起使用的示例性转子叶片的透视图3是一种示例性纤维放置系统及适合与该纤维放置系统一起使用的示例性模子的分解爆炸透视图4是用图3所示的纤维放置系统和模子制备的制品的截面图；和图5是使用图3所示的纤维放置系统和模子在阴模中自动地放置纤维的示例性方法的流程图。零部件清单10风力涡轮机12塔架(tower)14支撑面16机舱(nacelle)18转子20轮毂22旋转轴线24方向26转子叶片28控制系统30偏航轴线40叶片根段42长度44复合壳46层48核心材料60纤维放置系统62模子64装置66制品68控制器70第一旋转轴线72内表面74笛一總弟漸76Λ-Λ-~·上山弟一兄而78基座80第二旋转轴线82线轴84臂86头部88接头90切割装置92囊状物94真空袋系统96多个孔98加热装置100分模线102中段104厚度200方法202旋转模子204旋转机器206施加纤维在模子上208切割纤维209定位囊状物2lo旋转囊状物212囊状物膨胀214模子和囊状物减速216释放粘合剂217释放核心材料218硬化粘合剂和／或核心材料220切割层具体实施方式本发明描述的方法和系统大体上涉及纤维自动放置系统，其包括纤维放置装置和模子。纤维放置装置和模子旋转以产生离心力，该纤维放置装置在该模子的内表面上施加纤维以形成层，且该模子用离心力将该层保持在内表面上。该层用合适的树脂硬化，并将该层从模子上取下。该纤维放置系统可用来制备各种纤维部件，包括风力涡轮机部件，例如，但不局限于，叶片根段。图l是一种示例性风力涡轮机lo的透视图。本文所用的用语“风力涡轮机”旨在代表任何从风能产生旋转能量，并且更具体地讲，将风的动能转化为机械能的设备。在该示例性的实施例中，风力涡轮机lo是用来从风能产生电力的风力涡轮发电机。本文所用的用语“风力涡轮发电机”旨在代表任何风力涡轮机，其从风能产生的旋转能量中产生电力，并且更具体地讲，将从风的动能转化所得的机械能转化成电力。在该示例性的实施例中，风力涡轮机lo包括塔架12和机舱16，该塔架12从支撑面14延伸出来，该机舱16安装在塔架12上。塔架12可以是任何合适类型的塔架，并且可用任何合适的材料制备。在该示例性的实施例中，塔架12用管状钢制备，使得在支撑面14和机舱16之间限定了空腔(未在图l中示出)。塔架12的高度可以是能让风力涡轮机lo如本文所描述运行的任何合适的高度。在该示例性的实施例中，转子18被连接在机舱16上，且包括能绕旋转轴线22旋转的轮轂20。风力涡轮机lo和／或转子18可被定位在相对风的方向24的任何角度，以从中利用风能做动力。在该示例性的实施例中，风力涡轮机lo是水平轴线的风力涡轮机，且转子18通常朝着上风向或下风向，以利用风能做动力。在该示例性的实施例中，转子18包括至少一个转子叶片26，其被连接在轮轂20上并且从轮轂向外延伸。本文所用的用语“叶片”旨在代表任何装置，其在与周围流体有相互运动时提供反作用力。在该示例性的实施例中，转子叶片26绕轮轂20间隔开地布置，以助于转子绕旋转轴线22旋转，使得从风传递来的动能成为可用的机械能，并随后成为电能。引(induCed)到转子叶片26上的负载被传递到轮轂20上。在该示例性的实施例中，控制系统28被通讯式地连接在风力涡轮机lo的多个部件上，用来总体上监测和控制风力涡轮机10和/或其中一些或所有部件的操作。例如，在该示例性的实施例中，随着方向M改变，机舱16的偏航方向可绕偏航轴线30被控制，以相对于方向M来定位转子叶片26。此外，控制系统观可用来监测和控制整个系统，包括，但不局限于，变桨和速度调节，高速轴和偏航制动应用，偏航和泵电动机应用，和/或故障监测。备选的分布式或集中式控制结构可用在某些实施例中。图2是适合与风力涡轮机10—起使用的转子叶片沈的透视图。转子叶片沈包括叶片根段40，其跨过转子叶片沈上一段长度42。叶片根段40包括复合壳44，其包括任何合适数量的层46和/或核心材料48(corematerial)，层46和/或核心材料48跨过叶片根段40上一段合适的长度。在该示例性的实施例中，在叶片根段40—端跨过大约1500mm的一段不包括核心材料48。在该示例性的实施例中，层46和核心材料48使用任何合适的树脂而层压在一起，该合适的树脂包括，但不局限于，环氧树脂、乙烯基酯和聚酯树脂中的一种或多种。在该示例性的实施例中，层46和核心材料48有助于加强复合壳44，以减少和/或消除来自转子18的转矩对叶片根段40的损害，和/或由于作用在转子叶片沈上的风力负载引起的挠曲。层46和核心材料48具有任何合适的厚度以支撑和/或加强叶片根段40。在该示例性的实施例中，一核心材料48被定位在两个相邻的层46之间，该核心材料48的厚度比层46的厚度要大。每个层46可包括任何合适数量的子层，该子层可用任何合适的材料制成，包括，但不局限于，金属、塑料、木材和纤维材料中的一种或多种。核心材料48可包括任何合适的材料，包括，但不局限于，轻质木材、聚氯乙烯(PVC)泡沫、苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)泡沫、聚乙烯(PE)泡沫、聚氨酯(PU)泡沫、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫、金属蜂窝和织物材料中的一种或多种。图3是包括模子62和纤维放置装置64的纤维放置系统60的分解爆炸透视图。图4是用纤维放置系统60制备的制品66的截面图。更具体地讲，制品66包括用于叶片根段40的相连层46。纤维放置装置64设置成用来释放纤维，用离心力使该纤维保持靠在模子62上。在该示例性的实施例中，至少一个控制器68设置成用来控制纤维放置系统60的操作。控制器68包括设置成用来执行本文所描述的方法和/或步骤的处理器。本文所用的用语“处理器”宽泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程序的电路，并且这些用语在本文中可互换地使用。应当理解，处理器和/或控制系统也可包括存储器、输入通道和/或输出通道。在本文所描述的实施例中，存储器可能包括，但不局限于，计算机可读的媒介，例如随机存取存储器(RAM)，及计算机可读的永久性媒介，例如闪速存储器(flashmemory)0或者，软盘、只读光盘(⑶-ROM)、磁-光盘(MOD)和/或数字化视频光盘(DVD)也可被使用。而且，本文所描述的实施例中，输入通道可包括，但不局限于，传感器和/或与操作界面相关联的计算机外围设备，例如鼠标和/或键盘。另外，在该示例性的实施例中，输出通道可包括，但不局限于，控制装置、操作界面监视器和/或显示器。本文所描述的处理器处理从多个电气和电子装置传输的信息，可包括，但不局限于，传感器、执行机构(actuator)、压缩机、控制系统和/或监控器件。这样的处理器可实际位于，例如，控制系统、传感器、监控器件、台式电脑、便携式电脑、PLC柜和/或分布式控制系统(DCQ柜中。RAM和存储器件存储和传递待处理器执行的信息和指令。RAM和存储器件也可用来存储和提供临时变量、静态(例如不变的)信息和指令，或在处理器执行指令期间对处理器而言的其他中间信息。被执行的指令可包括，但不局限于，纤维自动放置系统控制命令。指令的执行顺序不局限于任何特定的硬件电路组合和软件指令。模子62设置成绕第一旋转轴线70旋转。在该示例性的实施例中，模子62具有内表面72、第一端74以及与第一端74相对的第二端76。模子62具有适合于形成制品66的形状。在该示例性的实施例中，模子62基本上是圆柱形的。或者，模子62可以是任何合适的形状，以形成制品66、层46和/或叶片根段40。装置64包括基座78，该基座78设置成绕第二旋转轴线80旋转。基座78设置成可容纳至少一个线轴82和/或粗纱束(rovingbundle)。在该示例性的实施例中，基座78接受3个线轴82。每个线轴82提供至少一任何合适类型的纤维给连接在基座78上的臂84。臂84设置成随基座78绕第二旋转轴线80旋转，以减少使纤维从线轴82跨到臂84缠结(tangling)的可能性。在该示例性的实施例中，头部86被连接在臂84上。在该示例性的实施例中，臂84包括多个接头88，使头部86能在至少一个方向上运动。更具体地讲，在示例性的实施例中，每个接头88的臂84是可枢轴式旋转的(pivotable)和/或能旋转的，使得可在相对于模子62和/或装置64的任何合适的方向上移动头部86。臂84可用作线性引导系统(linearguidingsystem)0在该示例性的实施例中，纤维放置系统60包括切割装置90(cuttingdevice)，其设置成用来切割纤维、层46和/或制品66中的至少一个。更具体地讲，在该示例性的实施例中，切割装置90被定位在头部86，并且设置成用来切割来自线轴82的纤维。在该示例性的实施例中，纤维放置系统60包括设置成可收缩和膨胀的囊状物92(bladder)。在该示例性的实施例中，囊状物92成形为大致圆柱形的，使得该囊状物被定位在模子62内并绕着旋转轴线80定位在装置64周围。在该示例性的实施例中，囊状物92包括真空袋系统94，其设有多个孔96。真空袋系统94设置成用来穿过孔96释放粘合剂到模子62的内表面72上，和/或释放至施加在模子62内表面72上的纤维上。在该示例性的实施例中，囊状物92包括设置成用来给粘合剂提供热量的加热装置98，以帮助固化和/或硬化该粘合剂。模子62包括至少一条分模线100，以助于从模子62上取下制品66。在该示例性的实施例中，模子62包括两条分模线100，其将模子62分为两段。另外地或备选地，模子62可具有适合于取下制品66的形状。例如，模子62可具有圆锥形状。另外，在模子62和制品66之间，不同的加热和/或冷却可被使用，以用来把模子62和制品66分开。图5是用来在阴模中自动地放置纤维的示例性方法200的流程图。在使用期间，在该示例性的实施例中，模子62以第一旋转速度Rl绕第一旋转轴线70旋转202，且装置64以第二旋转速度R2绕第二旋转轴线80旋转204。第一旋转速度Rl和第二旋转速度R2有助于压紧纤维，以产生合适的纤维-重量比(fiber-to-weightratio)。第一旋转速度Rl是适合让纤维保持靠在模子62内表面上的速度，使得制品66受压，以提供合适的纤维密度。第二旋转速度R2是适合释放纤维的速度，使得纤维在被释放时是适当地直的。在该示7例性的实施例中，第一旋转速度Rl和第二旋转速度R2在大约1.5赫兹(Hz)(90转每分钟(RPM))^P3Hz(216RPM)之间，产生大约10G(98m/s2)到40G(392m/s2)的超重力。在该示例性的实施例中，第一旋转轴线70与第二旋转轴线80同轴地对准。或者，第一旋转轴线70可不与第二旋转轴线80对准。每个线轴82提供纤维到装置64，并且，更具体地讲，经由臂84提供到头部86。在该示例性的实施例中，装置64施加206来自线轴82的纤维至内表面72上，以形成制品66。这样，制品66的外表面和内表面72实质上是互补的。在该示例性的实施例中，制品66包括多个层46，这些层在第一端74和第二端76之间的纵向中段102处相连接(见图4)。模子62以第一旋转速度Rl绕第一旋转轴线70旋转，以提供足够的离心力让制品66保持靠在内表面72上。基座78、线轴82、臂84和头部86都以第二旋转速度R2绕第二旋转轴线80旋转，以减少纤维缠结的可能性。在该示例性的实施例中，头部86的运动及模子62与装置64的相对旋转决定纤维的取向。更具体地讲，在该示例性的实施例中，头部86的运动及第一和第二旋转速度Rl和R2可设置成以任何合适的模式来施加纤维。而且，头部86的运动及第一和第二旋转速度Rl和R2可设置成施加纤维，用来产生不同的纤维密度。头部86在第一端74和第二端76之间沿纵向运动，以提供用来施加206纤维的纵向或垂直的分量。纤维放置系统60可设置成用任何合适的模式来施加纤维。例如，纤维放置系统60可用缠绕模式(windingpattern)来制备制品66。在该示例性的实施例中，头部86借助于接头88的臂84的运动而能够运动。在该示例性的实施例中，在每一道(pass)之后和/或当头部86在第一端74或第二端76时，切割装置90切割208纤维。本文所用的用语“道”旨在代表头部86从第一端74到第二端76的运动、从第二端76到第一端74的运动和/或其中有助于制备不同密度和厚度的制品66的任何部分。切割208纤维有助于以基本上均勻的股(strand)206来施加纤维，从而减少了可能的纤维折叠和/或制品66的不均勻表面。而且，在第一端74和第二端76处切割208纤维，有助于减少用来形成制品66的纤维的数量和/或重量。在该示例性的实施例中，纤维放置系统60对于每一道都施加连续纤维。第一旋转速度Rl和第二旋转速度R2之间的差异提供了模子62和装置64之间的相对运动，并提供了用来施加206纤维的切向的或水平的分量。在该示例性的实施例中，第一旋转速度Rl和第二旋转速度R2是能调整的，以提供用来施加206纤维的切向分量的调整。更具体地讲，在该示例性的实施例中，当其中第一旋转速度Rl比第二旋转速度R2大时，纤维被施加在第一水平方向上，而当其中第一旋转速度Rl比第二旋转速度R2小时，纤维被施加在与第一水平方向相反的第二水平方向上。在该示例性的实施例中，制品66包括多个纤维层。在该示例性的实施例中，每个层包括至少一个通过离心力由装置64施加的纤维。在该示例性的实施例中，每个层被保持靠在模子62的内表面上。在该示例性的实施例中，至少一个纤维是从制品66的第一端74延伸到第二端76的连续纤维。在示例性的实施例中，通过以基本上类似的旋转速度旋转模子62和装置64，至少一个纤维定向成平行于纵向轴线。在示例性的实施例中，通过保持头部86在一定位置，并且以不同的旋转速度旋转模子62和装置64，使至少一个纤维沿着模子62的内表面的至少一部分圆周来取向。在该示例性的实施例中，囊状物92绕第一旋转轴线70定位于209模子62中。囊状物92以第一旋转速度Rl绕第一旋转轴线70旋转210，使得模子62和囊状物92之间的相对运动减少。囊状物92膨胀212以使得囊状物92的外表面提供足够的力，用来保持制品66靠在模子62的内表面72上。模子62和囊状物92各自以基本上类似的速度减速214，并且，随着旋转速度的减小，离心力也减小且囊状物92保持制品66靠在内表面72上。在该示例性的实施例中，模子62和囊状物92从第一旋转速度Rl减速214到基本上为OHz(ORPM)的第三旋转速度R3。从第一旋转速度Rl到第三旋转速度R3，模子62和囊状物92以基本上类似的速度绕第一旋转轴线70旋转，以减少模子62和囊状物92之间的相对旋转，并因而减少了制品66移位的可能性。在该示例性的实施例中，真空袋系统94通过孔96释放216粘合剂到内表面72和/或制品66上，这有助于形成制品66并保持其为模子62的形状。另外或备选地，在施加206纤维前，纤维就可浸染或涂上粘合剂。在该示例性的实施例中，粘合剂是合适的树脂，例如，但不局限于，环氧树脂、乙烯基酯和/或聚酯树脂。而且，在各层46之间，真空袋系统94可释放217至少一种核心材料48到制品66上。在该示例性的实施例中，核心材料48是PVC泡沫、SAN泡沫、PE泡沫、PU泡沫和PET泡沫中的至少一种。在该示例性的实施例中，加热装置98有助于固化和/或硬化218粘合剂和/或核心材料48。或者，粘合剂可在任何合适的温度下，使用任何合适的压力，以任何合适的时间量被硬化。在示例性的实施例中，制品66在粘合剂硬化218后，从模子62上被取下。在示例性的实施例中，制品66的厚度104是可变的，使得厚度104关于制品66的中段102是对称的。更具体地讲，在示例性的实施例中，从第一端74或第二端76向中段102移动时厚度104会增加，使得在中段102处厚度104大约是100mm，而在第一端74和第二端76处厚度近似地为0mm。或者，厚度104可以是适合安装叶片根段40的任何厚度。在示例性的实施例中，切割装置90在中段102处沿横断面切割220制品66，以分离两个层46。在示例性的实施例中，层46在形状和尺寸上基本上是类似的。或者，层46的形状和尺寸可以是适合用于叶片根段40的任何形状和/或尺寸。尽管本文所描述和/或展示的方法在此处是相对于在阴模中自动地放置纤维来描述和/或展示的，但是，本文所描述和/或展示的方法并不局限于形成风力涡轮机叶片部件，例如叶片根段。相反，本文所描述和/或展示的方法适用于形成任何适合的装置或部件。上文详细描述了用来自动地放置纤维的纤维放置系统和方法的示例性的实施例。该方法和系统并不局限于此处所描述的特定实施例，而相反，该方法和系统的多个部分可能相对于此处所描述的其他部分独立地和分开地利用。例如，此处所描述的方法和系统可能具有其他工业应用和/或消费者应用，并且不局限于如此处所描述的风力涡轮机的实践。相反，本发明可结合许多其他工业来被实施和利用。如本文所用的叙述成单数并且以词“一”或“一个”限定的元件或步骤应当理解为不排除复数个所述元件或步骤，除非详细陈述了这样排除。此外，在提到“一个实施例”之处并非意图解释为排除同样结合有所提到的特征的另外的实施例的存在。另外，除非从反面明确陈述，否则“包含”、“包括”或“具有”具有特定特性的一个要素或多个要素的实施例，也可能包括额外的不具有此特性的这种要素。此书面说明书使用例子来公开本发明，包括最好的方式，并且也使得能够由本领域的技术人员实施本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且完成任何所包含的方法。本发明的专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员能够想到的其他例子。这些其他的例子如果具有和所附权利要求的字面语言并无不同的结构要素，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言并无实质不同的等同结构要素，也在权利要求的意图内。权利要求1.一种用来形成包括纤维层的制品的系统(观)，所述系统包括模子(62)，其具有表面(72)，所述模子设置成绕旋转轴线(70)旋转，所述旋转提供离心力；和，装置(64)，其包括基座(78)，和连接在所述基座上的头部(86)，所述基座设置成绕所述旋转轴线旋转，且所述头部设置成用来施加纤维在所述模子的表面上，以形成所述制品，所述离心力有助于保持纤维靠在所述模子上。2.根据权利要求1所述的系统()，其特征在于，所述装置(64)还包括可操作地连接在所述头部(86)的基座(78)，所述基座设置成用来接受至少一个用来提供纤维到所述头部的线轴(82)，所述基座还设置成绕所述旋转轴线(80)旋转。3.根据权利要求1所述的系统()，其特征在于，所述装置(64)还包括用来切割纤维的装置。4.根据权利要求1所述的系统(观)，还包括囊状物(92)，其设置成当所述囊状物膨胀时，用来保持所述制品(66)靠在所述模子的表面m上，所述囊状物还设置成绕所述旋转轴线(80)旋转。5.根据权利要求4所述的系统()，其特征在于，所述囊状物(92)包括真空袋系统(94)，其设有多个孔(96)，且所述真空袋系统设置成用来释放粘合剂，所述粘合剂穿过多个孔到所述制品(66)和所述模子(6的所述表面(7中的至少一个上。6.根据权利要求1所述的系统()，其特征在于，所述模子(6设置成以第一旋转速度绕所述旋转轴线(70)旋转，且所述基座(78)设置成以第二旋转速度绕所述旋转轴线旋转。7.根据权利要求1所述的系统()，其特征在于，所述头部(86)设置成用来施加所述纤维，使得所述制品(66)具有可变的厚度。8.一种制品(66)，其使用纤维放置系统(60)和具有内表面(7的阴模来形成，所述制品在所述内表面上形成，所述制品包括至少一个层(46)，其包括至少一根使用离心力施加的纤维。9.根据权利要求8所述的制品(66)，其特征在于，所述层06)具有可变的厚度。10.根据权利要求8所述的制品(66)，其特征在于，所述层06)包括连续纤维，其从所述制品的第一端(74)延伸到所述制品的第二端(76)。全文摘要本发明涉及阴模中的纤维自动放置。具体而言，本发明提供了一种用来形成包括纤维层的制品的系统(28)。系统包括模子(62)，模子具有表面(72)，模子设置成绕旋转轴线(70)旋转，该旋转提供离心力，系统还包括装置(64)，该装置包括基座(78)，和连接在基座上的头部(86)，基座设置成绕旋转轴线旋转，并且头部设置成用来施加纤维到模子的表面，以形成制品，离心力有助于保持纤维靠在模子上。文档编号B29C53/32GK102029708SQ20101050686公开日2011年4月27日申请日期2010年9月25日优先权日2009年9月30日发明者M·J·布朗,S·B·约翰逊,S·辛默尔申请人:通用电气公司