CN102844161B - 用于形成纤维增强复合物的加热模具和该模具的使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成诸如风轮机动叶片的纤维增强复合物的方法，以及一种加热模具。该模具包括用于接触复合物的有效表面(21)和包括巢室结构的核心部件(1)。一个或多个导管(5)被包含在核心部件中，形成通过巢室结构的通路，并且在所述导管(5)中布置一个或多个加热丝(4)。优选地，核心部件(1)由具有高热导率的材料制成并且在巢室结构的至少一些巢室壁上可以包含开口(14)以使得流体从中流过。该模具可以包含一个或多个加热区域。

Description

用于形成纤维增强复合物的加热模具和该模具的使用

技术领域

本发明涉及一种用于形成纤维增强复合物的模具和方法，其必须被加热，作为形成工艺的一部分。这种模具和方法被用于例如形成风轮机的动叶片及其子组件，但是也可以被用于形成船体、车体、多种类别的箱体和容器等。

背景技术

为了该目的，申请人此前使用的模具类型被制成为在纤维玻璃外壳之间具有铝制蜂巢结构核心的夹层结构。蜂巢结构被布置为：其长形巢室基本垂直于有效模具表面延伸，该有效模具表面与复合物接触，并且巢室壁具有使加热流体和冷却流体在巢室之间穿过的开口。在形成工艺期间，当模具需要被加热时，利用模具的有效表面使热流体基本以平面方式经过核心。蜂巢结构材料的热导率有助于模具表面上温度相对均衡。类似地，当模具需要被冷却时，使冷流体经过巢室结构。

该方法提供了非常有效的加热，但是加热和分配流体所需的设备相当复杂。此外，在模具的所有位置对加热的需求不总是相同，并且在对模具的区域加热的过程中浪费了很多能量，这并不好。

可从WO00/38905和WO2005/095091中获知现有技术中模具的其他示例。这些模具通过嵌入模具并且直接位于有效模具表面下的加热丝来加热。

使用加热丝提供了非常节能的模具加热，但是造成了其他问题。当如WO2005/095091所示布置加热丝时，加热将并不规则，在每个加热丝直接上方为最高温度，潜在地导致复合物的缺陷。另一方面，当加热丝如WO00/38905所示彼此相对接近时，模具变得相对复杂，因而昂贵而娇气。

发明内容

因此，本发明的目的是提供这样一种模具，该模具可以以节能并且节约成本的方式被加热，与此同时在有效模具表面上提供均匀的温度分布。

该目的是通过模具实现的，该模具包括用于接触复合物的有效表面、包括巢室结构的核心部件、在核心部件中用于形成通过巢室结构的通路的一个或多个导管，以及布置在所述导管中的一个或多个加热丝。

导管用来支承相对脆弱的加热丝，因此使它们能被布置在巢室结构中。与之前在巢室结构模具中使用的基于流体的系统相比，这导致更直接的加热。与此同时，巢室结构以及导管有助于传递和分布由加热丝产生的热，从而保持从基于流体的系统已知的均匀温度分布的优势。

在优选实施例中，导管包括由管子和/或管道制成的管子件，其具有非常重要的优势：如果加热丝断裂或磨损，加热丝可容易更换；或者如果需要不同的特性，可通过管子件简单地将丝拉出。这导致相当大地增加了模具的使用寿命，当需要维修时使停工期最小化，并且使模具为了新的目的能被重新使用。

然而，应当理解，也可通过使用具有套管的丝得到相似的优势，该套管将随后将被用作导管。这种套管(可以例如由编织的金属制成)应当对丝提供足够的耐磨性以使其通过巢室结构中的通道被拉出，同时防止剪切破坏，否则，这种剪切破坏是丝被不连续地支承在空间分离的巢室壁上的结果。

该巢室结构优选的是蜂巢结构，其结合了出色的承重能力和轻的自身重量，但是诸如开孔泡沫或格子的其他结构也可以被采用，术语“巢室结构”应当被理解为其最广泛的含义。此外，优选地，巢室结构应当是可成形的，以使具有弯曲表面的模具能形成。

优选地，巢室结构由具有至少10W/(m·K)(优选为至少100W/(m·K))的热导率的材料形成。目前，铝是优选的，但是也可以使用诸如钢、聚合体、陶瓷或复合材料的其他材料，只要它们足够坚固且耐温并具有能有效分布热的热导率。

如同现有技术中的工艺中，一旦完成加热步骤，模具和所形成的复合物能自然冷却，但是在一些情况下，有必要进行主动冷却。为了这个目的，优选地，模具具有流体入口、流体出口以及它们之间的流体通道，该流体通道包括在巢室结构中的至少一些巢室壁上的开口。使用通风机或泵或通过施加加压流体，流体被迫通过巢室结构，这全部取决于所使用的流体和巢室结构。在这里，术语“开口”应当被理解为其最宽泛的含义，也包括在开孔泡沫中巢室之间的通道和在格子中栅格之间的空间。

当然，还可以提供组合的加热，其中，如上面对冷却流体所描述的那样，热流体通过巢室结构，同时伴随加热丝的使用。这将给出更加均匀的温度分布，并且流体流过包含加热丝的导管可以有助于热量传递至模具表面。

因为导管由及加热丝也几乎可以被自由地布置在模具中，与从基于流体的系统已知的相比，可以实现更有针对性的加热应用。以这种方式，模具可以被分为两个或多个具有加热丝的不同构造和/或对加热丝单独控制的加热区域。加热丝的不同构造包括不同丝类型的使用、不同丝密度和不同丝通路模式。

此外，模具可以仅在一些区域具有加热丝，同时通过加热流体加热整个模具，这样，加热丝用来在需要它的区域提供额外的热。例如，这可以是在形成风轮机动叶片的情况，在使用中，动叶片将遭受重负载并且因此具有在材料厚度上有相对大的变化的特征。此外，动叶片通常由形成叶片外部空气动力表面的两个壳部分组装而成，承重结构布置在它们之间。当相互连接这些部分时，习惯上使用一种需要加热的胶，可因此有利于能够仅仅加热模具那些连接点所处的部分。

关于对加热的控制，可以在不同区域中的丝上施加不同的电压或电流，或者可在不同时间接通和关闭用于不同区域的电源。当然，这种选择取决于可用的电源，但是目前优选的是使用恒定电压操作。

此外，至于申请人之前所使用的现有技术中的模具，可以将该模具设计为能在不同区域中不同地应用加热和冷却流体，但是这需要模具设计和流体供应系统，这在执行时通常是复杂的。

在优选实施例中，加热丝被布置在核心部件的中央，基本上位于模具有效表面和相对表面之间的中间位置。这具有两个主要的优势：一个是加热丝与有效模具表面保持距离，还有助于平均的温度分布；另一个是模具自身被均匀地加热。该均匀加热防止由热膨胀引起的变形，已经知道这在上面提到的WO公开中所描述的那些类型的模具中发生过。由于相同原因，优选地，模具是基本对称的，并且其底部表面层基本相应于用于有效表面上的表面层。

模具的精确设计，尤其是加热丝的加热能力，将取决于其预期用途，尤其取决于将要形成复合物的类型。大多数这种复合物由树脂所限制，其可以是热塑性的或热固性的。在这两种情况下，模具的加热用于使复合物成为已经具有其预期形状并且纤维材料被树脂全部浸湿的状态。

当使用热固性树脂时，通过加热而达到的预期状态是树脂已经渗入纤维材料并且已经变硬。

当使用热塑性树脂时，其可以作为在复合物铺叠中的独立的层，当加热时，其融化并渗入纤维材料中。然而，还可以使用预浸料，其中，纤维材料已经全部或部分渗透树脂。这些情况下，加热软化树脂并使预浸料起作用。

当然可以由多种方式制成模具，但是为了节约成本，优选地由预先制成的巢室结构制成，其中，导管被布置在钻孔而成的、切削的或磨削的通道中。当使用直径稍大于巢室结构中的通道直径的管子件时，管子件将被夹在巢室壁之间，因而在处理模具期间将其保持在适当的位置。

优选地，管子件由具有良好热导率和耐高温和巨大的热梯度的金属管道制成。优选的示例是铝管或钢管，但是也可以使用诸如聚合体、陶瓷、玻璃或复合物的其他材料。

用于冷却模具的流体可以是不以相反方式与模具材料发生反应的任何流体，但是要避免需要清洁巢室结构并使流体容易导入，优选的是使用气体。通常可以简单使用周围环境的空气，但是当需要快速冷却时，可以采用诸如氮气的其他气体。类似考虑将用于所使用的任何加热流体。

由于当前类型的模具经常被用于真空成型，优选地，还为模具提供有一个或多个真空阀门以及真空源连接件。

附图说明

现在将参照本发明的优选实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是从下方看到的根据本发明的模具截面透视图，

图2是图1所示模具截面的侧视图，

图3是图1所示模具截面的端视图，

图4显示了直接从下方看到的图1所示模具截面，

图5显示了从上方看到的用于形成风轮机动叶片的根据本发明的模具，以及

图6显示了在组装风轮机动叶片期间的模具横截面视图。

具体实施方式

根据本发明的模具的优选整体结构包括夹在两个外壳2、3之间的核心部件1，上外壳2的外表面21用作有效模具表面。加热丝4被布置在嵌入在核心部件中的管子件(tubing)5中。在所有附图中都使用这些标号。

在图1和图4中，核心部件1被显示为：朝向下外壳3的表面11上具有栅格状图案，该图案用于示出分隔成巢室。类似地，从图1、图2和图3中看到，核心部件1的侧表面12、13被显示为具有用于示出巢室壁线路的竖直线。也就是说，在优选实施例中，核心部件的巢室跨过核心部件的整个高度，向上和向下开口。但是，如下面所述，还可使用其他巢室结构。

如在图1至图3中见到的那样，至少一些巢室壁具有开口14。这些开口用于使诸如冷却剂的流体从一个巢室流到另一个巢室。这里，开口仅在暴露在侧面和端部表面12、13的单元壁上可以看到，但是应当理解，相似的开口出现在结构内部的至少一些巢室壁中。优选地，所有巢室具有朝向其至少一个相邻巢室的开口，甚至更加优选地，全部巢室壁都具有这种开口。然而，在这里仅在每第三个巢室壁上示出开口。

当使用具有板状壁的巢室结构时，在巢室壁上的开口14可以是简单的孔眼(如图中所示)、缝隙等，但在其他巢室结构中，开口可以自然地出现。这种结构的示例可以是晶格或开孔泡沫金属。无论开口的性质如何，总开口面积应当足够大以允许有效的流体流动，但是与此同时，巢室结构必须保持其承重能力并能够作为热导体。

如上面表现的那样，核心部件1应当满足三个要求：1)其必须足够强固坚硬以支撑将形成的复合物的重量，并使得模具能进行操作而不变形，2)优选地，其应当使流体能相对自由地流过结构，以及3)优选地，其应当有助于热分布。

在实践中发现，所谓的铝蜂巢满足这些要求，与此同时，其重量轻、耐化学影响并且不会太昂贵。因此，将这种材料用于核心部件提供了容易操作、耐用且节约成本的模具。

为了能形成如图6中所示的弯曲模具，已经证明使用过度伸展的蜂巢结构是有利的，该蜂巢结构被故意变形以使得巢室的横截面形状变长。

这种蜂巢结构也被用作复合物中的核心部件，如图1至图3所示，这种蜂巢结构通常具有跨过该结构的整个高度H的巢室。这意味着，加热和/或冷却流体可以相对自由地流通并且连续的巢室壁具有良好的热导性。然而，应当理解，也可采用在核心部件的高度方向上具有多于一层巢室的巢室结构(包括蜂巢结构)。

上外壳2的外表面21作为有效模具表面与将要形成的复合物(未显示)接触。因此，其必须由耐热并与复合物接触而且在复合物形成时能与复合物分开的材料制成。此外，如同稍后将进行说明的那样，上外壳2的材料必须能将来自核心部件1的热量有效传递给复合物，并且其应当是可成形的，使得能形成如图6中所示的弯曲模具。已经证明纤维玻璃非常适合这种目的，但是也可使用诸如金属、聚合物、陶瓷或甚至是玻璃的其他材料，并且外壳2可以是表面涂层的或是分层的。

在图1至图4所示的实施例中，底部外壳3具有增加模具的稳定性、封闭核心部件1的巢室下端并且还提供模具的对称性(下面将进行说明)的目的。此外，可以在底部外壳中设置用于加热和/或冷却流体源、真空源或电源的多种连接件(未显示)以及用于操作和互相连接模具部件的附接构件(未显示)。然而，由于可以以其他方式提供这些构件，因此不具有底部外壳3的实施例落入本发明的范围。

根据本发明，加热丝4被提供在一个或多个导管5(conduit)中。这主要是防止它们受到它们通常所不适合抵抗的磨损和剪切力。如果试图将加热丝直接布置在巢室结构中，它们将置于相对狭窄的巢室壁上并横跨巢室内腔所形成的间隙，因此在其长度的主要部分上未得到支撑。这将在加热丝的未得到支撑的区段在加热丝中产生张力以及在支撑点产生剪切力，这都将最终导致它们的损坏。此外，在使用中不可避免的模具中的任何震动会导致接触点处巢室壁和加热丝之间的摩擦，从而造成对加热丝的实质磨损。

在最初布置加热丝时以及后来的更换期间，导管5还使加热丝4能牵拉通过核心部件1。为此，优选地使用管子件作为导管，因为这将使牵拉操作变得容易，但是加热丝上的套管(sleeving)也可以实现该目的。当然，也可能在同一模具中使用管子件和套管二者。

管子件5可以由利用诸如聚合物或复合物等的任何适合材料制成的管子(tube)或管道(pipe)制成，但是诸如铝、钢或铜的金属由于它们已经被证实的耐久性和出色的热导率，目前也是优选的。管道或管子的尺寸应当足够大，以使加热丝不受限制地穿过，但又足够小，以使得来自丝的热量被最佳地传输。

类似地，也应当考虑热传递来选择加热丝4上的套管，并可以例如由编织的金属(诸如铜、铝或钢)制成该加热丝4上的套管。

加热丝4可以由任何适合的材料制成，但是已经证明使用在较宽温度范围内具有基本不变的特定电阻的康铜(Konstantan)是有利的。这意味着可以容易地控制加热丝所产生的热量。

如同在图2和3中所见，加热丝4优选地被布置在两个外壳2、3之间的中间位置。这用于两个目的，也就是让它们与模具的有效表面保持距离并保证模具自身的均匀加热。

如上面所述，试图在有效表面21上获得均衡的温度。与上表面保持距离而布置加热丝4有助于分配从每个加热丝释放出的热，并因此能够使用相对少量的高容量的加热丝，而不存在有效模具表面的、直接位于每个加热丝上方的区域过热的风险。

将加热丝4布置在模具中央的另一个并且同样重要的优势是模具本身被对称地加热，导致其中心平面两侧的模具材料中相应的热膨胀。这意味着避免了已知在现有技术模具中发生的由于不规则加热而导致的变形。

在图1至图4所示的实施例中，加热丝4被布置在巢室结构的切削槽6中，该槽形成朝下敞开的向下延伸至底部外壳3的通道。然而，由于敞开的通道影响核心部件1的整体热导率，因此这些通道应当保持尽可能窄，优选地，这些通道如图1至3中所示背向有效模具表面2。作为替选，通道可以由钻孔制成或通过由两个半部形成核心部件(该两个半部中至少一个在装配之前已经具有槽)而制成。

当使用切削槽或磨削槽6时，通道可以形成为蛇状盘旋模式，其中，加热丝4的全部通路在核心部件1的外部边界内。作为替代，如果使用钻孔通道，它们将沿着直的通路而行，因而有必要差不多如图4所示使用一系列长度接近的加热丝，或在核心部件外部边界外侧提供弯折部分(未显示)。当使用管子件时，管道或管子可以仅设置在核心部件中，而加热丝在模具外部于弯折部分暴露。哪一种是最有利的取决于将要形成的复合物，当然也可在同一个模具中组合上面所述不同类型的通道。此外，管道类型的选择可取决于要采用直的通路还是弯曲的通路。

采用目前类型的模具所形成的复合物经常被限制为树脂，其可以是热塑性的或者热固性的。此外，材料的选择取决于将要形成的物体的预期用途，典型的用途是风轮机的动叶片、机膛和机舱部件，诸如飞机或汽车等运输工具的主体部分，以及流体的容纳箱或容器。

热塑性的材料当被加热时变软并融化，当冷却时再次变硬，而基本不改变它们的物理或化学特性。热塑性材料的示例包括尼龙、聚乙烯和聚丙烯。

热固性材料是树脂和硬化剂或催化剂的混合物，在加热影响下其以不可逆化学反应相互作用，形成硬质产品。在一些情况下，该化学反应是放热的并且其自身产生一些热量，这可能需要冷却或确定特定的加热模式。热固性材料的示例包括酚醛树脂、聚酯和环氧树脂。

在这两种情况下，液态树脂被用于约束纤维材料如玻璃纤维垫，液态树脂可能与其他材料(诸如重量轻的核心部件)一起布置在分层构造中。

取决于所使用的材料和复合物的尺寸和设计，可能需要采用真空以实现纤维材料中树脂的均衡分布并避免空气滞留。为了这种用途，模具可以具有内置的真空阀门(未显示)、真空供应管道和真空源连接件。

由于形成过程会取决于所使用的树脂类型而稍有不同，因此加热需求也将不同，因此模具设计可能必须进行相应改变。然而，只要可关于温度和持续时间来控制加热，就可以对两种类型的树脂使用同一个模具。

上面已经对管子件5仅作为加热丝载体进行了说明，但是如果尺寸合适，当然也可以使流体流经管子件。然而，这种选项是次优选的，因为流体流很可能破坏加热丝4。类似地，流体管道可以被布置在为加热丝4所提供的通道中，但是由于有效冷却所需的流体量会需要相对大直径的管道，因此这种实施例也是次优选的。

图5显示了根据本发明的用于制造风轮机动叶片的模具7的示例。如可看到的那样，模具被分为五个单独的部分71、72、73、74、75，其中，每部分都具有加热丝4的单独系统。这能对机翼部分进行时间更长和/或强度更大的加热，在正常运行中，机翼部分承受最大负荷并因此具有最大的材料厚度。

此外，如图6所示，诸如动叶片的大物体通常由一系列预先制成的部分组成，这些预先制成的部分在随后的成形工艺中被连接在一起。如可看到的那样，动叶片由两个外壳7、8(其主要目的是提供空气动力表面形状)以及由两个半部分9、10组装的承重梁组成。在典型的工艺中，首先，在本文所述类型的不同模具中首先独立形成外壳和梁半部；其次，可通过将所述梁半部连接制成梁；再次，将梁附接到图6顶部所示的外壳8；最后，将显示在底部的梁半部9附接到最底部的外壳7上，与此同时连接外壳的边缘。

通过粘接(通常使用需要加热的树脂)来连接外壳7、8和梁半部9、10，因此模具在直接位于接触点下面的部分A、B中设置有额外的加热丝4。为了能进行最佳的加热，优选地，应该可以独立于模具其他部分中的加热丝而对这些部分A、B中的至少一些加热丝供电。此外，由于在梁半部与外壳之间的连接点的材料厚度通常大于在两个外壳之间连接点的材料厚度，部分B对加热的需要少于部分A。在图6中，模具被示为刚好达到外壳边缘，但是应当理解，如果需要，当然可以采用更深的模具。类似地，应当理解，尽管当制造诸如风轮机动叶片的大产品时可能不实际，具有将复合物产品完全装入的两个半部的模具当然也是可选的。

取决于制造的模式和预期用途，模具本身可以由多个单独部分组装。这些部分可以被永久连接或临时连接，但是始终都应当注意保证这种连接不会导致形成的复合物的缺陷。

当使用根据本发明的模具来制造风轮机机翼(如图5所示)并将铝制蜂巢结构用作核心部件1时，核心部件可以为大约60mm高，具有大约为10mm的巢室直径和大约为0.1mm的巢室壁厚度。那么，由玻璃纤维制成的上外壳2会具有大约为6mm的厚度。取决于所要形成的复合物，可以以40mm至100mm的间隔设置加热丝4，加热丝通常被制造为100米的段。具有6mm直径且1mm壁厚的铝管可以被用作管子件。

应当理解的是，本发明的范围仅由所附权利要求的用语限制，而不由上面描述的实施例限制。相应地，这些实施例的特征可以以与所描述的实施例不同的其他方式结合，并且对于本领域技术人员来说显而易见的是可进行替换。

Claims (13)

1.一种用于形成纤维增强复合物的模具，包括用于接触复合物的有效表面和包括预制巢室结构的核心部件，

其特征在于：所述模具还包括被布置在预制巢室结构中钻孔而成的、切削的或磨削的通道中以嵌在核心部件中与有效表面保持距离的一个或多个导管和在所述导管中布置的一个或多个加热丝，其中，所述导管形成通过预制巢室结构的通路，

其中，所述导管被布置在所述核心部件的中央，在所述模具的有效表面和所述有效表面的相对表面之间的中间位置。

2.根据权利要求1所述的模具，其中，所述导管包括由管子和/或管道制成的管子件。

3.根据权利要求1或2所述的模具，其中，所述巢室结构由具有至少10W/(m·K)的热导率的材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的模具，还包括流体入口、流体出口以及它们之间的流体通路，所述流体通路包括在巢室结构的至少一些巢室壁上的开口。

5.根据权利要求1或2所述的模具，包括两个或多个加热区域。

6.根据权利要求5所述的模具，其中，不同加热区域具有不同的加热丝构造和/或对加热丝的独立控制。

7.根据权利要求4所述的模具，包括两个或多个加热区域，其中，不同加热区域具有不同的加热流体的供应。

8.根据权利要求4所述的模具，包括两个或多个加热区域，其中不同的加热区域具有不同的加热丝构造和/或对加热丝的独立控制，不同的加热区域具有不同的加热流体的供应。

9.根据权利要求1或2所述的模具，还包括一个或多个真空阀门和真空源连接件。

10.一种用于形成纤维增强复合物的方法，其中，包括树脂和纤维材料的用于形成复合物的材料被铺叠在模具的用于接触复合物的有效表面上，并且模具的包括预制巢室结构的核心部件被加热直至所述材料达到它们的预期状态，在所述预期状态中，复合物已具有其预期形状并且纤维材料被树脂全部浸湿，

其特征在于：通过对位于嵌入核心部件中与所述有效表面保持距离的一个或多个导管中的加热丝施加电流来加热模具，

其中，所述导管被布置在所述核心部件的中央，在所述模具的有效表面和所述有效表面的相对表面之间的中间位置。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述树脂是热固性树脂，将模具加热直至树脂变硬。

12.根据权利要求1-9中任一项所述的模具形成风轮机动叶片的用途。

13.根据权利要求10-11任一项所述的方法形成风轮机动叶片的用途。