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WO2020069982A1 - Infusionsvorrichtung und verfahren zur herstellung von faserverstärkten verbundbauteilen - Google Patents

Infusionsvorrichtung und verfahren zur herstellung von faserverstärkten verbundbauteilen

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Publication number
WO2020069982A1
WO2020069982A1 PCT/EP2019/076100 EP2019076100W WO2020069982A1 WO 2020069982 A1 WO2020069982 A1 WO 2020069982A1 EP 2019076100 W EP2019076100 W EP 2019076100W WO 2020069982 A1 WO2020069982 A1 WO 2020069982A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cavity
resin
vacuum
drying
templates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/076100
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Frahm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Covestro Deutschland AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Deutschland AG filed Critical Covestro Deutschland AG
Priority to US17/277,408 priority Critical patent/US11298895B2/en
Priority to KR1020217009380A priority patent/KR20210069046A/ko
Priority to EP19773127.6A priority patent/EP3860837A1/de
Priority to CN201980065619.1A priority patent/CN112912236B/zh
Priority to JP2021517746A priority patent/JP2022501237A/ja
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    • B29L2031/08—Blades for rotors, stators, fans, turbines or the like, e.g. screw propellers
    • B29L2031/082—Blades, e.g. for helicopters
    • B29L2031/085—Wind turbine blades
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing fiber-reinforced composite components by means of vacuum-assisted infusion of a reactive resin mixture, characterized in that the reactive resin mixture is produced and injected into the cavity in a closed infusion device and in time immediately after one another.
  • Fiber-reinforced composite components made of a thermosetting plastic (resin) as matrix material and reinforcing fibers are often used as construction material, since they have a high mechanical strength combined with low weight.
  • Such fiber composite components are produced, for example, by infusing a liquid, reactive mixture of resin components into a fiber fabric and then curing (crosslinking) the resin.
  • Such fiber composite components have a wide range of applications and can be used, for example, in aircraft construction, in automobile construction or in rotor blades of wind power plants.
  • Resins are typically unsaturated polyester polymers, vinyl ester polymers and / or epoxy polymers, and in recent years increasingly polymers containing polyurethane structures and hybrids of the aforementioned polymers (e.g. polyacrylate polyurethane polymers).
  • production is generally carried out using vacuum-assisted infusion processes, as described, for example, in EP 1 310 351 A1 and in WO 2012/123280 A1.
  • This enables the resin to spread quickly and evenly. It is also important that the fibers are soaked as completely as possible with the resin material and that it does not harden too quickly. If the infusion is not uniform, gas inclusions or unwetted standing in the fiber fabric as well as cracks can result, which can reduce the stability of the component or even lead to delamination of the layers. Such flaws are a possible weak point on the surface of a component, which can contribute to premature wear.
  • WO 2012/123280 A proposes a vacuum infusion process in combination with the most complete possible degassing of the templates for the resin mixture (called “resin component” and “hardener component”).
  • a vacuum for degassing the reactive components in the device proposed by WO 2012/123280 A is applied to the storage containers, and for the vacuum infusion, the mold is subjected to a vacuum via an evacuation device (see FIG. 1).
  • WO 2012/123280 A still has deficits in the processing of extremely water-sensitive resins such as polyurethanes.
  • the evacuation line about which the vacuum applied to the mold during vacuum infusion always requires an upstream membrane or other flow resistance for the resin so that the resin is not drawn into the line or into the pump.
  • the invention described herein aims to solve the problems of the prior art regarding poor quality of large fiber composite components made from water sensitive reactive resin components.
  • the invention proposes the following modification of the method known from the prior art described above:
  • a vacuum-assisted infusion process for the production of fiber-reinforced composite components, a reactive resin mixture being injected into a cavity containing a fiber scrim, comprising the steps: a. Providing a reaction injection device (40) comprising at least two templates (48, 49) containing the reactive resin components, an evacuation device (50) for degassing the templates (48, 49), one each to the templates (48, 49) via feed lines (41 , 42) connected metering unit (44a, 44b) and a mixing unit (43) in which the reactive resin components from the metering units (44a, 44b) are brought together, and b. Providing a closed cavity (10) containing a fiber fabric (21), which i.
  • a shell which has at least one feed channel (31) which is suitable for applying a vacuum to the cavity (10) and for feeding resin into the cavity (10), and ii. has at least one drying channel (32) which is used for introducing a drying gas into the cavity for dehumidifying the fiber fabric (21) and for applying vacuum by means of a first vacuum source (34) for evacuation is suitable during the infusion and optionally during drying, and iii. Via a feed line (45) on the feed channel (31) with the
  • Reaction injection device (40) is connected, wherein this feed line (45) can be evacuated via a side, closable and connected to a second vacuum source (47) outlet (46), c. Degassing and drying the cavity (10) and the fiber fabric (21) contained therein, the feed line (45) and optionally the mixing unit (43) with the aid of the second vacuum source (47), a drying gas optionally being introduced via the drying channel (32) or if necessary, an additional evacuation takes place with the aid of the first vacuum source (34), d.
  • the vacuum-assisted infusion method according to the invention for producing fiber-reinforced composite components (20) is preferably a vacuum-assisted resin transfer molding method.
  • the fiber reinforced composite component (20) is a wind rotor blade and the resin comprises polyurethane, unsaturated polyester, vinyl ester, hybrid, and / or epoxy resins.
  • the resin is a polyurethane-based resin, in particular a polyurethane-polyacrylic hybrid resin
  • the reactive resin components are an isocyanate component and an isocyanate-reactive component containing a polyol and a hydroxyl-terminated acrylate or (meth) acrylate -Monomer.
  • the method according to the invention is used in particular for the manufacture of rotor blades for wind turbines.
  • the structure of the cavity provides in particular a) a frame profile delimiting an interior space to limit the shape of the composite component to be produced in the interior space of the cavity, b) a feed channel for evacuating the interior space and for feeding resin into the interior space of the frame profile, the feed channel being a has a supply opening communicating with the interior of the frame profile, c) one or more drying channels for introducing a drying gas for dehumidifying the composite component to be produced and for applying vacuum during the vacuum infusion process, each drying channel having an inlet opening communicating with the interior of the frame profile, d) one the frame profile, the feed opening of the feed channel and the inlet opening of the drying channel / the drying channels gas-tightly enclosing vacuum film and a gas-permeable separating membrane arranged between the vacuum film and the frame profile holding resin in the interior of the frame profile, wherein the opening of the drying channel (s) is /
  • the drying gas If the drying gas flows through the infusion device, it must first pass through the separating membrane from the point of introduction before it can absorb and remove moisture, in particular water contained in fibers, in the interior of the frame profile.
  • the separation membrane represents a significant flow resistance for the drying gas. Since the inlet opening for the drying gas is outside the separation membrane in relation to the interior of the frame profile and the suction opening is inside the separation membrane, the drying gas only has to overcome the flow resistance of the separation membrane once. As a result, backmixing of already moist drying gas with freshly supplied dry drying gas can also be avoided. Studies have shown that, in comparison to an opposite flow direction for the drying gas, i.e.
  • the pressure in the interior of the frame profile and in the interior of the composite component to be produced can be reduced. This facilitates the evaporation of water, so that drying can take place faster and with a higher drying quality.
  • the interior of the frame profile can be dried more at comparable temperatures, a comparable drying time and a comparable mass flow of the drying gas. Due to the lower mass fraction of water in the interior of the frame profile, which was introduced, for example, via the fibers of the fiber-reinforced composite component to be produced arranged in the interior of the frame profile, there are reactions of water remaining in the infusion device with the supplied resin, in which gaseous reaction products such as carbon dioxide in the Composite component can cause cavities, avoided or at least reduced.
  • this very low pressure can be applied to the interior of the frame profile via a minimal flow resistance. If this very low pressure with an opposite flow direction for the drying gas had been applied to the inlet opening, this very low pressure would be applied to the separating membrane, as a result of which a correspondingly higher pressure would prevail in the interior of the frame profile due to the flow resistance caused by the separating membrane. Due to the drying gas supplied outside the separating membrane and extracted within the separating membrane, a particularly low pressure which transports water can be achieved in the interior of the frame profile, so that a low risk of cavities in fiber-reinforced composite components is made possible.
  • the degassing and drying in step c. takes place with the help of a vacuum source, which is connected via an outlet to the feed channel for the resin.
  • the degassing and drying can optionally take place with additional introduction of drying gas via the drying channel or with the additional application of vacuum via the drying channel by means of a vacuum source.
  • the outlet via which the vacuum for drying is applied to the feed channel for the resin is preferably a shut-off valve.
  • a vacuum in particular a vacuum pressure
  • the vacuum pressure is in particular ⁇ 20 mbar, particularly preferably ⁇ 10 mbar. This enables a particularly low pressure in the interior of the frame profile, which promotes the evaporation of water.
  • the first vacuum source connected to the drying duct and the second vacuum source connected to the outlet can be identical, i.e. The same vacuum pump is connected to the drying duct and the outlet. In another embodiment, the first and second vacuum sources can be different.
  • the vacuum-assisted infusion of the reactive resin mixture therefore preferably follows directly on the drying and evacuation of the mold containing the fibers / the fiber scrim and the feed line by means of vacuum.
  • the reaction injection device can in particular be designed as in the embodiments described in WO 2012/123280.
  • the templates i.e. reactive resin components
  • metering units e.g. Dosing pumps
  • the mixing unit e.g. a static mixer
  • An important difference from the structure shown in WO 2012/123280 is that the feed line adjoining the mixing unit is connected laterally via a shut-off valve to a vacuum source, which is used to separate the cavity with the fiber fabric before the start of the infusion process Supply channel and the supply line to dry itself.
  • the infusion process is started after the degassing of the templates and drying of the structure and the lines has been started by commissioning the dosing units for the resin components.
  • the resin components are dosed into the mixing unit and mixed there.
  • the vacuum source attached to the side of the supply line must be closed before the resin mixture reaches the shut-off valve; for example, it can be closed via the shut-off valve before the dosing units are started up.
  • the shut-off valve is only closed when the resin mixture is already in the feed line just before the valve. It is particularly expedient if the check valve is arranged in the feed line as close as possible to the feed channel into the cavity, so that the check valve does not have to be closed until shortly before the resin mixture enters the cavity.
  • the feed line can be a fixed line or a hose, preferably a hose.
  • the vacuum source is then e.g. connected via a T-piece with shut-off valve.
  • the dosage of the resin mixture is controlled. To do this, the absolute pressure at the input of the component (at the feed channel) is measured.
  • the amount selected at the start of the injection process may e.g. the maximum amount that can be achieved with the metering pumps.
  • a typical value for filling a large component, e.g. of a wind wing is 20 kg / min, but for particularly large components this value can also be 40 kg / min or even higher.
  • the reaction injection device controls when a preselected maximum inlet pressure, measured on the feed channel, is reached, which is from the Mixing unit discharged discharge quantity down, so that the vacuum film can not be raised.
  • the preselected maximum inlet pressure at the cavity must be below the ambient pressure, for example 0.01 bar - 0.2 bar below the ambient pressure, preferably between 0.88 and 0.92 bar absolute.
  • the level of the pressure difference to be set also depends on the point at which the feed channel is connected to the cavity. If the cavity shows an expansion below the point at which the feed channel is connected, this height difference must be taken into account, because the geodetic pressure of the liquid resin is added to the ambient pressure and thereby reduces the permissible maximum filling pressure, i.e. the pressure difference to be set is higher, if necessary also> 0.2 bar.
  • the reaction injection device preferably regulates the discharge amount continuously and precisely according to the recipe, so that the inlet pressure at the cavity is kept constant at the maximum inlet pressure.
  • the discharge quantity can go to zero with increasing filling, the input pressure on the component being maintained.
  • the feed line (45) additionally has a buffer container (51).
  • the buffer container (51) can be, for example, a tank or an elastic bladder that can be disposed of after the composite component has been produced.
  • the buffer container has e.g. a volume of 40 - 300 1. It is important that this is also dried and degassed via the vacuum source (50 or 47) before starting the infusion process. This embodiment has the advantage that a
  • Reaction injection device can be used, the discharge amount can not be controlled in such a wide range.
  • the inlet pressure at the cavity controls the discharge volume from the buffer tank.
  • the infusion device consisting of reaction injection device, feed line and cavity, and / or a method for producing fiber-reinforced composite components, in particular with the aid of such an infusion device, can otherwise be designed and developed as described in EP 2 886 322 A1, on the content of which as Part of the invention is hereby incorporated by reference.
  • an inert gas in particular N2
  • the drying gas can be supplied, for example, with a volume flow of greater than or equal to 5 NI / min ⁇ 0.5 NI / min.
  • a pressure p of, for example, 20 mbar ⁇ P ⁇ 100 mbar, in particular 35 mbar ⁇ p ⁇ 80 mbar and preferably 45 mbar ⁇ P ⁇ 60 mbar can be set in the interior of the frame profile.
  • a pressure loss Ap for the drying gas between the inlet opening and the interior of the frame profile can be, for example, 100 mbar ⁇ Ap ⁇ 900 mbar, in particular 250 mbar ⁇ Ap ⁇ 600 mbar and preferably 350 mbar ⁇ Ap ⁇ 450 mbar.
  • the temperature T in the interior of the frame profile during the drying of the fibers can average, in particular, 20 ° C. ⁇ T ⁇ 90 ° C., preferably 25 ° C.
  • a drying time t over the period of which the drying gas is supplied, of 30 min ⁇ t ⁇ 240 min, in particular 60 min ⁇ t ⁇ 180 min and preferably 90 min ⁇ t ⁇ 120 min is sufficient to achieve such a strong drying the fibers so that there is essentially no water left to react with the resin.
  • the temperature and / or the pressure and / or the volumetric flow is preferably essentially constant over the drying time, wherein in principle a time-variable temperature profile and / or a time-variable pressure profile and / or a time-variable volume flow profile of the drying gas is also possible over the drying time.
  • the resin can consist predominantly or entirely of PUR.
  • the frame profile which can be assembled in particular from several profile parts, can be made, for example, of steel, of composites or of polymer foams.
  • the frame profile is preferably thermally coupled to a heat source, for example a heating device, in order to set a specific temperature in the interior of the frame profile, which temperature is regulated if necessary.
  • a gas spacer for distributing the drying gas over the interior of the frame profile is arranged between the vacuum film and the separating membrane, in particular the inlet opening for the drying gas being arranged between the vacuum film and the gas spacer.
  • the gas distance layer also referred to as “breather”, can have a sufficient material thickness and be sufficiently permeable to the drying gas that the drying gas can be easily distributed within the gas distance layer. This makes it possible for the drying gas to be able to be distributed essentially over the entire surface of the separating membrane covering the interior of the frame profile. As a result, the drying gas, which is still dry, can enter the interior through a correspondingly large area through the separating membrane and discharge water and / or water vapor.
  • the gas distance layer can contribute to the flow resistance for the drying gas, and the flow resistance of the gas distance layer can be significantly lower than the flow resistance of the separating membrane.
  • the gas distance layer can be formed, for example, by a fleece and / or another sufficiently porous body.
  • the frame profile particularly preferably has an inlet profile, on the side of which the feed opening of the feed channel is arranged, and a counter profile opposite the inlet profile, on the side of which the inlet opening of the drying channel is arranged. If the drying gas on the counter profile is introduced via the inlet opening and suctioned off via the feed channel, the drying gas must flow over the entire width from the counter profile to the entrance profile, so that a particularly high loading of the drying gas with water occurs over the time the drying gas stays in the interior of the frame profile can be done.
  • the feed opening and the introduction opening are preferably arranged at regions of the frame profile at which the extent of the interior is approximately maximum.
  • the feed opening of the feed channel and / or the introduction opening of the drying channel is preferably arranged on a side of the frame profile which faces away from the interior of the frame profile.
  • the flow of the drying gas and / or the resin can take place from the outside of the frame profile, for example via an opening of the frame profile open upwards into the interior of the frame profile. Impairment of the shape of the composite component to be produced by a feed channel and / or drying channel protruding into the interior of the frame profile can thereby be avoided.
  • the infusion device can be easily adapted for different shapes of the composite component to be produced by exchanging the frame profile.
  • a resin spacer that partially delimits the interior of the frame profile, in particular essentially in an F-shape, for distributing the resin along the interior of the frame profile, with the resin spacer in particular being shaped to be open toward the inlet opening of the drying channel and / or towards the counter profile.
  • the resin spacer can have a sufficient material thickness and be sufficiently permeable to the resin that the resin can be easily distributed within the resin spacer.
  • the resin can flow via the resin spacer laterally at the edge of the interior of the frame profile into a floor area, where the resin can be distributed substantially uniformly over the entire floor of the interior.
  • the resin flowing in can then gradually flow from the bottom of the resin spacer upwards into the interior and fill the interior until the resin is retained in the interior by the separating membrane. Fuft remaining in the interior can easily be displaced by the rising liquid level of the resin and pressed through the separating membrane. Since the resin only needs to flow into the floor area of the interior via a side region, it is not necessary to provide the resin spacer on the opposite side in the region of the counter profile, so that the drying gas does not have to flow through the resin spacer into the interior of the frame profile. This avoids unnecessary flow resistance for the drying gas and the material used for the resin spacer is kept low.
  • the resin spacer can be formed, for example, by a fleece and / or another sufficiently porous body.
  • a partially, in particular substantially U-shaped, boundary foil is provided for the exchange of resin along the interior of the frame profile, wherein in particular the foiled foil is shaped open toward the inlet opening of the drying channel and / or towards the counter profile.
  • the foil can be arranged in particular on the side of the resin spacer facing the interior.
  • the foil can on the one hand allow the resin to pass into the interior and allow excess resin to escape from the interior, but on the other hand can also provide a sufficiently high flow resistance for the resin so that the supplied resin adheres to the Interior side of the perforated film pointing away as evenly as possible.
  • A, in particular plate-shaped, base part is preferably provided for supporting the frame profile, in particular the frame profile and / or the vacuum film being connected directly or indirectly to the base part.
  • the base part can absorb any weight forces that occur and allow sufficient tightness with the vacuum film and / or with the separating membrane.
  • a tear-off fabric is particularly preferably provided in the interior of the frame profile for encasing the composite component to be produced, the tear-off fabric forming a flow resistance permeable to resin, the flow resistance of the tear-off fabric being in particular greater than the flow resistance of the resin spacer layer and / or greater than the flow resistance of the perforated film.
  • the tear-off fabric is made from a, in particular woven and / or laid and / or knitted, polyamide or polyester.
  • the invention further relates to an infusion device comprising a. Reaction injection device (40) comprising at least two templates (48,49) containing the reactive resin components, an evacuation device (50) for degassing the templates (48,49), one each to the templates (48,49) via feed lines (41,42) connected metering unit (44a, 44b) and a mixing unit (43) in which the reactive resin components from the metering units (44a, 44b) are brought together, and b. a closed cavity (10) containing a fiber fabric (21) which i. comprises a shell which has at least one feed channel (31) which is suitable for applying a vacuum to the cavity (10) and for feeding resin into the cavity (10), and ii.
  • a drying channel (32) which is suitable for introducing a drying gas into the cavity to dehumidify the fiber fabric (21) and for applying a vacuum by means of a first vacuum source (34) for evacuation during the infusion and optionally during drying, and iii .
  • a feed line (45) on the feed channel (31) with the Reaction injection device (40) is connected, wherein this feed line (45) can be evacuated via a side, closable and connected to a second vacuum source (47) outlet (46).
  • the first and second vacuum sources may be identical in one embodiment, i.e. the same vacuum pump is connected to the drying duct (32) and to the outlet (46).
  • the method can, in particular, be designed and developed as explained above with reference to the infusion device.
  • the method possibly including a drying gas supplied outside the separating membrane and extracted within the separating membrane, can result in a particularly low pressure in the interior of the frame profile, which promotes the evaporation of water and, in addition, a low odor, in particular caused by the exchange of the drying gas, in the interior of the frame profile (or gas) moisture can be reached, so that a low risk of voids in fiber-reinforced composite components is possible.
  • the infusion device and the method according to the invention can advantageously be used for the production of large composite components, e.g. for the production of rotor blades for wind turbines from resins based on polyurethane, hybrid, unsaturated polyester, vinyl ester and / or epoxy polymers.
  • the resin used in the process according to the invention is a polyurethane-polyacrylic hybrid resin
  • the reactive resin components are an isocyanate component and an isocyanate-reactive component containing a polyol and a hydroxyl-terminated acrylate or (meth) acrylate monomer.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen mittels vakuumunterstützter Infusion einer reaktiven Harzmischung, dadurch gekennzeichnet, dass Herstellung der reaktiven Harzmischung und Injektion in die Kavität in einer Infusionsvorrichtung und zeitlich unmittelbar aufeinander erfolgen.

Description

Infusionsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen mittels vakuumunterstützter Infusion einer reaktiven Harzmischung, dadurch gekennzeichnet, dass Herstellung der reaktiven Harzmischung und Injektion in die Kavität in einer geschlossenen Infusionsvorrichtung und zeitlich unmittelbar aufeinander erfolgen.
Faserverstärkte Verbundbauteile (Faserverbundbauteile) aufgebaut aus einem duromeren Kunststoff (Harz) als Matrixmaterial und verstärkenden Fasern werden häufig als Konstruktionsmaterial verwendet, da diese eine hohe mechanische Festigkeit verbunden mit geringem Gewicht aufweisen. Die Herstellung solcher Faserverbundbauteile erfolgt beispielsweise über die Infusion einer flüssigen, reaktiven Mischung aus Harzkomponenten in ein Fasergelege und anschließende Aushärtung (Vernetzung) des Harzes. Solche Faserverbundbauteile haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und können beispielsweise im Flugzeugbau, im Automobilbau oder in Rotorblättern von Windkraftanlagen eingesetzt werden. Als Harze eingesetzt werden üblicherweise ungesättigte Polyester-Polymere, Vinylester-Polymere und/oder Epoxy-Polymere, in den letzten Jahren auch verstärkt Polymere enthaltend Polyurethanstrukturen sowie Hybride der vorgenannten Polymere (z.B. Polyacrylat-Polyurethan-Polymere).
Gerade bei großen Faserverbundbauteilen erfolgt die Herstellung im Allgemeinen über vakuumunterstützte Infusionsverfahren, wie beispielweise beschrieben in EP 1 310 351 Al und in WO 2012/123280 Al. Hierüber kann eine schnelle und gleichmäßige Ausbreitung des Harzes erreicht werden. Wichtig ist hierbei weiterhin, dass die Fasern möglichst vollständig mit dem Harzmaterial getränkt werden und dieses nicht zu schnell aushärtet. Bei einer ungleichmäßigen Infusion kann es sonst zu Gaseinschlüssen oder zu unbenetzten Stehen im Fasergelege sowie in der Folge auch zur Rissbildung kommen, welche die Stabilität des Bauteils herabsetzen oder sogar zur Delaminierung der Schichten führen kann. An der Oberfläche eines Bauteils stehen solche Fehlstellen eine mögliche Schwachstelle dar, was zu einem verfrühten Verschleiß beitragen kann.
Die WO 2012/123280 A schlägt zur Vermeidung von Gaseinschlüssen ein Vakuuminfusionsverfahren in Kombination mit einer möglichst vollständigen Entgasung der Vorlagen für die Harzmischung vor (genannt „Harzkomponente“ und „Härterkomponente“). Hierfür wird ein Vakuum für die Entgasung der reaktiven Komponenten in der von der WO 2012/123280 A vorgeschlagenen Vorrichtung an den Vörratsbehältern angelegt, und für die Vakuuminfusion wird die Gießform über eine Evakuierungseinrichtung mit einem Unterdrück beaufschlagt (siehe Figur 1).
Die in der WO 2012/123280 A offenbarte Vorrichtung weist jedoch für die Verarbeitung extrem wasseremphndlicher Harze wie Polyurethane noch Defizite auf. Die Evakuierungsleitung, über welche das während der Vakuuminfusion an die Gießform angelegte Vakuum gezogen wird, benötigt stets eine vorgeschaltete Membran oder anderen Fließwiderstand für das Harz, damit das Harz nicht in die Leitung bzw. in die Pumpe gezogen wird.
Über diese Evakuierungseinrichtung lassen sich die in die Form eingelegten Fasern, und die den Vorlagen nachgeschalteten Ventile, Vorrichtungen, Leitungen und das Werkzeug nicht zufriedenstellend trocknen und evakuieren. Auch das aus der EP 2 886 322 Al bekannte vakuumunterstütze Infusionsverfahren zur Herstellung faserverstärkter Verbundbauteile, das die Trocknung von eingebrachten Fasern und deren anschließende Tränkung mit Harz beschreibt, löst diese Problematik nicht. In der Folge kommt es zu ähnlichen Problemen - Fehlstellen und Rissbildung -, wie man sie durch eine mangelnde Entgasung der Komponenten beobachten kann, die Reaktion zwischen Wasser und reaktiver Komponente beeinflusst zusätzlich die Qualität des Harzes per se.
Die hierin beschriebene Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, die Probleme des Stands der Technik bezüglich mangelhafter Qualität von großen Faserverbundbauteilen hergestellt aus wasserempfindlichen reaktiven Harzkomponenten zu lösen.
Dazu schlägt die Erfindung folgende Modifizierung des aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannten Verfahren vor:
Erfindungsgemäß ist ein vakuumunterstütztes Infusionsverfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen vorgesehen, wobei eine reaktive Harzmischung in eine Kavität enthaltend ein Fasergelege injiziert wird, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen einer Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) umfassend mindestens zwei Vorlagen (48,49) enthaltend die reaktiven Harzkomponenten, eine Evakuierungseinrichtung (50) zum Entgasen der Vorlagen (48,49), jeweils eine an die Vorlagen (48,49) über Zuleitungen (41,42) angeschlossene Dosiereinheit (44a, 44b) und eine Mischeinheit (43), in der die reaktiven Harzkomponenten aus den Dosiereinheiten (44a, 44b) zusammengeführt werden, und b. Bereitstellen einer geschlossenen Kavität (10) enthaltend ein Fasergelege (21), welche i. umfasst wird von einer Schale, die mindestens einen Zuführkanal (31) aufweist, der zum Anlegen von Vakuum an die Kavität (10) und zum Zuführen von Harz in die Kavität (10) geeignet ist, und ii. mindestens einen Trocknungskanal (32) aufweist, der zum Einleiten eines Trocknungsgases in die Kavität zur Entfeuchtung des Fasergeleges (21) und zum Anlegen von Vakuum mittels einer ersten Vakuumquelle (34) zur Evakuierung während der Infusion und gegebenenfalls während der Trocknung geeignet ist, und iii. über eine Zuführleitung (45) am Zuführkanal (31) mit der
Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) verbunden ist, wobei diese Zuführleitung (45) über einen seitlichen, verschließbaren und an einer zweiten Vakuumquelle (47) angeschlossenen Auslass (46) evakuiert werden kann, c. Entgasung und Trocknung der Kavität (10) und des darin enthaltenen Fasergeleges (21), der Zuführleitung (45) und gegebenenfalls der Mischeinheit (43) mit Hilfe der zweiten Vakuumquelle (47), wobei gegebenenfalls über den Trocknungskanal (32) ein Trocknungsgas eingeleitet wird oder gegebenenfalls mit Hilfe der ersten Vakuumquelle (34) eine zusätzliche Evakuierung stattfindet, d. Start des Infusionsvorgangs durch Zuführen der entgasten, reaktiven Komponenten aus den Vorlagen (48,49) in die Dosiereinheiten (44a, 44b) der Reaktionsinjektionsvorrichtung (40) über die Zuleitungen (41, 42) und Herstellen einer reaktiven Harzmischung aus den Komponenten in der Mischeinheit (43), wobei der Auslass (46) zur zweiten Vakuumquelle (47) geschlossen wird, bevor er von der reaktiven Harzmischung erreicht wird, und e. Injektion der reaktiven Harzmischung über den Zuführkanal (31) in die Kavität (10), optional unter gleichzeitiger Evakuierung der Kavität (10) mit Hilfe der ersten Vakuumquelle (34) über den Trocknungskanal (32), wobei der Eingangsdruck gemessen am Eingang der Kavität während der Injektion niedriger als der Umgebungsdruck bleibt, und f. Ausreagieren der Harzmischung unter Aushärtung in der Kavität (10).
Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen vakuumunterstützten Infusionsverfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen (20) um ein Vacuum Assisted Resin Transfer Molding - Verfahren.
In einer Ausführungsform ist das faserverstärkte Verbundbauteil (20) ein Windrotorblatt und das Harz umfasst Polyurethan-, ungesättigte Polyester-, Vinylester-, Hybrid-, und/oder Epoxyharze.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Harz um ein Polyurethan-basiertes Harz, insbesondere um ein Polyurethan-Polyacryl-Hybridharz und bei den reaktiven Harzkomponenten um eine Isocyanatkomponente und eine isocyanatreaktive Komponente enthaltend ein Polyol und ein hydroxylterminiertes Acrylat- oder (Meth)acrylat-Monomer.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere für die Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen verwendet. Der Aufbau der Kavität sieht insbesondere vor a) ein einen Innenraum begrenzendes Rahmenprofil zur Begrenzung der Form des in dem Innenraum der Kavität herzustellenden Verbundbauteils, b) einen Zuführkanal zum Evakuieren des Innenraums und zum Zuführen von Harz in den Innenraum des Rahmenprofils, wobei der Zuführkanal eine mit dem Innenraum des Rahmenprofils kommunizierende Zuführöffnung aufweist, c) einen oder mehrere Trocknungskanäle zum Einleiten eines Trocknungsgases zur Entfeuchtung des herzustellenden Verbundbauteils und zum Anlegen von Vakuum während des Vakuuminfusion Vorgangs, wobei jeder Trocknungskanal eine mit dem Innenraum des Rahmenprofils kommunizierende Einleitungsöffnung aufweist, d) einer das Rahmenprofil, die Zuführöffnung des Zuführkanals und die Einleitungsöffnung des Trocknungskanals / der Trocknungskanäle gasdicht einschließende Vakuumfolie und einer zwischen der Vakuumfolie und dem Rahmenprofil angeordnete gasdurchlässige Trennmembran zum Zurückhalten von Harz in dem Innenraum des Rahmenprofils, wobei die Öffnung des Trocknungskanals / der Trocknungskanäle zwischen der Vakuumfolie und der Trennmembran angeordnet ist / sind und die Trennmembran das Rahmenprofil einschließt. Statt einer Trennmembran kann auch ein geeignetes Vlies oder ein anderes Gewebe, welches einen Fließwiderstand für das Harz aufweist, verwendet werden.
Wenn das Trocknungsgas durch die Infusionsvorrichtung strömt, muss es vom Einleitungspunkt zunächst durch die Trennmembran hindurch gelangen, bevor es im Innenraum des Rahmenprofils Feuchtigkeit, insbesondere in Fasern enthaltenes Wasser, aufnehmen und abführen kann. Die Trennmembran stellt hierbei einen signifikanten Strömungswiderstand für das Trocknungsgas dar. Da die Einleitungsöffnung für das Trocknungsgas bezogen auf den Innenraum des Rahmenprofils außerhalb der Trennmembran liegt und die Absaugöffnung innerhalb der Trennmembran liegt, braucht das Trocknungsgas den Strömungswiderstand der Trennmembran nur einmal zu überwinden. Dadurch kann auch eine Rückvermischung von bereits feuchtem Trocknungsgas mit frisch zugeführtem trockenen Trocknungsgas vermieden werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass im Vergleich zu einer gegenteiligen Strömungsrichtung für das Trocknungsgas, also von der Absaugöffnung zur Einleitungsöffnung, der Druck im Innenraum des Rahmenprofils sowie im Inneren des herzustellenden Verbundbauteils gesenkt werden kann. Dies erleichtert ein Verdampfen von Wasser, so dass ein Trocknen schneller und mit einer höheren Trocknungsgüte erfolgen kann. Das Innere des Rahmenprofils kann bei vergleichbaren Temperaturen, vergleichbarer Trocknungszeit und vergleichbarem Massenstrom des Trocknungsgases stärker getrocknet werden. Durch den geringeren Massenanteil an Wasser im Inneren des Rahmenprofils, das beispielsweise über die im Inneren des Rahmenprofils angeordneten Fasern des herzustellenden faserverstärkten Verbundbauteils eingebracht wurde, sind Reaktionen von in der Infusionsvorrichtung verbliebenem Wasser mit dem zugeführten Harz, bei denen gasförmige Reaktionsprodukte wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid in dem Verbundbauteil Hohlräume verursachen können, vermieden oder zumindest reduziert. Insbesondere wenn an der Absaugöffnung ein Vakuum und/oder ein Unterdrück angelegt wird, kann dieser sehr geringe Druck über einen minimalen Strömungswiderstand an dem Innenraum des Rahmenprofils anliegen. Wenn dieser sehr geringe Druck bei einer gegenteiligen Strömungsrichtung für das Trocknungsgas an der Einleitungsöffnung angelegt worden wäre, würde dieser sehr geringe Druck an der Trennmembran anliegen, wodurch im Innenraum des Rahmenprofils aufgrund des durch die Trennmembran verursachten Strömungswiderstands ein entsprechend höherer Druck vorherrschen würde. Durch das außerhalb der Trennmembran zugeführte und innerhalb der Trennmembran abgesaugte Trocknungsgas kann im Innenraum des Rahmenprofils ein das Verdampfen von Wasser befördernder besonders geringer Druck erreicht werden, so dass ein geringes Risiko an Hohlräumen in faserverstärkten Verbundbauteilen ermöglicht ist.
Die Entgasung und Trocknung in Schritt c. erfolgt mit Hilfe einer Vakuumquelle, welche über einen Auslass an den Zuführkanal für das Harz angeschlossen ist. Die Entgasung und Trocknung kann gegebenenfalls unter zusätzlicher Einleitung von Trocknungsgas über den Trocknungskanal oder unter zusätzlichem Anlegen von Vakuum über den Trocknungskanal mittels einer Vakuumquelle stattünden.
Bei dem Auslass, über den das Vakuum für die Trocknung an den Zuführkanal für das Harz angelegt wird, handelt es sich bevorzugt um ein Absperrventil.
Über die an der Zuführleitung angeschlossene Vakuumquelle wird über den Zuführkanal in dem Innenraum der Kavität ein Unterdrück, insbesondere ein Vakuumdruck, angelegt. Der Vakuumdruck beträgt insbesondere < 20 mbar, besonders bevorzugt < 10 mbar. Dies ermöglicht einen besonders geringen Druck im Innenraum des Rahmenprofils, wodurch das Verdampfen von Wasser gefördert wird.
Die erste Vakuumquelle, welche an den Trocknungskanal angeschlossen ist, und die zweite Vakuumquelle, welche an den Auslass angeschlossen ist, können identisch sein, d.h. am Trocknungskanal und an dem Auslass wird dieselbe Vakuumpumpe angeschlossen. In einer anderen Ausführungsform können die erste und die zweite Vakuumquelle verschieden sein.
Dadurch ist die Trocknung effizienter, da bedingt durch die Strömungswiderstände, schneller ein tieferes Vakuum im Bauteil erreicht wird. Wenn das Vakuum wie normalerweise üblich nur durch die Membran auf der Vakuumseite angelegt wird, ist ein tiefes Vakuum bei weitem nicht so schnell zu erreichen. Der Grund für diesen Unterschied ist folgender. Neben dem Gasvolumen, welches bei Umgebungsdruck im Bauteil ist, muss zusätzlich der entstehende Wasserdampf aus dem Bauteil gesaugt werden. Dieses Volumen entsteht über den gesamten Zeitraum der Trocknung und sorgt bei der Trocknung über die Membran für einen höheren Restdruck im Bauteil. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass zweckmäßigerweise das Harz erst dann zugeführt wird, wenn zuvor eine Trocknung durch Evakuierung, gegebenenfalls mit Hilfe eines Trocknungsgases, abgeschlossen ist. Des Weiteren hat dieser Aufbau der Vorrichtung den Vorteil, dass die Zuführleitung und gegebenenfalls auch die Dosier- und Mischeinheiten über die seitlich mit einem Absperrventil am Zuführkanal angebrachte Vakuumquelle ebenfalls entgast und getrocknet wird.
Die vakuumunterstützte Infusion der reaktiven Harzmischung schließt sich daher bevorzugt direkt an die Trocknung und Evakuierung der Form enthaltend die Fasern / das Fasergelege sowie der Zuführleitung mittels Vakuum an.
Die Reaktionsinjektionsvorrichtung kann insbesondere wie in den in der WO 2012/123280 beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Erfindungsgemäß werden die Vorlagen, also reaktiven Harzkomponenten vor Vermischen und/oder online über eine separate Vakuumquelle entgast, und über Dosiereinheiten, z.B. Dosierpumpen, in die Mischeinheit, z.B. einem statischen Mischer, dosiert. Ein wichtiger Unterschied zu dem in der WO 2012/123280 gezeigten Aufbau ist, dass die sich an die Mischeinheit anschließende Zuführleitung seitlich über ein Absperrventil mit einer Vakuumquelle verbunden ist, die genutzt wird, um vor dem Beginn des Infusionsvorgangs die Kavität mit dem Fasergelege, den Zuführkanal und die Zuführleitung selbst zu trocknen.
Der Infusionsvorgang wird nach beendeter Entgasung der Vorlagen und Trocknung des Aufbaus und der Leitungen durch Inbetriebnahme der Dosiereinheiten für die Harzkomponenten gestartet. Die Harzkomponenten werden in die Mischeinheit dosiert und dort gemischt. Die an der Zuführleitung seitlich angebrachte Vakuumquelle muss verschlossen werden, bevor die Harzmischung das Sperrventil erreicht, beispielsweise kann sie vor Inbetriebnahme der Dosiereinheiten über das Sperrventil verschlossen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Sperrventil erst verschlossen, wenn die Harzmischung sich in der Zuführleitung bereits kurz vor dem Ventil befindet. Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Sperrventil in der Zuführleitung möglichst nah an dem Zuführkanal in die Kavität angeordnet ist, so dass das Sperrventil erst kurz vor Eintritt der Harzmischung in die Kavität verschlossen werden muss. Bei der Zuführleitung kann es sich um eine feste Leitung oder um einen Schlauch handeln, bevorzugt um einen Schlauch. Die Vakuumquelle wird dann z.B. über ein T-Stück mit Absperrventil angeschlossen.
Die Dosierung der Harzmischung erfolgt kontrolliert. Dazu wird der Absolutdruck am Eingang des Bauteils (am Zuführkanal) gemessen. Bei der zu Anfang des Inj ektions Vorgangs gewählten Menge kann es sich z.B. um die maximal mit den Dosierpumpen zu erreichende Dosiermenge handeln. Ein typischer Wert zur Befüllung eines großen Bauteils, z.B. eines Windflügels, ist 20 kg/min, bei besonders großen Bauteilen kann dieser Wert aber auch bei 40 kg/min oder noch höher liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform am Bauteil regelt die Reaktionsinj ektions Vorrichtung bei Erreichen eines vorgewählten maximalen Eingangsdrucks, gemessen am Zuführkanal, die aus der Mischeinheit austretende Austragsmenge herunter, damit die Vakuumfolie nicht angehoben werden kann. Der vorgewählte maximale Eingangsdruck an der Kavität muss hierfür unter dem Umgebungsdruck liegen, z.B. 0,01 bar - 0,2 bar unter dem Umgebungsdruck, bevorzugt zwischen 0,88 und 0,92 bar absolut. Die Höhe der einzustellenden Druckdifferenz hängt auch davon ab, an welcher Stelle der Zuführkanal an die Kavität angeschlossen ist. Zeigt die Kavität eine Ausdehnung bis unterhalb der Stelle, an der der Zuführkanal angeschlossen wird, muss dieser Höhenunterschied berücksichtigt werden, denn der geodätische Druck des flüssigen Harzes addiert sich zum Umgebungsdruck und reduziert dadurch den zulässigen höchsten Fülldruck, d.h. die einzustellende Druckdifferenz ist höher, gegebenenfalls auch > 0,2 bar.
Bevorzugt regelt die Reaktionsinjektions Vorrichtung die Austragsmenge stufenlos und rezepturgenau herunter, so dass der Eingangsdruck an der Kavität konstant auf dem maximalen Eingangsdruck gehalten wird. Die Austragsmenge kann dabei mit steigender Befüllung gegen Null gehen, wobei der Eingangsdruck am Bauteil aufrecht gehalten wird.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens weist die Zuführleitung (45) zusätzlich einen Pufferbehälter (51) auf. Bei dem Pufferbehälter (51) kann es sich beispielsweise um einen Tank oder auch um eine elastische Blase handeln, die nach Herstellung des Verbundbauteils entsorgt werden kann. Der Pufferbehälter hat z.B. ein Volumen von 40 - 300 1. Es ist wichtig, dass dieser vor Start des Infusionsvorgangs ebenfalls über die Vakuumquelle (50 oder 47) getrocknet und entgast wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auch eine
Reaktionsinjektions Vorrichtung genutzt werden kann, deren Auslassmenge nicht in so einem breiten Bereich geregelt werden kann. Der Eingangsdruck an der Kavität regelt in diesem Fall die Austragsmenge aus dem Pufferbehälter.
Die Infusionsvorrichtung, bestehend aus Reaktionsinjektionsvorrichtung, Zuführleitung und Kavität, und/oder ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen, insbesondere mit Hilfe einer derartigen Infusionsvorrichtung, kann im Übrigen wie in EP 2 886 322 Al beschrieben aus- und weitergebildet sein, auf deren Inhalt als Teil der Erfindung hiermit Bezug genommen wird. Als Trocknungsgas kann beispielsweise ein Inertgas, insbesondere N2, verwendet werden, das beispielsweise mit einem Völumenstrom von größer oder gleich 5 NI /min ± 0,5 NI /min zugeführt werden kann. Im Innenraum des Rahmenprofils kann ein Druck p von beispielsweise 20 mbar < P < 100 mbar, insbesondere 35 mbar < p < 80 mbar und vorzugsweise von 45 mbar < P < 60 mbar eingestellt werden. Ein Druckverlust Ap für das Trocknungsgas zwischen der Einleitungsöffnung und dem Innenraum des Rahmenprofils kann beispielsweise 100 mbar < Ap < 900 mbar, insbesondere 250 mbar < Ap < 600 mbar und vorzugsweise 350 mbar < Ap < 450 mbar betragen. Die Temperatur T im Innenraum des Rahmenprofils während des Trocknens der Fasern kann über die Trocknungszeit durchschnittlich insbesondere 20°C < T < 90°C, vorzugsweise 25°C < T < 70°C, weiter bevorzugt 30°C < T < 50°C und besonders bevorzugt T = 35°C ± 3K betragen. Bei derartigen Randbedingungen ist bereits eine Trocknungszeit t, über deren Zeitraum das Trocknungsgas zugeführt wird, von 30 min < t < 240 min, insbesondere 60 min < t < 180 min und vorzugsweise 90 min < t < 120 min ausreichend, um eine so starke Trocknung der Fasern zu erreichen, dass im Wesentlichen kein Wasser verbleibt, das mit dem Harz reagieren könnte. Vorzugsweise ist die Temperatur und/oder der Druck und/oder der Völumenstrom über die Trocknungszeit im Wesentlichen konstant, wobei grundsätzlich auch über die Trocknungszeit ein zeitveränderliches Temperaturprofil und/oder ein zeitveränderliches Druckprofil und/oder ein zeitveränderliches Volumenstromprofil des Trocknungsgases möglich ist. Das Harz kann insbesondere überwiegend oder vollständig aus PUR bestehen. Das insbesondere aus mehreren Profilteilen zusammensetzbare Rahmenprofil kann zum Beispiel aus einem Stahl, aus Kompositen oder aus Polymerschäumen hergesteht sein. Vorzugsweise ist das Rahmenprofil mit einer Wärmequelle, beispielsweise einer Heizeinrichtung, thermisch gekoppelt, um im Innenraum des Rahmenprofils eine bestimmte Temperatur einzustellen, die gegebenenfalls geregelt wird.
Insbesondere ist zwischen der Vakuumfolie und der Trennmembran eine Gasdistanzlage zur Verteilung des Trocknungsgases über den Innenraum des Rahmenprofils angeordnet, wobei insbesondere die Einleitungsöffnung für das Trocknungsgas zwischen der Vakuumfolie und der Gasdistanzlage angeordnet ist. Die auch als„Breather“ bezeichnete Gasdistanzlage kann eine hinreichende Materialdicke aufweisen und für das Trocknungsgas hinreichend durchlässig sein, dass sich das Trocknungsgas leicht innerhalb der Gasdistanzlage verteilen kann. Dadurch ist es möglich, dass sich das Trocknungsgas im Wesentlichen über die gesamte den Innenraum des Rahmenprofils abdeckende Oberfläche der Trennmembran verteilen kann. Dadurch kann das noch trockene Trocknungsgas über eine entsprechend große Fläche durch die Trennmembran hindurch in den Innenraum eintreten und Wasser und/oder Wasserdampf austragen. Die Gasdistanzlage kann zum Strömungswiderstand für das Trocknungsgas beitragen, wobei der Strömungswiderstand der Gasdistanzlage deutlich geringer als der Strömungswiderstand der Trennmembran sein kann. Die Gasdistanzlage kann beispielsweise durch ein Vlies und/oder einen sonstigen hinreichend porösen Körper ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt weist das Rahmenprofil ein Eingangsprofil, an dessen Seite die Zuführöffnung des Zuführkanals angeordnet ist, und ein zum Eingangsprofil gegenüberliegendes Gegenprofil, an dessen Seite die Einleitungsöffnung des Trocknungskanals angeordnet ist, auf. Wenn das Trocknungsgas am Gegenprofil über die Einleitungsöffnung eingeleitet wird und über den Zuführkanal abgesaugt wird, muss das Trocknungsgas über die gesamte Breite von dem Gegenprofil zum Eingangsprofil strömen, so dass über die Verweilzeit des Trocknungsgases im Innenraum des Rahmenprofils eine besonders hohe Beladung des Trocknungsgases mit Wasser erfolgen kann. Vorzugsweise sind die Zufuhröffnung und die Einleitungsöffnung an Bereichen des Rahmenprofils angeordnet, an denen die Erstreckung des Innenraums annähernd maximal ist. Vorzugsweise ist die Zuführöffnung des Zuführkanals und/oder die Einleitungsöffnung des Trocknungskanals an einer von dem Innenraum des Rahmenprofils weg weisenden Seite des Rahmenprofils angeordnet. Die Strömung des Trocknungsgases und/oder des Harzes kann von der Außenseite des Rahmenprofils, beispielsweise über eine nach oben offene Öffnung des Rahmenprofils in das Innere des Rahmenprofils erfolgen. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Form des herzustellenden Verbundbauteils durch einen in das Innere des Rahmenprofils hineinragenden Zuführkanal und/oder Trocknungskanal vermieden werden. Zudem kann die Infusionsvorrichtung leicht durch einen Austausch des Rahmenprofils für unterschiedliche Formgestaltungen des herzustellenden Verbundbauteils angepasst werden.
Besonders bevorzugt ist eine den Innenraum des Rahmenprofils teilweise, insbesondere im Wesentlichen F-förmig, begrenzenden Harzdistanzlage zur Verteilung des Harzes entlang des Innenraums des Rahmenprofils vorgesehen, wobei insbesondere die Harzdistanzlage zur Einleitungsöffnung des Trocknungskanals hin und/oder zum Gegenprofil hin geöffnet ausgeformt ist. Die Harzdistanzlage kann eine hinreichende Materialdicke aufweisen und für das Harz hinreichend durchlässig sein, dass sich das Harz leicht innerhalb der Harzdistanzlage verteilen kann. Insbesondere kann das Harz über die Harzdistanzlage seitlich am Rand des Innenraums des Rahmenprofils in einen Bodenbereich fließen, wo sich das Harz im Wesentlichen über den gesamten Boden des Innenraums gleichmäßig verteilen kann. Das nachfließende Harz kann dann allmählich von unten aus der Harzdistanzlage nach oben in den Innenraum fließen und den Innenraum ausfüllen bis das Harz von der Trennmembran in dem Innenraum zurückgehalten wird. In dem Innenraum verbleibende Fuft kann leicht von dem ansteigenden Flüssigkeitsspiegel des Harzes verdrängt und durch die Trennmembran gedrückt werden. Da das Harz nur über einen Seitenbereich in den Bodenbereich des Innenraums zu strömen braucht, ist es nicht erforderlich an der gegenüberliegenden Seite im Bereich des Gegenprofils die Harzdistanzlage vorzusehen, so dass das Trocknungsgas nicht durch die Harzdistanzlage hindurch in den Innenraum des Rahmenprofils strömen muss. Ein unnötiger Strömungswiderstand für das Trocknungsgas ist dadurch vermieden und der Materialeinsatz für die Harzdistanzlage gering gehalten. Die Harzdistanzlage kann beispielsweise durch ein Vlies und/oder einen sonstigen hinreichend porösen Körper ausgebildet sein.
Insbesondere ist eine den Innenraum des Rahmenprofils teilweise, insbesondere im Wesentlichen U-förmig, begrenzenden Fochfolie zum Austausch von Harz entlang des Innenraums des Rahmenprofils vorgesehen ist, wobei insbesondere die Fochfolie zur Einleitungsöffnung des Trocknungskanals hin und/oder zum Gegenprofil hin geöffnet ausgeformt ist. Die Fochfolie kann insbesondere an der zum Innenraum weisenden Seite der Harzdistanzlage angeordnet sein. Die Fochfolie kann einerseits einen Durchtritt des Harzes in den Innenraum sowie einen Austritt überschüssigen Harzes aus dem Innenraum zulassen aber anderseits auch einen hinreichend hohen Strömungswiderstand für das Harz bereitstellen, damit sich das zugeführte Harz an der vom Innenraum weg weisenden Seite der Lochfolie möglichst gleichmäßig verteilen kann. Da das Harz nur über einen Seitenbereich in den Bodenbereich des Innenraums zu strömen braucht, ist es nicht erforderlich an der gegenüberliegenden Seite im Bereich des Gegenprofils die Lochfolie vorzusehen, so dass das Trocknungsgas nicht durch die Lochfolie hindurch in den Innenraum des Rahmenprofils strömen muss. Ein unnötiger Strömungswiderstand für das Trocknungsgas ist dadurch vermieden und der Materialeinsatz für die Lochfolie gering gehalten.
Vorzugsweise ist ein, insbesondere plattenförmiges, Bodenteil zur Abstützung des Rahmenprofils vorgesehen, wobei insbesondere das Rahmenprofil und/oder die Vakuumfolie direkt oder indirekt mit dem Bodenteil verbunden ist. Das Bodenteil kann auftretende Gewichtskräfte abtragen und eine ausreichende Dichtheit mit der Vakuumfolie und/oder mit der Trennmembran ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist in dem Innenraum des Rahmenprofils ein Abreißgewebe zum Einhüllen des herzustellenden Verbundbauteils vorgesehen, wobei das Abreißgewebe einen für Harz durchlässigen Strömungswiderstand ausbildet, wobei der Strömungswiderstand des Abreißgewebes insbesondere größer als der Strömungswiderstand der Harzdistanzlage und/oder größer als der Strömungswiderstand der Lochfolie ist. Insbesondere ist das Abreißgewebe aus einem, insbesondere gewobenen und/oder gelegten und/oder gewirkten, Polyamid oder Polyester hergestellt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Infusionsvorrichtung umfassend a. Reaktionsinjektionsvorrichtung (40) umfassend mindestens zwei Vorlagen (48,49) enthaltend die reaktiven Harzkomponenten, eine Evakuierungseinrichtung (50) zum Entgasen der Vorlagen (48,49), jeweils eine an die Vorlagen (48,49) über Zuleitungen (41,42) angeschlossene Dosiereinheit (44a, 44b) und eine Mischeinheit (43), in der die reaktiven Harzkomponenten aus den Dosiereinheiten (44a, 44b) zusammengeführt werden, und b. eine geschlossene Kavität (10) enthaltend ein Fasergelege (21), welche i. umfasst wird von einer Schale, die mindestens einen Zuführkanal (31) aufweist, der zum Anlegen von Vakuum an die Kavität (10) und zum Zuführen von Harz in die Kavität (10) geeignet ist, und ii. mindestens einen Trocknungskanal (32) aufweist, der zum Einleiten eines Trocknungsgases in die Kavität zur Entfeuchtung des Fasergeleges (21) und zum Anlegen von Vakuum mittels einer ersten Vakuumquelle (34) zur Evakuierung während der Infusion und gegebenenfalls während der Trocknung geeignet ist, und iii. über eine Zuführleitung (45) am Zuführkanal (31) mit der Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) verbunden ist, wobei diese Zuführleitung (45) über einen seitlichen, verschließbaren und an einer zweiten Vakuumquelle (47) angeschlossenen Auslass (46) evakuiert werden kann.
Die erste und zweite Vakuumquelle können in einer Ausführungsform identisch sein, d.h. am Trocknungskanal (32) und an dem Auslass (46) wird dieselbe Vakuumpumpe angeschlossen.
Das Verfahren kann insbesondere wie vorstehend anhand der Infusionsvorrichtung erläutert aus- und weitergebildet sein.
Durch das Verfahren, gegebenenfalls beinhaltend ein außerhalb der Trennmembran zugeführtes und innerhalb der Trennmembran abgesaugtes Trocknungsgas, kann im Innenraum des Rahmenprofils ein das Verdampfen von Wasser befördernder besonders geringer Druck und zusätzlich eine, insbesondere durch den Austausch des Trocknungsgases, im Innenraum des Rahmenprofils hervorgerufene geringe Euft(bzw. Gas-)feuchtigkeit erreicht werden, so dass ein geringes Risiko an Hohlräumen in faserverstärkten Verbundbauteilen ermöglicht ist.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiden anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Infusionsvorrichtung exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Fig. 1 Infusionsvorrichtung
Reaktionsinjektionsvorrichtung 40
Vorlagen für die Harzkomponenten 48,49
Evakuierungseinrichtung 50 für die Vorlagen
Zuleitungen 41,42
Dosiereinheiten 44a, 44b
Mischeinheit 43
Kavität 10
Faserverstärktes Verbundbauteil 20
Fasergelege 21
Zuführkanal 31
Trocknungskanal 32
Trocknungsgas 33
Erste Vakuumquelle 34
Zuführleitung 45 Auslass 46
Zweite Vakuumquelle 47
Fig. 2 Infusionsvorrichtung mit Pufferbehälter
Reaktionsinjektions Vorrichtung 40
Vorlagen für die Harzkomponenten 48,49
Evakuierungseinrichtung 50 für die Vorlagen
Zuleitungen 41,42
Dosiereinheiten 44a, 44b
Mischeinheit 43
Kavität 10
Faserverstärktes Verbundbauteil 20
Fasergelege 21
Zuführkanal 31
Trocknungskanal 32
Trocknungsgas 33
Erste Vakuumquelle 34
Zuführleitung 45
Auslass 46
Zweite Vakuumquelle 47
Pufferbehälter 51
Die Infusionsvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können vorteilhaft zur Herstellung von großen Verbundbauteilen genutzt werden, z.B. zur Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen aus Harzen basierend auf Polyurethan-, Hybrid-, ungesättigte Polyester-, Vinylester- und/oder Epoxy-Polymeren.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Harz um ein Polyurethan-Polyacryl-Hybridharz bei den reaktiven Harzkomponenten um eine Isocyanatkomponente und eine isocyanatreaktive Komponente enthaltend ein Polyol und ein hydroxylterminiertes Acrylat- oder (Meth)acrylat Monomer.

Claims

Patentansprüche
1.) Vakuumunterstütztes Infusionsverfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen, wobei eine reaktive Harzmischung in eine Kavität enthaltend ein Fasergelege injiziert wird, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen einer Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) umfassend mindestens zwei Vorlagen (48,49) enthaltend die reaktiven Harzkomponenten, eine Evakuierungseinrichtung (50) zum Entgasen der Vorlagen (48,49), jeweils eine an die Vorlagen (48,49) über Zuleitungen (41,42) angeschlossene Dosiereinheit (44a, 44b) und eine Mischeinheit (43), in der die reaktiven Harzkomponenten aus den Dosiereinheiten (44a, 44b) zusammengeführt werden, und b. Bereitstellen einer geschlossenen Kavität (10) enthaltend ein Fasergelege (21), welche c. Bereitstellen einer geschlossenen Kavität (10) enthaltend ein Fasergelege (21), welche i. umfasst wird von einer Schale, die mindestens einen Zuführkanal (31) aufweist, der zum Anlegen von Vakuum an die Kavität (10) und zum Zuführen von Harz in die Kavität (10) geeignet ist, und ii. mindestens einen Trocknungskanal (32) aufweist, der zum Einleiten eines Trocknungsgases in die Kavität zur Entfeuchtung des Fasergeleges (21) und zum Anlegen von Vakuum mittels einer ersten Vakuumquelle (34) zur Evakuierung während der Infusion und gegebenenfalls während der Trocknung geeignet ist, und iii. über eine Zuführleitung (45) am Zuführkanal (31) mit der Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) verbunden ist, wobei diese Zuführleitung (45) über einen seitlichen, verschließbaren und an einer zweiten Vakuumquelle (47) angeschlossenen Auslass (46) evakuiert werden kann, d. Entgasung und Trocknung der Kavität (10) und des darin enthaltenen Fasergeleges (21), der Zuführleitung (45) und gegebenenfalls der Dosiereinheiten (44a, 44b) / Mischeinheit (43) mit Hilfe der zweiten Vakuumquelle (47), wobei gegebenenfalls über den Trocknungskanal (32) ein Trocknungsgas (33) eingeleitet wird oder gegebenenfalls mit Hilfe der ersten Vakuumquelle (34) eine zusätzliche Evakuierung stattfrndet, e. Start des Infusionsvorgangs durch Zuführen der entgasten, reaktiven Komponenten aus den Vorlagen (48,49) in die Dosiereinheiten (44a, 44b) der
Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) über die Zuleitungen (41, 42) und Herstellen einer reaktiven Harzmischung aus den Komponenten in der Mischeinheit (43), wobei der Auslass (46) zur zweiten Vakuumquelle (47) geschlossen wird, bevor er von der reaktiven Harzmischung erreicht wird, und f. Injektion der reaktiven Harzmischung über den Zuführkanal (31) in die Kavität (10) unter gleichzeitiger Evakuierung der Kavität (10) mit Hilfe der ersten Vakuumquelle (34) über den Trocknungskanal (32), wobei der Eingangsdruck gemessen am Eingang der Kavität während der Injektion niedriger als der Umgebungsdruck bleibt, und g. Ausreagieren der Harzmischung unter Aushärtung in der Kavität (10).
2.) Vakuumunterstütztes Infusionsverfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundbauteilen
(20) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Vacuum Assisted Resin Transfer Molding - Verfahren handelt.
3.) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dosiereinheit (44) bei
Erreichen eines vorgegebenen maximalen Eingangsdrucks gemessen am Eingang der Kavität die Austragsmenge stufenlos herunterregelt, so dass der maximale Eingangsdruck gehalten wird.
4.) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der maximale Eingangsdruck gemessen am Eingang der Kavität 0,01 bar - 0,2 bar unter dem Umgebungsdruck liegt.
5.) Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der maximale Eingangsdruck zwischen 0,88 und 0,92 bar absolut liegt.
6.) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zuführleitung (45)
zusätzlich einen Pufferbehälter (51) aufweist.
7.) Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei es sich bei dem Pufferbehälter (51) um eine elastische
Blase handelt. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das faserverstärkte
Verbundbauteil (20) ein Windrotorblatt ist und das Harz Polyurethan-, ungesättigte Polyester-,
Vinylester-, Hybrid-, und/oder Epoxyharze umfasst. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Harz um ein
Polyurethan-Polyacryl-Hybridharz handelt und bei den reaktiven Harzkomponenten um eine
Isocyanatkomponente und eine isocyanatreaktive Komponente enthaltend ein Polyol und ein hydroxylterminiertes (Meth)acrylat Monomer. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zur Herstellung von
Rotorblättern für Windkraftanlagen. Infusionsvorrichtung umfassend a. Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) umfassend mindestens zwei Vorlagen (48,49) enthaltend die reaktiven Harzkomponenten, eine Evakuierungseinrichtung (50) zum Entgasen der Vorlagen (48,49), jeweils eine an die Vorlagen (48,49) über Zuleitungen (41,42) angeschlossene Dosiereinheit (44a, 44b) und eine Mischeinheit (43), in der die reaktiven Harzkomponenten aus den Dosiereinheiten (44a, 44b) zusammengeführt werden, und b. eine geschlossene Kavität (10) enthaltend ein Fasergelege (21), welche c. Bereitstellen einer geschlossenen Kavität (10) enthaltend ein Fasergelege (21), welche i. umfasst wird von einer Schale, die mindestens einen Zuführkanal (31) aufweist, der zum Anlegen von Vakuum an die Kavität (10) und zum Zuführen von Harz in die Kavität (10) geeignet ist, und ii. mindestens einen Trocknungskanal (32) aufweist, der zum Einleiten eines Trocknungsgases in die Kavität zur Entfeuchtung des Fasergeleges (21) und zum Anlegen von Vakuum mittels einer ersten Vakuumquelle (34) zur Evakuierung während der Infusion und gegebenenfalls während der Trocknung geeignet ist, und iii. über eine Zuführleitung (45) am Zuführkanal (31) mit der Reaktionsinjektions Vorrichtung (40) verbunden ist, wobei diese Zuführleitung (45) über einen seitlichen, verschließbaren und an einer zweiten Vakuumquelle (47) angeschlossenen Auslass (46) evakuiert werden kann.
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