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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundstoffe, insbesondere härtbare Prepregs und Semipregs und insbesondere solche, die Verwendung in gewerblichen Anwendungen, insbesondere in Windenergieanwendungen wie Rotorblätter von Windturbinen finden. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bereitstellung von Prepregs und Semipregs mit hohem Faser-Flächengewicht, die in Maschinen für automatische Verarbeitung verarbeitet werden können und die kein Auflegen per Hand erfordern, wenn sie geformt und gehärtet werden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung solcher härtbarer Prepregs und Semipregs und auf Verfahren für die Herstellung von Gegenständen daraus und die hergestellten Gegenstände, insbesondere Gegenstände mit einer hohen Faserbeladung.
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Hintergrund
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Verbundstoffe haben gut dokumentierte Vorteile gegenüber traditionellen Werkstoffen; insbesondere gewährleisten sie ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei sehr niedrigen Materialdichten. Das hat dazu geführt, dass sich die Verwendung derartiger Materialien zunehmend weiter verbreitet und ihre Anwendungsgebiete von „industriell” und „Sport und Freizeit” bis zu Raumfahrtkomponenten für hohe Anforderungen reichen. Faserverstärkte gehärtete Harze sind Beispiele derartiger Materialien, wobei Natur und Typ der Faser, die Menge an Fasern und die Natur des Harzes entsprechend der Anwendung gewählt werden. Industrielle Anwendungen erfordern hohe Festigkeit und können hohe Faserbeladungen erfordern, was die Verarbeitung in Maschinen für automatische Verarbeitung schwierig, wenn nicht gar unmöglich machen kann.
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Pregpregs, welche eine Faseranordnung umfassen, die mit einem Harz wie einem Epoxyharz imprägniert worden ist, werden weitverbreitet bei der Erzeugung derartiger Verbundstoffe verwendet. Typischerweise wird eine Anzahl von Lagen solcher Prepregs wie gewünscht in eine Form „eingelegt” bzw. „aufgelegt”, und der resultierende Stapel von Pregregs wird gehärtet, wobei er typischerweise erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, um ein gehärtetes Verbundlaminat herzustellen. Automatisierte Verfahren für das Auflegen und Härten solcher Prepregs sind verfügbar.
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Ein besonderer Typ von Prepreg ist das sogenannte Semipreg, welches eine Faseranordnung beinhaltet, die nur teilweise mit Harz imprägniert worden ist, so dass ein Teil der Faseranordnung in einem „trockenen” Zustand belassen wird.
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Semipregs können zu geringerer Porosität in dem endgültigen gehärteten Verbundstoff führen, da die trockenen Regionen einen Durchgang bilden, durch den eingeschlossene Luft aus dem Laminat entkommen kann. Das ist besonders wichtig bei Windenergie-Anwendungen, bei denen Kostenbeschränkungen im Allgemeinen verlangen, dass das Formen und Härten außerhalb eines Autoklaven und bei geringeren Drucken stattfindet.
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In typischen, automatisierten Auflege-Maschinen, die Prepregs oder Semipregs auflegen, werden die Prepregs oder Semipregs automatisch einer Stelle zugeführt, an der sie in einem Stapel angeordnet und durch die Anwendung von Hitze und Druck kondensiert werden. Damit der Stapel unter automatisierten Verarbeitungsbedingungen adequat geformt wird, ist es wichtig, dass die Prepregs oder Semipregs nicht an der Zuführvorrichtung haften, und dass sie keine Ablagerungen von faserförmigen Bruchstücken auf der Zuführvorrichtung bilden. Gleichzeitig müssen die Prepregs oder Semipregs ausreichend Harz enthalten, um das Imprägnieren der Fasern während des Härtens zu erlauben, und auch ausreichend Fasern bereitstellen, um die benötigte Festigkeit in dem fertigen gehärteten Gegenstand zu gewährleisten. Bis heute ist das schwierig im Allgemeinen und besonders schwierig bei der Verarbeitung von Semipregs und Prepregs mit hohem Fasergehalt für die Herstellung von Industriematerialien mit hoher Festigkeit wie Strukturen von Windturbinen wie beispielsweise Rotorblätter und Holme derselben.
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Eine übliche Semipreg-Anordnung besteht darin, dass man eine Schicht aus härtbarem Harz in Kontakt mit einer oder zwei benachbarten Schichten aus Fasern hat, die im Wesentlichen trocken bleiben, wobei nur sehr wenig Harz in die benachbarten Fasern wandert. Derartige Semipregs finden insbesondere Anwendung als Schichten für die Formung von Teilen von großen lasttragenden Strukturen, beispielsweise Holmen für Windturbinenrotorblätter. Eine andere übliche Anordnung besteht darin, dass das härtbare Harz in Kontakt mit einer benachbarten Schicht von im Wesentlichen trockenen Fasern und einer weiteren benachbarten Schicht von harzimprägnierten Fasern ist. Bei hohen Faserbeladungen ist es in der industriellen Verarbeitung notwendig gewesen, die Schichten von Hand aufzulegen.
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Eine übliche Faseranordnung ist gewebt, biaxial oder triaxial, da eine solche Überlappung und Interaktion der Fasern hilft, die Integrität des Semipreg zu erhalten. Bei Windenergieanwendungen ist es üblich, dass die Faserschichten ein hohes Gewicht aufweisen, beispielsweise 600 g/m2 Schicht oder typischer von 600 g/m2 bis 1500 g/m2. Derartige Semipregs werden jedoch typischerweise per Hand aufgelegt, da sie in bekannten Typen von automatisierten Auflegeapparaten schwer zu verarbeiten sind. Das ist so, weil sich solche Anlagen darauf stützen, dass ein gewisser Grad an Haftung zwischen den Lagen in dem Stapel vorhanden ist, so dass das gerade verarbeitete Material abgelegt werden kann und an der darunterliegenden Oberfläche haftet. Semipregs sind außen trocken, und so scheinen sie nicht in der Lage zu sein, durch bekannte Verfahren automatisch aufgelegt zu werden, da ihnen die notwendige Oberflächenklebrigkeit fehlt. Wenn andererseits Prepregs oder Semipregs mit ausreichender Oberflächenklebrigkeit verwendet werden, können sie an der Vorrichtung für die automatische Verarbeitung haften und darauf Ablagerungen bilden.
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Weiterhin neigen solche Semipregs, insbesondere die Varianten mit hohem Gewicht (diejenigen mit hohem Fasergehalt), die in industriellen Anwendungen wie Strukturen für Windturbinen verwendet werden, dazu, in hohem Maße Fussel aus zerbrochenen Fasern zu bilden, die sich in jedem automatisierten Apparat ansammeln können, und die Verarbeitungsprobleme und Defekte im Endprodukt verursachen können. Das ist insbesondere bei gewebten oder anderen überlappenden Faseranordnungen der Fall.
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Es ist deshalb hochgradig erwünscht, ein Verfahren zum automatischen Ablegen von Semipregs zu entwickeln, insbesondere der Varianten mit hohem Gewicht, die in industriellen Anwendungen wie Strukturen für die Windenergie verwendet werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft daher eine Struktur oder ein Laminat, das für automatisches Auflegen geeignet ist und eine Kernschicht umfasst, die eine faserförmige Verstärkungsschicht und ein härtbares Harz umfasst, wobei die Schicht auf mindestens einer Oberfläche mit einer äußeren Schicht versehen ist, die im Wesentlichen frei von härtbarem Harz (d. h. im Wesentlichen nicht harzimprägniert) ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die faserförmige Verstärkungsschicht auf beiden Oberflächen mit einer Schicht versehen, die im Wesentlichen frei von härtbarem Material ist.
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Der Begriff „geeignet für automatisches Auflegen” bedeutet, dass die Struktur oder das Laminat ein Zwischenprodukt ist, welches anschließend in einer automatisierten Anlage für die Herstellung von faserverstärkten Gegenständen verarbeitet werden kann. Die Struktur oder das Laminat ist besonders geeignet für automatisches Stapeln der Strukturen oder Laminate und Härten des Stapels, um den gewünschten faserverstärkten Gegenstand herzustellen. Daher betrifft die Erfindung die Herstellung einer Struktur oder eines Laminats, das die Probleme vermeidet, die mit der automatischen Verarbeitung von faserförmigen Strukturen, insbesondere von Prepregs und Semipregs mit hoher Faserbeladung, verbunden sind.
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Für die automatische Auflegung kann die Struktur oder das Laminat in Abschnitte von gewünschter Größe geschnitten und automatisch gestapelt und gehärtet werden.
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Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung sind die äußere Schicht oder Schichten, die im Wesentlichen frei von härtbarem Harz sind, poröse Schichten, und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind sie faserförmige Schichten, die gewebt oder nicht gewebt sein können.
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Gemäß einem anderen bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung sind die Fasern in der faserförmigen Verstärkungsschicht der Struktur oder des Laminats gemäß der Erfindung unidirektional, obwohl die Erfindung auch mit anderen Faserorientierungen verwendet werden kann.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein härtbares Semipreg-Material, das eine Schicht aus im Wesentlichen nicht fließfähigen härtbaren Harz und eine Schicht aus im Wesentlichen nicht mit Harz imprägnierten unidirektionalen Fasern umfasst, wobei das Prepreg auf einer äußeren Oberfläche eine Schicht aus porösem, bogenförmigen Material aufweist.
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Ein solches Semipreg kann erfolgreich unter Verwendung bekannter automatisierter Auflegemethoden und Apparate, wie sie für Prepregs verwendet werden, automatisch aufgelegt werden. Die Verwendung von unidirektionalen Fasern ist bevorzugt, da diese weniger die Tendenz haben, Fusseln zu erzeugen. Weil die Fasern nicht überlappen, hat die Anwesenheit der äußeren Schicht, die vorzugsweise eine poröse Schicht ist, den zusätzlichen Vorteil, dass sie hilft, die Orientierung der Fasern und die Integrität des Semipregs zu erhalten.
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Obwohl das Semipreg an seiner Außenseite trocken ist, wenn es dem automatisierten Auflege-Apparat zugeführt wird, hat sich herausgestellt, dass, wenn es zum Kopf des automatisierten Auflegeapparats geleitet wird, die Anwendung von Wärme verwendet werden kann, um das Harz zu veranlassen, fließfähig zu werden und durch eine oder beide der äußeren Oberflächenschichten zu wandern und dadurch die notwendige Klebrigkeit zum Zeitpunkt des Auflegens des Semipregs einzuführen, um automatisches Bearbeiten zu erlauben.
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Der Begriff „im Wesentlichen nicht fließfähig” bedeutet, dass das Harz bei Raumtemperatur im Wesentlichen an seinem Platz bleibt, und es nicht wesentlich in die benachbarten Fasern hineinwandert. Der Begriff „im Wesentlichen nicht mit Harz imprägniert” bedeutet, dass die Fasern mit Ausnahme derjenigen, die in direktem Kontakt mit der Harzschicht sind, im Wesentlichen harzfrei mit sehr wenig Harz-Imprägnierung sind.
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Innerhalb der faserförmigen Verstärkungsschicht wird es typischerweise einen gewissen Grad an Harzimprägnierung geben, obwohl es bevorzugt ist, dass nicht mit Harz imprägnierte Fasern in Kontakt mit der äußeren Schicht sind, die vorzugsweise ein poröses bogenförmiges Material ist.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines härtbaren Semipreg- oder Prepreg-Materials, wobei das Verfahren die Stufe des Herstellens eines Bogens auf porösem Material mit daraufgelegten Fasern, vorzugsweise unidirektionalen Fasern, und das Bereitstellen einer Schicht von im Wesentlichen nicht fließendem härtbaren Harz, wobei das poröse Material auf einer äußeren Oberfläche ist, und das Zusammenpressen der Schichten, um ein härtbares Semipreg zu bilden, umfasst. In dem härtbaren Prepreg oder Semipreg bleibt nach dem Pressvorgang das poröse Material nicht mit Harz imprägniert.
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Die Fasern, vorzugsweise die unidirektionalen Fasern, können eine kontinuierliche Schicht bilden, die viele Fasern tief ist und im Wesentlichen die gesamte äußere Schicht, beispielsweise ein poröses Material, bedeckt. In einer bevorzugten Anordnung sind jedoch die unidirektionalen Fasern, beispielsweise auf dem porösen Material, als eine Vielzahl von Längsstreifen angeordnet, die voneinander durch einzelne Lücken getrennt sind.
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Dementsprechend betrifft die Erfindung gemäß einem dritten Gesichtspunkt einen Bogen aus porösem Material mit einer daraufgelegten Vielzahl von Streifen aus unidirektionalen Fasern.
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Unidirektionale Fasern werden typischerweise als Seil von mehreren tausend Fasern bereitgestellt und können für einfache Handhabung auf eine Spule aufgewickelt sein. Das Seil kann zum Beispiel 12000 Filamente oder Fasern umfassen und einen annähernd rechteckigen Querschnitt haben. Wenn das Seil auf eine Spule aufgewickelt ist, sind viele tausend Meter Länge möglich.
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Bei einem besonders zweckmäßigen Verfahren werden die Streifen aus unidirektionalen Fasern bereitgestellt, indem man eine Vielzahl von Seilen aus unidirektionalen Fasern auf einer Oberfläche der äußeren Schicht, beispielsweise eines porösen Materials, ablegt.
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Die Streifen aus unidirektionalen Fasern haben typischerweise dieselbe Breite, und die Breite ist vorzugsweise nicht größer als 60 mm, insbesondere nicht größer als 30 mm und am meisten bevorzugt nicht größer als 15 mm.
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Das erfindungsgemäße Semipreg umfasst vorzugsweise eine zweite Schicht aus Fasern, vorzugsweise unidirektionalen Fasern. Bei dieser Ausführungsform sind die Fasern in den zwei Schichten vorzugsweise so ausgerichtet, dass sie in derselben Richtung unidirektional sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Schicht aus Fasern im Wesentlichen nicht mit Harz imprägniert und steht typischerweise in Kontakt mit einer zweiten äußeren Schicht, beispielsweise einem zweiten porösen Bogenmaterial, das auf der anderen äußeren Oberfläche des Semipregs angeordnet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Schicht aus Fasern mit Harz imprägniert sein.
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Vorzugsweise werden sowohl die erste als auch die zweite Schicht aus Fasern als eine Vielzahl von Längsstreifen bereitgestellt, die voneinander durch eine diskrete Lücke getrennt sind. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Streifen in jeder Schicht übereinstimmend mit einem entsprechenden Streifen in der anderen Schicht ausgerichtet sind, so dass das gebildete Semipreg gegenüberliegende Streifen von übereinstimmend ausgerichteten Fasern und diskrete Lücken zwischen den benachbarten Streifen von Fasern aufweist.
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Die Schicht aus im Wesentlichem nicht fließendem härtbaren Harz kann mit der Schicht oder den Schichten aus faserförmigem Verstärkungsmaterial auf verschiedene Weisen in Kontakt gebracht werden. Seine nicht fließende Natur bei Raumtemperatur kann jedoch Schwierigkeiten bei der Verarbeitung verursachen. Bei einem bevorzugten Verfahren wird das im Wesentlichen nicht fließende, härtbare Harz auf eine Temperatur erhitzt, bei der es fließfähig wird, und es wird dann auf den Bogen oder die Bögen aus faserförmigem Verstärkungsmaterial in konventioneller Weise aufgebracht, beispielsweise durch Übertragung von Walzen.
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Bei einem bevorzugten Verfahren wird das erhitzte Harz jedoch zu gekühlten Walzen geleitet, durch welche mindestens ein Bogen, der faserförmige Verstärkung umfasst, und die äußere Schicht geleitet wird. Das Harz fließt also auf den Bogen, aber es wird gleichzeitig auf eine Temperatur gekühlt, bei der es im Wesentlichen nicht fließend ist. Dies begrenzt die Imprägnierung jeglicher Fasern auf dem Bogen oder den Bögen in der faserförmigen Verstärkungsschicht auf das Maß, das notwendig ist, um das Harz an die Fasern zu binden und vermeidet übermäßige Imprägnierung der äußeren Schicht oder Schichten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die äußere Schicht, beispielsweise ein Bogen aus porösem Material mit daraufgelegten Fasern, und das im Wesentlichen nicht fließende Harz gleichzeitig durch ein Paar von Walzen geleitet. Diese Walzen können auch den Druck liefern, der benötigt wird, um ein erfindungsgemäßes zusammenhängendes Semipreg herzustellen. Die Bedingungen auf den Walzen können derart sein, dass das Harz die Fasern imprägniert, aber die äußere Schicht, beispielsweise das poröse Material, im Wesentlichen nicht mit Harz imprägniert belässt.
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Bei der Ausführungsform, bei der das Semipreg zwei äußere Bögen aus porösem Material umfasst, werden vorzugsweise beide Bögen, das faserförmige Material und das im Wesentlichen nicht fließende Harz gleichzeitig durch das Walzenpaar geleitet. Das Harz kann an einer Stelle zwischen den Bögen unter Bedingungen zugeführt werden, dass es das faserförmige Material ohne signifikanten Kontakt mit den äußeren Schichten kontaktiert.
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Wenn das erfindungsgemäße Semipreg hergestellt worden ist, kann es auf einen Kern gerollt werden, um ein lagerstabiles Semipreg zu bilden, das als Einsatzmaterial in einen automatischen Auflegeapparat eingesetzt werden kann, wie beispielsweise denjenigen, die üblicherweise für automatisches Auflegen von Prepregs verwendet werden.
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Oft ist es jedoch erwünscht, viel schmalere Bögen des Materials zu haben. Wenn beispielsweise eine Struktur aufgebaut wird, die einen hohen Grad an Krümmung aufweist, können sich breite Bögen des Materials bei dem Versuch, es an solche Bereiche starker Krümmung anzupassen, kräuseln und Falten werfen. Schmalere Streifen des Materials können sich Bereichen mit starker Krümmung anpassen, ohne unter solchen Schwierigkeiten zu leiden.
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Wenn das erfindungsgemäße Semipreg oder Prepreg hergestellt worden ist, kann es demgemäß in eine Vielzahl von Streifen geschnitten werden, bei denen die Fasern unidirektional sind, und die Schnitte übereinstimmend mit der Richtung der Ausrichtung der Fasern ausgerichtet sind.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Semipreg unidirektionale Fasern, die in einer Vielzahl von Streifen (mit entweder einer oder zwei Schichten) angeordnet sind, und die Schnitte sind so positioniert, dass sie in Übereinstimmung mit den Kanten von jedem Streifen aus Fasern ausgerichtet sind. Dies erzeugt eine Vielzahl von Streifen des Semipreg, und das Material in den Lücken zwischen den Streifen kann als Abfall verworfen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das erfindungsgemäße Semipreg einen rechteckigen Querschnitt mit einer gut definierten Breite und Dicke. Weil solch ein Semipreg durch Abschneiden von einem breiteren Bogen hergestellt worden ist, hat jede Schicht in dem Prepreg dieselbe Breite, wodurch der rechteckige Querschnitt geliefert wird.
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Typischerweise ist die Breite nicht größer als 60 mm, vorzugsweise nicht größer als 30 mm, insbesondere nicht größer als 15 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 60 mm.
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Wenn die schmalen Streifen des Semipregs hergestellt worden sind, können sie auf ein Kernmaterial gewickelt werden, beispielsweise durch Aufwickeln, und die trockene Beschaffenheit des Äußeren verhindert, dass benachbarte Schichten zusammenhaften.
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Wie oben angesprochen, hilft das äußere Material, welches vorzugsweise ein Bogen aus porösem Materialbögen ist, die Integrität des Semipregs aufrecht zu erhalten, indem es eine kontinuierliche Oberfläche auf Außenseiten des Semipregs bereitstellt.
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Wenn die äußere Schicht ein poröses Material ist, sind die Bögen aus porösem Material typischerweise ein zusammenhängender Bogen, der durch miteinander verbundene und/oder überlappende Fasern zusammengehalten wird. Solche Fasern können gewebt, gestrickt oder zufällig verteilt, zum Beispiel wasserstrahlverfestigtes Fleece- oder Garngelege, obwohl nicht gewebt, z. B. zufällig verteilt bevorzugt ist. Solch ein Bogen wird im Stand der Technik oft als Schleier bezeichnet.
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Solch ein poröser Bogen kann durch den Grad der Offenheit des Bogens gekennzeichnet werden, d. h. durch den Prozentsatz eines durchschnittlichen Oberflächenbereichs des Bogens, der aus offenen Löchern in dem Bogen besteht. Die porösen Bögen der vorliegenden Erfindung haben typischerweise einen Grad der Offenheit von 10% bis 70%, vorzugsweise von 20% bis 80%, insbesondere von 30% bis 70%. Dies hilft dabei, einen Leichtgewichtsbogen beizubehalten und erlaubt den freien Durchgang des Harzes.
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Das Material des porösen Materials kann aus einem großen Bereich von Materialien ausgewählt werden, beispielsweise Polyamiden (PA: PA6, PA12, PA11, PA6,6, PA6,10, PA6,12 usw.), Copolyamiden (CoPA), Ether- oder Ester-Blockpolyamiden (PEBAX, PEBA), Polyphthalamid (PPA), Polyestern (Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT)), Copolyestern (CoPE), thermoplastischen Polyurethanen (TPU), Polyacetalen (Polyoxymethylen, POM), Polyolefinen (Polypropylen (PP), Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), lineares Polyethylen mit niedriger Dichte (LLDPE)), Polyethersulfonen (PES), Polysulfonen (PSU), Polyphenylensulfonen (PPSU), Polyetherketonen (PEEK), Polyetherketonketonen (PEKK), Poly(phenylensulfaten) (PPS) oder Polyetherimiden (PEI), thermoplastischen Polyimiden, flüssigkristallinen Polymeren (LCP), Phenoxy-Harzen, Blockcopolymeren wie Styrol-Butadienmethylmethacrylat-Copolymeren (SBM), Methylmethacrylat-Acrylat- oder Butylmethylmethacrylat-Copolymeren (MAM), oder eine Mischung aus Fasern, die aus diesen thermoplastischen Materialien zusammengesetzt ist.
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Es ist nicht beabsichtigt, dass die Bögen aus porösem Material von dem Semipreg entfernt werden, und sie bleiben somit am Ort während des Auflegens und Härtens, wobei sie Teil der am Ende erhaltenen Verbundstruktur werden.
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Die erfindungsgemäßen Semipregs sind für viele verschiedene Anwendungen geeignet, und sie können je nachdem ziemlich schwer oder leicht sein. Die Erfindung ist jedoch besonders geeignet für schwere Anwendungen, beispielsweise für Semipregs, die für die Herstellung von Strukturen für die Windenergie geeignet sind, die dazu neigen, schwerer zu sein, und die vorzugsweise ein Gewicht von 400 bis 1800 g/m2, insbesondere von 800 bis 1500 g/m2 haben.
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Die unidirektionalen Fasern können gerissene (d. h. durch Strecken gebrochene), selektiv diskontinuierliche oder kontinuierliche Fasern umfassen, obwohl diese vorzugsweise kontinuierlich sind.
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Die Strukturfasern können aus vielen verschiedenen Materialien gemacht werden, beispielsweise aus Kohlenstoff, Graphit, Glas, metallisierten Polymeren, Aramid und Mischungen derselben. Kohlenstoff- und Glasfasern sind bevorzugt.
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Das härtbare Harz kann z. B. ausgewählt sein aus Epoxy-, Isocyanat- und Säureanhydrid-Harzen. Vorzugsweise ist das härtbare Harz ein Epoxyharz.
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Geeignete Epoxyharze können monofunktionelle, difunktionelle, trifunktionelle und/oder tetrafunktionelle Epoxyharze umfassen.
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Geeignete difunktionelle Epoxyharze schließen beispielsweise diejenigen ein, die basieren auf: Diglycidyl Ether von Bisphenol F, Diglycidylether von Bisphenol A (ggf. bromiert), Phenol- und Cresol-Epoxynovolaken, Glycidylethern von Phenol-Aldehyd-Addukten, Glycidylethern von aliphatischen Diolen, Diglycidylether, Diethylenglycol-Diglycidylether, aromatischen Epoxyharzen, aliphatischen Polyglycidylethern, epoxidierten Olefinen, bromierten Harzen, aromatischen Glycidylaminen, heterocyclischen Glycidylimidinen und -amiden, Glycidylethern, fluorierten Epoxyharzen, Glycidylestern und jegliche Kombinationen derselben.
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Difunktionelle Epoxyharze können vorzugsweise ausgewählt sein aus Diglycidylether von Bisphenol F, Diglycidylether von Bispenol A, Diglycidyldihydroxynaphthalin oder jeglichen Kombinationen derselben.
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Geeignete trifunktionelle Epoxyharze schließen z. B. diejenigen ein, die basieren auf Phenol- und Kresol-Epoxy-Novolaken, Glycidylethern von Phenol-Aldehyd-Addukten, aromatischen Epoxyharzen, aliphatischen Triglycidylethern, dialiphatischen Triglycidylethern, aliphatischen Polyglycidylethern, epoxidierten Olefinen, bromierten Harzen, Triglycidylaminophenylen, aromatischen Glycidylaminen, heterocyclischen Glycidyliminen und -amiden, Glycidylethern, fluorierten Epoxyharzen oder jeglichen Kombinationen derselben.
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Geeignete tetrafunktionelle Epoxyharze schließen ein N,N, N'N'-Tetraglycidyl-m-xyloldiamin (im Handel erhältlich von Mitsubishi Gas Chemical Company unter dem Namen Tetrat-X und als Erisys GA-240 von CVC Chemicals) und N,N, N',N'-Tetraglycidylmethylendianilin (z. B. MY721 von Huntsman Advanced Materials).
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Das härtbare Harz kann auch ein oder mehrere Härtungsmittel umfassen. Geeignete Härtungsmittel schließen ein Anhydride, insbesondere polycarboxylische Anhydride; Amine, insbesondere aromatische Amine, z. B. 1,3-Diaminobenzol, 4,4'-Diaminodiphenylmethan und insbesondere die Sulphone, z. B. 4,4'-Diaminodiphenylsulphon (4,4'-DDS) und 3,3'-Diaminodiphenylsulphon (3,3'-DDS) und die Phenol-Formaldehydharze. Bevorzugte Härtungsmittel sind die Aminosulphone, insbesondere 4,4'-DDS und 3,3'-DDS.
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Wie oben angesprochen, sind die Semipregs der vorliegenden Erfindung geeignet, mit einem automatisierten Legeapparat abgelegt zu werden.
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Gemäß einem vierten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung daher ein Verfahren zum Ablegen von einer kontinuierlichen Länge von Semipreg wie hier definiert auf einem Substrat mittels eines automatisierten Legeapparats.
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Wie oben angesprochen, sind die Semipregs der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Bildung von Strukturkomponenten einer Windturbine geeignet. Vorzugsweise wird das Semipreg niedergelegt, um eine Strukturkomponente einer Windturbine zu formen.
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Die geformten Strukturen werden typischerweise dadurch gehärtet, dass sie erhöhter Temperatur ausgesetzt werden. Eine geeignete Härtungsmethode beinhaltet die sogenannte Vakuumbeutel-Technik. Diese beinhaltet, dass die Komponente in einem luftdichten Beutel platziert und ein Vakuum gezogen wird, um eine Kompressionskraft von bis zu Atmosphärendruck zu induzieren.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezug auf die folgenden Figuren erläutert, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens ist;
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3 eine perspektivische repräsentative Ansicht eines Teils eines Bogens aus porösem Material mit einer daraufgelegten Vielzahl von Streifen von unidirektionalen Fasern gemäß der Erfindung ist;
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4 eine perspektivische repräsentative Ansicht eines erfindungsgemäßen, härtbaren Semipreg-Materials ist.
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Wir wenden uns den Figuren zu; 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren. Eine Vielzahl von Kohlefaserseilen (10) werden von einem (nicht gezeigten) Spulengestell zugeführt, welches eine Vielzahl von (nicht gezeigten) Spulen umfasst, von denen jede jeweils ein Seil (10) trägt. Ein kontinuierlicher Bogen aus porösem Material (12) wird mit den Seilen (10) so in Kontakt gebracht, dass diese auf dem porösen Bogen parallel zueinander und gleich voneinander beabstandet niedergelegt werden. Die zwei porösen Bögen 12 mit den daraufgelegten unidirektionalen Fasern werden dann gleichzeitig zu einem Paar von Walzen (16) geleitet. Es wird sorgfältig darauf geachtet zu gewährleisten, dass die Streifen aus Fasern auf jedem der porösen Bögen in Übereinstimmung mit einem gegenüberliegenden Streifen aus Fasern ausgerichtet sind.
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Es wird auch eine Zufuhr von erhitztem, härtbaren Harz (18) bereitgestellt, welches den Walzen (16) gleichzeitig mit den porösen Bögen zugeführt wird. Die Walzen (16) werden auf unter Raumtemperatur gekühlt, so dass das erhitzte härtbare Harz (18) beginnt sich abzukühlen, sobald es auf die Bögen aus porösem Material trifft. Dieses Abkühlen bewirkt, dass das Harz im Wesentlichen nicht fließfähig wird und gemäß einer Sandwich-Struktur in der Mitte zwischen den beiden Bögen bleibt. Bevor es den im Wesentlichen nicht fließfähigen Zustand erreicht, imprägniert ein wenig Harz die Fasern, die dem Harz am nächsten sind, wodurch eine Bindung zwischen dem Harz und den Fasern entsteht.
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Die Bögen (14) und das Harz (18) werden durch die Walzen (16) leicht zusammengedrückt, um ein erfindungsgemäßes Semipreg herzustellen.
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Dann wird das Semipreg zu einer Abschneidstelle (20) geleitet, wo Abschneider angeordnet sind, um das Semipreg entlang der Kanten von jedem Streifen aus Fasern abzuschneiden.
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Dadurch wird erfindungsgemäß eine Vielzahl von dünneren Streifen aus Semipreg 22 hergestellt. Die Bereiche aus porösem Material und Harz, die sich zwischen den parallelen Streifen aus Fasern befinden, werden als Abfall verworfen.
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2 zeigt ein Verfahren, das dem in 1 gezeigten ähnlich ist. Dieselben Bezugszeichen sind verwendet worden, wenn dieselben Verfahrensmerkmale eingesetzt werden.
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Bei diesem Verfahren wird nur ein poröses Material (12) verwendet, wobei das andere durch ein konventionelles Abdeckpapier (24) mit einem darauf beschichteten härtbaren Harz ersetzt wird. Wenn das Harz mit der Vielzahl von Seilen (10) aus Fasern in Kontakt kommt, werden diese mit dem Harz imprägniert, um einen Bogen aus Abdeckpapapier mit einer Vielzahl von Harz-imprägnierten Streifen aus unidirektionalen Fasern (26) zu bilden.
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Die Bögen (14) und (26) werden zu gekühlten Walzen (16) geleitet, und Harz (18) wird, wie oben, zwischen die Bögen eingeführt. Nach den Walzen wird das Papier (28) unter Zurücklassen einer klebrigen Harzoberfläche entfernt. Das so hergestellte Semipreg hat also eine trockene Oberfläche, die durch das poröse Material geliefert wird, und eine klebrige Oberfläche, die durch die Harz-Oberfläche gebildet wird. Das asymmetrische Semipreg wird dann zu der Abschneidstelle (20) geleitet, um, wie oben, eine Vielzahl von Streifen aus Semipreg (30) herzustellen.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bogens aus porösem Material (14) mit einer daraufgelegten Vielzahl von Streifen aus unidirektionalen Fasern. Wie ersichtlich, hat das poröse Material (32) eine daraufgelegte Vielzahl von Streifen aus unidirektionalen Fasern (34), die parallel zueinander angeordnet sind und jeweils dieselbe Breite haben, beispielsweise 1,5 mm, 6,35 mm, 12,7 mm, 25,4 mm, 75 mm, 150 mm, 300 mm, 600 mm oder 1200 mm. Die Fasern sind so angeordnet, dass sie parallel zur Länge des Streifens (34) sind. Wie ersichtlich, sind die Streifen (34) durch gleichmäßig beabstandete Lücken getrennt.
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4 ist eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Streifens aus Semipreg (22), wie er durch das in 1 gezeigte Verfahren hergestellt werden kann.
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Der Streifen (22) hat einen gut definierten rechteckigen Querschnitt, obwohl er aus einer Anzahl Schichten aufgebaut ist. Der Querschnitt kann beispielsweise eine Breite von 1,5 mm, 6,35 mm, 12,7 mm, 25,4 mm, 75 mm, 150 mm, 300 mm, 600 mm oder 1200 mm haben. Der Streifen (22) umfasst zwei äußere Bögen (36) aus porösem Material, zwei Schichten aus im Wesentlichen nicht mit Harz imprägnierten unidirektionalen Fasern (38) und eine zentrale Schicht aus im Wesentlichen nicht fließfähigem, härtbaren Harz (40).
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Eine Länge des Streifens (22) kann auf eine Spule zu einer aufgewickelten Anordnung aufgewickelt werden. Die Rolle kann dann in eine automatisierte Legemaschine eingesetzt werden, die mit einer Heizvorrichtung nahe des Kopfes ausgestattet ist. Während des automatisierten Auflegens verursacht die Heizvorrichtung, dass das Harz fließfähig wird, so dass es die Klebrigkeit liefert, welche für erfolgreiche Haftung des Semipregs auf dem Substrat nötig ist.
