SI24502A

SI24502A - Postopek izdelave modelov krila vetrnice

Info

Publication number: SI24502A
Application number: SI201300340A
Authority: SI
Inventors: Roman Kogoj
Original assignee: Seaway Yachts, D.O.O.
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-30
Also published as: WO2015057174A1

Abstract

Predloženi izum se nanaša na izdelavo modelov za krila vetrnice za vetrne elektrarne. Postopek obsega 3D računalniško modeliranje designa modela krila vetrnice, pripravo nosilne konstrukcije in izgradnjo jeklenega nosilnega podstavka, izdelavo lesenega ogrodja iz lesnih reber, ki se pritrdijo na nosilno konstrukcijo in je položaj vsakega posameznega rebra točno določen glede na x,y,z koordinate in se rebra pokrije z lesenimi deščicami, da se model popolnoma zapre, mokro laminacijo s plastimi steklenihvlaken, ki se jih prepoji z epoksi smolo, pri čemer se na vrhnji sloj položi plast abrajze, suho laminacijo z infuzijo, ki vključuje nanos plasti balse in plasti steklenih vlaken prepojenih s smolo, pri čemer se za prepajanje s smolo uporabi infuzija, polaganje epoksidne paste, temperaturno obdelavo modela, grobo in fino frezanje epoksidne paste s CNC strojem s pozitivno kompenzacijo za dosego končne 3D površino z ustrezno natančnostjo, pregled in popravilo napak v površini, lasersko meritev površine,zaključevanje in glajenje površine in vakuumski test za ugotavljanje ali model na kakem mestu prepušča zrak.

Description

Predmet izuma

Predmet izuma je postopek izdelave modela za krilo vetrnice, v nadaljevanju vetrnica, pri vetrnih elektrarnah. Na podlagi modela se nato izdela kalup za masovno proizvodnjo vetrnic.

Tehnični problem

Osrednji tehnični problem je, kako tehnološko izdelati model vetrnice, ki bi zagotavljal ustrezno natančnost glede na računalniško 3D geometrijo. Dopustno tolerančno odstopanje je običajno reda 0,5mm pri modelih, ki so daljši kot 20m. Model mora biti izdelan na tak način, da se toleranca med uporabo modela, t.j. pri izdelavi kalupa na podlagi modela, ne poslabšuje. Izbrani materiali in konstrukcija morajo izkazovati zadostno mero robustnosti, tudi zaradi velikih nateznih sil pri transportu in ostalih manipulacijah, hkrati pa morajo biti odporni na temperature, višje od 70°C. Te temperature se namreč sproščajo pri endotermnih procesih pri uporabi paste in smole pri izdelavi modela.

Znano stanje tehnike

Do uvedbe računalniškega 3D modeliranja so se uporabljale vetrnice različnih oblik, posebej značilno pa je bilo, da so bile vetrnice na koncu pravokotno odrezane. Tehnološko je bilo takšno obliko lažje proizvesti, vendar pa je bil končni izkoristek zato nižji od sodobnih modelov. Za samo izdelavo modela vetrnice so se uporabljali dražji in težji materiali, kot na primer les in kovina, ki jih ni bilo mogoče obdelati z natančnostjo, ki jo zahteva sodobna tehnologija.

S sodobnimi modeli za vetrnice, ki jih omogoča računalniško 3D modeliranje, je mogoče takšno načrtovanje oblike vetrnice, ki optimalno izkorišča gibanje vetra. Ustvarjene tlačne razlike in sile na ta način lahko bistveno povečajo izkoristek same vetrne elektrarne in s tem hitreje upravičijo naložbo v obliki povrnjene električne energije.

Rešitev tehničnega problema

Navedeni tehnični problem je bil rešen s postopkom po izumu. Izdelava modela za vetrnico poteka v naslednjih korakih.

3D računalniško modeliranje: pomeni računalniško zasnovo designa modela, ki temelji na numeričnem izračunu najboljšega izkoristka za končno vetrno elektrarno, postavljeno na specifični lokaciji. Prične se v konstrukciji, kjer se 3D geometrije računalniško izrišejo glede na teoretične simulacije vetrnih pogojev. Pri tem se definirajo efektivna površina vetrnice, pomožne prirobnice ter položaj nosilne konstrukcije. Pri večjih vetrnicah, daljših od 20 m, se modeli razkosajo na več krajših enot, ker je potrebno upoštevati logistične omejitve, na primer maksimalna dolžina transporta ter fizične omejitve orodij kot so freza, peč in delavnica.

Izdelava nosilne konstrukcije: nosilna konstrukcija mora biti dovolj toga, da prenese ukrivljanje tako zaradi lastne teže, kot zaradi teže samega modela. Skupne teže lahko variirajo med 3-6 t pri manjših modelih in 6-12 t pri večjih modelih. Nosilna konstrukcija je sestavljena iz horizontalnih prečk, vertikalnih prečk, diagonalnih ojačitev, plošč za pritrditev in niveliranje podstavka, dvižnih rok in opcijsko iz stranskih nastavkov. Za izdelavo nosilne konstrukcijo se uporabljajo votli jekleni kvadratni ali pravokotni profili naslednjih dimenzij: 100/100/3 (100 mm χ 100 mm χ 3 mm debeline), 60/60/3, 50/50/2, 100/60/3 in 100/50/3: za horizontale 100/60/3 ali 100/50/3 pri večjih konstrukcijah, pri manjših in ožjih pa 60/60/3, za vertikale 60/60/3 pri večjih in 50/50/2 pri manjših konstrukcijah, za diagonalne ojačitve 50/50/2. Za plošče za pritrditve in niveliranje podstavka se uporabljajo aluminijaste plošče PL 50x200x12 mm s privarjeno matico M20. Plošče imajo izvrtine Φ17 za pritrditev v tla za nivelirni vijak M20xl00 z jeklenimi sidri M16xl50.

Z vidika preciznosti izdelave končnega modela je odločilno, da je podstavek po vsakem premikanju med različnimi fazami in orodji ustrezno pritrjen v tla ter vodoravno niveliran, kar je izvedeno z laserjem.

Izdelava lesenega ogrodja: leseno ogrodje predstavlja prvi grobi približek končnemu modelu in predstavlja osnovo za nanos paste (fini model). Ogrodje se sestavi iz lesnih reber, ki se jih na podlagi računalniškega 3D modela precizno izrežejo na rezalni napravi. Rebra se z vijaki pritrdijo na nosilno konstrukcijo. Zelo pomembno je, da je položaj vsakega posameznega rebra točno določen glede na x,y,z koordinate, kar se sproti določa z laserjem. Rebra se na koncu pokrije z lesenimi deščicami in se na ta način model popolnoma zapre. Za rebra se uporabi lesne plošče tipa QSB debeline 22,5 mm zaradi večje nosilnosti. Za pokritje reber se uporabi nekoliko tanjše deske tipa QSB debeline 15 mm. Za povezovanje se uporabi ustrezno lepilo.

Mokra laminacija: na leseno ogrodje se najprej položi dve plasti steklenih vlaken in se ju prepoji z epoksi smolo, ki je v ustreznem razmerju zmešana s trdilcem. Na vrhnji sloj steklenih vlaken se položi že plast abrajze (»peel ply«), ki se po laminiranju ali vakuumiranju preprosto odtrga/odstrani, tako da ostane fino hrapava površina za nadaljno obdelavo. Namen mokre laminacije je narediti vakumsko tesnost, to je preprečitev prehoda zraka iz lesenega ogrodja skozi to plast. Vakuumska tesnost se potrebuje kasneje pri izdelavi kalupa na podlagi tega modela - pri kalupu se uporablja postopek infuzije, ki ne bi funkcioniral, če model ne bi bil vakuumsko tesen. Po laminaciji je potrebno počakati vsaj 12 ur, preden se nadaljuje z naslednjo fazo.

Suha laminacija z infuzijo: plast vlaken iz prejšnje faze je pretanka, da bi lahko vzdrževala stabilnost površine glede na geometrijski model. Zato se v površino vgradi plast balse debeline 19,5 mm, ki se jo prekrije z dvema plastema steklenih vlaken, kot na primer EQX 2400 in vse skupaj prepojimo s smolo, v ustreznem razmerju pomešano s trdilcem. Za prepajanje s smolo se uporabi infuzijo. Model se za infuzijo pripravi tako, da se po zgornji (laminirani) površini razporedijo spiralne cevke. Na spiralne cevke so na lm razdaljah povezane vakuumske cevke, ki zagotavljajo dotok smole. Spiralne cevke, povezane z vakuumskimi, se speljejo tudi ob boku modela, s tem da je njihova funkcija izsesavanje zraka s pomočjo vakuumske črpalke. Celoten model se za ta namen prekrije z vakuumsko vrečo in se jo neprodušno zalepi na model. Ob ustvarjanju podtlaka tako smola samodejno pronica skozi položeno balso ter vlakna EQX in na ta način ustvari kvaliteten laminat. V primeru, da vakuumsko tesnenje ni ustrezno izvedeno, se lahko v laminatu pojavijo zračni žepi, ki poslabšajo njegove mehanske lastnosti. Po infuziji je potrebno počakati vsaj 12 ur, preden se nadaljuje z naslednjo fazo.

Polaganje paste: model se pred začetkom te faze znivelira. Epoxidna pasta, ki je pravzaprav kombinacija epoxy smole SC-175 ter epoxy trdilca SC-175 v razmerju 1:1, je material, ki ga je mogoče zelo elegantno oblikovati na natančne dimenzije. Pasto se na model nanese ročno ali strojno s CNC strojem - odvisno od geometrije samega modela. Običajno se večje površine nanaša strojno, zaradi večje hitrosti in natančnosti nanosa, detajle in robove pa potem ročno. Pri tem delovnem postopku je potrebno paziti, kako pasto nanašamo, da ni zračnih mehurjev, da paste ni preveč in da je vedno pravo razmerje med pasto in trdilcem. Pred nadaljno obdelavo je potrebno počakati vsaj 12 ur. Pri nanosu paste je zelo pomembna debelina sloja. Premajhna debelina, pod 4mm, lahko pomeni nevarnost, da se v naslednji fazi sfreza skozi pasto in poškoduje laminat. Prevelika debelina, večja od 30mm, povzroči, da se temperature znotraj paste dvignejo previsoko in poškodujejo model. Poleg tega debelejša pasta lahko pomeni tudi bistveno večji strošek. Kot optimalno se uporablja debelina nanosa med 8 in 20 mm.

Temperaturna obdelava: model se v tej fazi postavi v peč in se ga znivelira. Peč ima možnost programske nastavitve delovne temperature. Model je potrebno izpostaviti temperaturi 80°C za 10 ur. V tem času in pri tej temperaturi se vsi materiali ustrezno utrdijo in stabilizirajo. Ko se bo na podlagi modela izdelal kalup, se bodo temperature namreč dvignile do 60-70°C, zato je potrebno model na te pogoje narediti neobčutljiv. Temperaturno segrevanje mora obvezno potekati postopoma, in sicer v časovnih korakih po 1 uro dvigujemo temperaturo po 10°C (začetna temperatura je 20-30°C), dokler se ne doseže maksimalne temperature 80°C, kjer se model pusti 10 ur. Nato sledi še faza ohlajanja - model se za 80 min izpostavi temperaturi 30°C. Avtomatsko regulirana peč ima svoj notranji senzor temperature. Inštalira se ga na model, skupaj s še dvema senzorjema, priključenima na računalnik, s katerima se grafično spremlja dogajanje v peči.

Frezanje: model se postavi pod frezo in se ga znivelira. CAM oddelek pripravi 3D model za to orodje. Za obdelavo modelov se lahko uporabljajo 3, 4 ali 5 - osne operacije. Model se freza s pozitivno kompenzacijo. Pri izdelavi programov je potrebno paziti, da je orodje odmaknjeno od površine. Pri tem mora biti operater pozoren na premike stroja in na samo frezanje površine. Napaka naprave mora biti nižja od zahtevanih toleranc, in sicer pri vetrnicah pod 0,5 mm. Najprej se pasta sfreza na grobo. Ko je to zaključeno, se preveri, če je bilo paste kje premalo nanešeno in se to popravi. Popravlja se lahko z epoksidno pasto, ali pa z epoksidnim kitom, ki ima hitrejši čas sušenja, vendar se uporablja le za manjše nepravilnosti. Ko se popravki primerno osušijo, se prične fino frezanje.

Popravljanje površin: model se postavi v delavnico in znivelira. Po frezanju se na modelu lahko pojavijo razpoke ali vdrtine, ki jih je potrebno popraviti z ustreznim kitom. Običajno se uporablja Avvlfair D8200, skombiniran s konverterjem D7222. V tej fazi se preveri tudi, če so narejeni vsi markerji.

Lasersko premerjenje površin: površino modela se premeri z laserjem. Meritev se primerja z izvorno 3D shemo in se ugotavlja razlike. Odstopanja smejo biti največ ± 0,5 mm. Manjša odstopanja lahko popravimo v fazah zaključevanja in glajenja. V kolikor so ugotovljene razlike, se model vrne v fazo polaganje paste in proces se ponovi, dokler napake niso odpravljene.

Zaključevanje in glajenje površin: model se nato zbrusi, in sicer najprej z grobim brusnim papirjem granulacije 100. Nato se ga prelakira (za ta postopek uporabljamo Intertherm 228) in na koncu zbrusi še na fino s papirjem granulacije 320.

• «

Vakuumski test: to je končni in obvezni test, ki preveri, ali skozi površino modela kje pronica zrak. Če se to ugotovi, je potrebno take luknjice popraviti s kitom in ponovno zbrusiti. Vakuumski test se izvede tako, da se model prekrije z vakuumskimi vrečami in se jih ob strani neprodušno zalepi. S pomočjo vakumske črpalke se izsesa zrak in se zabeleži začetno vrednost tlaka ob času t = 0. Nato se pusti črpalko v delovajnu še nadaljnih 20 min, in v tem času tlak ne sme pasti za več kot 0,03 bar.

Postopek po izumu je torej značilen po tem, da obsega: 3D računalniško modeliranje designa modela krila vetrnice, pripravo nosilne konstrukcije in izgradnjo jeklenega nosilnega podstavka, izdelavo lesenega ogrodja iz lesnih reber, ki se pritrdijo na nosilno konstrukcijo in je položaj vsakega posameznega rebra točno določen glede na χ,γ,ζ koordinate in se rebra pokrije z lesenimi deščicami, da se model popolnoma zapre, mokro laminacijo s plastimi steklenih vlaken, ki se jih prepoji z epoksi smolo, pri čemer se na vrhnji sloj položi plast abrajze, suho laminacijo z infuzijo, ki vključuje nanos plasti balse in plasti steklenih vlaken prepojenih s smolo, pri čemer se za prepajanje s smolo uporabi infuzija, polaganje epoxidne paste, temperaturno obdelavo modela, grobo in fino frezanje epoxidne paste s CNC strojem s pozitivno kompenzacijo za dosego končne 3D površine z ustrezno natančnostjo, pregled in popravilo napak v površini, lasersko meritev površine, zaključevanje in glajenje površine in vakuumski test za ugotavljanje ali model na kakem mestu prepušča zrak.

Claims

Postopek izdelave modela za krilo vetrnice, označen s tem, da obsega:

- 3D računalniško modeliranje designa modela krila vetrnice;

- pripravo nosilne konstrukcije in izgradnjo jeklenega nosilnega podstavka;

- izdelavo lesenega ogrodja iz lesnih reber, ki se pritrdijo na nosilno konstrukcijo in je položaj vsakega posameznega rebra točno določen glede na x,y,z koordinate in se rebra pokrije z lesenimi deščicami, da se model popolnoma zapre;

- mokro laminacijo s plastimi steklenih vlaken, ki se jih prepoji z epoksi smolo, pri čemer se na vrhnji sloj položi plast abrajze;

- suho laminacijo z infuzijo, ki vključuje nanos plasti balse in plasti steklenih vlaken prepojenih s smolo, pri čemer se za prepajanje s smolo uporabi infuzija;

- polaganje epoxidne paste;

- temperaturno obdelavo modela;

- grobo in fino frezanje epoxidne paste s CNC strojem s pozitivno kompenzacijo za dosego končne 3D površine z ustrezno natančnostjo;

- pregled in popravilo napak v površini;

- laserska meritev površine

- zaključevanje in glajenje površine;

- vakuumski test za ugotavljanje ali model na kakem mestu prepušča zrak.