(57)【要約】【課題】少なくとも２つのエレメントが繊維強化プラスチック構造体の形状を構成するのに使用される繊維強化プラスチック構造体及び繊維強化プラスチック構造体を製造する方法。【解決手段】２つの隣接した前記エレメントは、施与された接着剤又は樹脂によりその接触面を介して接合される。接着剤又は樹脂が前記エレメントを接合するのに使用される前に、マットは、接触面の間に位置している。マットは、ランダムに配向されたチョップドファイバーを含んでなる。【選択図】図３
2011042170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化プラスチック構造体であって、
・前記構造体が、前記構造体の形状を構成するのに使用される少なくとも２つの単一エレメントを含んでなり、
・２つの隣接した前記エレメントが、施与された接着剤又は樹脂によりその接触面を介して接合されており、
以下のことを特徴とする：
・接着剤又は樹脂が前記エレメントを接合するのに使用される前に、マットが接触面の間に位置しており、かつ
・マットが、ランダムに配向されたチョップドファイバーを含んでなる、
繊維強化プラスチック構造体。
【請求項２】
樹脂が、接着剤として、真空補助レジントランスファー法を用いてマットに施与されている、請求項１記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項３】
マットの繊維が、熱硬化性エポキシ樹脂に含浸された積層体から製造されており、そして前記樹脂が、所定の温度で硬化するものである、請求項１又は請求項２記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項４】
マットの繊維が、ガラス製又は炭素製である、請求項１記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項５】
繊維が、５mmから５０mまでの個々の長さを有する、請求項１記載の繊維強化プラスチック構造体。
【請求項６】
・少なくとも２つのエレメントを、繊維強化プラスチック構造体を構成するのに使用し、
・２つの隣接した前記エレメントを、施与された接着剤又は樹脂によりその接触面を介して接合する
ことによる繊維強化プラスチック構造体を製造する方法であって、
・マットを、樹脂又は接着剤を用いてエレメントを接合するのに使用し、そして接着剤又は樹脂が使用される前に、マットが、接触面の間に位置しており、かつ
・マットが、ランダムに配向されたチョップドファイバーを含んでなる
ことを特徴とする、繊維強化プラスチック構造体を製造する方法。
【請求項７】
真空補助レジントランスファー法を、接着剤として樹脂をマットに施与するのに使用する、請求項６記載の方法。
【請求項８】
マットの繊維が、熱硬化性エポキシ樹脂に含浸された積層体から製造されており、そして前記樹脂が、所定の温度で硬化するものである、請求項６記載の方法。
【請求項９】
マットの繊維が、ガラス製又は炭素製である、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
繊維が、５mmから５０mまでの個々の長さを有する、請求項６記載の方法。
【請求項１１】
・繊維強化プラスチック構造体を、風力タービンのブレードを構成するのに使用し、
・そして繊維強化プラスチック構造体が、予備注型されたビーム及び少なくとも２つの予備注型されたブレードシェルを含んでなり、
・そしてマットが、前記ブレードシェルの間及びビームとブレードシェルとの間に位置しており、
・真空補助レジントランスファー法を、繊維強化プラスチック構造体に適用する、
請求項６から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
・繊維強化プラスチック構造体のエレメント、その接合のためのマット及び風力タービンブレードの他のコンポーネントを、ブレード構造体を包囲するキャビティ中へ配置し、
・そして樹脂を、真空補助レジントランスファー法を用いて包囲されたキャビティに施与し、
・こうして、エレメント、マット及び前記ブレードのコンポーネントを、適用された真空補助レジントランスファー法により一段階で接合する、
請求項６から１０までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック構造体及び繊維強化プラスチック構造体の製造方法に関し、そして少なくとも２つのエレメントが、繊維強化プラスチック構造体の形状(shape)を構成する(build up)のに使用される。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンブレード(wind-turbine-blade)を、例えば繊維強化積層体を使用して構成することは知られている。繊維強化積層体は、チョップドストランドマット（ＣＳＭ）から又は織布マット（例えば多軸インターレイドスクリム）から、縦糸一方向性強化プリフォームから、単一の又は繋がれたロービングバンドルから及び任意の知られた繊維材料、例えばガラス、ケブラー、炭素又は大麻からなることができる。
【０００３】
繊維強化は、プレハブコンポーネントで補強されることができる。例えば、ガラス繊維インサート、引抜ロッド(pultruded rods)、…等。
繊維強化は、サンドイッチコア材料、例えばバルサウッド、フォーム又はハニカムと組み合わされることもできる。
【０００４】
風力タービンブレードは、いわゆる積層体スタック中のいくつかの層により構成される。前記構造体は、パイルアップされたプラスチック積層体、予備注型されたコンポーネント又はエレメント又は他の繊維強化プラスチック構造体を含んでなる。
【０００５】
下側の型は、メインブレード構造体を支えるのに使用され、そして上側の型は、下側の型と一緒に、前記ブレードの三次元構造体を包囲するのに使用される。接合された型は、真空排気され、そして液状マトリックス材料（例えば樹脂）はその後に型中へ注入される。
【０００６】
前記樹脂は硬化し(cures out)、そしてこのプロセスは、圧力及び温度を、包囲された構造体に適用することにより達成される。この種類のプロセスは、"真空補助レジントランスファー法(Vacuum Assisted Resin Transfer Method)、ＶＡＲＴＭ"と呼ばれる。
【０００７】
繊維強化プラスチック構造体は、単一エレメントを含んでなる。これらの単一エレメントは、繊維強化積層体、バルサウッドのピース及び／又は他の予備注型されたエレメントを含んでなることができる。これらの単一エレメントは、接合される必要がある。
【０００８】
接合のためには、単一エレメントは、所望の形状中へ配置され、かつ隣接したエレメントの接触面に施与される接着剤(glue)を用いて接合される。
【０００９】
ＶＡＲＴＭを使用することにより単一エレメントを接合することは可能であり、そして樹脂はマトリックス材料として使用される。
単一エレメントを接合するために接着剤を使用することも可能である。
【００１０】
前記エレメントが樹脂又は接着剤により接合される場合に、生じるボンド接合(bond-connection)は、低いいわゆる"層間剪断強さ値(Inter Laminar Shear Strength Value)、ＩＬＳＳ値"を示すに過ぎない。
【００１１】
これは、特に、前記エレメントの接触面が平滑である場合である。
【００１２】
しばしば、いわゆる"剪断破壊"が平滑面の間で生じ、例えば破壊は、生じた接着層(glue line)に沿って伝播する。これは、生じた構造体を脆弱化させている。
【００１３】
この作用を減少させるために、充填剤を含有する接着剤を使用することが知られている。例えば、いわゆる"鉱物充填剤"又は"針状充填剤"が使用される。
この種類の接着剤は、二成分系エポキシをベースとするか、又はポリウレタン系をベースとする。硬化剤が添加された不飽和ポリエステルをベースとする接着剤も可能である。
【００１４】
この充填剤ベースの接着剤の１つの欠点は、その施与が、接着剤ペーストの形状で行われることである。これはしばしば、接着層に沿ってボイド及び気泡を生成し、その際にクラック形成をまねく。
【００１５】
しばしば、接着剤ペーストは、脆い接着層及びクラックを示す接着層を生じさせる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明の課題は、改良された繊維強化プラスチック構造体及びこれを製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この課題は、請求項１及び請求項９に記載の構成により解決される。本発明の他の実施態様は、従属請求項の対象である。
【００１８】
本発明によれば、繊維強化プラスチック構造体は、少なくとも２つの単一エレメントを含んでなる(comprises)。前記エレメントは、前記構造体の形状を構成するのに使用される。２つの隣接した前記エレメントは、施与された接着剤又は樹脂によりその接触面を介して接合される。接着剤又は樹脂が前記エレメントを接合するのに使用される前に、マットは、接触面の間に位置している。マットは、ランダムに配向されたチョップドファイバーを含んでなる。
【００１９】
例えば、使用されるマットは、いわゆる"チョップドストランドマット、ＣＳＭ"である。
【００２０】
マット中での繊維のランダム配向は、接合帯域中で切れ目のない(in an unbroken path)クラックの形成及び伝播を防止する。こうして、前記エレメントの強固で頑丈な接合が達成される  −  このことは、２つの面が接着剤ペースト等の使用により接合され、かつクラックが切れ目なく形成及び進行しやすい先行技術に比較して、大きな利点である。
【００２１】
好ましい実施態様において、この繊維強化プラスチック構造体は、好ましくは風力タービンのブレードを構成するのに使用される。
【００２２】
前記接着剤又は樹脂は、好ましい実施態様において、公知のＶＡＲＴ法を用いて施与される。
【００２３】
ＶＡＲＴ法を繊維強化プラスチック構造体のエレメントに適用することで、単一の強化された繊維強化プラスチック構造体を製作することが可能である。
【００２４】
繊維強化プラスチック構造体のエレメントを、例えば風力タービンブレードの他のコンポーネントと一緒に型中へ配置し、かつＶＡＲＴ法をブレード構造体全体に適用することも可能である。こうして、繊維強化プラスチック構造体の前記エレメントは、ブレード−サンドイッチ構造体中へ一体化される。前記エレメントは、単一ＶＡＲＴＭプロセスを前記ブレード全体に適用することにより、一緒に接合され、かつ前記ブレードの使用された他のコンポーネントとも接合される。
【００２５】
好ましい実施態様において、前記マットは、予備含浸された積層体から製造された繊維、いわゆる"プリプレグ"を含んでなる。このためには、ガラス繊維、炭素繊維又は他の可能な繊維は、エポキシ樹脂に含浸され、そして前記樹脂は、所定の温度で硬化するものである。
【００２６】
本発明のために、高品質を有する接着剤ボンドが得られる。接着剤ボンドは、極めて高い"層間剪断強さ、ＩＬＳＳ"を示す。
【００２７】
本発明によれば、使用されるマットは、ランダム配向を有するカットされた繊維を含んでなる。マットは、エポキシに含浸され、かつ２つのエレメント又は部材の間のボンド帯域に据えられる。こうして、改善されたＩＬＳＳ値を有する良好なボンド帯域が達成される。
【００２８】
好ましい実施態様において、ランダム配向繊維は、５mmから５０mmまでの長さを有し、それらは熱硬化性エポキシ樹脂に含浸される。
【００２９】
本発明のためには、ボンド帯域の厚さ及び品質を極めて容易に制御することも可能である。予備含浸ＣＳＭ材料はマットとして使用されるので、ボンドラインに沿って又はボンド帯域内の気泡及びボイドは減少される。
【００３０】
本発明は、図面を用いてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】繊維強化プラスチック構造体を構成するのに使用される異なるタイプの繊維配置を示す図。
【図２】本発明により使用されるマットを製造する可能性を示す図。
【図３】本発明により接合されるいくつかのエレメントを含んでなるブレードの横断面。
【図４】ブレード製造プロセスにおける本発明によるマットを使用する方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１Ａは、平行方向に整列した多数の繊維を含んでなる一方向性積層体１を示す。したがって、この積層体は、その長さに沿って高い比剛性を示す。
【００３３】
積層体１は、最終積層体１への接着剤接合について損なわれた層間剪断強さ値をまねきうる、極めて平滑な表面を有する。
【００３４】
図１Ｂは、０°方向に整列した第一繊維を含んでなる多方向性積層体２を示す。第二繊維は、＋４５°方向に整列して制御され、そして第三繊維は、−４５°方向に整列して制御される。
【００３５】
生じた積層体２は、０°、＋４５°及び−４５°の相対方向(relevant directions)の改善された比剛性を示す。
積層体２は、最終積層体２への接着剤接合について損なわれた層間剪断強さ値をまねきうる、極めて平滑な表面を有する。
【００３６】
図１Ｃは、ランダム配向したカットされた繊維を含んでなる積層体３を示す。これらの繊維は、マットを形成している。
【００３７】
本発明によれば、マットは特に、一部の場合にプレハブの、隣接した２つのエレメントの平滑面の間に位置している。
このマットは、"チョップドストランドマット、ＣＳＭ"と呼ばれる。
【００３８】
図２は、本発明により使用されるマットを製造する可能性を示す。
【００３９】
短くカットされた繊維４は、キャリヤー上に載せられ、そして繊維４はランダム配向を有する。
【００４０】
繊維４は、熱硬化性樹脂５と組み合わされる。
【００４１】
繊維４及び前記樹脂は、本発明のために使用されるマットを製作するのに使用される２つの回転エレメント６の間に導かれる。
【００４２】
例えば圧力は、組み合わされた繊維及び樹脂に適用される。
【００４３】
好ましい実施態様において、プラスチック保護ライナーは、マットのそれぞれの面にも適用される（詳細に示されていない）。この製品は"プリプレグ"として知られる。
【００４４】
前記プラスチックライナーは、保管される場合には、マットを保護するために使用される。前記ライナーは後で、マットが使用されようとする時に除去される。
【００４５】
このために、短くカットされ、かつランダム配向した繊維４及び樹脂５を含んでなる予備含浸マット又は積層体Ｌが製作され、そしてマットＬは、保護プラスチックライナーによりシールされる。
【００４６】
図３は、本発明により接合されるいくつかのエレメントを含んでなるブレードＢＬの横断面を示す。
【００４７】
例えば、予備注型されたビーム７は、ブレードＢＬの中央に位置しており、そして予備注型された２つのブレードシェル８ａ、８ｂは、ブレードＢＬの外形を形成している。
【００４８】
下側のブレードシェル８ａは、上側のブレードシェル８ｂと接合される必要がある。本発明によれば予備含浸マット９は、２つのシェル８ａ、８ｂの間に位置している。
【００４９】
それに応じて、予備注型されたビーム７は、下側のブレードシェル８ａ及び上側のブレードシェル８ｂと接合される必要がある。本発明によれば予備含浸マット９は、２つのシェル８ａ、８ｂと予備注型されたビーム７との間に位置している。
【００５０】
好ましい実施態様において、使用されるＣＳＭプリプレグマットは、ロボット装置によるか又は手で、専用の位置(dedicated position)に据えられる。
【００５１】
ブレードＢＬの全ての部材は、一緒にプレスされ、かつ真空は、接合を強化するために適用されることができる。
【００５２】
次に、熱が前記構造体に適用され、こうしてマットに施与された樹脂は、硬化するのが可能になる。こうして施与されたＣＳＭプリプレグマットは、ブレードＢＬの記載された部材を接合し、例えば図３の右側に完成したブレード１０として示されている。
【００５３】
図４は、ブレード製造プロセスの際に本発明によるマットを使用する方法を示す。前記ブレードは、横断面図で示されている。
【００５４】
いくつかの乾燥繊維積層体は、下側の型１２中へ配置されており、その際に前記ブレードの乾燥主構造体を形成する。
【００５５】
追加的に他のコンポーネントは、下側の型１２上へ載せられることができ、前記ブレードの三次元形状を形成する。これらのコンポーネントは、例えば乾燥積層体又はマット、プレハブコンポーネント又はバルサウッドの層等を含んでなることができる。
【００５６】
図４中の前記ブレードの横断面図は、ウェブを追加的なコンポーネントとして例示的に示し、そしてウェブは、垂直位置で前記ブレードの中央部に位置している。
【００５７】
本発明によればＣＳＭマットは、隣接したコンポーネントの相対表面の間に位置している。
【００５８】
乾燥ブレード積層体の台(rest)を保持する他の乾燥繊維積層体１３は、メインブレード構造体の頂部に据えられる必要がある。
【００５９】
このためには、上側の型１１が使用される。上側の型１１が、底部にその凹所を有して上向き方向で据えられるのに対し、ＣＳＭプリプレグの層を含んでなる真空ライナー１４は、乾燥繊維積層体１３をカバーするために据えられる。
【００６０】
真空は、ライナー１４の下で適用され、したがって上側の型１１を強化積層体１３のスタックと共に持ち上げ、かつそれをその長さ軸の回りを回転させることが可能であり、その際にそれを下側の型１２上で正確に据えられることを可能にする。
【００６１】
上側の型１１及び下側の型１２は接合される。
【００６２】
包囲された型内の全ての部材又はコンポーネントは、一緒にプレスされる  −  真空は、前記構造体を強化するのに適用されることができる。
【００６３】
ＶＡＲＴＭプロセスのための真空が適用され、かつ樹脂は、前記ブレード構造体中へ注入される。その後、熱が前記型に適用されて、樹脂を硬化させかつＣＳＭプリプレグマットを硬化させて、前記ブレードが完成する。
【符号の説明】
【００６４】
１  最終積層体、  ２  積層体、  ３  積層体、  ４  繊維、  ５  熱硬化性樹脂、  ６  回転エレメント、  ７  予備注型されたビーム、  ８ａ、８ｂ  ブレードシェル、  ９  予備含浸マット、  １０  ブレード、  １１  上側の型、  １２  下側の型、  １３  乾燥繊維積層体、  １４  ライナー
Ｌ  マット、  ＢＬ  ブレード
【図１】
2011042170.tif 000003
【図２】
2011042170.tif 000004
【図３】
2011042170.tif 000005
【図４】
2011042170.tif 000006