风电领域中复合材料精准制造技术

答案既是商业上的，也是技术上的。采用预制件技术可能是答案。为了实现流程自动化，叶片制造过程应该被视为装配过程，而如今的流程通常被视为模具制造过程。通过在正确的位置以正确的质量装配精密预制件，可以改变转子叶片的制造。本文中，RewAir分享了迄今为止所做的工作，并表示研究尚未完成。

自动化和公差

在过去的几十年里，有各种各样的举措来实现转子叶片制造自动化。通常采用的方法是将模具中的全层铺层自动化。大型自动化龙门系统是首选的方法，但当考虑到投资回报率(ROI)时，在叶片寿命期间生产的零件数量，使它难以在商业上应用。风能行业越来越以短产品周期和小批量而闻名。这使得从ROI和产出的角度来看，几乎不可能实现全面自动化。

预制概念——构建可以按预定顺序放置到模具中的小型单元——需要一个简单的“挑选和放置”单元，具有多种叶片和吊舱设计和形状的灵活性。为了减少经济成本，所有小型预制件都可以由一个单一的中心位置建造，从而创造更高的投资利用率。由于构建预制件的供应链可以根据需要增加，对行业的积极影响是显而易见的。

RewAir已经为转子叶片制造行业提供了数十年的预制件。生产的大部分预制件是缝合的。然而，为了满足行业不断增长的自动化需求，该公司现在的目标是实现精准预制。为了使预制件的正确放置成为可能，预制件的精度和公差必须很高。需要特别关注预制件之间的重叠以及在模具中的定位。为了实现高精度，RewAir目前正在研究自动化层叠铺设的应用，以确保所需的精度和公差(图1)。

精密预成形研究

在精密预成形研究中，研究了一种将大型复合材料结构分解成较小单元的方法。这种方法将制造过程视为一系列装配过程，而不仅仅是一个成型过程。为此，我们采取了转子叶片的最关键部分即隔板。

这种结构在拉伸和压缩载荷下的机械载荷最高，通常由长的单向纤维制成。我们知道空盖可能不是第一个被预成形件取代的部件。然而，为了更好地理解约束条件，我们特意选择了要求最高的组件(最坏的情况)。

制作两半的隔板有两个主要挑战，首先是连接的强度；其次，要放置的纤维的精度或公差。期望接头的公差对其强度有直接的影响。

适当的设计和工程是基础，并为找到解决方案提供了机会。我们的研究表明，当工程和仿真成为过程的一部分时，可以设计出更紧凑的关节。初始接头设计长度减少了60%以上，同时保持了隔板所需的承载能力。

该解决方案是通过在正在组装的两个隔板之间使用锥形阶梯接头(图2)制作符合要求公差和尺寸精度的干预制件来实现的。通过数值计算，选择双斜率阶跃节理拓扑作为优选节理。

材料选择及应用

材料的任何变化通常对生产以及材料的质量都有很大的影响。出于这个原因，我们研究了已知的在风能行业有良好记录的玻璃织物。制造预制棒有各种公认的技术见下表。

对于精密预成型，主要以上五种技术选择，选择使用粉末预成型是最符合经济需求的，这在行业中也有良好的记录。用作粘合剂的粉末在灌注过程固化温度范围内具有玻璃化转变温度(Tg)，因此不会产生任何加工问题。

粉末由织物制造商以自动化的方式施加，以确保粘合剂均匀分布在织物上，因此符合最高质量要求。精密预成型伴随着额外的材料成本，以及对工具和加工的需求。因此，建议进行成本效益分析，以确定在大型复合结构中应用精密预制件带来最大效益的地方。在其他部分，继续使用缝合预制件(图3)可能更经济。叶片的层压板计划推动了这些选择，RewAir支持客户评估最佳选择和最终选择。

测试设置和结果

将包括5个无接头试样(“原始”试样)在内的一系列试验与具有双围巾接头的5个试样进行了比较。测试试样的尺寸，材料和铺层成分是定制的。尺寸被最大化，以提供一个具有代表性的接头，可以适应现有的测试设备。试验试样承受显著的试验载荷(>400 kN)。所有样品在静载条件下进行了极限拉伸强度(UTS)测试。使用应变计和称重传感器监测不同的参数。测试由DNV认可的独立测试机构进行，该机构在复合材料测试方面具有丰富的经验。“原始”样品的测试结果用于提供加工和工程假设的基准。测试表明一致性非常好。