用于制造物品的系统和方法

本发明涉及用于在模具里制造物品、尤其是纤维复合物品的系统和方法，所述物品优选为用于风力涡轮机的叶片的至少部分。

纤维复合物品的制造一般涉及在成型模具内敷设纤维复合材料，通常将上述纤维复合材料作为连续层的条带施加。然后，可将树脂施加到模具内的纤维复合材料，上述树脂随后固化以将纤维复合材料凝固成模制物品。然后，可将已模制物品从模具移除以进行附加加工或机加工，且上述模具已准备好在该模具内敷设和固化下一物品。

传统上，将敷设材料手动施加到模具表面。然而，当一些纤维复合物品相当长时，例如现代风力涡轮机叶片可在长度上超过40米，这种手动敷设使单个物品制造花费相当多的周期时间。

为了减少这些物品的制造时间，可从自动化敷设头分配纤维复合材料，自动化敷设头配置为从设置在敷设头处或上的滚筒施加这些材料，材料沿着线性施加平面施加。敷设头可相对于模具移动，以沿着任何期望模具部分分配材料。

然而，尽管使用这种敷设头可使得敷设时间较快，但这种敷设自动化有时候导致纤维复合材料在模具内的错位，尤其是在模具包括倾斜或斜面式模具表面的时候。在这种情况下，材料从线性施加平面到弯曲表面的分配可因重力对材料的作用而导致纤维复合材料的滑移，从而使得上述材料偏离模具内的期望敷设路径。对这种错位的校正可需要手动检查和改正敷设材料位置，因而引发对制造工艺的附加时间和劳动。另外，以近似竖向排列进行材料施加可导致敷设头位于运动奇异点（kinematicsingularity）附近，意即敷设头的适应性或适配性受到限制。

在一些系统中，在敷设之后，可将增粘剂施加于纤维复合材料和/或可将夹具施加于材料边缘，以阻止敷设后的运动或滑移。然而，这些系统并未完全消除滑移问题，和/或将附加步骤引入了制造工艺。

本发明的目的是提供用于制造纤维复合物品的改进系统和方法，其寻求减少这些问题。

因此，提供一种在具有倾斜或弯曲表面的模具内制造纤维复合物品的方法，所述纤维复合物品优选为用于风力涡轮机的叶片的部分，其中，所述方法包括如下步骤：

沿着倾斜的施加平面将纤维材料施加到所述模具的所述倾斜或弯曲表面，其中，所述施加平面具有相对于所述模具的所述倾斜或弯曲表面而言更水平的定向，使得所施加的纤维材料掉落到所述模具的所述倾斜或弯曲表面，以及

将树脂施加到所述纤维材料并固化所述树脂以形成纤维复合物品。

通过沿着比所述倾斜或弯曲表面的名义平面更水平地定向的平面分配纤维材料，所述纤维材料将在重力作用下有效地下落到模具内的期望位置。

附加地或替代地，提供一种在模具内制造纤维复合物品的方法，所述纤维复合物品优选为用于风力涡轮机的叶片的部分，所述纤维复合物品具有倾斜或弯曲表面，所述方法包括如下步骤：

提供模具，所述模具具有在所述模具的倾斜或弯曲表面上限定的敷设平面，优选地在所述模具内限定敷设平面，所述敷设平面设置为与所述模具的倾斜或弯曲表面的期望施加纤维材料层的至少一部分相交；

提供用于分配纤维材料层的敷设头，其中所述纤维材料层沿着施加平面从所述敷设头分配；

定位所述敷设头，其中，所述施加平面相对于所述敷设平面旋转，使得相对于水平面而言，所述敷设平面的斜率比所述施加平面的斜率大；

将至少一个纤维材料层从所述敷设头的所述已旋转施加平面施加到所述模具的所述敷设平面；

将树脂施加到所述模具内的所述至少一个纤维材料层；以及

固化所述树脂以形成具有倾斜表面的纤维复合物品。

通过设置敷设头的施加平面以具有比模具的敷设平面小的倾斜角，因此纤维层由于重力而错位的风险将降低。进而，敷设头将以相对高的倾斜程度移离可能的运动奇异点。优选地，所述施加平面绕相对于所述敷设平面介于5-30度之间的纵向或水平轴线旋转到与所述敷设平面相比更水平的排列位置。

将会理解，平面的斜率是对平面倾斜度的测量，是相对于水平轴线测得的。将进一步理解，所述施加平面的斜率和所述敷设平面的斜率沿相同方向测得。

优选地，所述方法包括如下步骤：

为用于沿着所述模具的表面施加纤维材料的所述敷设头设置名义参照敷设框架，所述参照敷设框架的施加平面初始设置为与所述敷设平面重合；

绕所述纵向或水平轴线旋转所述名义参照敷设框架，使得所述施加平面具有相对于所述敷设平面而言更水平的定向；以及

移动所述敷设头以与所述已旋转敷设框架重合，用于从所述敷设头施加纤维材料。

优选地，所述纤维材料层施加到沿着所述模具的表面的部分限定的敷设路径，所述敷设路径沿着所述模具的纵向范围延伸，所述敷设路径具有第一纵向路径边缘和第二纵向路径边缘，其中所述第一纵向路径边缘和所述第二纵向路径边缘位于所述敷设平面上，且其中，所述方法包括如下步骤：

将从所述敷设头分配的纤维材料层的第一边缘与所述敷设路径的所述第一路径边缘对齐，使得当所述至少一个纤维材料层从所述敷设头施加到所述模具时，所述纤维材料层的第二边缘掉落到所述敷设路径的所述第二路径边缘。

将会理解，在所述模具的表面上限定的所述纵向敷设路径可包括位于所述第一和第二路径边缘之间的大体凹表面。优选地，所述方法包括如下步骤，即平行于所述敷设路径沿着所述模具的纵向范围的部分移动所述敷设头，以将所述纤维材料层施加到所述敷设路径。将会理解，所述纤维材料层的宽度和/或所述敷设路径的宽度可沿着所述模具的长度而改变。

优选地，所述的定位所述敷设头步骤包括：

为用于沿着所述敷设路径施加纤维材料的所述敷设头设置名义参照敷设框架，所述参照敷设框架的施加平面初始设置为与所述敷设平面重合；

绕所述敷设路径的纵向旋转所述名义参照敷设框架，使得所述施加平面具有相对于所述敷设平面而言更水平的定向；

偏移所述已旋转框架以将从所述敷设头分配的纤维材料层的所述第一边缘定位在所述敷设路径的所述第一边缘处以提供名义已平移敷设框架；

移动所述玻璃敷设头以与所述名义已平移敷设框架重合；以及

后续基于所述名义已平移敷设框架沿着模具施加纤维材料层。

优选地，所述旋转步骤包括相对于所述敷设平面在5-30度之间旋转所述施加平面。

附加地或替代地，当所述敷设平面在关于竖直面的30度内定向、优选在关于竖直面的20度内定向时，执行所述的旋转所述施加平面的步骤。

通过仅在所述敷设平面以及相关敷设路径是大体竖向时执行旋转所述施加平面，仅对所述模具的重力和运动奇异点的作用最大的那些区域执行平移敷设头的相对复杂操作。

优选地，所述偏移步骤包括调整所述敷设头位置以在所述模具上方留有间隙。

优选地，所述敷设平面的斜率沿着所述敷设路径的长度改变，且其中，所述方法包括如下步骤，即当所述敷设头沿着所述敷设路径的长度移动时，响应于所述敷设平面的所述斜率改变，调整所述敷设头的位置以改变所述施加平面的斜率。

因为所述模具的形状可沿着模具长度而改变，因此敷设路径以及相关敷设平面可改变倾斜度。在这种情况下，优选地，所述敷设头能操作以调整适合于这种改变，从而确保纤维材料层精确地施加到所述模具的表面。

优选地，所述的调整所述敷设头的位置以改变所述施加平面的斜率的步骤包括如下步骤，即当所述敷设平面的斜率小于阈值时，调整所述敷设头，使得所述施加平面与所述敷设平面重合。

如果敷设路径以及相关敷设平面的斜率降低到了这样的程度，即将重力对层施加过程的负面作用减小、和/或敷设路径的角充分远离敷设头的运动奇异点，则敷设头可设置为跟随敷设路径，而无需校正或偏移。

优选地，所述纤维材料层是玻璃纤维层、碳纤维层、或混合玻璃碳纤维层。

优选地，所述纤维材料层从设置在所述敷设头上的所述纤维材料的卷筒分配。

优选地，所述方法包括如下步骤，即在所述的施加至少一个纤维材料层的步骤之前，将热熔胶粘剂或增粘剂施加到所述模具内。

通过在模具内使用合适的热熔胶粘剂或增粘剂，阻止了纤维材料层在从敷设头施加之后在模具内滑移。将会理解，热熔或增粘剂可直接地施加到模具表面，和/或可施加到先前施加到模具内的纤维材料层的顶部上。附加地或替代地，可提供夹具以当沿着敷设路径的长度施加层时，将纤维材料层固定到模具上的合适位置。

优选地，所述方法包括如下步骤，即在从所述敷设头施加之后，将至少一个辊子和/或刷子施加于所述模具内的所述至少一个纤维材料层。

通过当施加后在纤维材料层的顶部上使用辊子或刷子，可使上述层变光滑从而确保与模具表面的顺应性、和/或与设置在模具内的热熔或增粘剂粘结。在纤维材料层上使用辊子和/或刷子确保了轻柔的向下压力施加到模具内的材料层，而不会使敷设路径扭曲。

优选地，所述方法包括如下步骤，即在所述敷设头上设置所述至少一个辊子和/或刷子，其中，所述至少一个辊子或刷子位于从所述敷设头分配所述至少一个纤维材料层的位置的下游。

在位于所述纤维材料层施加位置下游的敷设头上设置所述至少一个辊子和/或刷子，确保了所述至少一个辊子和/或刷子与从敷设头分配之后的纤维材料层保持为紧密对齐。

优选地，所述方法包括如下步骤，即提供具有沿着敷设路径长度改变的宽度的纤维材料层或敷设材料。

优选地，所述方法包括如下步骤，即沿着敷设路径长度改变纤维材料层，优选地沿着敷设路径长度切割纤维材料层。

还提供一种制造风力涡轮机叶片的方法，所述方法包括；

根据前述方法步骤中的任一项制造风力涡轮机叶片的至少一个纤维复合部分；以及

组装所述至少一个纤维复合部分以形成风力涡轮机叶片。

另外，提供一种适于执行前述方法的步骤的计算机程序产品。另外，提供一种包括适于执行所述方法的计算机程序的计算机可读存储介质/数据载体。

附加地，提供一种用于在模具内制造纤维复合物品的制造系统，所述纤维复合物品优选为用于风力涡轮机的叶片的部分，所述系统包括：

模具，所述模具容纳纤维复合材料以形成纤维复合物品，所述模具具有至少一个倾斜表面；

可调整敷设头，所述可调整敷设头能操作以在所述模具内分配纤维材料层；以及

控制器，所述控制器能操作以控制所述敷设头的操作，其中，所述控制器能操作以实施如前述方法的步骤。

另外，提供一种纤维复合物品，其优选为用于风力涡轮机的叶片的部分，其根据前述的方法制造。

现将参照附图，仅通过举例来描述本发明的实施方式，这些附图可理解为仅是例示性的，且未按比例绘示。

图1是用于在模具内制造物品的方法的步骤的截面图，上述步骤用于从敷设头沿着敷设路径在模具内初始敷设材料；

图2是敷设头相对于敷设路径旋转之后的图1的方法的截面图；

图3是敷设头与敷设路径的边缘对齐之后的图2的方法的截面图；

图4是在敷设头偏移以补偿模具间隙之后的图3的方法的截面图；以及

图5是本发明方法在施加具有减小宽度的敷设材料中的截面图。

图1示出用于在模具10内制造物品的系统的部分的例示性截面图。模具10包括具有弯曲或倾斜表面的成型截面轮廓，上述模具表面对应于成品物品的期望轮廓。意图将层材料、优选地为纤维复合材料施加到模具10表面，上述材料可后续固化以形成期望物品。沿着在模具10纵长上设置的敷设路径施加纤维复合材料。

敷设路径12由图1中的虚线标示，敷设路径12沿着模具10的弯曲表面的部分设置并沿着模具10的纵向延伸。敷设路径12包括上边缘12a和下边缘12b，上边缘12a和下边缘12b设置在倾斜敷设平面14上。

上述制造系统包括铰接敷设头16，上述铰接敷设头16能操作以沿着施加平面分配敷设材料层，上述材料优选为纤维复合材料。上述施加平面标示在18处，沿着敷设头16自其分配上述材料的表面设置。上述材料在敷设头16表面的第一边缘18a和第二边缘18b之间分配。

将会理解，待从敷设头16分配的材料可以卷筒形式提供，上述卷筒（未示出）安装在所述敷设头16上或与所述敷设头16耦接。上述材料可包括呈任何合适组成、配置和/或尺寸的任何合适纤维复合材料，例如玻璃纤维、碳纤维等。在一个实施方式中，上述材料是Combi1250GPV玻璃纤维，具有0.88mm的厚度,以及400mm、600mm、800mm或1200mm的宽度。

敷设头16耦接或设置有控制器（未示出），上述控制器能操作以控制敷设头16相对于模具10的方向和平移。将会理解，上述控制器设置有关于模具10轮廓的指示。该指示可基于模具轮廓的现有知识，例如通过模具轮廓的初始映射和/或来自规定模具10的特定尺寸的设计模板，而预先限定。附加地或替代地，上述指示可基于传感器的输出，其中上述传感器耦接到控制器，并设置为动态地扫描和检测模具表面的形状，上述传感器例如为视觉系统、超声波距离传感器等。

一般而言，敷设头16优选地对齐，使得敷设头16设置为邻近模具10内的敷设路径12，其中敷设头16的施加平面18与敷设路径12的敷设平面14重合。

然而，当确定模具10内的当前或未来的敷设路径12沿着模具10的弯曲部分、使得从敷设头16的施加平面18到敷设路径12的材料层施加将导致材料层在模具10内的错位时，上述控制器能操作以执行很多针对敷设头16方向的校正步骤，从而降低材料层在模具10内的错位风险。

将会理解，上述控制器能操作以限定对应于敷设头16位置的名义参照框架，并且对所述名义参照框架施加平移操作，以提供结果参照框架，上述最终参照框架为敷设头16提供调整后的方向。

参见图2，名义参照框架（由虚线20标示）绕模具10的纵向旋转，并且绕对应于敷设路径12的位于上边缘和下边缘12a、12b之间的中点的位置旋转。作为旋转的结果，在参照框架20上限定的施加平面18以与敷设路径12的敷设平面14相比更水平的排列定向。

选择参照框架20的旋转角，以提供不会导致材料沿着敷设路径12错位的、从敷设头16的施加平面18到倾斜敷设路径12的材料施加。优选地，参照框架20在相对于所述敷设平面14的大约5-30度之间旋转。

参见图3，参照框架20然后偏移，使得在平移后的参照框架20上限定的施加平面18的第一边缘18a定位成与敷设路径12的上边缘12a叠合。这种配置应该确保从设置在所述平移后的参照框架20处的敷设头16分配的敷设材料在重力作用下将精确地下落到敷设路径12上。特别地，从敷设头16分配的敷设材料的第一边缘将位于敷设路径12的所述上边缘12a处，且敷设材料的相对第二边缘将从敷设头16下落以到达敷设路径12的所述下边缘12b处，如图3中的箭头A所示。

依据上述平移后的参照框架20关于模具10结构的边界的解释，可执行将参照框架20偏移的另一步骤以通过敷设头16提供模具结构的充分间隙。在这种示例中，调整参照框架20的位置以确保框架20不与模具表面的任何部分重叠，使得敷设头16当定位在参照框架20内时将不受到模具10的阻碍。将会理解，如果模具10和平移后的参照框架20之间没有重叠，则不需要实施该步骤。

参见图4，敷设头16然后定位成与参照框架20对齐，其中敷设头16的施加平面18以与敷设平面14相比更水平的排列定向。现在，当敷设头16沿着模具10的长度移动时，敷设材料可从敷设头16分配。将会理解，当敷设头16沿着模具10的长度行进时，基于敷设平面14沿着模具10长度的斜率变化，敷设头16的方向可由控制器动态地调整。这种调整可基于模具10形状的现有知识、和/或基于耦接到控制器的多种传感器系统的输出。

上述程序可重复以用于不同层敷设材料、和/或用于设置在模具10内的具有不同倾斜的敷设平面的不同敷设路径。当已将敷设材料施加进模具10内后，可将树脂施加到上述材料，树脂后续固化以形成期望物品，模具10的弯曲表面将期望轮廓赋予到物品上。

在一特别优选方面，上述系统用于制造用于风力涡轮机的叶片的至少一部分，例如大体形成风力涡轮机叶片的迎风或顺风部分的叶片壳体。在这种实施方式中，将会理解，可在用于提供叶片的单独部分的多个模具内执行敷设程序，其中在上述各个部分固化后，将这些部分组装以形成风力涡轮机叶片。

在本发明另一方面，将会理解，敷设材料的宽度可沿着敷设路径12的长度而改变。这可归因于敷设路径12的宽度沿着模具10长度的变化，例如归因于待由模具10形成的物品的特定纵向轮廓。因此，可基于模具10几何结构的现有知识以具有预定宽度变化的预切割形式提供敷设材料。附加地或替代地，可基于关于模具轮廓和/或敷设路径12的现有的和/或动态监控的知识在施加过程中切割敷设材料。在这些示例中，将会理解，在跟随着敷设材料的任何宽度变化时，将执行对敷设头16的调整，以确保敷设材料的第一边缘将与敷设路径12的上边缘12a对齐。

参见图5，沿着模具10边缘限定具有减小宽度的敷设路径12。在这种示例中，待施加到敷设路径12的敷设材料不延伸横过敷设头16的在施加平面18的第一和第二边缘18a、18b之间的整个面。而是，敷设材料具有对应于在施加平面18上限定的边缘点18c与第二边缘18b之间的距离的宽度。因此，敷设头16如上述地设置，其中边缘点18c与敷设路径12的上边缘12a对齐。然后，沿着敷设路径12施加敷设材料，其中从第二边缘18b施加的敷设材料将下落到敷设路径12的下边缘12b，如箭头A所示。将会理解，边缘点18c在第一和第二边缘18a、18b之间的位置可沿着敷设路径12的长度而改变。例如，边缘点18c可在第一边缘18a处或接近第一边缘18a之处开始，并随着沿着敷设路径的长度改变而朝向第二边缘18b移动，反之，边缘点18c可在第二边缘18b处或接近第二边缘18b之处开始，并随着沿着敷设路径的长度改变而朝向第一边缘18a移动。

将会理解，系统可包括在模具10内使用增粘剂或热熔胶粘剂，上述增粘剂或热熔胶粘剂作用为将敷设材料部分地保持在模具内的合适位置，并抑制敷设材料在模具10内的任何滑移。附加地或替代地，可使用夹具或其它任何合适固定机构来进一步阻止材料滑移。

将会理解，合适辊子或刷子可设置在所述敷设头16处，并位于敷设头16分配点的下游的位置，以确保敷设材料在一些压力下被施加到模具10表面。

在一优选方面，上述系统关注于使得可初始提供敷设头16，其中施加平面18与敷设路径12的敷设平面14重合，且其中上述的旋转和后续的偏移敷设头16的步骤仅在模具10的这些部分处执行，其中在所述这些部分，期望的敷设路径12是呈大体竖向排列的，优选地，其中期望敷设路径12的敷设平面14在关于竖向轴线的20-30度范围内。在该范围外，重力和/或奇异点作用可最小化。

将会理解，提供与期望敷设路径12的敷设平面14相比呈相对更水平的排列的敷设头16既使得重力对敷设材料排列的负面作用减小，也使敷设头16与运动奇异点的距离减小。

本发明不限于本文所述实施方式，在不脱离本发明范围情况下可进行修改或适配性改变。