ES2959366T3 - Método de reducción de sección de una tira de material compuesto reforzada con fibra - Google Patents

Método de reducción de sección de una tira de material compuesto reforzada con fibra Download PDF

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Abstract

Un método para fabricar un componente estructural (80) de una pala de turbina eólica (90) comprende proporcionar una tira compuesta alargada (10) que comprende fibras estructurales dispuestas en una matriz termoplástica, comprendiendo la tira una porción extrema (22) que define un extremo (24).) de la tira, calentando la porción extrema de la tira y dando forma a la porción extrema de la tira para formar un extremo cónico (30) de la tira. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de reducción de sección de una tira de material compuesto reforzada con fibra
Campo técnico
La presente invención se refiere a tiras de material compuesto reforzadas con fibra de sección reducida tales como las usadas en elementos estructurales en palas de turbina eólica y a métodos y aparatos para fabricar tales tiras. En realizaciones particulares de la invención, se usa una pluralidad de tiras de sección reducida para formar una tapa de larguero para una pala de turbina eólica.
Antecedentes
Las tiras de material compuesto reforzadas con fibra pueden usarse para formar elementos estructurales en una variedad de aplicaciones diferentes. Tales tiras normalmente contienen fibras estructurales tales como fibras de carbono o de vidrio que se extienden a lo largo de la longitud de la tira y se suspenden en un material de matriz que normalmente comprende una resina termoestable. Tales tiras pueden tener una alta resistencia a la tracción, y, por lo tanto, tienen una alta capacidad de soporte de carga. Las tiras pueden apilarse una encima de la otra y unirse entre sí para formar un componente laminado que tiene propiedades estructurales adecuadas para fortalecer una pala de turbina eólica, por ejemplo, como una tapa de larguero.
Para formar una tapa de larguero, por ejemplo, un apilamiento de tiras de material compuesto pueden unirse entre sí usando un adhesivo tal como resina. Se puede usar un proceso de infusión de resina, en el que se infunde resina líquida entre las tiras apiladas. Las tiras pueden ser generalmente rectangulares en sección transversal, y tienen superficies adherentes superior e inferior unidas a superficies adherentes similares de tiras adyacentes en el apilamiento.
Las tiras en el apilamiento pueden tener diferentes longitudes y sus extremos respectivos pueden estar dispuestos en una relación escalonada para formar una tapa de larguero que disminuye de grosor hacia uno o ambos extremos. Para formar una transición suave entre las tiras y evitar concentraciones de tensión en el apilamiento, los extremos de las tiras pueden ser de sección reducida.
Tales tiras de material compuesto se producen normalmente por pultrusión. Sin embargo, el proceso de pultrusión, así como otros métodos conocidos de producción de tiras, produce una tira que tiene una sección transversal uniforme a lo largo de su longitud. Por consiguiente, la tira debe modificarse posteriormente para crear un extremo de sección reducida. Un método conocido para crear un extremo de sección reducida de una tira de material compuesto implica un proceso de rectificado como se describe en el documento WO2015/067279.
El documento US2014/154091 describe un larguero para una pala de turbina eólica que se produce a partir de un apilamiento de capas de material compuesto sometidas a pultrusión. El documento WO2011/092486 describe un método para reducir en sección un borde de una tira o lámina de refuerzo fibrosa. Los documentos WO2014/000742 y GB2482345 también describen un método y aparato para proporcionar un borde de sección reducida en una lámina que comprende material fibroso.
El rectificado de las tiras presenta varios desafíos para el proceso de fabricación. Por ejemplo, el proceso de rectificado crea cantidades significativas de polvo y ruido y puede ser un proceso que requiere mucho tiempo. En algunos casos, el proceso de rectificado también puede causar daños a las tiras, las cuales entonces puede ser necesario que se desechen.
En este contexto, es un objeto de la invención mitigar o superar algunos o todos los problemas descritos anteriormente.
Sumario
La presente invención proporciona un método para fabricar un componente estructural de una pala de turbina eólica que comprende proporcionar una tira de material compuesto alargada que comprende fibras estructurales dispuestas en una matriz termoplástica, comprendiendo la tira una parte de extremo que define un extremo de la tira, calentar la parte de extremo de la tira y conformar la parte de extremo de la tira para formar un extremo de sección reducida de la tira comprimiendo la parte de extremo.
La tira tiene un grosor constante a lo largo de toda su longitud antes de moldear y se reduce en grosor después del moldeo de tal manera que la parte de extremo de sección reducida tiene un borde de extremo sustancialmente recto. En algunas realizaciones, la parte de extremo también puede reducirse en anchura. La tira es un elemento curado previamente, dicho de otro modo, el material termoplástico en la tira se ha curado antes de que se caliente la parte de extremo de la tira.
La conformación de la parte de extremo de la tira comprende comprimir la parte de extremo, por ejemplo, comprimir la parte de extremo entre las superficies de molde primera y segunda.
En algunas realizaciones, la parte de extremo de la tira está dotada de uno o más rebajes antes de conformar la parte de extremo para formar el extremo de sección reducida. Por ejemplo, antes de conformar la parte de extremo para formar el extremo de sección reducida, la parte de extremo puede tener un perfil en zigzag en el que el uno o más rebajes se definen entre estrías. Más ampliamente, el o cada rebaje puede variar en anchura y tener una anchura máxima en o adyacente al extremo de la tira.
El método puede comprender además retirar material de la parte de extremo para formar el uno o más rebajes. En realizaciones, el uno o más rebajes pueden estar formados por un corte de división en el que una tira más larga se divide en una pluralidad de tiras más cortas.
El método puede comprender calentar la parte de extremo a una temperatura que es mayor o igual que una temperatura de transición vítrea de la matriz termoplástica.
En cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, la tira puede ser una tira sometida a pultrusión.
El método puede comprender conformar la parte de extremo de la tira para definir una reducción de sección lineal o una reducción de sección parabólica o una reducción de sección escalonada, por ejemplo.
Preferiblemente, después de la etapa de calentar la parte de extremo de la tira, no se retira material de la tira para formar el extremo de sección reducida de la tira. Dicho de otro modo, no se retira material por rectificado o fresado o similares.
La presente invención también proporciona una tira de material compuesto que tiene un extremo de sección reducida formado por el método descrito en relación con cualquiera de las realizaciones anteriores. Una fracción de volumen de fibra del extremo de sección reducida puede ser sustancialmente la misma que una fracción de volumen de fibra del resto de la tira.
En unas realizaciones de la invención, una tapa de larguero para una pala de turbina eólica comprende un apilamiento de tiras de material compuesto integradas juntas. Una o más de las tiras de material compuesto es una tira según cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente. Una pala de turbina eólica puede comprender una tapa de larguero de este tipo.
Breve descripción de los dibujos
La presente invención y otros antecedentes relevantes se describirán ahora a modo de ejemplo no limitante, con referencia a las figuras adjuntas en las que:
la figura 1 es una vista detallada de una parte de extremo de una tira de material compuesto reforzada con fibra en la que se puede formar una reducción de sección;
la figura 2 muestra la tira de material compuesto de la figura 1 después de que se haya retirado material de una parte de extremo de la tira para formar un extremo en zigzag;
la figura 3 muestra un extremo de sección reducida de la tira de material compuesto de la figura 2 después de que el extremo en zigzag se haya comprimido;
las figuras 4a y 4b muestran un aparato para moldear una parte de extremo de una tira sometida a pultrusión según una realización de la invención;
la figura 5 es una vista detallada de una parte de extremo de sección reducida de una tira de material compuesto según una realización adicional de la invención;
la figura 6 es una vista detallada de una parte de extremo de sección reducida de una tira de material compuesto según otra realización adicional de la invención;
la figura 7 es una vista lateral esquemática de un proceso de pultrusión para formar una tira de material compuesto; la figura 8 es una vista en sección transversal de un componente que comprende una pluralidad de tiras de sección reducida; y
la figura 9 es una vista en sección transversal de una pala de rotor de turbina eólica que tiene una pluralidad de tapas de larguero formadas a partir de tiras de sección reducida.
Descripción detallada
Las figuras 1 a 3 muestran una parte de extremo de una tira de material compuesto reforzada con fibra 10 durante diversas etapas de un proceso de reducción de sección según una realización de la invención.
La figura 1 muestra una parte de extremo de una tira de material compuesto reforzada con fibra 10 antes de la reducción de sección. La tira 10 tiene un perfil de sección transversal rectangular constante de manera que la anchura w y el grosor t de la tira son sustancialmente constantes a lo largo de su longitud l. En realizaciones particulares, la tira puede tener una anchura w de entre 100 m y 200 mm y un grosor de entre 4 mm y 6 mm. La tira 10 tiene una cara de extremo rectangular 12 que se extiende a través de su anchura w y generalmente perpendicular a la longitud I de la tira 10. La anchura w es mayor que el grosor t de la tira 10. Por lo tanto, la tira 10 tiene dos superficies principales opuestas 14, 16, que se extienden perpendicularmente entre dos superficies laterales 18, 20 de la tira 10.
La tira 10 incluye una parte de extremo 22 que se extiende desde un extremo 24 de la tira 10 y a lo largo de una parte de la longitud I de la tira 10. Una parte principal 26 de la tira 10 se extiende desde la parte de extremo 22 a lo largo de la mayor parte del resto de la tira 10.
La tira 10 se forma a partir de una pluralidad de fibras estructurales, por ejemplo, fibras de carbono y/o vidrio, suspendidas en un material de matriz termoplástica, por ejemplo, una resina termoplástica. El material de matriz rodea las fibras estructurales para mantenerlas juntas y formar la forma externa de la tira. En una realización particular, la tira 10 comprende una pluralidad de fibras de carbono continuas que se extienden a lo largo de la longitud I de la tira y se suspenden en un material de matriz de polietileno de alta densidad (HDPE). Cualquier otro material de matriz termoplástica adecuado puede usarse en otras realizaciones. La tira 10 se fabrica preferiblemente por pultrusión, aunque la tira puede fabricarse mediante cualquier otro método adecuado.
La tira 10 de la realización tiene una fracción de volumen de fibra sustancialmente constante a lo largo de su longitud, en la que la fracción de volumen de fibra es el porcentaje de volumen de fibra en el volumen total de la tira de material compuesto 10. En realizaciones particulares, la fracción de volumen de fibra de la tira 10 a modo de ejemplo está entre el 60 % y el 90 %. Las fibras también pueden estar dispuestas uniformemente a lo largo del perfil de la sección transversal de la tira.
La figura 2 muestra la parte de extremo 22 de la tira 10 de la figura 1 después de que se haya retirado material de la parte de extremo 22. En la realización ilustrada, se ha retirado material para formar un perfil en zigzag en la parte de extremo 22 de la tira 10.
El perfil en zigzag comprende una pluralidad de estrías 27 que se alternan con una pluralidad de rebajes 28 a través de la anchura de la tira 10. En esta realización, las estrías 27 y los rebajes 28 son sustancialmente triangulares en vista en planta. Los rebajes 28 están sustancialmente libres de material compuesto de tal manera que el volumen de material compuesto por unidad de longitud en la parte de extremo 22 es ahora menor que en la parte principal 26 de la tira 10. Más particularmente, cada uno de los rebajes 28 de la realización tiene una anchura 30 que aumenta a medida que se aproxima al extremo 24 de la tira 10. Como tal, el volumen de material compuesto por unidad de longitud en la parte de extremo 22 se reduce a medida que se aproxima al extremo 24 de la tira 10. Se apreciará que podrían usarse otros perfiles de extremo que también proporcionan tal reducción en volumen por unidad de longitud.
En la realización mostrada, el volumen de material en la parte de extremo 22 corresponde sustancialmente al volumen de material en la reducción de sección deseada de tal manera que no es necesario retirar ningún material adicional durante la formación posterior de la reducción de sección.
Los rebajes 28 pueden crearse en la tira 10 por cualquier medio conocido en la técnica. En una realización, los rebajes 28 se forman mediante corte con troquel, por ejemplo, usando un troquel de metal que tiene un borde de corte en zigzag. Cualquier material de desecho retirado como resultado de la formación de los rebajes 28 puede reciclarse.
Según un método a modo de ejemplo, la tira de material compuesto 10 mostrada en la figura 2 se calienta y moldea posteriormente para proporcionar una tira 10 que tiene un extremo de sección reducida, es decir, una parte de extremo 22 con una reducción en grosor t como se muestra en la figura 3.
La figura 3 muestra la parte de extremo 22 de la tira de la figura 2 después de conformar la misma para dar un extremo de sección reducida 30 según la invención. La parte principal 26 de la tira 10 tiene un perfil de sección transversal rectangular constante a lo largo de su longitud y está sustancialmente libre de huecos. La parte de extremo 22 ya no incluye rebajes y, en cambio, se reduce en grosor t hacia el extremo 24 de la tira. En esta realización particular, el extremo de sección reducida 30 se reduce en sección linealmente de tal manera que la parte de extremo 22 tiene un perfil generalmente triangular en la superficie lateral 18 de la misma. El extremo de sección reducida 22 define una superficie de extremo de sección reducida 31, que está inclinada con respecto a la primera superficie principal 14 de la parte principal 26 de la tira 10.
Antes de formar la reducción de sección 30, la tira 10 se calienta para ablandar el material de matriz termoplástica. En realizaciones particulares, la parte de extremo 22 de la tira 10 se coloca en un horno y se calienta. Más particularmente, la parte de extremo 22 se calienta a mayor o igual que la temperatura de transición vitrea del material de matriz termoplástica. En realizaciones, la parte de extremo22se calienta a una temperatura que está entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión del material termoplástico. En realizaciones, el horno se calienta a una temperatura superior a 60 °C, la temperatura de transición vítrea del material de matriz de HDPE, pero menos de 130 °C, la temperatura de fusión del HDPE. Por ejemplo, la parte de extremo 22 se calienta a entre 60 °C y 100 °C tal como entre 70 °C y 90 °C. La temperatura de transición vítrea puede establecerse mediante el uso del método de análisis térmico mecánico dinámico (DMTA).
El material de matriz calentado en la parte de extremo 22 es más blando que la parte principal 26 de la tira 10 y, por lo tanto, puede moldearse. Una vez ablandado, la parte de extremo 22 de la tira 10 puede entonces conformarse para dar la reducción de sección 30 deseada usando un molde de compresión.
Las figuras 4a y 4b ilustran un aparato de moldeo 41 que comprende un molde de compresión 40 para formar una reducción de sección 30 según una realización de la invención. La figura 4a es una vista lateral en sección transversal del aparato 41, mientras que la figura 4b es una vista frontal del molde de compresión 40 visto desde una dirección de alimentación indicada en la figura 4a.
Con referencia a la figura 4a, el molde de compresión 40 incluye una parte de molde superior 42 colocada por encima de la parte de extremo 22 y una parte de molde inferior 44 colocada por debajo de la parte de extremo 22 de la tira 10. Las partes de molde superior e inferior 42, 44 incluyen superficies de molde superior e inferior 46, 48 para ponerse en contacto con las superficies principales 14, 16 de la tira 10. En la realización ilustrada, la superficie de molde superior 46 es una placa plana inclinada con respecto a la primera superficie principal 14 de la tira 10. La superficie de molde inferior 48 también es una placa plana, que en este ejemplo es generalmente paralelo a la segunda superficie principal 16 de la tira 10.
Como se muestra mejor en la figura 4b, la parte de molde inferior comprende una cavidad 50 que define la superficie de molde inferior 48 y define además superficies laterales 52 separadas entre sí en la dirección de anchura 51 y una placa trasera plana 54 que se extiende entre las superficies laterales 52. En la realización ilustrada, la separación entre las superficies laterales 52 es sustancialmente igual a la anchura w de la tira 10 (como se indica en la figura 1).
Cada una de las partes de molde 42, 44 puede moverse una hacia la otra en la dirección de grosor t, como se muestra generalmente por las flechas 57 en la figura 4a, de modo que presionen contra las superficies principales opuestas 14, 16 de la tira 10 colocada entre las mismas. En otras realizaciones, el molde 40 puede configurarse de tal manera que solo una de las partes de molde se mueva para lograr la compresión requerida.
La presión sobre la parte de extremo 22 de la tira 10 ejercida por las partes de molde 42, 44 hace que la parte de extremo 22 se deforme y adopte una forma correspondiente a las superficies de molde 46, 48, es decir, una reducción de sección. Cuando la parte de extremo 22 está comprimida, el material de matriz termoplástica calentado en las estrías 27 (mostradas en la figura 2) se extiende en los rebajes adyacentes 28 del perfil en zigzag (mostrados en la figura 2) permitiendo que la parte de extremo 22 se forme en el perfil de extremo de sección reducida 30 mostrado en la figura 3.
Se apreciará que las formas triangulares de las estrías y rebajes 27, 28 mostrados en la figura 2 es ventajosa, dado que la mayor parte del material se retira en y es adyacente al extremo 24 de la tira donde la reducción en el grosor t es mayor, creando de ese modo más espacio para que la matriz termoplástica de las estrías 27 se extienda lateralmente en los rebajes en el extremo 24 de la tira 10.
El posicionamiento relativo de las superficies de molde superior e inferior 46, 48 forma el grosor reducido deseado. Las superficies laterales 52 y la placa trasera 54 garantizan que la anchura w y la longitud I de la tira 10 permanezcan sustancialmente constantes durante el moldeo, de modo que cualquier material termoplástico se extienda hacia fuera bajo la presión de las superficies superior e inferior 46, 48 no se extiende más allá de las superficies laterales 52 o la placa trasera 54.
Las partes de molde 42, 44 también pueden calentarse para ablandar y/o mantener la temperatura elevada del material termoplástico durante la compresión y, por lo tanto, mejorar la capacidad de moldeo del mismo. En la realización ilustrada, las partes de molde 42, 44 pueden calentarse a una temperatura mayor o igual a 60 °C.
La parte de extremo 22 de la tira 10 puede alimentarse opcionalmente, en una dirección de alimentación indicada por la flecha 55, de tal manera que esté entre las dos partes de molde 42, 44 por un par de rodillos 56, como se muestra en la figura 4a.
Debido al volumen reducido de material en la parte de extremo 22, se produce poco o ningún material de desecho o 'exceso de material' (del inglés,flash)durante el moldeo por compresión. A medida que tanto las fibras como el material de matriz se retiran para formar el perfil en zigzag (mostrado en la figura 2), la fracción de volumen de fibra de la parte de extremo de sección reducida 30 es ventajosamente similar y de manera sustancialmente preferible igual a la fracción de volumen de fibra de la parte principal 24 de la tira 10.
La parte de extremo 22 puede enfriarse luego mediante cualquier método conocido en la técnica para solidificar el material de matriz termoplástica en la parte de extremo de sección reducida 22. Después de enfriar, el material termoplástico de la parte de extremo 22 tiene sustancialmente las mismas propiedades que el material termoplástico de la parte principal 24 de la tira 10. No se añaden concentraciones de tensión a la parte de extremo 22 de la tira 10 durante el proceso de reducción de sección. En ciertas realizaciones, el material de matriz puede enfriarse mientras todavía está bajo la presión proporcionada por las partes de molde 42, 44. Por ejemplo, las partes de molde pueden incluir circuitos de calentamiento y/o enfriamiento en las mismas.
La figura 5 muestra una parte de extremo 122 de una tira de material compuesto 110 que tiene una reducción de sección 130 según una realización adicional de la invención. La parte de extremo 122 difiere de la realización de la figura 3 en que la parte de extremo 122 tiene una reducción de sección escalonada. Más particularmente, la parte de extremo tiene dos, regiones de sección reducida separadas 130a, 130b y una región 131 que tiene poca o ninguna reducción de sección situada entre las regiones de sección reducida 130a, 130b.
La figura 6 es una vista detallada de una parte de extremo 222 de una tira de material compuesto 210 que tiene una reducción de sección 130 según otra realización adicional de la invención. La parte de extremo 222 difiere de la realización de la figura 3 y 5 en que la reducción de sección 230 resultante tiene un perfil parabólico o reducción de sección curvada.
Las reducciones de sección 130, 230 mostrados en las figuras 5 y 6 pueden crearse mediante el mismo método descrito anteriormente en relación con la figura 3 y usando superficies de moldeo conformadas de manera correspondiente.
En cualquiera de las realizaciones descritas, la reducción de sección 30, 130, 230 puede tener un gradiente de 1:100. Por ejemplo, para una tira de 5 mm de grosor, la reducción de sección comienza en 500 mm desde el extremo de la tira y el grosor en el extremo de la tira es 0 mm. En realizaciones adicionales, la reducción de sección podría tener un gradiente de entre 1:50 y 1:200, y preferiblemente aproximadamente 1:100.
En general, la presente invención implica proporcionar una tira de material compuesto que comprende un material termoplástico y formar una parte de extremo de la tira en una forma de sección reducida usando calor y presión. Antes de la conformación por calor, puede retirarse material de la parte de extremo de la tira de material compuesto. La retirada de material da como resultado que la parte de extremo tenga un volumen menor de material compuesto por unidad de longitud que una parte principal de la tira. Por consiguiente, la reducción de sección resultante puede tener ventajosamente una fracción de volumen de fibra similar a la parte principal de la tira.
El moldeo de la reducción de sección como se describió anteriormente presenta un número de ventajas en comparación con las técnicas de reducción de sección conocidas, como el rectificado. Por ejemplo, el método puede proporcionar una forma más segura y fácil de producir una tira de sección reducida. El método también puede reducir tensiones residuales en la superficie de la tira que pueden ser causadas por mecanizado.
Se apreciará que el método anterior no sería posible con tiras formadas a partir de un material de matriz termoestable, que se usa normalmente en tales tiras, debido a que los materiales de matriz termoestables no pueden conformarse de nuevo mediante moldeo. Como se conoce en la técnica, los materiales termoplásticos se vuelven plásticos o deformables cuando se calientan y luego se endurecen cuando se enfrían. El calentamiento del material termoplástico no cambia sustancialmente las propiedades químicas del termoplástico, en comparación con materiales termoestables en los que se produce una reticulación irreversible. Materiales termoplásticos, en contraste con los termoestables, también pueden reciclarse más fácilmente, por lo tanto, las tiras de la presente invención proporcionan la ventaja de que pueden reciclarse al final de su vida útil.
Otra ventaja de la presente invención es que implica la deformación solo en una región localizada de la tira. La deformación de solo una región localizada relativamente pequeña de la tira requiere solo una energía de calentamiento mínima y se puede lograr rápidamente con un mínimo de mano de obra y herramientas en comparación con el calor que forma toda la tira, por ejemplo. Por lo tanto, las herramientas pueden ser compactas y de bajo coste.
En realizaciones, la tira de material compuesto que va a reducirse en sección se forma mediante un proceso de pultrusión 60 como se ilustra en la figura 7. El método de reducción de sección como se describió anteriormente puede incorporarse en el proceso 60 para formar la tira 10. En el proceso de pultrusión 60, las fibras de carbono 62 se extraen de al menos un carrete continuo 64 en una dirección de proceso mediante un dispositivo de tracción (no mostrado). Las fibras 62 se dirigen a través de un suministro de material de matriz termoplástico fundido 66, mediante rodillos 68 que mantienen la tensión en las fibras 62. Las fibras impregnadas con matriz 70 se tiran luego a través de un troquel 72 que tiene un perfil de sección transversal para formar el material en la conformación final de sección transversal deseada de la tira 10. A continuación, la tira 10 se enfría en una estación de enfriamiento 74 para solidificar el material de matriz 66 y colocar la tira 10.
El enfriamiento de la tira 10 puede realizarse usando cualquier medio conocido en la técnica. Por ejemplo, la estación de enfriamiento 74 puede comprender un tanque de agua, una corriente de aire frío o una camisa de enfriamiento. La temperatura a la que se enfría la tira 10 puede controlarse para lograr propiedades mecánicas óptimas como se conoce en la técnica.
Como se apreciará, la temperatura de la tira 10 puede controlarse para lograr propiedades óptimas a medida que avanza a través de cualquier sección del proceso de pultrusión 60, por ejemplo, usando calentadores y/o enfriadores.
El proceso de pultrusión 60 produce una tira continua 10 que tiene un perfil de sección transversal constante a lo largo de su longitud. La tira 10 se corta en partes discretas mediante un dispositivo de corte 76. Las partes de material sometido a pultrusión se enrollan en carretes para su posterior procesamiento, tal como el método de reducción de sección descrito anteriormente. Las partes de material sometido a pultrusión se dividen posteriormente en longitudes más pequeñas adecuadas para su uso en una tapa de larguero de una turbina eólica.
El corte puede realizarse como parte del proceso de pultrusión u otro proceso de formación de tiras o puede ser una etapa de procesamiento posterior. Por ejemplo, las tiras 10 pueden cortarse primero en la longitud deseada (por ejemplo, formando un borde recto de la tira) y cortarse posteriormente para formar los rebajes 28 como se describió anteriormente. Alternativamente, los rebajes 28 pueden formarse en las tiras 10 con el corte de división, por ejemplo, los medios de corte 76 pueden comprender una troqueladora que tiene un perfil en zigzag.
El aparato de reducción de sección mostrado en las figuras 4a y 4b puede proporcionarse opcionalmente en línea con el aparato de pultrusión.
Aunque las realizaciones anteriores se refieren a tiras sometidas a pultrusión, se apreciará que la invención también podría aplicarse a tiras reforzadas con fibra fabricadas mediante otros métodos adecuados para formar tiras de material compuesto termoplásticas, incluyendo, pero sin limitarse a, la extrusión y la laminación.
El material de matriz termoplástica puede aplicarse a las fibras por cualquier medio conocido en la técnica. Por ejemplo, en el proceso de la figura 1, las fibras se hacen pasar por un baño de material de matriz líquido. Alternativamente, el material de matriz puede pulverizarse sobre las fibras o extruirse sobre las mismas.
Aunque el material de matriz de la realización descrita comprende HDPE, podrían usarse otros polímeros termoplásticos de forma adicional o alternativa sin apartarse del alcance de la invención. En otra realización, por ejemplo, el material de matriz puede comprender polipropileno o acrílico, por ejemplo ABS o ASA. El material de matriz termoplástica puede comprender un polímero que puede ser un polímero termoplástico de alto peso molecular, incluyendo, pero sin limitarse a, polipropileno, polietileno, nailon, PEI (polieterimida) y copolímeros, más preferiblemente, polipropileno y/o polietileno. Otros polímeros termoplásticos adecuados para su uso en la presente invención pueden incluir, por ejemplo, poliolefinas, policarbonatos, poliamidas, cetonas de poliéter, polieterimidas, cetonas de poliarileno, polímeros de cristal líquido, fluoropolímeros de sulfuros de poliarileno, poliacetales, poliuretanos, policarbonatos, polímeros estirénicos, y otros polímeros termoplásticos conocidos en la técnica.
Las fibras continuas empleadas en la presente invención pueden formarse a partir de cualquier material de fibra convencional conocido en la técnica, tales como fibras metálicas; fibras de vidrio, fibras de carbono (por ejemplo, grafito), fibras de boro, fibras cerámicas (por ejemplo, alúmina o sílice), fibras de aramida, fibras orgánicas sintéticas y diversos otros materiales fibrosos orgánicos o inorgánicos naturales o sintéticos conocidos para reforzar materiales compuestos termoplásticos. Las fibras de vidrio y las fibras de carbono son particularmente deseables para su uso en las fibras continuas.
Aunque las realizaciones descritas se refieren a la reducción de sección de una tira que tiene una sección transversal sustancialmente rectangular, el experto apreciaría que la presente invención podría aplicarse a tiras de material compuesto que tienen formas de sección transversal alternativas. Por ejemplo, la tira podría tener un perfil curvo o cualquier otra forma alternativa como se conoce en la técnica. En estas realizaciones, las partes de molde se conformarían correspondientemente. En particular, el método dado a conocer permite una reducción de sección efectiva que habría sido extremadamente difícil de lograr mediante el rectificado de un perfil curvado.
Se pueden usar perfiles de extremo alternativos para reducir el volumen de material compuesto en la parte de extremo antes del moldeo, adicional o alternativamente al perfil en zigzag descrito. Por ejemplo, el extremo puede tener un perfil sinusoidal, con dentado de sierra, con muescas u ondulado o cualquier otra geometría regular o irregular que daría como resultado rebajes. En realizaciones alternativas, el extremo puede comprender un número menor de muescas separadas. Las muescas pueden ser triangulares, cuadradas o semicirculares, por ejemplo.
Se apreciará que los rebajes descritos en relación con cualquiera de las realizaciones anteriores pueden formarse usando otras técnicas conocidas en la técnica, tales como por chorro de agua, corte con láser, cuchillas ultrasónicas o una hoja de sierra guiada.
Además, la parte de extremo puede calentarse por otros medios conocidos en la técnica, tales como calentamiento por infrarrojos.
En realizaciones en las que el material de matriz comprende polipropileno, el material de extremo puede calentarse a al menos 90 °C (la temperatura de transición vitrea de PP) y/o hasta 180 °C (la temperatura de fusión de PP).
Aunque el proceso descrito anteriormente se realiza en una parte de extremo de una tira que ya se ha cortado a la longitud deseada, se apreciará que el proceso también se puede aplicar a una parte de una tira que aún no se ha cortado. Por ejemplo, una tira puede comprender una línea de división a través de la cual la tira se cortará posteriormente. Una parte de la tira a cada lado de la línea de división formará partes de extremo de la tira después de cortar a lo largo de la línea de división. Antes del corte, el material puede retirarse de las partes de la tira y después la tira puede calentarse y reducirse en sección en dos direcciones hacia la línea de división. La tira puede cortarse posteriormente a lo largo de la línea de corte de modo que las tiras resultantes ya incluyan una reducción de sección. En tales realizaciones, la 'parte de extremo' que va a reducirse en sección sería la parte de la tira adyacente a la línea de corte que formaría la parte de extremo de la tira después del corte.
En realizaciones alternativas, las superficies laterales del molde pueden tener una separación variable entre las mismas. Por ejemplo, la separación entre las superficies laterales puede ser igual a la anchura de la tira sometida a pultrusión a lo largo de la parte principal de la misma o alternativamente puede tener superficies convergentes para crear una anchura reducida de la tira.
En realizaciones alternativas, la parte de molde superior o inferior podría fijarse de manera que la otra parte de la parte de molde superior o inferior se mueva con respecto a la parte fija. Las partes de molde pueden moverse una con respecto a la otra de cualquier manera de modo que ejerzan presión sobre las superficies de la tira que se va a reducir en sección.
Aunque la figura 4a muestra la tira alimentada por rodillos al molde, se prevén otros medios para colocar la tira entre las partes de molde. Por ejemplo, las tiras pueden colocarse en el molde manualmente o por medios robóticos. En realizaciones, el moldeo podría integrarse en el proceso de pultrusión de modo que el aparato de pultrusión tire de la tira hasta la posición como se muestra en la figura 7.
La parte de extremo de sección reducida de la tira, formada por cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, deseablemente, tiene sustancialmente la misma fracción de volumen de fibra que la parte restante de la tira. En algunas realizaciones, la fracción de volumen de fibra está dentro del 2 %, por ejemplo, dentro del 1 % o el 0,5 %, de la fracción de volumen de fibra de la parte principal de la tira. Una fracción de volumen de fibra más baja daría como resultado una rigidez, resistencia y resistencia a tracción más bajas hasta el fallo de esa parte de la tira, lo que podría conducir a una gran concentración de tensión localmente alrededor de la reducción de sección. Por consiguiente, una fracción de volumen de fibra más uniforme mejorará las propiedades mecánicas de la tira y el componente resultante.
Una tira de sección reducida formada según la invención puede apilarse junto con una pluralidad de otras tiras de sección reducida y unirse entre sí para formar una tapa de larguero de una pala de turbina eólica, por ejemplo. La figura 8 es una vista lateral que muestra una pluralidad de tiras de sección reducida 10a-c que forman un componente 80 tal como una tapa de larguero. Las tiras son de longitudes generalmente decrecientes desde la tira más inferior 10c hasta la tira más superior 10a de modo que los extremos respectivos de las tiras están escalonados. Por lo tanto, el componente 80 generalmente se reduce en grosor hacia su extremo. Las tiras 10a y 10b también tienen extremos de sección reducida 24a, 24b formados según los métodos descritos anteriormente. Los extremos de sección reducida 24a, 24b sirven para extender la trayectoria de carga entre tiras adyacentes 10 y evita discontinuidades abruptas entre las capas de manera que se evitan las concentraciones de tensión que pueden iniciar grietas o delaminación.
Las tiras 10a-c pueden unirse entre sí usando un adhesivo tal como resina. Se puede usar un proceso de infusión de resina, en el que se infunde resina líquida entre las tiras apiladas 10a-c para unir las superficies principales de las tiras adyacentes 10a-c en el apilamiento. Un revestimiento de material compuesto 100 puede estar dispuesto opcionalmente encima del apilamiento de tiras 10a-c para formar una superficie uniforme del componente 80.
La figura 9 es una vista en sección transversal de una pala 90 de rotor de turbina eólica que tiene una pluralidad de tapas de larguero 80a-d. La pala 90 tiene una carcasa exterior 92, que puede fabricarse a partir de dos medias carcasas. La carcasa se moldea a partir de plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP). Las partes de la carcasa exterior 92 son de construcción de panel sándwich y comprenden un núcleo de pala de espuma de bajo peso (por ejemplo, poliuretano), que se intercala entre capas de GRP interior y exterior o 'revestimientos'.
La pala comprende pares de tapas de larguero primero y segundo 80a-d dispuestas entre regiones de panel sándwich de la carcasa exterior 92. Una tapa de larguero de cada par está integrada con la carcasa de barlovento y la otra tapa de larguero de cada par está integrada con la carcasa de sotavento. Las tapas de larguero 80a-d de los pares respectivos son mutuamente opuestos y se extienden longitudinalmente a lo largo de la longitud de la pala 90. Una primera alma de cizallamiento que se extiende longitudinalmente 94 conecta a modo de puente el primer par de tapas de larguero 80a, 80b y una segunda alma de cizallamiento que se extiende longitudinalmente 96 conecta a modo de puente el segundo par de tapas de larguero 80c, 80d. Las almas de cizallamiento 94, 96 en combinación con las tapas de larguero 80a-d forman un par de estructuras de viga en I, que transfieren cargas efectivamente desde la pala de rotación 90 al buje de la turbina eólica (no mostrado). Las tapas de larguero 80a-d, en particular, transfieren cargas de flexión de tracción y compresión, mientras que las almas de cizallamiento 94, 96 transfieren tensiones de cizallamiento en la pala 90.
Cada tapa de larguero 80a-d tiene una sección transversal sustancialmente rectangular y está formada por un apilamiento de tiras sometidas a pultrusión 10, de las que algunas o todas tienen una parte de extremo de sección reducida como se describió anteriormente en relación con cualquiera de las realizaciones. El número de tiras 10 en el apilamiento depende del grosor de las tiras 10 y del grosor requerido de la carcasa, pero normalmente puede haber entre cuatro y doce tiras 10 en el apilamiento.
La presente invención no se limita a las realizaciones a modo de ejemplo descritas anteriormente y muchas otras variaciones o modificaciones serán evidentes para el experto en la técnica sin apartarse del alcance de la presente invención como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para fabricar un componente estructural (80) de una pala (90) de turbina eólica, comprendiendo el método:
    proporcionar una tira de material compuesto alargada (10) que comprende fibras estructurales dispuestas en una matriz termoplástica, comprendiendo la tira una parte de extremo (22) que define un extremo (24) de la tira;
    calentar la parte de extremo (22) de la tira (10); caracterizado por:
    conformar la parte de extremo (22) de la tira (10) para formar un extremo de sección reducida (30) de la tira comprimiendo la parte de extremo.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que conformar la parte de extremo (22) de la tira (10) comprende comprimir la parte de extremo entre las superficies de molde primera y segunda (46, 48).
  3. 3. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la parte de extremo (22) de la tira (10) está dotada de uno o más rebajes (28) antes de conformar la parte de extremo para formar el extremo de sección reducida (30).
  4. 4. Método según la reivindicación 3, en el que antes de conformar la parte de extremo (22) para formar el extremo de sección reducida (30), la parte de extremo tiene un perfil en zigzag en el que el uno o más rebajes (28) se definen entre estrías (27).
  5. 5. Método según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que el o cada rebaje (28) varía en anchura y tiene una anchura máxima en o adyacente al extremo (24) de la tira.
  6. 6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, que comprende retirar material de la parte de extremo (22) para formar el uno o más rebajes (28).
  7. 7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el uno o más rebajes (28) están formados por un corte de división en el que una tira más larga se divide en una pluralidad de tiras más cortas.
  8. 8. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende calentar la parte de extremo (22) a una temperatura que es mayor o igual que una temperatura de transición vítrea de la matriz termoplástica.
  9. 9. Método según cualquier reivindicación anterior, en el que la tira (10) es una tira sometida a pultrusión.
  10. 10. Método según cualquier reivindicación anterior, que comprende conformar la parte de extremo (22) de la tira (10) para definir una reducción de sección lineal o una reducción de sección parabólica o una reducción de sección escalonada.
  11. 11. Tira de material compuesto (10) que tiene un extremo de sección reducida formado por el método según cualquier reivindicación anterior.
  12. 12. Tira de material compuesto (10) según la reivindicación 11, en la que una fracción de volumen de fibra del extremo de sección reducida (30) es sustancialmente la misma que una fracción de volumen de fibra del resto de la tira.
  13. 13. Tapa de larguero (80) para una pala (90) de turbina eólica que comprende un apilamiento de tiras de material compuesto (10) integradas juntas, en la que una o más de las tiras de material compuesto es una tira según la reivindicación 11 o la reivindicación 12 o se fabrica según el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
  14. 14. Pala (90) de turbina eólica que comprende una tapa de larguero (80) según la reivindicación 13.
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