制造具有打印的网格结构的风力涡轮转子叶片面板的方法
阅读说明：本技术 制造具有打印的网格结构的风力涡轮转子叶片面板的方法 (Method of manufacturing a wind turbine rotor blade panel with a printed grid structure ) 是由 J.R.托宾 T.默茨霍伊泽 T.安德森 于 2018-11-05 设计创作，主要内容包括：一种用于制造风力涡轮的转子叶片面板的方法包括将转子叶片面板的模具相对于计算机数字控制(CNC)装置而放置。该方法还包括在模具中形成一个或多个纤维增强的外蒙皮。该方法还包括在一个或多个纤维增强的外蒙皮已从成型冷却之前经由CNC装置来将相交以形成至少一个三维(3D)增强网格结构的多个肋部件打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上。此外,在网格结构被沉积时,网格结构结合到(一个或多个)纤维增强的外蒙皮。另外,多个肋部件至少包括沿第一方向延伸的第一肋部件和沿不同的第二方向延伸的第二肋部件。此外,第一肋部件沿着其长度具有变化的高度。(A method for manufacturing a rotor blade panel for a wind turbine includes placing a mold of the rotor blade panel relative to a Computer Numerical Control (CNC) device. The method also includes forming one or more fiber-reinforced outer skins in the mold. The method further includes printing and depositing, via a CNC device, a plurality of rib members intersecting to form at least one three-dimensional (3D) reinforcing grid structure onto an interior surface of the one or more fiber reinforced outer skins before the one or more fiber reinforced outer skins have cooled from forming. Furthermore, the grid structure is bonded to the fiber-reinforced outer skin(s) when the grid structure is deposited. In addition, the plurality of rib members includes at least a first rib member extending in a first direction and a second rib member extending in a different second direction. Further, the first rib member has a varying height along its length.)
技术领域
本公开大体上涉及风力涡轮转子叶片，并且更特别地涉及制造具有打印的网格结构的风力涡轮转子叶片面板的方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、对环境最友好的能源之一，并且，在这点上，风力涡轮已得到越来越多的关注。现代的风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱以及一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理来捕获风的动能。转子叶片将动能以旋转能的形式传送，以便使将转子叶片联接到齿轮箱或在未使用齿轮箱的情况下将转子叶片直接地联接到发电机的轴转动。然后，发电机使机械能转换成可部署到公用电网的电能。
转子叶片大体上包括典型地使用模制过程来形成的吸力侧壳和压力侧壳，吸力侧壳和压力侧壳在沿着叶片的前缘和后缘的结合线处结合在一起。此外，压力壳和吸力壳是相对轻质的，并且具有并非构造成承受在操作期间施加于转子叶片上的弯曲力矩和其它负荷的结构性质(例如，刚度、抗屈曲性以及强度)。因而，为了提高转子叶片的刚度、抗屈曲性以及强度，典型地使用接合壳半部的内压力侧表面和内吸力侧表面的一个或多个结构构件(例如，相对的翼梁帽，在其之间构造有抗剪腹板)来增强主体壳。
翼梁帽典型地由包括但不限于玻璃纤维层压复合物和/或碳纤维层压复合物的多种材料构成。通过使纤维织物层堆叠于壳模具中而大体上围绕叶片的翼梁帽构建转子叶片的壳。然后，典型地，例如利用热固性树脂来将层一起灌注。因此，常规的转子叶片大体上具有夹层面板构造。照此，大型转子叶片的常规叶片制造涉及高劳动力成本、慢生产率以及昂贵的模具工具的低利用率。此外，定制叶片模具可能是昂贵的。
因而，用于制造转子叶片的方法可包括成节段地形成转子叶片。然后，叶片节段可被组装，以形成转子叶片。例如，一些现代的转子叶片(诸如，在提交于2015年6月29日并且标题为“模块化风力涡轮转子叶片及其组装方法(Modular Wind Turbine Rotor Bladesand Methods of Assembling Same)”的申请号为14/753137的美国专利申请(该申请通过引用而以其整体并入本文中)中描述的那些叶片)具有模块化面板构造。因而，模块化叶片的多种叶片构件可基于叶片构件的功能和/或位置而由变化的材料构成。
鉴于前文，本领域不断寻求用于制造风力涡轮转子叶片面板的改进的方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而为显然的，或可通过实践本发明而了解。
在一个方面，本公开涉及一种用于制造转子叶片面板的方法。该方法包括将转子叶片面板的模具相对于计算机数字控制(CNC)装置而放置。该方法还包括在模具中形成一个或多个纤维增强的外蒙皮。该方法还包括在一个或多个纤维增强的外蒙皮已从成型冷却之前经由CNC装置来将多个肋部件打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上，多个肋部件形成至少一个三维(3D)增强网格结构。此外，在网格结构被沉积时，网格结构结合到(一个或多个)纤维增强的外蒙皮。另外，多个肋部件至少包括沿第一方向延伸的第一肋部件和沿不同的第二方向延伸的第二肋部件。此外，第一肋部件沿着其长度具有变化的高度。
在另一方面，本公开涉及一种用于制造转子叶片面板的方法。该方法包括将一个或多个纤维增强的外蒙皮放置到转子叶片面板的模具中。该方法还包括经由计算机数字控制(CNC)装置来将多个肋部件打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上，多个肋部件在多个节点处相交以形成至少一个三维(3D)增强网格结构。此外，在网格结构被沉积时，网格结构结合到一个或多个纤维增强的外蒙皮。此外，在节点处相交的肋部件的一个或多个高度是不同的。
在又一方面，本公开涉及一种用于制造转子叶片面板的方法。该方法包括将转子叶片面板的模具相对于计算机数字控制(CNC)装置而放置。此外，该方法包括在模具中形成一个或多个纤维增强的外蒙皮。该方法还包括在一个或多个纤维增强的外蒙皮已从成型冷却之前经由CNC装置来将至少一个三维(3D)增强网格结构打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上。照此，在网格结构正被沉积时，网格结构结合到一个或多个纤维增强的外蒙皮。此外，网格结构包括至少一个弯曲肋部件。
在另外的另一方面，本公开涉及一种用于制造转子叶片面板的方法。该方法包括将一个或多个纤维增强的外蒙皮放置到转子叶片面板的模具中。该方法还包括经由计算机数字控制(CNC)装置来将多个肋部件打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面上，多个肋部件形成至少一个三维(3D)增强网格结构。此外，在网格结构被沉积时，网格结构结合到一个或多个纤维增强的外蒙皮。此外，该方法包括将至少一个额外的特征打印到网格结构中。
在又一方面，本公开涉及一种转子叶片面板。转子叶片面板包括具有一个或多个纤维增强的外蒙皮的外表面。此外，转子叶片面板包括固定到一个或多个纤维增强的外蒙皮的内表面的打印的网格结构。网格结构包括被打印到网格结构中的多个肋部件和至少一个额外的特征。此外，多个肋部件至少包括沿第一方向延伸的第一肋部件和沿不同的第二方向延伸的第二肋部件。此外，第一肋部件沿着其长度具有变化的高度。
参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其部分的附图图示了本发明的实施例，并与描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了本发明(包括其最佳模式)的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开，在附图中：
图1图示了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2图示了根据本公开的风力涡轮的转子叶片的一个实施例的透视图；
图3图示了图2的模块化转子叶片的分解视图；
图4图示了根据本公开的模块化转子叶片的前缘节段的一个实施例的横截面视图；
图5图示了根据本公开的模块化转子叶片的后缘节段的一个实施例的横截面视图；
图6图示了根据本公开的图2的模块化转子叶片的横截面视图；
图7图示了根据本公开的图2的模块化转子叶片的横截面视图；
图8图示了转子叶片面板的模具的一个实施例的侧视图，特别地图示了放置于模具中的外蒙皮，其中多个网格结构被打印到外蒙皮；
图9图示了根据本公开的网格结构的一个实施例的透视图；
图10图示了根据本公开的转子叶片面板的模具的一个实施例的透视图，其中三维打印机定位于模具上方，以便将网格结构打印到模具；
图11图示了根据本公开的转子叶片面板的模具的一个实施例的透视图，其中三维打印机定位于模具上方，并且将网格结构的轮廓打印到模具；
图12图示了根据本公开的转子叶片面板的模具的一个实施例的透视图，其中三维打印机定位于模具上方，并且将网格结构打印到模具；
图13图示了根据本公开的网格结构的第一肋部件的一个实施例的横截面视图；
图14图示了根据本公开的网格结构的第一肋部件的另一实施例的横截面视图；
图15图示了根据本公开的网格结构的一个实施例的俯视图；
图16图示了根据本公开的网格结构的第一肋部件和相交的第二肋部件的一个实施例的横截面视图；
图17图示了根据本公开的网格结构的第二肋部件的一个实施例的侧视图；
图18图示了根据本公开的网格结构的一个实施例的俯视图，特别地图示了网格结构的以随机图案布置的肋部件；
图19图示了根据本公开的网格结构的另一实施例的透视图，特别地图示了网格结构的以随机图案布置的肋部件；
图20图示了根据本公开的网格结构的另一实施例的透视图，特别地图示了具有弯曲肋部件的网格结构；
图21图示了根据本公开的网格结构的屈曲负荷因子(y轴线)与重量比(x轴线)的关系的一个实施例的曲线图；
图22图示了根据本公开的打印的网格结构的一个实施例的局部俯视图，特别地图示了网格结构的节点；
图23图示了根据本公开的打印的网格结构的一个实施例的局部俯视图，特别地图示了网格结构的开始打印位置和终止打印位置；
图24图示了根据本公开的网格结构的打印的肋部件的一个实施例的正视图，特别地图示了网格结构的肋部件中的一个的基座区段，基座区段具有比肋部件的剩余部分更宽并且更薄的横截面，以便改进网格结构到转子叶片面板的外蒙皮的结合；
图25图示了根据本公开的网格结构的另一实施例的俯视图，特别地图示了打印到网格结构的额外的特征；
图26图示了根据本公开的具有布置于其中的打印的网格结构的转子叶片的一个实施例的横截面视图，特别地图示了对准特征，对准特征被打印到网格结构，以用于接纳翼梁帽和抗剪腹板；
图27图示了图25的转子叶片的局部横截面视图，特别地图示了额外的特征，额外的特征被打印到网格结构，以用于控制粘合剂挤出；
图28图示了根据本公开的具有布置于其中的打印的网格结构的转子叶片的一个实施例的横截面视图，特别地图示了打印到网格结构的凸形面板对准特征和凹形面板对准特征；
图29图示了根据本公开的网格结构的又一实施例的俯视图，特别地图示了打印到网格结构的辅助特征；
图30图示了根据本公开的转子叶片面板的一个实施例的横截面视图，特别地图示了打印到转子叶片面板的内表面的多个网格结构；以及
图31图示了图30的转子叶片面板的前缘的局部横截面视图，特别地图示了多个粘合剂间隙。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。各个示例通过本发明的解释而非本发明的限制的方式来提供。实际上，对于本领域技术人员来说将为明显的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出多种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可与另一实施例一起使用以产生另外的其它实施例。因而，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
大体上，本公开涉及用于经由诸如3D打印、增材制造、自动化纤维沉积的工艺以及利用CNC控制和多个自由度来使材料沉积的其它技术而使用材料的自动化沉积来制造用于风力涡轮转子叶片的网格结构的方法。照此，本公开的网格结构可用于增强用于风力涡轮转子叶片的外蒙皮。网格形状可针对最大屈曲负荷因子与重量和打印速度的关系而优化。此外，增材制造允许有与常规的夹层面板相比而更大程度地定制的增强。
因而，本文中所描述的方法提供在现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开的方法提供容易地定制具有多种曲率、空气动力学特性、强度、刚度等的叶片结构的能力。照此，本公开的打印的结构可设计成与现有的用于转子叶片的夹层面板的刚度和/或抗屈曲性匹配。更具体地，可基于所需要的局部抗屈曲性而更容易地定制本公开的转子叶片及其构件。另外的其它优点包括如下的能力：局部地并且暂时地屈曲以减小负荷，和/或调谐转子叶片的谐振频率以避免问题频率。此外，本文中所描述的网格结构实现转子叶片的弯曲-扭转联接。
另外，本公开的方法提供高的自动化水平、更快的生产率以及降低的工具成本和/或更高的工具利用率。此外，本公开的转子叶片构件(尤其是利用热塑性材料来生产的转子叶片构件)可不需要粘合剂，由此排除了成本问题、质量问题以及与结合糊剂相关联的额外的重量。
现在参考附图，图1图示了根据本公开的风力涡轮10的一个实施例。如所示出的，风力涡轮10包括塔架12，塔架12上安装有机舱14。多个转子叶片16安装到转子毂18，转子毂18继而连接到主凸缘，该主凸缘使主转子轴转动。风力涡轮发电和控制构件容纳于机舱14内。仅出于说明性目的而提供图1的视图，以将本发明置于示例性使用领域中。应当认识到，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮构造。另外，本发明不限于与风力涡轮一起使用，而是可在具有转子叶片的任何应用中利用。此外，本文中所描述的方法还可适用于制造受益于如下的过程的任何类似结构：在蒙皮已冷却之前，在模具内将结构直接地打印到蒙皮，以便利用来自蒙皮的热，以提供打印的结构与蒙皮之间的充分结合。照此，排除了对于额外的粘合剂或额外的固化的需要。
现在参考图2和图3，图示了根据本公开的转子叶片16的多种视图。如所示出的，所图示的转子叶片16具有分节段或模块化的构造。还应当理解，转子叶片16可包括在本领域中现在已知或以后开发的任何其它合适的构造。如所示出的，模块化转子叶片16包括至少部分地由热固性材料和/或热塑性材料构成的主叶片结构15和与主叶片结构15一起构造的至少一个叶片节段21。更具体地，如所示出的，转子叶片16包括多个叶片节段21。(一个或多个)叶片节段21也可至少部分地由热固性材料和/或热塑性材料构成。
如本文中所描述的热塑性转子叶片构件和/或材料大体上包含在性质上可逆的塑性材料或聚合物。例如，热塑性材料典型地在被加热到某个温度时变得柔韧或可模制，并且在冷却时返回到刚性更大的状态。此外，热塑性材料可包括无定形热塑性材料和/或半结晶热塑性材料。例如，一些无定形热塑性材料可大体上包括但不限于苯乙烯、乙烯树脂、纤维素塑料、聚酯、丙烯酸树脂、聚砜和/或酰亚胺。更具体地，示例性无定形热塑性材料可包括聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙二醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET-G)、聚碳酸酯、聚乙酸乙烯酯、无定形聚酰胺、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯、聚氨酯或任何其它合适的无定形热塑性材料。另外，示例性半结晶热塑性材料可大体上包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、含氟聚合物、甲基丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或乙缩醛。更具体地，示例性半结晶热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚醚酮或任何其它合适的半结晶热塑性材料。
此外，如本文中所描述的热固性构件和/或材料大体上包含在性质上不可逆的塑性材料或聚合物。例如，热固性材料一旦固化，就不可容易地再模制或返回到液体状态。照此，在初始成型之后，热固性材料大体上耐热、耐腐蚀和/或耐蠕变。示例热固性材料可大体上包括但不限于一些聚酯、一些聚氨酯、酯、环氧树脂或任何其它合适的热固性材料。
另外，如所提到的，如本文中所描述的热塑性材料和/或热固性材料可任选地利用纤维材料来增强，该纤维材料包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维或类似物或它们的组合。另外，纤维的方向可包括多轴方向、单向方向、双轴方向、三轴方向或任何其它的另一合适的方向和/或它们的组合。此外，纤维含量可取决于对应的叶片构件中所需的刚度、叶片构件在转子叶片16中的区域或位置和/或构件的期望的可焊接性而变化。
更具体地，如所示出的，主叶片结构15可包括下者中的任一个或下者的组合：预成型的叶片根部区段20、预成型的叶片末梢区段22、一个或多个一个或多个连续翼梁帽48、50、51、53、一个或多个抗剪腹板35(图6-7)、固定到叶片根部区段20的额外的结构构件52和/或转子叶片16的任何其它合适的结构构件。此外，叶片根部区段20构造成安装或以其它方式固定到转子18(图1)。另外，如图2中所示出的，转子叶片16限定翼展23，翼展23等于叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间的总长度。如图2和图6中所示出的，转子叶片16还限定翼弦25，翼弦25等于转子叶片16的前缘24与转子叶片16的后缘26之间的总长度。如大体上理解的，翼弦25可大体上随着转子叶片16从叶片根部区段20延伸到叶片末梢区段22而相对于翼展23在长度上变化。
特别地参考图2-4，具有任何合适的尺寸和/或形状的任何数量的叶片节段21或面板可大体上沿大体上翼展方向的方向沿着纵向轴线27布置于叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间。因而，叶片节段21大体上用作转子叶片16的外壳/覆盖件，并且可诸如通过限定对称或弧形的翼型件形状的横截面而限定基本上空气动力学的外形。在额外的实施例中，应当理解，叶片16的叶片节段部分可包括本文中所描述的节段的任何组合，并且不限于如所描绘的实施例。另外，叶片节段21可由包括但不限于任选地利用一种或多种纤维材料来增强的热固性材料或热塑性材料的任何合适的材料构成。更具体地，在某些实施例中，叶片面板21可包括下者中的任一个或下者的组合：压力侧节段44和/或吸力侧节段46(图2和图3)、前缘节段40和/或后缘节段42(图2-6)、无接头式节段、单接头式节段、多接头式叶片节段、J形叶片节段或类似物。
更具体地，如图4中所示出的，前缘节段40可具有前压力侧表面28和前吸力侧表面30。类似地，如图5中所示出的，后缘节段42中的各个可具有后压力侧表面32和后吸力侧表面34。因而，前缘节段40的前压力侧表面28和后缘节段42的后压力侧表面32大体上限定转子叶片16的压力侧表面。类似地，前缘节段40的前吸力侧表面30和后缘节段42的后吸力侧表面34大体上限定转子叶片16的吸力侧表面。另外，如在图6中特别地示出的，(一个或多个)前缘节段40和(一个或多个)后缘节段42可在压力侧接缝36和吸力侧接缝38处联结。例如，叶片节段40、42可构造成在压力侧接缝36和/或吸力侧接缝38处重叠。此外，如图2中所示出的，相邻的叶片节段21可构造成在接缝54处重叠。因而，在叶片节段21至少部分地由热塑性材料构成的情况下，相邻的叶片节段21可沿着接缝36、38、54焊接在一起，将在本文中对此更详细地进行讨论。备选地，在某些实施例中，转子叶片16的多种节段可经由构造于重叠的前缘节段40和后缘节段42和/或重叠的相邻的前缘节段40或后缘节段42之间的粘合剂(或机械紧固件)来固定在一起。
在具体实施例中，如图2-3和图6-7中所示出的，叶片根部区段20可包括与其一起被灌注的一个或多个纵向地延伸的翼梁帽48、50。例如，叶片根部区段20可根据标题为“用于模块化转子叶片的叶片根部区段及其制造方法(Blade Root Section for a ModularRotor Blade and Method of Manufacturing Same)”的提交于2015年6月29日的申请号为14/753155的美国申请而构造，该美国申请通过引用而以其整体并入本文中。
类似地，叶片末梢区段22可包括与其一起被灌注的一个或多个纵向地延伸的翼梁帽51、53。更具体地，如所示出的，翼梁帽48、50、51、53可构造成抵靠转子叶片16的叶片节段21的相对的内表面而接合。此外，叶片根部翼梁帽48、50可构造成与叶片末梢翼梁帽51、53对准。因而，翼梁帽48、50、51、53可大体上设计成控制在风力涡轮10的操作期间沿大体上翼展方向的方向(与转子叶片16的翼展23平行的方向)作用于转子叶片16上的弯曲应力和/或其它负荷。另外，翼梁帽48、50、51、53可设计成承受在风力涡轮10的操作期间发生的翼展方向的压缩。此外，(一个或多个)翼梁帽48、50、51、53可构造成从叶片根部区段20延伸到叶片末梢区段22或其部分。因而，在某些实施例中，叶片根部区段20和叶片末梢区段22可经由它们相应的翼梁帽48、50、51、53来联结在一起。
另外，翼梁帽48、50、51、53可由任何合适的材料(例如热塑性材料或热固性材料或它们的组合)构成。此外，翼梁帽48、50、51、53可由热塑性树脂或热固性树脂拉挤而成。如本文中所使用的，用语“拉挤”、“拉挤成型件”或类似用语大体上包含利用树脂来浸渍并且被牵拉通过固定模使得树脂固化或经历聚合的增强材料(例如，纤维或机织股线或编织股线)。照此，制造拉挤部件的过程典型地以生产具有恒定横截面的复合零件的复合材料的连续过程为特征。因而，预固化的复合材料可包括由增强的热固性材料或热塑性材料构成的拉挤成型件。此外，翼梁帽48、50、51、53可由相同的预固化的复合物或不同的预固化的复合物形成。另外，拉挤构件可由粗纱生产，粗纱大体上包含长且窄的纤维束，这些纤维束未组合，直到通过固化的树脂而联结。
参考图6-7，一个或多个抗剪腹板35可构造于一个或多个翼梁帽48、50、51、53之间。更特别地，(一个或多个)抗剪腹板35可构造成提高叶片根部区段20和/或叶片末梢区段22中的刚性。此外，(一个或多个)抗剪腹板35可构造成将叶片根部区段20封闭。
另外，如图2和图3中所示出的，额外的结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且沿大体上翼展方向的方向延伸，以便向转子叶片16提供进一步的支承。例如，结构构件52可根据标题为“用于模块化转子叶片的结构构件(Structural Component for a ModularRotor Blade)”的提交于2015年6月29日的申请号为14/753150的美国申请而构造，该美国申请通过引用而以其整体并入本文中。更具体地，结构构件52可在叶片根部区段20与叶片末梢区段22之间延伸任何合适的距离。因而，结构构件52构造成提供如本文中所描述的用于转子叶片16的额外的结构支承件以及用于多种叶片节段21的任选的安装结构。例如，在某些实施例中，结构构件52可固定到叶片根部区段20，并且可延伸预确定的翼展方向的距离，使得前缘节段40和/或后缘节段42可安装到结构构件52。
现在参考图8-19，本公开涉及用于制造具有经由3D打印来形成的至少一个打印的增强网格结构62的转子叶片面板21(例如，诸如图2-7中所图示的叶片节段)的方法。照此，在某些实施例中，转子叶片面板21可包括压力侧表面、吸力侧表面、后缘节段、前缘节段或它们的组合。如本文中所使用的，3D打印大体上被理解成包含用于合成三维物体的过程，在该过程中，在计算机控制下形成连续的材料层，以产生物体。照此，可根据数字模型数据来生产几乎任何尺寸和/或形状的物体。应当进一步理解，本公开的方法不限于3D打印，而是还可包含多于三个的自由度，使得打印技术不限于打印堆叠的二维层，而是还能够打印弯曲形状。
特别地参考图10，该方法的一个实施例包括将转子叶片面板21的模具58相对于CNC装置60而放置。更具体地，如在所图示的实施例中示出的，该方法可包括将模具58放置到CNC装置60的底座(bed)61中。备选地，该方法可包括将模具58放置于CNC装置60下面或放置成与CNC装置60相邻。此外，如图8和图10中所示出的，本公开的方法进一步包括在转子叶片面板21的模具58中形成一个或多个纤维增强的外蒙皮56。在某些实施例中，(一个或多个)外蒙皮56可包括一个或多个连续多轴(例如，双轴)纤维增强的热塑性或热固性外蒙皮。此外，在特定实施例中，形成纤维增强的外蒙皮56的方法可包括下者中的至少一个：注射模制、3D打印、2D拉挤成型、3D拉挤成型、热成型、真空成型、压力成型、气囊成型、自动化纤维沉积、自动化纤维带沉积或真空灌注。
另外，如所示出的，转子叶片面板21的(一个或多个)外蒙皮56可为弯曲的。在这样的实施例中，该方法可包括形成纤维增强的外蒙皮56的弯曲。这样的形成可包括：提供一个或多个大体上平坦的纤维增强的外蒙皮；迫使外蒙皮56成为与期望的轮廓对应的期望的形状；以及在打印和沉积期间，将外蒙皮56维持在期望的形状。照此，当外蒙皮56和打印到外蒙皮56的网格结构62被释放时，外蒙皮56大体上保持其期望的形状。另外，CNC装置60可适于包括依随转子叶片面板21的轮廓的工具路径。
该方法还包括经由CNC装置60来将网格结构62直接地打印并且沉积到(一个或多个)纤维增强的外蒙皮56。更具体地，如图9、图10、图12以及图15中所示出的，CNC装置60构造成将多个肋部件64打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮56的内表面上，多个肋部件64在多个节点74处相交，以形成网格结构62。备选地，如图20中所示出的，CNC装置60还可打印并且沉积不相交以形成网格结构62的弯曲肋部件64。换而言之，任何合适的形状的网格结构都可如期望那样被打印并且沉积。照此，在某些实施例中，在结构62正被沉积时，网格结构62可结合到(一个或多个)纤维增强的外蒙皮56，这排除了对于额外的粘合剂和/或固化时间的需要。
例如，在一个实施例中，CNC装置60构造成在(一个或多个)所形成的蒙皮56达到使打印的肋部件64能够结合到(一个或多个)所形成的蒙皮56的期望的状态(即，基于温度、时间和/或硬度的一个或多个参数)之后将肋部件64打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮56的内表面上。因此，在某些实施例(其中，网格结构62和(一个或多个)蒙皮56由热塑性基体形成)中，CNC装置60可即刻将肋部件64打印到(一个或多个)蒙皮56，因为(一个或多个)蒙皮56的成型温度和用以实现热塑性焊接/结合的期望的打印温度可为相同的。更具体地，在特定实施例中，在(一个或多个)蒙皮56已从成型冷却之前(即，在蒙皮仍然热或暖时)，CNC装置60构造成将肋部件64打印并且沉积到一个或多个纤维增强的外蒙皮56的内表面上。例如，在一个实施例中，CNC装置60构造成在蒙皮56已完全地冷却之前将肋部件64打印并且沉积到外蒙皮56的内表面上。另外，在另一实施例中，CNC装置60构造成在蒙皮56已部分地冷却时将肋部件64打印并且沉积到外蒙皮56的内表面上。因而，适合于网格结构62和外蒙皮56的材料可选取成使得网格结构62在沉积期间结合到外蒙皮56。因此，本文中所描述的网格结构62可使用相同材料或不同材料来打印。
例如，在一个实施例中，可使用真空灌注来将热固性材料灌注到模具58上的纤维材料中以形成外蒙皮56。照此，在固化之后移除真空袋，并且然后，一个或多个热固性网格结构62可被打印到外蒙皮56的内表面上。备选地，真空袋可在固化之后留在原位。在这样的实施例中，真空袋材料可选取成使得材料将不会容易地从固化的热固性纤维材料释放。例如，这样的材料可包括热塑性材料，诸如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯膜。因而，留在原位的热塑性膜允许在膜位于中间的情况下将热塑性网格结构62结合到热固性蒙皮。
在另外的其它实施例中，外蒙皮56可由增强的热塑性树脂形成，其中网格结构62由具有任选的纤维增强的基于热固性材料的树脂形成。在这样的实施例中，取决于所涉及的热固性材料化学性质，可在蒙皮56仍然热、暖、部分地冷却或完全地冷却时将网格结构62打印到外蒙皮56。
另外，本公开的方法可包括处理外蒙皮56以促进外蒙皮56与网格结构62之间的结合。更具体地，在某些实施例中，可使用下者来处理外蒙皮56：火焰处理、等离子体处理、化学处理、化学蚀刻、机械研磨、压纹、至少使将打印于外蒙皮56上的区域的温度升高和/或用以促进所述结合的任何其它合适的处理方法。在额外的实施例中，该方法可包括使外蒙皮56在内表面上形成有更多的(或甚至更少的)基体树脂材料，以促进所述结合。在额外的实施例中，该方法可包括使外蒙皮厚度和/或纤维含量以及纤维取向变化。
此外，本公开的方法包括使网格结构62的设计(例如，材料、宽度、高度、厚度、形状等或它们的组合)变化。照此，网格结构62可限定任何合适的形状，以便形成任何合适的结构构件，诸如，翼梁帽48、50、抗剪腹板35或转子叶片16的额外的结构构件52。例如，如图11中所示出的，CNC装置60可通过首先打印结构62的轮廓并且在多个道次中利用肋部件64构建网格结构62而开始打印网格结构62。照此，CNC装置60的挤出机65可设计成具有任何合适的厚度或宽度，以便使期望的量的树脂材料分散，以产生具有变化的高度和/或厚度的肋部件64。此外，网格尺寸可设计成允许肋部件64中间的面片局部屈曲，这可影响作为极端(阵风)负荷减轻装置的空气动力学形状。
更具体地，如图9-15中所示出的，肋部件64可至少包括沿第一方向76延伸的第一肋部件66和沿不同的第二方向78延伸的第二肋部件68。在若干实施例中，如图15中所示出的，肋部件64的第一组70的第一方向76可大体上垂直于第二方向78。更具体地，在某些实施例中，第一方向76可大体上平行于转子叶片16的翼弦方向的方向(即，平行于翼弦25(图2)的方向)，而肋部件64的第二组72的第二方向78可大体上与转子叶片16的翼展方向的方向平行(即，平行于翼展23(图2)的方向)。备选地，在一个实施例中，可在网格结构62中提供离轴取向(例如，从大约20°到大约70°)，以将弯曲-扭转联接引入到转子叶片16，这可作为被动负荷减轻装置而为有益的。备选地，网格结构62可与翼梁帽48、50平行。
此外，如图13和图14中所示出的，(一个或多个)第一肋部件66和第二肋部件68中的一个或多个可被打印成沿着其长度84、85具有变化的高度。在备选实施例中，如图16和图17中所示出的，(一个或多个)第一肋部件66和第二肋部件68中的一个或多个可被打印成沿着其长度84、85具有均一的高度90。另外，如图9、图12以及图15中所示出的，肋部件64可包括肋部件64的第一组70(其包含第一肋部件66)和肋部件64的第二组72(其包含第二肋部件68)。
在这样的实施例中，如图13和图14中所示出的，该方法可包括在出现转子叶片面板21中的基本上(即，+/- 10%)最大弯曲力矩的位置处打印肋部件64的第一组70或肋部件64的第二组72中的任一者或两者的最大高度80。例如，在一个实施例中，最大弯曲力矩可出现于网格结构62的中心位置82处，然而并非始终如此。如本文中所使用的，用语“中心位置”大体上指代肋部件64的包含中心加上或减去肋部件64的总体长度84的预确定的百分比的位置。例如，如图13中所示出的，中心位置82包括肋部件64的中心加上或减去大约10%。备选地，如图14中所示出的，中心位置82包括中心加上或减去大约80%。在另外的实施例中，中心位置82可包括距中心小于加上或减去10%或大于中心的加上或减去80%。
另外，如所示出的，肋部件64的第一组70和第二组72还可包括从最大高度80渐缩的至少一个渐缩端86、88。更具体地，如所示出的，(一个或多个)渐缩端86、88可朝向纤维增强的外蒙皮56的内表面渐缩。这样的渐缩可对应于需要更大程度或更小程度的结构支承的某些叶片位置。例如，在一个实施例中，肋部件64可在叶片末梢处或在叶片末梢附近较短，并且可随着网格结构62接近叶片根部而增大。在某些实施例中，如在图14中特别地示出的，(一个或多个)渐缩端86、88的斜率可为线性的。在备选实施例中，如图13中所示出的，(一个或多个)渐缩端86、88的斜率可为非线性的。在这样的实施例中，(一个或多个)渐缩端86、88提供面板21的改进的刚度与重量比的关系。
在额外的实施例中，在节点74处相交的肋部件64的一个或多个高度可为不同的。例如，如图16中所示出的，肋部件64的第二组72的高度不同于相交的第一肋部件66。换而言之，肋部件64可在其交叉点处针对不同方向而具有不同高度。例如，在一个实施例中，翼展方向的方向的肋部件64可具有为翼弦方向的方向的肋部件64的高度的两倍的高度。另外，如图16中所示出的，肋部件64的第二组72可各自具有与肋部件64的第二组72中的相邻的肋部件64不同的高度。在这样的实施例中，如所示出的，该方法可包括打印肋部件64的第二组70中的各个，使得具有较大的高度的结构64朝向网格结构62的中心位置82定位。另外，肋部件64的第二组70可沿着其长度85渐缩，使得肋部件64随着肋部件接近叶片末梢而渐缩得较短。
在另外的实施例中，如所提到的，肋部件64可以以变化的厚度打印。例如，如图15中所示出的，肋部件64的第一组70限定第一厚度94，并且，肋部件64的第二组72限定第二厚度96。更具体地，如所示出的，第一厚度94和第二厚度96是不同的。另外，如图18和图19中所示出的，单个肋部件64的厚度可沿着其长度变化。
特别地参考图15，肋部件64的第一组70和/或肋部件64的第二组72可均匀地隔开。在备选实施例中，如图18和图19中所示出的，肋部件64的第一组70和/或肋部件64的第二组72可不均匀地隔开。例如，如所示出的，本文中所描述的增材方法实现了可针对转子叶片面板21的总体形状的几何约束和/或负荷而优化的复杂内部结构。照此，本公开的网格结构62可具有与在自然界中出现的结构(诸如，有机结构(例如，鸟骨、叶子、树干或类似结构))类似的形状。因此，网格结构62可被打印成具有使刚度和强度优化同时还使重量最小化的内部叶片结构。在另外的另一实施例中，如图20中所示出的，网格结构62可包括至少一个弯曲肋部件64。更具体地，如所示出的，网格结构62包括多个弯曲肋部件64。此外，如所示出的，(一个或多个)弯曲肋部件可形成波形。
在若干实施例中，还可通过使用使方向改变量最小化的肋图案而缩短打印肋部件64的循环时间。例如，相对于例如所提出的打印机的翼弦方向，45度角的网格也许很可能比90度网格打印得更快。照此，在可能的情况下，本公开使打印机加速度和减速度最小化，同时仍然打印优质的肋部件64。
在另一实施例中，如图8和图12中所示出的，该方法可包括将多个网格结构62打印到纤维增强的外蒙皮56的内表面上。更具体地，如所示出的，多个网格结构62可被打印在外蒙皮56的内表面上的单独并且截然不同的位置中。
可相对于图21而更好地理解与本公开的网格结构62相关联的某些优点。如所示出的，曲线图100图示了y轴线上的转子叶片16的稳定性(表示为屈曲负荷因子“BLF”)与x轴线上的重量比的关系。曲线102表示针对常规的夹层面板转子叶片的稳定性与重量比的关系。曲线104表示针对具有由短纤维构成的非渐缩的网格结构的转子叶片的稳定性与重量比的关系。曲线106表示针对具有无纤维的非渐缩的网格结构的转子叶片的稳定性与重量比的关系。曲线108表示针对具有由斜率为1:3并且无纤维的渐缩的肋部件64构成的网格结构62的转子叶片的稳定性与重量比的关系。曲线110表示针对具有由斜率为1:2并且无纤维的渐缩的肋部件64构成的网格结构62的转子叶片的稳定性与重量比的关系。曲线112表示针对具有包含短纤维(其具有第一厚度)并且由斜率为1:3的渐缩的肋部件64构成的网格结构62的转子叶片16的稳定性与重量比的关系。曲线114表示针对具有包含短纤维(其具有小于第一厚度的第二厚度)并且由斜率为1:3的渐缩的肋部件64构成的网格结构62的转子叶片16的稳定性与重量比的关系。因而，如所示出的，包含纤维的肋部件64使其模量最大化，而较薄的肋部件使添加到转子叶片16的重量最小化。另外，如所示出的，较高的渐缩比增大屈曲负荷因子。
现在参考图22-24，图示了本公开的网格结构62的多种额外的特征。更具体地，图22图示了打印的网格结构62的一个实施例的局部俯视图，特别地图示了网格结构62的节点74中的一个。如所示出的，CNC装置60可在多个节点74中的一个或多个处在短距离内形成至少一个基本上45度的角95。照此，45度的角95构造成增大拐角处的邻接或结合量。在这样的实施例中，如所示出的，在该拐角节点中可存在略微重叠。
特别地参考图23，图示了打印的网格结构62的一个实施例的局部俯视图，特别地图示了网格结构62的开始打印位置和终止打印位置。这有助于开始打印肋和停止打印肋。当CNC装置60开始打印肋部件64并且该过程加速时，挤出机可能不会完美地挤出树脂材料。因而，如所示出的，CNC装置60可以以曲线或涡旋开始打印过程，以为肋结构64提供引入。通过在开始位置处挤出该涡旋，挤出机65被给予时间来使其压力更慢地斜升/斜降，而不是需要其即刻在窄的独立开始点的顶部上开始。照此，涡旋允许以较高的速度打印本公开的网格结构65。
然而，在某些情况下，该开始曲线可在开始区域中产生小的空隙99(即，涡旋内的区域)，这可在空隙99向上传播通过不断发展的层时产生问题。因此，CNC装置60还构造成使肋部件64中的一个终止于开始区域的涡旋内，以便防止空隙99扩展。更具体地，如所示出的，CNC装置60基本上利用另一肋部件64的终止位置来填充肋部件64中的一个的开始曲线。
特别地参考图24，图示了打印的网格结构62的肋部件64中的一个的一个实施例的正视图，特别地图示了肋部件64的基座区段55，基座区段55具有更宽的W和更薄的T的第一层，以便改进网格结构62到转子叶片面板21的外蒙皮56的结合。为了形成该基座区段55，CNC装置60打印网格结构62的第一层，使得单独的基座区段55限定比肋部件64的横截面的剩余部分更宽并且更薄的横截面。换而言之，肋部件64的更宽并且更薄的基座区段55提供更大的表面区域以用于结合到外蒙皮56、向外蒙皮56进行最大程度的热传递，并且允许CNC装置60在第一层上以更快的速度操作。另外，基座区段55可使结构62与外蒙皮56之间的结合接头处的应力集中最小化。
现在参考图25-30，本文中所描述的CNC装置60还构造成将至少一个额外的特征63直接地打印到(一个或多个)网格结构62，其中，来自打印的热使额外的特征63结合到结构62。照此，(一个或多个)额外的特征63可直接地被3D打印到网格结构62中。这样的打印允许如需要那样使用底切和/或负拔模角来将(一个或多个)额外的特征63打印到网格结构62中。另外，在某些情况下，用于多种叶片系统的硬件可被组装于网格结构62内，并且然后在其上打印以封装/保护这样的构件。
例如，如图25-28中所示出的，(一个或多个)额外的特征63可包括辅助特征81和/或组装特征69。更具体地，如图25和图26中所示出的，(一个或多个)组装特征69可包括一个或多个对准结构73、至少一个操纵或提升特征71、一个或多个粘合剂间隙或支架(standoff)95或一个或多个粘合剂容纳区域83。例如，在一个实施例中，CNC装置60构造成将多个操纵特征71打印到网格结构62，以提供用于从模具58移除转子叶片面板21的多个抓握位置。此外，如图25中所示出的，一个或多个粘合剂容纳区域83可形成到网格结构62中，例如，使得另一叶片构件可固定到一个或多个粘合剂容纳区域83或由一个或多个粘合剂容纳区域83固定。
在特定实施例中，如图26和图27中所示出的，(一个或多个)对准或引入结构73可包括任何翼梁帽和/或抗剪腹板对准特征。在这样的实施例中，如所示出的，(一个或多个)网格结构62可被打印成使得多个肋部件64的角从翼梁帽位置偏移，以便产生粘合剂容纳区域83。更具体地，如所示出的，粘合剂容纳区域83构造成防止粘合剂101的挤出。应当进一步理解，这样的粘合剂容纳区域83不限于翼梁帽位置，而是可设于网格结构62上的任何合适的位置中，该位置包括但不限于与前缘24、后缘26相邻的位置或任何其它结合位置。
在另外的实施例中，(一个或多个)对准结构73可对应于支承件对准特征(例如，用于支承件结构52)、叶片接头对准特征、面板对准特征75或任何其它合适的对准特征。更具体地，如图28中所示出的，面板对准特征75可包括凸形对准特征77或凹形对准特征79，其与相邻的转子叶片面板21的凸形对准特征77或凹形对准特征79配合。
此外，如图29中所示出的，(一个或多个)额外的特征63可包括转子叶片面板21的至少一个辅助特征81。例如，在一个实施例中，辅助特征81可包括转子叶片16的平衡箱67。在这样的实施例中，将(一个或多个)额外的特征63打印到(一个或多个)网格结构62中的步骤可包括包封网格结构62的至少部分以在其中形成平衡箱63。
另外，将(一个或多个)额外的特征63打印到(一个或多个)网格结构62中的步骤还可包括包封肋部件64之间的区域以包封所述区域。大体上，3D打印工艺倾向于在层的顶部上打印层，然而，本公开还包含通过使用某些典型地无定形的聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))而在空气的顶部上打印层。在这样的实施例中，包封件可在其底下没有支承件的情况下在有限距离上被打印。尽管这样的结构可经历某种程度的下垂或下陷，但该结构实现打印表面结构以将肋部件64脱盖(cap off)，同时还向网格结构62提供额外的刚度。
在额外的实施例中，(一个或多个)辅助特征81可包括：例如用于主动空气动力学装置、摩擦阻尼系统或负荷控制系统的壳体87、凹穴、支承件或包封件；例如用于除冰系统的导管89、通道或通路；一个或多个阀；围绕纤维增强的外蒙皮的孔位置的支承件91、管道或通道；具有一个或多个传感器103的传感器系统；一个或多个加热元件105或线材105；杆；导体；或任何其它打印的特征。在一个实施例中，例如，用于摩擦阻尼系统的支承件可包括滑动界面元件和/或自由互锁结构。例如，在一个实施例中，3D打印的网格结构62提供了如下的机会：容易地在其中打印通道，以用于从叶片根部或毂中的(一个或多个)热源提供变暖的空气，以具有除冰效应或防止冰形成。这样的通道允许空气直接地与外蒙皮56接触，以改进热传递性能。
在特定实施例中，传感器系统可在制造过程期间并入到外蒙皮56和/或(一个或多个)网格结构62中。例如，在一个实施例中，传感器系统可为利用网格结构62布置和/或直接地并入到蒙皮56中的表面压力测量系统。照此，打印的结构和/或蒙皮56被制造成包括容易地安装传感器系统所需的一系列的管道/通道。此外，打印的结构和/或蒙皮56还可在其中提供一系列的孔，以用于接纳该系统的连接件。因而，制造过程通过以下方式而简化：将多种结构打印到网格结构62和/或蒙皮56中，以容纳传感器、充当静压端口和/或充当直接地延伸到外叶片蒙皮的管道。这样的系统还可实现使用压力接口(pressure tap)来对风力涡轮10进行闭环控制。
在另外的其它实施例中，模具58可包括构造成在制造期间在蒙皮中产生小的凹痕的某些标记(诸如，正标记)。这样的标记允许在相关联的传感器所需的精确位置中容易地机加工孔。另外，额外的传感器系统可结合到网格结构和/或外蒙皮层56中，以提供空气动力学测量或声学测量，以便允许进行闭环控制或原型测量。
另外，本文中所描述的加热元件105可为围绕叶片前缘分布的齐平表面安装式加热元件。这样的加热元件105允许通过使温度/对流热传递与流速和驻点相关而确定叶片上的攻角。这样的信息可用于涡轮控制，并且可使测量过程简化。应当理解，这样的加热元件105还可以以额外的方式并入到外蒙皮层56中并且不需要齐平安装于其中。
返回参考图25，根据本公开的方法可包括将填料材料98放置于肋部件64中的一个或多个之间。例如，在某些实施例中，本文中所描述的填料材料98可由包括但不限于低密度泡沫、软木、复合物、轻木、复合物或类似材料的任何合适的材料构成。合适的低密度泡沫材料可包括但不限于聚苯乙烯泡沫(例如，发泡聚苯乙烯泡沫)、聚氨酯泡沫(例如，聚氨酯闭孔泡沫)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫、其它基于泡沫橡胶/树脂的泡沫以及多种其它开孔泡沫和闭孔泡沫。在这样的实施例中，方法100还可包括将顶表面打印于填料材料98上，这排除了上文中所描述的下垂或下陷效应。
返回参考图28，该方法还可包括将一个或多个特征93打印到外蒙皮56上，例如，打印于转子叶片面板21的后缘和/或前缘处。例如，如图28中所示出的，该方法可包括将至少一个闪电保护特征93打印到一个或多个纤维增强的外蒙皮56中的至少一个上。在这样的实施例中，闪电保护特征93可包括具有比纤维增强的外蒙皮56更少的纤维含量的冷却翅片或后缘特征。更具体地，冷却翅片可被直接地打印到外蒙皮56的内表面，并且任选地装载有填料，以改进导热率但低于某一阈值，以解决与闪电有关的顾虑。照此，冷却翅片构造成改进从被加热的空气流到外蒙皮56的热传递。在额外的实施例中，这样的特征93可构造成重叠，例如，诸如互锁边缘或卡扣配合件。
现在参考图30-31，(一个或多个)额外的特征63可包括可并入到网格结构62中的粘合剂间隙95或支架。当两个构件结合在一起时，这样的支架95在这两个构件之间提供指定的间隙，以便使粘合剂挤出最小化。照此，支架95基于所使用的粘合剂而提供对于优化的结合强度来说期望的结合间隙。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。