摘 要

风能是目前国际上竞相开发利用的清洁无污染、可再生的新型能源。随着风电行业的飞速发展,风电单机装机的总容量也在不断地上升。叶片作为风力机组的核心部件，风力机组对其的要求也越来越高。叶片的大型化和轻量化已成为其发展的必然趋势，因此对模具的刚度、强度、精度、质量均匀性、粗糙度等的技术要求也越来越严格。

基于CREO三维设计软件可以满足模具设计的要求，并采用3D打印技术，在模架上分层打印出阴模式的叶片模具型腔，省去制作叶片阳模的成本，彻底解决将分段模具合并后，在模具生产过程中出现的裂缝和漏气的现象，可以大大提高大型叶片模具的制造精度、缩短制造周期，并降低其制造成本。同时对模具进行分段处理，也可以解决运输问题。

本文主要内容:

1、通过CREO三维设计软件完成对模具的模型设计。主要包括：叶片外形数据的导入和构造建模、叶片曲面实体造型及根据叶片的外轮廓为依据进行模具的型腔进行设计。

2、鉴于本次课题采用3D打印模具型腔，直接在钢架进行阴模的制作，对此进行3D打印系统的开发和研究，

3、模具模架的参数化分析与设计。通过有限元的分析和计算，完成模具钢架的设计。

关键词：CREO；3D打印技术；模具分段设计；模具钢架设计；

Based on wind turbine blade mold design

3D printing technology

ABSTRACT

Wind energy is currently competing on the international development and utilization of clean non-polluting, renewable new energy. With the rapid development of wind power industry, with a total installed capacity of wind power single are constantly rising. Leaf as a core component of wind turbines, wind turbine of its requirements are also getting higher and higher. Large and lighter blades become its inevitable trend of development, so mold stiffness, strength, precision, quality and uniformity, roughness and other technical requirements have become more stringent.
Based on CREO mold three-dimensional design software to meet design requirements, and the use of 3D printing technology to print out in the mold rack layered blade mold cavity female model, eliminating the cost of production of the male blade mold, mold segments will merge to solve after cracks and leakage phenomenon in the mold production process, can greatly improve manufacturing precision large blade mold and shorten the manufacturing cycle and reduce the manufacturing cost. While the mold segment processing, it can also solve the transportation problem.

1、 With the help of Pro/Engineer to complete the mold design, detailed description of the blade mold design process and details.

2、 The composite material which is involved in the laying of the mold is simply introduced, and the production process is analyzed and explained in detail.

3、Parametric analysis and design 3, mold, through analysis and finite element calculation, complete the die steel frame design.

Key words：Pro/Engineer；3D printing；mould block design；mould steel frame design；

目 录

1 绪论 - 1 -

1.1 课题研究的背景 - 1 -

1.1.1 风力发电现状 - 1 -

1.1.2 国外风力发展现状 - 2 -

1.1.3 我国风力发展现状 - 3 -

1.2 国内外风机叶片、模具研究现状 - 4 -

1.2.1 风机叶片国内外研究现状 - 4 -

1.2.2 国内风电叶片模具制造现状 - 4 -

1.3 课题研究的主要内容和研究意义 - 5 -

1.3.1 课题研究的主要内容 - 5 -

1.3.2 课题的研究意义 - 5 -

1.4 本章小结 - 6 -

2 模具的结构设计 - 7 -

2.1 基于CREO、AutoCAD的叶片实体造型 - 7 -

2.1.1 叶片的三维设计 - 7 -

2.1.2 AutoCAD提取点数据介绍 - 8 -

2.1.3 AutoCAD提取叶片点数据 - 8 -

2.1.4 处理叶片点数据 - 10 -

2.1.5 控制面线框造型 - 11 -

2.1.6 叶片曲面造型 - 11 -

2.1.7 叶片实体造型 - 12 -

2.2 叶片模具的设计 - 12 -

2.2.1 创建工件 - 12 -

2.2.2 创建分型面 - 12 -

2.2.3 创建水加热层、腻子层、3D打印层 - 13 -

2.2.4 分模 - 13 -

2.3 本章小结 - 13 -

3 钢架的设计与有限元分析 - 14 -

3.1 钢架建模 - 14 -

3.1.1 模架竖撑的建模与定位 - 14 -

3.1.3 模架型腔的建立 - 15 -

3.2 钢架生产工艺的检验 - 15 -

3.3 风电叶片模具液压翻转机构 - 16 -

3.4 钢架有限元分析与力学校核 - 16 -

3.4.1 有限元分析的概念 - 16 -

3.4.1 Workbench下的钢架校核 - 17 -

3.5 本章小结 - 20 -

4 型腔的铺设与工艺 - 21 -

4.1 复合材料的基本概念 - 21 -

4.2 叶片模具的原材料 - 21 -

4.2.1 树脂 - 21 -

4.2.2 叶片及叶片模具用增强材料 - 21 -

4.3 模具制造铺层工艺 - 22 -

4.3.1 手糊工艺 - 22 -

4.3.2 3D打印层制作 - 23 -

4.3.3 水加热系统布置 - 23 -

4.4 玻璃钢层制作 - 25 -

4.4.1 真空灌注准备 - 25 -

4.4.2 气密性检查 - 26 -

4.4.3 裁布 - 26 -

4.4.4 铺层 - 26 -

4.4.5 真空材料铺设 - 27 -

4.4.6 真空灌注 - 28 -

4.4.7 第二次真空灌注 - 30 -

4.4.8 手糊湿法袋压 - 30 -

4.5 本章小结 - 31 -

5 3D打印系统的开发 - 32 -

5.1 3D打印系统的特点与创新 - 32 -

5.1.1 分段式叶片模具设计 - 32 -

5.1.2 打印头更换站设计 - 32 -

5.1.3 数控双五轴联动打印设计 - 32 -

5.1.4 五轴打印头设计 - 32 -

5.1.5 新型打印材料应用设计 - 33 -

5.1.6 分层打印叶片模具型腔设计 - 33 -

5.1.7 三维扫描检测 - 33 -

5.2 3D打印系统打印方式 - 34 -

5.2.1 方案一 - 34 -

5.2.2 方案二 - 35 -

5.3 模具分段拼接 - 35 -

5.3.1 模具分段 - 35 -

5.3.2 模具修补拼接 - 37 -

5.4 本章小结 - 39 -

结 论 - 40 -

致 谢 - 41 -

参考文献 - 42 -

附录 - 43 -

附录：图纸列表 - 43 -

1 绪论

1.1 课题研究的背景

风能资源是人类最早利用的能源之一,其实早在蒸汽机发明之前,风能就曾已经被当做是最重要的能源动力，被广泛的用于航海,农田灌溉等方面。风能的利用的记载最早被认为是埃及记载的,早在几千年前就开始利用风帆来帮助航行。在中国开始利用风能也早有追溯,东汉刘熙所著的《释名》一书中所描写的“随风张幔曰帆”，即对帆做了说明；在明代《天工开物》一书中“扬郡以风帆数扇,俟风转车,风息则止”的记载； "零陵水车风作轮，缘江夜响盘空云。轮盘团团径三丈,水声却在风轮上......轮盘引水入沟去,分送高田种禾黍,盘盘自转不用人,年年只用修车轮”； 在明代童冀的《水车行》中所写，呈现出对使用立帆式垂直轴风车的情景的描述。

风能资源是环保的，是绿色的，是可再生的，而且还有利于可持续发展，但是由于环境问题变得越发严重，在国家能源分布局中新能源的利用就凸显出越来越重要的地位，除了水能以外，相比较而言，风能的技术是具有经济效益、发展比较稳定、具有一定规模化的一种发电方式。在20世纪刚开始，就已经有利用风力发电的实验案例。在1930年前后，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，被广泛地使用于多风的海岛和偏僻的乡村，它与小型内燃机的发电成本相比较，具有一定的优势，发电成本要低很多。2008年，国内供电负荷增长趋于缓慢是受在国际国内宏观经济形势的影响，虽然相当数量火电机组出力受限，但是风电发展的趋势依然还是很迅猛，对风电叶片投资呈现出一幅逆向而上的良好发展势头，其中的缘由，是因为风力发电叶片的工艺快速发展也起到了强有力的推进作用。