JP2001322181A - Method and device for forming almost columnar structure out of thermoplastic composite material tape - Google Patents

Method and device for forming almost columnar structure out of thermoplastic composite material tape

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JP2001322181A
JP2001322181A JP2001146317A JP2001146317A JP2001322181A JP 2001322181 A JP2001322181 A JP 2001322181A JP 2001146317 A JP2001146317 A JP 2001146317A JP 2001146317 A JP2001146317 A JP 2001146317A JP 2001322181 A JP2001322181 A JP 2001322181A
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compression roller
thermoplastic composite
burner
mandrel
tape
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Patrick Gallagher
パトリック・ギャラガー
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Boeing Co
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    • B29C53/56Winding and joining, e.g. winding spirally
    • B29C53/562Winding and joining, e.g. winding spirally spirally
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B08BCLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device (10) for forming an almost columnar structure (14) out of a thermoplastic composite material tape (30), by welding the thermoplastic composite material tape (30) through conductive heat transfer by using at least one compression roller (40). SOLUTION: The forming device (10) includes a mandrel (20) rotated around a shaft (24) by an electric motor or another rotary type power mechanism. The rotating surface of the mandrel (20) provides a forming surface for manufacturing a columnar structure (14). The thermoplastic composite material tape (30) coming in is compressed and welded almost simultaneously by the compression roller (40) heated through the conductive heat transfer. The compression roller (40) is cleaned continuously by a burner (50), and this is executed in such a manner that an open fire (54) is directed to the roller (40) to remove contaminants and the residues of a thermoplastic composite material adhering to the compression roller (40).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の分野】この発明は、熱可塑性リング構造を形成
するための方法および装置に関し、より特定的には、巻
回の間の洗浄および熱可塑性リング構造の形成のための
方法および装置に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for forming a thermoplastic ring structure, and more particularly, to a method and apparatus for cleaning during winding and forming a thermoplastic ring structure.

【0002】[0002]

【発明の背景】以前は、ほとんどの複合リング構造は熱
硬化性材料を用いて製造されてきた。熱硬化性複合材料
を用いてリング構造を作るとき、材料をその最終的な凝
固状態にもたらすのに好適な温度でリング全体をオート
クレーブ中で硬化しなければならない。オートクレーブ
工程の間に、熱硬化性材料内のファイバは弛緩して構造
中のアライメントを失いやすい。ファイバアライメント
が複合構造の強さおよび剛性の均一性に大きく影響する
ことは技術分野で周知であるため、これらのファイバの
弛緩は望ましくない事象である。その結果、熱硬化材料
の代替として熱可塑性材料の使用が提案されてきた。
BACKGROUND OF THE INVENTION In the past, most composite ring structures have been manufactured using thermoset materials. When making a ring structure using a thermoset composite, the entire ring must be cured in an autoclave at a temperature suitable to bring the material to its final solidified state. During the autoclave process, the fibers in the thermoset material tend to relax and lose alignment in the structure. It is well known in the art that fiber alignment greatly affects the strength and stiffness uniformity of a composite structure, so relaxation of these fibers is an undesirable event. As a result, the use of thermoplastic materials has been proposed as an alternative to thermoset materials.

【0003】リング構造を形成する熱可塑性複合材料の
加工は、熱硬化性材料の場合に用いられるのとは非常に
異なるタイプの機械および工程を必要とする。他と区別
されるいくつかの利点を、円柱状リングなどの構造を作
る熱可塑性複合材料の使用から導出することができる。
具体的には、巻回動作の際のように、新しいテープがリ
ング構造に加えられる瞬間に熱可塑性複合材料テープの
圧縮および結合が起こると、圧縮および結合の瞬間にそ
れらのファイバにどのような形状が与えられても、熱可
塑性複合材料のマトリックス中のファイバがロックされ
る。ファイバをロックすることは、上述のファイバの弛
緩と関連する欠点を回避する。したがって、複合材料の
マトリックス中のファイバをアライメントにロックする
ことは、結果として生じる複合構造の強さおよび剛性の
均一性を大幅に増す。
The processing of thermoplastic composites to form ring structures requires a very different type of machine and process than is used for thermoset materials. Some distinguishing advantages can be derived from the use of thermoplastic composites to make structures such as cylindrical rings.
Specifically, as the compression and bonding of the thermoplastic composite tape occurs at the moment a new tape is added to the ring structure, such as during a winding operation, what happens to those fibers at the moment of compression and bonding Given the shape, the fibers in the thermoplastic composite matrix are locked. Locking the fiber avoids the disadvantages associated with fiber relaxation described above. Thus, locking the fibers in the composite matrix into alignment greatly increases the strength and stiffness uniformity of the resulting composite structure.

【0004】熱可塑性複合材料からリング構造を製造す
る分野で行なわれてきたほとんどの研究は、対流加熱を
用いて、熱可塑性複合材料テープを熱可塑性複合材料の
結合が起こり得る温度にもたらすことに焦点を合わせて
きた。リングの形成の間に達成できるスピードを増すた
め、数年前に熱可塑性リング形成の技術分野に対流加熱
が導入された。放射および伝導を介した熱転送は、十分
な熱エネルギーを熱可塑性複合材料製品に導入すること
ができないため、1秒当り1インチから2インチよりも
速い速度で材料の結合を引き起こせないことは、技術分
野で周知であった。この速度は、リング構造が形成され
るに従って、新しい熱可塑性複合材料テープが熱可塑性
複合材料テープの以前の層に加えられるスピードを指
す。対流熱転送は、リング構造の巻回が形成される間
に、新しいテープが以前の層と接触する点で熱ガスを熱
可塑性複合材料テープに吹き付けることによって達成さ
れる。熱ガスの吹き付けは熱可塑性複合材料の溶融を引
き起こすため、新しい材料と古い材料とが組合わさって
1つの固体塊になる。
Most work in the field of fabricating ring structures from thermoplastic composites has focused on using convection heating to bring the thermoplastic composite tape to a temperature where bonding of the thermoplastic composite can occur. I've been focused. To increase the speed achievable during ring formation, convection heating was introduced several years ago into the art of thermoplastic ring formation. It is important that heat transfer via radiation and conduction cannot cause material bonding at a rate faster than 1 to 2 inches per second because sufficient thermal energy cannot be introduced into the thermoplastic composite product. Was well known in the art. This speed refers to the speed at which a new thermoplastic composite tape is added to the previous layer of the thermoplastic composite tape as the ring structure is formed. Convective heat transfer is achieved by blowing hot gas onto the thermoplastic composite tape at the point where the new tape contacts the previous layer while the winding of the ring structure is formed. The blowing of hot gas causes the thermoplastic composite to melt, so that the new and old materials combine into one solid mass.

【0005】しかしながら、対流熱転送はいくつかの点
において望ましくなく、その1つは、それが非常に非効
率なことである。熱可塑性複合材料テープを加熱するの
に、生成される熱の僅かな一部しか実際は用いられな
い。生成された熱の大部分は、衝突するジェットの近傍
付近を吹き付けて、機械、ベアリング、スピンドルおよ
び関連する構造を加熱してしまう。さらなる欠点は、対
流加熱は、加熱することが意図される1つの場所、すな
わち加えられている新しい熱可塑性複合材料テープとリ
ング上に巻かれた熱可塑性複合材料テープの以前の層と
の間の接点を加熱することができないことである。吹き
付けるガスは、導入されたテープと巻かれたリングとの
間で鋭角で澱むため、この場所が加熱されない。澱んだ
対流熱は速度を有しておらず、したがって熱を転送する
ことができない。
[0005] Convective heat transfer, however, is undesirable in several respects, one of which is that it is very inefficient. Only a small portion of the heat generated is actually used to heat the thermoplastic composite tape. Most of the heat generated blows near the impinging jet and heats the machines, bearings, spindles and related structures. A further disadvantage is that convective heating is one where heating is intended, that is, between the new thermoplastic composite tape being added and the previous layer of thermoplastic composite tape wound on the ring. The inability to heat the contacts. This location is not heated because the blowing gas stagnates at an acute angle between the introduced tape and the wound ring. Stagnant convective heat has no speed and therefore cannot transfer heat.

【0006】熱可塑性複合材料テープから厚いリング構
造を巻くときにも、さらなる問題に遭遇する。厚いリン
グ構造を形成するには、大量の熱可塑性複合材料テープ
が必要となる。これは、熱可塑性複合材料テープのいく
つかの比較的短い続きをともに重ね継ぎすることにより
達成できる。しかしながら、入来するテープの重ね継ぎ
は構造に不連続部を導き、形成される製品の機械的特性
を低下させてしまう。これに代えて、熱可塑性複合材料
テープの単一の非常に長い一続きを用いて厚いリング構
造を巻回し、最終製品から重ね継ぎを排除することがで
きる。この技術に伴う問題は、数千フィートの長さでか
つ重ね継ぎを含まない熱可塑性複合材料テープを製造す
るのは非常に高価なことである。材料をその場で重ね継
ぎしようとする、または始動停止(start and stop)結
合技術のタイプを用いたいくつかの他の扱いにくい方式
が考案されたが、すべて好ましくない結果に終わった。
[0006] A further problem is encountered when winding thick ring structures from thermoplastic composite tapes. To form a thick ring structure, a large amount of thermoplastic composite tape is required. This can be accomplished by lapping together several relatively short runs of thermoplastic composite tape. However, the splicing of the incoming tape leads to discontinuities in the structure and reduces the mechanical properties of the product formed. Alternatively, a single very long stretch of thermoplastic composite tape can be used to roll a thick ring structure to eliminate splices from the final product. The problem with this technique is that it is very expensive to produce thermoplastic composite tapes that are several thousand feet long and do not include splices. Several other cumbersome approaches have been devised which attempt to splice the material in place or use a type of start and stop bonding technique, all of which have resulted in undesirable results.

【0007】熱可塑性複合材料テープの原位置結合は、
フライホィールリング構造を製造するのに効率的な技術
である。この工程は、熱可塑性複合材料テープの表面を
フライホィールリングの表面に押し付けて、完全に結合
された構造を形成する、加熱された圧縮ローラを用いる
のが典型的である。この工程の間に生じる1つの問題
は、熱可塑性複合材料テープからの熱可塑性樹脂の被覆
が、加熱された圧縮ローラに接着しやすいことである。
最適な工程温度は、ローラ上への熱可塑性樹脂の急速な
蓄積を生じる結果となるのが一般的である。この被覆
は、以下のようないくつかの問題を引き起こす。すなわ
ち、ローラからリングへの熱転送速度の変化、製品の密
度の差を生じてしまう、熱可塑性複合材料テープに対す
る不均等な圧力、および広く異なる密度を備える不均等
な表面を生じる結果となる、製品表面への蓄積した材料
のばらばらな脱落である。
In situ bonding of thermoplastic composite tapes
It is an efficient technique for manufacturing flywheel ring structures. This process typically uses a heated compression roller that presses the surface of the thermoplastic composite material tape against the surface of the flywheel ring to form a fully bonded structure. One problem that arises during this process is that the coating of the thermoplastic from the thermoplastic composite tape tends to adhere to the heated compression roller.
Optimal process temperatures generally result in a rapid build-up of thermoplastic resin on the rollers. This coating causes several problems, such as: Changes in the heat transfer rate from the rollers to the ring, resulting in differences in product density, resulting in uneven pressure on the thermoplastic composite tape, and uneven surfaces with widely varying densities, This is the detachment of accumulated material on the product surface.

【0008】以前は、原位置結合洗浄装置は、樹脂が蓄
積したローラを取外しかつローラを手作業で洗浄材(す
なわちスチールウール、紙ヤスリなど)に晒すには、形
成工程を止めることが必要であった。圧縮ローラ上の熱
可塑性樹脂蓄積を満足に取り除こうとして、他の先行技
術の技法が提案されかつ実施された。これらの技術は以
下のものを含んだ。すなわち、(連続的なおよび/また
は手作業での)物理的な削り落とし、受動スクレーパ、
螺旋状に配置されたケーブルおよび(局所化されかつ集
中された)赤外線加熱である。これらの技術のどれも成
功しないことがわかった。スクレーパは圧縮ローラおよ
び蓄積材料との接触から熱くなり、したがって長い形成
工程を完了できる前に損耗してしまう。硬化されたまた
はセラミックのスクレーパは圧縮ローラの表面を容認で
きないほどに損傷してしまう。最後に、集中赤外線放射
は、熱可塑性樹脂を「見る」ことができず、したがって
ローラの表面から樹脂を燃焼して落とすことができな
い。
[0008] Previously, in situ combined cleaning devices required that the forming process be stopped in order to remove the roller with accumulated resin and manually expose the roller to the cleaning material (ie, steel wool, paper file, etc.). there were. Other prior art techniques have been proposed and implemented in an attempt to satisfactorily remove the thermoplastic resin buildup on the compression rollers. These techniques included: Physical scraping (continuous and / or manual), passive scrapers,
Spirally arranged cables and (localized and focused) infrared heating. None of these techniques turned out to be successful. The scraper heats up from contact with the compression rollers and storage material and thus wears out before long forming steps can be completed. The cured or ceramic scraper will unacceptably damage the surface of the compression roller. Finally, the focused infrared radiation cannot "see" the thermoplastic resin and therefore cannot burn off the resin from the roller surface.

【0009】先行技術の結合ローラ洗浄技術の別の欠点
は、円柱状の製品、すなわちリングが形成されるに従
い、それらが連続して実行されないことである。熱可塑
性複合リングの形成は、工程が中間ローラ洗浄セッショ
ンのために止められかつ開始されれば生じてしまう不連
続を一切発生してはならないため、これは重要である。
連続的なローラ洗浄が望ましい。なぜなら、樹脂が新し
い入来する熱可塑性複合材料テープと結合点で接触する
前に、それがローラから樹脂の痕跡を取り除くことがで
きるためである。このように、連続的な洗浄は、結合が
生じているテープの幅にわたり、圧縮ローラが与える圧
力が確実に均一になるのを助ける。
[0009] Another disadvantage of the prior art bonded roller cleaning techniques is that as cylindrical products, ie, rings, are formed, they are not performed sequentially. This is important because the formation of the thermoplastic composite ring must not create any discontinuities that would occur if the process were stopped and started for an intermediate roller cleaning session.
Continuous roller cleaning is desirable. Because it can remove traces of the resin from the rollers before the resin contacts the new incoming thermoplastic composite tape at the bond. Thus, continuous cleaning helps to ensure that the pressure exerted by the compression roller is uniform over the width of the tape where the bond is occurring.

【0010】したがって、比較的安価であり、連続的に
清浄な圧縮ローラを有しかつ、伝導熱転送を用いて熱可
塑性複合材料の結合を達成する、熱可塑性材料を用いて
リング構造を巻回するための新たなかつ改良された方法
および装置の必要性が引き続き存在する。
[0010] Thus, winding a ring structure using a thermoplastic material, which is relatively inexpensive, has continuously clean compression rollers, and achieves bonding of the thermoplastic composite material using conductive heat transfer. There is a continuing need for new and improved methods and apparatus for doing so.

【0011】[0011]

【発明の概要】この発明に従うと、テープから、好まし
くは、連続的に洗浄されたローラを用いる熱可塑性複合
材料テープから、ほぼ円柱状の構造を形成するための方
法および装置が提供される。この方法は、マンドレルを
軸のまわりで回転させて円柱状の構造を製造するための
回転する形成表面を与えるステップを含む。1つまたは
それ以上のテープがマンドレルの形成表面のまわりに巻
き付けられて、ほぼ円柱状の構造を形成する。巻き付け
の間に、マンドレルの形成表面に対して熱可塑性材料を
回転させかつ押さえるように位置づけられる1つまたは
それ以上の圧縮ローラにより、テープがマンドレルの形
成表面に対して圧縮される。圧縮ローラはバーナで連続
的に洗浄されて、圧縮ローラに接着した汚染物およびテ
ープの残留物を取り除く。最後に、形成されているほぼ
円柱状の構造の外側層に対する新しいテープの圧縮とほ
ぼ同時に、テープが加熱されてテープ材料を結合する。
圧縮ローラは、伝導熱転送を介してテープを結合する。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, there is provided a method and apparatus for forming a substantially cylindrical structure from a tape, preferably a thermoplastic composite tape using continuously washed rollers. The method includes rotating a mandrel about an axis to provide a rotating forming surface for producing a cylindrical structure. One or more tapes are wrapped around the forming surface of the mandrel to form a generally cylindrical structure. During winding, the tape is compressed against the forming surface of the mandrel by one or more compression rollers positioned to rotate and hold the thermoplastic material against the forming surface of the mandrel. The compression roller is continuously cleaned with a burner to remove contaminants and tape residue adhered to the compression roller. Finally, almost simultaneously with the compression of the new tape against the outer layer of the generally cylindrical structure being formed, the tape is heated to bond the tape material.
Compression rollers bond the tape via conductive heat transfer.

【0012】この発明の他の局面に従うと、バーナは裸
火バーナである。汚染物および残留物の除去を最適化す
るため、バーナは制御可能な加熱レベルを有することが
好ましい。バーナは、圧縮ローラを十分に加熱して、圧
縮ローラが伝導熱転送を介してテープ材料を結合する。
バーナによる圧縮ローラの連続的な洗浄は、圧縮ローラ
に接着した、テープからの樹脂の実質的にすべての汚染
物および成分を取り除く。さらに、熱可塑性円柱状構造
は、完全に自動化された工程を用いて作製される。バー
ナによる圧縮ローラの連続的な洗浄は、圧縮ローラの断
続的な手作業での洗浄の必要性を排除することにより、
完全な自動化を可能にする。
[0012] According to another aspect of the invention, the burner is an open flame burner. The burner preferably has a controllable heating level to optimize the removal of contaminants and residues. The burner heats the compression roller sufficiently so that the compression roller bonds the tape material via conductive heat transfer.
Continuous cleaning of the compression roller by the burner removes substantially all contaminants and components of the resin from the tape that have adhered to the compression roller. In addition, thermoplastic columnar structures are made using a fully automated process. The continuous cleaning of the compression roller by the burner eliminates the need for intermittent manual cleaning of the compression roller,
Enable full automation.

【0013】この発明の他の局面に従うと、マンドレル
は軸のまわりで回転され、円柱状構造を製造するための
回転する形成表面を与える。マンドレルが回転されるに
従い、マンドレルの形成表面のまわりにテープが巻き付
けられて円柱状構造をもたらす。テープ材料は、マンド
レルの回転する形成表面に対してテープを回転させかつ
押さえるように位置づけられる圧縮ローラにより、マン
ドレルの形成表面に対して圧縮される。圧縮ローラはバ
ーナで連続的に洗浄され、圧縮ローラに接着したテープ
材料からの、樹脂の汚染物および成分を取り除く。
According to another aspect of the invention, the mandrel is rotated about an axis to provide a rotating forming surface for producing a cylindrical structure. As the mandrel is rotated, tape is wrapped around the forming surface of the mandrel to provide a cylindrical structure. The tape material is compressed against the forming surface of the mandrel by a compression roller positioned to rotate and hold the tape against the rotating forming surface of the mandrel. The compression roller is continuously cleaned with a burner to remove resin contaminants and components from the tape material adhered to the compression roller.

【0014】この発明のさらなる局面に従うと、圧縮ロ
ーラは、単独のバーナまたは電気的加熱と関連するバー
ナのいずれかにより加熱される。好ましくは、バーナは
制御可能な加熱レベルを備える裸火バーナである。バー
ナは、十分に圧縮ローラを加熱して、ローラが伝導熱転
送を介してテープ材料を結合する。バーナによる圧縮ロ
ーラの連続的な洗浄は、圧縮ローラに接着した、テープ
材料からの樹脂の実質的にすべての汚染物および成分を
取り除く。
In accordance with a further aspect of the invention, the compression roller is heated by either a single burner or a burner associated with electrical heating. Preferably, the burner is an open flame burner with a controllable heating level. The burner heats the compression roller sufficiently so that the roller bonds the tape material via conductive heat transfer. Continuous cleaning of the compression roller by the burner removes substantially all contaminants and components of resin from the tape material that adhere to the compression roller.

【0015】この発明の方法のさらなる他の局面に従う
と、テープは熱可塑性複合材料から形成される。
According to yet another aspect of the method of the present invention, the tape is formed from a thermoplastic composite.

【0016】前述の要約から容易に認められるように、
この発明に従って作られた、連続的に洗浄する圧縮ロー
ラリングワインダ装置は、上述の先行技術の方法および
装置に優るいくつかの利点を有する。この発明は、伝導
熱転送を用いて、形成されるリング構造をともに圧縮し
かつ結合するのが好ましいため、マンドレルのまわりに
巻き付けられているテープ材料に含まれるファイバがア
ライメントにロックされ、形成される構造の機械的特性
を高める。マンドレル形成表面のまわりへのテープ材料
の巻き付けと、加熱された圧縮ローラによる複数のテー
プの圧縮/結合とにより、円柱状構造を重ね継ぎなしで
製造するのを可能にする。最後に、圧縮ローラの連続的
な洗浄を用いることにより、以下のものが最小化され
る。すなわち、(1)ローラからリングへの熱転送速度
の変化、(2)製品の密度の差を生じる結果となる、テ
ープにかかる不均等な圧力および(3)広く異なる密度
を備える不均等な表面を生じる結果となる、製品の表面
への蓄積材料のばらばらな脱落、である。最終結果が、
全体的に優れた部品品質である。
As will be readily appreciated from the foregoing summary,
A continuously cleaning compression roller ring winder device made in accordance with the present invention has several advantages over the prior art methods and devices described above. The present invention preferably uses conductive heat transfer to compress and bond the formed ring structures together so that the fibers contained in the tape material wrapped around the mandrel are locked in alignment and formed. Enhance the mechanical properties of the structure. The wrapping of the tape material around the mandrel-forming surface and the compression / bonding of the plurality of tapes by heated compression rollers allows for the production of cylindrical structures without lap splices. Finally, by using continuous cleaning of the compression rollers, the following are minimized: (2) uneven pressure on the tape and (3) uneven surfaces with widely varying densities resulting in differences in density of the product, resulting in (1) changes in the heat transfer rate from the roller to the ring. Scatter of the accumulated material on the surface of the product, which results in The end result is
Excellent part quality overall.

【0017】この発明の前述の局面および多くの付随す
る利点は、図面と関連して、以下の詳細な説明を参照す
ることにより、それらがより良く理解されるに従い、よ
り容易に認められるであろう。
The foregoing aspects and many of the attendant advantages of this invention will be more readily appreciated as they become better understood by reference to the following detailed description when taken in conjunction with the drawings. Would.

【0018】[0018]

【好ましい実施例の詳細な説明】図1は、この発明に従
って作られたローラリングワインダ10の好ましい実施
例を示し、これは、1つまたはそれ以上の圧縮ローラ4
0を用いて、伝導熱転送を介して熱可塑性複合材料を結
合する、熱可塑性複合材料から形成される1つまたはそ
れ以上のテープ30からほぼ円柱状の構造14を形成す
るためのものである。示されたローラリングワインダ1
0は、電気モータまたは他の回転式電源(図示せず)に
より軸24のまわりを回転されるマンドレル20を含
む。マンドレル20の外周は、円柱状の積層構造14を
製造するのに用いるための回転する形成表面を与える。
マンドレルが回転されるに従い、1つまたはそれ以上の
熱可塑性複合材料テープがマンドレルのまわりに巻き付
けられる。入来する熱可塑性複合材料テープ30の各々
は、テープが巻き付けられるに従い、伝導熱転送を介し
てそのそれぞれの加熱された圧縮ローラ40によってほ
ぼ同時に圧縮されかつ結合される。図示を容易にするた
め、図1にはただ1つの圧縮ローラしか示されていな
い。圧縮ローラは、マンドレル20に巻き付けられたテ
ープの外側層に圧縮ローラを押しつけるメカニズムによ
って支持される。この技術分野で周知の支持メカニズム
が、圧縮ローラ40が取付けられる軸44を押さえるば
ね42として概略的に示される。支持メカニズムは、外
側のテープ巻き付けに対して連続的な圧縮圧力をもたら
す。この発明に従うと、圧縮ローラ40はバーナ50で
連続的に洗浄され、これは、炎54を圧縮点から遠隔の
ローラ40の表面に向けて、圧縮ローラ40に接着し
た、熱可塑性複合テープ30からの樹脂の汚染物および
他の成分を取り除く。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a preferred embodiment of a roller ring winder 10 made in accordance with the present invention, which includes one or more compression rollers 4.
0 to form a generally cylindrical structure 14 from one or more tapes 30 formed from a thermoplastic composite, which couples the thermoplastic composite via conductive heat transfer. . Roller ring winder 1 shown
O includes a mandrel 20 that is rotated about axis 24 by an electric motor or other rotary power supply (not shown). The outer circumference of the mandrel 20 provides a rotating forming surface for use in manufacturing the cylindrical laminate structure 14.
As the mandrel is rotated, one or more thermoplastic composite tapes are wrapped around the mandrel. Each of the incoming thermoplastic composite tapes 30 is compressed and bonded substantially simultaneously by its respective heated compression rollers 40 via conductive heat transfer as the tape is wrapped. For ease of illustration, only one compression roller is shown in FIG. The compression roller is supported by a mechanism that presses the compression roller against the outer layer of tape wrapped around the mandrel 20. A support mechanism known in the art is schematically illustrated as a spring 42 that holds a shaft 44 on which the compression roller 40 is mounted. The support mechanism provides a continuous compression pressure on the outer tape wrap. In accordance with the present invention, the compression roller 40 is continuously cleaned with a burner 50, which directs a flame 54 toward the surface of the roller 40 remote from the compression point, from the thermoplastic composite tape 30 adhered to the compression roller 40. Removes resin contaminants and other components.

【0019】駆動されたマンドレル20の回転軸24
は、実質的に水平方向の平面に存在するのが好ましい。
この回転の向きが好ましいのは、圧縮ローラ40で熱可
塑性複合材料テープ30を結合温度に加熱し、こうして
熱可塑性複合材料テープに含まれる樹脂を粘性の半溶融
状態にするためである。駆動されたマンドレル20の回
転軸24が実質的に垂直方向の平面に向けられれば、粘
性の溶融樹脂は、重力のために、形成される円柱状構造
の下方端に向かって軸方向に流れて、歪んだ最終製品を
作製する傾向があろう。
The rotating shaft 24 of the driven mandrel 20
Preferably lies in a substantially horizontal plane.
This direction of rotation is preferred because the thermoplastic composite material tape 30 is heated to the bonding temperature by the compression roller 40, thus bringing the resin contained in the thermoplastic composite material tape into a viscous, semi-molten state. If the rotating shaft 24 of the driven mandrel 20 is oriented in a substantially vertical plane, the viscous molten resin flows axially towards the lower end of the formed columnar structure due to gravity. Will tend to produce a distorted end product.

【0020】図1を再び参照すると、入来する熱可塑性
複合材料テープ30は好ましくは、材料供給リール(図
示されないが技術分野では周知)から分散される。さら
に、適切な圧縮および結合工程の間に、テープ30が圧
縮ローラ40に近づくにつれ、入来するテープ30は引
張状態にあることが有利である。引張りは、最終的な製
品の、皺および他の圧縮の欠陥などの欠点を減じる。熱
可塑性複合材料テープ30に入る張りをもたらすには、
張力ローラ(図示されないが技術分野では周知)を用い
ることが好ましい。張力ローラは、テープが供給リール
を離れた後、しかしテープ30が圧縮ローラ40に達す
る前の点で、テープ30を抑止する。周知の摩擦抑止技
術の1つは、1対の並置された張力ローラの間に熱可塑
性複合材料テープ30を導くステップを含む。
Referring again to FIG. 1, the incoming thermoplastic composite tape 30 is preferably distributed from a material supply reel (not shown but well known in the art). Further, it is advantageous that the incoming tape 30 is in tension as the tape 30 approaches the compression roller 40 during a suitable compression and bonding process. Tension reduces defects in the final product, such as wrinkles and other compression defects. To provide tension into the thermoplastic composite tape 30,
Preferably, a tension roller (not shown but well known in the art) is used. The tension roller inhibits the tape 30 at a point after the tape leaves the supply reel, but before the tape 30 reaches the compression roller 40. One known friction deterrent technique involves guiding a thermoplastic composite tape 30 between a pair of juxtaposed tension rollers.

【0021】熱可塑性複合材料テープ30は、加熱され
た圧縮ローラ40によりマンドレル20の形成表面に対
して圧縮され、これは、図1に示されかつ上述されたよ
うに、マンドレル20の表面上に形成されるほぼ円柱状
の構造14に対して熱可塑性複合テープ30を回転させ
かつ押さえるように位置づけられる。形成されている円
柱状の積層構造14への、入来する熱可塑性複合材料テ
ープ30の付加および圧縮とほぼ同時に、熱可塑性複合
材料テープ30は、加熱された圧縮ローラ40との接触
による伝導を介して、テープ30を形成する熱可塑性複
合材料を結合するのに十分な(材料のガラス転移温度よ
りも上の)温度に加熱される。
The thermoplastic composite tape 30 is compressed against the forming surface of the mandrel 20 by a heated compression roller 40, which, as shown in FIG. 1 and described above, rests on the surface of the mandrel 20. The thermoplastic composite tape 30 is positioned to rotate and hold against the generally cylindrical structure 14 to be formed. Almost simultaneously with the application and compression of the incoming thermoplastic composite tape 30 to the formed cylindrical laminate structure 14, the thermoplastic composite tape 30 conducts by contact with the heated compression roller 40. Through the heating to a temperature (above the glass transition temperature of the material) sufficient to bond the thermoplastic composite material forming the tape 30.

【0022】この発明は、熱可塑性複合材料テープ30
から形成されるほぼ円柱状の構造14の形成に主に関連
して論じられたが、他のタイプの材料を用いて構造を作
り出すのにもこの発明を用いてもよい。たとえば、裸火
54を備えるバーナ50を用いて、熱硬化性材料圧縮工
程もまた、圧縮ローラ40から残留物および/または汚
染物を取り除いてもよい。より具体的には、この発明に
従うと、圧縮ローラを用いる、金属、合金、ハイブリッ
ドおよび他の化合物の圧縮工程も、バーナ50を用いて
圧縮ローラ40から残留物および汚染物を取り除いても
よい。
The present invention relates to a thermoplastic composite tape 30.
Although discussed primarily in connection with the formation of a generally cylindrical structure 14 formed from the same, the invention may also be used to create structures using other types of materials. For example, using a burner 50 with an open flame 54, a thermosetting material compression process may also remove residue and / or contaminants from the compression roller 40. More specifically, in accordance with the present invention, the compression process of metals, alloys, hybrids and other compounds using compression rollers may also use burners 50 to remove residues and contaminants from compression rollers 40.

【0023】図1に示されたように、ローラ40は、入
来するテープを駆動されたマンドレル20の周方向の形
成表面に対して押さえることにより、入来する熱可塑性
複合材料テープ30を、形成されているほぼ円柱状の構
造14に圧縮する。以前に論じられたように、圧縮ロー
ラ40が加熱され、テープ30との伝導接触を介してロ
ーラが熱可塑性複合材料テープ30を加熱する。この加
熱は、形成される構造の上の外側巻き付けに対する入来
するテープの圧縮とほぼ同時に、テープに含まれる樹脂
を結合するには十分である。以前に用いられた加熱され
た圧縮ローラは、内部電気コイルなどのメカニズムを用
いて、(熱可塑性樹脂のガラス転移温度よりも一般的に
上の)必要な結合温度を生成する。上に注記されたよう
に、好ましくは、この発明に従い、バーナ50は、その
連続的な洗浄サイクルの間に圧縮ローラ40を十分に加
熱し、さらなる加熱メカニズムの必要性を排除する。こ
の態様では、この発明は装置10のコストおよび複雑さ
を減じるだけでなく、生産法の効率も増す。この発明の
代替的な実施例(または高い結合温度を備える特定のタ
イプの材料について)は、バーナ50から導出された圧
縮ローラ40の加熱とともに、内部電気コイルまたは
(コイル58で概略的に示される)他の加熱メカニズム
を用いてもよい。始動の際に圧縮ローラを予熱するのに
電気コイルを用いることができる。これらの実施例にお
いてすら、バーナ50は、圧縮ローラ40を適切な温度
に加熱するのに必要な熱の少なくともいくらかを与え
る。したがって、これらの実施例においてすら、この発
明は必要なエネルギーを減じかつ実質的なコストの節減
をもたらす。
As shown in FIG. 1, rollers 40 hold incoming thermoplastic composite material tape 30 by pressing the incoming tape against the circumferential forming surface of driven mandrel 20. It compresses into the generally cylindrical structure 14 that has been formed. As previously discussed, the compression roller 40 is heated, and the roller heats the thermoplastic composite tape 30 via conductive contact with the tape 30. This heating is sufficient to bond the resin contained in the tape at about the same time as the compression of the incoming tape against the outer wrap over the structure to be formed. Previously used heated compression rollers use mechanisms such as internal electrical coils to create the required bonding temperature (generally above the glass transition temperature of the thermoplastic). As noted above, preferably in accordance with the present invention, burner 50 sufficiently heats compression roller 40 during its successive cleaning cycles, eliminating the need for an additional heating mechanism. In this manner, the present invention not only reduces the cost and complexity of the device 10, but also increases the efficiency of the production process. Alternative embodiments of the present invention (or for certain types of materials with high bonding temperatures), together with the heating of the compression roller 40 derived from the burner 50, are shown schematically with internal electrical coils or (coils 58). ) Other heating mechanisms may be used. An electric coil can be used to preheat the compression roller during startup. Even in these embodiments, burner 50 provides at least some of the heat required to heat compression roller 40 to the appropriate temperature. Thus, even in these embodiments, the present invention reduces the required energy and results in substantial cost savings.

【0024】この発明の他の代替的な実施例では、圧縮
ローラ40は、形成される円柱状構造14の外側巻き付
けに対する熱可塑性複合材料テープ30の圧縮のために
主に(またはそれのみのために)用いられ、伝導熱転送
を介した結合のためには用いられない。この発明のその
ような実施例では、(対流、赤外線加熱などの)結合温
度への熱可塑性複合材料テープ30の加熱用の他の方法
を用いる。圧縮ローラ40は、熱可塑性複合材料テープ
30からの樹脂および他の残留物ならびに他の汚染物で
依然として覆われやすいため、このような実施例は、こ
の発明のバーナ50を用いて、圧縮ローラの必要な連続
的な洗浄を与える。したがって、熱可塑性複合材料テー
プ30を結合温度に加熱するのに用いる熱転送方法にか
かわらず、この発明のバーナ50による圧縮ローラ40
の連続的な洗浄は機能的でありかつ有利である。
In another alternative embodiment of the present invention, the compression roller 40 is provided primarily for (or only for) compression of the thermoplastic composite tape 30 against the outer wrap of the formed cylindrical structure 14. ) And not for coupling via conductive heat transfer. In such embodiments of the present invention, other methods for heating the thermoplastic composite tape 30 to the bonding temperature (such as convection, infrared heating, etc.) are used. Because compression roller 40 is still susceptible to resin and other residues from thermoplastic composite tape 30 and other contaminants, such an embodiment uses the burner 50 of the present invention to reduce the pressure of the compression roller. Provides the necessary continuous cleaning. Thus, regardless of the heat transfer method used to heat the thermoplastic composite tape 30 to the bonding temperature, the compression roller 40 with the burner 50 of the present invention.
Continuous cleaning is functional and advantageous.

【0025】この発明に従って作られたバーナ50は好
ましくは、ローラ40が全回転し、汚染物および成分
を、作製中のほぼ円柱状の構造14の新たに形成中の表
面に圧縮する機会を有する前に、圧縮ローラ40に接着
する実質的にすべての熱可塑性材料の残留物および他の
汚染物を取り除く。好ましくは、バーナ50は裸火を用
いる。また、好ましくは、バーナが発生する熱または裸
火54のレベルまたは速度は、好適なコントローラ60
によって制御可能である。バーナ50の制御は、バーナ
の温度レベルおよび熱の速度を、異なるタイプの材料の
残留物および他の汚染物の完全な除去を達成するのに必
要なレベルに設定するのを可能にする。したがって、こ
の発明により、必要な裸火54および熱レベルをバーナ
50で達成することが可能になりかつ、より低いレベル
の熱または炎が容認される状況では費用対効果ももたら
す。
The burner 50 made in accordance with the present invention preferably has the opportunity for the roller 40 to make a full revolution, compressing contaminants and components to the newly forming surface of the generally cylindrical structure 14 being made. Prior to removing substantially all of the thermoplastic material residue and other contaminants that adhere to the compression roller 40. Preferably, the burner 50 uses an open flame. Also, preferably, the level or speed of the heat or open flame 54 generated by the burner is controlled by a suitable controller 60.
Can be controlled by Control of the burner 50 allows the burner temperature level and heat rate to be set to the levels required to achieve complete removal of different types of material residues and other contaminants. Thus, the present invention allows the required open flame 54 and heat levels to be achieved with burner 50 and is also cost effective in situations where lower levels of heat or flame are tolerated.

【0026】さらなる利点は、この発明に従って形成さ
れた連続洗浄圧縮ローラリングワインダ10は、ほぼ円
柱状の構造14の形成の全自動化を可能にすることであ
る。この発明は、圧縮ローラ40からの汚染物および残
留物を専任で削り落とす常勤の従業員の必要性を排除す
ることにより、手作業での削り落としに対して、さらな
るコスト節減を提供する。
A further advantage is that the continuous cleaning compression roller ring winder 10 formed in accordance with the present invention allows for the full automation of the formation of the generally cylindrical structure 14. The present invention provides additional cost savings for manual shaving by eliminating the need for a full-time employee to scrape off contaminants and residue from the compression roller 40 on a dedicated basis.

【0027】この発明は好ましい方法および好ましい装
置に関連して説明された。当業者は、前述の明細書を読
んだ後、開示された概念から逸脱することなく、さまざ
まな他の変更、修正および代替物またはその均等物を実
行することが可能であろう。したがって、添付の請求項
の範囲内で、特定的に本明細書中に説明された以外の方
法でこの発明を実践できることを理解されたい。
The invention has been described with reference to a preferred method and a preferred apparatus. After reading the foregoing specification, one skilled in the art will be able to make various other changes, modifications and alternatives, or equivalents thereof, without departing from the disclosed concepts. Therefore, it is to be understood that, within the scope of the appended claims, the invention may be practiced other than as specifically described herein.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明に従って形成された複合リングワイ
ンダの側面図である。
FIG. 1 is a side view of a composite ring winder formed in accordance with the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

14 円柱構造、20 マンドレル、40 圧縮ロー
ラ、50 バーナ、60コントローラ
14 cylinder structure, 20 mandrel, 40 compression roller, 50 burner, 60 controller

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4F205 HA02 HA23 HA34 HA35 HA43 HB01 HK03 HK04 HK16 HK25 HK28 HL03 HT02  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4F205 HA02 HA23 HA34 HA35 HA43 HB01 HK03 HK04 HK16 HK25 HK28 HL03 HT02

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 熱可塑性複合材料テープからほぼ円柱状
の構造を形成する方法であって、 (a) マンドレルを軸のまわりで回転させて、回転す
る形成表面を提供するステップと、 (b) 熱可塑性複合材料からなる少なくとも1つのテ
ープをマンドレルの形成表面のまわりに巻き付けてほぼ
円柱状の構造を形成するステップと、 (c) マンドレルの形成表面に対して熱可塑性複合材
料を回転させかつ押さえるように位置づけられる少なく
とも1つの圧縮ローラで、熱可塑性複合材料からなる少
なくとも1つのテープをマンドレルの形成表面に対して
圧縮するステップと、 (d) 少なくとも1つの圧縮ローラをバーナで連続的
に洗浄し、少なくとも1つの圧縮ローラに接着した、熱
可塑性複合材料からの樹脂の汚染物および成分を取り除
くステップと、 (e) 形成されているほぼ円柱状の構造に対する熱可
塑性複合材料の圧縮とほぼ同時に、少なくとも1つの熱
可塑性複合材料テープを加熱して熱可塑性複合材料の少
なくとも1つのテープを結合させるステップとを含む、
方法。
1. A method of forming a substantially cylindrical structure from a thermoplastic composite tape, comprising: (a) rotating a mandrel about an axis to provide a rotating forming surface; Wrapping at least one tape of thermoplastic composite material around a forming surface of the mandrel to form a generally cylindrical structure; and (c) rotating and pressing the thermoplastic composite material against the forming surface of the mandrel. Compressing at least one tape of thermoplastic composite against the forming surface of the mandrel with at least one compression roller positioned as follows: (d) continuously cleaning the at least one compression roller with a burner. To remove resin contaminants and components from the thermoplastic composite adhered to at least one compression roller. (E) bonding at least one thermoplastic composite tape by heating at least one thermoplastic composite tape substantially simultaneously with the compression of the thermoplastic composite into the substantially cylindrical structure being formed. And the step of causing
Method.
【請求項2】 ほぼ円柱状の構造を形成する方法であっ
て、 (a) マンドレルを水平方向の軸のまわりで回転させ
て、回転する形成表面を提供するステップと、 (b) マンドレルの形成表面のまわりに材料を巻き付
けて円柱構造を形成するステップと、 (c) マンドレルの形成表面に対して材料を回転させ
かつ押さえるように位置づけられる少なくとも1つの圧
縮ローラで、マンドレルの形成表面に対して材料を圧縮
するステップと、 (d) 少なくとも1つの圧縮ローラをバーナで連続的
に洗浄して、圧縮ローラに接着した、材料からの汚染物
および残留物を取り除くステップとを含む、方法。
2. A method of forming a generally cylindrical structure, comprising: (a) rotating a mandrel about a horizontal axis to provide a rotating forming surface; and (b) forming a mandrel. Wrapping the material around the surface to form a cylindrical structure; and (c) at least one compression roller positioned to rotate and hold the material against the forming surface of the mandrel; Compressing the material; and (d) continuously cleaning at least one compression roller with a burner to remove contaminants and residues from the material adhered to the compression roller.
【請求項3】 バーナは裸火バーナを含む、請求項1ま
たは2に記載の方法。
3. The method according to claim 1, wherein the burner comprises an open flame burner.
【請求項4】 バーナは制御可能な加熱レベルを有す
る、請求項1または2に記載の方法。
4. The method according to claim 1, wherein the burner has a controllable heating level.
【請求項5】 バーナは、少なくとも1つの圧縮ローラ
を十分に加熱して、少なくとも1つの圧縮ローラが伝導
熱転送を介して熱可塑性複合材料を結合させる、請求項
1または2に記載の方法。
5. The method of claim 1, wherein the burner heats at least one compression roller sufficiently that the at least one compression roller bonds the thermoplastic composite via conductive heat transfer.
【請求項6】 バーナによる少なくとも1つの圧縮ロー
ラの連続的な洗浄は、少なくとも1つの圧縮ローラに接
着した、熱可塑性複合材料からの樹脂の実質的にすべて
の汚染物および成分を取り除く、請求項1または2に記
載の方法。
6. The continuous cleaning of at least one compression roller by a burner removes substantially all contaminants and components of resin from the thermoplastic composite that adhere to the at least one compression roller. 3. The method according to 1 or 2.
【請求項7】 材料は熱可塑性複合材料である、請求項
2に記載の方法。
7. The method of claim 2, wherein the material is a thermoplastic composite.
【請求項8】 少なくとも1つの圧縮ローラは加熱され
る、請求項2に記載の方法。
8. The method of claim 2, wherein at least one compression roller is heated.
【請求項9】 少なくとも1つの圧縮ローラはバーナで
しか加熱されない、請求項8に記載の方法。
9. The method according to claim 8, wherein the at least one compression roller is heated only by a burner.
【請求項10】 少なくとも1つの圧縮ローラは電気的
に加熱される、請求項8に記載の方法。
10. The method of claim 8, wherein at least one compression roller is electrically heated.
【請求項11】 熱可塑性複合テープからほぼ円柱状の
構造を形成するための装置であって、 (a) 回転軸および熱可塑性複合材料テープを受ける
ための形成表面を有するマンドレルを含み、前記熱可塑
性複合材料テープはマンドレルの形成表面のまわりに巻
き付けられてほぼ円柱状の構造を形成し、さらに (b) マンドレルの形成表面に対して熱可塑性複合材
料テープを回転させかつ調節可能に圧縮するように位置
づけられた少なくとも1つの圧縮ローラを含み、少なく
とも1つの圧縮ローラは、熱可塑性複合材料と圧縮ロー
ラとのほぼ接点で、熱可塑性複合材料のテープを結合し
て、それによりほぼ円柱状の構造を結合しかつ圧縮し、
さらに (c) バーナを含み、前記バーナは、圧縮ローラに接
着した熱可塑性複合材料からの汚染物および残留物を取
り除くことにより、少なくとも1つの圧縮ローラを連続
的に洗浄する、装置。
11. An apparatus for forming a substantially cylindrical structure from a thermoplastic composite tape, comprising: (a) a mandrel having a rotating shaft and a forming surface for receiving a thermoplastic composite tape; The thermoplastic composite tape is wrapped around the forming surface of the mandrel to form a generally cylindrical structure, and (b) rotating and adjustably compressing the thermoplastic composite tape against the forming surface of the mandrel. At least one compression roller coupled to the thermoplastic composite tape at substantially the point of contact between the thermoplastic composite material and the compression roller, thereby forming a substantially cylindrical structure. Combine and compress
Further, (c) an apparatus including a burner, wherein the burner continuously cleans at least one compression roller by removing contaminants and residues from the thermoplastic composite adhered to the compression roller.
【請求項12】 ほぼ円柱状の構造を形成するための装
置であって、 (a) 回転軸と、マンドレルの形成表面のまわりに巻
き付けられて円柱状構造を形成する材料を受けるための
形成表面とを有するマンドレルと、 (b) マンドレルの形成表面に対して材料を回転させ
かつ調節可能に圧縮するように位置づけられた少なくと
も1つの圧縮ローラと、 (c) バーナとを含み、前記バーナは、圧縮ローラに
接着した材料からの汚染物および残留物を取り除くこと
により、少なくとも1つの圧縮ローラを連続的に洗浄す
る、装置。
12. An apparatus for forming a generally cylindrical structure, comprising: (a) a rotating surface and a forming surface for receiving material wound around a forming surface of a mandrel to form a cylindrical structure; And (b) at least one compression roller positioned to rotate and adjustably compress the material against the forming surface of the mandrel; and (c) a burner, the burner comprising: An apparatus for continuously cleaning at least one compression roller by removing contaminants and residues from material adhered to the compression roller.
【請求項13】 バーナは裸火バーナを含む、請求項1
1または12に記載の装置。
13. The burner of claim 1, wherein the burner comprises an open flame burner.
13. The device according to 1 or 12.
【請求項14】 バーナの加熱レベルを制御するための
コントローラを含む、請求項11または12に記載の装
置。
14. The apparatus according to claim 11, further comprising a controller for controlling a burner heating level.
【請求項15】 バーナは、少なくとも1つの圧縮ロー
ラを十分に加熱して、少なくとも1つの圧縮ローラが伝
導熱転送を介して熱可塑性複合テープを結合する、請求
項11または12に記載の装置。
15. The apparatus of claim 11, wherein the burner heats at least one compression roller sufficiently that the at least one compression roller bonds the thermoplastic composite tape via conductive heat transfer.
【請求項16】 バーナによる少なくとも1つの圧縮ロ
ーラの連続的な洗浄は、少なくとも1つの圧縮ローラに
接着した、熱可塑性複合テープからの樹脂の実質的にす
べての汚染物および成分を取り除く、請求項11または
12に記載の装置。
16. The continuous cleaning of at least one compression roller by the burner removes substantially all contaminants and components of resin from the thermoplastic composite tape adhered to the at least one compression roller. 13. The device according to 11 or 12.
【請求項17】 材料は熱可塑性複合材料である、請求
項12に記載の装置。
17. The device according to claim 12, wherein the material is a thermoplastic composite.
【請求項18】 圧縮ローラは加熱される、請求項17
に記載の装置。
18. The method of claim 17, wherein the compression roller is heated.
An apparatus according to claim 1.
【請求項19】 圧縮ローラはバーナでしか加熱されな
い、請求項18に記載の装置。
19. The apparatus according to claim 18, wherein the compression roller is heated only by a burner.
【請求項20】 圧縮ローラは電気的に加熱される、請
求項18に記載の装置。
20. The apparatus of claim 18, wherein the compression roller is electrically heated.
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