JP2002355893A - コンポジットフライホイール用の高速製造方法 - Google Patents
コンポジットフライホイール用の高速製造方法Info
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Moulding By Coating Moulds (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高い信頼性と長寿命と高出力供給に対応出来
る、低コストなコンポジットフライホイールリムを製造
するための、揚硬化フィラメントワインディングプロセ
スを提供する。 【解決手段】熱硬化性樹脂マトリックスに内蔵された補
強繊維を有するコンポジットフライホイールリムを製造
するためのフィラメントワインディングプロセスにおい
て、前記繊維に前記樹脂を含浸させ、外部表面をもつ円
筒形部品を製造するためマンドレル（３２）上に前記樹
脂が含浸された繊維をワインディングし、前記外部表面
上に液状樹脂含浸補強繊維が巻付けられている間に、前
記外部表面の下側において前記部品内の薄い半径方向層
の中の前記樹脂をゲル化させるフィラメントワインディ
ングプロセスを提供する。
る、低コストなコンポジットフライホイールリムを製造
するための、揚硬化フィラメントワインディングプロセ
スを提供する。 【解決手段】熱硬化性樹脂マトリックスに内蔵された補
強繊維を有するコンポジットフライホイールリムを製造
するためのフィラメントワインディングプロセスにおい
て、前記繊維に前記樹脂を含浸させ、外部表面をもつ円
筒形部品を製造するためマンドレル（３２）上に前記樹
脂が含浸された繊維をワインディングし、前記外部表面
上に液状樹脂含浸補強繊維が巻付けられている間に、前
記外部表面の下側において前記部品内の薄い半径方向層
の中の前記樹脂をゲル化させるフィラメントワインディ
ングプロセスを提供する。
Description
本発明は、２００１年９月１１日にファイルされた米国
仮出願60/231,653に関する。本発明は、コンポジットフ
ライホイールリムを製造するためのプロセス及び装置及
び該プロセス及び装置によって作られたフライホイール
リム、より特定的には低コストでコンポジットフライホ
イールリムを製造するためのその場硬化フィラメントワ
インディングプロセスに関する。 ［発明の背景］フライホイールシステムは、そのシステ
ム内にエネルギーを貯え、その後貯えたエネルギーを必
要になった時点で他の機器に放出する目的で、長年にわ
たり使用されてきた。フライホイールシステムは同様
に、内燃機関及びその他の種類の動力機器の作動を平滑
化する効果も提供する。さらに最近では、エネルギーを
貯蔵し放出することのできる無停電電源（ＵＰＳ）とし
て、電気的利用分野においてもフライホイールシステム
が使用されつつある。フライホイールロータ及びそれに
取付けられたモーター／発電機を内含するフライホイー
ルエネルギー貯蔵システム（ＦＥＳＳ）は、フライホイ
ールロータを高速で回転させるためのモーターを使用す
ることによって、電気エネルギーを機械的エネルギーへ
と変換する。エネルギーは、フライホイールロータの動
作の中で動力学的に貯えられる。機械的エネルギーはそ
の後、発電機を駆動するため高速回転するフライホイー
ルロータの回転慣性を用いることによって、必要なとき
に電気エネルギーへと変換され放出される。電気エネル
ギーの貯蔵のために従来の電気化学電池の代りにＦＥＳ
Ｓを使用することは、潜在的なより高い信頼性、より長
い寿命そして必要であればはるかに高出力を供給できる
という利点を提供する。
仮出願60/231,653に関する。本発明は、コンポジットフ
ライホイールリムを製造するためのプロセス及び装置及
び該プロセス及び装置によって作られたフライホイール
リム、より特定的には低コストでコンポジットフライホ
イールリムを製造するためのその場硬化フィラメントワ
インディングプロセスに関する。 ［発明の背景］フライホイールシステムは、そのシステ
ム内にエネルギーを貯え、その後貯えたエネルギーを必
要になった時点で他の機器に放出する目的で、長年にわ
たり使用されてきた。フライホイールシステムは同様
に、内燃機関及びその他の種類の動力機器の作動を平滑
化する効果も提供する。さらに最近では、エネルギーを
貯蔵し放出することのできる無停電電源（ＵＰＳ）とし
て、電気的利用分野においてもフライホイールシステム
が使用されつつある。フライホイールロータ及びそれに
取付けられたモーター／発電機を内含するフライホイー
ルエネルギー貯蔵システム（ＦＥＳＳ）は、フライホイ
ールロータを高速で回転させるためのモーターを使用す
ることによって、電気エネルギーを機械的エネルギーへ
と変換する。エネルギーは、フライホイールロータの動
作の中で動力学的に貯えられる。機械的エネルギーはそ
の後、発電機を駆動するため高速回転するフライホイー
ルロータの回転慣性を用いることによって、必要なとき
に電気エネルギーへと変換され放出される。電気エネル
ギーの貯蔵のために従来の電気化学電池の代りにＦＥＳ
Ｓを使用することは、潜在的なより高い信頼性、より長
い寿命そして必要であればはるかに高出力を供給できる
という利点を提供する。
【０００１】当初簡単のため、鋼で作られたフライホイ
ールロータがフライホイール ＵＰＳシステムにおいて
使用されたが、一般的に４００ｍ／秒前後又はそれ未満
の先端周速度が限界で、かかるフライホイールの性能は
低いものである。これに比べて、コンポジットフライホ
イールリムをもつフライホイールロータははるかに高速
（７００〜１０００ｍ／秒）で運転され得る。より高い
性能は、フライホイールリム内に高強度のガラス繊維及
び炭素繊維を適用し、目的に応じて設計し比強度を増大
させることにようって得られる。フライホイール設計に
おいて貯蔵されるエネルギーは先端周速度の２乗に正比
例するが、フライホイールロータ（リム及びハブを含
む）の質量には一次比例するだけであることから、研究
者らは、より高速回転可能なコンポジット製フライホイ
ールリムを強く追い求めてきた。
ールロータがフライホイール ＵＰＳシステムにおいて
使用されたが、一般的に４００ｍ／秒前後又はそれ未満
の先端周速度が限界で、かかるフライホイールの性能は
低いものである。これに比べて、コンポジットフライホ
イールリムをもつフライホイールロータははるかに高速
（７００〜１０００ｍ／秒）で運転され得る。より高い
性能は、フライホイールリム内に高強度のガラス繊維及
び炭素繊維を適用し、目的に応じて設計し比強度を増大
させることにようって得られる。フライホイール設計に
おいて貯蔵されるエネルギーは先端周速度の２乗に正比
例するが、フライホイールロータ（リム及びハブを含
む）の質量には一次比例するだけであることから、研究
者らは、より高速回転可能なコンポジット製フライホイ
ールリムを強く追い求めてきた。
【０００２】電力の質及び信頼性が関係する産業におい
て競争力をもつためには、フライホイール使いのＵＰＳ
システムは、信頼性が低く、寿命は短いが、低コストの
電気化学蓄電池使いＵＰＳシステムと競合しなければな
らない。効果的に競合するためには、高性能コンポジッ
ト製フライホイールリムは短時間でかつ低コストで製造
されなくてはならない。数多くのコンポジット部材製造
方法の中でも、フィラメントワインディングはコンポジ
ット製フライホイールリム製造のための最高の可能性を
提供する方法であるということが一般に受入れられてい
る。フィラメントワインディングは、高い応力が負荷さ
れるフライホイールリムに本質的に求められる非常に高
い品質及び製造時に高い材料積層速度を提供できる高度
に自動化されたプロセスとなりうる。フィラメントワイ
ンディングによって製造されたフライホイールリムは一
般的に、非常に高速で回転させることができ、従ってエ
ネルギー貯蔵のために極めて有効な肉厚の主としてフー
プ巻されたコンポジット製リングとして設計される。フ
ィラメントワインディング作業中に原料繊維束の中に熱
硬化性樹脂を含浸させる湿式フィラメントワインディン
グ法は、コンポジットリムのための好ましい製造方法で
ある。フライホイールリムのように非常に厚い構造を有
するためコンポジット材料の品質はプレプレグ（予め含
浸され一部ゲル化した）トウを用いたフィラメントワイ
ンディング法によるよりも、湿式ワインディング法によ
る方がはるかに高い（より低いボイド率及びより優れた
繊維配列）ことが示されてきた。ワインディングプロセ
ス中に自由に流動するように設計されていない高粘度の
プレプレグ用樹脂に対して、繊維が部材上に供給される
につれて巻き込み空気が部材から外へ押し出される湿式
ワインディング用樹脂の方が粘度がはるかに低いので、
より高い品質の製品が得られやすい。
て競争力をもつためには、フライホイール使いのＵＰＳ
システムは、信頼性が低く、寿命は短いが、低コストの
電気化学蓄電池使いＵＰＳシステムと競合しなければな
らない。効果的に競合するためには、高性能コンポジッ
ト製フライホイールリムは短時間でかつ低コストで製造
されなくてはならない。数多くのコンポジット部材製造
方法の中でも、フィラメントワインディングはコンポジ
ット製フライホイールリム製造のための最高の可能性を
提供する方法であるということが一般に受入れられてい
る。フィラメントワインディングは、高い応力が負荷さ
れるフライホイールリムに本質的に求められる非常に高
い品質及び製造時に高い材料積層速度を提供できる高度
に自動化されたプロセスとなりうる。フィラメントワイ
ンディングによって製造されたフライホイールリムは一
般的に、非常に高速で回転させることができ、従ってエ
ネルギー貯蔵のために極めて有効な肉厚の主としてフー
プ巻されたコンポジット製リングとして設計される。フ
ィラメントワインディング作業中に原料繊維束の中に熱
硬化性樹脂を含浸させる湿式フィラメントワインディン
グ法は、コンポジットリムのための好ましい製造方法で
ある。フライホイールリムのように非常に厚い構造を有
するためコンポジット材料の品質はプレプレグ（予め含
浸され一部ゲル化した）トウを用いたフィラメントワイ
ンディング法によるよりも、湿式ワインディング法によ
る方がはるかに高い（より低いボイド率及びより優れた
繊維配列）ことが示されてきた。ワインディングプロセ
ス中に自由に流動するように設計されていない高粘度の
プレプレグ用樹脂に対して、繊維が部材上に供給される
につれて巻き込み空気が部材から外へ押し出される湿式
ワインディング用樹脂の方が粘度がはるかに低いので、
より高い品質の製品が得られやすい。
【０００３】肉厚部材のフィラメントワインディング
は、段階的に部材の巻付けを行う方法すなわち、約３/
４インチ未満の半径方向厚みをもつ環状層の形でワイン
ディングが行われ、ついで樹脂硬化が行われる多段ワイ
ンディングによって行われてきた。数インチの肉厚の部
材を製造するために、硬化が完了した面に後続層が繰り
返しにワインディングされ硬化される。良好な繊維配列
を得るため及び、部材を劣化させうる発熱樹脂反応中の
過度の熱発生を防ぐなどのいくつかの理由から、多段ワ
インディングが行われてきた。良好な繊維配列を得るこ
と又は繊維の座屈として知られているこの配列の欠陥
は、以下のように説明することができる。フィラメント
ワインディング中、繊維は、幾分かの張力下でマンドレ
ル上に最初巻付けられる。後続する層が上面に巻付けら
れ、その各々が部品の厚みを増大させ、又本質的に下に
ある層に幾分かの圧縮力を付加する。部品の厚みが約１
/２インチよりも大きくなるにつれて、外側層全てが合
わさった積層圧力のため、内側層は引張張力を失い、実
際には圧縮状態になる。個々の炭素又はガラス繊維のフ
ィラメント径がきわめて小さいことから（５〜２０μ
ｍ）、繊維は圧縮下で容易に座屈し、この座屈は半径方
向外向きに広がり、硬化されたコンポジット材料内に許
容できないキンクバンド（屈曲繊維帯）を形成する。座
屈又は屈曲した繊維は構造部材のフープ強度を低減さ
せ、従ってフライホイールリムの最大回転速度及びエネ
ルギー貯蔵能力を低減させることになる。
は、段階的に部材の巻付けを行う方法すなわち、約３/
４インチ未満の半径方向厚みをもつ環状層の形でワイン
ディングが行われ、ついで樹脂硬化が行われる多段ワイ
ンディングによって行われてきた。数インチの肉厚の部
材を製造するために、硬化が完了した面に後続層が繰り
返しにワインディングされ硬化される。良好な繊維配列
を得るため及び、部材を劣化させうる発熱樹脂反応中の
過度の熱発生を防ぐなどのいくつかの理由から、多段ワ
インディングが行われてきた。良好な繊維配列を得るこ
と又は繊維の座屈として知られているこの配列の欠陥
は、以下のように説明することができる。フィラメント
ワインディング中、繊維は、幾分かの張力下でマンドレ
ル上に最初巻付けられる。後続する層が上面に巻付けら
れ、その各々が部品の厚みを増大させ、又本質的に下に
ある層に幾分かの圧縮力を付加する。部品の厚みが約１
/２インチよりも大きくなるにつれて、外側層全てが合
わさった積層圧力のため、内側層は引張張力を失い、実
際には圧縮状態になる。個々の炭素又はガラス繊維のフ
ィラメント径がきわめて小さいことから（５〜２０μ
ｍ）、繊維は圧縮下で容易に座屈し、この座屈は半径方
向外向きに広がり、硬化されたコンポジット材料内に許
容できないキンクバンド（屈曲繊維帯）を形成する。座
屈又は屈曲した繊維は構造部材のフープ強度を低減さ
せ、従ってフライホイールリムの最大回転速度及びエネ
ルギー貯蔵能力を低減させることになる。
【０００４】肉厚のあるフィラメントワインディング部
材品内で繊維を真直ぐに整列させることができる以外
に、硬化中の樹脂の過度の発熱反応を防ぐ目的でも同様
に多段ワインディングが行われてきた。部材が約１/２
インチよりも大きい厚みで一度に硬化させられたなら
ば、部材の内部において発生した熱は、大量の樹脂が全
て一度に反応することと熱伝導率が低いので熱が急速に
分散できないことに起因して、過度に高いものとなる。
多段ワインディングのおかげで、高品質の肉厚フィラメ
ントワインディング部材の製造が可能になった。
材品内で繊維を真直ぐに整列させることができる以外
に、硬化中の樹脂の過度の発熱反応を防ぐ目的でも同様
に多段ワインディングが行われてきた。部材が約１/２
インチよりも大きい厚みで一度に硬化させられたなら
ば、部材の内部において発生した熱は、大量の樹脂が全
て一度に反応することと熱伝導率が低いので熱が急速に
分散できないことに起因して、過度に高いものとなる。
多段ワインディングのおかげで、高品質の肉厚フィラメ
ントワインディング部材の製造が可能になった。
【０００５】多段ワインディングに付随する問題点は、
このプロセスがきわめて時間及びコストのかかるもので
あるということにある。数多くのケースで、フィラメン
トワンディングされたコンポジット製フライホイールリ
ムは、６インチにも及ぶ半径方向厚みを有している。か
かるフライホイールリムは、多段ワインディングの場合
約１２日を要する１２回の個別段階でワンディング、硬
化を行うことが必要となるだろう。さらに製造時間を増
大させているのは、部材を硬化後に巻付けるべき次の段
階でワインディングざれる層とあらたに巻き付けられる
層との接着性を改善するため、各段のワインディング後
に多孔質剥離テープでリムを包み込むことを多段ワイン
ディング必要としているという事実である。次の段のワ
ンディングに先立ち、テープは除去され、リムは研磨さ
れ液状樹脂でコーティングされる。機器使用時間に関す
る出費が数多くのケースにおける最大のコンポジット材
料製造コストの１つであることを考慮すると、多段ワイ
ンディングは、コンポジット材料フライホイールリム製
造にとって望ましくない方法であると思われる。
このプロセスがきわめて時間及びコストのかかるもので
あるということにある。数多くのケースで、フィラメン
トワンディングされたコンポジット製フライホイールリ
ムは、６インチにも及ぶ半径方向厚みを有している。か
かるフライホイールリムは、多段ワインディングの場合
約１２日を要する１２回の個別段階でワンディング、硬
化を行うことが必要となるだろう。さらに製造時間を増
大させているのは、部材を硬化後に巻付けるべき次の段
階でワインディングざれる層とあらたに巻き付けられる
層との接着性を改善するため、各段のワインディング後
に多孔質剥離テープでリムを包み込むことを多段ワイン
ディング必要としているという事実である。次の段のワ
ンディングに先立ち、テープは除去され、リムは研磨さ
れ液状樹脂でコーティングされる。機器使用時間に関す
る出費が数多くのケースにおける最大のコンポジット材
料製造コストの１つであることを考慮すると、多段ワイ
ンディングは、コンポジット材料フライホイールリム製
造にとって望ましくない方法であると思われる。
【０００６】その場硬化フィラメントワインディング
は、フィラメントワインディングされている間に漸進的
及び連続的に部材を硬化させ、かくして製造時間及びコ
ストを低減させることによって、非常に肉厚のフィラメ
ントワインディング部材をより短時間で製造できるよう
にする比較的新しいプロセスである。その場硬化は、実
験的なプロジェクトのテーマであり続けてきているが、
なおもその幼年期にあり、これまでのところ、しかりし
た、信頼性の高い、反復性もある工業プロセスであると
みなすことのできる程度にまで開発されていない。
は、フィラメントワインディングされている間に漸進的
及び連続的に部材を硬化させ、かくして製造時間及びコ
ストを低減させることによって、非常に肉厚のフィラメ
ントワインディング部材をより短時間で製造できるよう
にする比較的新しいプロセスである。その場硬化は、実
験的なプロジェクトのテーマであり続けてきているが、
なおもその幼年期にあり、これまでのところ、しかりし
た、信頼性の高い、反復性もある工業プロセスであると
みなすことのできる程度にまで開発されていない。
【０００７】一部の研究者は、リムと繊維の接触点にお
いて非常に高温の熱（＞２００℃）を加えることによる
その場固結を伴う熱可塑性プレプレグでのフィラメント
ワインディングによるフライホイール製造方法を追い求
めてきた。しかしながら熱可塑性マトリックスを使用す
ると、高い原料コストがより一層高くなること及びはる
かに高い樹脂粘度に起因して凝固が遅くなり、製造速度
が非常に遅くなることによって、プレプレグの使用に付
随する問題はさらに悪化する。フライホイールリムを高
い製造温度から冷却することは、受容できないほどに高
い熱残留応力も同様に発生させる。 ［発明の要約］従って、本発明は、低コストで高品質の
フライホイールリムを作るための改良型その場硬化式フ
ィラメントワインディングプロセス及びこのプロセスに
よって作られたリムを提供し、かつ該プロセスを実施す
るための装置をも内含している。該方法は、フィラメン
トワインディングプロセス中に樹脂を連続して硬化する
ためにその場硬化を適用する。より低い硬化温度と共に
より低いワインディングプロセス温度が適用され、本来
より靭性の高いエポキシ樹脂系を使うことによって、リ
ムを連続的に巻付けることが可能となる。１つのリムの
中で多くのタイプの繊維を使用することができ、このリ
ム内でこれらの繊維は部材の強度及び剛性必要条件に最
大の貢献をする。この方法によれば、熱応力によってリ
ムに亀裂を生じさせることなく、一度にリムをワインデ
ィングことができるため、ガラス及び炭素の両方の繊維
を含有する圧入組合せリム（プレスフィットリム）は、
もはや必要とされない。これらは、１時間あたり約１/
４〜１/２インチという旧来の半径方向積層速度を使用
しながら、比較的低い硬化温度のエポキシを同時に用い
ることによって達成される。巻付け温度は、約６０℃〜
８０℃に保つことができ、低い熱残留応力を提供する。
エポキシ樹脂と共に脂肪族アミン又はエーテルアミン硬
化剤も一般に、巻付け温度を低下させ低粘度を許容する
のに充分な作用をもたらすが、類似の特性を提供するそ
の他の樹脂系を使用することも可能である。
いて非常に高温の熱（＞２００℃）を加えることによる
その場固結を伴う熱可塑性プレプレグでのフィラメント
ワインディングによるフライホイール製造方法を追い求
めてきた。しかしながら熱可塑性マトリックスを使用す
ると、高い原料コストがより一層高くなること及びはる
かに高い樹脂粘度に起因して凝固が遅くなり、製造速度
が非常に遅くなることによって、プレプレグの使用に付
随する問題はさらに悪化する。フライホイールリムを高
い製造温度から冷却することは、受容できないほどに高
い熱残留応力も同様に発生させる。 ［発明の要約］従って、本発明は、低コストで高品質の
フライホイールリムを作るための改良型その場硬化式フ
ィラメントワインディングプロセス及びこのプロセスに
よって作られたリムを提供し、かつ該プロセスを実施す
るための装置をも内含している。該方法は、フィラメン
トワインディングプロセス中に樹脂を連続して硬化する
ためにその場硬化を適用する。より低い硬化温度と共に
より低いワインディングプロセス温度が適用され、本来
より靭性の高いエポキシ樹脂系を使うことによって、リ
ムを連続的に巻付けることが可能となる。１つのリムの
中で多くのタイプの繊維を使用することができ、このリ
ム内でこれらの繊維は部材の強度及び剛性必要条件に最
大の貢献をする。この方法によれば、熱応力によってリ
ムに亀裂を生じさせることなく、一度にリムをワインデ
ィングことができるため、ガラス及び炭素の両方の繊維
を含有する圧入組合せリム（プレスフィットリム）は、
もはや必要とされない。これらは、１時間あたり約１/
４〜１/２インチという旧来の半径方向積層速度を使用
しながら、比較的低い硬化温度のエポキシを同時に用い
ることによって達成される。巻付け温度は、約６０℃〜
８０℃に保つことができ、低い熱残留応力を提供する。
エポキシ樹脂と共に脂肪族アミン又はエーテルアミン硬
化剤も一般に、巻付け温度を低下させ低粘度を許容する
のに充分な作用をもたらすが、類似の特性を提供するそ
の他の樹脂系を使用することも可能である。
【０００８】［好ましい実施形態の説明］本発明に従っ
たその場硬化によるフィラメントワインディングプロセ
スにおいては、作製中の部材は、樹脂含浸済み繊維がそ
の上にワインディングされるのに伴って、一定のワイン
ディング温度まで加熱される。ワインディング温度は、
部材上への望ましい材料積層速度及び選定択された樹脂
の反応性によって決定される。該プロセスは、熱硬化性
樹脂が、ある温度でゲル化又は硬化するのに要する時間
として定義づけられる温度依存性を有するゲル化時間を
有するという事実に基づくものである。或る一定の範囲
内では、熱硬化性樹脂のゲル化時間は温度上昇と共に低
下する。本発明のコンポジット製フライホイールリムの
ために使用されるエポキシ樹脂でのおおよその経験則
は、温度上昇１０℃毎にゲル化時間は半分に低減すると
いうものである。フィラメントワインディング温度（ワ
インディング中の部材表面温度）及びワンディング速度
は、部材が厚くなり過ぎて繊維が座屈する可能性が出て
くる前に樹脂がゲル化又は硬化するような形で決定され
る。好ましくは、以下で記述するプロセスパラメータ
は、ゲル化していない部材の厚みが樹脂のゲル化の前の
部品の外側表面において約１/２〜３/４インチを超えな
いことを保証できるように選択される。部材は、数イン
チの厚みまで或る一定の巻付け速度で連続的に巻付けら
れることから、樹脂は同じ速度で連続的に半径方向外向
きにゲル化し、かくしてゲル化進行中の半径方向ゾーン
の厚さが湿潤状態の部材表面下で薄く維持される。
たその場硬化によるフィラメントワインディングプロセ
スにおいては、作製中の部材は、樹脂含浸済み繊維がそ
の上にワインディングされるのに伴って、一定のワイン
ディング温度まで加熱される。ワインディング温度は、
部材上への望ましい材料積層速度及び選定択された樹脂
の反応性によって決定される。該プロセスは、熱硬化性
樹脂が、ある温度でゲル化又は硬化するのに要する時間
として定義づけられる温度依存性を有するゲル化時間を
有するという事実に基づくものである。或る一定の範囲
内では、熱硬化性樹脂のゲル化時間は温度上昇と共に低
下する。本発明のコンポジット製フライホイールリムの
ために使用されるエポキシ樹脂でのおおよその経験則
は、温度上昇１０℃毎にゲル化時間は半分に低減すると
いうものである。フィラメントワインディング温度（ワ
インディング中の部材表面温度）及びワンディング速度
は、部材が厚くなり過ぎて繊維が座屈する可能性が出て
くる前に樹脂がゲル化又は硬化するような形で決定され
る。好ましくは、以下で記述するプロセスパラメータ
は、ゲル化していない部材の厚みが樹脂のゲル化の前の
部品の外側表面において約１/２〜３/４インチを超えな
いことを保証できるように選択される。部材は、数イン
チの厚みまで或る一定の巻付け速度で連続的に巻付けら
れることから、樹脂は同じ速度で連続的に半径方向外向
きにゲル化し、かくしてゲル化進行中の半径方向ゾーン
の厚さが湿潤状態の部材表面下で薄く維持される。
【０００９】温度コントローラ３５ａ及びヒーター３５
が、所望の硬化速度を維持するように一定の部材温度を
保つ。樹脂は、部材がワインディングされるにつれて連
続的に進行する薄い層の形で硬化することと、温度コン
トローラが温度を一定に保つため、コンポジット材料内
部の発熱性過熱は防止される。部材は、内部マンドレル
ヒータ、外部ボックスオーブン対流ヒーター及び／又は
部品表面に対して赤外線ヒーター３５などによって加熱
可能である。部材温度は、部材の表面に照準を定めた赤
外線温度センサー３６を用いて測定される。部材上への
材料積層速度が一般的に高速製造においてでさえ半径方
向に時速１/４〜１インチ前後でしかないことから、リ
ム表面温度とゲル化ゾーン内での表面下の温度の間の差
は小さく有意でない。
が、所望の硬化速度を維持するように一定の部材温度を
保つ。樹脂は、部材がワインディングされるにつれて連
続的に進行する薄い層の形で硬化することと、温度コン
トローラが温度を一定に保つため、コンポジット材料内
部の発熱性過熱は防止される。部材は、内部マンドレル
ヒータ、外部ボックスオーブン対流ヒーター及び／又は
部品表面に対して赤外線ヒーター３５などによって加熱
可能である。部材温度は、部材の表面に照準を定めた赤
外線温度センサー３６を用いて測定される。部材上への
材料積層速度が一般的に高速製造においてでさえ半径方
向に時速１/４〜１インチ前後でしかないことから、リ
ム表面温度とゲル化ゾーン内での表面下の温度の間の差
は小さく有意でない。
【００１０】ワインディングが完了した後、部材は、外
側層が完全にゲル化するように、ワインディング装置上
で少なくともさらに約１時間回転加熱される。次に、部
材をオーブンへと移動させ、それが特定の樹脂の力学的
特性を改善するようであれば、適温で数時間後硬化させ
ることができる。
側層が完全にゲル化するように、ワインディング装置上
で少なくともさらに約１時間回転加熱される。次に、部
材をオーブンへと移動させ、それが特定の樹脂の力学的
特性を改善するようであれば、適温で数時間後硬化させ
ることができる。
【００１１】その場硬化は従来の多段ワインディングに
比べてさらに高い品質のコンポジット材料リムを製造す
る。繊維が積層されるにつれてコンポジット部材表面上
の樹脂粘度が急激に低減する（通常１００cps未満）こ
とから、ワインディング中の高い部材温度は、リム内の
ボイド率を著しく低下させる。気泡は、硬化されたコン
ポジット材料内に閉じ込められずに直ちに脱出する。Ａ
ＳＴＭ Ｄ２５８４によって測定されるボイド率は、標
準的な３〜４％から２％未満、さらには１％未満まで低
減される。部材表面上の樹脂粘度はさらに低いことか
ら、ＡＳＴＭ７９２により測定されるような繊維体積含
有率を６０％以上にまで増大させることが可能になり、
より自動化されたフィラメントワインディングが容易に
なる。部材が室温でワインディングされる従来のフィラ
メントワインディングでは、掻き取り冶具を用いて部品
表面から定期的に余剰の樹脂をかき取ることが技術者に
要求される。この樹脂は、連続的に積層されている繊維
束中の空気が閉じ込められることに起因して、通常（数
千cps）よりもさらに粘調になる。一方、その場ワイン
ディングプロセスの場合、加熱された部材表面上の樹脂
粘度は低く保たれ、余剰の樹脂は自動的に部品から滴下
し、こうして樹脂の体積含有率は減少し、他のプロセス
変動は最小にできる。
比べてさらに高い品質のコンポジット材料リムを製造す
る。繊維が積層されるにつれてコンポジット部材表面上
の樹脂粘度が急激に低減する（通常１００cps未満）こ
とから、ワインディング中の高い部材温度は、リム内の
ボイド率を著しく低下させる。気泡は、硬化されたコン
ポジット材料内に閉じ込められずに直ちに脱出する。Ａ
ＳＴＭ Ｄ２５８４によって測定されるボイド率は、標
準的な３〜４％から２％未満、さらには１％未満まで低
減される。部材表面上の樹脂粘度はさらに低いことか
ら、ＡＳＴＭ７９２により測定されるような繊維体積含
有率を６０％以上にまで増大させることが可能になり、
より自動化されたフィラメントワインディングが容易に
なる。部材が室温でワインディングされる従来のフィラ
メントワインディングでは、掻き取り冶具を用いて部品
表面から定期的に余剰の樹脂をかき取ることが技術者に
要求される。この樹脂は、連続的に積層されている繊維
束中の空気が閉じ込められることに起因して、通常（数
千cps）よりもさらに粘調になる。一方、その場ワイン
ディングプロセスの場合、加熱された部材表面上の樹脂
粘度は低く保たれ、余剰の樹脂は自動的に部品から滴下
し、こうして樹脂の体積含有率は減少し、他のプロセス
変動は最小にできる。
【００１２】また、その場硬化フィラメントワインディ
ング、従来の多段ワインディングではこれまで達成不可
能であった良好な繊維配列度を可能にすることによって
部材の品質も高める。より優れた繊維配列度は、一連の
連続的プロセスで部材を硬化させた結果である。部材表
面上のゲル化されていない部分の厚さは、ワインディン
グ速度及びワインディング温度によって制御可能であ
る。こうして、未ゲル化コンポジット材料が１/２イン
チも上面に巻付けられないうちに部材を硬化させること
ができるようになる。同様にして、その場硬化部品はよ
り均質で、多段ワインディングされた部材上の断続的に
硬化された層の間で一般的に形成される樹脂リッチ層を
全く含まない。
ング、従来の多段ワインディングではこれまで達成不可
能であった良好な繊維配列度を可能にすることによって
部材の品質も高める。より優れた繊維配列度は、一連の
連続的プロセスで部材を硬化させた結果である。部材表
面上のゲル化されていない部分の厚さは、ワインディン
グ速度及びワインディング温度によって制御可能であ
る。こうして、未ゲル化コンポジット材料が１/２イン
チも上面に巻付けられないうちに部材を硬化させること
ができるようになる。同様にして、その場硬化部品はよ
り均質で、多段ワインディングされた部材上の断続的に
硬化された層の間で一般的に形成される樹脂リッチ層を
全く含まない。
【００１３】一般的に何時間も継続される大型部材のそ
の場硬化性ワインディング実施中に、樹脂粘度を充分低
く維持するために、最高６５℃の高い樹脂槽温度におい
てもきわめて長いポットライフをもつ脂環式アミン硬化
ビスフェノールＡ樹脂が選定された。ワインディング中
樹脂槽内で樹脂が硬化するのを防ぐのに長いポットライ
フが貢献し、繊維を破断せずに高いトウ速度を可能にす
るように低い樹脂粘度が好まれる。より迅速に硬化する
ことによって製造時間を短縮したり（エーテルアミン硬
化型ビフェノールＡ）又は極めて高い可とう性を付与す
ることによって応力の分布を変化させるため（例えばポ
リウレタン）、その他の樹脂を使用することもできる。
その場硬化では、コンポジット材料をワインディングす
るために適切な半径方向積層速度は、時速約１/４〜３/
４インチである。繊維の座屈を防ぐため同様に１/４〜
３/４インチに設定された所望の未ゲル化コンポジット
材料厚さの場合で、約１時間のゲル化時間を可能にする
ようワインディング温度が、設定される。より高いワイ
ンディング温度で時速数インチという高いコンポジット
材料半径方向積層速度を可能にするため、より反応性の
高い樹脂を使用することもできる。
の場硬化性ワインディング実施中に、樹脂粘度を充分低
く維持するために、最高６５℃の高い樹脂槽温度におい
てもきわめて長いポットライフをもつ脂環式アミン硬化
ビスフェノールＡ樹脂が選定された。ワインディング中
樹脂槽内で樹脂が硬化するのを防ぐのに長いポットライ
フが貢献し、繊維を破断せずに高いトウ速度を可能にす
るように低い樹脂粘度が好まれる。より迅速に硬化する
ことによって製造時間を短縮したり（エーテルアミン硬
化型ビフェノールＡ）又は極めて高い可とう性を付与す
ることによって応力の分布を変化させるため（例えばポ
リウレタン）、その他の樹脂を使用することもできる。
その場硬化では、コンポジット材料をワインディングす
るために適切な半径方向積層速度は、時速約１/４〜３/
４インチである。繊維の座屈を防ぐため同様に１/４〜
３/４インチに設定された所望の未ゲル化コンポジット
材料厚さの場合で、約１時間のゲル化時間を可能にする
ようワインディング温度が、設定される。より高いワイ
ンディング温度で時速数インチという高いコンポジット
材料半径方向積層速度を可能にするため、より反応性の
高い樹脂を使用することもできる。
【００１４】より低温硬化性の樹脂系は、硬化済みのリ
ムにとって熱応力が低いという利点がある。１２０℃で
硬化されたコンポジット部品中の温度変化は１００（１
２０〜２０）℃であり、一方６０℃で硬化されたコンポ
ジット部品内の温度変化は４０（＝６０〜２０）℃であ
る。かくして、熱残留応力は、２分の１以下に低くな
る。硬化温度のより低いエポキシを使用することも又、
はるかに高い靱性を有することによりリムの亀裂発生を
防止する上で一助となる（芳香族アミン硬化エポキシに
ついてのＫ1Cは、０.６〜０.７ＭＰａｍ1/2であるのに
比べ、脂肪族及びエーテルアミン硬化エポキシについて
はＫ1C＝１.０〜２.２ＭＰａｍ1/2である）。樹脂のＫ
1CはＡＳＴＭ５０４５によって決定づけられる。無水物
硬化エポキシは、一般的により一層脆性が高い。芳香族
アミン硬化樹脂に対して高靭化剤を添加することもでき
るが、これは粘度を大幅に増大させ、熱残留応力がなお
も高いまま、一方でトウ破断によって製造速度の点で大
きな制約を受ける。ワインディング温度を低下させるた
めに硬化促進剤を添加することができるが、必要とされ
る促進剤の量は、力学的特性に不利な影響を及ぼすこと
になる。同様にして、巻付け及び半径方向積層速度を低
下させることによって、より高い硬化温度で樹脂を使用
することができる。しかしながら、温度が１０℃低下す
る毎にワインディング時間が倍増するために、リムを製
造するのに必要とされる時間は極端に長くなる。
ムにとって熱応力が低いという利点がある。１２０℃で
硬化されたコンポジット部品中の温度変化は１００（１
２０〜２０）℃であり、一方６０℃で硬化されたコンポ
ジット部品内の温度変化は４０（＝６０〜２０）℃であ
る。かくして、熱残留応力は、２分の１以下に低くな
る。硬化温度のより低いエポキシを使用することも又、
はるかに高い靱性を有することによりリムの亀裂発生を
防止する上で一助となる（芳香族アミン硬化エポキシに
ついてのＫ1Cは、０.６〜０.７ＭＰａｍ1/2であるのに
比べ、脂肪族及びエーテルアミン硬化エポキシについて
はＫ1C＝１.０〜２.２ＭＰａｍ1/2である）。樹脂のＫ
1CはＡＳＴＭ５０４５によって決定づけられる。無水物
硬化エポキシは、一般的により一層脆性が高い。芳香族
アミン硬化樹脂に対して高靭化剤を添加することもでき
るが、これは粘度を大幅に増大させ、熱残留応力がなお
も高いまま、一方でトウ破断によって製造速度の点で大
きな制約を受ける。ワインディング温度を低下させるた
めに硬化促進剤を添加することができるが、必要とされ
る促進剤の量は、力学的特性に不利な影響を及ぼすこと
になる。同様にして、巻付け及び半径方向積層速度を低
下させることによって、より高い硬化温度で樹脂を使用
することができる。しかしながら、温度が１０℃低下す
る毎にワインディング時間が倍増するために、リムを製
造するのに必要とされる時間は極端に長くなる。
【００１５】完成されたフライホイール ＵＰＳシステ
ムのエネルギーあたりのコストをさらに削減するために
は、ユニットコストあたりのリムエネルギー貯蔵量を増
大させることが好ましい。フライホイールの設計では、
単純な低コスト構造を保ちながらリム１個あたりのエネ
ルギー貯蔵を最大にするように決定される。妥当な量の
エネルギーを貯蔵するように、大きな半径方向厚み（内
径／外径≒０.５）をもつフライホイールリムを作るこ
とが望ましい。しかしながら、かかるフライホイールリ
ムは、全てガラス繊維か全て炭素繊維のいずれで作られ
ているにせよ、回転させられたとき、許容できないほど
の高い半径方向引張り応力を発生する。任意のリング内
の半径方向応力は、内径対外径比に反比例する。この比
率が低く、かつリムが厚くなればなるほど、半径方向応
力は高くなる。フィラメントワインディングされたリム
は半径方向の繊維補強が欠如していることから、本質的
に半径方向の引張り強度が低い。従って、単一繊維のコ
ンポジットリングでは、リムの最高回転速度とフープ及
び半径方向における強度利用率の点で、半径方向寸法が
非常に薄い（内径／外径≒０.８）ものに限られる。こ
の制限を克服するため、フライホイールリムは好ましく
は、異なる弾性率及び密度をもつ２つの異なる材料を用
いて構築される。通常の組合せは、１つのリム内にガラ
ス及び炭素の両方の繊維を使用することである。そのよ
うにするにあたっては、より低い弾性率及びより高い密
度をもつガラス繊維が内径に置かれ、より高い弾性率及
びより低い密度をもつ炭素繊維が外径で使用される。フ
ライホイールロータが高速で回転させられるとき、内側
リングは、その比弾性率がより低いため外側リングより
もさらに展開しようとする。コンポジットリムはかくし
て全体にわたり半径方向圧縮力を発生する。この自己発
生する半径方向圧縮力は、全体的フライホイールリムを
半径方向にはるかに厚く（内径／外径≒０.５）し、そ
れでもなお高い回転速度を達成することができるように
する。与えられたフライホイールリムの半径方向圧縮力
のレベルは、必要に応じて、混合率が変化する中間繊維
層を幾つか使用することにより全ガラス繊維から全炭素
繊維へと漸進的に遷移させることによって低下又は抑制
することができる。こうして、そうでなければ２つの繊
維の界面において発生することになるような大きい半径
方向圧縮応力を軽減できる。
ムのエネルギーあたりのコストをさらに削減するために
は、ユニットコストあたりのリムエネルギー貯蔵量を増
大させることが好ましい。フライホイールの設計では、
単純な低コスト構造を保ちながらリム１個あたりのエネ
ルギー貯蔵を最大にするように決定される。妥当な量の
エネルギーを貯蔵するように、大きな半径方向厚み（内
径／外径≒０.５）をもつフライホイールリムを作るこ
とが望ましい。しかしながら、かかるフライホイールリ
ムは、全てガラス繊維か全て炭素繊維のいずれで作られ
ているにせよ、回転させられたとき、許容できないほど
の高い半径方向引張り応力を発生する。任意のリング内
の半径方向応力は、内径対外径比に反比例する。この比
率が低く、かつリムが厚くなればなるほど、半径方向応
力は高くなる。フィラメントワインディングされたリム
は半径方向の繊維補強が欠如していることから、本質的
に半径方向の引張り強度が低い。従って、単一繊維のコ
ンポジットリングでは、リムの最高回転速度とフープ及
び半径方向における強度利用率の点で、半径方向寸法が
非常に薄い（内径／外径≒０.８）ものに限られる。こ
の制限を克服するため、フライホイールリムは好ましく
は、異なる弾性率及び密度をもつ２つの異なる材料を用
いて構築される。通常の組合せは、１つのリム内にガラ
ス及び炭素の両方の繊維を使用することである。そのよ
うにするにあたっては、より低い弾性率及びより高い密
度をもつガラス繊維が内径に置かれ、より高い弾性率及
びより低い密度をもつ炭素繊維が外径で使用される。フ
ライホイールロータが高速で回転させられるとき、内側
リングは、その比弾性率がより低いため外側リングより
もさらに展開しようとする。コンポジットリムはかくし
て全体にわたり半径方向圧縮力を発生する。この自己発
生する半径方向圧縮力は、全体的フライホイールリムを
半径方向にはるかに厚く（内径／外径≒０.５）し、そ
れでもなお高い回転速度を達成することができるように
する。与えられたフライホイールリムの半径方向圧縮力
のレベルは、必要に応じて、混合率が変化する中間繊維
層を幾つか使用することにより全ガラス繊維から全炭素
繊維へと漸進的に遷移させることによって低下又は抑制
することができる。こうして、そうでなければ２つの繊
維の界面において発生することになるような大きい半径
方向圧縮応力を軽減できる。
【００１６】高いエネルギー貯蔵のために２つ以上の異
なるタイプの繊維を使用するコンポジットフライホイー
ルリムのその場硬化フィラメントワインディングは、開
発の段階で多大な問題点に遭遇してきた。例えば、ガラ
ス及び炭素繊維の両方を用いたその場硬化により連続的
に多数の繊維リムを巻取ろうとする試みでは、製造中の
リムの亀裂発生に遭遇した。この亀裂発生は、２つの異
なるコンポジット材料の異なる力学的及び熱力学的特性
がに起因するより高い残留応力の結果である。繊維の異
なる熱膨張率及び弾性率は冷却時点で及び硬化中の樹脂
の収縮により異なる形でリングを収縮させる。異なる力
学的及び熱力学的特性をもつ隣接するトウ間で発生しう
るわずかなせん断に対処するため、かかるリム内では、
ウレタンといったようなより可とう性のある樹脂系が有
用でありうる。個別に巻付けられ硬化されたリングを後
から組み合わせる代替方法は、望ましい解決法ではな
い。この方法では、リングを、各々組合わせ前に厳しい
許容誤差で予備機械加工し、エポキシ結合剤で滑動面を
コーティングし、最終寸法になるまでこれをプレスし次
に再度機械加工する必要があることから、著しい追加費
用が付加される。
なるタイプの繊維を使用するコンポジットフライホイー
ルリムのその場硬化フィラメントワインディングは、開
発の段階で多大な問題点に遭遇してきた。例えば、ガラ
ス及び炭素繊維の両方を用いたその場硬化により連続的
に多数の繊維リムを巻取ろうとする試みでは、製造中の
リムの亀裂発生に遭遇した。この亀裂発生は、２つの異
なるコンポジット材料の異なる力学的及び熱力学的特性
がに起因するより高い残留応力の結果である。繊維の異
なる熱膨張率及び弾性率は冷却時点で及び硬化中の樹脂
の収縮により異なる形でリングを収縮させる。異なる力
学的及び熱力学的特性をもつ隣接するトウ間で発生しう
るわずかなせん断に対処するため、かかるリム内では、
ウレタンといったようなより可とう性のある樹脂系が有
用でありうる。個別に巻付けられ硬化されたリングを後
から組み合わせる代替方法は、望ましい解決法ではな
い。この方法では、リングを、各々組合わせ前に厳しい
許容誤差で予備機械加工し、エポキシ結合剤で滑動面を
コーティングし、最終寸法になるまでこれをプレスし次
に再度機械加工する必要があることから、著しい追加費
用が付加される。
【００１７】図面を見ると、これらの図面では同じ文字
が同一の又は対応する部品を表わしており、図１はログ
３０を、図１Ａはワインディング／硬化の後でログから
切り出されたされた個々のフライホイールリム３１を示
している。製造時間及びリムあたりのコストは、個々の
リムとしてではなくむしろ長尺のマルチリムログとして
コンポジット部材をワインディングすることにより最小
限におさえられる。ワインディング及び後硬化の後、ロ
グは次に個々のリムの形に切り出されされ、研削によっ
て厳密な許容誤差で機械加工される。ワインディング速
度は、許容最大半径方向積層速度に左右されることか
ら、単一のリムをワインディングするのに必要な時間
は、例えば長さ６インチの２８個のリムを切り出し可能
な長さ１４フィートのログのように多数のリムに切り出
し可能な長いログをワインディングするのとほぼ同じ位
である。
が同一の又は対応する部品を表わしており、図１はログ
３０を、図１Ａはワインディング／硬化の後でログから
切り出されたされた個々のフライホイールリム３１を示
している。製造時間及びリムあたりのコストは、個々の
リムとしてではなくむしろ長尺のマルチリムログとして
コンポジット部材をワインディングすることにより最小
限におさえられる。ワインディング及び後硬化の後、ロ
グは次に個々のリムの形に切り出されされ、研削によっ
て厳密な許容誤差で機械加工される。ワインディング速
度は、許容最大半径方向積層速度に左右されることか
ら、単一のリムをワインディングするのに必要な時間
は、例えば長さ６インチの２８個のリムを切り出し可能
な長さ１４フィートのログのように多数のリムに切り出
し可能な長いログをワインディングするのとほぼ同じ位
である。
【００１８】高速で長いログをワインディングするため
に、ワインディングは一度に２０本といったような多数
のトウで行なわれ、かくして過度のトウ速度を有するこ
となく半径方向積層速度を維持することが可能になって
いる。例えば、トウ速度を１００ｍ／分未満に制限しな
がら、約１０時間で、一度に２０本の繊維トウで、半径
方向厚み約５インチ及び内径１０インチの１４フィート
のログをワインディングすることができる。トウ速度
（ライン速度）は、従来のものよりも高いが、これは以
下で記すとおりの特別な巻付け機構成を使用して可能と
なる。同時に複数のログをワインディングすることがで
きるように、多数のスピンドルを有するフィラメントワ
インディング機を用いることによって、より一層の生産
性向上が図られる。小さい許容誤差でのリムの機械加工
はダイヤモンド砥石での研削によって行なわれる。これ
は、最も高速の機械加工方法であり、コンポジット材料
から繊維を剥離させる危険性がない。次にリムは、エポ
キシ樹脂の薄い（０.００１〜０.０１″）コーティング
で封止される。
に、ワインディングは一度に２０本といったような多数
のトウで行なわれ、かくして過度のトウ速度を有するこ
となく半径方向積層速度を維持することが可能になって
いる。例えば、トウ速度を１００ｍ／分未満に制限しな
がら、約１０時間で、一度に２０本の繊維トウで、半径
方向厚み約５インチ及び内径１０インチの１４フィート
のログをワインディングすることができる。トウ速度
（ライン速度）は、従来のものよりも高いが、これは以
下で記すとおりの特別な巻付け機構成を使用して可能と
なる。同時に複数のログをワインディングすることがで
きるように、多数のスピンドルを有するフィラメントワ
インディング機を用いることによって、より一層の生産
性向上が図られる。小さい許容誤差でのリムの機械加工
はダイヤモンド砥石での研削によって行なわれる。これ
は、最も高速の機械加工方法であり、コンポジット材料
から繊維を剥離させる危険性がない。次にリムは、エポ
キシ樹脂の薄い（０.００１〜０.０１″）コーティング
で封止される。
【００１９】リム３１は、ログを回転させ回転のこぎり
でプランジ研削するか又は従来の帯のこを用いるかのい
ずれかによりログ３０から切り出すことができる。簡単
のため好ましい方法は、帯のこ上に超硬のこ刃を使用す
ることである。
でプランジ研削するか又は従来の帯のこを用いるかのい
ずれかによりログ３０から切り出すことができる。簡単
のため好ましい方法は、帯のこ上に超硬のこ刃を使用す
ることである。
【００２０】低い硬化温度の非常に反応性の高い樹脂を
用いて好ましくは短時間でログをワインディングするた
めには、特殊な技術が必要とされる。これらの技術は、
ワインディング中の停止時間を防ぐことに焦点をあてて
いる。繊維トウ内に含浸された樹脂は、ワインディング
機上で連続的に硬化させられることから、ワインディン
グプロセスにおける停止は最低限、好ましくは任意の１
回の停止時点で１０分間未満に保たれるべきである。フ
ィラメントワインディングにおける停止時間の最大の原
因の１つは、繊維トウの破断である。本発明では、トウ
破断を商業的にみて問題にならない程度まで低減させる
ため複数の技術を使用する。数多くのフィラメントワイ
ンディング作業においては、樹脂含浸を促進するための
フィラメントの機械的曲げ及び樹脂の高い粘度のため、
トウの破断は樹脂槽で発生する。トウ破断を低減させる
ために、本発明では、極めて小型の樹脂槽４２を使用
し、標準的には一度に約０.１５リットル／トウの樹脂
が槽内に保たれる。従来のフィラメントワインディング
作業のための樹脂槽中の樹脂の量は、１.５リットル／
トウよりもはるかに多い。本発明の小さな槽サイズによ
り、槽内の全ての樹脂は中を通る繊維により必ず急速に
使い尽されることになり迅速に補給されなくてはならな
いようになっている。新鮮な樹脂は通常わずか５〜１０
分間しか槽内にとどまらないことから、樹脂槽は、早尚
なゲル化の危険性なく従来のフィラメントワインディン
グの場合よりもはるかに高温まで加熱することができ
る。より高い樹脂温度は、樹脂粘度を著しく低下させ、
このことがトウの破断を大幅に低減させる。小型樹脂槽
は同様に、大型の樹脂槽内であれば急速に硬化すること
になる低温樹脂の使用をも可能にする。この槽は、従来
の水ジャケットよりもはるかに応答の速い取外し可能な
電気カートリッジ式ヒーターで加熱され、従って反応性
樹脂をより容易に制御することもできる。樹脂槽４２の
その他の特長としては、固定式（非回転式）スピンドル
５７及び５８が含まれる。回転式スピンドルに代わる固
定式スピンドルは、２つのやり方でトウ破断を低減させ
るために槽内で使用される。固定式スピンドルは繊維が
そのまわりに巻き付き個々の及び多数のトウを破断する
のを防ぐ。固定式スピンドルは同様に、樹脂内へ空気を
混入させ粘度を増大させることがない。適切な脂肪族又
はエーテルアミン硬化ビスフェノールＡエポキシを用い
て槽中の樹脂粘度を３００cps未満又一部のケースでは
１００cps未満という極めて低い値に維持することが可
能である。
用いて好ましくは短時間でログをワインディングするた
めには、特殊な技術が必要とされる。これらの技術は、
ワインディング中の停止時間を防ぐことに焦点をあてて
いる。繊維トウ内に含浸された樹脂は、ワインディング
機上で連続的に硬化させられることから、ワインディン
グプロセスにおける停止は最低限、好ましくは任意の１
回の停止時点で１０分間未満に保たれるべきである。フ
ィラメントワインディングにおける停止時間の最大の原
因の１つは、繊維トウの破断である。本発明では、トウ
破断を商業的にみて問題にならない程度まで低減させる
ため複数の技術を使用する。数多くのフィラメントワイ
ンディング作業においては、樹脂含浸を促進するための
フィラメントの機械的曲げ及び樹脂の高い粘度のため、
トウの破断は樹脂槽で発生する。トウ破断を低減させる
ために、本発明では、極めて小型の樹脂槽４２を使用
し、標準的には一度に約０.１５リットル／トウの樹脂
が槽内に保たれる。従来のフィラメントワインディング
作業のための樹脂槽中の樹脂の量は、１.５リットル／
トウよりもはるかに多い。本発明の小さな槽サイズによ
り、槽内の全ての樹脂は中を通る繊維により必ず急速に
使い尽されることになり迅速に補給されなくてはならな
いようになっている。新鮮な樹脂は通常わずか５〜１０
分間しか槽内にとどまらないことから、樹脂槽は、早尚
なゲル化の危険性なく従来のフィラメントワインディン
グの場合よりもはるかに高温まで加熱することができ
る。より高い樹脂温度は、樹脂粘度を著しく低下させ、
このことがトウの破断を大幅に低減させる。小型樹脂槽
は同様に、大型の樹脂槽内であれば急速に硬化すること
になる低温樹脂の使用をも可能にする。この槽は、従来
の水ジャケットよりもはるかに応答の速い取外し可能な
電気カートリッジ式ヒーターで加熱され、従って反応性
樹脂をより容易に制御することもできる。樹脂槽４２の
その他の特長としては、固定式（非回転式）スピンドル
５７及び５８が含まれる。回転式スピンドルに代わる固
定式スピンドルは、２つのやり方でトウ破断を低減させ
るために槽内で使用される。固定式スピンドルは繊維が
そのまわりに巻き付き個々の及び多数のトウを破断する
のを防ぐ。固定式スピンドルは同様に、樹脂内へ空気を
混入させ粘度を増大させることがない。適切な脂肪族又
はエーテルアミン硬化ビスフェノールＡエポキシを用い
て槽中の樹脂粘度を３００cps未満又一部のケースでは
１００cps未満という極めて低い値に維持することが可
能である。
【００２１】フィラメントワインディング中の停止時間
の最も有意な原因は、破断された繊維トウを回復させる
ための時間である。本発明の装置における張力システム
は、トウ破断を著しく低減させることに寄与する。クリ
ールにおいて繊維に加えられる張力は、５〜６ポンド／
トウの従来の値よりもはるかに低い（１〜４ポンド）。
こうして、樹脂層中で繊維に発生する損傷及びトウ破断
も削減される。張力は回転式スピンドルの使用により樹
脂槽中で或る程度増大させられ、マンドレルに対しすで
に含浸された繊維を送り出す繰出しシステムによってよ
り大きいテンションが問題なく付加される。繊維トウ内
の樹脂の計量を可能にするため、樹脂槽４２は、通常繊
維に対して押し当てられるゴム製掻き取り冶具の代わり
に図４に示されているホルダー５９中の固定式オリフィ
ス６０を使用する。これは、繊維上に直接的圧力が全く
存在せず、樹脂含浸繊維の体積含有率をはるかに密に計
量でき（３０％ではなく５５％）、含浸済みトウ内の樹
脂の量がトウ速度の関数でないことに起因して、トウ破
断を大幅に低減させることなど多くのの利点を有する。
オペレータによる調整も全く必要とされず、オリフィス
は摩耗することがない。この樹脂槽は同様に、樹脂をか
き混ぜて粘度を増大させることがなく、又正確でかつ反
復可能な計量を有することから、その他の従来のタイプ
の浴つまりドラム浴よりも優れている。これらの構成要
件変更の結果、トウ破断が１００スプールあたり１つと
いった極くわずかなレベルに抑制された状態で部材をワ
インディングすることが可能となる。
の最も有意な原因は、破断された繊維トウを回復させる
ための時間である。本発明の装置における張力システム
は、トウ破断を著しく低減させることに寄与する。クリ
ールにおいて繊維に加えられる張力は、５〜６ポンド／
トウの従来の値よりもはるかに低い（１〜４ポンド）。
こうして、樹脂層中で繊維に発生する損傷及びトウ破断
も削減される。張力は回転式スピンドルの使用により樹
脂槽中で或る程度増大させられ、マンドレルに対しすで
に含浸された繊維を送り出す繰出しシステムによってよ
り大きいテンションが問題なく付加される。繊維トウ内
の樹脂の計量を可能にするため、樹脂槽４２は、通常繊
維に対して押し当てられるゴム製掻き取り冶具の代わり
に図４に示されているホルダー５９中の固定式オリフィ
ス６０を使用する。これは、繊維上に直接的圧力が全く
存在せず、樹脂含浸繊維の体積含有率をはるかに密に計
量でき（３０％ではなく５５％）、含浸済みトウ内の樹
脂の量がトウ速度の関数でないことに起因して、トウ破
断を大幅に低減させることなど多くのの利点を有する。
オペレータによる調整も全く必要とされず、オリフィス
は摩耗することがない。この樹脂槽は同様に、樹脂をか
き混ぜて粘度を増大させることがなく、又正確でかつ反
復可能な計量を有することから、その他の従来のタイプ
の浴つまりドラム浴よりも優れている。これらの構成要
件変更の結果、トウ破断が１００スプールあたり１つと
いった極くわずかなレベルに抑制された状態で部材をワ
インディングすることが可能となる。
【００２２】槽中の樹脂は数分毎に完全に置換される必
要があることから、樹脂レベルセンサー４３が、樹脂槽
に取付けられ、自動樹脂計量−混合ポンプに信号を送
る。樹脂及び硬化剤がドラム４８及び４９（通常５５ガ
ロン）から別々にワインディング機上のミキサマニホー
ルドに圧送される。マニホールド５４に取付けられた使
い捨てプラスチック製静止ミキサー管４４が樹脂／硬化
剤が混ざったものを混合し、混合された樹脂を槽内に送
り出す。ポンプにつながれた下部ドラム内に上部ドラム
から樹脂が排出されるように、積重ね配置で樹脂４８及
び硬化剤４９の２つのドラムが存在する。こうして、ワ
インディング中も停機させずに空になった上部ドラムを
置換でき、樹脂及び硬化剤を使い切ることは決してない
ことから、連続運転が可能になる。
要があることから、樹脂レベルセンサー４３が、樹脂槽
に取付けられ、自動樹脂計量−混合ポンプに信号を送
る。樹脂及び硬化剤がドラム４８及び４９（通常５５ガ
ロン）から別々にワインディング機上のミキサマニホー
ルドに圧送される。マニホールド５４に取付けられた使
い捨てプラスチック製静止ミキサー管４４が樹脂／硬化
剤が混ざったものを混合し、混合された樹脂を槽内に送
り出す。ポンプにつながれた下部ドラム内に上部ドラム
から樹脂が排出されるように、積重ね配置で樹脂４８及
び硬化剤４９の２つのドラムが存在する。こうして、ワ
インディング中も停機させずに空になった上部ドラムを
置換でき、樹脂及び硬化剤を使い切ることは決してない
ことから、連続運転が可能になる。
【００２３】フィラメントワインディング中の停止時間
のもう１つの原因は、１つの繊維タイプからもう１つの
タイプへ又は空にされつつある１つのスプールセットと
始動されつつあるもう１つのセットの間でトウを交換す
るのに必要とされる時間である。ワインディング機の各
スピンドルについて一度に１０本以上という多数のトウ
の場合、従来の構成ではワインディング中の停止時間が
長く、時として最長１時間にもなる。この停止時間は、
トウ交換毎に樹脂層を部材内で硬化させ、又製造時間を
著しく延長させて、リム性能にとって有害となる可能性
があることから、不都合である。例えば、上述の長さ１
４フィートの単一ログは、１６０本以上の繊維スプール
（６kg／スプール）で８回以上のトウ交換が必要となり
得る。本発明は、トウの数の如何に関わらず繊維交換時
間をわずか１〜２分にまで短縮するため、特殊な繊維繰
出しシステムと共に繊維通路内で「迅速交換」システム
を使用する。「迅速交換」システムは、オリフィス６０
用ホルダー５９及び２つの繊維コーム４１及び４１′を
一時的に取付けるため、図７に示されている繊維通糸冶
具７３を有する。オリフィス及びコーム４１及び４１′
を通して繊維トウを通した後、これらのトウは、いつで
も容易に樹脂槽に設置し直すことができる状態となる。
繊維コーム４１及び４１‘は図５で示されているように
全ての側で閉じられており、容易に置換可能である。繊
維の設置を容易にするため通常上側で開放しているフィ
ラメントワインディング装置上の従来のコームとは異な
り、これらのコーム４１及び４１′は、繊維が通糸され
た後にその位置を失することがないように全ての側で閉
じられている。２つの繊維コーム４１，４１′及び１つ
のオリフィスホルダー５９は、繊維緊張冶具７３内に設
置され、繊維は正確な位置に容易に通される。これは、
ワインディング開始に先立って行なわれ、その次のセッ
トのための繊維も同様に、現行セットを使ってワインデ
ィング中、もう１組のコーム４１，４１′及びオリフィ
スホルダー５９上に通される。ひとたび通糸されたなら
ば全ての繊維は合わせて、１つの結び目で結束される。
従って、トウの交換が必要となった時点で、コーム４
１，４１′及びオリフィスホルダー５９は、たとえ２０
本以上のトウの場合でも、数分間程度で交換される。樹
脂槽４２中の中央スピンドル５８は、バネ式であり、樹
脂槽４２内を迅速に通糸するために取外し可能である。
このとき繊維は、繰出し装置３７を通して引張られ、樹
脂未含浸繊維トウの結び目はカットされ、繊維トウは部
材上で結束され、ワインディングが続けられる。
のもう１つの原因は、１つの繊維タイプからもう１つの
タイプへ又は空にされつつある１つのスプールセットと
始動されつつあるもう１つのセットの間でトウを交換す
るのに必要とされる時間である。ワインディング機の各
スピンドルについて一度に１０本以上という多数のトウ
の場合、従来の構成ではワインディング中の停止時間が
長く、時として最長１時間にもなる。この停止時間は、
トウ交換毎に樹脂層を部材内で硬化させ、又製造時間を
著しく延長させて、リム性能にとって有害となる可能性
があることから、不都合である。例えば、上述の長さ１
４フィートの単一ログは、１６０本以上の繊維スプール
（６kg／スプール）で８回以上のトウ交換が必要となり
得る。本発明は、トウの数の如何に関わらず繊維交換時
間をわずか１〜２分にまで短縮するため、特殊な繊維繰
出しシステムと共に繊維通路内で「迅速交換」システム
を使用する。「迅速交換」システムは、オリフィス６０
用ホルダー５９及び２つの繊維コーム４１及び４１′を
一時的に取付けるため、図７に示されている繊維通糸冶
具７３を有する。オリフィス及びコーム４１及び４１′
を通して繊維トウを通した後、これらのトウは、いつで
も容易に樹脂槽に設置し直すことができる状態となる。
繊維コーム４１及び４１‘は図５で示されているように
全ての側で閉じられており、容易に置換可能である。繊
維の設置を容易にするため通常上側で開放しているフィ
ラメントワインディング装置上の従来のコームとは異な
り、これらのコーム４１及び４１′は、繊維が通糸され
た後にその位置を失することがないように全ての側で閉
じられている。２つの繊維コーム４１，４１′及び１つ
のオリフィスホルダー５９は、繊維緊張冶具７３内に設
置され、繊維は正確な位置に容易に通される。これは、
ワインディング開始に先立って行なわれ、その次のセッ
トのための繊維も同様に、現行セットを使ってワインデ
ィング中、もう１組のコーム４１，４１′及びオリフィ
スホルダー５９上に通される。ひとたび通糸されたなら
ば全ての繊維は合わせて、１つの結び目で結束される。
従って、トウの交換が必要となった時点で、コーム４
１，４１′及びオリフィスホルダー５９は、たとえ２０
本以上のトウの場合でも、数分間程度で交換される。樹
脂槽４２中の中央スピンドル５８は、バネ式であり、樹
脂槽４２内を迅速に通糸するために取外し可能である。
このとき繊維は、繰出し装置３７を通して引張られ、樹
脂未含浸繊維トウの結び目はカットされ、繊維トウは部
材上で結束され、ワインディングが続けられる。
【００２４】図６に示されている繰出しシステム３７
は、ローラー３８−４０の片持ち式設計でこの迅速交換
を容易にしている。全てのローラー３８−４０は片端で
のみ支持されており、従って繰出し装置を通して繊維を
走行させるにはわずか数秒しか必要でない。繰出しシス
テム３７は、トウの破断を低減させるように設計されて
いる。第１のローラー４０は、通常であればクリールで
加えられる追加の張力を繊維に加えるため磁気粒子ブレ
ーキを用いるブレーキローラーである。第２のローラー
３９は、繊維張力を測定するロードセルであり、これは
同様に、繊維のバンド幅を安定化する溝をも有してい
る。最後のローラー３８は、繊維を部品まで送り出す。
第１のローラー４０及び最後のローラー３８は回転する
ことから、一度に数多くのトウを破断し得る繊維の巻付
きが発生する可能性がある。繊維巻付きを防止するた
め、新しいバネ式スクレーパ６６がローラー３８及び４
０に接して置かれており、あらゆる初期巻取りを防止す
る。繊維のバンド幅を最初に設定するため繰出しシステ
ムの前に第２のコーム４１′も使用される。このコーム
の角度は、モーター付き位置決め装置７２により制御さ
れ、設定される。コームを用いて最初にバンド幅を設定
することにより、溝付きロードセルローラの上を通る繊
維に対する損傷は大幅に削減される。
は、ローラー３８−４０の片持ち式設計でこの迅速交換
を容易にしている。全てのローラー３８−４０は片端で
のみ支持されており、従って繰出し装置を通して繊維を
走行させるにはわずか数秒しか必要でない。繰出しシス
テム３７は、トウの破断を低減させるように設計されて
いる。第１のローラー４０は、通常であればクリールで
加えられる追加の張力を繊維に加えるため磁気粒子ブレ
ーキを用いるブレーキローラーである。第２のローラー
３９は、繊維張力を測定するロードセルであり、これは
同様に、繊維のバンド幅を安定化する溝をも有してい
る。最後のローラー３８は、繊維を部品まで送り出す。
第１のローラー４０及び最後のローラー３８は回転する
ことから、一度に数多くのトウを破断し得る繊維の巻付
きが発生する可能性がある。繊維巻付きを防止するた
め、新しいバネ式スクレーパ６６がローラー３８及び４
０に接して置かれており、あらゆる初期巻取りを防止す
る。繊維のバンド幅を最初に設定するため繰出しシステ
ムの前に第２のコーム４１′も使用される。このコーム
の角度は、モーター付き位置決め装置７２により制御さ
れ、設定される。コームを用いて最初にバンド幅を設定
することにより、溝付きロードセルローラの上を通る繊
維に対する損傷は大幅に削減される。
【００２５】フィラメントワインディングされた部材を
作るための従来技術のプロセスにおける問題点は、繊維
毛玉の部材への混入である。炭素繊維の巻付きの際によ
り一般的であるこれらの毛玉は、糸道上の摩擦箇所で発
生する。毛玉は成長し、通過する繊維トウによって部材
まで無作為に運ばれる。一般的には、それらを警戒し、
巻付きを防止し、次の層が上にワインディングされる前
に部材表面からそれを除去するために、１人の技術者が
割当てられる。１００ｍ／分のトウ速度及び毎時数百ポ
ンドの繊維の使用では、毛玉を捕捉しそれらを除去する
ために毎回巻付け機を停止させることは労働集約的で非
現実的である。本発明は、その代りに、毛玉が部材まで
進む直前に繰出し装置上において繊維通路のとなりで真
空ノズル６７を用いることにより、最終的部品から毛玉
を除去する。真空ノズル６７は、ノズル６７と真空供給
源６９の間に配置された真空トラップ６８内に毛玉を収
集する。
作るための従来技術のプロセスにおける問題点は、繊維
毛玉の部材への混入である。炭素繊維の巻付きの際によ
り一般的であるこれらの毛玉は、糸道上の摩擦箇所で発
生する。毛玉は成長し、通過する繊維トウによって部材
まで無作為に運ばれる。一般的には、それらを警戒し、
巻付きを防止し、次の層が上にワインディングされる前
に部材表面からそれを除去するために、１人の技術者が
割当てられる。１００ｍ／分のトウ速度及び毎時数百ポ
ンドの繊維の使用では、毛玉を捕捉しそれらを除去する
ために毎回巻付け機を停止させることは労働集約的で非
現実的である。本発明は、その代りに、毛玉が部材まで
進む直前に繰出し装置上において繊維通路のとなりで真
空ノズル６７を用いることにより、最終的部品から毛玉
を除去する。真空ノズル６７は、ノズル６７と真空供給
源６９の間に配置された真空トラップ６８内に毛玉を収
集する。
【００２６】ワインディングの間の部材の加熱は、ワイ
ンディングに先立ってオーブンを用いて巻付け温度又は
それよりやや高い温度までマンドレルを予備加熱するこ
とによって行なわれる。ワインディングを行っている間
に、部材温度は、この部材に当てた赤外線ヒーター３５
によって維持される。ヒーターは、部材に当てた赤外線
熱電対３６を用いて、コントローラ３５ａにより制御さ
れる。
ンディングに先立ってオーブンを用いて巻付け温度又は
それよりやや高い温度までマンドレルを予備加熱するこ
とによって行なわれる。ワインディングを行っている間
に、部材温度は、この部材に当てた赤外線ヒーター３５
によって維持される。ヒーターは、部材に当てた赤外線
熱電対３６を用いて、コントローラ３５ａにより制御さ
れる。
【００２７】図２は、ワインディングプロセスを実施す
るための装置の略図を示す。マンドレル３２は、含浸さ
れた繊維３４が繰出しシステムから送り出される間に、
同様にコントローラ３５ａによって制御されるモーター
３３ａによって回転させられる。マンドレル３２は好ま
しくは、繊維３４がマンドレル３２の端部から外れて脱
出するのを防ぐ側壁３３を有する。部材は、ワインディ
ング中部品に当てた赤外線ヒーターといったようなヒー
ター３５を用いて加熱される。ヒーター３５は、コント
ローラ３５ａへのフィードバックのため部品に対して赤
外線センサー３６を用いることにより部材温度を維持す
る。繰出し装置３７は、好ましくは、磁気粒子ブレーキ
を用いて含浸繊維３４に張力を加えるブレーキローラー
４０を有している。張力は好ましくは、溝付きロードセ
ルスピンドル３９で検知される。スピンドル３９は好ま
しくは、異なる繊維タイプ及び数のトウで巻付けを行う
ため異なる幅の溝を用いることができるように容易に交
換される。繰出し装置は、繊維のすべりを防ぐため好ま
しくは回転している出口繰出しローラー３８を有し、繊
維をマンドレル３２まで送り出す。繰出しシステム３７
の中に入る前に、繊維はコーム４１′を通る。コーム４
１′は、取付けられているものの、繊維３４の角度ひい
てはバンド幅を大まかに設定するモーター式角度位置づ
け装置７２に従って容易に置き直すことができる。トラ
バースされているワインディング装置キャリッジ５３
が、繰出し装置３７，及び樹脂レベル６５を検知し自動
計量−混合樹脂ポンプ４７のコントローラ３５ｂに信号
を送る樹脂レベルセンサー４３を含む樹脂浴４２を支持
している。ポンプ４７は、ワインディングプロセスを中
断することなく上部ドラムを置換できるような形で、好
ましくは積重ね配置にあるドラム４８及び４９（通常５
５ガロン）から、樹脂及び硬化剤を圧送する。温度制御
された樹脂及び硬化剤ホース４５及び４６が、ワインデ
ィング機キャリッジ５３に取付けられたミキサマニホル
ド５４とポンプ４７の間を連結している。樹脂と硬化剤
を混合しそれを樹脂浴４２内に送り出すため、マニホル
ド５４には使い捨ての静止ミキサー管４４が取付けられ
ている。定置式クリール５０が繊維スプール５２を保持
し、少量の張力を加える。好ましくは、クリール５０
は、樹脂槽４２内の繊維の破断を低減させるためトウあ
たり２ポンド未満の張力を加える。クリール５０の出口
は、ワインディング機キャリッジ５３の横方向走行に対
処するため、水平方向及び垂直出口ローラー５１を使用
する。
るための装置の略図を示す。マンドレル３２は、含浸さ
れた繊維３４が繰出しシステムから送り出される間に、
同様にコントローラ３５ａによって制御されるモーター
３３ａによって回転させられる。マンドレル３２は好ま
しくは、繊維３４がマンドレル３２の端部から外れて脱
出するのを防ぐ側壁３３を有する。部材は、ワインディ
ング中部品に当てた赤外線ヒーターといったようなヒー
ター３５を用いて加熱される。ヒーター３５は、コント
ローラ３５ａへのフィードバックのため部品に対して赤
外線センサー３６を用いることにより部材温度を維持す
る。繰出し装置３７は、好ましくは、磁気粒子ブレーキ
を用いて含浸繊維３４に張力を加えるブレーキローラー
４０を有している。張力は好ましくは、溝付きロードセ
ルスピンドル３９で検知される。スピンドル３９は好ま
しくは、異なる繊維タイプ及び数のトウで巻付けを行う
ため異なる幅の溝を用いることができるように容易に交
換される。繰出し装置は、繊維のすべりを防ぐため好ま
しくは回転している出口繰出しローラー３８を有し、繊
維をマンドレル３２まで送り出す。繰出しシステム３７
の中に入る前に、繊維はコーム４１′を通る。コーム４
１′は、取付けられているものの、繊維３４の角度ひい
てはバンド幅を大まかに設定するモーター式角度位置づ
け装置７２に従って容易に置き直すことができる。トラ
バースされているワインディング装置キャリッジ５３
が、繰出し装置３７，及び樹脂レベル６５を検知し自動
計量−混合樹脂ポンプ４７のコントローラ３５ｂに信号
を送る樹脂レベルセンサー４３を含む樹脂浴４２を支持
している。ポンプ４７は、ワインディングプロセスを中
断することなく上部ドラムを置換できるような形で、好
ましくは積重ね配置にあるドラム４８及び４９（通常５
５ガロン）から、樹脂及び硬化剤を圧送する。温度制御
された樹脂及び硬化剤ホース４５及び４６が、ワインデ
ィング機キャリッジ５３に取付けられたミキサマニホル
ド５４とポンプ４７の間を連結している。樹脂と硬化剤
を混合しそれを樹脂浴４２内に送り出すため、マニホル
ド５４には使い捨ての静止ミキサー管４４が取付けられ
ている。定置式クリール５０が繊維スプール５２を保持
し、少量の張力を加える。好ましくは、クリール５０
は、樹脂槽４２内の繊維の破断を低減させるためトウあ
たり２ポンド未満の張力を加える。クリール５０の出口
は、ワインディング機キャリッジ５３の横方向走行に対
処するため、水平方向及び垂直出口ローラー５１を使用
する。
【００２８】示されている図３の樹脂槽４２は好ましく
は非常に小さく、その中には常時０.１５リットル／ト
ウの樹脂しか入っていない。槽４２は、樹脂滞留ゾーン
をなくするためＵ字又はＶ字形の縦断面を有する。槽４
２は、容易に取外しできる脚部５５を用いて取付けられ
ている。長時間に及ぶ停止といった稀な事態の場合にき
わめて反応性の高い樹脂を処理するために、樹脂排出ボ
ールバルブ５６が好ましくは槽４２の底面に取付けられ
る。また、槽４２は、樹脂を新鮮な状態に保つためそれ
が望ましい場合には、定期的に排出され得る。槽４２は
もう１つの固定した、ただしバネ式で取外し可能な中央
スピンドル５８と共に回転式スピンドル５７を２本使用
する。中央スピンドル５８は、迅速なトウ交換を容易す
るため取外し可能である。槽４２は好ましくは、槽底面
に挿入されるか又は取付けられた電気ヒーター６１で加
熱される。槽の温度は、同様に槽底面内に挿入された熱
電対からのフィードバックによって測定され制御され
る。樹脂未含浸繊維６３は、それに及ぼす摩擦係数が低
いことからテフロン（登録商標）製であるセパレータピ
ン７５をもつあらかじめ通糸された「迅速交換」繊維コ
ーム４１の中を通過することによって槽４２の中に入
る。余剰の樹脂は、「迅速交換」オリフィスホルダー５
９内に設けられたオリフィス６０を用いてトウから除去
される。オリフィス６０は好ましくは、カーバイド伸線
ダイであり、繊維トウから余剰の樹脂をかき取り、従っ
て樹脂含浸された繊維３４の繊維体積含有率分率は好ま
しくは０.５０〜０.６０の間にある。槽６５中の樹脂レ
ベルは、レベルセンサー４３を用いて維持される。
は非常に小さく、その中には常時０.１５リットル／ト
ウの樹脂しか入っていない。槽４２は、樹脂滞留ゾーン
をなくするためＵ字又はＶ字形の縦断面を有する。槽４
２は、容易に取外しできる脚部５５を用いて取付けられ
ている。長時間に及ぶ停止といった稀な事態の場合にき
わめて反応性の高い樹脂を処理するために、樹脂排出ボ
ールバルブ５６が好ましくは槽４２の底面に取付けられ
る。また、槽４２は、樹脂を新鮮な状態に保つためそれ
が望ましい場合には、定期的に排出され得る。槽４２は
もう１つの固定した、ただしバネ式で取外し可能な中央
スピンドル５８と共に回転式スピンドル５７を２本使用
する。中央スピンドル５８は、迅速なトウ交換を容易す
るため取外し可能である。槽４２は好ましくは、槽底面
に挿入されるか又は取付けられた電気ヒーター６１で加
熱される。槽の温度は、同様に槽底面内に挿入された熱
電対からのフィードバックによって測定され制御され
る。樹脂未含浸繊維６３は、それに及ぼす摩擦係数が低
いことからテフロン（登録商標）製であるセパレータピ
ン７５をもつあらかじめ通糸された「迅速交換」繊維コ
ーム４１の中を通過することによって槽４２の中に入
る。余剰の樹脂は、「迅速交換」オリフィスホルダー５
９内に設けられたオリフィス６０を用いてトウから除去
される。オリフィス６０は好ましくは、カーバイド伸線
ダイであり、繊維トウから余剰の樹脂をかき取り、従っ
て樹脂含浸された繊維３４の繊維体積含有率分率は好ま
しくは０.５０〜０.６０の間にある。槽６５中の樹脂レ
ベルは、レベルセンサー４３を用いて維持される。
【００２９】図４に示されている「迅速交換」オリフィ
スホルダー５９は、それぞれかき取りされた及びかき取
りされていない繊維３４及び６３と共に示されたオリフ
ィス６０を有する。単一オリフィスホルダー５９が好ま
しくは、各スピンドルにワインディングされているすべ
てのトウ３４の樹脂を計量する。トウ数は、ログ及び繊
維トウのサイズによって左右され、高速ワインディング
については２０本以上でありうる。
スホルダー５９は、それぞれかき取りされた及びかき取
りされていない繊維３４及び６３と共に示されたオリフ
ィス６０を有する。単一オリフィスホルダー５９が好ま
しくは、各スピンドルにワインディングされているすべ
てのトウ３４の樹脂を計量する。トウ数は、ログ及び繊
維トウのサイズによって左右され、高速ワインディング
については２０本以上でありうる。
【００３０】図５に示されている「迅速交換」繊維コー
ム４１は、好ましくは繊維間隔を確保するため等間隔に
置かれたコームピン７５を有する。設定された角度まで
回転させられることによって、バンド幅を調整する目的
で繰出し装置３７の前にコーム４１′が使用される。樹
脂未含浸繊維６３が槽６２内に入るにつれて平行に間隔
どりされたアレイの形で樹脂未含浸繊維６３を配備する
ため、樹脂槽４２内に入る前に第１又は入口コーム４１
が使用される。
ム４１は、好ましくは繊維間隔を確保するため等間隔に
置かれたコームピン７５を有する。設定された角度まで
回転させられることによって、バンド幅を調整する目的
で繰出し装置３７の前にコーム４１′が使用される。樹
脂未含浸繊維６３が槽６２内に入るにつれて平行に間隔
どりされたアレイの形で樹脂未含浸繊維６３を配備する
ため、樹脂槽４２内に入る前に第１又は入口コーム４１
が使用される。
【００３１】図６に示されている繰出しシステム３７
は、繰出し装置及びブレーキローラー３８及び４０に対
してバネ式になったローラースクレーパの刃６６を有す
る。スクレーパ６６は、各ワインディングの後に交換し
うる使い捨てのかみそり刃を使用することが好ましい。
バンド幅安定化のための溝付きローラ３９は、取付けた
状態で示されているが、含浸繊維３４内の張力を測定す
るロードセル７１から容易に取外し可能である。真空ノ
ズル６７が、部材内にワインディングされる前に樹脂含
浸繊維から繊維毛玉を除去する。このノズル６７は、真
空トラップ６８に連結され、次に真空ホース７０により
真空排気ファン６９に連結される。吸込み能力を向上さ
せるため、ホースをできるかぎり短かくかつ大きい直径
に保つことが好ましい。
は、繰出し装置及びブレーキローラー３８及び４０に対
してバネ式になったローラースクレーパの刃６６を有す
る。スクレーパ６６は、各ワインディングの後に交換し
うる使い捨てのかみそり刃を使用することが好ましい。
バンド幅安定化のための溝付きローラ３９は、取付けた
状態で示されているが、含浸繊維３４内の張力を測定す
るロードセル７１から容易に取外し可能である。真空ノ
ズル６７が、部材内にワインディングされる前に樹脂含
浸繊維から繊維毛玉を除去する。このノズル６７は、真
空トラップ６８に連結され、次に真空ホース７０により
真空排気ファン６９に連結される。吸込み能力を向上さ
せるため、ホースをできるかぎり短かくかつ大きい直径
に保つことが好ましい。
【００３２】図７に示されている繊維通糸冶具７３は、
使用前に樹脂未含浸繊維６３を容易かつ正確に通糸させ
るために使用される。冶具７３は「迅速交換」オリフィ
スホルダー５９及び２つの「迅速交換」繊維コーム４１
を保持する。各々は、不適切な緊張状態及び交差した繊
維を防止するように一方向だけで冶具７３内にはめ込ま
れていてよい。
使用前に樹脂未含浸繊維６３を容易かつ正確に通糸させ
るために使用される。冶具７３は「迅速交換」オリフィ
スホルダー５９及び２つの「迅速交換」繊維コーム４１
を保持する。各々は、不適切な緊張状態及び交差した繊
維を防止するように一方向だけで冶具７３内にはめ込ま
れていてよい。
【００３３】異なる繊維，繊維の数及び樹脂システムに
ついての温度及び速度を含めたワインディング条件は、
以下に挙げる等式により計算される： 樹脂未含浸トウ面積 ＤＴＡ＝Tex/（１００／ρf ＤＴＡ＝樹脂未含浸トウ面積、cm2 Ｔex＝ｇ／１０００ｍ ρf＝繊維密度（ｇ／cm3） コンポジットトウ面積 ＣＴＡ＝ＤＴＡ／Ｖf Ｖf＝部材内の繊維体積含有率（標準０.６５） ゲル化時間 τ2＝ｔ1（０.５）((T2-T1)/λ) τ2＝新規温度でのゲル化時間、分 τ1＝テスト対象温度でのゲル化時間、分 Ｔ２＝新規温度、℃ Ｔ１＝テスト対象温度、℃ λ＝ゲル化時間定数、エポキシについて１０℃ 半径方向積層速度 Ｒ＝（６０・ＵＧＴ）／τ Ｒ＝半径方向積層速度、cm／時 ＵＧＴ＝未ゲル化層厚み、cm τ＝ワインディング温度でのゲル化時間、分 マンドレルＲＰＭ ＲＰＭ＝（１００・Ｒ・Ｌ）／（６０ＣＴＡＮ） ＲＰＭ＝マンドレルの毎分回転数 Ｌ＝部品長さ、ｍ Ｎ＝トウ数 最大トウ速度 ｖ＝πＲＰＭ・Ｄ0 ｖ＝最大トウ速度、ｍ／分 Ｄ0＝部材又は層の外径、ｍ 樹脂消費速度 Ｑ＝１００πＮ・ＤＴＡ・Ｄｉ（１／Ｖ
fwet−１） Ｑ＝樹脂消費速度、cm3／分 Ｄｉ＝部材の内径、ｍ Ｖfwet＝オリフィスによって計量された樹脂含浸繊維体
積含有率、０.５〜０.６ 樹脂槽使用時間 ＢＵＴ＝ＢＳ／Ｑ ＢＵＴ＝樹脂槽使用時間（樹脂が浴中にある最大時
間）、分 ＢＳ＝樹脂槽サイズ、cm3 オリフィスサイズ ＯＳ＝（４・ＤＴＡ／（π
Ｖfwet））0.5 ＯＳ＝オリフィスサイズ（穴の直径）、cm 樹脂未含浸トウ面積が最初に計算される。含浸トウ面積
が次に、所望の又は予測される最終部材繊維体積含有率
を入力することによって計算される。樹脂及びワインデ
ィング温度は、選定されなくてはならない。好ましくは
８０℃以下の温度で１時間未満のゲル化時間をもつ低硬
化温度の樹脂を選定することができる。こうして、約８
０℃以下の温度でワインディングされた場合に亀裂の発
生のない多種繊維使いフライホイールリムログの連続ワ
インディングが可能となる。より薄いフライホイールリ
ムは、より厚いフライホイールリムよりも亀裂発生が起
こりにくく、又より低い弾性率の繊維を伴うものも同様
であるが、これらのパラメータは一般にほぼ全てのフラ
イホイールで通用する。樹脂のゲル化時間は、樹脂及び
硬化剤を別の容器内でテスト温度まで予備加熱すること
によって測定される。１００グラム未満の少量の樹脂シ
ステムが混合され、水浴のオーブン内に放置される。こ
れは、ゲル化が起こる時間を見極めるため、スティック
又はワイヤで定期的にチェックされる。必要とあらば、
さらに高等な方法も利用することができる。このとき、
ワインディング温度は、テスト温度でゲル化時間が少な
くとも約６０分以下になるような形で決定される。ゲル
化時間及び所望の未ゲル化厚みを用いて、ワインディン
グの間にフライホイールに対しコンポジット材料が供給
される半径方向積層速度が計算される。これについての
旧来の値は約１/４インチ／時〜１/２インチ／時であ
る。未ゲル化層厚みは、ワインディング中の部品表面上
の含浸コンポジット材料の層厚みとして定義される。す
ぐれた繊維配列度を得るため、及びより長い停止時間
（最高１０分）を可能にするためには１/４インチ〜１/
２インチの間の未ゲル化層厚みを適用することが好まし
い。繊維配列度を高めるためにわずか１/８インチとい
う未ゲル化層厚みを適用することができるが、非常に短
かい停止時間で樹脂単独層が、部材中に容易に硬化形成
され得る。未ゲル化層厚みがさらに大きい場合、停止時
間をより長くすることも可能であるが、これには硬化前
の繊維に座屈が発生する危険性を伴う。マンドレルの回
転速度は、所望の半径方向積層速度、部材長さ、コンポ
ジット材料トウ面積及び１度に巻付けられるトウの数を
用いて計算される。マンドレルのＲＰＭは、トウ速度に
よって制限されなくてはならないかもしれない。この設
定を用いて、トウ破断なく最高１００ｍ／分のトウ速度
を快適に使用することが可能である。これより高い速度
も可能であるが、樹脂がマンドレルからあちこちに飛び
散り始めるにつれて、ワインディング状態が損なわれ
る。興味深いことに、樹脂消費速度を、示された通りに
計算することができる。これを樹脂層のサイズと組合わ
せて、層使用時間又は樹脂が使い尽されるまでに層内に
とどまる時間的長さを計算することが可能である。樹脂
量を計量するために使用すべきオリフィスサイズは、乾
燥トウ面積及び槽を出た後の所望の樹脂含浸繊維体積含
有率を使用することにより計算される。含浸繊維体積含
有率についての値の標準的範囲は０.５０〜０.６０の間
である。硬化済みの部材中の繊維体積含有率は、硬化及
びワインディング中の部材からの樹脂の滴下によりもっ
と高くなる。
ついての温度及び速度を含めたワインディング条件は、
以下に挙げる等式により計算される： 樹脂未含浸トウ面積 ＤＴＡ＝Tex/（１００／ρf ＤＴＡ＝樹脂未含浸トウ面積、cm2 Ｔex＝ｇ／１０００ｍ ρf＝繊維密度（ｇ／cm3） コンポジットトウ面積 ＣＴＡ＝ＤＴＡ／Ｖf Ｖf＝部材内の繊維体積含有率（標準０.６５） ゲル化時間 τ2＝ｔ1（０.５）((T2-T1)/λ) τ2＝新規温度でのゲル化時間、分 τ1＝テスト対象温度でのゲル化時間、分 Ｔ２＝新規温度、℃ Ｔ１＝テスト対象温度、℃ λ＝ゲル化時間定数、エポキシについて１０℃ 半径方向積層速度 Ｒ＝（６０・ＵＧＴ）／τ Ｒ＝半径方向積層速度、cm／時 ＵＧＴ＝未ゲル化層厚み、cm τ＝ワインディング温度でのゲル化時間、分 マンドレルＲＰＭ ＲＰＭ＝（１００・Ｒ・Ｌ）／（６０ＣＴＡＮ） ＲＰＭ＝マンドレルの毎分回転数 Ｌ＝部品長さ、ｍ Ｎ＝トウ数 最大トウ速度 ｖ＝πＲＰＭ・Ｄ0 ｖ＝最大トウ速度、ｍ／分 Ｄ0＝部材又は層の外径、ｍ 樹脂消費速度 Ｑ＝１００πＮ・ＤＴＡ・Ｄｉ（１／Ｖ
fwet−１） Ｑ＝樹脂消費速度、cm3／分 Ｄｉ＝部材の内径、ｍ Ｖfwet＝オリフィスによって計量された樹脂含浸繊維体
積含有率、０.５〜０.６ 樹脂槽使用時間 ＢＵＴ＝ＢＳ／Ｑ ＢＵＴ＝樹脂槽使用時間（樹脂が浴中にある最大時
間）、分 ＢＳ＝樹脂槽サイズ、cm3 オリフィスサイズ ＯＳ＝（４・ＤＴＡ／（π
Ｖfwet））0.5 ＯＳ＝オリフィスサイズ（穴の直径）、cm 樹脂未含浸トウ面積が最初に計算される。含浸トウ面積
が次に、所望の又は予測される最終部材繊維体積含有率
を入力することによって計算される。樹脂及びワインデ
ィング温度は、選定されなくてはならない。好ましくは
８０℃以下の温度で１時間未満のゲル化時間をもつ低硬
化温度の樹脂を選定することができる。こうして、約８
０℃以下の温度でワインディングされた場合に亀裂の発
生のない多種繊維使いフライホイールリムログの連続ワ
インディングが可能となる。より薄いフライホイールリ
ムは、より厚いフライホイールリムよりも亀裂発生が起
こりにくく、又より低い弾性率の繊維を伴うものも同様
であるが、これらのパラメータは一般にほぼ全てのフラ
イホイールで通用する。樹脂のゲル化時間は、樹脂及び
硬化剤を別の容器内でテスト温度まで予備加熱すること
によって測定される。１００グラム未満の少量の樹脂シ
ステムが混合され、水浴のオーブン内に放置される。こ
れは、ゲル化が起こる時間を見極めるため、スティック
又はワイヤで定期的にチェックされる。必要とあらば、
さらに高等な方法も利用することができる。このとき、
ワインディング温度は、テスト温度でゲル化時間が少な
くとも約６０分以下になるような形で決定される。ゲル
化時間及び所望の未ゲル化厚みを用いて、ワインディン
グの間にフライホイールに対しコンポジット材料が供給
される半径方向積層速度が計算される。これについての
旧来の値は約１/４インチ／時〜１/２インチ／時であ
る。未ゲル化層厚みは、ワインディング中の部品表面上
の含浸コンポジット材料の層厚みとして定義される。す
ぐれた繊維配列度を得るため、及びより長い停止時間
（最高１０分）を可能にするためには１/４インチ〜１/
２インチの間の未ゲル化層厚みを適用することが好まし
い。繊維配列度を高めるためにわずか１/８インチとい
う未ゲル化層厚みを適用することができるが、非常に短
かい停止時間で樹脂単独層が、部材中に容易に硬化形成
され得る。未ゲル化層厚みがさらに大きい場合、停止時
間をより長くすることも可能であるが、これには硬化前
の繊維に座屈が発生する危険性を伴う。マンドレルの回
転速度は、所望の半径方向積層速度、部材長さ、コンポ
ジット材料トウ面積及び１度に巻付けられるトウの数を
用いて計算される。マンドレルのＲＰＭは、トウ速度に
よって制限されなくてはならないかもしれない。この設
定を用いて、トウ破断なく最高１００ｍ／分のトウ速度
を快適に使用することが可能である。これより高い速度
も可能であるが、樹脂がマンドレルからあちこちに飛び
散り始めるにつれて、ワインディング状態が損なわれ
る。興味深いことに、樹脂消費速度を、示された通りに
計算することができる。これを樹脂層のサイズと組合わ
せて、層使用時間又は樹脂が使い尽されるまでに層内に
とどまる時間的長さを計算することが可能である。樹脂
量を計量するために使用すべきオリフィスサイズは、乾
燥トウ面積及び槽を出た後の所望の樹脂含浸繊維体積含
有率を使用することにより計算される。含浸繊維体積含
有率についての値の標準的範囲は０.５０〜０.６０の間
である。硬化済みの部材中の繊維体積含有率は、硬化及
びワインディング中の部材からの樹脂の滴下によりもっ
と高くなる。
【００３４】明らかに、上述の好ましい実施形態の数多
くの修正及び変形形態が可能であり、本発明の本開示に
照らし合わせて、当業者の考えつくことと思われる。従
って、これらの修正及び変形形態及びその等価物は、以
下のクレーム中で定義されている通りの本発明の精神及
び範囲の中に内含されるというのが私の意図するところ
である。
くの修正及び変形形態が可能であり、本発明の本開示に
照らし合わせて、当業者の考えつくことと思われる。従
って、これらの修正及び変形形態及びその等価物は、以
下のクレーム中で定義されている通りの本発明の精神及
び範囲の中に内含されるというのが私の意図するところ
である。
【図１】コンポジットロータログ及び該ログからカット
された個々のロータの略図である。
された個々のロータの略図である。
【図２】好ましいフィラメントワインディング装置の略
図である。
図である。
【図３】図２に示された装置内の好ましい樹脂槽の略図
である。
である。
【図４】図２の装置内で使用される好ましい「迅速交
換」オリフィスホルダーの略図である。
換」オリフィスホルダーの略図である。
【図５】図２に示された装置の中で使用される好ましい
「迅速交換」繊維コームの略図である。
「迅速交換」繊維コームの略図である。
【図６】図２に示された装置の中で使用される好ましい
繊維繰出しシステムの略図である。
繊維繰出しシステムの略図である。
【図７】図２に示された装置の中で使用するための繊維
をあらかじめ通すのに使用される好ましい繊維通糸ジグ
の略図である。
をあらかじめ通すのに使用される好ましい繊維通糸ジグ
の略図である。
【図８】図２に示されているワインディング装置構成の
平面図である。
平面図である。
３０：ログ ３１：フライホイールリム ３２：マンドレル ３３：側壁 ３３ａ：モーター ３４：繊維 ３５：ヒーター ３５ａ、３５ｂ：コントローラ ３６：赤外線センサー ３７：繰出し装置 ３８〜４０：ローラー ４１：コーム ４２：樹脂槽 ４３：レベルセンサー ４４：静止ミキサー管 ４５、４６：ホース ４７：ポンプ ４８、４９：ドラム ５０：クリール ５１：垂直出口ローラー ５２：繊維スプール ５３：ワインディング機キャリッジ ５４：マニホールド ５５：脚部 ５６：ボールバルブ ５７、５８：スピンドル ５９：オリフィスホルダー ６０：オリフィス ６１：ヒーター ６３：樹脂未含浸繊維 ６５：樹脂レベル ６６：スクレーパ ６７：真空ノズル ６８：真空トラップ ６９：真空排気ファン ７０：ホース ７１：ロードセル ７２：モーター式角度位置づけ装置 ７３：繊維通糸治具 ７５：ピン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F205 AG08 AH81 AM10 AQ01 AR17 HA02 HA23 HA33 HA35 HB01 HC10 HC16 HC17 HE25 HK10 HK19 HK25 HK29 HL02 HW21
Claims (36)
- 【請求項１】熱硬化性樹脂マトリックス中に内蔵された
補強繊維を有するコンポジット製フライホイールリムを
製造するためのフィラメントワインディングプロセスで
あって、 外部表面をもつ円筒状部材を製造するために、前記繊維
に前記樹脂を含浸させ、ついで、マンドレル上に前記樹
脂が含浸された繊維を巻付け、 前記外部表面上に液状樹脂が含浸された補強繊維が巻付
けられている間に、前記外部表面の内層において、前記
部材内の半径方向の薄い層中の前記樹脂をゲル化させる
フィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項２】前記樹脂のゲル化を容易にするため前記部
材の上に前記液状樹脂が含浸された繊維を巻付ける間
に、予め定められた巻付け温度になるように前記部材を
加熱する、「請求項１」に記載のフィラメントワインデ
ィングプロセス。 - 【請求項３】前記部品にフィラメントワインディングが
行われている間に前記部材に当てた赤外線ヒーターから
の放射を通して前記部材に対して熱が加えられる、「請
求項２」に記載のフィラメントワインディングプロセ
ス。 - 【請求項４】内部から加熱されたマンドレルからの伝熱
により部材に対して熱が加えられる、「請求項２」に記
載のフィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項５】前記部材の温度を約５５℃〜１００℃の設
定温度まで上昇させるため、放射、対流又は伝熱により
部材に対して熱が加えられる、「請求項２」に記載のフ
ィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項６】単数又は複数のプロセスコントローラを用
いて、前記設定温度に前記部材、マンドレル又はこの部
品のまわりの雰囲気温度を維持する工程をさらに含む、
「請求項５」に記載のフィラメントワインディングプロ
セス。 - 【請求項７】前記部材に照準が定められた赤外線センサ
ーを用いた温度測定により設定レベルに前記部材の温度
を維持するため前記部品に対する前記加熱を制御する、
「請求項５」に記載のフィラメントワインディングプロ
セス。 - 【請求項８】前記部材表面上の樹脂のゲル化を完了させ
るために、前記部材上への前記繊維の巻付けを完了した
後も、約１時間※前記部材を加熱し、回転させ続ける工
程をさらに含む、「請求項５」に記載のフィラメントワ
インディングプロセス。 - 【請求項９】前記繊維が繊維トウの形をしており、 前記樹脂の粘度を約３００ｃｐｓ（センチポイズ）より
低い粘度まで低下させるのに充分高い温度まで樹脂槽内
で前記樹脂を加熱し、 前記樹脂含浸工程は、樹脂の量が０.１５リットル／ト
ウ※よりも少ない前記樹脂浴内に前記繊維トウを通し、
次に０.４〜０.５の樹脂体積含有率をもつ前記樹脂含浸
繊維トウを製造するために余剰の樹脂を除去する工程を
含む、「請求項１」に記載のフィラメント巻付けプロセ
ス。 - 【請求項１０】前記樹脂含浸工程は、前記樹脂槽の樹脂
液面下で、槽中で回転しないスピンドルの下に前記繊維
トウを通し、さらにトウを交換するため前記回転しない
スピンドルを取りはずす工程をさらに含む、「請求項
９」に記載のフィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項１１】前記樹脂が、ワインディング温度でわず
か５０〜７０分間の短いゲル化時間を有する「請求項
５」に記載のフィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項１２】前記繊維がマルチトウとして同時に巻付
けられる、「請求項１」に記載のフィラメントワインデ
ィングプロセス。 - 【請求項１３】前記繊維が複数のタイプの繊維を混ぜ合
わせたコミングルの形で同時に巻付けられる、「請求項
１」に記載のフィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項１４】交換可能なあらかじめ繊維を通したコー
ム又はオリフィスホルダー※を使用することによって迅
速に繊維トウのセットを切り替える、「請求項１」に記
載のフィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項１５】所望の繊維トウ間隔を維持するため、前
記樹脂槽への入口で前記交換可能なあらかじめ繊維通糸
用コーム内の４辺が閉ざされた空間の中に前記繊維を通
過させる工程をさらに含む、「請求項１４」に記載のフ
ィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項１６】樹脂レベル検知用センサー及び自動計量
混合ポンプを用いて、樹脂と硬化剤の間の混合比率、及
び前記浴槽の樹脂レベルを維持する工程をさらに含む、
「請求項９」に記載のフィラメント巻付けプロセス。 - 【請求項１７】樹脂及び硬化剤が、２基以上が連結され
ている各成分のコンテナから圧送される、「請求項１
６」に記載のフィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項１８】回転ローラーと接触するスクレーパを用
いて清掃を行い糸道での前記回転ローラー上への繊維の
巻付きを防止する「請求項１」に記載のフィラメント巻
付けプロセス。 - 【請求項１９】糸道に沿って設置された真空ノズルを用
いて、繊維が部材に巻かれる前に繊維の毛羽を除去する
工程をさらに含む、「請求項１」に記載のフィラメント
ワインディングプロセス。 - 【請求項２０】コンポジットフライホイールリムを製造
するためのプロセスであって、 外側ログ表面をもつ細長い円筒状ログを製造するため繊
維に樹脂を含浸させ、次いで細長いマンドレル上に前記
樹脂含浸繊維を巻付け、 前記樹脂を硬化させる工程及びその後前記ログから個々
のリムを切り出す工程、を含んで成るプロセス。 - 【請求項２１】前記外側ログ表面上に液状樹脂含浸補強
繊維が巻付けられている間に、前記外側ログ表面の下側
で前記ログ内で半径方向の薄い層の中の前記樹脂をゲル
化させる工程をさらに含む「請求項２０」に記載のプロ
セス。 - 【請求項２２】研削により最終寸法まで前記個々のリム
を機械加工する工程をさらに含む、「請求項２０」に記
載のプロセス。 - 【請求項２３】前記フライホイールリムが、ダイヤモン
ド研削砥石を用いて最終寸法まで機械加工される、「請
求項２２」に記載のフィラメントワインディングプロセ
ス。 - 【請求項２４】ログから切り出されたフライホイールリ
ムが、機械加工の後コンポジット材を封止するためエポ
キシでコーティングされる、「請求項２０」に記載のフ
ィラメントワインディングプロセス。 - 【請求項２５】１″より大きい半径方向厚さ、２％未満
のボイド率及び６０％より大きい繊維体積含有率を有す
る環状構造から成る、コンポジットフライホイールリ
ム。 - 【請求項２６】「請求項１」に記載のプロセスによって
作られた「請求項２５」に記載のコンポジットフライホ
イールリム。 - 【請求項２７】「請求項２０」に記載のプロセスによっ
て作られた「請求項２５」に記載のコンポジットフライ
ホイールリム。 - 【請求項２８】熱硬化性樹脂マトリックス内に炭素繊維
及び／又はガラス繊維を含んで成る、「請求項２５」に
記載のコンポジットフライホイールリム。 - 【請求項２９】全ての繊維軸が、リムの長手方向軸に対
して所定の角度θよりも大きい角度を成しており、ここ
でθが８０°〜９０°の間にある、「請求項２５」に記
載のコンポジットフライホイールリム。 - 【請求項３０】前記繊維が異なるタイプの繊維のリング
の形で巻付けられており、 外側部分内の円周方向の引張り弾性率が内側部分のもの
以上である、「請求項２５」に記載のコンポジットフラ
イホイールリム。 - 【請求項３１】フープ巻コンポジットフライホイールリ
ムをフィラメントワインディングするための装置であっ
て、 中心軸をもつ細長いマンドレル及びこのマンドレルを所
望の回転速度で前記軸を中心にして回転させるためのモ
ーター、 前記マンドレルの反対側に取付けられ、前記マンドレル
上に巻付けられるべき繊維セットを供給するための複数
の取外し可能な繊維スプールをもつクリール、 前記クリールと前記マンドレルの間に置かれ、前記繊維
セットが前記マンドレル上に巻付けられる前に加熱され
た低粘度樹脂を前記クリールからの前記繊維に含浸させ
るためのヒーターを有する体積の小さい樹脂槽、前記槽
内の樹脂の供給を予め定められたレベルに維持するため
混合された樹脂と硬化剤を前記槽に供給するための樹脂
計量及び混合用装置、 前記マンドレルが回転する間に、制御された形で前記マ
ンドレルまで前記樹脂槽から樹脂で含浸された前記繊維
セットを補給するための繊維繰出しユニット、及び、 前記ワインディングが進行する間に、前記樹脂が前記リ
ムの外側円周部分近くの薄い半径方向層中でゲル化する
ように、前記樹脂のゲル化を促進するために、前記マン
ドレル上の前記樹脂を加熱するためのヒーター、を含ん
で成る、装置。 - 【請求項３２】前記樹脂浴中で所望の繊維間隔を維持す
るための繊維通糸用セットをさらに含む「請求項３１」
に記載の装置において、該繊維緊通糸セットには、 前記繊維セットが最初に前記槽内に入る、前記の第１の
縁部にある第１の引込みコーム、及び前記第１の縁部と
は反対側の前記樹脂槽の第２の縁部にあり、前記マンド
レル上への巻付けの前に繊維トウ上の樹脂の量を制御す
るため個々の繊維トウがその中を通過する複数のオリフ
ィスを有する、オリフィスホルダー、が内含されてい
る、装置。 - 【請求項３３】第１の繊維セットから前記マンドレル上
に巻付けられるべき第２の繊維セットへと交換するため
の、分離した繊維スプールセットと分離した繊維通糸用
セットを内含する迅速交換システムをさらに含んで成
り、 かくして、前記分離した繊維スプールセット上の第２の
繊維セットを、前記第１の繊維セットから前記第２の繊
維セットへの迅速な交換のために前記分離した繊維通糸
用セット上であらかじめ通糸させることができる、「請
求項３２」に記載の装置。 - 【請求項３４】前記繊維繰出しシステムが、前記繊維に
対し予め定められたテンションを加えるための制動付き
ローラー及び前記テンションを測定するためのロードセ
ルをもつ第２のローラーを有する、「請求項３１」に記
載の装置。 - 【請求項３５】前記繊維繰出しシステムが、前記繊維に
対し所定の大きさの張力を加えるための制動付きローラ
ー及び前記張力を測定するためのロードセルをもつ第２
のローラーを有し、 片持ち梁が、一方の端部においてのみ前記制動付きロー
ラー及び前記第２のローラーを取付けるために支持し、
かくして第２の繊維セットは前記ローラーの間に迅速に
糸道設定され得る、「請求項３３」に記載の装置。 - 【請求項３６】前記繊維セットを前記軸との関係におい
て予め定められた角度を成して前記マンドレル上に前記
繊維セットを供給するため、前記部材の軸と平行に前記
繊維繰出しシステムをトラバースさせるためのトラバー
ス機構をさらに含んで成る、「請求項３１」に記載の装
置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US23165300P | 2000-09-11 | 2000-09-11 | |
| US60/231653 | 2000-09-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002355893A true JP2002355893A (ja) | 2002-12-10 |
| JP4144211B2 JP4144211B2 (ja) | 2008-09-03 |
Family
ID=22870129
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001321218A Expired - Lifetime JP4144211B2 (ja) | 2000-09-11 | 2001-09-11 | フィラメントワインディングプロセス、複合材料製フライホイールの高速成形法と装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1191253B1 (ja) |
| JP (1) | JP4144211B2 (ja) |
| AT (1) | ATE532988T1 (ja) |
| DK (1) | DK1191253T3 (ja) |
| ES (1) | ES2376728T3 (ja) |
| PT (1) | PT1191253E (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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