JP2002533241A - フィラメントを巻付けた複合ワークピースのための製法及び装置 - Google Patents

フィラメントを巻付けた複合ワークピースのための製法及び装置

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JP2002533241A
JP2002533241A JP2000590840A JP2000590840A JP2002533241A JP 2002533241 A JP2002533241 A JP 2002533241A JP 2000590840 A JP2000590840 A JP 2000590840A JP 2000590840 A JP2000590840 A JP 2000590840A JP 2002533241 A JP2002533241 A JP 2002533241A
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ジェイムズ ヴィー ゴーチェル
ジェイ ジェイ ベックマン
アンソニー ジー ハンキン
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オウェンス コーニング
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 フィラメントの巻付けられた複合ワークピース（２０）を形成するための製法及び装置（１０）が提供される。製法は以下の段階を備える。強化材料（４０）を提供する段階と、注入金型（５０）を提供する段階と、回転可能なマンドレル（６２）を含む巻取装置（６０）を提供する段階と、強化材料（４０）を注入金型（５０）に通す段階と、樹脂材料を注入金型（５０）に注入して、強化材料（４０）を樹脂材料で含浸させて含浸させた強化材料（４０ａ）を形成する段階と、そして、マンドレル（６２）を中心として含浸させた強化材料（４０ａ）を巻取って、複合ワークピース（２０）を形成する段階である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフィラメントを巻付けられた複合ワークピースの製法及び装置に関し
、特に、そのような製法及び装置において、強化材料がマンドレルに巻付けられ
る前に注入金型にて含浸させられるようなものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
フィラメントを巻付けた部品ないしワークピースを作るとき、従来は連続した
繊維をマンドレルに、巻取装置を用いて所定の幾何学パターンに巻付けていた。
巻糸軸架が繊維を支えて、繊維は張力の下で送られる。マンドレルは回転するか
、又は受動的である。巻線の配向と厚さとは、最終的な部品ないしワークピース
における荷重の方向と大きさとに合わせて選択される。
【０００３】 代表的には、フィラメントを巻付けられた部品ないしワークピースを作るとき
には、ガラス繊維など例えばＥガラス又はＳガラス、及びアラミド、硼素、及び
炭素の繊維などのような高い強度の強化繊維ないし構造繊維が使用される。繊維
は含浸浴槽かロールアプリケータを介して、ポリエステルやエポキシ樹脂などの
液体樹脂で含浸させられる。繊維は、マンドレルに巻取られる前に湿らされる。
湿らさせるために代表的には、繊維を含浸浴槽に引き通すか、又はアプリケータ
ロールを通過させる。これらの在来の方法では、湿潤と完全な含浸を達成するの
が難しい。さらに、これらの方法ではしばしば、湿らされた強化巻線中に空気が
捕えられることになる。遅い速度でさえ、これらの在来の湿潤処理は限られた数
のストランドを湿らせて、含浸させて、空気を除去させることができるだけであ
る。これ故に、フィラメント巻付け部品に組入れられる強化材料の塗布の速度は
制限される。さらに、フィラメント巻付け部品は、湿潤が遅い速度であるために
、比較的低速で作られて、そのような部品を高価にしている。
【０００４】 樹脂浴槽は大気に開かれていて又は部分的に開かれていて、環境に都合の悪い
揮発性の有機的な化合物ないしＶＯＣ（volatile organic compound）の大気へ
のかなりの排出につながる。さらに、開放浴槽による浸潤方法ではかなりの樹脂
廃物が一般的に生じる。
【０００５】 フィラメント巻付け部品には気孔が一般的に見い出されるが、これは、繊維が
樹脂浴槽を通り抜けるかロールアプリケータに係合するときに繊維に付着した樹
脂に捕えられた空気に起因する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、改良されたフィラメント巻取製法及び装置に対する要求があって、そ
れにおいては、１）高い塗布速度でガラス強化材料を湿潤させてフィラメント巻
付け部品を形成するのに必要な時間を減少させ、２）フィラメント巻付け部品を
強化材料のより高い含有量で形成できて、３）最終的なワークピースの気孔を減
少できて、４）ＶＯＣの排出を減少できて、５）改良された樹脂の利用が行なわ
れる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はフィラメント巻付け部品ないしワークピースのための改良された製法
と装置とを提供する。強化材料をマンドレルに巻付けるのに先だって、高圧の注
入金型に通して、その中にて強化材料を樹脂材料で含浸させる。注入金型は強化
材料の塗布の速度を増加できると共に、強化材料の完全な含浸を提供する。さら
に、より大きい厚さと密度とを有するような強化材料の包体（pack）であって、
これまでにはフィラメント巻付け製法では使用されることのなかったものを、こ
れにより使用できる。また、高い粘性を有するような樹脂材料であって、仮に含
浸浴槽で使用しても妥当な時間内に完全に含浸させることができないような樹脂
材料も、これにより使用できる。本発明の製法及び装置によって形成された部品
ないしワークピースでは気孔の数が減少する。さらに、開放式の樹脂浴槽を必要
としないために、大気に放出されるＶＯＣは少なくなる。
【０００８】 本発明の第１の見地では、フィラメントの巻付けられた複合ワークピースの製
法が提供される。この製法は、強化材料を提供する段階と、注入金型を提供する
段階と、マンドレルを含む巻取装置を提供する段階と、強化材料を注入金型に通
す段階と、樹脂材料を注入金型に注入して、強化材料を樹脂材料で含浸させて含
浸させた強化材料を形成する段階と、マンドレルを中心として含浸させた強化材
料を巻取って、複合ワークピースを形成する段階と、を備えている。
【０００９】 強化材料は、連続した繊維単独で、または、ロール製品と組合わせて構成され
る。ロール製品は、織られた布、不織布、及びニードルパンチド布、チョップト
ストランドマット、ベール、又はこれらの組合わせから構成される。
【００１０】 連続繊維にロール製品を組合わせて強化材料を構成するような１の実施形態に
おいては、連続繊維は注入金型を通り抜けてマンドレルに巻付けられるときに第
１の張力の下にあり、ロール製品は注入金型を通り抜けてマンドレルに巻付けら
れるときに第２の張力の下にある。第２の張力は第１の張力よりも小さくて、こ
のためにロール製品をフィラメント巻取処理に組込むことができる。
【００１１】 注入金型に樹脂材料を注入する段階は、単一の樹脂を注入金型に注入する段階
から構成してもよい。代わりに、第１及び第２の樹脂を注入金型に注入してもよ
い。第１の樹脂は強化材料の下側部分を含浸させて、第２の樹脂は強化材料の上
側部分を含浸させる。第１の樹脂は耐蝕性の樹脂から構成され、第２の樹脂はよ
り安価な樹脂から構成される。第１又は第２の樹脂の組成には、総合的な層板の
部分を強化するのに有利であるような、耐摩耗性充填材や、紫外線劣化防止剤、
他の機能的な添加剤を含んでもよい。
【００１２】 本発明の第２の見地によれば、複合ワークピースにフィラメントを巻付けるた
めの装置が提供される。装置は、強化材料を供給するための装置と、強化材料が
通り抜けると共に樹脂材料が注入される注入金型とを備えて構成される。樹脂材
料は強化材料に含浸する。装置はさらに、注入金型に隣接して配置された巻取装
置を含む。巻取装置はマンドレルを含む。含浸された強化材料はマンドレルを中
心として巻取られて、複合ワークピースを形成する。
【００１３】 供給装置は、供給される連続した繊維に第１の張力を生じさせる第１の張力装
置と、供給されるロール製品に第１の張力よりは小さい第２の張力を生じさせる
第２の張力装置とを含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１には、複合ワークピース２０にフィラメントを巻付けるための装置１０が
示されている。この装置は、強化材料４０を供給する装置と、強化材料４０が通
り抜けると共に樹脂材料が注入される注入金型５０とを備えている。樹脂材料は
強化材料４０を含浸させる。装置１０はさらに、注入金型５０に隣接して配置さ
れた巻取装置６０を備えている。巻取装置６０は回転可能なマンドレル６２を含
む。含浸された強化材料４０ａは、マンドレル６２を中心として巻取られて、複
合ワークピース２０を形成する。
【００１５】 図示の実施形態の回転可能なマンドレル６２は“連続リボン”タイプであって
、米国特許第３，４６４，８７９号、第３，６５５，４８９号、及び第３，６７
９，５２１号に開示されており、それらの開示は参照でこの場所に取り入れられ
る。マンドレル６２は連続的に給送される鋼帯６２ａによって形成されており、
この鋼帯は内部支持構造（図示せず）によって支持されて、帯６２ａは図１の右
方から左方へと連続的に螺旋パターンで移動する。帯６２ａの縁部の継続的な重
ね合わせ６２ｂは互いに隣接して、連続的で、円筒形の、螺旋状に給送されるマ
ンドレルの外面６２ｃを形成する。
【００１６】 帯部分が支持構造の端部に達すると、帯部分はマンドレル６２の内部部分を通
して戻される。帯６２ａを供給する方法については、並びに、帯６２ａの戻し部
分をどのように配置構成して可動な表面６２ｃを再構成するのかについては、’
８７９号、’４８９号、及び’５２１号の特許に完全に開示されている。
【００１７】 帯６２ａが進むと、帯は好ましくは不図示の例えばＭＹＬＡＲなどの比較的不
活性なプラスチックシート材のような剥離層によって覆われて、その幅は、帯の
重ね合わせないし幅６２ｂのひとつよりも幅広になっている。剥離シートは、自
己付着性でマンドレル６２に液密カバーを提供すると共に、マンドレル６２上に
造られたワークピース２０がマンドレル表面６２ｃから続いて分離されるための
剥離シートを提供する。
【００１８】 他の商業的に入手可能な巻取装置６０であってここで特に記載していないもの
を使用してもよい。
【００１９】 図示の実施形態では、供給装置３０はキャリッジを備えていて、これが２本の
レール３４に沿って前後に往復動作できる。これに代えて、キャリッジ３２は固
定していてもよい。キャリッジ３２の動きはギアボックス３６に結合されたネジ
３５によって遂げられる。ギアボックス３６は次に、ベルト３７を介して駆動モ
ータ（図示せず）に結合される。オペレータは、駆動モータの運転とギアボック
ス３６とを制御することによって、キャリッジ３２を任意の速度でレール３４に
沿って往復させることができ、また、望むときにはキャリッジ３２を停止させる
ことができる。
【００２０】 キャリッジ３２は強化材料４０を支持するが、この強化材料はロール製品４２
か、連続繊維４４か、又は両者の組合わせから構成される。図１に示した実施形
態では、キャリッジ３２はロール製品４２の単一のロール４２ａのための支持体
３２ａを含んでいる。キャリッジはさらに、巻糸軸架（図示せず）からの連続繊
維４４の複数のストランドを集めるための案内目板４３を含む。繊維４４は、ガ
ラス繊維など例えばＥガラス又はＳガラス、アラミド、硼素、及び／又は、炭素
の繊維などのような強化繊維ないし構造繊維が使用される。繊維４４はまた、米
国特許第５，６２６，６４３号に開示されたような、混合強化重合体繊維ストラ
ンドから構成してもよく、同公報をここで参照して取り入れる。繊維４４はまた
、米国特許出願第０８／７６９，３４０号、第０８／６９５，９０９号、及び第
０８／６９５，５０４号に開示されたような、重合体の（熱硬化性プラスチック
又は熱可塑性プラスチックの）材料で表面を被覆された強化繊維から構成しても
よく、これらの開示をここで参照して組み入れる。ロール製品は、織られた布、
不織布、ニードルパンチド布、チョップトストランドマット、連続フィラメント
マット、ベール、又はこれらのあらゆる組合わせから構成できる。ロール製品４
２には熱可塑性材料を組込んでもよい。例えば、熱可塑性の繊維、熱可塑性被覆
のされたガラス繊維、又は熱可塑性の微粒子粉末をマット又は織物に取り入れる
。図１に示した実施形態では、繊維４４は案内及び整列装置３２ｃを通り抜けて
から、単一層のロール製品４２と結合して、強化包体４１を形成して、これが注
入金型５０を通る。金型５０へ入る強化包体４１は、連続繊維４４だけから、ま
たは、ロール製品４２だけから構成されてもよい。強化包体４１を形成するのに
は、いかなる数のロール製品の層を用いてもよく、いかなる数の繊維の層を用い
てもよい。
【００２１】 キャリッジ３２は注入金型５０をも支持する。注入金型５０は、Goldsworthy
への米国特許第３，５５６，８８８号に開示されているような在来のいかなる注
入金型でもよく、その開示をここで参照して組み入れる。しかしながら、注入金
型５０は、Gauchelらへの米国特許第５，７４７，０７５号に開示された金型の
ように構成するのが好ましく、その開示をここで参照して組み入れる。
【００２２】 注入金型５０は、入口部分５２ａと内部通路５２ｂと出口部分５２ｃとを備え
る。強化包体は入口部分５２ａを通して金型５０へ入る。強化包体はマンドレル
６２を回転させることによって金型５０を通して引張られる。包体４１が金型５
０の内部通路５２ｂを通過するとき、樹脂材料が注入されて含浸させられる。含
浸した強化材料４０ａを含む含浸した包体４１ａは、金型５０からマンドレル６
２を中心として巻取られてワークピース２０を形成する。
【００２３】 樹脂供給装置５４は、図２に示す如く、金型に樹脂材料を供給するために提供
されている。供給装置５４は、第１及び第２の供給ライン５６ａ及び５６ｂと、
供給装置５７ａ及び５７ｂと、加熱器５８ａ及び５８ｂとを備える。各供給装置
５７ａ及び５７ｂは在来の定圧ポンプを備えることができる。樹脂組成は、単一
の樹脂の配合物を注入ポート５９ａ及び５９ｂを通して金型５０に注入してもよ
いし、または、異なる複数の樹脂材料から構成されたものをポート５９ａ及び５
９ｂに注入してもよい。従って第１の樹脂材料をポート５９ａに注入して強化包
体４１の下側部分４１ｃを含浸し、一方、第２の樹脂材料をポート５９ｂに注入
して強化包体の上側部分４１ｂを含浸することができる。第１の樹脂材料は、ビ
ニールエステルなどの耐蝕性樹脂から構成され、これはDow Chemical社から製品
名Ｄ−４１１として商業的に入手可能であるものか、または、ウレタンビニール
エステルなどの耐衝撃樹脂から構成されて、これはDutch State Mining(DSM)か
ら商業的に入手可能である。第２の樹脂材料は、ポリエステルやエポキシ樹脂な
どのより安価な樹脂から構成する。第１及び第２の樹脂材料は、砂やセラミック
の充填材のような耐摩耗性充填材や、Chiba Geigy社から販売されるTinuvin Pの
ような紫外線劣化防止剤、顔料、及び／又は、ゲルコートを含んでもよい。第１
及び第２の樹脂は他の商業的に入手可能な熱硬化性の樹脂、例えばイソフタルポ
リエステルや、フタル酸ポリエステル、フェノール樹脂、ポリウレタン、又はポ
リイソシアヌレートなどから構成してもよい。
【００２４】 金型５０は、これまでは時間的に都合よく完全な含浸を遂げることができなな
かったためにフィラメント巻取製法においては使用されることがなかったような
、非常に稠密な包体などの強化包体を含浸することができると信じられる。これ
故に、本発明の装置１０は、例えば１００ｋｇ／ｍ２までの高い強化材含有量の
フィラメント巻付け部品ないしワークピースを形成できる。さらに本発明では、
以前はフィラメント巻取製法に使用されることのなかったような強化材料の組合
わせにて包体４１を構成できるので、強化包体４１を所望の製品用途に応じてよ
り簡易に仕立てられるようにする。また、包体４１には圧力下で樹脂が注入され
るので、包体４１に捕えられる空気は少なくなって、結果としてのフィラメント
巻付けワークピースの気孔がより少なくなる。開放型の浴槽を必要としないため
、ＶＯＣが低減されると共に樹脂の利用率が改善されることにも追加的に留意さ
れたい。
【００２５】 キャリッジ３２はさらに複数の張力棒３２ｄを含み、これらが繊維４４に係合
した後に、繊維は案内及び整列装置３２ｃを通り抜けて注入金型５０へ入る。こ
れ故に、棒３２ｄは第１の張力装置を形成して、連続繊維４４を第１の張力の下
にて注入金型５０及びマンドレル６２へ供給させるようにする。ロール支持体３
２ａもまた回転に抵抗を生じさせるように設計されていて、これが第２の張力装
置を構成して、ロール製品４２が第２の張力の下にて供給されるようにする。望
ましくは、第１の張力は第２の張力よりも大きい。過剰に高い張力の下で供給す
るとロール製品４２が損傷する。
【００２６】 結果としてのワークピースは、約１から約２０までの層の含浸した強化材料４
０ａを有して作成される。また、キャリッジ３２に対するマンドレル６０の進む
速度よりも大きい幅の強化材を作って、含浸した強化材料４０ａをマンドレル６
０に適用したときには、含浸した強化材料４０ａは複数の層を提供する。
【００２７】 熱硬化性樹脂を使用した場合には、加熱炉（図示せず）を提供して巻取られた
ワークピース２０内の樹脂を硬化させる。さらに、切断装置（図示せず）を提供
して、ワークピース２０を所望の長さに分離する。
【００２８】 金型５０の上方に、下方に、又は側方に、１又は複数の注入金型（図示せず）
を提供してもよい。各金型は強化包体の異なる部分を受入れて、その部分に１又
は複数の樹脂材料を含浸させる。包体の２以上の部分が異なる密度及び構造を有
してもよい。各金型に提供される１又は複数の樹脂は上述した樹脂のいずれかの
ひとつでよい。２以上の注入金型を互いに並べて配置するようにしてもよい。い
ずれの金型も強化包体の同一の部分を受入れる。
【００２９】 さらに、強化包体は、発泡層や、または、単一の粒子サイズ又は混合された粒
子サイズの砂などの骨材の層のような高い充填の中間層のような中間層を含んで
もよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明によって構成された装置を示す斜視図である。
【図２】 図２は、図１に示した装置の側面図であって、マンドレルとキャリッジとロー
ル支持体と巻糸軸架を取除いて示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ベックマン ジェイ ジェイ アメリカ合衆国 オハイオ州 43055 ニ ュウォーク ペンブローク ロード 1160 (72)発明者 ハンキン アンソニー ジー イギリス カンブリア シーエイ７ ８エ イチティー ニューマーケット ミルハウ ス ヘスケット ウェルフット （番地な し) Ｆターム(参考） 4F205 AC02 AC08 AM32 HA02 HA06 HA23 HA37 HA46 HC02 HF01 HF23 HM01 HT20

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フィラメントを巻付けた複合ワークピース（２０）の製法で
    あって、この製法が、 強化材料（４０）を提供する段階と、 注入金型（５０）を提供する段階と、 マンドレル（６２）を含む巻取装置（６０）を提供する段階と、 前記強化材料（４０）を前記注入金型（５０）に通す段階と、 樹脂材料を前記注入金型（５０）に注入して、前記強化材料（４０）を前記樹
    脂材料で含浸させて含浸させた強化材料（４０ａ）を形成する段階と、 前記マンドレル（６２）を中心として前記含浸させた強化材料（４０ａ）を巻
    取って、複合ワークピース（２０）を形成する段階と、 を備えていることを特徴とする製法。
  2. 【請求項２】 複合ワークピース（２０）にフィラメントを巻付けるための
    装置であって、この装置が、 強化材料（４０）を供給するための装置と、 前記強化材料（４０）が通り抜けると共に樹脂材料が注入される注入金型であ
    って、前記樹脂材料が前記強化材料を含浸させるような上記注入金型と、 前記注入金型（５０）に隣接して配置されマンドレル（６２）を含んだ巻取装
    置（６０）であって、前記含浸された強化材料（４０ａ）が前記マンドレル（６
    ２）を中心として巻取られて、複合ワークピース（２０）を形成するような上記
    巻取装置と、 を備えていることを特徴とする装置。
JP2000590840A 1998-12-30 1999-12-27 フィラメントを巻付けた複合ワークピースのための製法及び装置 Pending JP2002533241A (ja)

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US09/223,704 US6179945B1 (en) 1998-12-30 1998-12-30 Process for filament winding composite workpieces
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EP (1) EP1140469A1 (ja)
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AU (1) AU755432B2 (ja)
BR (1) BR9916698A (ja)
CA (1) CA2355320A1 (ja)
NO (1) NO20013139L (ja)
TW (1) TW500658B (ja)
WO (1) WO2000038904A1 (ja)

Cited By (1)

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