JP2004188869A - フィラメントワインディング装置における繊維束引出し装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維束供給部から繊維束を巻付けヘッドの推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合でも巻付けヘッドの推進力を大きくする必要がないFW装置における繊維束引出し装置を提供する。
【解決手段】FW装置11は所定速度で回転される被繊維束巻付け部材16の表面に、樹脂が含浸された繊維束Rを、被繊維束巻付け部材16の軸方向に往復移動する巻付けヘッド15を介して巻き付ける。繊維束引出し装置14は、樹脂含浸装置13と巻付けヘッド15との間に配置され、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能な繊維束引出し部23と、繊維束引出し部23から巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整部24とを備えている。繊維束引出し部23は一対のコンベア25,26を備え、コンベア25,26はベルト28の外面に所定間隔で平行に突設された複数の凸部29で、繊維束Rを挟持して引き出す。
【選択図】 図1
【解決手段】FW装置11は所定速度で回転される被繊維束巻付け部材16の表面に、樹脂が含浸された繊維束Rを、被繊維束巻付け部材16の軸方向に往復移動する巻付けヘッド15を介して巻き付ける。繊維束引出し装置14は、樹脂含浸装置13と巻付けヘッド15との間に配置され、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能な繊維束引出し部23と、繊維束引出し部23から巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整部24とを備えている。繊維束引出し部23は一対のコンベア25,26を備え、コンベア25,26はベルト28の外面に所定間隔で平行に突設された複数の凸部29で、繊維束Rを挟持して引き出す。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はフィラメントワインディング装置(以下、FW装置と称す)における繊維束引出し装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
FRP(繊維強化プラスチック)製のパイプや容器を効率よく形成する方法としてフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法では一般にマンドレルの周囲に樹脂を含浸させた繊維を巻き付けた後、樹脂を硬化させることにより製品が製造される。フィラメントワインディング装置においては、生産性及び製品の物性を高めるために、繊維束(糸条)を扁平に拡げた状態でマンドレルに巻き付けることが望ましい。
【0003】
一般に、FW装置においては、図6に示すように、マンドレル51をその両端に突設された軸部51aで把持して所定の速度で回転させ、樹脂を含浸させた繊維束(糸条)52を、マンドレル51の軸方向に沿って往復移動する巻付けヘッド(ガイド部材)53を介してマンドレル51に対して巻き付ける。繊維束52はボビン(図示せず)から引き出されて樹脂含浸槽(図示せず)に浸漬された後、樹脂含浸槽から引き出され、巻付けヘッド53へ供給される。一般的に繊維束52は巻付けヘッド53の移動に伴う推進力でボビンから引き出される。
【0004】
フィラメントワインディング法で形成された製品の強度は繊維の巻付け角度(配列繊維とマンドレルの軸方向とのなす角度)や繊維の配列状態及び樹脂量の影響を大きく受ける。また、強度の大きなFRP製パイプを製造する場合は、繊維として多数本の細い繊維が束になった繊維束(ロービング)が使用される。
【0005】
FW装置においては、繊維束を所定の張力状態で配列するため、一般にボビンは、張力調整装置に連結された支軸に支持されている。張力調整装置には例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸に負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。また、付着した樹脂量が一定の状態で繊維束をマンドレルに巻き付けるため、樹脂含浸槽から引き出された繊維束に付着した余分な樹脂を掻き取り装置で掻き取った後、巻付けヘッドに供給するようになっている。
【0006】
また、近年、自動車のプロペラシャフトを強化繊維として炭素繊維を使用するCFRP製にすることが検討され、一部実施されている。そして、生産性を高めるため、被糸条巻付け部材(マンドレル)に対して複数本の糸条で同時にヘリカル巻を行うヘリカル巻部と、糸条を被糸条巻付け部材に対してフープ巻を行うフープ巻部とを備えたFW装置が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1に記載のFW装置では、複数の糸条(実施の形態では28本)を被糸条巻付け部材に対して同時にヘリカル巻で巻付け可能とするため、ヘリカル巻部は被糸条巻付け部材の周方向に沿って配列された複数のガイドを備えている。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−283467号公報(明細書の段落[0012]、[0013]、[0051]、図1、図5、図7)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来のFW装置においては、ボビンを支持する支軸に装備された張力調整装置で精度良く張力調整を行っても、ボビンから巻付けヘッドに至るまでに、繊維束は樹脂含浸装置、掻き取り装置や途中の繊維束ガイドに接触しながら引き出されるため、その抵抗で張力を一定に保つことが困難になる。そして、繊維束の引き出しが巻付けヘッドを移動させる推進力によるため、ボビンから巻付けヘッドに至る繊維束の経路の抵抗が大きくなると、繊維束の引き出しに必要な推進力を大きくする必要がある。
【0009】
一般のFW装置では同時に巻き付けられる繊維束の本数が1〜3本程度のため、繊維束の抵抗が多少大きくなっても巻付けヘッドの推進力をそれほど大きくする必要はない。しかし、特許文献1に記載された装置FWのように、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合は、推進力を大きくする必要がある。また、繊維束として炭素繊維を使用する場合、大きな推進力で繊維束を引っ張ると、繊維束と繊維束ガイドとの接触部において繊維が傷付いたり、切れたりする場合がある。
【0010】
また、FW装置では巻付けヘッドがその移動方向を変える際には移動速度が大きく変化するため、巻付けヘッドの推進力で繊維束を引き出す構成では、繊維束の引き出し速度が大きく変化する。引き出し速度が大きく変化すると、樹脂含浸槽及び掻き取り装置通過後に繊維束に付着している樹脂量が変化するため、最終製品の物性に対して悪影響を与える場合がある。
【0011】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は繊維束供給部から繊維束を巻付けヘッドの推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合でも巻付けヘッドの推進力を大きくする必要がないFW装置における繊維束引出し装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、該被繊維束巻付け部材の表面に樹脂が含浸された繊維束を、被繊維束巻付け部材の軸方向に往復移動する巻付けヘッドを介して巻き付けるFW装置における繊維束引出し装置である。そして、繊維束供給部から繊維束を引き出す繊維束引出し機能と、前記巻付けヘッドに連なる繊維束の張力を調整する張力調整機能とを備えている。繊維束引出し装置は、繊維束供給部から引き出された繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸装置と前記巻付けヘッドとの間に配置される。
【0013】
この発明では、巻付けヘッドによって被繊維束巻付け部材に巻き付けられる繊維束は、従来装置と異なり、巻付けヘッドの推進力により繊維束供給部から引き出されるのではなく、繊維束引出し機能により繊維束供給部から引き出される。そして、引き出された繊維束は張力調整機能により張力が調整された状態で巻付けヘッドへ供給される。従って、巻付けヘッドの推進力が小さくても、繊維束は巻付けヘッドにより円滑に被繊維束巻付け部材に所定の張力で巻き付けられる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、前記繊維束供給部から繊維束を一定速度で引き出し可能に構成されている。この発明では、繊維束は巻付けヘッドの推進力と関係なく繊維束供給部から繊維束を一定の速度で引き出すことが可能なため、繊維束に対する樹脂の付着量の変動を小さくできる。
【0015】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、繊維束を連続的に引き出し可能に構成されている。この発明では、繊維束が繊維束供給部から連続的に引き出されるため、繊維束が樹脂含浸槽を通過するのに必要な時間が一定となり、間欠的に一定速度で引き出す構成に比較して、繊維束への樹脂の付着量が安定する。
【0016】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、繊維束を所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束を引き出すように回転する回転部材を備え、前記回転部材は前記所定の長さの範囲において繊維束に接触する接触部と、繊維束に接触しない非接触部とを備え、前記接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている。
【0017】
この発明では、繊維束は複数箇所で挟持された状態で引き出されるため、一箇所において点状で挟持されて引き出される場合に比較して、繊維束に無理な力が加わったり、繊維束の一部の繊維が回転部材に巻き付く等の不具合が防止された状態で繊維束を円滑に引き出すことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図1及び図2に従って説明する。図1はFW装置の模式側面図である。
【0019】
図1に示すように、FW装置11は、繊維束供給部12、樹脂含浸装置13、繊維束引出し装置14及び巻付けヘッド15を備えている。
FW装置11は被繊維束巻付け部材16をその軸心を中心に回転可能に支持する支持部(図示せず)を備え、被繊維束巻付け部材16がその軸心を中心に回転されるようになっている。支持部は可変速モータにより回転駆動され、制御装置(図示せず)により支持部が巻付けヘッド15の移動速度と同期した状態で回転駆動されることにより、繊維束Rの被繊維束巻付け部材16に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。被繊維束巻付け部材16は、例えばマンドレルあるいはタンクを製造する場合のライナ等である。
【0020】
巻付けヘッド15は被繊維束巻付け部材16の長手方向(図における紙面と直交方向)に沿って往復移動可能に構成されている。被繊維束巻付け部材16に巻き付ける繊維束Rの本数が少ない場合は、巻付けヘッド15は、図1に示すように、パイプ状に形成されるとともにアクチュエータ17により往復駆動される。アクチュエータ17にはボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体を1軸方向に移動させる構成の公知のものが使用される。
【0021】
また、被繊維束巻付け部材16に巻き付ける繊維束Rの本数が多い場合は、例えば特許文献1に記載された繊維束巻付けヘッドと同様な構成の巻付けヘッドが使用される。その場合、巻付けヘッドは、被繊維束巻付け部材16の周方向に沿って配列された複数のガイドを有するヘリカル巻部を備えたヘリカル巻用ヘッドと、繊維束Rを被繊維束巻付け部材16に対してフープ巻で巻付け可能とするためのガイドを有するフープ巻部を備えたフープ巻用ヘッドとを備えている。ヘリカル巻用ヘッドとフープ巻用ヘッドとは一体的な移動と、独立した状態での移動とが可能に構成されている。そして、数本の繊維束Rを同時に被繊維束巻付け部材16に対してヘリカル巻で巻付け可能となり、ヘリカル巻用ヘッドが被繊維束巻付け部材16に沿って一回往動又は復動することで被繊維束巻付け部材16の全周面に亘って繊維束Rがヘリカル巻で巻き付けられる。
【0022】
繊維束供給部12は回転可能に構成された支持部18と、繊維束Rが巻き付けられたボビンBとから構成されている。支持部18は従来装置と異なり張力調整装置を備えず、単に回転可能に構成されている。
【0023】
樹脂含浸装置13は、樹脂含浸槽19と、繊維束Rを樹脂含浸槽19内の樹脂液に漬かる状態で案内するガイドローラ20とを備えている。樹脂含浸槽19の繊維束供給部12寄りには繊維束Rを開繊する開繊機構21が配設されている。開繊機構21は、繊維束Rの引出し方向と直交するように配設された3本一組のローラ21a,21b,21cを備えている。中央に配設されたローラ21bは両ローラ21a,21cとの間で繊維束Rを挟持する作用位置と、繊維束Rの挟持を解除する解除位置とに図示しないエアシリンダ等のアクチュエータにより移動されるようになっている。そして、ローラ21bが作用位置に配置された状態で繊維束Rがローラ21a,21b,21c間を通過することにより、繊維束Rが開繊される。なお、繊維束Rを開繊するとは、繊維束Rの幅を拡げて扁平にすることを意味する。
【0024】
樹脂含浸槽19の繊維束R引出し側寄りには、繊維束Rが樹脂含浸槽19内の樹脂液に浸漬されることにより繊維束Rに付着した余分な樹脂液を取り除くための掻き取り装置22が設けられている。掻き取り装置22は樹脂が含浸された扁平な繊維束Rを挟んで余分な樹脂液を掻き取る作用を為す。
【0025】
繊維束引出し装置14は、樹脂含浸装置13と巻付けヘッド15との間に配置され、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能な繊維束引出し部23と、繊維束引出し部23から巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整部24とを備えている。即ち、繊維束引出し装置14は繊維束供給部12から繊維束Rを引き出す繊維束引出し機能と、巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整機能とを有する。
【0026】
繊維束供給部12から繊維束Rを引き出す繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部23は、巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整機能を有する張力調整部24より繊維束Rの引出し方向上流側、即ち樹脂含浸装置13側に配設されている。繊維束引出し部23は、一対のコンベア25,26を備えている。各コンベア25,26は、一対のローラ27a,27b間に巻き掛けられたベルト28を備え、ベルト28の外面には複数の凸部29がベルト28の幅方向に沿って延びるように所定間隔で平行に突設されている。繊維束Rに接触する接触部としての凸部29は、複数(この実施の形態では2組)の凸部29が常に同時に繊維束Rを挟持可能な間隔で設けられ、各凸部29は、対向する二つの凸部29が近接して繊維束Rを挟持する際、最初に繊維束Rに接触する部分が曲面に形成されている。この実施の形態では各凸部29の先端の両隅部が曲面に形成されている。なお、図1では凸部29は便宜上四角形状に図示されている。ベルト28の凸部29が形成されていない部分が非接触部を構成し、接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている。ローラ27a,27bの長さは、凸部29の長さが挟持すべき繊維束Rの本数に対応した長さに形成されている。ベルト28が、繊維束Rを所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束Rを引き出すように回転する回転部材を構成する。
【0027】
ローラ27aはモータMにより図示しないギヤ又は巻き掛け伝動機構を介して駆動されるようになっている。モータMはFW装置11が駆動されて巻付けヘッド15により繊維束Rが被繊維束巻付け部材16に巻き付けられる際、繊維束引出し部23が繊維束Rを一定速度で連続的に引き出すように制御装置Cにより制御される。即ち、繊維束引出し部23は繊維束Rを連続的に引き出し可能に構成されている。
【0028】
張力調整部24は、繊維束Rの引き出し方向と直交する方向に延びるように所定位置に配設された一対の案内ローラ30a,30bと、両案内ローラ30a,30bの間で案内ローラ30a,30bより下方において昇降可能に配置された張力付与ローラ31とを備えている。図2は張力付与ローラ31の支持状態を示す模式正面図である。図1及び図2に示すように、上下方向に延びるガイド筒32にガイドされて昇降可能なガイドロッド32aの上端に、支持フレーム33がガイドロッド32aと共に昇降可能に設けられ、張力付与ローラ31は支持フレーム33に回転可能に支持されている。支持フレーム33の下面には重り34が固定され、張力付与ローラ31、ガイドロッド32a、支持フレーム33及び重り34の合計重量が繊維束Rに付与すべき張力となるように、重り34の重さが設定されている。張力付与ローラ31の長さは、繊維束Rが張力付与ローラ31に接触して案内される際、隣接する繊維束R同士が互いに接触しないように、使用される繊維束Rの本数に対応して設定されている。
【0029】
次に前記のように構成されたFW装置11によりパイプを製造する際の作用を説明する。FW装置11で製品を製造する場合は、先ず被繊維束巻付け部材16を支持部(チャック)に固定する。被繊維束巻付け部材16として両端部に繊維束折り返し用のピンが設けられた公知のマンドレルが使用される。
【0030】
次に繊維束供給部12から繊維束Rを引き出し、開繊機構21、樹脂含浸槽19のガイドローラ20、掻き取り装置22、繊維束引出し部23及び張力調整部24を経て巻付けヘッド15に導き、巻付けヘッド15に挿通した後、繊維束Rの端部を被繊維束巻付け部材16の所定位置に固定する。繊維束Rの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。繊維束Rがセットされていない状態では、張力付与ローラ31はガイドロッド32aが最下降位置まで降下した状態にあるが、繊維束Rがセットされた状態では、図1に示すように、張力付与ローラ31はガイドロッド32aが昇降範囲の中間位置に配置される状態で繊維束Rによって支承された状態に保持される。従って、繊維束Rには張力付与ローラ31、ガイドロッド32a、支持フレーム33及び重り34の合計重量と、繊維束Rの本数とによって決まる張力が付与される状態となる。
【0031】
また、作業者は、被繊維束巻付け部材16の回転速度、巻付けヘッド15の巻付け時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置に入力する。なお、この実施の形態では樹脂として熱硬化性樹脂(例えばエポキシ樹脂)が使用され、繊維束Rとして炭素繊維のロービングが使用される。
【0032】
次にFW装置11による繊維束Rの巻付け運転が開始される。FW装置11が作動されると、被繊維束巻付け部材16が一定方向に回転され、アクチュエータ17により巻付けヘッド15が被繊維束巻付け部材16の長手方向に沿って往復移動される。また、繊維束引出し部23が駆動され、コンベア25,26が一定速度で連続的に駆動されて繊維束RがボビンBから一定速度で引き出される。ボビンBから引き出された繊維束Rは、開繊機構21を通過することにより扁平に開繊された後、樹脂含浸槽19の樹脂液中に導かれ、樹脂液が含浸された後、掻き取り装置22を経て繊維束引出し部23に導かれる。
【0033】
繊維束Rはコンベア25,26の凸部29に、二箇所又は三箇所において挟持された状態で引き出され、張力調整部24へと送り出される。ベルト28はFW装置11の巻付け速度と同じ速度で繊維束Rを引き出すように回転(移動)され、張力調整部24へは一定速度で繊維束Rが送り出される。巻付けヘッド15の移動による推進力により張力調整部24から繊維束Rが引き出される。巻付けヘッド15は被繊維束巻付け部材16の長手方向に沿って往復移動されるが、移動方向が変更される前に減速され、移動方向が変更された後に所定速度まで加速される。そのため、巻付けヘッド15の移動速度の変更に伴って張力調整部24からの繊維束Rの引き出し速度が変化する。しかし、その変化は、張力付与ローラ31が昇降されることにより、案内ローラ30aから案内ローラ30bの間に一時的に貯留される繊維束Rの長さが変化することで吸収され、繊維束Rに付与される張力はほぼ一定に保持される。
【0034】
繊維束Rは被繊維束巻付け部材16に設けられたピンの間を通過した後、ピンに巻き掛けられて折り返すように配列され、被繊維束巻付け部材16の両端に位置するピン間における被繊維束巻付け部材16の軸方向となす角度(巻付け角度)が所定の角度となるように巻き付けられる。巻付け角度は製品のFRPパイプに要求される、曲げ、ねじり、振動等の特性を満足する所定の値に設定される。
【0035】
被繊維束巻付け部材16上に巻き付けられた繊維層の数が所定数となるまで繊維束Rが巻き付けられて積層繊維層が形成されると、繊維束Rの巻付けが終了する。なお、必要に応じてヘリカル巻だけでなく、繊維束Rの巻付け角度がほぼ90°に近い状態で巻き付けられる所謂フープ巻の層を形成する場合もある。
【0036】
繊維束Rの巻付けが完了した後、繊維束Rの端部が被繊維束巻付け部材16に仮止めされ、被繊維束巻付け部材16がFW装置11の支持部から取り外される。次に成形体とともに被繊維束巻付け部材16が加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は180°C程度である。加熱硬化によりFRP製の円筒体(パイプ)が、被繊維束巻付け部材16上に形成される。冷却後、FRP製パイプの両端がピンの抜き跡の列より内側において切断された後、被繊維束巻付け部材16からFRP製パイプが取り外されて、所定寸法の長さのFRPパイプが形成される。
【0037】
この実施の形態では以下の効果を有する。
(1) 繊維束引出し装置14は、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能な繊維束引出し部23と、繊維束引出し部23から巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整部24とを備えている。従って、繊維束供給部12から繊維束Rを巻付けヘッド15の推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束Rの本数が多い場合でも巻付けヘッド15の推進力を大きくする必要がない。
【0038】
(2) 繊維束引出し部23は、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能に構成されているため、繊維束Rを一定速度で引き出すことにより、繊維束Rに対する樹脂の付着量の変動を小さくできる。
【0039】
(3) 繊維束引出し部23及び張力調整部24は、繊維束供給部12から引き出された繊維束Rに樹脂を含浸させる樹脂含浸装置13と巻付けヘッド15との間に配置される。従って、張力調整部24と巻付けヘッド15との間に繊維束Rの大きな抵抗となる樹脂含浸装置13や掻き取り装置22が存在せず、巻付けヘッド15の推進力が小さくても、繊維束Rは巻付けヘッド15により円滑に被繊維束巻付け部材16に所定の張力で巻き付けられる。
【0040】
(4) 繊維束引出し部23は繊維束Rを連続的に引き出し可能に構成されている。従って、繊維束Rが繊維束供給部12から連続的に引き出すことができ、繊維束Rが樹脂含浸槽19を通過するのに必要な時間が一定となり、間欠的に一定速度で引き出す構成に比較して、繊維束Rへの樹脂の付着量が安定する。その結果、FW装置11で製造される製品の物性が向上する。
【0041】
(5) 繊維束引出し部23は、繊維束Rを所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束Rを引き出すように回転する回転部材(ベルト28)を備えている。そして、回転部材は所定の長さの範囲において繊維束Rに接触する接触部(凸部29)を備え、接触部(凸部29)が設けられていない部分が繊維束Rに接触しない非接触部を構成し、接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている。従って、繊維束Rは複数箇所で挟持された状態で引き出されるため、一箇所において点状で挟持されて引き出される場合に比較して、繊維束Rに無理な力が加わるのが防止され、また、繊維束Rの一部の繊維が回転部材に巻き付く等の不具合が防止された状態で繊維束Rを円滑に引き出すことができる。
【0042】
(6) 回転部材は一対のローラ27a,27b間に巻き掛けられたベルト28で構成され、その外面に所定間隔で平行に突設された複数の凸部29を備えている。従って、繊維束Rに無理な力を加えずに、かつ繊維束Rが回転部材に巻き付くことなく円滑に繊維束供給部12から引き出すための構成が比較的簡単になる。
【0043】
(7) 張力調整部24は、繊維束Rに対する張力の付与を、張力付与ローラ31、支持フレーム33及び重り34の重量で加える構成のため、所定の張力を簡単にかつ正確に付与することができる。また、フィラメントワインディングに使用される繊維束Rの本数に応じた重量の重り34を使用することで、繊維束Rに対して簡単に所望の張力を付与することができる。
【0044】
(8) 張力調整部24は、一対の案内ローラ30a,30bと、両案内ローラ30a,30b間において繊維束Rで吊下された状態の張力付与ローラ31とに巻き掛けられた繊維束Rの長さを変更することで巻付けヘッド15の推進力や移動速度の変動に対応する。従って、簡単な構成で巻付けヘッド15の推進力や移動速度の変動に対応することができる。
【0045】
(9) 凸部29は、対向する二つの凸部29が近接して繊維束Rを挟持する際、最初に繊維束Rに接触する部分が曲面に形成されているため、繊維束Rを挟持する際に繊維束Rに無理な力が加わらず、繊維束Rを円滑に引き出すことができる。
【0046】
(10) 繊維束引出し部23は繊維束Rを複数箇所で挟んで引っ張ることにより引き出すため、回転するローラだけで引き出す場合に比較して、繊維の巻付きや毛羽立ちが少ない。
【0047】
(第2の実施の形態)
次に第2の実施の形態を図3に従って説明する。この実施の形態では、繊維束引出し部23は繊維束Rを繊維束供給部12から連続的に引き出すのではなく、間欠的に引き出すように構成されている点が第1の実施の形態と大きく異なっている。他の部分の構成は第1の実施の形態と同じである。第1の実施の形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【0048】
図3に示すように、繊維束引出し部23は、繊維束Rの引き出し方向下流側(図3における右側)に、繊維束Rを把持して図示しない張力調整部24側への繊維束Rの移動を阻止する繊維束ロック機構35が設けられている。繊維束ロック機構35は繊維束Rを挟んで上下に配置される一対の把持部材36a,36bを備えている。両把持部材36a,36bは、断面台形状で張力調整部24の張力付与ローラ31と同じ長さに形成され、図示しない開閉機構により、図3に示す解放位置と、繊維束Rを把持する把持位置とに移動可能に構成されている。
【0049】
繊維束ロック機構35より繊維束Rの引き出し方向上流側には、一組のローラ37a,37bが繊維束Rと直交する方向に延びるように所定位置に配置され、両ローラ37a,37bの間にはアクチュエータとしてのエアシリンダ38により昇降されるローラ39が設けられている。ローラ39はエアシリンダ38のピストンロッド38aの先端に固定された支持ブラケット40に回転可能に支持されている。ローラ37a,37b,39も張力付与ローラ31と同じ長さに形成されている。そして、エアシリンダ38は繊維束ロック機構35により繊維束Rがロックされた状態でピストンロッド38aが突出作動され、繊維束ロック機構35のロックが解除された状態で没入移動されるように駆動(制御)される。
【0050】
次に前記のように構成された繊維束引出し部23の作用を説明する。繊維束引出し部23は間欠的に駆動されて繊維束供給部12から所定量ずつ繊維束Rを引き出す。繊維束Rを引き出す際は、把持部材36a,36bが把持位置に配置されて繊維束Rが把持部材36a,36bによって把持される。即ち繊維束Rが繊維束ロック機構35によってロックされる。その状態でピストンロッド38aが突出作動されると、ローラ39が一定速度で移動され、その移動に伴い繊維束Rが繊維束供給部12からローラ39の移動量の2倍の長さ一定速度で引き出されて、ローラ37a,37b間に一時貯留される。そして、繊維束ロック機構35による繊維束Rのロックが解除された後、ピストンロッド38aが没入作動され、ローラ37a,37b間に一時貯留されていた繊維束Rが張力調整部24側へ移動される。即ち、繊維束引出し部23は、繊維束Rを把持して繊維束Rの把持部(把持部材36a,36b)に対する相対移動を規制する繊維束ロック機構35を備え、繊維束ロック機構35が繊維束Rをロック(把持)した状態で繊維束Rの引き出しを行う。
【0051】
この実施の形態においては、張力調整部24には繊維束引出し部23が繊維束Rの引き出し動作を行っている間に、巻付けヘッド15により被繊維束巻付け部材16に巻き付けられる長さより長い量の繊維束Rが貯留される。従って、巻付けヘッド15の作動中に繊維束ロック機構35が作動しても、繊維束Rの巻付けに支障を来すことはない。
【0052】
この実施の形態においては、第1の実施の形態の(1)〜(3)、(7)、(8)と同様の効果を有する他に、次の効果を有する。
(11) 張力調整部24側に連なる繊維束Rを繊維束ロック機構35でロックした状態でピストンロッド38aが突出作動されることにより、繊維束Rが一定速度で引き出されるため、繊維束Rを一定速度で引き出すための構成が第1の実施の形態に比較して簡単になる。
【0053】
(12) 張力調整部24が張力付与ローラ31、ガイドロッド32a、支持フレーム33及び重り34の重量で繊維束Rに張力を加える構成である。従って、ローラ37a,37b間に一時貯留されていた繊維束Rは、繊維束ロック機構35のロックを解除してピストンロッド38aを没入作動させると自動的に張力調整部24側へ引き取られる。
【0054】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 繊維束Rを連続的に引き出す繊維束引出し部23として、図4に示すように、一対のガイドローラ41a,41bと、ガイドローラ41a,41bより大径の引出しローラ42とを設けるとともに、引出しローラ42の周縁に繊維束Rを引出しローラ42側へ押圧する押圧ローラ43を複数配置した構成とする。押圧ローラ43は図示しないばねにより、引出しローラ42の周面に押圧可能に構成され、繊維束Rを引出しローラ42の周面に押圧可能に構成されている。この構成では、繊維束Rがガイドローラ41a、引出しローラ42及びガイドローラ41bに巻き掛けられるようにセットされた図4の状態において、引出しローラ42が図の時計回り方向に一定速度で連続的に回転駆動されると、繊維束供給部12から繊維束Rが一定速度で引き出される。この場合、第1の実施の形態に比較して構成が簡単になる。
【0055】
○ 図4に示す構成において、引出しローラ42の周面に周方向に沿って多数の凹凸を形成してもよい。この場合、引出しローラ42の周面が平坦な場合に比較して、繊維束Rの一部が押圧ローラ43に付着する虞が少なくなる。
【0056】
○ 繊維束Rを連続的に引き出す構成において、ベルト28を設けずに一組又は複数組のローラで繊維束Rを直接挟持して引き出す構成としてもよい。ローラにはその長手方向に沿って延びる多数の凸部を設けるのが好ましい。
【0057】
○ 繊維束Rを連続的に引き出す構成において、繊維束引出し部23の引出し速度を巻付けヘッド15の移動速度及びFW装置11の巻付け速度と同期して繊維束Rに適正な張力が付与されるように変更し、繊維束引出し部23が張力調整部24の役割を果たすようにしてもよい。繊維束Rに適正な張力が付与される引出し速度を、予め試験的に巻付けを行って求めてその速度となるように繊維束引出し部23を制御したり、繊維束Rの直流を検出するセンサを設けそのセンサの検出信号に基づいて繊維束引出し部23を制御してもよい。この場合、繊維束引出し部23が張力調整部24を兼用する。
【0058】
○ 繊維束Rを間欠的に引き出す繊維束引出し部23として、繊維束ロック機構を移動させて繊維束Rを引き出す構成としてもよい。例えば、図5に示すように、繊維束Rを把持、解放可能な繊維束ロック機構45をエアシリンダ46で繊維束Rの引き出し方向に往復移動可能に構成する。繊維束ロック機構45は例えば、繊維束Rの本数以上の係止片が櫛歯状に形成された把持部材を一組備えている。一方の把持部材がピストンロッド46aの先端に固定され、他方の把持部材がアクチュエータによりピストンロッド46aと直交する水平方向に移動されることで、繊維束Rの把持、解放が行われるように構成されている。そして、繊維束Rを引き出す際は、繊維束Rの解放状態で、ピストンロッド46aが突出作動され、次に把持部材が繊維束Rを把持した状態でピストンロッド46aが没入作動されることにより、繊維束Rが一定速度で繊維束供給部12から引き出される。この実施の形態では第2の実施の形態に比較して繊維束引出し部23の構成がより簡単になる。
【0059】
○ 樹脂含浸装置13は必ずしも樹脂含浸槽19内の樹脂液中を繊維束Rが通過する構成に限らない。例えば、ローラに接触しながら移動する繊維束Rに樹脂液をかける構成としてもよい。
【0060】
○ 繊維束Rの引出し速度は必ずしも一定でなくともよい。繊維束引出し部23による繊維束Rの引き出し速度が一定でなくとも、繊維束引出し部23の繊維束R引出し方向下流側に配設された張力調整部24により適切な張力が付与されるため、繊維束Rの巻付けは円滑に行われる。
【0061】
○ 張力調整部24として重り34等の重量で繊維束Rに張力を付与する構成に代えて、バネで張力付与ローラ31を張力付与方向に付勢する構成やエアシリンダで張力付与ローラ31を張力付与方向に付勢する構成としてもよい。しかし、重り34等の重量を利用する構成の方が簡単な構成で一定張力を付与することができる。
【0062】
〇 繊維束引出し装置14が引き出す繊維束Rの本数が多い場合は、張力調整部24を複数並列に設け、一つの張力調整部24が分担する繊維束Rの本数を少なくして調整するようにしてもよい。
【0063】
○ FW装置11によっては、フィラメントワインディング時に使用するRの本数を製品によって変更するものもあり、その場合は使用される本数が最多の時に合わせて張力付与ローラ31の長さ等が設定される。
【0064】
前記実施の形態から把握できる発明(技術的思想)について以下に記載する。
(1) 請求項4に記載の発明において、前記回転部材は一対のローラ間に巻き掛けられたベルトで構成され、その外面に所定間隔で平行に突設された複数の凸部を備えている。
【0065】
(2) 請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記繊維束引出し部は繊維束を間欠的に引き出し可能に構成されている。
(3) 前記技術的思想(2)に記載の発明において、前記繊維束引出し部は、繊維束を把持して繊維束の把持部に対する相対移動を規制する繊維束ロック機構を備え、該繊維束ロック機構が繊維束をロック(把持)した状態で繊維束の引出しを行う。
【0066】
(4) 請求項1に記載の発明において、前記繊維束引出し部は、前記巻付けヘッドの移動速度及びFW装置の巻付け速度と同期して繊維束に適正な張力が付与されるようにその引出し速度が制御され、繊維束引出し部が張力調整部の役割を果たすように構成されている。
【0067】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1〜請求項4に記載の発明によれば、繊維束供給部から繊維束を巻付けヘッドの推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合でも巻付けヘッドの推進力を大きくする必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態のFW装置の概略側面図。
【図2】張力調整部の張力付与ローラの支持状態を示す模式正面図。
【図3】第2の実施の形態の繊維束引出し装置を示す模式側面図。
【図4】別の実施の形態の繊維束引出し部を示す模式側面図。
【図5】別の実施の形態の繊維束引出し部を示す模式側面図。
【図6】従来装置の模式平面図。
【符号の説明】
R…繊維束、11…FW装置、12…繊維束供給部、13…樹脂含浸装置、14…繊維束引出し装置、15…巻付けヘッド、16…被繊維束巻付け部材、23…繊維束引出し部、24…張力調整部、28…回転部材としてのベルト、29…接触部としての凸部。
【発明の属する技術分野】
本発明はフィラメントワインディング装置(以下、FW装置と称す)における繊維束引出し装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
FRP(繊維強化プラスチック)製のパイプや容器を効率よく形成する方法としてフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法では一般にマンドレルの周囲に樹脂を含浸させた繊維を巻き付けた後、樹脂を硬化させることにより製品が製造される。フィラメントワインディング装置においては、生産性及び製品の物性を高めるために、繊維束(糸条)を扁平に拡げた状態でマンドレルに巻き付けることが望ましい。
【0003】
一般に、FW装置においては、図6に示すように、マンドレル51をその両端に突設された軸部51aで把持して所定の速度で回転させ、樹脂を含浸させた繊維束(糸条)52を、マンドレル51の軸方向に沿って往復移動する巻付けヘッド(ガイド部材)53を介してマンドレル51に対して巻き付ける。繊維束52はボビン(図示せず)から引き出されて樹脂含浸槽(図示せず)に浸漬された後、樹脂含浸槽から引き出され、巻付けヘッド53へ供給される。一般的に繊維束52は巻付けヘッド53の移動に伴う推進力でボビンから引き出される。
【0004】
フィラメントワインディング法で形成された製品の強度は繊維の巻付け角度(配列繊維とマンドレルの軸方向とのなす角度)や繊維の配列状態及び樹脂量の影響を大きく受ける。また、強度の大きなFRP製パイプを製造する場合は、繊維として多数本の細い繊維が束になった繊維束(ロービング)が使用される。
【0005】
FW装置においては、繊維束を所定の張力状態で配列するため、一般にボビンは、張力調整装置に連結された支軸に支持されている。張力調整装置には例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸に負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。また、付着した樹脂量が一定の状態で繊維束をマンドレルに巻き付けるため、樹脂含浸槽から引き出された繊維束に付着した余分な樹脂を掻き取り装置で掻き取った後、巻付けヘッドに供給するようになっている。
【0006】
また、近年、自動車のプロペラシャフトを強化繊維として炭素繊維を使用するCFRP製にすることが検討され、一部実施されている。そして、生産性を高めるため、被糸条巻付け部材(マンドレル)に対して複数本の糸条で同時にヘリカル巻を行うヘリカル巻部と、糸条を被糸条巻付け部材に対してフープ巻を行うフープ巻部とを備えたFW装置が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1に記載のFW装置では、複数の糸条(実施の形態では28本)を被糸条巻付け部材に対して同時にヘリカル巻で巻付け可能とするため、ヘリカル巻部は被糸条巻付け部材の周方向に沿って配列された複数のガイドを備えている。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−283467号公報(明細書の段落[0012]、[0013]、[0051]、図1、図5、図7)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来のFW装置においては、ボビンを支持する支軸に装備された張力調整装置で精度良く張力調整を行っても、ボビンから巻付けヘッドに至るまでに、繊維束は樹脂含浸装置、掻き取り装置や途中の繊維束ガイドに接触しながら引き出されるため、その抵抗で張力を一定に保つことが困難になる。そして、繊維束の引き出しが巻付けヘッドを移動させる推進力によるため、ボビンから巻付けヘッドに至る繊維束の経路の抵抗が大きくなると、繊維束の引き出しに必要な推進力を大きくする必要がある。
【0009】
一般のFW装置では同時に巻き付けられる繊維束の本数が1〜3本程度のため、繊維束の抵抗が多少大きくなっても巻付けヘッドの推進力をそれほど大きくする必要はない。しかし、特許文献1に記載された装置FWのように、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合は、推進力を大きくする必要がある。また、繊維束として炭素繊維を使用する場合、大きな推進力で繊維束を引っ張ると、繊維束と繊維束ガイドとの接触部において繊維が傷付いたり、切れたりする場合がある。
【0010】
また、FW装置では巻付けヘッドがその移動方向を変える際には移動速度が大きく変化するため、巻付けヘッドの推進力で繊維束を引き出す構成では、繊維束の引き出し速度が大きく変化する。引き出し速度が大きく変化すると、樹脂含浸槽及び掻き取り装置通過後に繊維束に付着している樹脂量が変化するため、最終製品の物性に対して悪影響を与える場合がある。
【0011】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は繊維束供給部から繊維束を巻付けヘッドの推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合でも巻付けヘッドの推進力を大きくする必要がないFW装置における繊維束引出し装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、該被繊維束巻付け部材の表面に樹脂が含浸された繊維束を、被繊維束巻付け部材の軸方向に往復移動する巻付けヘッドを介して巻き付けるFW装置における繊維束引出し装置である。そして、繊維束供給部から繊維束を引き出す繊維束引出し機能と、前記巻付けヘッドに連なる繊維束の張力を調整する張力調整機能とを備えている。繊維束引出し装置は、繊維束供給部から引き出された繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸装置と前記巻付けヘッドとの間に配置される。
【0013】
この発明では、巻付けヘッドによって被繊維束巻付け部材に巻き付けられる繊維束は、従来装置と異なり、巻付けヘッドの推進力により繊維束供給部から引き出されるのではなく、繊維束引出し機能により繊維束供給部から引き出される。そして、引き出された繊維束は張力調整機能により張力が調整された状態で巻付けヘッドへ供給される。従って、巻付けヘッドの推進力が小さくても、繊維束は巻付けヘッドにより円滑に被繊維束巻付け部材に所定の張力で巻き付けられる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、前記繊維束供給部から繊維束を一定速度で引き出し可能に構成されている。この発明では、繊維束は巻付けヘッドの推進力と関係なく繊維束供給部から繊維束を一定の速度で引き出すことが可能なため、繊維束に対する樹脂の付着量の変動を小さくできる。
【0015】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、繊維束を連続的に引き出し可能に構成されている。この発明では、繊維束が繊維束供給部から連続的に引き出されるため、繊維束が樹脂含浸槽を通過するのに必要な時間が一定となり、間欠的に一定速度で引き出す構成に比較して、繊維束への樹脂の付着量が安定する。
【0016】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、繊維束を所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束を引き出すように回転する回転部材を備え、前記回転部材は前記所定の長さの範囲において繊維束に接触する接触部と、繊維束に接触しない非接触部とを備え、前記接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている。
【0017】
この発明では、繊維束は複数箇所で挟持された状態で引き出されるため、一箇所において点状で挟持されて引き出される場合に比較して、繊維束に無理な力が加わったり、繊維束の一部の繊維が回転部材に巻き付く等の不具合が防止された状態で繊維束を円滑に引き出すことができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図1及び図2に従って説明する。図1はFW装置の模式側面図である。
【0019】
図1に示すように、FW装置11は、繊維束供給部12、樹脂含浸装置13、繊維束引出し装置14及び巻付けヘッド15を備えている。
FW装置11は被繊維束巻付け部材16をその軸心を中心に回転可能に支持する支持部(図示せず)を備え、被繊維束巻付け部材16がその軸心を中心に回転されるようになっている。支持部は可変速モータにより回転駆動され、制御装置(図示せず)により支持部が巻付けヘッド15の移動速度と同期した状態で回転駆動されることにより、繊維束Rの被繊維束巻付け部材16に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。被繊維束巻付け部材16は、例えばマンドレルあるいはタンクを製造する場合のライナ等である。
【0020】
巻付けヘッド15は被繊維束巻付け部材16の長手方向(図における紙面と直交方向)に沿って往復移動可能に構成されている。被繊維束巻付け部材16に巻き付ける繊維束Rの本数が少ない場合は、巻付けヘッド15は、図1に示すように、パイプ状に形成されるとともにアクチュエータ17により往復駆動される。アクチュエータ17にはボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体を1軸方向に移動させる構成の公知のものが使用される。
【0021】
また、被繊維束巻付け部材16に巻き付ける繊維束Rの本数が多い場合は、例えば特許文献1に記載された繊維束巻付けヘッドと同様な構成の巻付けヘッドが使用される。その場合、巻付けヘッドは、被繊維束巻付け部材16の周方向に沿って配列された複数のガイドを有するヘリカル巻部を備えたヘリカル巻用ヘッドと、繊維束Rを被繊維束巻付け部材16に対してフープ巻で巻付け可能とするためのガイドを有するフープ巻部を備えたフープ巻用ヘッドとを備えている。ヘリカル巻用ヘッドとフープ巻用ヘッドとは一体的な移動と、独立した状態での移動とが可能に構成されている。そして、数本の繊維束Rを同時に被繊維束巻付け部材16に対してヘリカル巻で巻付け可能となり、ヘリカル巻用ヘッドが被繊維束巻付け部材16に沿って一回往動又は復動することで被繊維束巻付け部材16の全周面に亘って繊維束Rがヘリカル巻で巻き付けられる。
【0022】
繊維束供給部12は回転可能に構成された支持部18と、繊維束Rが巻き付けられたボビンBとから構成されている。支持部18は従来装置と異なり張力調整装置を備えず、単に回転可能に構成されている。
【0023】
樹脂含浸装置13は、樹脂含浸槽19と、繊維束Rを樹脂含浸槽19内の樹脂液に漬かる状態で案内するガイドローラ20とを備えている。樹脂含浸槽19の繊維束供給部12寄りには繊維束Rを開繊する開繊機構21が配設されている。開繊機構21は、繊維束Rの引出し方向と直交するように配設された3本一組のローラ21a,21b,21cを備えている。中央に配設されたローラ21bは両ローラ21a,21cとの間で繊維束Rを挟持する作用位置と、繊維束Rの挟持を解除する解除位置とに図示しないエアシリンダ等のアクチュエータにより移動されるようになっている。そして、ローラ21bが作用位置に配置された状態で繊維束Rがローラ21a,21b,21c間を通過することにより、繊維束Rが開繊される。なお、繊維束Rを開繊するとは、繊維束Rの幅を拡げて扁平にすることを意味する。
【0024】
樹脂含浸槽19の繊維束R引出し側寄りには、繊維束Rが樹脂含浸槽19内の樹脂液に浸漬されることにより繊維束Rに付着した余分な樹脂液を取り除くための掻き取り装置22が設けられている。掻き取り装置22は樹脂が含浸された扁平な繊維束Rを挟んで余分な樹脂液を掻き取る作用を為す。
【0025】
繊維束引出し装置14は、樹脂含浸装置13と巻付けヘッド15との間に配置され、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能な繊維束引出し部23と、繊維束引出し部23から巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整部24とを備えている。即ち、繊維束引出し装置14は繊維束供給部12から繊維束Rを引き出す繊維束引出し機能と、巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整機能とを有する。
【0026】
繊維束供給部12から繊維束Rを引き出す繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部23は、巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整機能を有する張力調整部24より繊維束Rの引出し方向上流側、即ち樹脂含浸装置13側に配設されている。繊維束引出し部23は、一対のコンベア25,26を備えている。各コンベア25,26は、一対のローラ27a,27b間に巻き掛けられたベルト28を備え、ベルト28の外面には複数の凸部29がベルト28の幅方向に沿って延びるように所定間隔で平行に突設されている。繊維束Rに接触する接触部としての凸部29は、複数(この実施の形態では2組)の凸部29が常に同時に繊維束Rを挟持可能な間隔で設けられ、各凸部29は、対向する二つの凸部29が近接して繊維束Rを挟持する際、最初に繊維束Rに接触する部分が曲面に形成されている。この実施の形態では各凸部29の先端の両隅部が曲面に形成されている。なお、図1では凸部29は便宜上四角形状に図示されている。ベルト28の凸部29が形成されていない部分が非接触部を構成し、接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている。ローラ27a,27bの長さは、凸部29の長さが挟持すべき繊維束Rの本数に対応した長さに形成されている。ベルト28が、繊維束Rを所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束Rを引き出すように回転する回転部材を構成する。
【0027】
ローラ27aはモータMにより図示しないギヤ又は巻き掛け伝動機構を介して駆動されるようになっている。モータMはFW装置11が駆動されて巻付けヘッド15により繊維束Rが被繊維束巻付け部材16に巻き付けられる際、繊維束引出し部23が繊維束Rを一定速度で連続的に引き出すように制御装置Cにより制御される。即ち、繊維束引出し部23は繊維束Rを連続的に引き出し可能に構成されている。
【0028】
張力調整部24は、繊維束Rの引き出し方向と直交する方向に延びるように所定位置に配設された一対の案内ローラ30a,30bと、両案内ローラ30a,30bの間で案内ローラ30a,30bより下方において昇降可能に配置された張力付与ローラ31とを備えている。図2は張力付与ローラ31の支持状態を示す模式正面図である。図1及び図2に示すように、上下方向に延びるガイド筒32にガイドされて昇降可能なガイドロッド32aの上端に、支持フレーム33がガイドロッド32aと共に昇降可能に設けられ、張力付与ローラ31は支持フレーム33に回転可能に支持されている。支持フレーム33の下面には重り34が固定され、張力付与ローラ31、ガイドロッド32a、支持フレーム33及び重り34の合計重量が繊維束Rに付与すべき張力となるように、重り34の重さが設定されている。張力付与ローラ31の長さは、繊維束Rが張力付与ローラ31に接触して案内される際、隣接する繊維束R同士が互いに接触しないように、使用される繊維束Rの本数に対応して設定されている。
【0029】
次に前記のように構成されたFW装置11によりパイプを製造する際の作用を説明する。FW装置11で製品を製造する場合は、先ず被繊維束巻付け部材16を支持部(チャック)に固定する。被繊維束巻付け部材16として両端部に繊維束折り返し用のピンが設けられた公知のマンドレルが使用される。
【0030】
次に繊維束供給部12から繊維束Rを引き出し、開繊機構21、樹脂含浸槽19のガイドローラ20、掻き取り装置22、繊維束引出し部23及び張力調整部24を経て巻付けヘッド15に導き、巻付けヘッド15に挿通した後、繊維束Rの端部を被繊維束巻付け部材16の所定位置に固定する。繊維束Rの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。繊維束Rがセットされていない状態では、張力付与ローラ31はガイドロッド32aが最下降位置まで降下した状態にあるが、繊維束Rがセットされた状態では、図1に示すように、張力付与ローラ31はガイドロッド32aが昇降範囲の中間位置に配置される状態で繊維束Rによって支承された状態に保持される。従って、繊維束Rには張力付与ローラ31、ガイドロッド32a、支持フレーム33及び重り34の合計重量と、繊維束Rの本数とによって決まる張力が付与される状態となる。
【0031】
また、作業者は、被繊維束巻付け部材16の回転速度、巻付けヘッド15の巻付け時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置に入力する。なお、この実施の形態では樹脂として熱硬化性樹脂(例えばエポキシ樹脂)が使用され、繊維束Rとして炭素繊維のロービングが使用される。
【0032】
次にFW装置11による繊維束Rの巻付け運転が開始される。FW装置11が作動されると、被繊維束巻付け部材16が一定方向に回転され、アクチュエータ17により巻付けヘッド15が被繊維束巻付け部材16の長手方向に沿って往復移動される。また、繊維束引出し部23が駆動され、コンベア25,26が一定速度で連続的に駆動されて繊維束RがボビンBから一定速度で引き出される。ボビンBから引き出された繊維束Rは、開繊機構21を通過することにより扁平に開繊された後、樹脂含浸槽19の樹脂液中に導かれ、樹脂液が含浸された後、掻き取り装置22を経て繊維束引出し部23に導かれる。
【0033】
繊維束Rはコンベア25,26の凸部29に、二箇所又は三箇所において挟持された状態で引き出され、張力調整部24へと送り出される。ベルト28はFW装置11の巻付け速度と同じ速度で繊維束Rを引き出すように回転(移動)され、張力調整部24へは一定速度で繊維束Rが送り出される。巻付けヘッド15の移動による推進力により張力調整部24から繊維束Rが引き出される。巻付けヘッド15は被繊維束巻付け部材16の長手方向に沿って往復移動されるが、移動方向が変更される前に減速され、移動方向が変更された後に所定速度まで加速される。そのため、巻付けヘッド15の移動速度の変更に伴って張力調整部24からの繊維束Rの引き出し速度が変化する。しかし、その変化は、張力付与ローラ31が昇降されることにより、案内ローラ30aから案内ローラ30bの間に一時的に貯留される繊維束Rの長さが変化することで吸収され、繊維束Rに付与される張力はほぼ一定に保持される。
【0034】
繊維束Rは被繊維束巻付け部材16に設けられたピンの間を通過した後、ピンに巻き掛けられて折り返すように配列され、被繊維束巻付け部材16の両端に位置するピン間における被繊維束巻付け部材16の軸方向となす角度(巻付け角度)が所定の角度となるように巻き付けられる。巻付け角度は製品のFRPパイプに要求される、曲げ、ねじり、振動等の特性を満足する所定の値に設定される。
【0035】
被繊維束巻付け部材16上に巻き付けられた繊維層の数が所定数となるまで繊維束Rが巻き付けられて積層繊維層が形成されると、繊維束Rの巻付けが終了する。なお、必要に応じてヘリカル巻だけでなく、繊維束Rの巻付け角度がほぼ90°に近い状態で巻き付けられる所謂フープ巻の層を形成する場合もある。
【0036】
繊維束Rの巻付けが完了した後、繊維束Rの端部が被繊維束巻付け部材16に仮止めされ、被繊維束巻付け部材16がFW装置11の支持部から取り外される。次に成形体とともに被繊維束巻付け部材16が加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は180°C程度である。加熱硬化によりFRP製の円筒体(パイプ)が、被繊維束巻付け部材16上に形成される。冷却後、FRP製パイプの両端がピンの抜き跡の列より内側において切断された後、被繊維束巻付け部材16からFRP製パイプが取り外されて、所定寸法の長さのFRPパイプが形成される。
【0037】
この実施の形態では以下の効果を有する。
(1) 繊維束引出し装置14は、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能な繊維束引出し部23と、繊維束引出し部23から巻付けヘッド15に連なる繊維束Rの張力を調整する張力調整部24とを備えている。従って、繊維束供給部12から繊維束Rを巻付けヘッド15の推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束Rの本数が多い場合でも巻付けヘッド15の推進力を大きくする必要がない。
【0038】
(2) 繊維束引出し部23は、繊維束供給部12から繊維束Rを一定速度で引き出し可能に構成されているため、繊維束Rを一定速度で引き出すことにより、繊維束Rに対する樹脂の付着量の変動を小さくできる。
【0039】
(3) 繊維束引出し部23及び張力調整部24は、繊維束供給部12から引き出された繊維束Rに樹脂を含浸させる樹脂含浸装置13と巻付けヘッド15との間に配置される。従って、張力調整部24と巻付けヘッド15との間に繊維束Rの大きな抵抗となる樹脂含浸装置13や掻き取り装置22が存在せず、巻付けヘッド15の推進力が小さくても、繊維束Rは巻付けヘッド15により円滑に被繊維束巻付け部材16に所定の張力で巻き付けられる。
【0040】
(4) 繊維束引出し部23は繊維束Rを連続的に引き出し可能に構成されている。従って、繊維束Rが繊維束供給部12から連続的に引き出すことができ、繊維束Rが樹脂含浸槽19を通過するのに必要な時間が一定となり、間欠的に一定速度で引き出す構成に比較して、繊維束Rへの樹脂の付着量が安定する。その結果、FW装置11で製造される製品の物性が向上する。
【0041】
(5) 繊維束引出し部23は、繊維束Rを所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束Rを引き出すように回転する回転部材(ベルト28)を備えている。そして、回転部材は所定の長さの範囲において繊維束Rに接触する接触部(凸部29)を備え、接触部(凸部29)が設けられていない部分が繊維束Rに接触しない非接触部を構成し、接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている。従って、繊維束Rは複数箇所で挟持された状態で引き出されるため、一箇所において点状で挟持されて引き出される場合に比較して、繊維束Rに無理な力が加わるのが防止され、また、繊維束Rの一部の繊維が回転部材に巻き付く等の不具合が防止された状態で繊維束Rを円滑に引き出すことができる。
【0042】
(6) 回転部材は一対のローラ27a,27b間に巻き掛けられたベルト28で構成され、その外面に所定間隔で平行に突設された複数の凸部29を備えている。従って、繊維束Rに無理な力を加えずに、かつ繊維束Rが回転部材に巻き付くことなく円滑に繊維束供給部12から引き出すための構成が比較的簡単になる。
【0043】
(7) 張力調整部24は、繊維束Rに対する張力の付与を、張力付与ローラ31、支持フレーム33及び重り34の重量で加える構成のため、所定の張力を簡単にかつ正確に付与することができる。また、フィラメントワインディングに使用される繊維束Rの本数に応じた重量の重り34を使用することで、繊維束Rに対して簡単に所望の張力を付与することができる。
【0044】
(8) 張力調整部24は、一対の案内ローラ30a,30bと、両案内ローラ30a,30b間において繊維束Rで吊下された状態の張力付与ローラ31とに巻き掛けられた繊維束Rの長さを変更することで巻付けヘッド15の推進力や移動速度の変動に対応する。従って、簡単な構成で巻付けヘッド15の推進力や移動速度の変動に対応することができる。
【0045】
(9) 凸部29は、対向する二つの凸部29が近接して繊維束Rを挟持する際、最初に繊維束Rに接触する部分が曲面に形成されているため、繊維束Rを挟持する際に繊維束Rに無理な力が加わらず、繊維束Rを円滑に引き出すことができる。
【0046】
(10) 繊維束引出し部23は繊維束Rを複数箇所で挟んで引っ張ることにより引き出すため、回転するローラだけで引き出す場合に比較して、繊維の巻付きや毛羽立ちが少ない。
【0047】
(第2の実施の形態)
次に第2の実施の形態を図3に従って説明する。この実施の形態では、繊維束引出し部23は繊維束Rを繊維束供給部12から連続的に引き出すのではなく、間欠的に引き出すように構成されている点が第1の実施の形態と大きく異なっている。他の部分の構成は第1の実施の形態と同じである。第1の実施の形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【0048】
図3に示すように、繊維束引出し部23は、繊維束Rの引き出し方向下流側(図3における右側)に、繊維束Rを把持して図示しない張力調整部24側への繊維束Rの移動を阻止する繊維束ロック機構35が設けられている。繊維束ロック機構35は繊維束Rを挟んで上下に配置される一対の把持部材36a,36bを備えている。両把持部材36a,36bは、断面台形状で張力調整部24の張力付与ローラ31と同じ長さに形成され、図示しない開閉機構により、図3に示す解放位置と、繊維束Rを把持する把持位置とに移動可能に構成されている。
【0049】
繊維束ロック機構35より繊維束Rの引き出し方向上流側には、一組のローラ37a,37bが繊維束Rと直交する方向に延びるように所定位置に配置され、両ローラ37a,37bの間にはアクチュエータとしてのエアシリンダ38により昇降されるローラ39が設けられている。ローラ39はエアシリンダ38のピストンロッド38aの先端に固定された支持ブラケット40に回転可能に支持されている。ローラ37a,37b,39も張力付与ローラ31と同じ長さに形成されている。そして、エアシリンダ38は繊維束ロック機構35により繊維束Rがロックされた状態でピストンロッド38aが突出作動され、繊維束ロック機構35のロックが解除された状態で没入移動されるように駆動(制御)される。
【0050】
次に前記のように構成された繊維束引出し部23の作用を説明する。繊維束引出し部23は間欠的に駆動されて繊維束供給部12から所定量ずつ繊維束Rを引き出す。繊維束Rを引き出す際は、把持部材36a,36bが把持位置に配置されて繊維束Rが把持部材36a,36bによって把持される。即ち繊維束Rが繊維束ロック機構35によってロックされる。その状態でピストンロッド38aが突出作動されると、ローラ39が一定速度で移動され、その移動に伴い繊維束Rが繊維束供給部12からローラ39の移動量の2倍の長さ一定速度で引き出されて、ローラ37a,37b間に一時貯留される。そして、繊維束ロック機構35による繊維束Rのロックが解除された後、ピストンロッド38aが没入作動され、ローラ37a,37b間に一時貯留されていた繊維束Rが張力調整部24側へ移動される。即ち、繊維束引出し部23は、繊維束Rを把持して繊維束Rの把持部(把持部材36a,36b)に対する相対移動を規制する繊維束ロック機構35を備え、繊維束ロック機構35が繊維束Rをロック(把持)した状態で繊維束Rの引き出しを行う。
【0051】
この実施の形態においては、張力調整部24には繊維束引出し部23が繊維束Rの引き出し動作を行っている間に、巻付けヘッド15により被繊維束巻付け部材16に巻き付けられる長さより長い量の繊維束Rが貯留される。従って、巻付けヘッド15の作動中に繊維束ロック機構35が作動しても、繊維束Rの巻付けに支障を来すことはない。
【0052】
この実施の形態においては、第1の実施の形態の(1)〜(3)、(7)、(8)と同様の効果を有する他に、次の効果を有する。
(11) 張力調整部24側に連なる繊維束Rを繊維束ロック機構35でロックした状態でピストンロッド38aが突出作動されることにより、繊維束Rが一定速度で引き出されるため、繊維束Rを一定速度で引き出すための構成が第1の実施の形態に比較して簡単になる。
【0053】
(12) 張力調整部24が張力付与ローラ31、ガイドロッド32a、支持フレーム33及び重り34の重量で繊維束Rに張力を加える構成である。従って、ローラ37a,37b間に一時貯留されていた繊維束Rは、繊維束ロック機構35のロックを解除してピストンロッド38aを没入作動させると自動的に張力調整部24側へ引き取られる。
【0054】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 繊維束Rを連続的に引き出す繊維束引出し部23として、図4に示すように、一対のガイドローラ41a,41bと、ガイドローラ41a,41bより大径の引出しローラ42とを設けるとともに、引出しローラ42の周縁に繊維束Rを引出しローラ42側へ押圧する押圧ローラ43を複数配置した構成とする。押圧ローラ43は図示しないばねにより、引出しローラ42の周面に押圧可能に構成され、繊維束Rを引出しローラ42の周面に押圧可能に構成されている。この構成では、繊維束Rがガイドローラ41a、引出しローラ42及びガイドローラ41bに巻き掛けられるようにセットされた図4の状態において、引出しローラ42が図の時計回り方向に一定速度で連続的に回転駆動されると、繊維束供給部12から繊維束Rが一定速度で引き出される。この場合、第1の実施の形態に比較して構成が簡単になる。
【0055】
○ 図4に示す構成において、引出しローラ42の周面に周方向に沿って多数の凹凸を形成してもよい。この場合、引出しローラ42の周面が平坦な場合に比較して、繊維束Rの一部が押圧ローラ43に付着する虞が少なくなる。
【0056】
○ 繊維束Rを連続的に引き出す構成において、ベルト28を設けずに一組又は複数組のローラで繊維束Rを直接挟持して引き出す構成としてもよい。ローラにはその長手方向に沿って延びる多数の凸部を設けるのが好ましい。
【0057】
○ 繊維束Rを連続的に引き出す構成において、繊維束引出し部23の引出し速度を巻付けヘッド15の移動速度及びFW装置11の巻付け速度と同期して繊維束Rに適正な張力が付与されるように変更し、繊維束引出し部23が張力調整部24の役割を果たすようにしてもよい。繊維束Rに適正な張力が付与される引出し速度を、予め試験的に巻付けを行って求めてその速度となるように繊維束引出し部23を制御したり、繊維束Rの直流を検出するセンサを設けそのセンサの検出信号に基づいて繊維束引出し部23を制御してもよい。この場合、繊維束引出し部23が張力調整部24を兼用する。
【0058】
○ 繊維束Rを間欠的に引き出す繊維束引出し部23として、繊維束ロック機構を移動させて繊維束Rを引き出す構成としてもよい。例えば、図5に示すように、繊維束Rを把持、解放可能な繊維束ロック機構45をエアシリンダ46で繊維束Rの引き出し方向に往復移動可能に構成する。繊維束ロック機構45は例えば、繊維束Rの本数以上の係止片が櫛歯状に形成された把持部材を一組備えている。一方の把持部材がピストンロッド46aの先端に固定され、他方の把持部材がアクチュエータによりピストンロッド46aと直交する水平方向に移動されることで、繊維束Rの把持、解放が行われるように構成されている。そして、繊維束Rを引き出す際は、繊維束Rの解放状態で、ピストンロッド46aが突出作動され、次に把持部材が繊維束Rを把持した状態でピストンロッド46aが没入作動されることにより、繊維束Rが一定速度で繊維束供給部12から引き出される。この実施の形態では第2の実施の形態に比較して繊維束引出し部23の構成がより簡単になる。
【0059】
○ 樹脂含浸装置13は必ずしも樹脂含浸槽19内の樹脂液中を繊維束Rが通過する構成に限らない。例えば、ローラに接触しながら移動する繊維束Rに樹脂液をかける構成としてもよい。
【0060】
○ 繊維束Rの引出し速度は必ずしも一定でなくともよい。繊維束引出し部23による繊維束Rの引き出し速度が一定でなくとも、繊維束引出し部23の繊維束R引出し方向下流側に配設された張力調整部24により適切な張力が付与されるため、繊維束Rの巻付けは円滑に行われる。
【0061】
○ 張力調整部24として重り34等の重量で繊維束Rに張力を付与する構成に代えて、バネで張力付与ローラ31を張力付与方向に付勢する構成やエアシリンダで張力付与ローラ31を張力付与方向に付勢する構成としてもよい。しかし、重り34等の重量を利用する構成の方が簡単な構成で一定張力を付与することができる。
【0062】
〇 繊維束引出し装置14が引き出す繊維束Rの本数が多い場合は、張力調整部24を複数並列に設け、一つの張力調整部24が分担する繊維束Rの本数を少なくして調整するようにしてもよい。
【0063】
○ FW装置11によっては、フィラメントワインディング時に使用するRの本数を製品によって変更するものもあり、その場合は使用される本数が最多の時に合わせて張力付与ローラ31の長さ等が設定される。
【0064】
前記実施の形態から把握できる発明(技術的思想)について以下に記載する。
(1) 請求項4に記載の発明において、前記回転部材は一対のローラ間に巻き掛けられたベルトで構成され、その外面に所定間隔で平行に突設された複数の凸部を備えている。
【0065】
(2) 請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記繊維束引出し部は繊維束を間欠的に引き出し可能に構成されている。
(3) 前記技術的思想(2)に記載の発明において、前記繊維束引出し部は、繊維束を把持して繊維束の把持部に対する相対移動を規制する繊維束ロック機構を備え、該繊維束ロック機構が繊維束をロック(把持)した状態で繊維束の引出しを行う。
【0066】
(4) 請求項1に記載の発明において、前記繊維束引出し部は、前記巻付けヘッドの移動速度及びFW装置の巻付け速度と同期して繊維束に適正な張力が付与されるようにその引出し速度が制御され、繊維束引出し部が張力調整部の役割を果たすように構成されている。
【0067】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項1〜請求項4に記載の発明によれば、繊維束供給部から繊維束を巻付けヘッドの推進力によらずに引き出すことができ、同時に巻き付けられる繊維束の本数が多い場合でも巻付けヘッドの推進力を大きくする必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態のFW装置の概略側面図。
【図2】張力調整部の張力付与ローラの支持状態を示す模式正面図。
【図3】第2の実施の形態の繊維束引出し装置を示す模式側面図。
【図4】別の実施の形態の繊維束引出し部を示す模式側面図。
【図5】別の実施の形態の繊維束引出し部を示す模式側面図。
【図6】従来装置の模式平面図。
【符号の説明】
R…繊維束、11…FW装置、12…繊維束供給部、13…樹脂含浸装置、14…繊維束引出し装置、15…巻付けヘッド、16…被繊維束巻付け部材、23…繊維束引出し部、24…張力調整部、28…回転部材としてのベルト、29…接触部としての凸部。
Claims (4)
- 被繊維束巻付け部材を支持して回転させながら、該被繊維束巻付け部材の表面に樹脂が含浸された繊維束を、被繊維束巻付け部材の軸方向に往復移動する巻付けヘッドを介して巻き付けるフィラメントワインディング装置における繊維束引出し装置であって、
繊維束供給部から引き出された繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸装置と前記巻付けヘッドとの間に配置され、前記繊維束供給部から繊維束を引き出す繊維束引出し機能と、前記巻付けヘッドに連なる繊維束の張力を調整する張力調整機能とを備えたフィラメントワインディング装置における繊維束引出し装置。 - 前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、前記繊維束供給部から繊維束を一定速度で引き出し可能に構成されている請求項1に記載のフィラメントワインディング装置における繊維束引出し装置。
- 前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、繊維束を連続的に引き出し可能に構成されている請求項1又は請求項2に記載のフィラメントワインディング装置における繊維束引出し装置。
- 前記繊維束引出し機能を有する繊維束引出し部は、繊維束を所定の長さの範囲において挟むようにして繊維束を引き出すように回転する回転部材を備え、前記回転部材は前記所定の長さの範囲において繊維束に接触する接触部と、繊維束に接触しない非接触部とを備え、前記接触部の面積が非接触部の面積より小さく形成されている請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置における繊維束引出し装置。
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