【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製パイプ及びフィラメントワインディング装置に係り、詳しくはヘリカル巻層の配列に特徴を有するＦＲＰ製パイプと、そのＦＲＰ製パイプの製造に好適なフィラメントワインディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＲＰ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。以下、フィラメントワインディングをＦＷと記載することもある。ＦＷ法では一般に、樹脂含浸繊維束を回転するマンドレルの周囲にマンドレルの軸方向に対して所定の角度で巻き付けるヘリカル巻と、軸方向とほぼ直交するように巻き付けるフープ巻きとが行われる。
【０００３】
そして、一般にＦＷ装置は、マンドレルやライナ等の被巻付け部材を回転支持部で支持して回転させながら、１〜３本の繊維束をマンドレル等の上に巻き付ける。また、生産性を高めるため、被巻付け部材（マンドレル）に対してヘリカル巻きを行う際に、１層分のヘリカル巻層を構成する全ての繊維束を同時に被巻付け部材に巻き付けるヘリカル巻部（巻付けヘッド）を備えたＦＷ装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２８３４６７号公報（明細書の段落［００３５］〜［００３７］、［００５４］、図１、図７）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に記載のＦＷ装置では、１層分のヘリカル巻層を構成する全ての繊維束が被巻付け部材の軸方向において対向して配置された一組のリング状の開繊部で挟持されて開繊される構成である。そのため、開繊部を経て被巻付け部材に隣接して巻き付けられる繊維束をその一部が重なる状態で巻き付けることができない。従って、ヘリカル巻層を構成する繊維束を隙間無く均一に配列された状態のＦＲＰ製パイプを製造することができない。また、繊維束を開繊部に案内するスペースの確保が困難となり、全ての繊維束を開繊部の所定位置に近接して正確に配置する作業が困難であるという問題もある。
【０００６】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、生産性を高めることができるとともに、ヘリカル巻層を構成する繊維束が同一層において隙間無く均一に配列されて強度及び耐久性が向上するＦＲＰ製パイプを提供することにある。第２の目的は、ヘリカル巻層を構成する繊維束が同一層内で互いに交差せずに、かつ隣接する繊維束をその一部が重なる状態で配列されたＦＲＰ製パイプを製造することが可能で、全ての繊維束を開繊部に案内するスペースの確保が容易になるＦＷ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、少なくともヘリカル巻で繊維束が配列されたヘリカル巻層を有するＦＲＰ製パイプであって、前記ヘリカル巻層を構成する繊維束は同一層内で互いに交差せずに、かつ隣接する繊維束はその一部が重なる状態で配列されている。
【０００８】
この発明では、ヘリカル巻層を構成する繊維束が同一層において隙間無く配列されているため、隣接する繊維束との間に隙間が有る状態で配列されたものに比較して強度及び耐久性が向上する。また、ＦＷ法で製造する際、同一層内に配列される全ての繊維束を同時に被巻付け部材に巻き付けて製造することができるため、生産性を高めることができる。
【０００９】
第２の目的を達成するため、請求項２に記載の発明は、被巻付け部材を回転可能に支持する回転支持部と、前記回転支持部に支持された被巻付け部材に沿って往復移動して、前記被巻付け部材上に配列される１層分の繊維束を同時に配列する繊維束配列ヘッドとを備えたＦＷ装置である。前記繊維束配列ヘッドは、配列すべき繊維束を、前記被巻付け部材上に配列された状態で隣接する繊維束が異なる群に属するように複数の群に分けて案内する案内部と、前記案内部によって案内される各群毎の繊維束を開繊する開繊部とを備えている。ここで「繊維束を開繊する」とは、多数本の細い単繊維からなる繊維束の幅を拡げて繊維束を扁平な状態にすることを意味する。
【００１０】
この発明では、繊維束配列ヘッドが被巻付け部材の一端から他端まで移動することにより１層分の繊維束が被巻付け部材の周面に配列されるため、繊維束配列ヘッドが複数回往復移動して１層分の繊維束の巻付けを行うものに比較して生産性が高くなる。繊維束配列ヘッドの移動速度と回転支持部の回転速度との関係により繊維束の被巻付け部材に対する巻付け角度が決まる。回転支持部を回転させずに繊維束配列ヘッドが移動すると、巻付け角度は０度となる。回転支持部を回転させた状態で繊維束配列ヘッドが移動すると、ヘリカル巻が行われる。また、同一層のヘリカル巻を構成する繊維束が複数の群に属し、かつ被巻付け部材上に配列された状態で隣接する繊維束が異なる群に属するように複数の群に分けられて、案内部により各群に対応する開繊部へと案内される。従って、全ての繊維束を開繊部に案内するスペースの確保が容易になる。また、異なる群に属する繊維束として異なる繊維束を使用することにより、製造するＦＲＰ製品の物性の調整の自由度が高くなる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記繊維束配列ヘッドは、前記被巻付け部材上に配列された状態で隣接しかつ異なる群に属する繊維束をその一部が重なる状態で前記被巻付け部材上に配列する。この発明では、各群に属する繊維束が被巻付け部材上に巻き付けられて１層のヘリカル巻層が形成された状態では、同一層において隣接する繊維束はその端部が確実に重なった状態で配列される。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記開繊部は開繊量を変更可能に構成されている。従って、この発明では、被巻付け部材上に複数層となるように繊維束が配列される際、内側に配列される繊維束の開繊量を小さく（幅を狭く）し、外側に配列される繊維束の開繊量を大きく（幅を広く）することにより、各層毎に隣接する繊維束の重なり量を適正な値に調整するのが容易になる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維束配列ヘッドは独立して移動可能な複数の配列ヘッドを備え、各配列ヘッドにそれぞれ前記案内部を構成する案内部材と、前記開繊部を構成する開繊部材とが設けられている。この発明では、配列ヘッドの数を増やすことで各開繊部材当たりの繊維束の本数を少なくできるとともに、同じ構成の配列ヘッドを複数準備することで対応できる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維束配列ヘッドは１個の配列ヘッドを備え、その移動方向における前後両側に前記案内部を構成する案内部材と、前記開繊部を構成する開繊部材とがそれぞれ設けられている。この発明では、配列ヘッドが１個のため、配列ヘッドが複数の場合に比較して、繊維束配列ヘッドが繊維束を配列するのに往復移動するために必要なスペースを少なくできるとともに、繊維束配列ヘッドの移動距離が短くなる。従って、ＦＷの終了までの時間を短縮できるとともに、繊維束の歩留まりが向上する。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記案内部材は、同じ群に属する繊維束を、その間隔が等間隔となるように前記開繊部材に案内する。この発明では、各群に属する繊維束を被巻付け部材上に等間隔となるように配列するのが容易になる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記開繊部による開繊は、前記繊維束が前記被巻付け部材の回転軸方向に垂直な方向に延びる状態で行われる。従って、この発明では、開繊された繊維束をヘリカル巻で被巻付け部材に巻き付けるのに適している。
【００１７】
【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〜図６に従って説明する。図１はＦＷ装置の部分概略図、図２は図１のＡ−Ａ線における模式断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線における模式断面図である。図４は各配列ヘッドが結合（合体）された状態のＦＷ装置の部分概略図。図５（ａ）は開繊部材の模式斜視図である。図５（ｂ）は開繊補助部材の模式斜視図である。
【００１８】
図１，４に示すように、ＦＷ装置１１はマンドレル１２を回転可能に支持するチャック１３と、チャック１３に支持されたマンドレル１２に沿って往復移動して、マンドレル１２上に配列される１層分の樹脂含浸繊維束Ｒを同時に配列する繊維束配列ヘッド１４とを備えている。繊維束配列ヘッド１４は主としてヘリカル巻を行うためのものである。被巻付け部材としてのマンドレル１２は胴部１２ａの両端に突設された一対の軸部１２ｂで、回転支持部としてのチャック１３に支持されるようになっている。胴部１２ａの両端部には、周方向に沿って所定の等ピッチで多数のピン１５ａ（２本のみ図示）が突設されたピンリング１５が一体回転可能に固定されている。
【００１９】
繊維束配列ヘッド１４は、独立して移動可能な２個の配列ヘッド１６，１７と、独立して移動可能な１個の補助ヘッド１８とを備えている。即ち、繊維束配列ヘッド１４は独立して移動可能な複数の配列ヘッドを備えている。両配列ヘッド１６，１７及び補助ヘッド１８は、ベースプレート１９上に設けられたレール２０（図２，３に図示）上を移動可能に構成されるとともに、図示しない駆動手段に連結されて、図４に示すように両配列ヘッド１６，１７及び補助ヘッド１８が互いに連結された状態で一体的に移動可能に構成されている。なお、ＦＷ装置１１はフープ巻を行うための巻付けヘッド（図示せず）も備えている。
【００２０】
チャック１３は可変速モータ（図示せず）により回転駆動され、制御装置Ｃの指令によってチャック１３が繊維束配列ヘッド１４の移動速度と同期した状態で回転駆動される。そして、図示しない繊維束供給部から樹脂含浸装置を経て供給される樹脂含浸繊維束Ｒを、マンドレル１２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。なお、以下、樹脂含浸繊維束Ｒを単に繊維束Ｒと称す場合もある。
【００２１】
第１の配列ヘッド１６には、第２の配列ヘッド１７と対向する側に、案内部材２１と、開繊部材２２とが設けられている。第２の配列ヘッド１７には第１の配列ヘッド１６と対向する側に、配列ヘッド１６の開繊部材２２と協働して樹脂含浸繊維束Ｒの開繊を行う開繊補助部材２３が設けられ、補助ヘッド１８と対向する側に案内部材２１及び開繊部材２２が設けられている。補助ヘッド１８には配列ヘッド１７と対向する側に開繊補助部材２３が設けられている。
【００２２】
繊維束配列ヘッド１４が配列すべき樹脂含浸繊維束Ｒの半分の本数の樹脂含浸繊維束Ｒを１つの群として第１の配列ヘッド１６が案内し、第２の配列ヘッド１７が残りの半分の本数の樹脂含浸繊維束Ｒをもう１つの群として案内するように構成されている。これらの群は、マンドレル１２上に配列された状態で隣接する樹脂含浸繊維束Ｒが異なる群に属するように分けられている。そして、第１の配列ヘッド１６及び第２の配列ヘッド１７は、マンドレル１２上に配列された状態で隣接しない樹脂含浸繊維束Ｒをそれぞれ案内するようになっている。即ち、配列ヘッド１６の案内部材２１と、配列ヘッド１７の案内部材２１とが、配列すべき樹脂含浸繊維束Ｒを、マンドレル１２上に配列された状態で隣接する樹脂含浸繊維束Ｒが異なる群に属するように複数の群に分けて案内する案内部を構成する。また、配列ヘッド１６の開繊部材２２及び配列ヘッド１７の開繊補助部材２３と、配列ヘッド１７の開繊部材２２及び補助ヘッド１８の開繊補助部材２３とが、前記案内部に案内される各群毎の樹脂含浸繊維束Ｒを開繊する開繊部を構成する。
【００２３】
図２に示すように、配列ヘッド１６は、マンドレル１２に貫通される孔２４ａを有する支持板２４を備えている。支持板２４には、複数本の繊維束Ｒを同時にマンドレル１２に対してヘリカル巻で巻付け可能とするため、複数の案内部材２１がマンドレル１２の周方向に沿って配列された状態で設けられている。案内部材２１は、開繊された状態で繊維束Ｒがマンドレル１２上に配列された際、配列ヘッド１６の案内部材２１で案内された全ての繊維束Ｒの幅の合計がマンドレル１２の胴部１２ａの半周分の長さより長くなる本数の繊維束Ｒを案内するのに必要な数設けられている。図２では図示の都合上１０本の繊維束Ｒを案内するのに必要な数が図示されている。案内部材２１は２個の同心円上に配列され、同じ群に属する繊維束Ｒを、その間隔が等間隔となるように開繊部材２２に案内するように、周方向において案内部材２１が等間隔で配置されている。
【００２４】
繊維束Ｒは全て繊維束配列ヘッド１４の一方の側から供給されるため、支持板２４にはそれらの繊維束Ｒを各案内部材２１に円滑に導くための補助ガイド２５，２６が設けられている。補助ガイド２５，２６は支持板２４の外側部に固定された取付けプレート２７，２８に固定されている。そして、樹脂含浸装置で樹脂が含浸された樹脂含浸繊維束Ｒの一部が補助ガイド２５を経て各案内部材２１に案内され、他の樹脂含浸繊維束Ｒは補助ガイド２５，２６を経て各案内部材２１に案内される。
【００２５】
図３に示すように、配列ヘッド１７の補助ヘッド１８と対向する側の構成は、全ての案内部材２１の配置位置が、配列ヘッド１６における配置位置に対して周方向に１８度だけ回動された位置となっている点を除いて、配列ヘッド１６の配列ヘッド１７と対向する側の構成と同じである。なお、１８度だけずれているのは、図示の都合上樹脂含浸繊維束Ｒが１０本図示されていることに対応するためである。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、開繊部材２２はマンドレル１２が貫挿される孔２９ａを有する円環状に形成され、その端面に環状溝２９ｂが形成された構成になっている。図５（ｂ）に示すように、開繊補助部材２３はマンドレル１２が貫挿される孔３０ａを有する円環状に形成され、その端面に環状の凸条３０ｂが形成された構成になっている。そして、図４に示すように、配列ヘッド１６，１７及び補助ヘッド１８が互いに結合（合体）されて一体的に移動可能な状態において、環状溝２９ｂに凸条３０ｂが遊嵌されるように構成されている。
【００２７】
次に前記のように構成されたＦＷ装置１１を使用してＦＲＰ製パイプを製造する製造方法を説明する。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、繊維束として炭素繊維のロービングが使用される。ロービングとは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。
【００２８】
先ず、マンドレル１２が、配列ヘッド１６，１７及び補助ヘッド１８を貫通した状態で、作業者によりＦＷ装置１１のチャック１３に支持される。次に配列ヘッド１６，１７及び補助ヘッド１８が樹脂含浸繊維束Ｒを案内部材２１及び開繊部を経てマンドレル１２の所定位置に導くのが容易な位置に配置される。次に作業者は、繊維束供給部から繊維束を引き出し、樹脂含浸装置、張力調整部等を経て繊維束配列ヘッド１４に導く。そして、配列ヘッド１６，１７の補助ガイド２５，２６を経て案内部材２１に導き、案内部材２１に挿通した後、開繊部材２２と開繊補助部材２３の間を経て樹脂含浸繊維束Ｒの端部をマンドレル１２の端部の所定位置に固定する。繊維束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固定される。
【００２９】
次に図４に示すように、配列ヘッド１６，１７及び補助ヘッド１８が互いに結合された状態にセットされる。この状態では、案内部材２１を経てマンドレル１２に導かれる樹脂含浸繊維束Ｒが、開繊部材２２及び開繊補助部材２３によって押圧された状態で開繊部材２２を通過して開繊される。開繊部による開繊は、樹脂含浸繊維束Ｒがマンドレル１２の回転軸方向に垂直な方向に延びる状態で行われる。また、作業者は、マンドレル１２の回転速度、繊維束配列ヘッド１４の配列（巻付け）時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置Ｃに入力する。
【００３０】
次にＦＷ装置１１による樹脂含浸繊維束Ｒの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置１１が駆動されると、マンドレル１２が一定方向に回転され、繊維束配列ヘッド１４がマンドレル１２の一端側から移動を開始し、マンドレル１２の長手方向に沿って往復移動される。繊維束Ｒはヘリカル巻層を形成するように、マンドレル１２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、マンドレル１２の表面に巻き付けられる。巻付け角度は製品のＦＲＰ製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。ＦＲＰ製パイプをプロペラシャフトに使用する場合は、巻付け角度は例えば、１０〜１５°に設定される。繊維束Ｒはピンリング１５に設けられたピン１５ａの間を通過するように巻き付けられ、ピン１５ａによって周方向への移動が規制された状態で巻き付けられる。
【００３１】
第２の配列ヘッド１７に装備された案内部材２１は、案内する樹脂含浸繊維束Ｒを、第１の配列ヘッド１６に装備された案内部材２１により開繊部材２２に案内される樹脂含浸繊維束Ｒが配列される位置の間の中央に配列するように案内する。そして、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、配列ヘッド１６の案内部材２１で案内されてマンドレル１２上に隣接して巻き付けられる開繊された繊維束Ｒａに対して、配列ヘッド１７の案内部材２１で案内されて開繊された繊維束Ｒｂは一部が重なった状態でマンドレル１２上に巻き付けられる。
【００３２】
ヘリカル巻層が所定層（例えば４層）形成された後、繊維束配列ヘッド１４による巻付け作業が中断され、図示しないフープ巻用の巻付けヘッドで、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層が所定層（例えば１層）形成される。フープ巻層はマンドレル１２の胴部１２ａ全長にわたって、あるいは胴部１２ａの両端部と対応する位置に形成される。その後、再び繊維束配列ヘッド１４によるヘリカル巻層が所定層（例えば２層）形成された段階で樹脂含浸繊維束Ｒの巻付けが完了する。
【００３３】
巻付けが完了した後、マンドレル１２上に形成された成形体（図示せず）の両端部が、ピン１５ａの位置よりマンドレル１２の中央寄りの所定位置でそれぞれカッタ（図示せず）により切断される。また、繊維束供給部に繋がる樹脂含浸繊維束Ｒが切断される。その後、マンドレル１２がＦＷ装置１１のチャック１３から取り外され、樹脂含浸繊維束Ｒの未硬化の段階で、前記切断位置より軸部１２ｂ側に巻き付けられた不要な樹脂含浸繊維束Ｒが除去される。
【００３４】
その後、マンドレル１２が成形体と共に加熱炉に入れられ、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℃程度である。加熱硬化、冷却後、成形体がマンドレル１２から取り外されて所定寸法の長さのＦＲＰ製パイプが形成される。ＦＲＰ製パイプは、例えば両端に継ぎ手部材が圧入されて自動車のプロペラシャフトとして使用される。
【００３５】
図６（ａ）はＦＲＰ製パイプのヘリカル巻層を示す模式図、図６（ｂ）はヘリカル巻層が積層された状態の部分模式断面図、図６（ｃ）は隣接する繊維束の関係を示す模式図、図６（ｄ）は従来のＦＷ装置でＦＷを行った場合の図６（ｂ）に対応する模式断面図である。なお、マンドレル１２の表面は曲面であるが、図６（ｂ）〜（ｄ）では模式的に平面として描いている。
【００３６】
図６（ａ）に示すように、ＦＲＰ製パイプ３１は、ヘリカル巻層３２を構成する繊維束Ｒが同一層内で互いに交差しないように配列されている。また、図６（ｂ）に示すように、同一層を構成する繊維束Ｒはその一部が重なる状態で配列されている。これに対して、特許文献１に記載のＦＷ装置を使用した場合は、図６（ｄ）に示すように、隣接する樹脂含浸繊維束Ｒは互いに隙間が有る状態、あるいは幅方向の端部が接した状態で配列される。
【００３７】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） ＦＲＰ製パイプ３１は、ヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒが同一層内で互いに交差せずに、かつ隣接する繊維束Ｒはその一部が重なる状態で配列されている。従って、ヘリカル巻層を構成する繊維束Ｒが同一層において隙間無く配列され、隣接する繊維束との間に隙間が有る状態で配列されたものに比較して強度及び耐久性が向上する。また、ＦＷ法で製造する際、同一層内に配列される全ての繊維束Ｒを同時にマンドレル１２に巻き付けて製造することができるため、生産性を高めることができる。
【００３８】
（２） 繊維束配列ヘッド１４は、配列すべき繊維束Ｒを、マンドレル１２上に配列された状態で隣接する繊維束Ｒが異なる群に属するように複数の群に分けて案内する案内部と、案内部によって案内される各群毎の繊維束Ｒを開繊する開繊部とを備えている。従って、全ての繊維束Ｒを開繊部に案内する案内部材２１を配置するスペースの確保が容易になる。また、各開繊部で開繊すべき繊維束の本数が少なくなるため、隣接する繊維束Ｒ同士が接触せず、開繊し易くなる。
【００３９】
（３） 案内部は、異なる群に属しかつ隣接する状態でマンドレル１２上に配列される繊維束Ｒをその一部が重なる状態でマンドレル１２上に配列されるように案内する。従って、各群に属する繊維束Ｒがマンドレル１２上に巻き付けられて１層のヘリカル巻層が形成された状態では、同一層において隣接する繊維束Ｒはその端部が確実に重なった状態で配列される。重なり幅（ラップ量）は、使用する繊維束Ｒの本数、開繊後の繊維束Ｒの幅を調整することで調整できる。
【００４０】
（４） 繊維束配列ヘッド１４は独立して移動可能な複数の配列ヘッド１６，１７を備え、各配列ヘッド１６，１７にそれぞれ前記案内部を構成する案内部材２１と、前記開繊部を構成する開繊部材２２とが設けられている。従って、配列ヘッドの数を増やすことで各開繊部材２２当たりの繊維束Ｒの本数を少なくできるとともに、同じ構成の配列ヘッドを複数準備することで対応することが可能になる。
【００４１】
（５） 案内部材２１は、同じ群に属する繊維束Ｒを、その間隔が等間隔となるように開繊部材２２に案内する。従って、各群に属する繊維束Ｒをマンドレル１２上に等間隔となるように配列するのが容易になる。その結果、複数の配列ヘッド１６，１７に案内されてマンドレル１２上に巻き付けられる隣接する繊維束Ｒを一部が重なった状態で巻き付ける際も、重なり状態を所望の状態にするのが容易になる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図７〜図９に従って説明する。この実施の形態では、補助ヘッド１８が存在しない点と、開繊補助部材が両配列ヘッド１６，１７で共用される点とが前記第１の実施の形態と大きく異なっている。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。図７はＦＷ装置１１の部分概略図、図８（ａ）は図７の部分拡大図、図８（ｂ）は開繊補助部材の模式正面図、図９は両配列ヘッド１６，１７が結合位置に配置された状態の部分概略図である。
【００４３】
図７に示すように、第２の配列ヘッド１７は、案内部材２１及び開繊部材２２が第１の配列ヘッド１６と対向する側に配設されている。各案内部材２１の配設位置関係は第１の実施の形態と同じである。
【００４４】
配列ヘッド１６には開繊補助部材３３が開繊部材２２に対して接近、離間可能に装備されている。図８（ｂ）に示すように、開繊補助部材３３はマンドレル１２が貫挿される孔３４ａが形成されたほぼ四角形状のプレート３４の両面に、円環状の凸条３４ｂが形成された構成になっている。
【００４５】
プレート３４の四隅にはガイド孔３４ｃが形成されている。配列ヘッド１６にはガイド孔３４ｃと対応して支持ピン３５が突設され、プレート３４はガイド孔３４ｃが支持ピン３５に貫通された状態で支持されている。支持ピン３５の先端側には雄ねじが形成され、雄ねじに螺合するナット３６によりプレート３４が支持ピン３５から離脱するのを阻止するように構成されている。支持ピン３５の基端側にはプレート３４をナット３６側に付勢するコイルばね３７が設けられている。なお、両配列ヘッド１６，１７に装備された案内部材２１は位相がずれた状態で配置されているため、両配列ヘッド１６，１７の対向する面に配置されていても、両配列ヘッド１６，１７が結合された状態において案内部材２１同士が干渉する虞はない。
【００４６】
この実施の形態のＦＷ装置１１では、両配列ヘッド１６，１７が結合されていない状態では図７に示すように、開繊補助部材３３は両配列ヘッド１６，１７の開繊部材２２から離間した位置に保持される。また、両配列ヘッド１６，１７が結合された状態では図９に示すように、開繊補助部材３３は各凸条３４ｂが配列ヘッド１６，１７の開繊部材２２の環状溝２９ｂに遊嵌された状態に保持される。従って、図９に示す状態で繊維束配列ヘッド１４が移動することにより、前記実施の形態と同様に、２箇所の開繊部で開繊された樹脂含浸繊維束Ｒがマンドレル１２上に巻き付けられる。
【００４７】
この実施の形態のＦＷ装置１１では、ＦＷの準備作業として樹脂含浸繊維束Ｒを配列ヘッド１６の案内部材２１に挿通する作業を行う際には、開繊補助部材３３を支持ピン３５から取り外して、作業に支障を来さない状態で行う。そして、案内部材２１への挿通作業等が終了したのち、開繊補助部材３３を支持ピン３５に取り付ける。その後、配列ヘッド１７の案内部材２１への樹脂含浸繊維束Ｒの挿通作業等が行われる。
【００４８】
この実施の形態では第１の実施の形態の（１）〜（３）及び（５）と同様な効果を有する他に、次の効果を有する。
（６） 補助ヘッド１８を省略したため、繊維束配列ヘッド１４全体の移動方向の長さが短くなって小型化されるとともに、ＦＷ装置１１全体としても小型化が可能になる。また、繊維束配列ヘッド１４の移動距離が短くなるため、繊維束配列ヘッド１４が１層分の樹脂含浸繊維束Ｒを配列するために必要な時間が短くなって生産性が向上するとともに、繊維束の歩留まりが向上する。
【００４９】
（７） 開繊補助部材３３を両配列ヘッド１６，１７の開繊部材２２で共用し、両配列ヘッド１６，１７の開繊部材２２が対向する状態で設けられているため、開繊部からマンドレル１２上の繊維束巻き付け位置までの距離が第１の実施の形態に比較して短くなり、繊維束の歩留まりがより向上する。
【００５０】
（８） 開繊補助部材３３が取り外し可能に構成されているため、配列ヘッド１６の案内部材２１に樹脂含浸繊維束Ｒを挿通する準備作業の際に開繊補助部材３３が作業に支障を来さない。
【００５１】
（９） プレート３４は配列ヘッド１７の開繊部材２２に押圧されて、凸条３４ｂが開繊部材２２の環状溝２９ｂと遊嵌する開繊位置に配置されるため、プレート３４を開繊位置に移動させる専用のアクチュエータを設ける必要がない。従って、構成が簡単になる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態を図１０及び図１１に従って説明する。この実施の形態では、配列ヘッドが１個である点と、開繊部が開繊量を変更可能に構成されている点とが前記第１及び第２の実施の形態と大きく異なっている。第１及び第２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。図１１はＦＷ装置１１の部分概略図、図１０は図１１の部分拡大図である。
【００５３】
図１１に示すように、繊維束配列ヘッド１４は、１個の配列ヘッド３８の前後両側（図１１における左右両側）に、案内部材２１及び開繊部材２２が設けられている。前側に設けられた各案内部材２１及び後側に設けられた各案内部材２１はそれぞれ１０本の樹脂含浸繊維束Ｒを案内し、前側に設けられた各案内部材２１の配置位置と、後側に設けられた各案内部材２１の配置位置とはそれぞれ位相が１８度ずつずれた状態に構成されている。また、各開繊部材２２に対応して開繊補助部材３９が設けられている。
【００５４】
開繊補助部材３９は第２の実施の形態の開繊補助部材３３と同様に、マンドレル１２が貫挿される孔が形成されたほぼ四角形状のプレート４０の片面に、円環状の凸条４０ａが形成された構成になっている。配列ヘッド３８にはその前後両側に、開繊部材２２の外側において開繊補助部材３９を案内するガイドロッド４１が、プレート４０の三隅と対応する位置に突設されている。プレート４０の三隅にはガイドロッド４１が嵌挿されるガイド孔４０ｂが形成され、プレート４０はガイド孔４０ｂがガイドロッド４１に貫通された状態でガイドロッド４１に沿って摺動可能に支持されている。
【００５５】
また、配列ヘッド３８にはプレート４０の残りの一隅と対応する位置にリニアアクチュエータ４２が、その駆動ロッド４３がガイドロッド４１と平行に延びるように配設されている。駆動ロッド４３の先端には小径部４３ａが形成され、プレート４０の一隅には小径部４３ａに嵌合される孔４０ｃが形成されている。そして、プレート４０は小径部４３ａが孔４０ｃを貫通し、その先端に形成された雄ねじ部に螺合するナット４４により駆動ロッド４３に固定されるようになっている。リニアアクチュエータ４２はボールねじを採用して駆動ロッド４３の突出量を高精度で調整可能に構成されている。
【００５６】
リニアアクチュエータ４２は制御装置Ｃからの指令信号に基づいて、駆動ロッド４３の突出量が変更可能に構成され、マンドレル１２に近い側（内側）に巻き付けられるヘリカル巻層程、開繊量が小さくなるように駆動ロッド４３の突出量が調整されるようになっている。制御装置Ｃのメモリには、ＦＷに使用する樹脂含浸繊維束Ｒの太さや種類、本数、マンドレル１２の外径等のＦＷの条件に対応して、各層を構成する樹脂含浸繊維束Ｒの開繊量と、駆動ロッド４３の突出量との関係を示すマップ又は表が記憶されている。そして、制御装置ＣはＦＷ条件に応じて各ヘリカル巻層を形成する際に、適切な開繊量となるようにリニアアクチュエータ４２に対して駆動ロッド４３の突出量を指令する。
【００５７】
この実施の形態のＦＷ装置１１では、ＦＷの準備作業として樹脂含浸繊維束Ｒを案内部材２１に挿通する作業を行う際には、各開繊補助部材３９を駆動ロッド４３から取り外して、作業に支障を来さない位置に移動させた状態で行う。そして、案内部材２１への挿通作業等が終了した後、開繊補助部材３９を駆動ロッド４３に取り付ける。
【００５８】
そして、図１１に実線で示すように、凸条４０ａが環状溝２９ｂと遊嵌する開繊位置に各開繊補助部材３９が配置された状態で配列ヘッド３８が移動され、マンドレル１２への樹脂含浸繊維束Ｒの巻付けが行われる。
【００５９】
この実施の形態では第１の実施の形態の（１）〜（３）、（５）及び第２の実施の形態の（６）と同様な効果を有する他に、次の効果を有する。
（１０） 配列ヘッド３８が１個のため、配列ヘッドが複数の場合に比較して、繊維束配列ヘッド１４全体の移動方向の長さがより短くなってより小型化が可能になるとともに、ＦＷ装置１１全体としてもより小型化が可能になる。また、繊維束配列ヘッド１４が繊維束Ｒを配列するのに往復移動するために必要な移動距離が短くなり、ＦＷの終了までの時間をより短縮できる。
【００６０】
（１１） 開繊部は開繊量を変更可能に構成されている。従って、マンドレル１２上に複数層となるように繊維束Ｒが配列される際、内側に配列される繊維束Ｒの開繊量を小さく（幅を狭く）し、外側に配列される繊維束Ｒの開繊量を大きく（幅を広く）することにより、各層毎に隣接する繊維束Ｒの重なり量を適正な値に調整するのが容易になる。
【００６１】
（１２） 制御装置Ｃは、メモリに記憶されたＦＷの条件と、樹脂含浸繊維束Ｒの開繊量に対応した駆動ロッド４３の突出量との関係から、ＦＷの条件に対応した適正な開繊量となるように駆動ロッド４３の突出量を容易に変更することができる。
【００６２】
（１３） 開繊補助部材３９が駆動ロッド４３に対して取り外し可能に固定されているため、配列ヘッド３８の案内部材２１に樹脂含浸繊維束Ｒを挿通する準備作業の際に開繊補助部材３９が作業に支障を来さない。
【００６３】
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。
○ 案内部材２１は開繊部材２２の周囲に二重に配設される構成に限らない。例えば、同一円周上に一重に配置したり、同一円周上に限らず、隣接する繊維束Ｒを開繊部材２２に等間隔で案内する任意の位置に配置してもよい。また、補助ガイド２５，２６の一部あるいは全部を省略してもよい。
【００６４】
○ 案内部材２１は隣接する樹脂含浸繊維束Ｒの間隔が同じになるように案内する必要はなく、１層分のヘリカル巻層を構成する全ての繊維束Ｒが隙間のない状態で配列されるように案内可能であれば、多少その間隔が異なっていてもよい。しかし、隣接する樹脂含浸繊維束Ｒの間隔が同じになるように案内する構成の方が、樹脂含浸繊維束Ｒを均一に配列することができるため好ましい。
【００６５】
○ ２組設けられた案内部材２１の一方の組の案内部材２１全体を開繊部材２２を中心として回動可能に構成してもよい。例えば、第１の実施の形態において、第２の配列ヘッド１７に設けられる案内部材２１を、支持板２４に直接固定する代わりに、図１２に示すように、取付け板４５を回動可能に支持する。そして、取付け板４５上に案内部材２１を固定する。また、配列ヘッド１７には取付け板４５を回動させるアクチュエータ４６を設け、アクチュエータ４６の駆動ロッド４７を取付け板４５に突設された連結片４５ａと連結する。この実施の形態では配列ヘッド１６，１７が案内する樹脂含浸繊維束Ｒの本数が８本ずつと少なくなっている。この構成では、アクチュエータ４６の駆動により取付け板４５が回動される。従って、第１の配列ヘッド１６に装備された案内部材２１により案内される樹脂含浸繊維束Ｒの位置と、第２の配列ヘッド１７に装備された案内部材２１により案内される樹脂含浸繊維束Ｒの位置との関係を調整できる。第１の配列ヘッド１６の案内部材２１と、第２の配列ヘッド１７の案内部材２１とが所定の位相差で正確に配置された場合でも、樹脂含浸繊維束Ｒが案内部材２１を通過する位置は、マンドレル１２の回転方向によって異なる場合がある。ＦＷ装置１１がＦＷ時におけるマンドレル１２の回転方向を選択できる場合、案内部材２１が所定の位相差で正確に配置された場合より、右回転及び左回転にそれぞれ対応して偏って配置された方が、開繊された繊維束Ｒを均一な状態で一部を重ね合わせることができる。また、繊維束配列ヘッド１４がＦＷ装置１１の一端から他端側へ向かって移動する際と、他端から一端側へ向かって移動する際とで、マンドレル１２の回転方向を変更して巻き付けを行う場合も、繊維束Ｒの位置が微妙にずれる場合がある。しかし、一方の案内部材２１の位置を変更可能とすることにより、両配列ヘッド１６，１７に装備された案内部材２１の位置関係が常に適正な状態でＦＷを行うことが可能になる。
【００６６】
○ ２組設けられた案内部材２１の一方の組の案内部材２１全体を開繊部材２２を中心として回動可能に構成した前記実施の形態において、取付け板４５をアクチュエータ４６で駆動する構成に代えて、手動で回動する構成としてもよい。例えば、取付け板４５には固定用のボルトあるいはピンを挿通する孔を形成し、配列ヘッド１７にボルトが螺合されるねじ穴あるいはピンが嵌合される嵌合穴を形成する。そして、ＦＷ装置１１の運転に先立って、ボルトあるいはピンをねじ穴あるいは嵌合穴から抜き、取付け板４５を手動でマンドレルの回転方向に対応した位置に回動させてボルトあるいはピンをねじ穴あるいは嵌合穴に固定する構成とする。
【００６７】
○ 図１３に示すように、配列ヘッド４８の案内部材２１の内側に案内リング４９ａ，４９ｂを二重に設けてもよい。案内リング４９ａ，４９ｂは、図１４（ａ）に示すように、同一平面内に配置される構成でも、図１４（ｂ）に示すように、異なる平面上に配置される構成でもよい。両案内リング４９ａ，４９ｂは棒状の連結部４９ｃによって連結されている。案内部材２１を経て開繊部へ案内される樹脂含浸繊維束Ｒは、隣接する繊維束Ｒが内側の案内リング４９ａ及び外側の案内リング４９ｂの内側部に交互に係合するように案内リング４９ａ，４９ｂに挿通される。この構成においても、多数本の繊維束Ｒを繊維束Ｒ同士の干渉を抑制した状態で開繊部に導くことができる。案内リング４９ａ，４９ｂを連結する連結部４９ｃが存在するため、繊維束Ｒをマンドレル１２に巻き付けるように配列する際には、連結部４９ｃが樹脂含浸繊維束Ｒと干渉する。従って、樹脂含浸繊維束Ｒをマンドレル１２の軸方向と平行又は巻付け角度が０°に近い状態に配列するときに使用するのが好ましい。なお、樹脂含浸繊維束Ｒをマンドレル１２の軸方向と平行又は巻付け角度が０°に近い状態に配列するときは、繊維束配列ヘッド１４が、樹脂含浸繊維束Ｒをマンドレル１２の軸部１２ｂと対応する位置に巻き付け可能な位置に移動した状態でマンドレル１２が回転される。そして、樹脂含浸繊維束Ｒがマンドレル１２の軸部１２ｂに巻き付けられた後、マンドレル１２の回転が停止された状態又は極めて遅い速度で回動される状態で、繊維束配列ヘッド１４は反対側に向かって移動を開始する。なお、図示の都合上、開繊部材２２の環状溝２９ｂを省略している。
【００６８】
○ 第１の実施の形態において、補助ヘッド１８を省略し、配列ヘッド１７の案内部材２１が配設された側に、第３の実施の形態のようにアクチュエータで駆動される開繊補助部材３９を設けてもよい。この場合、アクチュエータは開繊補助部材３９による押圧力の調整が可能、即ち開繊量を変更可能である必要はなく、開繊補助部材３９を開繊位置と、開繊部材２２から離間する位置とに移動させる機能があればよい。この構成でも、補助ヘッド１８がなくなることによる効果が得られる。
【００６９】
○ 配列ヘッドを３個以上設けてもよい。配列ヘッドを３個以上設ける場合は、１層分のヘリカル巻層を形成するのに必要な樹脂含浸繊維束Ｒの本数が同じであれば、各配列ヘッドが案内すべき繊維束Ｒの本数をより少なくできる。樹脂含浸繊維束Ｒは必ずしも各配列ヘッドでほぼ等しい数ずつ案内する構成とする必要はないが、各配列ヘッドでそれぞれほぼ等しい本数ずつ案内する構成が好ましい。また、各配列ヘッドの案内部材２１が案内する樹脂含浸繊維束Ｒの本数が同じ場合は、各配列ヘッドで案内される樹脂含浸繊維束Ｒの位相差が小さくなる。例えば、第１の実施の形態において、配列ヘッドを３個にするとともに各配列ヘッドが案内する樹脂含浸繊維束Ｒの本数を１０本とすれば、各配列ヘッドに装備される案内部材２１の数は同じで、配列位置の位相が１２度ずつずれた状態に配置される。従って、外径の大きなマンドレル１２に樹脂含浸繊維束Ｒを巻き付ける際に隣接する樹脂含浸繊維束Ｒの一部が重なった状態で配列し易くなる。
【００７０】
○ 各配列ヘッド１６，３８に装備される開繊補助部材３３，３９は取り外し可能でなくてもよい。しかし、取り外し可能でない場合は、案内部材２１を経て開繊部へ樹脂含浸繊維束Ｒを導く準備作業を行う際に、開繊補助部材３３，３９を作業に支障とならない位置までガイド可能に、支持ピン３５やガイドロッド４１の長さを変更する必要がある。
【００７１】
○ 使用する繊維束Ｒの種類を開繊部毎に変更してもよい。異なる種類の繊維束を使用する場合は、適正な開繊量が異なるのが一般的である。例えば、単繊維の本数が異なる繊維束を同一層に混在させる場合、特許文献１に開示されたＦＷ装置では開繊部が１個のため、一方の繊維束に好適な開繊条件で開繊を行うと、他方の繊維束にとっては好適でない開繊条件となる。しかし、樹脂含浸繊維束Ｒの種類を開繊部毎に変更する場合は、各樹脂含浸繊維束Ｒに適した条件でそれぞれ開繊を行うことができる。従って、製造するＦＲＰ製パイプの物性の調整の自由度が高くなる。
【００７２】
○ 開繊部材２２及び開繊補助部材２３の形状を逆にしてもよい。即ち、開繊補助部材２３に環状溝を設け、開繊部材２２にその環状溝に遊嵌される凸条を設けてもよい。また、開繊部材２２及び開繊補助部材２３の形状は前記の形状に限らず、開繊部材２２及び開繊補助部材２３により樹脂含浸繊維束Ｒを押圧した際に、樹脂含浸繊維束Ｒが扁平に押しつぶされる機能を有する形状であればよい。例えば、環状溝２９ｂの数を複数にしたり、環状溝を断面四角形でなくＶ溝やＵ溝としてもよい。他の開繊補助部材３３，３９を使用する場合も同様に変更してもよい。
【００７３】
○ マンドレル１２の端部にピンリング１５を固定する構成に代えて、ピン１５ａをマンドレル１２に直接取り外し可能に固定してもよい。
○ 樹脂含浸繊維束Ｒの硬化前には繊維束供給部に繋がる繊維束Ｒの切断だけを行い、不要な部分の除去は樹脂含浸繊維束Ｒの硬化後に、ピン１５ａを抜いた状態で除去するようにしてもよい。
【００７４】
○ 車両のプロペラシャフト以外の駆動シャフト用のＦＲＰ製パイプの製造に適用してもよい。
○ ＦＲＰ製パイプに限らず、円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されて各種の高圧ガスや加圧流体を収容するのに使用される圧力容器の製造に適用してもよい。この場合、マンドレル１２に代えて口金部材を備えた被巻付け部材としてのライナ（中空体）の口金部材を直接、又は口金部材に固定した軸部を介してチャック１３に支持して、ライナの表面に繊維束Ｒを巻き付ける。
【００７５】
○ ＦＲＰ製パイプを製造する際、樹脂含浸繊維束Ｒをマンドレル１２に巻き付ける代わりに、被巻付け部材として筒部材を使用し、筒部材の両端に軸部を有する治具を取り付け、治具を介して筒部をチャック１３で支持した状態で、筒部材に樹脂含浸繊維束Ｒを巻き付けてもよい。筒部材は樹脂含浸繊維束Ｒを巻き付ける際に変形しない程度の強度を持つものであればよく、紙製、樹脂製、金属製等材質は特に制限されない。金属製とする場合は、軽量で耐熱性及び剛性の高い金属で形成されたものが好ましい。
【００７６】
○ 製品に要求される性能に応じて、繊維束の種類や繊維束に含浸される樹脂の種類を炭素繊維とエポキシ樹脂の組み合わせ以外としてもよい。しかし、プロペラシャフトを形成する場合は、コストや要求性能の点から炭素繊維とエポキシ樹脂の組み合わせが好ましい。
【００７７】
以下の技術的思想（発明）は前記実施の形態から把握できる。
（１） 請求項１に記載の発明において、前記同一層内で隣接して配列される繊維束として異なる種類の繊維で構成された繊維束が使用されている。
【００７８】
（２） 請求項５に記載の発明において、前記配列ヘッドは偶数個設けられ、前記案内部はペアとなる２個の配列ヘッドの互いに対向する側にそれぞれ設けられ、前記開繊部は前記２個の配列ヘッドの互いに対向する側にそれぞれ設けられた開繊部材と、２個の配列ヘッドで共用する開繊補助部材とで構成されている。
【００７９】
（３） 請求項６に記載の発明において、前記各開繊部材と対向して開繊補助部材が配設され、各開繊補助部材は開繊部材と協働して前記繊維束の開繊を行う開繊位置と、開繊部材から離間した位置とにアクチュエータにより移動可能に構成されている。
【００８０】
（４） 請求項２〜請求項８のいずれか一項に記載の発明において、前記案内部を構成するとともに、異なる群に属する繊維束を案内する案内部材のうち、第１の群の繊維束を案内する案内部材は所定位置に固定され、残りの各群に属する繊維束をそれぞれ案内する案内部材は、第１の群の繊維束を案内する案内部材に対して相対回動可能かつ所定位置で固定可能に構成されている。
【００８１】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、生産性を高めることができるとともに、ヘリカル巻層を構成する繊維束が同一層において隙間無く配列されて強度及び耐久性が向上する。請求項２〜請求項８に記載の発明によれば、ヘリカル巻層を構成する繊維束が同一層内で互いに交差せずに、かつ隣接する繊維束の一部が重なる状態で配列されたＦＲＰ製パイプを製造することが可能で、全ての繊維束を開繊部に案内するスペースの確保が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＷ装置の部分概略図。
【図２】図１のＡ−Ａ線における模式拡大断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線における模式拡大断面図。
【図４】各配列ヘッドが結合された状態のＦＷ装置の部分概略図。
【図５】（ａ）は開繊部材の模式斜視図、（ｂ）は開繊補助部材の模式斜視図。
【図６】（ａ）はＦＲＰ製パイプのヘリカル巻層を示す模式図、（ｂ）はヘリカル巻層が積層された状態の部分模式断面図、（ｃ）は隣接する繊維束の関係を示す模式図、（ｄ）は従来のＦＷ装置でＦＷを行った場合の（ｂ）に対応する模式断面図。
【図７】第２の実施の形態のＦＷ装置の部分概略図。
【図８】（ａ）は図７の部分拡大図、（ｂ）は開繊補助部材の模式正面図。
【図９】開繊部材が開繊位置に配置された状態の部分概略図。
【図１０】第３の実施の形態を示す図１１の部分拡大図。
【図１１】第３の実施の形態のＦＷ装置の部分概略図。
【図１２】別の実施の形態のヘッドの模式正面図。
【図１３】別の実施の形態のヘッドの模式正面図。
【図１４】（ａ），（ｂ）は案内リングを示す模式斜視図。
【符号の説明】
Ｒ，Ｒａ，Ｒｂ…繊維束、１１…ＦＷ装置（フィラメントワインディング装置）、１２…被巻付け部材としてのマンドレル、１３…回転支持部としてのチャック、１４…繊維束配列ヘッド、１６，１７，３８，４８…配列ヘッド、２１…案内部を構成する案内部材、２２…開繊部を構成する開繊部材、２３，３３，３９…同じく開繊補助部材、３１…ＦＲＰ製パイプ、３２…ヘリカル巻層。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pipe made of fiber reinforced plastic (FRP) and a filament winding device, and more particularly to a pipe made of FRP characterized by an arrangement of helical winding layers and a filament winding device suitable for manufacturing the pipe made of FRP.
[0002]
[Prior art]
As a method of efficiently forming an FRP pipe or container, there is a filament winding method. Hereinafter, filament winding may be described as FW. In the FW method, generally, a helical winding in which a resin-impregnated fiber bundle is wound around a rotating mandrel at a predetermined angle with respect to an axial direction of the mandrel, and a hoop winding in which the bundle is wound substantially orthogonal to the axial direction are performed.
[0003]
In general, the FW device winds one to three fiber bundles on a mandrel or the like while supporting and rotating a member to be wound such as a mandrel or a liner with a rotation support portion. Also, in order to enhance productivity, when performing helical winding on a member to be wound (mandrel), a helical winding portion that simultaneously winds all the fiber bundles constituting one helical winding layer around the member to be wound. An FW device having a (winding head) has been proposed (see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-283467 (paragraphs [0035] to [0037] and [0054] of the specification, FIGS. 1 and 7)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the FW device described in Patent Literature 1, a set of ring-shaped opening portions in which all the fiber bundles constituting one helical winding layer are arranged facing each other in the axial direction of the member to be wound. In this configuration, the fiber is sandwiched and opened. Therefore, the fiber bundle that is wound adjacent to the member to be wound via the opening portion cannot be wound in a state where the fiber bundle partially overlaps. Therefore, it is not possible to manufacture an FRP pipe in a state where the fiber bundles constituting the helical winding layer are uniformly arranged without gaps. In addition, it is difficult to secure a space for guiding the fiber bundle to the opening portion, and there is also a problem that it is difficult to accurately arrange all the fiber bundles close to a predetermined position of the opening portion.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and a first object of the present invention is to improve productivity and to arrange fiber bundles constituting a helical winding layer uniformly in the same layer without gaps. To provide an FRP pipe with improved strength and durability. The second object is to manufacture an FRP pipe in which the fiber bundles constituting the helical winding layer do not cross each other in the same layer, and the adjacent fiber bundles are arranged in a state of partially overlapping. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an FW device which can easily secure a space for guiding all the fiber bundles to the opening section.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the first object, the invention according to claim 1 is an FRP pipe having a helical winding layer in which fiber bundles are arranged in at least a helical winding, and the fiber bundle constituting the helical winding layer Are arranged in the same layer without intersecting each other, and adjacent fiber bundles are partially overlapped.
[0008]
In the present invention, since the fiber bundles constituting the helical winding layer are arranged in the same layer without gaps, the strength and durability are higher than those arranged with a gap between adjacent fiber bundles. improves. Further, when manufacturing by the FW method, all the fiber bundles arranged in the same layer can be wound around the member to be wound at the same time, so that the productivity can be increased.
[0009]
In order to achieve the second object, the invention according to claim 2 is a reciprocating movement along a rotation supporting portion rotatably supporting a member to be wound and a member to be wound supported by the rotation supporting portion. And a fiber bundle arrangement head for simultaneously arranging one layer of fiber bundles arranged on the wound member. The fiber bundle arranging head is configured to guide the fiber bundles to be arranged in a plurality of groups such that adjacent fiber bundles belong to different groups in a state of being arranged on the wound member; and A fiber opening unit for opening the fiber bundle of each group guided by the guide unit. Here, “opening the fiber bundle” means that the width of the fiber bundle composed of a large number of thin single fibers is expanded to make the fiber bundle flat.
[0010]
In the present invention, the fiber bundle arrangement head moves from one end to the other end of the wound member to thereby arrange the fiber bundle for one layer on the peripheral surface of the wound member. The productivity is higher than that in which the fiber bundle for one layer is reciprocated and wound. The winding angle of the fiber bundle with respect to the member to be wound is determined by the relationship between the moving speed of the fiber bundle array head and the rotation speed of the rotary support. If the fiber bundle arrangement head moves without rotating the rotation support portion, the winding angle becomes 0 degree. When the fiber bundle arrangement head moves while the rotation support portion is rotated, helical winding is performed. Further, the fiber bundles constituting the helical winding of the same layer belong to a plurality of groups, and are divided into a plurality of groups such that adjacent fiber bundles belong to different groups while being arranged on the member to be wound, The guide unit guides the user to the opening unit corresponding to each group. Therefore, it is easy to secure a space for guiding all the fiber bundles to the opening section. Further, by using different fiber bundles as the fiber bundles belonging to different groups, the degree of freedom in adjusting the physical properties of the manufactured FRP product is increased.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the fiber bundle arranging head includes a part of the fiber bundles that are adjacent to each other and belong to different groups while being arranged on the wound member. Are arranged on the wound member in a state where they overlap. According to the present invention, in a state where the fiber bundles belonging to each group are wound on the member to be wound to form a single helical winding layer, adjacent fiber bundles in the same layer are surely overlapped at their ends. It is arranged by.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the opening portion is configured to be capable of changing an opening amount. Therefore, in the present invention, when the fiber bundles are arranged in a plurality of layers on the member to be wound, the opening amount of the fiber bundles arranged on the inside is reduced (the width is narrowed), and the fiber bundles are arranged on the outside. By increasing (opening) the fiber bundles to be spread, it becomes easy to adjust the amount of overlap of the adjacent fiber bundles to an appropriate value for each layer.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to fourth aspects, the fiber bundle arrangement head includes a plurality of independently movable arrangement heads. A guide member forming the guide section and a spread member forming the spread section are provided. According to the present invention, by increasing the number of array heads, it is possible to reduce the number of fiber bundles per each spread member, and to cope with the problem by preparing a plurality of array heads having the same configuration.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to fourth aspects, the fiber bundle arranging head includes one arranging head, and the guides are provided on both front and rear sides in the moving direction. A guide member forming the section and a spreading member forming the opening section are provided. According to the present invention, since the number of array heads is one, the space required for the fiber bundle array head to reciprocate for arranging the fiber bundles can be reduced as compared with the case where there are a plurality of array heads. The moving distance of the array head is shortened. Therefore, the time until the end of the FW can be reduced, and the yield of the fiber bundle can be improved.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to sixth aspects, the guide member is configured such that the fiber bundles belonging to the same group are arranged so that the intervals are equal. Guide to the opening member. According to the present invention, it becomes easy to arrange the fiber bundles belonging to each group at equal intervals on the member to be wound.
[0016]
In the invention according to claim 8, in the invention according to any one of claims 2 to 7, the fiber opening by the fiber opening section is performed by rotating the fiber bundle in a rotation axis direction of the wound member. It is performed in a state of extending in a vertical direction. Therefore, the present invention is suitable for winding the opened fiber bundle around the member to be wound by helical winding.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a partial schematic view of the FW device, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line BB of FIG. FIG. 4 is a partial schematic view of the FW device in a state where the array heads are combined (combined). FIG. 5A is a schematic perspective view of the fiber opening member. FIG. 5B is a schematic perspective view of the fiber-spreading assisting member.
[0018]
As shown in FIGS. 1 and 4, the FW device 11 includes a chuck 13 rotatably supporting the mandrel 12, and a reciprocating movement along the mandrel 12 supported by the chuck 13, and a single layer arranged on the mandrel 12. And a fiber bundle arrangement head 14 for simultaneously arranging the resin-impregnated fiber bundles R. The fiber bundle arrangement head 14 is mainly for performing helical winding. The mandrel 12 as a member to be wound is supported by a chuck 13 as a rotation support section by a pair of shaft sections 12b protruding from both ends of a body section 12a. Pin rings 15 having a large number of pins 15a (only two are shown) projecting at a predetermined equal pitch along the circumferential direction are fixed to both ends of the body 12a so as to be integrally rotatable.
[0019]
The fiber bundle arranging head 14 includes two arranging heads 16 and 17 that can move independently and one auxiliary head 18 that can move independently. That is, the fiber bundle arrangement head 14 includes a plurality of arrangement heads which can move independently. The two array heads 16 and 17 and the auxiliary head 18 are configured to be movable on rails 20 (shown in FIGS. 2 and 3) provided on a base plate 19, and are connected to driving means (not shown), as shown in FIG. As shown in the figure, the two arrangement heads 16 and 17 and the auxiliary head 18 are integrally movable so as to be connected to each other. The FW device 11 also includes a winding head (not shown) for performing hoop winding.
[0020]
The chuck 13 is rotationally driven by a variable speed motor (not shown), and is rotationally driven in synchronization with the moving speed of the fiber bundle arranging head 14 by a command from the control device C. Then, a resin-impregnated fiber bundle R supplied from a fiber bundle supply unit (not shown) via a resin impregnation device can be wound around the mandrel 12 at an arbitrary winding angle. Hereinafter, the resin-impregnated fiber bundle R may be simply referred to as a fiber bundle R.
[0021]
The first arrangement head 16 is provided with a guide member 21 and a fiber spreading member 22 on the side facing the second arrangement head 17. On the side opposite to the first arrangement head 16, the second arrangement head 17 is provided with an opening assistance member 23 for opening the resin-impregnated fiber bundle R in cooperation with the opening member 22 of the arrangement head 16. A guide member 21 and a fiber opening member 22 are provided on the side facing the auxiliary head 18. The auxiliary head 18 is provided with a fiber opening auxiliary member 23 on the side facing the array head 17.
[0022]
The first array head 16 guides the resin-impregnated fiber bundles R of half the number of the resin-impregnated fiber bundles R to be arranged by the fiber bundle array head 14 as one group, and the second array head 17 moves the other half of the resin-impregnated fiber bundles R to the other half. It is configured to guide the number of resin-impregnated fiber bundles R as another group. These groups are divided such that adjacent resin-impregnated fiber bundles R arranged on the mandrel 12 belong to different groups. The first arrangement head 16 and the second arrangement head 17 guide the non-adjacent resin-impregnated fiber bundles R while being arranged on the mandrel 12. That is, the guide member 21 of the array head 16 and the guide member 21 of the array head 17 are arranged such that the resin-impregnated fiber bundles R to be arranged are arranged on the mandrel 12 and the adjacent resin-impregnated fiber bundles R are different groups. The guide unit is configured to provide guidance in a plurality of groups so as to belong to the group. The opening member 22 of the array head 16 and the opening assisting member 23 of the array head 17 and the opening member 22 of the array head 17 and the opening assisting member 23 of the auxiliary head 18 are guided by the guide portion. An opening unit for opening the resin-impregnated fiber bundle R for each group is configured.
[0023]
As shown in FIG. 2, the array head 16 includes a support plate 24 having a hole 24 a penetrated through the mandrel 12. The support plate 24 is provided with a plurality of guide members 21 arranged in a circumferential direction of the mandrel 12 so that a plurality of fiber bundles R can be wound around the mandrel 12 simultaneously by helical winding. ing. When the fiber bundles R are arranged on the mandrel 12 in the opened state, the guide member 21 is configured such that the sum of the widths of all the fiber bundles R guided by the guide member 21 of the array head 16 is the trunk of the mandrel 12. The number necessary to guide the number of fiber bundles R longer than the length of a half circumference of 12a is provided. FIG. 2 shows the number necessary to guide ten fiber bundles R for the sake of illustration. The guide members 21 are arranged on two concentric circles, and the guide members 21 are arranged at equal intervals in the circumferential direction so as to guide the fiber bundles R belonging to the same group to the spreader member 22 so that the intervals are equal. It is arranged in.
[0024]
Since the fiber bundles R are all supplied from one side of the fiber bundle arrangement head 14, the support plate 24 is provided with auxiliary guides 25 and 26 for smoothly guiding the fiber bundles R to the respective guide members 21. I have. The auxiliary guides 25 and 26 are fixed to mounting plates 27 and 28 which are fixed to the outside of the support plate 24. Then, a part of the resin-impregnated fiber bundle R impregnated with the resin by the resin impregnating device is guided to each guide member 21 via the auxiliary guide 25, and the other resin-impregnated fiber bundle R is guided via the auxiliary guides 25 and 26. It is guided by the member 21.
[0025]
As shown in FIG. 3, the arrangement of the arrangement head 17 on the side facing the auxiliary head 18 is such that the arrangement positions of all the guide members 21 are rotated by 18 degrees in the circumferential direction with respect to the arrangement positions in the arrangement head 16. The arrangement is the same as that of the arrangement head 16 on the side facing the arrangement head 17 except that the arrangement position is different. It is to be noted that the reason for the deviation by 18 degrees is to correspond to the illustration of ten resin-impregnated fiber bundles R for convenience of illustration.
[0026]
As shown in FIG. 5A, the spreader member 22 is formed in an annular shape having a hole 29a through which the mandrel 12 is inserted, and has an annular groove 29b formed in an end surface thereof. As shown in FIG. 5B, the fiber-spreading assisting member 23 is formed in an annular shape having a hole 30a through which the mandrel 12 is inserted, and has a configuration in which an annular ridge 30b is formed on an end surface thereof. Then, as shown in FIG. 4, in a state where the array heads 16 and 17 and the auxiliary head 18 are combined (combined) with each other and can be moved integrally, the ridge 30 b is loosely fitted into the annular groove 29 b. Have been.
[0027]
Next, a method of manufacturing an FRP pipe using the FW device 11 configured as described above will be described. In this embodiment, a thermosetting resin (for example, epoxy resin) is used as the resin, and roving of carbon fiber is used as the fiber bundle. Roving means a substantially non-twisted fiber bundle obtained by bundling a number of thin filaments of a single fiber.
[0028]
First, the mandrel 12 is supported by the operator on the chuck 13 of the FW device 11 in a state of penetrating the array heads 16 and 17 and the auxiliary head 18. Next, the arrangement heads 16 and 17 and the auxiliary head 18 are arranged at positions where it is easy to guide the resin-impregnated fiber bundle R to the predetermined position of the mandrel 12 via the guide member 21 and the opening portion. Next, the operator pulls out the fiber bundle from the fiber bundle supply unit, and guides the fiber bundle to the fiber bundle arrangement head 14 via the resin impregnating device, the tension adjusting unit, and the like. Then, after being guided to the guide member 21 through the auxiliary guides 25 and 26 of the array heads 16 and 17 and inserted into the guide member 21, the end of the resin-impregnated fiber bundle R passes between the opening member 22 and the opening assist member 23. The part is fixed at a predetermined position at the end of the mandrel 12. The fixing operation of the end portion of the fiber bundle is manually performed by an operator, and is fixed using, for example, an adhesive tape.
[0029]
Next, as shown in FIG. 4, the array heads 16, 17 and the auxiliary head 18 are set in a state where they are connected to each other. In this state, the resin-impregnated fiber bundle R guided to the mandrel 12 via the guide member 21 passes through the fiber-spreading member 22 and is spread while being pressed by the fiber-spreading member 22 and the fiber-spreading auxiliary member 23. The opening by the opening unit is performed in a state where the resin-impregnated fiber bundle R extends in a direction perpendicular to the rotation axis direction of the mandrel 12. Further, the operator inputs to the control device C winding conditions such as the rotation speed of the mandrel 12 and the reciprocating movement width when the fiber bundle array head 14 is arranged (wrapped).
[0030]
Next, the winding operation of the resin-impregnated fiber bundle R by the FW device 11 is started. When the FW device 11 is driven, the mandrel 12 is rotated in a certain direction, the fiber bundle arrangement head 14 starts moving from one end of the mandrel 12, and is reciprocated along the longitudinal direction of the mandrel 12. The fiber bundle R is wound around the surface of the mandrel 12 such that an angle (winding angle) with the axial direction of the mandrel 12 becomes a predetermined angle so as to form a helical winding layer. The winding angle is set to a predetermined value that satisfies the characteristics such as bending, torsion, and vibration required for the FRP pipe of the product. When an FRP pipe is used for the propeller shaft, the winding angle is set to, for example, 10 to 15 °. The fiber bundle R is wound so as to pass between the pins 15a provided on the pin ring 15, and is wound in a state in which movement in the circumferential direction is restricted by the pins 15a.
[0031]
The guide member 21 provided on the second array head 17 transfers the resin-impregnated fiber bundle R to be guided to the resin-impregnated fiber bundle guided by the guide member 21 provided on the first array head 16 to the opening member 22. Guide the R to be arranged in the center between the arranged positions. Then, as shown in FIGS. 6B and 6C, the arrangement head 17 is guided by the guide member 21 of the arrangement head 16 and the opened fiber bundle Ra wound adjacently on the mandrel 12. The fiber bundle Rb opened and guided by the guide member 21 is wound around the mandrel 12 in a partially overlapping state.
[0032]
After a predetermined number of helical winding layers (for example, four layers) are formed, the winding operation by the fiber bundle arranging head 14 is interrupted, and the winding angle of the fiber bundle R is substantially 90 by a hoop winding head (not shown). A so-called hoop winding layer wound in a state close to ° is formed in a predetermined layer (for example, one layer). The hoop winding layer is formed over the entire length of the body portion 12a of the mandrel 12, or at a position corresponding to both ends of the body portion 12a. Thereafter, the winding of the resin-impregnated fiber bundle R is completed when the helical winding layer is formed again by the fiber bundle arrangement head 14 in a predetermined layer (for example, two layers).
[0033]
After the winding is completed, both ends of the formed body (not shown) formed on the mandrel 12 are cut by cutters (not shown) at predetermined positions closer to the center of the mandrel 12 than the positions of the pins 15a. You. Further, the resin-impregnated fiber bundle R connected to the fiber bundle supply unit is cut. Thereafter, the mandrel 12 is removed from the chuck 13 of the FW device 11 and, at an uncured stage of the resin-impregnated fiber bundle R, the unnecessary resin-impregnated fiber bundle R wound around the shaft portion 12b from the cutting position is removed. .
[0034]
Thereafter, the mandrel 12 is put into a heating furnace together with the molded body, and the resin is cured at a predetermined temperature. The curing temperature differs depending on the resin. For example, in the case of an epoxy resin, it is about 180 ° C. After heat curing and cooling, the molded body is removed from the mandrel 12 to form a FRP pipe having a predetermined length. The FRP pipe is used as a propeller shaft of an automobile, for example, with fitting members press-fitted at both ends.
[0035]
FIG. 6A is a schematic view showing a helical winding layer of an FRP pipe, FIG. 6B is a partial schematic cross-sectional view showing a state where the helical winding layers are stacked, and FIG. 6C is a relation between adjacent fiber bundles. FIG. 6D is a schematic sectional view corresponding to FIG. 6B when FW is performed by a conventional FW device. Although the surface of the mandrel 12 is a curved surface, FIGS. 6B to 6D schematically illustrate the surface as a plane.
[0036]
As shown in FIG. 6A, the FRP pipes 31 are arranged so that the fiber bundles R constituting the helical winding layer 32 do not cross each other in the same layer. Further, as shown in FIG. 6B, the fiber bundles R constituting the same layer are arranged in a state where a part thereof overlaps. On the other hand, when the FW device described in Patent Document 1 is used, as shown in FIG. 6D, adjacent resin-impregnated fiber bundles R are in a state where there is a gap between each other, or the ends in the width direction have ends. They are arranged in contact.
[0037]
This embodiment has the following effects.
(1) In the FRP pipe 31, the fiber bundles R constituting the helical winding layer do not cross each other in the same layer, and the adjacent fiber bundles R are arranged in a state where a part thereof overlaps. Accordingly, the fiber bundles R constituting the helical winding layer are arranged without gaps in the same layer, and the strength and durability are improved as compared with those arranged with a gap between adjacent fiber bundles. In addition, when manufacturing by the FW method, all the fiber bundles R arranged in the same layer can be wound around the mandrel 12 at the same time, so that the productivity can be improved.
[0038]
(2) The fiber bundle arranging head 14 guides the fiber bundles R to be arranged into a plurality of groups so that the adjacent fiber bundles R belong to different groups while being arranged on the mandrel 12. And a fiber opening section for opening the fiber bundle R for each group guided by the guide section. Therefore, it is easy to secure a space for disposing the guide member 21 that guides all the fiber bundles R to the opening portion. In addition, since the number of fiber bundles to be spread at each fiber opening portion is reduced, the fiber bundles R adjacent to each other do not come into contact with each other, which facilitates fiber opening.
[0039]
(3) The guide unit guides the fiber bundles R that belong to different groups and are arranged on the mandrel 12 in an adjacent state so that the fiber bundles R are arranged on the mandrel 12 with a part thereof overlapping. Therefore, in a state where the fiber bundles R belonging to each group are wound on the mandrel 12 to form a single helical winding layer, adjacent fiber bundles R in the same layer are arranged in a state where their ends are surely overlapped. Is done. The overlap width (wrap amount) can be adjusted by adjusting the number of fiber bundles R to be used and the width of the fiber bundles R after opening.
[0040]
(4) The fiber bundle array head 14 includes a plurality of array heads 16 and 17 that can move independently, and each of the array heads 16 and 17 configures the guide member 21 that configures the guide section and the fiber opening section. The opening member 22 is provided. Therefore, by increasing the number of arrangement heads, the number of fiber bundles R per each spread member 22 can be reduced, and it is possible to cope by preparing a plurality of arrangement heads having the same configuration.
[0041]
(5) The guide member 21 guides the fiber bundles R belonging to the same group to the spreader member 22 so that the intervals are equal. Therefore, it becomes easy to arrange the fiber bundles R belonging to each group on the mandrel 12 at equal intervals. As a result, even when the adjacent fiber bundles R guided by the plurality of array heads 16 and 17 and wound on the mandrel 12 are wound in a partially overlapped state, it is easy to set the overlap state to a desired state. .
[0042]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is significantly different from the first embodiment in that the auxiliary head 18 does not exist and that the fiber-spreading auxiliary member is shared by the two arrangement heads 16 and 17. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted. FIG. 7 is a partial schematic view of the FW device 11, FIG. 8A is a partially enlarged view of FIG. 7, FIG. 8B is a schematic front view of the opening aid member, and FIG. It is a partial schematic diagram of a state arranged in a position.
[0043]
As shown in FIG. 7, the second arrangement head 17 has the guide member 21 and the spread member 22 arranged on the side facing the first arrangement head 16. The arrangement positional relationship of each guide member 21 is the same as in the first embodiment.
[0044]
The arraying head 16 is provided with a fiber-spreading assisting member 33 that can approach and separate from the fiber-spreading member 22. As shown in FIG. 8B, the fiber opening assisting member 33 has a configuration in which an annular convex ridge 34b is formed on both surfaces of a substantially square plate 34 in which a hole 34a through which the mandrel 12 is inserted is formed. Has become.
[0045]
Guide holes 34c are formed at four corners of the plate 34. A support pin 35 projects from the array head 16 in correspondence with the guide hole 34c, and the plate 34 is supported with the guide hole 34c penetrated by the support pin 35. A male screw is formed on the tip side of the support pin 35, and a nut 36 screwed to the male screw is configured to prevent the plate 34 from being detached from the support pin 35. A coil spring 37 for urging the plate 34 toward the nut 36 is provided on the base end side of the support pin 35. Since the guide members 21 mounted on the two array heads 16 and 17 are arranged out of phase with each other, even if they are arranged on opposite surfaces of the two array heads 16 and 17, There is no possibility that the guide members 21 will interfere with each other in a state where the members 17 are connected.
[0046]
In the FW device 11 according to this embodiment, in a state where the two arrangement heads 16 and 17 are not connected, as shown in FIG. 7, the opening aid member 33 is separated from the opening member 22 of the both arrangement heads 16 and 17. Held in position. Further, in a state where the two arrangement heads 16 and 17 are combined, as shown in FIG. 9, each of the protrusions 34 b of the opening aid member 33 is loosely fitted into the annular groove 29 b of the opening member 22 of the arrangement heads 16 and 17. It is kept in the state. Therefore, by moving the fiber bundle arrangement head 14 in the state shown in FIG. 9, the resin-impregnated fiber bundle R spread at the two spread portions is wound on the mandrel 12 as in the above-described embodiment. .
[0047]
In the FW device 11 of this embodiment, when performing the operation of inserting the resin-impregnated fiber bundle R into the guide member 21 of the array head 16 as the FW preparation operation, the fiber-spreading assisting member 33 is removed from the support pin 35. The operation is performed without interfering with the operation. Then, after the insertion work or the like into the guide member 21 is completed, the fiber-spreading assisting member 33 is attached to the support pin 35. Thereafter, the operation of inserting the resin-impregnated fiber bundle R into the guide member 21 of the array head 17 is performed.
[0048]
This embodiment has the following effects in addition to the effects similar to (1) to (3) and (5) of the first embodiment.
(6) Since the auxiliary head 18 is omitted, the length of the entire fiber bundle arranging head 14 in the moving direction is shortened and downsized, and the FW device 11 as a whole can be downsized. Further, since the moving distance of the fiber bundle arranging head 14 is shortened, the time required for the fiber bundle arranging head 14 to arrange one layer of the resin-impregnated fiber bundle R is shortened, and the productivity is improved. The yield of the bundle is improved.
[0049]
(7) Since the fiber-spreading assisting member 33 is shared by the fiber-spreading members 22 of the array heads 16 and 17 and the fiber-spreading members 22 of the array heads 16 and 17 are provided so as to be opposed to each other, the fiber-spreading part is The distance to the fiber bundle winding position on the mandrel 12 is shorter than in the first embodiment, and the yield of the fiber bundle is further improved.
[0050]
(8) Since the fiber-spreading assisting member 33 is configured to be removable, the fiber-spreading assisting member 33 interferes with the preparation work for inserting the resin-impregnated fiber bundle R into the guide member 21 of the array head 16. Not.
[0051]
(9) The plate 34 is pressed by the spreader member 22 of the array head 17 so that the ridge 34b is disposed at the spreader position where the protrusion 34b is loosely fitted with the annular groove 29b of the spreader member 22, so that the plate 34 is moved to the spreader position. There is no need to provide a dedicated actuator for moving the actuator. Therefore, the configuration is simplified.
[0052]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. This embodiment is significantly different from the first and second embodiments in that the number of arrangement heads is one and that the opening portion is configured to change the opening amount. Portions similar to those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted. FIG. 11 is a partial schematic view of the FW device 11, and FIG. 10 is a partially enlarged view of FIG.
[0053]
As shown in FIG. 11, the fiber bundle arranging head 14 is provided with a guide member 21 and a spread member 22 on both front and rear sides (left and right sides in FIG. 11) of one arranging head 38. Each of the guide members 21 provided on the front side and each of the guide members 21 provided on the rear side respectively guide the ten resin-impregnated fiber bundles R, and the arrangement position of each of the guide members 21 provided on the front side and the rear side Are arranged out of phase with each other by 18 degrees. Further, an opening assisting member 39 is provided corresponding to each opening member 22.
[0054]
Similar to the opening assisting member 33 of the second embodiment, the opening assisting member 39 has an annular ridge 40a on one surface of a substantially square plate 40 having a hole through which the mandrel 12 is inserted. It has a formed configuration. Guide rods 41 for guiding the fiber-spreading assisting member 39 outside the fiber-spreading member 22 are provided at the front and rear sides of the array head 38 at positions corresponding to the three corners of the plate 40. Guide holes 40b into which the guide rods 41 are inserted are formed at three corners of the plate 40, and the plate 40 is slidably supported along the guide rods 41 with the guide holes 40b penetrated by the guide rods 41. .
[0055]
In addition, a linear actuator 42 is disposed on the array head 38 at a position corresponding to the remaining one corner of the plate 40 so that the drive rod 43 extends in parallel with the guide rod 41. A small diameter portion 43a is formed at the tip of the drive rod 43, and a hole 40c that fits into the small diameter portion 43a is formed at one corner of the plate 40. The plate 40 has a small diameter portion 43a that penetrates the hole 40c, and is fixed to the drive rod 43 by a nut 44 that is screwed into a male screw portion formed at the tip. The linear actuator 42 employs a ball screw so that the amount of protrusion of the drive rod 43 can be adjusted with high accuracy.
[0056]
The linear actuator 42 is configured such that the protrusion amount of the drive rod 43 can be changed based on a command signal from the control device C, and the spread amount becomes smaller as the helical winding layer is wound closer to the mandrel 12 (inner side). Thus, the amount of protrusion of the drive rod 43 is adjusted. The memory of the control device C stores the opening of the resin-impregnated fiber bundle R constituting each layer in accordance with the FW conditions such as the thickness, type, number, and outer diameter of the mandrel 12 of the resin-impregnated fiber bundle R used for the FW. A map or a table showing the relationship between the fineness and the protrusion amount of the drive rod 43 is stored. Then, when forming each helical winding layer according to the FW conditions, the control device C instructs the linear actuator 42 to project the amount of protrusion of the drive rod 43 so as to obtain an appropriate spread amount.
[0057]
In the FW device 11 of this embodiment, when performing the operation of inserting the resin-impregnated fiber bundle R into the guide member 21 as the FW preparation operation, the fiber-spreading assisting members 39 are detached from the drive rod 43, and the operation is performed. It is performed in a state where it is moved to a position where it does not interfere. Then, after the insertion work or the like into the guide member 21 is completed, the fiber opening assistance member 39 is attached to the drive rod 43.
[0058]
Then, as shown by a solid line in FIG. 11, the arrangement head 38 is moved in a state in which each opening aid member 39 is arranged at the opening position where the ridge 40 a loosely fits into the annular groove 29 b, and the resin to the mandrel 12 is moved. The impregnated fiber bundle R is wound.
[0059]
This embodiment has the following effects in addition to the effects similar to (1) to (3) and (5) of the first embodiment and (6) of the second embodiment.
(10) Since the number of the array heads is one, the length of the entire fiber bundle array head 14 in the moving direction is shorter than that in the case where the number of the array heads is plural. The size of the entire device 11 can be further reduced. Further, the moving distance required for the fiber bundle arranging head 14 to reciprocate for arranging the fiber bundles R becomes shorter, and the time until the end of the FW can be further reduced.
[0060]
(11) The opening portion is configured so that the opening amount can be changed. Therefore, when the fiber bundles R are arranged in a plurality of layers on the mandrel 12, the opening amount of the fiber bundles R arranged on the inside is reduced (the width is narrowed), and the fiber bundles R arranged on the outside are reduced. By increasing the opening amount (widening) of the fiber bundles, it becomes easy to adjust the overlapping amount of the adjacent fiber bundles R to an appropriate value for each layer.
[0061]
(12) Based on the relationship between the FW condition stored in the memory and the protrusion amount of the drive rod 43 corresponding to the opening amount of the resin-impregnated fiber bundle R, the control device C determines the proper opening condition corresponding to the FW condition. The protrusion amount of the drive rod 43 can be easily changed so as to obtain the fineness.
[0062]
(13) Since the fiber-spreading assisting member 39 is detachably fixed to the drive rod 43, the fiber-spreading assisting member 39 is prepared at the time of preparation for inserting the resin-impregnated fiber bundle R into the guide member 21 of the array head 38. Does not hinder the work.
[0063]
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
The guide member 21 is not limited to the configuration in which the guide member 21 is doublely arranged around the opening member 22. For example, the fiber bundles R may be arranged on the same circumference as a single layer, or may be arranged at any position where adjacent fiber bundles R are guided to the opening member 22 at equal intervals. Further, some or all of the auxiliary guides 25 and 26 may be omitted.
[0064]
It is not necessary for the guide member 21 to guide the adjacent resin-impregnated fiber bundles R so that the intervals between the adjacent resin-impregnated fiber bundles R are equal, and all the fiber bundles R constituting one helical winding layer are arranged without any gap. As long as guidance is possible, the intervals may be slightly different. However, a configuration in which adjacent resin-impregnated fiber bundles R are guided so as to have the same interval is preferable because the resin-impregnated fiber bundles R can be uniformly arranged.
[0065]
The entire guide member 21 of one set of the two guide members 21 may be configured to be rotatable around the opening member 22. For example, in the first embodiment, instead of directly fixing the guide member 21 provided on the second array head 17 to the support plate 24, as shown in FIG. I do. Then, the guide member 21 is fixed on the mounting plate 45. Further, the array head 17 is provided with an actuator 46 for rotating the mounting plate 45, and connects the drive rod 47 of the actuator 46 to a connecting piece 45 a protruding from the mounting plate 45. In this embodiment, the number of resin-impregnated fiber bundles R guided by the array heads 16 and 17 is reduced to eight at a time. In this configuration, the mounting plate 45 is rotated by the driving of the actuator 46. Accordingly, the position of the resin-impregnated fiber bundle R guided by the guide member 21 provided on the first arrangement head 16 and the resin-impregnated fiber bundle R guided by the guide member 21 provided on the second arrangement head 17 The relationship with the position of can be adjusted. Even when the guide member 21 of the first array head 16 and the guide member 21 of the second array head 17 are accurately arranged with a predetermined phase difference, the position at which the resin-impregnated fiber bundle R passes through the guide member 21. May vary depending on the rotation direction of the mandrel 12. When the FW device 11 can select the rotation direction of the mandrel 12 at the time of FW, the guide member 21 may be arranged to be biased corresponding to the right rotation and the left rotation, respectively, as compared with the case where the guide member 21 is accurately arranged with a predetermined phase difference. However, it is possible to partially overlap the opened fiber bundles R in a uniform state. Further, when the fiber bundle array head 14 moves from one end of the FW device 11 toward the other end and when the fiber bundle arrangement head 14 moves from the other end toward the one end, the rotation direction of the mandrel 12 is changed to perform winding. Also when performing, the position of the fiber bundle R may be slightly shifted. However, by making the position of one of the guide members 21 changeable, it is possible to perform FW in a state where the positional relationship between the guide members 21 provided on both the array heads 16 and 17 is always appropriate.
[0066]
In the above-described embodiment in which one set of the guide members 21 of the two sets of guide members 21 is configured to be rotatable around the spreader member 22, a configuration in which the mounting plate 45 is driven by the actuator 46 is used instead. Then, it may be configured to rotate manually. For example, a hole through which a fixing bolt or a pin is inserted is formed in the mounting plate 45, and a screw hole into which the bolt is screwed to the array head 17 or a fitting hole into which the pin is fitted is formed. Prior to the operation of the FW device 11, the bolt or pin is pulled out of the screw hole or the fitting hole, and the mounting plate 45 is manually rotated to a position corresponding to the rotation direction of the mandrel, and the bolt or pin is screwed into the screw hole or fitting hole. It is configured to be fixed in the fitting hole.
[0067]
As shown in FIG. 13, the guide rings 49a and 49b may be provided double inside the guide member 21 of the array head 48. The guide rings 49a and 49b may be arranged on the same plane as shown in FIG. 14A, or may be arranged on different planes as shown in FIG. 14B. Both guide rings 49a, 49b are connected by a rod-shaped connecting portion 49c. The resin-impregnated fiber bundles R guided to the fiber opening section via the guide members 21 are arranged such that the adjacent fiber bundles R alternately engage with the inner portions of the inner guide ring 49a and the outer guide ring 49b. , 49b. Also in this configuration, a large number of fiber bundles R can be guided to the opening portion while suppressing interference between the fiber bundles R. Since there is a connecting portion 49c connecting the guide rings 49a and 49b, the connecting portion 49c interferes with the resin-impregnated fiber bundle R when the fiber bundle R is arranged to be wound around the mandrel 12. Therefore, it is preferable to use the resin-impregnated fiber bundle R when it is arranged in a state parallel to the axial direction of the mandrel 12 or in a state where the winding angle is close to 0 °. When arranging the resin-impregnated fiber bundle R in a state parallel to the axial direction of the mandrel 12 or in a state where the winding angle is close to 0 °, the fiber bundle arrangement head 14 moves the resin-impregnated fiber bundle R to the shaft portion 12b of the mandrel 12. The mandrel 12 is rotated in a state where the mandrel 12 has been moved to a position where it can be wound around the position corresponding to. Then, after the resin-impregnated fiber bundle R is wound around the shaft portion 12b of the mandrel 12, the fiber bundle array head 14 is moved to the opposite side in a state where the rotation of the mandrel 12 is stopped or in a state where the mandrel 12 is rotated at an extremely low speed. Start moving towards. Note that, for convenience of illustration, the annular groove 29b of the fiber opening member 22 is omitted.
[0068]
In the first embodiment, the auxiliary head 18 is omitted, and the fiber-spreading auxiliary member 39 driven by the actuator as in the third embodiment is provided on the side of the array head 17 where the guide member 21 is provided, as in the third embodiment. May be provided. In this case, it is not necessary for the actuator to be able to adjust the pressing force by the opening aid member 39, that is, to be able to change the opening amount. The opening position of the opening assist member 39 and the position where the opening auxiliary member 39 is separated from the opening member 22 are separated. What is necessary is just to have a function to move to. Even with this configuration, the effect of eliminating the auxiliary head 18 can be obtained.
[0069]
○ Three or more array heads may be provided. When three or more array heads are provided, if the number of resin-impregnated fiber bundles R required to form one helical winding layer is the same, the number of fiber bundles R to be guided by each array head is reduced. You can do less. The resin-impregnated fiber bundles R do not necessarily need to be guided in substantially equal numbers by each array head, but are preferably guided in substantially equal numbers by each array head. When the number of resin-impregnated fiber bundles R guided by the guide member 21 of each array head is the same, the phase difference between the resin-impregnated fiber bundles R guided by each array head becomes small. For example, in the first embodiment, if the number of arrangement heads is three and the number of resin-impregnated fiber bundles R guided by each arrangement head is ten, the number of guide members 21 provided on each arrangement head is reduced. Are arranged in a state where the phases of the arrangement positions are shifted by 12 degrees. Therefore, when the resin-impregnated fiber bundles R are wound around the mandrel 12 having a large outer diameter, the resin-impregnated fiber bundles R can be easily arranged in a state of being partially overlapped.
[0070]
The opening assisting members 33 and 39 provided in each of the array heads 16 and 38 need not be removable. However, when it is not detachable, when performing a preparation operation of guiding the resin-impregnated fiber bundle R to the opening portion via the guide member 21, the opening assistance members 33 and 39 can be guided to a position that does not hinder the operation. It is necessary to change the length of the support pin 35 and the guide rod 41.
[0071]
○ The type of the fiber bundle R to be used may be changed for each opening part. When different types of fiber bundles are used, the appropriate opening amount is generally different. For example, when fiber bundles having different numbers of single fibers are mixed in the same layer, the FW apparatus disclosed in Patent Literature 1 has one fiber opening part, and therefore is opened under a condition suitable for one fiber bundle. Is performed, the fiber opening conditions are not suitable for the other fiber bundle. However, in the case where the type of the resin-impregnated fiber bundle R is changed for each opening part, the fiber can be opened under conditions suitable for each resin-impregnated fiber bundle R. Therefore, the degree of freedom in adjusting the physical properties of the manufactured FRP pipe is increased.
[0072]
The shapes of the opening member 22 and the opening assist member 23 may be reversed. That is, an annular groove may be provided in the fiber opening assisting member 23, and a ridge may be provided in the fiber opening member 22 to be loosely fitted in the annular groove. Further, the shapes of the fiber-spreading member 22 and the fiber-spreading assisting member 23 are not limited to the shapes described above. When the resin-impregnated fiber bundle R is pressed by the fiber-spreading member 22 and the fiber-spreading assisting member 23, the resin-impregnated fiber bundle R Any shape having a function of being crushed flat may be used. For example, the number of the annular grooves 29b may be plural, or the annular grooves may be V-shaped grooves or U-shaped grooves instead of square in section. The same applies to the case where other fiber opening assisting members 33 and 39 are used.
[0073]
Instead of fixing the pin ring 15 to the end of the mandrel 12, the pin 15a may be fixed directly to the mandrel 12 so as to be detachable.
○ Before the resin-impregnated fiber bundle R is cured, only the fiber bundle R connected to the fiber bundle supply unit is cut, and unnecessary portions are removed after the resin-impregnated fiber bundle R is cured, with the pin 15a pulled out. You may do so.
[0074]
The present invention may be applied to the manufacture of an FRP pipe for a drive shaft other than a vehicle propeller shaft.
The present invention is not limited to the FRP pipe, and may be applied to the manufacture of a pressure vessel which is formed in a shape having domes at both ends of a cylindrical portion and is used to store various high-pressure gases and pressurized fluids. In this case, instead of the mandrel 12, a base member of a liner (hollow body) as a member to be wound provided with a base member is supported on the chuck 13 directly or via a shaft fixed to the base member, and Wind the fiber bundle R around the surface.
[0075]
When manufacturing the FRP pipe, instead of winding the resin-impregnated fiber bundle R around the mandrel 12, a cylindrical member is used as a member to be wound, and jigs having shaft portions at both ends of the cylindrical member are attached. The resin-impregnated fiber bundle R may be wound around the tubular member while the tubular portion is supported by the chuck 13 through the intermediary. The tubular member only needs to have a strength that does not deform when the resin-impregnated fiber bundle R is wound, and the material such as paper, resin, and metal is not particularly limited. When it is made of metal, it is preferably made of a metal that is lightweight and has high heat resistance and rigidity.
[0076]
○ Depending on the performance required of the product, the type of fiber bundle and the type of resin impregnated in the fiber bundle may be other than the combination of carbon fiber and epoxy resin. However, when forming a propeller shaft, a combination of carbon fiber and epoxy resin is preferable from the viewpoint of cost and required performance.
[0077]
The following technical idea (invention) can be understood from the above embodiment.
(1) In the invention according to the first aspect, fiber bundles composed of different types of fibers are used as the fiber bundles arranged adjacently in the same layer.
[0078]
(2) In the invention according to claim 5, an even number of the array heads are provided, the guide portions are provided on two opposing sides of the two array heads forming a pair, respectively, and the fiber opening portion is the Each of the arrangement heads includes a fiber-spreading member provided on each of the sides facing each other, and a fiber-spreading assisting member shared by the two arrangement heads.
[0079]
(3) In the invention according to claim 6, a fiber-spreading assisting member is provided to face each of the fiber-spreading members, and each fiber-spreading assisting member cooperates with the fiber-spreading member to spread the fiber bundle. And a position separated from the opening member by the actuator.
[0080]
(4) In the invention according to any one of claims 2 to 8, among the guide members that constitute the guide portion and guide the fiber bundles belonging to different groups, the first group of fiber bundles The guide member for guiding the fiber bundles belonging to each of the remaining groups is rotatable relative to the guide member for guiding the fiber bundles of the first group, and is fixed at a predetermined position. And can be fixed.
[0081]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, the productivity can be increased, and the fiber bundles constituting the helical winding layer are arranged without gaps in the same layer, so that the strength and durability are improved. improves. According to the invention described in claims 2 to 8, the FRPs in which the fiber bundles constituting the helical winding layer do not cross each other in the same layer and are arranged in a state where a part of the adjacent fiber bundles overlap each other. It is possible to manufacture a pipe made of a pipe, and it is easy to secure a space for guiding all the fiber bundles to the opening portion.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial schematic view of a FW device.
FIG. 2 is a schematic enlarged cross-sectional view taken along line AA of FIG.
FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view taken along line BB of FIG. 1;
FIG. 4 is a partial schematic view of the FW device in a state where the respective array heads are combined.
5A is a schematic perspective view of a fiber-spreading member, and FIG. 5B is a schematic perspective view of a fiber-spreading assisting member.
6A is a schematic view showing a helical winding layer of an FRP pipe, FIG. 6B is a partial schematic cross-sectional view showing a state where the helical winding layers are stacked, and FIG. 6C shows a relationship between adjacent fiber bundles. FIG. 2D is a schematic cross-sectional view corresponding to FIG. 2B when FW is performed by a conventional FW apparatus.
FIG. 7 is a partial schematic view of a FW device according to a second embodiment.
8A is a partially enlarged view of FIG. 7, and FIG. 8B is a schematic front view of a fiber-spreading assisting member.
FIG. 9 is a partial schematic view showing a state in which the opening member is arranged at an opening position.
FIG. 10 is a partially enlarged view of FIG. 11 showing a third embodiment.
FIG. 11 is a partial schematic view of a FW device according to a third embodiment.
FIG. 12 is a schematic front view of a head according to another embodiment.
FIG. 13 is a schematic front view of a head according to another embodiment.
FIGS. 14A and 14B are schematic perspective views showing a guide ring.
[Explanation of symbols]
R, Ra, Rb: fiber bundle, 11: FW device (filament winding device), 12: mandrel as a member to be wound, 13: chuck as a rotation support part, 14: fiber bundle array head, 16, 17, 38 , 48: Array head, 21: Guide member constituting a guide portion, 22: Spread member constituting a spread portion, 23, 33, 39 ... Spreading assisting member, 31 ... Pipe made of FRP, 32 ... Helical winding layer.
