JP2007260974A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維内部への十分な樹脂含浸と樹脂含浸量の正確な管理との両立が可能なフィラメントワインディング装置を提供すること。
【解決手段】ワーク（回転部材）１６に繊維束（繊維）Ｆを巻付けるフィラメントワインディング装置において、ワーク１６の被巻付け面のうち繊維束Ｆが巻付けられる直前の部位に樹脂を付与するスプレーノズル（樹脂付与手段）２０と、繊維束Ｆに巻付け張力を付与するクリールスタンド（張力付与手段）１２ａと、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。

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には、樹脂含浸バスで繊維に樹脂を含浸し、この樹脂含浸繊維を回転するマンドレルに所定の角度で巻き付ける方法や、繊維をマンドレルに巻付けた後で当該繊維に樹脂を含浸させる方法等がある（例えば、特許文献１に参照）。
特開平８−１０８４８７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている方法は、マンドレルに巻き付けられた繊維を樹脂浴中に浸すことにより繊維に樹脂を付与するものであるため、マンドレルに巻き付ける前の繊維に樹脂を含浸させる方法に比して樹脂含浸量を正確に管理できるという利点がある一方で、繊維の表面にのみ樹脂が塗布されるので、重ね巻きされた繊維の内部への含浸が十分でないという課題がある。

上記事情に鑑み、本発明は、繊維内部への十分な樹脂含浸と樹脂含浸量の正確な管理との両立が可能なフィラメントワインディング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のフィラメントワインディング装置は、回転部材に繊維を巻付けるフィラメントワインディング装置において、前記回転部材の被巻付け面のうち前記繊維が巻付けられる直前の部位に樹脂を付与する樹脂付与手段を備えたものである。樹脂付与手段としては、例えばスプレーノズルの採用が可能である。

本構成では、繊維を回転部材に巻付ける前に当該繊維に予め樹脂を含浸させるのではなく、回転部材の被巻付け面（表面）に樹脂を付与する。その際、繊維を巻付ける直前の部位に樹脂を付与することにより、繊維が巻付けられるとともに樹脂が繊維に接触し、繊維の巻き付け力により樹脂が繊維に含浸する。樹脂槽に繊維を含浸させる場合と比較し、樹脂含浸量を容易かつ正確に制御することが可能になると共に、繊維が樹脂槽を通過することによる繊維への抵抗が無くなる。

本発明のフィラメントワインディング装置においては、前記繊維に巻付け張力を付与する張力付与手段を備えてもよい。

本構成では、繊維に張力を作用させた状態で回転部材への巻き付けが行われることにより、回転部材の被巻付け面に与えられた樹脂の繊維内部への浸透が促進される。

本発明のフィラメントワインディング装置において、前記樹脂付与手段は、前記回転部材の回転速度（単位時間当たりの回転数）に応じて、前記樹脂の付与量を制御してもよい。

本構成では、回転部材の回転速度に変動が生じた場合でも、回転部材の単位面積当りの樹脂付与量、ひいては繊維への樹脂含浸量を均一に制御することが可能となる。

本発明のフィラメントワインディング装置において、前記樹脂付与手段は、前記被巻付け面における前記繊維の巻付け位置に応じて、前記樹脂の付与位置を制御してもよい。

本発明のフィラメントワインディング装置において、前記樹脂付与手段は、前記被巻付け面のうち上半面側に前記樹脂を付与してもよい。

本構成では、樹脂が付与される回転部材の被巻付け面が常に水平方向よりも重力方向上方を向くので、樹脂の重力及び回転部材の遠心力による樹脂の飛散を抑制することができる。

なお、本発明における「繊維」とは、繊維１本を意味するだけでなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束を撚ってなる繊維束をも含む。

本発明のフィラメントワインディング装置によれば、繊維内部への十分な樹脂含浸と樹脂含浸量の正確な管理との両立が可能となる

次に、本発明の一実施形態に係るフィラメントワインディング装置について、図面を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、フィラメントワインディング装置（以下、「ＦＷ装置」という。）１１は、繊維束供給部１２、樹脂含浸装置１３、繊維束ガイド１４及び給糸ユニット１５を備えている。給糸ユニット１５は、不図示のチャックに支持されたワーク（回転部材）１６の長手方向（図１における左右方向）に沿って往復移動可能に構成されている。

給糸ユニット１５を往復移動させる第１のアクチュエータ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１７ａを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。移動体１７ａ上には、給糸ユニット１５を昇降させる第２のアクチュエータ１８が固定され、給糸ユニット１５は第２のアクチュエータ１８に取り付けられている。

繊維束供給部１２は、繊維束（繊維）Ｆが巻かれた複数（この実施形態では４つ）のボビンＢ１〜Ｂ４が、クリールスタンド（張力付与手段）１２ａに連結された支軸１２ｂに支持される構成になっている。クリールスタンド１２ａは繊維束Ｆに張力を与えた状態でワーク１６へ供給する装置であり、クリールスタンド１２ａには例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸１２ｂ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。繊維束Ｆは、例えば、炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。

また、繊維束Ｆの経路途中に張力測定器２１が設けられ、その出力は制御部３０へ与えられる。制御部３０は、後述するように繊維束Ｆの張力が適切な値となるようにクリールスタンド１２ａを制御する。なお、図１ではクリールスタンド１２ａ及び張力測定器２１の図示を省略した。

樹脂含浸装置１３は、内部に樹脂を収容する樹脂槽１９を備える。この樹脂槽１９には、その内部から外部に樹脂を導く樹脂配管１９ａが設けられ、樹脂配管１９ａの先端には、樹脂を噴霧するスプレーノズル（樹脂付与手段）２０が取り付けられている。スプレーノズル２０は、ワーク１６の被巻付け面に樹脂を吹き付ける位置を移動させるための移動装置２０ａを備える。

スプレーノズル２０は、制御部３０により樹脂噴霧量及び吹き付け位置が制御される構成となっている。吹き付け位置は、後述のようにワーク１６における繊維束Ｆの被巻付け面のうち上半面側であって、繊維束Ｆが巻付けられる直前の部位である。

繊維束ガイド１４は、複数のボビンＢから引き出された繊維束Ｆを給糸ユニット１５に案内する装置である。給紙ユニット１５は複数の繊維束Ｆを束ね、繊維束Ｆとしてワーク１６に供給する装置である。

ワーク１６は、不図示のチャックによりその軸心を中心に回転可能に支持され、可変速モータにより回転駆動される。そして、制御部３０により可変速モータが制御されて、チャックが給糸ユニット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Ｆのワーク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。ワーク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。

制御部３０は、繊維束供給部１２、スプレーノズル２０、及びワーク１６の回転等、ＦＷ装置１１の全体を制御する装置である。

次に前記のように構成された給糸ユニット１５を備えたＦＷ装置１１の作用を説明する。

給糸ユニット１５は、取付け部２２において第２のアクチュエータ１８に固定されて、ＦＷ装置１１に取り付けられる。そして、例えば、高圧タンクを製造する場合は、先ずワーク１６としてのライナをＦＷ装置１１のチャックに支持させる。次に、第１のアクチュエータ１７及び第２のアクチュエータ１８を作動させて、給糸ユニット１５を原位置（巻付け開始位置）に配置する。

次に、繊維束供給部１２から繰り出された繊維束Ｆを、樹脂含浸装置１３及び繊維束ガイド１４を経て給糸ユニット１５に導き、繊維束Ｆの端部をワーク１６の所定位置に固定する。繊維束Ｆ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。また、ワーク１６の長さ、径、ワーク１６の回転速度、繊維束Ｆのワーク１６への巻付け時の幅等の巻付け条件を制御部３０に入力する。

次に、ＦＷ装置１１による繊維束Ｆの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置１１の運転が開始されると、ワーク１６が一定方向に回転されるとともに、第１のアクチュエータ１７の駆動により、給糸ユニット１５が移動体１７ａと共に巻付け開始位置からワーク１６の軸方向と平行に移動される。そして、繊維束供給部１２から複数の繊維束Ｆが順次引き出されてワーク１６上に巻き付けられる。

ワーク１６には、スプレーノズル２０により樹脂が吹き付けられる。繊維束Ｆはワーク１６の上方に供給され、下方に巻き込まれるように巻き付けられる。図３に示したように、スプレーノズル２０は、移動装置２０ａによりワーク１６の上半面側における繊維束Ｆが巻き付けられる直前の位置に移動し、符号Ａで示した同領域に樹脂を吹き付ける。

また、このときの樹脂吹き付け量は、ワーク１６の回転速度（単位時間当たりの回転数）に応じた量、例えばワーク１６の回転速度の関数で表される量である。制御部３０は、ワーク１６に対する単位面積当りの樹脂吹き付け量が常に等しくなるように吹き付け量を制御する。例えばワーク１６の回転速度が速い場合には樹脂吹き付け量が多くなるように制御する。

移動体１７ａの移動速度及びワーク１６の回転速度の調整により、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層の巻付けが行われ、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層が所定層数巻き付けられた時点で繊維束Ｆの巻付けが完了する。そして、ワーク１６に巻き付けられた繊維束Ｆの端部がワーク１６に固定され、この固定部から出口ガイドに連なる繊維束Ｆが切断される。

次に、ワーク１６がチャックから取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化されて、外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体としての回転対称形状の高圧タンクが形成される。

このように構成された本実施形態のフィラメントワインディング装置では、繊維束Ｆをワーク１６に巻付ける前に当該繊維束Ｆに予め樹脂を含浸させておくのではなく、ワーク１６の被巻付け面に樹脂を付与する。つまり、繊維束Ｆを巻付ける直前の部位に樹脂をスプレーすることにより、繊維束Ｆにはワーク１６を介して樹脂が与えられることになる。

この状態でワーク１６に繊維束Ｆが巻付けられると、樹脂が繊維束Ｆに接触し、繊維束Ｆの巻き付け力により樹脂が繊維束Ｆに含浸する。この間、張力測定器２１により繊維束Ｆの張力が測定され、クリールスタンド１２ａにより繊維束Ｆには適切な張力が与えられる。したがって、繊維束Ｆに張力を作用させた状態でワーク１６に巻き付けが行われることになり、ワーク１６の表面に与えられた樹脂が繊維束Ｆの内部に十分に浸透する。

また、制御部３０は、ワーク１６の回転速度が速いほど樹脂吹き付け量が多くなるようにスプレーノズル２０を制御する。これにより、ワーク１６の単位面積当りの樹脂量を均一に制御することができる。

さらに、スプレーノズル２０は、移動装置２０ａにより繊維が巻付けられる直前のワーク１６の被巻付け面に移動し、ワーク１６の上半面側に樹脂を吹き付ける。これにより、樹脂が付与されるワーク１６の表面（被巻付け面）は水平よりも重力方向上方を向くことになるので、樹脂の重力及びワーク１６の遠心力による樹脂の飛散を抑制することができる。

なお、上記の実施形態においては、樹脂をワーク１６に付与する樹脂付与手段としてスプレーノズルを用いたが、樹脂量を制御して付与することができるものであれば、これに限定されないことは言うまでもない。

フィラメントワインディング装置の模式平面図である。 フィラメントワインディング装置の模式側面図である。 同フィラメントワインディング装置においてワークに樹脂が吹き付けられる状態について示した模式側面図である。

符号の説明

Ｆ…繊維束、１１…フィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）、１２ａ…クリールスタンド（張力付与手段）、１６…ワーク（回転部材）、２０…スプレーノズル（樹脂付与手段）、２０ａ…移動装置、２１…張力測定器、３０…制御部

Claims (6)

1. 回転部材に繊維を巻付けるフィラメントワインディング装置において、
   前記回転部材の被巻付け面のうち前記繊維が巻付けられる直前の部位に樹脂を付与する樹脂付与手段を備えたフィラメントワインディング装置。
2. 前記繊維に巻付け張力を付与する張力付与手段を備えた請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
3. 前記樹脂付与手段は、前記回転部材の回転速度に応じて、前記樹脂の付与量を制御する請求項１または２に記載のフィラメントワインディング装置。
4. 前記樹脂付与手段は、前記被巻付け面における前記繊維の巻付け位置に応じて、前記樹脂の付与位置を制御する請求項１から３のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
5. 前記樹脂付与手段は、前記被巻付け面のうち上半面側に前記樹脂を付与する請求項１から４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
6. 前記樹脂付与手段がスプレーノズルである請求項１から５のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
   
   

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