JP2008221724A - 繊維束及びその接合方法、並びに、ｆｒｐ成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法において、繊維束の巻き付け易さを損なわず、且つ、成形体の形状の不均一や物性の低下を招くことのないように、繊維束を接合する。
【解決手段】繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、繊維束ｆ１の端部及び繊維束ｆ５の端部を、階段状に切断する工程（ａ）と、繊維束ｆ１の階段状に切断された端部１ａと、繊維束ｆ５の階段状に切断された端部１ｂとを、段ごとに接合する工程（ｂ）とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）成形体の製造方法、並びに、そこで用いられる繊維束とその接合方法に関する。

ＦＲＰ成形体の製造方法の１つとして、フィラメントワインディング（ＦＷ）法がある。ＦＷ法とは、樹脂を含浸させた繊維束をワーク（回転部材）に巻き付けることによって成形体を作製する方法である。さらに、この成形体を加熱して樹脂を硬化させることにより、ＦＲＰ成形体が完成する。ＦＷ法によれば、円柱や球等の回転体形状を有するＦＲＰ製品を効率良く作製できるので、パイプや高圧ガスタンク等の製造工程において利用されている。

ＦＷ装置には、繊維束が巻かれたボビンが備えられており、そこからワークに対して繊維束が連続的に供給される。そのため、ボビンに巻かれた繊維束を使い終えると、新しいボビンに交換する交換作業が行われる。
特開２０００−９４４７２号公報

１つのＦＲＰ成形体を作製している途中でボビンを交換する場合には、使用済みのボビンの繊維束の巻き終わりと新しいボビンの繊維束の巻き始めとを接合しなければならない。その際に、両者を結索すると、結び目付近が開繊されない状態で成形体内に取り込まれてしまう。すると、成形体表面から結び目部分が盛り上がる等、形状が不均一になってしまい、美観上好ましくない。また、結び目周辺の強度が低下する等、部分的に物性が低下するおそれもある。

或いは、１つのＦＲＰ成形体の作製中にボビン交換をしないで済むように、ボビンに繊維束が残っていても、新しいボビンに交換してからＦＷ装置の動作を開始させる場合もある。しかし、この場合には、繊維束の歩留まりが低下すると共に、ボビン交換の際に糸（繊維束）通し等の手間が生じるため、装置の稼働率が低下してしまう。

関連する技術として、特許文献１には、射出成形同時絵付装置で用いられるシート巻出装置において、ロールシートの終了端と新しいロールシートの開始端とを接着剤によって接合することが開示されている。

しかしながら、この方法をＦＷ法に適用し、単に接着剤を用いて繊維束同士を接合すると、接合部における柔軟性が低下してしまうので、繊維束をワークに巻き付け難くなってしまう。また、硬化した接合部はワークの形状に沿い難くなるので、やはり、形状の不均一や部分的な物性の低下を招くことになる。

そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、ＦＷ法によるＦＲＰ成形体の製造方法において、繊維束の巻き付け易さを損なわず、且つ、成形体の形状の不均一や物性の低下を招くことのないように、繊維束を接合すること目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る繊維束の接合方法は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、第１の繊維束の一方の端部と、第２の繊維束の一方の端部とを、前記第１及び第２の繊維束の長さ方向に分布又は分散する１つ又は複数の箇所において接合する工程を備える。
それにより、繊維束に直交する断面に含まれる接合部の面積又は幅は、接合部を分布又は分散させない場合に比較して小さくなるので、接合部周辺における繊維束の柔軟性低下を抑制することができる。

本発明の第２の観点に係る繊維束の接合方法は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、第１の繊維束の一方の端部、及び、第２の繊維束の一方の端部を、階段状に切断する工程（ａ）と、前記第１の繊維束の階段状に切断された端部と、前記第２の繊維束の階段状に切断された端部とを、段ごとに接合する工程（ｂ）とを備える。
かかる構成とすることにより、それぞれの段における第１の繊維束と第２の繊維束との接合部が繊維束の長さ方向に分散すると共に、各接合部が小さくなるので、接合部周辺における繊維束の柔軟性を保つことができる。また、各接合部における引っ張り強さも向上する。

ここで、工程（ｂ）において、前記第１及び第２の繊維束の端部を、接着剤を用いて段ごとに接合しても良い。この場合においても、接着領域が繊維束の長さ方向に分散し、且つ、各接着領域の面積が小さくなるので、接着剤が硬化した際にも、繊維束の柔軟性の低下を抑制することができる。

また、工程（ｂ）において、前記第１及び第２の繊維束の端部を段ごとに結索しても良く、この場合には、結索部が繊維束の長さ方向に分散すると共に、各結索部が小さくなる。それにより、結索部を含む繊維束の厚さと、結索部を含まない繊維束の厚さとの差を小さく抑えることができる。

或いは、工程（ｂ）において、前記第１及び第２の繊維束の端部にエアを吹き付けて、段ごとに互いに絡ませても良く、この場合には、纏絡部が繊維束の長さ方向に分散すると共に、各纏絡部が小さくなる。それにより、纏絡部を含む繊維束の厚さと、纏絡部を含まない繊維束の厚さとの差を小さく抑えることができる。

本発明の第３の観点に係る繊維束の接合方法は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、第１の繊維束の一方の端部、及び、第２の繊維束の一方の端部を、斜めに切断する工程（ａ）と、前記第１の繊維束の端部の斜面と前記第２の繊維束の端部の斜面とを対面させて接合する工程（ｂ）とを備える。
かかる構成とすることにより、第１の繊維束と第２の繊維束との接合面が繊維束の長さ方向に分布し、繊維束に直交する断面に含まれる接合部の幅が小さくなるので、接合部周辺の繊維束の柔軟性低下を抑制することができる。

ここで、工程（ｂ）において、前記第１の繊維束の端部の斜面と前記第２の繊維束の端部の斜面とを接着剤により接合しても良い。この場合においても、各断面に含まれる接着領域の幅が狭くなっているので、接着剤が硬化した際にも、繊維束の柔軟性の低下を抑制することができる。

本発明の１つの観点に係る繊維束は、第１の繊維束と、第２の繊維束であって、一方の端部が前記第１の繊維束の一方の端部に接合されている第２の繊維束とを備え、前記第１の繊維束と前記第２の繊維束とが、前記第１及び第２の繊維束の長さ方向に分布又は分散している１つ又は複数の箇所において接合されている。
かかる構成とすることにより、繊維束の長さ方向に直交する面に含まれる接合部の面積又は幅は、接合部を分布又は分散させない場合に比較して小さくなるので、接合部周辺の繊維束の柔軟性を維持することができる。

ここで、前記第１及び第２の繊維束の各々の少なくとも一方の端部が階段状に成形されており、前記第１の繊維束の階段状の端部と前記第２の繊維束の階段状の端部とが、段ごとに接合されていても良い。

また、前記第１及び第２の繊維束の各々の少なくとも一方の端部が斜めに成形されており、前記第１の繊維束の端部の斜面と前記第２の繊維束の端部の斜面とが、対面して接合されていても良い。

前記繊維束を、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いることにより、接合部周辺においても繊維束を回転部材に巻き付け易くなり、表面が均一な成形体を作製することができる。

本発明の第１の観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法であって、巻き付けに使用中の第１の繊維束の後端部と、次に使用される第２の繊維束の先端部とを、前記第１及び第２の繊維束の長さ方向に分布又は分散する１つ又は複数の箇所において接合する工程を備える。

また、本発明の第２の観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法であって、巻き付けに使用中の第１の繊維束の後端部、及び、次に使用される第２の繊維束の先端部を、階段状に切断する工程（ａ）と、前記第１の繊維束の後端部と前記第２の繊維束の先端部とを、段ごとに接合する工程（ｂ）とを備える。

さらに、本発明の第３の観点に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法であって、巻き付けに使用中の第１の繊維束の後端部、及び、次に使用される第２の繊維束の先端部を、斜めに切断する工程（ａ）と、前記第１の繊維束の後端部の斜面と前記第２の繊維束の先端部の斜面とを対面させて接合する工程（ｂ）とを備える。

本発明によれば、第１及び第２の繊維束の接合部周辺の柔軟性を維持できるので、回転部材に対して容易に巻き付けを行うことができ、また、繊維束を巻き付けた成形体の表面を、回転部材の形状に沿ってほぼ均一にすることができる。そのため、接合部周辺においても、他の部分と同様の物性を維持することができるようになり、そのようなＦＲＰ成形体が適用される製品の性能を十分に発揮させることが可能になる。

また、本発明によれば、使用中の繊維束をほぼ使い切ることができるので、材料の歩留まりを向上させることが可能になる。さらに、繊維束をほぼ使い切った後で連続して次の繊維束を供給するので、ＦＷ装置への糸通し作業等の手間及び時間を省いて、装置の稼働率を向上させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法を示すフローチャートである。図１に示すように、この方法は、フィラメントワインディング（ＦＷ）法によりＦＲＰ成形体を製造する方法であり、必要に応じて繊維束の接合動作（工程Ｓ２１〜Ｓ２３）が挿入されることを特徴としている。

また、図２は、ＦＷ装置の概略的な構成を示す図である。このＦＷ装置は、繊維束供給部１０と、樹脂含浸部２０と、給糸部３０と、ワーク（回転部材）４０とを含んでいる。ワーク４０としては、円筒形状の型（マンドレル）や、多層構造の内側の容器（ライナ）等が取り付けられ、図２においては、ワーク４０として高圧タンクのライナが示されている。

まず、工程Ｓ１０において、繊維束供給部１０に備えられたボビン１１ａ〜１１ｄに、繊維束ｆ１〜ｆ４が十分に残っているか否かを確認する。そして、繊維束ｆ１〜ｆ４が残っている場合には、ＦＷ装置の動作を開始させ、繊維束（繊維）ｆ１〜ｆ４を繊維束供給部１０から樹脂含浸部２０に供給する。

次に、工程Ｓ１１において、含浸ローラ２２及び２３によって案内することにより、繊維束ｆ１〜ｆ４を樹脂槽２１内の樹脂に浸す。樹脂を含浸した繊維束ｆ１〜ｆ４は、給糸部３０に送られる。なお、繊維束ｆ１〜ｆ４としては、ドライ（樹脂を含浸させていない繊維束）及びプリプレグ（予め樹脂を含浸させてある繊維束）のいずれを使用しても良いが、後者を用いる場合には、工程Ｓ１１は省略される。

次に、工程Ｓ１２において、給糸部３０において繊維束ｆ１〜ｆ４を１列に束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これをワーク４０に供給する。ここで、給糸部３０は、ワーク４０の長手方向に往復移動可能な状態で設置されている。一方、ワーク４０は、回転駆動部４１により駆動されて、回転運動している。このような給糸部３０の往復運動とワーク４０の回転運動とを同期させることにより、繊維束Ｆをワーク４０に対して所定の角度で巻き付ける。

さらに、工程Ｓ１３において、繊維束Ｆを巻き終えたワーク４０をＦＷ装置から取り外し、加熱炉において所定の温度で加熱する。それにより、繊維束Ｆに含浸している樹脂が硬化し、ＦＲＰ製の高圧タンクの本体が完成する。

一方、工程Ｓ１０において、ボビン１１ａ〜１１ｄのいずれかにおいて繊維束ｆ１〜ｆ４の残りが僅かとなっている場合には、交換用の新しい繊維束を用意する（工程Ｓ２１）。

次に、工程Ｓ２２において、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、使用中の繊維束ｆ１の後端部、及び、次に使用される新しい繊維束ｆ５の先端部を、階段状にカットする。そして、工程Ｓ２３において、階段状にカットされた端部１ａと端部１ｂとを対面させて接続し、図４に示すように、段ごとに接着剤２を配置することにより接合する。
さらに、新しい繊維束ｆ５が巻かれたボビンをボビン１１ａ（図２）の代わりに取り付け、ＦＷ装置の動作を開始させる。

本実施形態によれば、繊維束の長さ方向に直交する各断面に含まれる接着領域を、繊維束を１箇所で接着する場合よりも小さくすることができる。そのため、接着剤２が硬化した場合であっても、接合部周辺における繊維束の柔軟性低下を抑制することができる。従って、繊維束のワークへの巻き付け易さを維持すると共に、接合部周辺の繊維束をワークの形状に沿わせることが可能になる。
なお、工程Ｓ２１〜Ｓ２３は、ＦＷ装置の動作開始時だけでなく、ＦＷ装置の稼働中に繊維束の残量を確認しながら（工程Ｓ１０）、随時行うようにする。

次に、本発明の第２の実施形態に係る繊維束の接合方法について説明する。
本実施形態においては、図３の工程Ｓ２３において、図５に示すように、繊維束ｆ１及びｆ５を段ごとに結索することにより、両者を接合する。この場合には、２つの繊維束をまとめて結索する場合よりも各結索部３が小さくなるので、繊維束ｆ１及びｆ５をワーク４０（図２）に巻いた際に、成形体の表面から突出する部分を減らすことができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る繊維束の接合方法について説明する。
本実施形態においては、図３の工程Ｓ２３において、図６に示すように、繊維束ｆ１及びｆ５にエアを吹き付けて繊維を段ごとに互いに絡ませることにより、両者を接合する。この場合には、２つの繊維束をまとめて絡ませる場合よりも各纏絡部４が小さくなるので、繊維束ｆ１及びｆ５をワーク４０（図２）に巻いた際に、成形体の表面から突出する部分を減らすことができる。

以上説明した第１〜第３の実施形態においては、繊維束ｆ１及びｆ５の端面を階段状に切断したが、複数の接合部（接着剤２、結索部３、纏絡部４等）を繊維束ｆ１及びｆ５の長さ方向に分散させることができれば、端部の切断形状は特に限定されない。例えば、各端部を櫛歯状に切断しても良い。なお、その場合には、接合部がなるべく多くの箇所に分散するように、櫛歯の高さを様々に変化させることが望ましい。

次に、本発明の第４の実施形態に係る繊維束の接合方法について説明する。
本実施形態においては、図３の工程Ｓ２２において繊維束を階段状にカットする代わりに、図７に示すように、繊維束ｆ１及びｆ５の端部を斜めにカットする。そして、工程Ｓ２３において、斜めにカットされた端面５ａと端面５ｂとを対面させ、図８に示すように、それらの間に接着剤６を配置することにより、両者を接合する。

本実施形態によれば、繊維束の長さ方向に直交する各断面に含まれる接着領域の幅を、繊維束を垂直にカットして接着する場合よりも狭くすることができる。そのため、接着剤が硬化した場合であっても、接合部周辺における繊維束の柔軟性低下を抑制することができる。従って、ワークへの巻き付け易さを維持すると共に、接合部周辺の繊維束をワークの形状に沿わせることが可能になる。

なお、本実施形態においては、繊維束ｆ１及びｆ５の接合面（繊維束の切断面）を平面としているが、繊維束の各断面に含まれる接合部の幅が小さくなるように、接合面を繊維束の長さ方向に分布させることができれば、接合面の形状は特に限定されず、例えば、曲面であっても良い。

本発明の一実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法を示すフローチャートである。 フィラメントワインディング装置の概略的な構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る繊維束の接合方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る繊維束の接合方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る繊維束の接合方法を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る繊維束の接合方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係る繊維束の接合方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係る繊維束の接合方法を説明するための図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ…端部、２、６…接着剤、３…結索部、４…纏絡部、５ａ、５ｂ…端面、ｆ１〜ｆ５…繊維束

Claims (14)

1. 繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、
   第１の繊維束の一方の端部と、第２の繊維束の一方の端部とを、前記第１及び第２の繊維束の長さ方向に分布又は分散する１つ又は複数の箇所において接合する工程を備える繊維束の接合方法。
2. 繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、
   第１の繊維束の一方の端部、及び、第２の繊維束の一方の端部を、階段状に切断する工程（ａ）と、
   前記第１の繊維束の階段状に切断された端部と、前記第２の繊維束の階段状に切断された端部とを、段ごとに接合する工程（ｂ）と、
   を備える繊維束の接合方法。
3. 工程（ｂ）が、前記第１及び第２の繊維束の端部を、接着剤を用いて段ごとに接合することを含む、請求項２記載の繊維束の接合方法。
4. 工程（ｂ）が、前記第１及び第２の繊維束の端部を、段ごとに結索することを含む、請求項２記載の繊維束の接合方法。
5. 工程（ｂ）が、前記第１及び第２の繊維束の端部にエアを吹き付けることにより、段ごとに互いに絡ませることを含む、請求項２記載の繊維束の接合方法。
6. 繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる繊維束の接合方法であって、
   第１の繊維束の一方の端部、及び、第２の繊維束の一方の端部を、斜めに切断する工程（ａ）と、
   前記第１の繊維束の端部の斜面と前記第２の繊維束の端部の斜面とを対面させて接合する工程（ｂ）と、
   を備える繊維束の接合方法。
7. 工程（ｂ）が、前記第１の繊維束の端部の斜面と前記第２の繊維束の端部の斜面とを、接着剤により接合することを含む、請求項６記載の繊維束の接合方法。
8. 第１の繊維束と、
   第２の繊維束であって、一方の端部が前記第１の繊維束の一方の端部に接合されている第２の繊維束と、
   を備え、
   前記第１の繊維束と前記第２の繊維束とが、前記第１及び第２の繊維束の長さ方向に分布又は分散している１つ又は複数の箇所において接合されている、繊維束。
9. 前記第１及び第２の繊維束の各々の少なくとも一方の端部が階段状に成形されており、
   前記第１の繊維束の階段状の端部と前記第２の繊維束の階段状の端部とが、段ごとに接合されている、
   請求項８記載の繊維束。
10. 前記第１及び第２の繊維束の各々の少なくとも一方の端部が斜めに成形されており、
    前記第１の繊維束の端部の斜面と前記第２の繊維束の端部の斜面とが、対面して接合されている、
    請求項８記載の繊維束。
11. 前記繊維束は、繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法において用いられる、請求項８〜１０のいずれか１項記載の繊維束。
12. 繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法であって、
    巻き付けに使用中の第１の繊維束の後端部と、次に使用される第２の繊維束の先端部とを、前記第１及び第２の繊維束の長さ方向に分布又は分散する１つ又は複数の箇所において接合する工程を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。
13. 繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法であって、
    巻き付けに使用中の第１の繊維束の後端部、及び、次に使用される第２の繊維束の先端部を、階段状に切断する工程（ａ）と、
    前記第１の繊維束の後端部と前記第２の繊維束の先端部とを、段ごとに接合する工程（ｂ）と、
    を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。
14. 繊維束を回転部材に巻き付けるフィラメントワインディング法によるＦＲＰ成形体の製造方法であって、
    巻き付けに使用中の第１の繊維束の後端部、及び、次に使用される第２の繊維束の先端部を、斜めに切断する工程（ａ）と、
    前記第１の繊維束の後端部の斜面と前記第２の繊維束の先端部の斜面とを対面させて接合する工程（ｂ）と、
    を備えるＦＲＰ成形体の製造方法。

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