JP2009126053A - 樹脂付着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントワインディング成形における樹脂付着装置において、噴射された樹脂を全て繊維束に的中させる。
【解決手段】複数の樹脂噴射用ノズル２９ａ・２９ｂを有する液滴噴射装置２０と、前記ノズル２９ａ・２９ｂと所定の対向間隔を置いて繊維束１００を走行させる走行装置１１と、を備え、前記走行装置１１の繊維束１００表面に向けて前記液滴噴射装置２０によって樹脂２００を噴射することで、樹脂２００を付着させるフィラメントワインディング成形における樹脂付着装置４において、前記走行装置１１における前記液滴噴射装置２０よりも上流側において、繊維束１００の厚みを幅Ｗ３内にて分散させるコームガイド４１、を備える樹脂付着装置４。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維束表面に向けて樹脂を噴射することで、樹脂を付着させるフィラメントワインディング成形における樹脂付着装置の技術に関する。

ＦＲＰ（ＦＩＢＥＲ ＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤ ＰＬＡＳＴＩＣＳ）は、カーボン繊維等の補強繊維に液状の熱硬化性樹脂を含浸させた後、樹脂を硬化させることによって製造される素材として良く知られている。ＦＲＰは、従来からパイプや棒材等として広く利用されている。

ＦＲＰの成形方法としては、フィラメントワインディング成形が知られている。フィラメントワインディング成形は、パイプ状や円筒状の成形体を製作するのに適している。フィラメントワインディング成形は、液状の熱硬化性樹脂を含浸したロービング等の補強材を、張力を加えた状態で型（マンドレル）に弛みのない状態で巻き付けてから樹脂を硬化させる方法である。

フィラメントワインディング成形において、繊維に樹脂を付着（含浸）させる装置として、樹脂付着装置が知られている。例えば、特許文献１は、ローラー方式の樹脂付着装置を開示している。ローラー方式とは、樹脂槽に下部が浸ったローラーの上部に繊維束を走行させ、繊維に樹脂を付着させる方式の樹脂付着装置である。

樹脂付着装置は、フィラメントワインディング成形における生産性向上の観点から、高速処理が求められる。しかし、ローラー方式は、処理速度を上げると樹脂の付着ムラが生じるおそれがあるため、処理速度において限界がある。

そこで、発明者らは、ローラー方式に替わる樹脂付着装置として、液滴噴射方式の樹脂付着装置を開発した。液滴噴射方式とは、多数の樹脂噴射用ノズルを有する液滴噴射装置と、ノズルと所定の対向間隔を置いて繊維束を走行させる走行装置とを備え、走行装置の繊維束表面に向けて液滴噴射装置によって樹脂を噴射する樹脂付着装置である。
特開２００７−１８５８２７号公報

フィラメントワインディング成形に用いられるカーボン繊維は、数μｍのフィラメントが数千から数万本に束ねられた繊維束状態である。このような繊維束は、液滴噴射装置において、繊維割れを生じた状態で走行する場合がある。ここで、繊維割れとは、繊維束の走行方向に沿って隙間が生じる状態をいう。繊維束が液滴の噴射目標位置において、繊維割れを生じた状態で走行すると、樹脂が繊維束を形成する繊維に的中せずに繊維束を通過してしまう。そのため、所定の樹脂が繊維束に付着せずに、液滴付着不足による不良品が生じる。
そこで、解決しようとする課題は、フィラメントワインディング成形における樹脂付着装置において、噴射された樹脂を全て繊維束に的中させることである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、複数の樹脂噴射用ノズルを有する液滴噴射装置と、前記ノズルと所定の対向間隔を置いて繊維束を走行させる走行装置と、を備え、前記走行装置の繊維束表面に向けて前記液滴噴射装置によって樹脂を噴射することで、樹脂を付着させるフィラメントワインディング成形における樹脂付着装置において、前記走行装置における前記液滴噴射装置よりも上流側において、繊維束の厚みを所定幅内にて分散させる分散部、を備えるものである。

請求項２においては、請求項１記載の樹脂付着装置において、前記分散部よりも上流側において、走行する繊維束の厚み方向を押圧して繊維束の幅を広げる開繊部、を備え、前記所定幅は、前記開繊部によって開繊される繊維束の幅より狭いものである。

請求項３においては、請求項１又は２記載の樹脂付着装置において、前記分散部は、繊維束の走行方向と垂直な断面において、繊維束と近接する底部並びに前記所定幅を規制する側部から形成され、前記底部は、複数の突起を有するものである。

請求項４においては、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の樹脂付着装置において、振動発生装置、を備え、前記分散部は、前記振動発生装置によって繊維束の幅方向と平行な振動が伝播されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、走行装置を走行する繊維束が繊維割れを生じている場合であっても、分散部によって所定幅内にて繊維束の厚みが分散されるため、樹脂付着装置において、走行する繊維束の繊維割れが解消され、噴射された液滴を全て繊維束に的中させることができる。

請求項２においては、走行装置を走行する繊維束が繊維割れを生じている場合であっても、開繊部によって繊維束は幅方向に開繊され、分散部によって開繊部によって開繊される繊維束の幅より少なくとも狭い所定幅内にて繊維束の厚みが分散される。そのため、樹脂付着装置において、走行する繊維束の繊維割れが解消され、噴射された液滴を全て繊維束に的中させることができる。

請求項３においては、複数の突起が繊維束の裏面に対して繊維をならす働きをするため、分散部における分散効果を向上できる。つまり、樹脂付着装置において、走行する繊維束の繊維割れが解消され、噴射された樹脂を全て繊維束に的中させることができる。

請求項４においては、振動発生装置によって分散部に対し繊維束の幅方向の振動を伝播させるため、分散部における分散効果を向上できる。つまり、樹脂付着装置において、走行する繊維束の繊維割れが解消され、噴射された樹脂を全て繊維束に的中させることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るフィラメントワインディング成形における各装置を示す斜視図、図２は同じく樹脂付着装置を示す側面図、図３は同じく液滴噴射装置を示す側面図である。
図４は同じく拡散部の第二形態についての（ａ）は平面図（ｂ）はｂ２−ｂ２´の断面を示す断面図、図５は同じく拡散部の第三形態についての（ａ）は平面図（ｂ）はｂ３−ｂ３´の断面を示す断面図（ｃ）はｃ３−ｃ３´の断面を示す断面図、図６は同じく拡散部の第四形態を示す斜視図である。

まず、図１を用いて、本発明の実施例である樹脂付着装置４を一構成装置とするフィラメントワインディング成形装置１について、簡単に説明する。
図１に示すように、フィラメントワインディング成形装置１は、ボビン６からのカーボン繊維束（以下、単に繊維束と記す）１００の解舒を担う解舒装置２、繊維束１００に所定のテンションを付与するテンション装置３、繊維束１００に対して樹脂２００（図３参照）を付着する樹脂付着装置４、並びに繊維束１００をトラバースさせるトラバース装置５、から構成されている。なお、図１における白抜き矢印は、トラバース装置５のトラバース方向を示している。
このような構成とすることで、繊維束１００は、樹脂付着装置４により樹脂２００を付着され、トラバース装置５によりトラバースされながら、マンドレル７に巻き付けられる。なお、繊維束１００は、上下にフラット面を有するテープ状を呈しており、樹脂付着装置４によって、表面に樹脂２００が付着される。

本発明の実施例である樹脂付着装置４は、走行装置１１、液滴噴射装置２０、分散部としてのコームガイド４１、並びに開繊部としての開繊ローラー５１、から構成されている。樹脂付着装置４内において、ボビン６からマンドレル７に向かう方向に対して上流側から（以下同様にボビン６側を上流側とする）、開繊ローラー５１、コームガイド４１、液滴噴射装置２０の順に配置されている。

走行装置１１は、一対のフリーローラー１１ａ・１１ｂから構成されている。また、フリーローラー１１ａ・１１ｂは、樹脂付着装置４を挟むようにそれぞれ配置されている。フリーローラー１１ａ・１１ｂは、回動自在なローラーである。ここで、繊維束１００は、マンドレル７の回転により走行する。ただし、フリーローラー１１ａ・１１ｂの代わりに駆動ローラーとして、繊維束１００を走行させることも可能である。フリーローラー１１ａ・１１ｂは、樹脂付着装置４において、例えば液滴噴射装置２０と繊維束１００が所定の対向間隔をおけるように、繊維束１００の走行位置を決定する役割を担っている。

液滴噴射装置２０は、走行装置１１により走行する繊維束１００に向けて樹脂２００（図２参照）を噴射する装置である。ここで、繊維束１００において、液滴噴射装置２０が樹脂２００を噴射する側を表面、その裏側を裏面と定義する。なお、液滴噴射装置２０の構成について、詳しくは後述する。

次に、図２を用いて、樹脂付着装置４を構成する分散部としてのコームガイド４１、並びに開繊部としての開繊ローラー５１について、詳細に説明する。なお、本構成を開繊部及び分散部の第一形態とする。また、図２及び図３において、白抜き矢印の方向を繊維束１００の走行方向とする。

図２に示すように、開繊ローラー５１は、繊維束１００の厚み方向を押圧するように配置されている。また、開繊ローラー５１は、回動自在な構成とされている。さらに、開繊ローラー５１は、走行する繊維束１００に同期して回動する。ここで、繊維束１００は、開繊ローラー５１によって走行方向を変更される。なお、開繊ローラー５１は、単数のみではなく複数配置することで後述する開繊効果も向上する。

このような構成とすることで、走行中の繊維束１００は、開繊ローラー５１を通過するときに幅Ｗ１から幅Ｗ２に広げられる（Ｗ２＞Ｗ１）。より詳しくは、繊維束１００は、開繊ローラー５１が押し当てられることで、厚み方向に圧縮される。そして、繊維束１００は、繊維の一部が幅方向に移動して繊維束１００の幅が増加する。つまり、繊維束１００は、開繊ローラー５１によって平たくされる。もちろん、繊維束１００は、繊維の本数が変るわけではないため、厚みが減少することになる。

コームガイド４１は、繊維束１００の裏面において、繊維束１００と平行に配置されている。また、コームガイド４１は、繊維束１００の走行方向と垂直な断面において、繊維束１００の裏面と近接する底部４１ａと、繊維束１００の幅を規制する側部４１ｂと、から形成されている。さらに、コームガイド４１は、底部４１ａが繊維束１００の裏面と近接するように配置されている。ここで、近接とは、走行する繊維束１００における裏面側を形成する繊維の一部が底部４１ａと接する程度の位置をいう。なお、コームガイド４１の材質は、特に限定する必要はないが、本実施例では金属製としている。

このような構成とすることで、走行中の繊維束１００は、コームガイド４１を通過するときに幅Ｗ２から幅Ｗ３（Ｗ３＜Ｗ２）に狭められる。すなわち、幅Ｗ２は、コームガイド４１の側部４１ｂの幅Ｗ３に狭められる。このとき、繊維束１００は、走行中に強制的に幅を狭くなるように規制されるため、幅Ｗ３内において繊維束１００の厚みが分散される。さらに、繊維束１００がコームガイド４１の底部４１ａと近接しているため、コームガイド４１は、走行中の繊維束１００にとって摩擦抵抗とはならない。なお、幅Ｗ３は、後述する液滴噴射装置２０の樹脂２００を噴射する幅と同一とする必要がある。

このようにして、走行装置１１を走行する繊維束１００が繊維割れを生じている場合であっても、繊維束１００は、開繊ローラー５１によって幅方向に開繊され、コームガイド４１によって幅方向において開繊ローラー５１によって開繊される幅Ｗ２より少なくとも狭い幅Ｗ３内にて繊維束１００の厚みが分散される。そのため、樹脂付着装置４において、走行する繊維束１００の繊維割れが解消され、噴射された樹脂２００を全て繊維束１００に的中させることができる。

次に、図３を用いて、液滴噴射装置２０について、詳細に説明する。
液滴噴射装置２０によって噴射される樹脂２００は、主剤２００ａと硬化剤２００ｂからなる。液滴噴射装置２０は、主剤噴射用のノズル群を備える第１ヘッド２０ａと、硬化剤噴射用のノズル群を備える第２ヘッド２０ｂと、から構成されている。

第１ヘッド２０ａは、分岐流路２３から送り込まれた主剤２００ａを受ける一つの接続室２６と、該接続室２６に連設されて主剤２００ａが溜められる一つの貯溜室２７と、該貯溜室２７から分岐された複数個の圧力室２８と、から構成される。各圧力室２８には、主剤２００ａの噴出し口となるノズル２９ａが開設されている。第１ヘッド２０ａは、電圧により伸縮するピエゾ素子３０を圧力室２８に対する圧力発生源とするものであり、各圧力室２８の隔壁（上壁）には、該ピエゾ素子３０により振動される振動板３１が設置されている。ピエゾ素子３０の伸縮を受けて、仮想線（図３における二点鎖線）で示すように振動板３１が下方に膨らむ凸状に姿勢変位すると、圧力室２８内の体積が減少し、これにて第１ヘッド２０ａの下面に開口するノズル２９ａから、ピコリットルオーダーの所定量の液滴からなる主剤１２が繊維束１００の上面に向けて噴射される。この状態から図３に実線で示すように振動板３１がフラットに戻ると、圧力室２８内の体積が増加し、これにて貯溜室２７から圧力室２８へ主剤２００ａが供給される。

接続室２６には、主剤２００ａを加熱して、これを所定温度（４０〜１００℃の一定温度）に維持するための熱線（恒温手段）３３と、接続室２６内の温度を検知するための温度センサー（図示略）とが配されている。温度センサーによる検出結果を予め設定されているしきい値と比較し、この比較結果に基づいて熱線３３をオン・オフ制御することで、主剤１２を所定温度（例えば８０℃以上）に保つ。
第２ヘッド２０ｂの構成も第１ヘッド２０ａの構成と同等であり、図３において、同一の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。なお、符号２９ｂは、硬化剤吐出用のノズルを示す。

次に、図４（ａ）及び（ｂ）を用いて、分散部の第二形態であるコームガイド４２について、詳細に説明する。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるｂ２−ｂ２´断面を示す断面図である。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、コームガイド４２は、コームガイド４１同様に、繊維束１００の裏面と近接する底部４２ａと、繊維束１００の幅Ｗ３を規制する側部４２ｂと、から形成されている。また、樹脂付着装置４における配置についても、コームガイド４１同様である。ここで、コームガイド４２において、走行する繊維束１００の上流側（開繊ローラー５１側）を上側、下流側（液滴噴射装置２０側）を下側と定義する。
図４（ａ）に示すように、コームガイド４２は、底部４２ａにおいて、略上端及び下端に繊維束１００の幅方向と平行に突起４２ｃが複数配置されている。また、突起４２ｃは、繊維束１００の裏面に対して垂直に向けて配置されている。図４（ｂ）に示すように、それぞれの突起４２ｃの先端は、丸みが形成されている。また、それぞれの突起４２ｃの高さＤ１は、通過する繊維束１００の厚みＤよりも十分に小さいものとする。

このような構成とすることで、底部４２ａの突起４２ｃは、走行中の繊維束１００に対して繊維をならすような働きをする。より詳しくは、繊維束１００は、幅方向において密な部分と疎な部分とがあり、密な部分が突起４２ｃの高い所を乗り越えようとする（通過する）ときに、繊維束１００に走行方向のテンションが掛かっているため、繊維束１００の密な部分の一部が突起４２ｃの高い所から低い所に横滑りするように移動する。その結果、繊維束１００の密な部分の一部が、疎な部分に合流して、繊維束１００の疎密が平均化される、すなわち繊維束１００の厚みが分散される。

このようにして、コームガイド４２における分散効果を向上できる。つまり、樹脂付着装置４において、走行する繊維束１００の繊維割れがさらに解消され、噴射された樹脂２００を全て繊維束１００に的中させることができる。そのため、不良品の発生を低減できる。

次に、図５（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）を用いて、分散部の第三形態であるコームガイド４３について、詳細に説明する。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるｂ３−ｂ３´断面を示す断面図、図６（ｃ）は、図５（ｂ）におけるｃ３−ｃ３´断面を示す断面図である。
図５（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）に示すように、コームガイド４３は、コームガイド４１・４２同様に、繊維束１００の裏面と近接する底部４３ａと、繊維束１００の幅Ｗ３を規制する側部４３ｂと、から形成されている。また、樹脂付着装置４における配置についても、コームガイド４１・４２同様である。
図５（ａ）に示すように、コームガイド４３は、底部４３ａにおいて、繊維束１００の走行方向に平行に複数の溝４３ｃが形成されている。溝４３ｃの本数、高さ、又は幅等は、本実施例において特に限定しない。図５（ｃ）に示すように、溝４３ｃは、繊維束１００の走行方向に平行な断面において、円弧状に形成されている。すなわち、溝４３ｃは、繊維束１００の走行方向において略中央部が盛り上がるように形成されている。

このような構成とすることで、底部４３ａの溝４３ｃは、走行中の繊維束１００に対して繊維をならすような働きをする。より詳しくは、コームガイド４２の突起４２ｃの作用と同様であるため、説明を省略する。また、走行中の繊維束１００は、溝４３ｃが円弧状に形成されているため、繊維束１００は、コームガイド４３を通過するときに、コームガイド４３の上端及び下端において引っかかることなくスムーズに通過する。

このようにして、コームガイド４３における分散効果を向上できる。つまり、樹脂付着装置４において、走行する繊維束１００の繊維割れがさらに解消され、噴射された樹脂２００を全て繊維束１００に的中させることができる。そのため、不良品の発生を低減できる。また、コームガイド４３を通過するとき、繊維束１００の損傷を防止できるため、樹脂付着装置４の信頼性を向上できる。

次に、図６を用いて、分散部の第四形態であるコームガイド４４について、詳細に説明する。
図６に示すように、コームガイド４４は、底部４４ａにおいて、繊維束１００が近接する逆側に振動発生装置４４ｄを備えている。コームガイド４４は、振動発生装置４４ｄより発生する振動が伝播される。ここで、コームガイド４４に伝播される振動は、繊維束１００の幅方向の振動（図６における白抜き矢印）とする。すなわち、コームガイド４４は、繊維束１００の幅方向に振動する。
コームガイド４４は、コームガイド４１・４２・４３同様に、繊維束１００の裏面と近接する底部４４ａと、繊維束１００の幅Ｗ３を規制する側部４４ｂと、から形成されている。ここで、コームガイド４４は、振動発生装置４４ｄを備える以外は、コームガイド４１・４２・４３のいずれの形態であっても構わない。また、樹脂付着装置４におけるコームガイド４４の配置についても、コームガイド４１・４２・４３と同様である。

振動発生装置４４ｄは、振動を発生する装置であれば、特に限定しない。本実施例の振動発生装置４４ｄは、モーターの軸に重心を偏らせた重りを取り付け、回転させることで振動を生む装置としている。また、発生する振動の種類、例えば周波数等は特に限定しないが、本実施例では１００Ｈｚ程度としている。

このような構成とすることで、振動発生装置４４ｄによってコームガイド４４が振動し、繊維束１００の幅方向に振動を与える。すなわち、走行中の繊維束１００は、コームガイド４４を通過するとき、幅Ｗ３内において振動によって強制的にならされ、厚みを分散される。

このようにして、コームガイド４４における分散効果を向上できる。つまり、液滴噴射装置２０において、走行する繊維束１００の繊維割れがさらに解消され、噴射された樹脂２００を全て繊維束１００に的中させることができる。そのため、不良品の発生を低減できる。

上述した分散部としてのコームガイド４１・４２・４３・４４は、側部４１ｂ・４２ｂ・４３ｂ・４４ｂが予め幅Ｗ３を成すように形成されている。しかし、側部４１ｂ・４２ｂ・４３ｂ・４４ｂの一方を可動とすることで、幅Ｗ３は可変とすることもできる。上述するように、幅Ｗ３は、液滴噴射装置２０の樹脂２００を噴射する幅と同一とする必要がある。
例えば、側部４１ｂ・４２ｂ・４３ｂ・４４ｂを手動で可動できる構成とすれば、液滴噴射装置２０の噴射幅に合わせて幅Ｗ３を決定することができる。また、側部４１ｂ・４２ｂ・４３ｂ・４４ｂを自動で可動できる構成とすれば、液滴噴射装置２０の噴射幅をセンサー等で検知して、幅Ｗ３を自動的に決定することもできる。

このようにして、走行する繊維束１００に対して、繊維束１００の処理量、或いは繊維の種類に応じた分散効果を向上できる。つまり、樹脂付着装置４の汎用性を向上できる。

本発明の実施例に係るフィラメントワインディング成形における各装置を示す斜視図。 同じく樹脂付着装置を示す側面図。 同じく液滴噴射装置を示す側面図。 同じく拡散部の第二形態についての（ａ）は平面図（ｂ）はｂ２−ｂ２´の断面を示す断面図。 同じく拡散部の第三形態についての（ａ）は平面図（ｂ）はｂ３−ｂ３´の断面を示す断面図（ｃ）はｃ３−ｃ３´の断面を示す断面図。 同じく拡散部の第四形態を示す斜視図。

符号の説明

１ フィラメントワインディング成形装置
４ 樹脂付着装置
２０ 液滴噴射装置
４１・４２・４３・４４ コームガイド
４２ｃ 突起
４３ｃ 溝
４４ｄ 振動発生装置
５１ 開繊ローラー
１００ 繊維束
２００ 樹脂

Claims (4)

1. 複数の樹脂噴射用ノズルを有する液滴噴射装置と、
   前記ノズルと所定の対向間隔を置いて繊維束を走行させる走行装置と、
   を備え、
   前記走行装置の繊維束表面に向けて前記液滴噴射装置によって樹脂を噴射することで、樹脂を付着させるフィラメントワインディング成形における樹脂付着装置において、
   前記走行装置における前記液滴噴射装置よりも上流側において、
   繊維束の厚みを所定幅内にて分散させる分散部、
   を備えることを特徴とする樹脂付着装置。
2. 請求項１記載の樹脂付着装置において、
   前記分散部よりも上流側において、
   走行する繊維束の厚み方向を押圧して繊維束の幅を広げる開繊部、を備え、
   前記所定幅は、前記開繊部によって開繊される繊維束の幅より狭いことを特徴とする樹脂付着装置。
3. 請求項１又は２記載の樹脂付着装置において、
   前記分散部は、繊維束の走行方向と垂直な断面において、繊維束と近接する底部並びに前記所定幅を規制する側部から形成され、
   前記底部は、複数の突起を有することを特徴とする樹脂付着装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の樹脂付着装置において、
   振動発生装置、を備え、
   前記分散部は、前記振動発生装置によって繊維束の幅方向と平行な振動が伝播されることを特徴とする樹脂付着装置。
   

Images