JP2018089924A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントワインディング装置における繊維束の配向の乱れを抑制する。【解決手段】ワークに繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置は、繊維束が巻回されたボビンと、ワークを回転させる回転装置と、ワークに巻き付けられる繊維束に張力を付与する張力付与装置と、フィラメントワインディング装置の動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、ボビンから引き出された繊維束の先端がワークに固定された状態で、回転装置がワークの回転を開始するときに、３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下の上昇速度で予め定めた設定張力値まで繊維束に付与する張力を上昇させるように張力付与装置を制御する。【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ものである。

一般に、耐圧性等の機械的特性と軽量性とが要求される耐圧容器等の製品、例えば燃料電池車両に用いられる高圧タンクは、繊維強化樹脂層で補強される。繊維強化樹脂層の形成には、フィラメントワインディング装置が用いられる。フィラメントワインディング装置において、エポキシ樹脂等の未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維束が、ワークとしてのタンクライナの周囲に巻き付けられ、未硬化の強化繊維プリフォームを形成する。特許文献１には、繊維束の張力調整手段であるダンサーを備えるフィラメントワインディング装置が開示されている。このフィラメントワインディング装置は、ダンサーを用いて繊維束に張力を付与するとともに、ワークを回転させて繊維束をワークに巻き付ける。

特開２０１５−３７８６８号公報

しかしながら、本願の発明者は、ワークが回転し始めるときに、繊維束に張力を瞬時に付与すると、繊維束の配向が乱れることを見出した。この結果、完成後のタンクのバースト強度が低下する恐れがある。なお、繊維束の配向が乱れる問題は、タンクライナをワークとする場合に限らず、他の種類のワークを対象とした場合にも共通する問題である。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、フィラメントワインディング装置が提供される。このワークに繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置は、繊維束が巻回されたボビンと、前記ワークを回転させる回転装置と、前記ワークに巻き付けられる前記繊維束に張力を付与する張力付与装置と、前記フィラメントワインディング装置の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ボビンから引き出された前記繊維束の先端が前記ワークに固定された状態で、前記回転装置が前記ワークの回転を開始するときに、３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下の上昇速度で予め定めた設定張力値まで前記繊維束に付与する張力を上昇させるように前記張力付与装置を制御する。

この形態のフィラメントワインディング装置によれば、回転装置がワークの回転を開始するときに、３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下の上昇速度で予め定めた設定張力値まで繊維束に付与する張力を上昇させるので、繊維束の配向が乱れることを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、フィラメントワインディング方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態におけるフィラメントワインディング装置の説明図。 空気圧調整装置の一例を説明する図。 フィラメントワインディング装置の動作を例示するフローチャート。 繊維束の張力の時間変化を示す図。 比較例における繊維束の張力の時間変化を示す図。 実施形態及び比較例における繊維配向率を例示する図。 実施形態及び比較例におけるタンクのバースト強度を例示する図。 タンクのバースト強度と張力上昇速度との関係を例示する図。

図１は、本発明の一実施形態におけるフィラメントワインディング装置２００（以下、「ＦＷ装置２００」と呼ぶ）の説明図である。ＦＷ装置２００は、繊維巻出部２０と、繊維案内部３０と、巻付部４０と、制御装置６００とを備える。図１の例では、ＦＷ装置２００の加工対象物は、口金２１，２２を有するタンクライナ１０である。以降、「タンクライナ１０」を「ワーク６０」と呼ぶこともある。繊維巻出部２０と、繊維案内部３０と、巻付部４０とは、ワーク６０への繊維束７００の巻き付けを実行する巻回装置５０を構成する。

繊維巻出部２０は、複数のボビン２０１〜２０４と、複数の搬送ローラ２１１〜２１７と、結束ローラ２２０と、ダンサー２３０とを備え、繊維束７００を巻き出す機能を有する。ボビン２０１〜２０４は、糸を巻き付ける筒状の部材であり、繊維束７００が巻回されている。ボビン２０１〜２０４は、電動モータ（図示せず）によって駆動されて回転し、繊維束７００を巻き出す。搬送ローラ２１１〜２１４は、各ボビン２０１〜２０４に対応して設けられており、ボビン２０１〜２０４から巻き出された繊維束７００を結束ローラ２２０に搬送する。結束ローラ２２０は、ボビン２０１〜２０４から巻き出された繊維束７００を揃えて、張力付与装置としてのダンサー２３０に巻き出す。

ダンサー２３０は、ダンサーアーム２３２と、シリンダ２３３と、ローラ２３６と、空気圧調整装置２３８とを備え、繊維束７００に張力を付与する機能を有する。ダンサーアーム２３２の一端には、ダンサーローラ２３１が設けられており、ダンサーローラ２３１には繊維束７００が引っ掛けられている。ダンサーアーム２３２は、繊維束７００に付与する張力を一定にするために、図示矢印のように上下に回動する。シリンダ２３３は、ダンサーアーム２３２と接続されたピストン２３４と、エア配管２３５と、エア配管２３５に設置された圧力センサ２３７とを有する。エア配管２３５には、空気圧調整装置２３８が接続されている。空気圧調整装置２３８は、エア配管２３５を介してシリンダ２３３内部に空気を導入し、ピストン２３４を介してダンサーアーム２３２に空気圧を与える。圧力センサ２３７は、シリンダ２３３内部の空気圧を測定する。ダンサー２３０は、空気圧の増加又は減少に応じて、繊維束７００の張力を調整する。張力が調整された繊維束７００は、搬送ローラ２１５〜２１７を経由して、繊維案内部３０に搬送される。

繊維案内部３０は、繊維束７００を揃えてワーク６０に案内する機能を有する。繊維案内部３０は、案内ローラ３２０，３３０が設けられた繊維集合部３００と、案内ローラ３４０が設けられた繊維送出部３５０とを有する。繊維集合部３００は、矢印のようにワーク６０に向かって左右移動可能であり、繊維送出部３５０は、矢印のように上下回動可能である。繊維集合部３００は、案内ローラ３２０，３３０を用いて繊維束７００を揃える。繊維送出部３５０は、案内ローラ３４０を用いて繊維束７００をワーク６０に搬送する。本実施形態では、繊維束７００は、第１の案内ローラ３２０側から入り込み、第１の案内ローラ３２０の上側外周、第２の案内ローラ３３０の下側外周、及び、第３の案内ローラ３４０の上側外周にそれぞれ接触してワーク６０に案内される。

巻付部４０は、ワーク６０を回転させることによって、ワーク６０に繊維束７００を巻き付ける。ワーク６０は、矢印のように長手方向に沿って移動可能であり、また、長手方向の中心軸周りに沿って回転可能である。巻付部４０は、ワーク６０を回転させる回転装置４００と、回転棒４１０と、支持棒４２０とを備える。回転棒４１０の一端部は回転装置４００に固定され、他端部はワーク６０の第１の口金２１に固定されている。支持棒４２０は、第２の口金２２を介してワーク６０を支持している。回転装置４００が動作すると、回転棒４１０が回転してワーク６０を長手方向の中心軸周りに回転させることにより、繊維束７００をワーク６０に巻き付ける。これにより、繊維束７００が、ワーク６０の表面に例えばフープ巻きやヘリカル巻きを組み合わせて巻き付けられる。

制御装置６００は、ＦＷ装置２００の動作を制御する。具体的には、巻回装置５０（繊維巻出部２０、繊維案内部３０及び巻付部４０）の運転及び停止を制御する。他に、制御装置６００は、繊維案内部３０の移動や、回転装置４００の回転速度を制御するように構成されていてもよい。また、制御装置６００は、シリンダ２３３の圧力センサ２３７の測定値を用いて、空気圧調整装置２３８を制御することによって、繊維束７００の張力を制御する。

図２は、空気圧調整装置２３８の一例を説明する図である。空気圧調整装置２３８は、供給配管５０１と、排出配管５０２とを有する。供給配管５０１には、上流側からエアポンプ５１０と、開閉弁５２０と、バッファタンク５３０と、調節弁５４０とがこの順に設けられている。排出配管５０２は、供給配管５０１の下流側に接続されている。排出配管５０２には、上流側から調節弁５５０と、開閉弁５６０とがこの順に設けられている。なお、バッファタンク５３０には、圧力センサ５０３が設置されている。

繊維束７００（図１）を巻き付ける前には、制御装置６００（図１）は、開閉弁５２０を開き、エアポンプ５１０を駆動してバッファタンク５３０に空気を充填する。繊維束７００に張力を付与するときには、開閉弁５２０を閉鎖させ、調節弁５４０を開く。また、繊維束７００の張力の上昇速度が予め定めた許容範囲内に収まるように調節弁５４０の開度及びその時間変化を調整する。繊維束７００の張力を低下させるときには、開閉弁５６０と調節弁５５０を開き、張力の低下速度に応じて調節弁５５０の開度及びその時間変化を調整する。なお、調節弁５４０の開度及びその時間変化と、繊維束７００の張力の変化との関係は、繊維束７００に張力を測定するセンサを設置した状態で予め実験的に決定される。調節弁５５０についても同様である。

図３は、ＦＷ装置２００（図１）の動作を例示するフローチャートである。繊維束７００の巻き付けを開始する前に、まず、ステップＳ２１０において、繊維束７００をボビン２０１〜２０４から引き出し、搬送ローラ２１１〜２１４と、結束ローラ２２０と、ダンサー２３０と、搬送ローラ２１５〜２１７と、案内ローラ３２０〜３４０とをこの順に経由して、繊維束７００の先端をワーク６０に固定する。ステップＳ２１０は、例えば手動により行う。ステップＳ２２０において、制御装置６００は、シリンダ２３３内部の空気圧を上昇させることによって、繊維束７００に予備張力を付与する。「予備張力」とは、繊維束７００がたるまない程度の張力（例えば３〜５Ｎ）をいう。

ステップＳ２３０において、制御装置６００は、ワーク６０を回転させるとともに、ボビン２０１〜２０４を駆動して繊維束７００を送出させる。回転装置４００がワーク６０の回転を開始するとき、制御装置６００は、空気圧を緩やかに上昇させ、繊維束７００の張力の上昇速度が３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下となるように、張力を緩やかに上昇させて繊維束７００に張力を付与する。繊維束７００の張力が予め定めた設定張力（例えば５５Ｎ〜６５Ｎ）に到達すると、張力の付与を停止する。ステップＳ２４０において、制御装置６００は、繊維束７００の張力を設定張力に維持しながら、ワーク６０を回転させて繊維束７００の巻き付けを実行する。

ステップＳ２５０において、繊維束７００の巻き付けが終了すると、制御装置６００は、ワーク６０の回転を停止し、シリンダ２３３内部の空気圧を緩やかに低下させて繊維束７００の張力を低下させる。ステップＳ２５５において、繊維束７００の巻き付けを続けて実行する場合には、ステップＳ２６０において、制御装置６００は、繊維束７００の巻き付けの準備、例えば空気圧調整装置２３８（図２）のバッファタンク５３０への空気の充填、を行う。その後、ステップＳ２３０に戻り、再度繊維束７００の巻き付けを実行する。一方、繊維束７００の巻き付けを続けて実行しない場合には、ステップＳ２７０において、制御装置６００は、シリンダ２３３内部の空気圧を更に低下させて繊維束７００の張力を解消し、繊維束７００の巻き付けを終了する。

図４は、図３のフローチャートにおける繊維束７００の張力の時間変化を示す図である。時刻ｔ０〜ｔ１の間、繊維束７００がボビン２０１〜２０４から引き出されてワーク６０に固定されるので、張力値はゼロである（ステップＳ２１０）。時刻ｔ１〜ｔ２の間、繊維束７００に予備張力が付与され、時刻ｔ２において予備張力値Ｆｐに到達する（ステップＳ２２０）。時刻ｔ２〜ｔ３の待機期間の後、時刻ｔ３において、ワーク６０の回転が開始し、繊維束７００がボビン２０１〜２０４から巻き出される。なお、この待機期間は省略可能である。時刻ｔ３〜ｔ４の間、繊維束７００の張力値が徐々に上昇し、時刻ｔ４において設定張力値Ｆｓに到達する（ステップＳ２３０）。すなわち、繊維束７００の張力の上昇は、ワーク６０の回転と同時に開始される。また、ワーク６０の回転初期の張力の上昇速度は、３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下となるように調整される。なお、繊維束７００の張力は、ワーク６０の回転開始よりも前のタイミングで上昇を開始してもよいが、ワーク６０の回転開始時点における張力は、予備張力値Ｆｐに比べて過度に大きくしないことが好ましく、例えば、１０Ｎ以下とすることが好ましい。

その後、時刻ｔ４〜ｔ５の間、繊維束７００の巻き付けが実行されるので、繊維束７００の張力値は設定張力値Ｆｓに維持される（ステップＳ２４０）。時刻ｔ５〜ｔ６の間、ワーク６０の回転が停止し、繊維束７００の張力値が徐々に低下し、時刻ｔ６において予備張力値Ｆｐに戻る（ステップＳ２５０）。時刻ｔ６〜ｔ７の間、繊維束７００の巻き付けの準備が行われるので、繊維束７００の張力値は一定である（ステップＳ２６０）。時刻ｔ７〜ｔ８の間、繊維束７００の巻き付けが再度実行されるので、繊維束７００の張力値の変化は時刻ｔ３〜ｔ６の間と同様である（ステップＳ２３０〜Ｓ２５０）。時刻ｔ８〜ｔ９の間、繊維束７００の巻き付けが終了し、繊維束７００の張力が解消されるので、張力値はゼロに戻る（ステップＳ２７０）。

図５は、比較例における繊維束７００の張力の時間変化を示す図であり、図４に対応した図である。図５において、時刻ｔ０〜ｔ３の間、及び、時刻ｔ５〜ｔ７の間の繊維束７００の張力変化は図４と同様である。図５の時刻ｔ３において、図４と同様に、ワーク６０の回転が開始し、繊維束７００がボビン２０１〜２０４から巻き出される。このとき、比較例では、シリンダ２３３内部の空気圧を直ちに上昇させ、繊維束７００に瞬時に設定張力を付与する。この結果、図４に比べて、図５の時刻ｔ３では繊維束７００の張力値が急激に設定張力値Ｆｓまで上昇する。図５の時刻ｔ７においても同様である。

図６は、実施形態及び比較例における繊維配向率を例示する図である。「繊維配向率」とは、ワークに巻き付けられた繊維束の方向が予め定めた設定方向と許容誤差（例えば±３％）の範囲で一致する割合を意味する。すなわち、繊維配向率が低ければ低いほど、繊維束の配向が乱れる。図６は、５つのサンプルのワーク６０における繊維束７００の繊維配向率を表している。比較例に比べて、実施形態では、繊維束７００の繊維配向率が９３％〜９７％の間で安定しており、繊維束の配向の乱れが少ない。

図７は、実施形態及び比較例における完成後のワーク６０（タンク）のバースト強度を例示する図である。「バースト強度」とは、容器に内圧をかけたときに、容器が破裂する圧力を意味する。比較例に比べて、実施形態のＦＷ装置２００で製造されたタンクのバースト強度が３０Ｍｐａ高く、破裂の耐性が優れている。

図８は、タンクのバースト強度と、図３のステップＳ２３０における張力の上昇速度との関係を例示する図である。タンクのバースト強度は、張力上昇速度の増大につれ低下する。特に、張力上昇速度が５０Ｎ／ｓを超えると、タンクのバースト強度が急激に低下する。従って、張力上昇速度を３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態では、制御装置６００は、ワーク６０の回転が開始するとき、３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下の上昇速度で設定張力値Ｆｓまで繊維束７００に付与する張力を上昇させるので、繊維束７００の配向が乱れることを抑制できる。また、タンクのバースト強度の低下を抑制できる。

なお、上記実施形態では、ダンサー２３０を用いて繊維束７００に張力を付与するが、ダンサー２３０の代わりに、他の種類の張力付与装置を使用してもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…タンクライナ
２０…繊維巻出部
２１，２２…口金
３０…繊維案内部
４０…巻付部
５０…巻回装置
６０…ワーク
２００…フィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）
２０１〜２０４…ボビン
２１１〜２１７…搬送ローラ
２２０…結束ローラ
２３０…ダンサー
２３１…ダンサーローラ
２３２…ダンサーアーム
２３３…シリンダ
２３４…ピストン
２３５…エア配管
２３６…ローラ
２３７…圧力センサ
２３８…空気圧調整装置
３００…繊維集合部
３２０〜３４０…案内ローラ
３５０…繊維送出部
４００…回転装置
４１０…回転棒
４２０…支持棒
５０１…供給配管
５０２…排出配管
５０３…圧力センサ
５１０…エアポンプ
５２０，５６０…開閉弁
５３０…バッファタンク
５４０，５５０…調節弁
６００…制御装置
７００…繊維束

Claims (1)

1. ワークに繊維束を巻き付けるフィラメントワインディング装置であって、
   繊維束が巻回されたボビンと、
   前記ワークを回転させる回転装置と、
   前記ワークに巻き付けられる前記繊維束に張力を付与する張力付与装置と、
   前記フィラメントワインディング装置の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記ボビンから引き出された前記繊維束の先端が前記ワークに固定された状態で、前記回転装置が前記ワークの回転を開始するときに、３Ｎ／ｓ以上５０Ｎ／ｓ以下の上昇速度で予め定めた設定張力値まで前記繊維束に付与する張力を上昇させるように前記張力付与装置を制御する、
   フィラメントワインディング装置。

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