JP2020055233A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】繊維束に付着する異物を除去し、製造されたタンクの強度の低下を抑制する。【解決手段】回転するライナ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、前記繊維束が送出される繊維束送出部と、前記繊維束送出部から送出された前記繊維束を前記ライナへと供給する繊維束供給部と、前記繊維束送出部と前記繊維束供給部との間に配置され、前記繊維束に付着する異物を除去する異物除去部と、を備える。前記異物除去部は、前記繊維束と接触する回転面の部分が前記繊維束と同方向に移動するように、前記ライナの回転速度に対応する前記繊維束の搬送速度よりも遅い回転速度で回転する異物除去ローラを有する。前記異物除去ローラは、前記回転面に、前記繊維束が接触する領域から前記繊維束の幅方向の外側の領域に亘って設けられた溝を有し、前記溝は、前記繊維束の搬送方向に対する角度が鋭角に形成されている。【選択図】図3
Description
本発明はフィラメントワインディング装置に関する。
特許文献1には、ボビンから繰り出された繊維束がローラにより搬送されて、ライナに巻き付けられるフィラメントワインディング装置が開示されている。
従来技術において、繰り出された繊維束に異物が付着している場合、繊維束が巻き付けられる際に、繊維束の間に異物が巻き込まれてしまう可能性がある。異物が巻き込まれた繊維束間には隙間ができる可能性があり、製造されたタンクの強度が低下してしまう可能性がある。
本発明は、以下の実施形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、回転するライナ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が提供される。このフィラメントワインディング装置は、前記繊維束が送出される繊維束送出部と、前記繊維束送出部から送出された前記繊維束を前記ライナへと供給する繊維束供給部と、前記繊維束送出部と前記繊維束供給部との間に配置され、前記繊維束に付着する異物を除去する異物除去部と、を備える。前記異物除去部は、前記繊維束と接触する回転面の部分が前記繊維束と同方向に移動するように、前記ライナの回転速度に対応する前記繊維束の搬送速度よりも遅い回転速度で回転する異物除去ローラを有する。前記異物除去ローラは、前記回転面に、前記繊維束が接触する領域から前記繊維束の幅方向の外側の領域に亘って設けられた溝を有し、前記溝は、前記繊維束の搬送方向に対する角度が鋭角に形成されている。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維束に異物が付着していても、繊維束がローラに接触して移動するときに、異物が溝に入ることによって、繊維束から異物を取り除くことができる。これにより、繊維束がライナに巻き付けられる際に、繊維束の間に異物が巻き込まれてしまうことを抑制することができ、製造されたタンクの強度が低下してしまうことを抑制することができる。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維束に異物が付着していても、繊維束がローラに接触して移動するときに、異物が溝に入ることによって、繊維束から異物を取り除くことができる。これにより、繊維束がライナに巻き付けられる際に、繊維束の間に異物が巻き込まれてしまうことを抑制することができ、製造されたタンクの強度が低下してしまうことを抑制することができる。
なお、本発明は、上記形態のフィラメントワインディング装置以外の種々の形態で実現することが可能であり、例えば、タンクの製造装置や、フィラメントワインディング装置の制御方法、タンクの製造方法等の形態により実現することが可能である。
A.実施形態
図1は、一実施形態のフィラメントワインディング装置100の概略図である。フィラメントワインディング装置100は、繊維束送出部10と、張力調整部20と、異物除去部30と、ガイド部40と、ライナ回転部50と、制御部90と、を備える。
図1は、一実施形態のフィラメントワインディング装置100の概略図である。フィラメントワインディング装置100は、繊維束送出部10と、張力調整部20と、異物除去部30と、ガイド部40と、ライナ回転部50と、制御部90と、を備える。
フィラメントワインディング装置100は、樹脂が含浸された繊維の束である繊維束F1〜F4を、まとめた状態でライナ200の外周に巻き付ける装置である。ライナ200は、円筒状の円筒部202と、円筒部202の両端に配置された半球状のドーム部204と、を有する中空容器である。ライナ200は、タンクの形状を形作るタンク素体となる。繊維束F1〜F4に用いられる繊維としては、例えば、炭素繊維やガラス繊維がある。繊維束F1〜F4に用いられる樹脂としては、例えば、熱硬化型エポキシ樹脂がある。ライナ200の外周には、フィラメントワインディング装置100によって繊維束F1〜F4が巻き付けられることで、複数の層からなる補強層が形成される。補強層は、フープ層とヘリカル層とを有する。複数の繊維束F1〜F4は、それぞれ対応する搬送経路を経由してガイド部40へと搬送される。なお、図1では、繊維束F1の搬送経路のみを図示している。
繊維束送出部10は、複数のボビン111〜114と、それぞれのボビン111〜114に対応して配置されている複数の搬送ローラ11〜14と、を有する。ボビン111〜114は、筒状の部材であり、繊維束F1〜F4が予め巻きつけられている。ボビン111〜114は、接続された不図示の駆動モータによって回転し、繊維束F1〜F4を送出する。送出された繊維束F1〜F4は、搬送ローラ11〜14を介して張力調整部20へと搬送される。
張力調整部20は、繊維束F1〜F4のそれぞれに、搬送ローラ21〜24と、張力ダンサー121と、アクティブダンサー131と、を有する。張力調整部20は、繊維束F1〜F4が予め定められた張力となるように、繊維束F1〜F4に付与される張力を調整する。張力ダンサー121は搬送ローラ22に接続されている。張力ダンサー121は、回転軸を中心に搬送ローラ22を矢印SDに示す方向に沿って揺動させる構造を有する。張力ダンサー121は、例えば、繊維束F1の張力が予め定められた張力となるように、搬送ローラ22を揺動させることで搬送ローラ22を介して繊維束F1を押圧する。張力ダンサー121は、例えば、シリンダやモータの動力によって駆動される。アクティブダンサー131は、例えば、シリンダやモータの動力によって搬送ローラ23を矢印VDに示す方向に沿って移動させることで搬送ローラ23の位置を調整できる。アクティブダンサー131は、搬送ローラ23を移動させることにより、搬送ローラ23と、位置が固定された搬送ローラ24と、の距離を調整する。これによって、例えば、巻き付け速度が変化した際にも、例えば、搬送途中の繊維束F1の張力の変動を抑制できる。他の繊維束F2〜F3についても同様である。
異物除去部30は、繊維束F1〜F4のそれぞれに、一対の異物除去ローラ60a,60bおよび搬送ローラ70を有する。異物除去部30は、繊維束F1〜F4のそれぞれについて、両面に付着している異物を除去する。一方の異物除去ローラ60aは、不図示の駆動モータによって回転する。この際、異物除去ローラ60aは、繊維束が接触する回転面に設けられた溝(不図示)によって、例えば、繊維束F1の一方の面が、回転面に接触しつつ回転面に沿って移動し、反転して回転面から離れるまでの間に、一方の面に付着していた異物を除去する。他方の異物除去ローラ60bも、一方の異物除去ローラ60aと同様に、不図示の駆動モータによって回転する。そして、異物除去ローラ60bも、回転面に設けられた溝(不図示)によって、繊維束F1の他方の面が、回転面に接触しつつ回転面に沿って移動し、反転して回転面から離れるまでの間に、他方の面に付着していた異物を除去する。両面の異物が除去された繊維束F1は搬送ローラ70を介してガイド部40へと搬送される。他の繊維束F2〜F3も、同様に、異物除去ローラ60a,60bによって異物が除去され、搬送ローラ70を介してガイド部40へと搬送される。なお、異物除去ローラ60a,60bの溝については、後で詳述する。
ガイド部40は、搬送ローラ80と、収束部41と、繊維束供給部42と、を有する。収束部41は、異物除去部30から搬送され、搬送ローラ80を介して受け取られる複数の繊維束F1〜F4を、繊維束の幅方向で隙間なく整列した状態の繊維束Fsに収束させる。繊維束供給部42は、ライナ200に繊維束Fsを巻き付けるために繊維束Fsをライナ200へと供給する。
ライナ回転部50は、巻付対象であるライナ200を回転させることにより、繊維束Fsをライナ200に巻き付ける。ライナ回転部50は、ライナ200を支持しつつ、ライナ200の中心軸CX周りに沿って、ライナ200を回転させる。繊維束F1〜F4の搬送速度は、ライナ200の回転速度に応じた繊維束Fsの巻き付けの速度に対応する。
制御部90は、CPU等を備え、予め記憶された制御プログラムを実行することにより、繊維束送出部10、張力調整部20、異物除去部30、ガイド部40、およびライナ回転部50の動作を制御する。
図2は、繊維束F1の異物を除去する一方の異物除去ローラ60aの概略拡大図である。繊維束F1は、異物除去ローラ60aの回転面61に対して上端位置で接触し、回転面61に沿って、下端位置まで時計回りに移動して、回転面61から離れるように設定されている。繊維束F1が異物除去ローラ60aに接触して移動する繊維束移動距離Lfは、下式(1)で表される。
Lf=β・π・Dr ・・・(1)
ここで、βは、異物除去ローラ60aの回転面61の円周の長さに対して、繊維束が回転面61に接触して移動する長さ(繊維束移動距離Lf)の割合を示す値(θr/360)である。これは、回転面61の円周の長さに対応する角度360°と、繊維束移動距離Lfに対応する角度θrとを用いて表したものである。本例では、θr=180°であり、β=0.5である。
Lf=β・π・Dr ・・・(1)
ここで、βは、異物除去ローラ60aの回転面61の円周の長さに対して、繊維束が回転面61に接触して移動する長さ(繊維束移動距離Lf)の割合を示す値(θr/360)である。これは、回転面61の円周の長さに対応する角度360°と、繊維束移動距離Lfに対応する角度θrとを用いて表したものである。本例では、θr=180°であり、β=0.5である。
図3は、図2の異物除去ローラ60aの回転面61のうちの繊維束が接触する部分の展開図である。異物除去ローラ60aの回転面61には、ピッチPg(以下、「溝ピッチPg」とも呼ぶ)で溝64が回転面61の一方の端辺62から他方の端辺63にまで亘って設けられている。異物除去ローラ60aの回転方向drと同方向である繊維束F1の搬送方向dfに対する溝64の角度θg(以下、「溝角度θg」とも呼ぶ)は鋭角(<90°)、例えば、θg=60°に設定されている。
異物除去ローラ60aの回転面61の回転方向drは、繊維束F1の搬送方向dfと同方向となっている。但し、回転面61の周方向の移動速度(以下、「回転面61の回転速度」とも呼ぶ)vrは、繊維束F1の移動速度(以下、繊維束F1の搬送速度」とも呼ぶ)vfよりも遅く設定されている。この速度差によって、回転面61に接触する繊維束F1の面と、回転面61との間で擦れが発生する。この擦れによって、繊維束F1の面に付着している異物を剥ぎ取ることが可能となる。
但し、この擦れの大きさによっては、異物が剥ぎ取られた面に傷を発生させる可能性がある。異物除去ローラ60aは回転面61に溝ピッチPgで設けられた複数の溝64を有している。繊維束F1の面に付着している異物が溝64に嵌って拘束されることで、繊維束F1の搬送速度vfと回転面61の回転速度vrとの差が、異物を繊維束F1の面から剥ぎ取る力となって加わることになる。これにより、繊維束F1に付着した異物を剥ぎ取って除去することができるとともに、接触面が擦れる力によって繊維束F1の面における傷の発生を抑制することができる。
異物除去ローラ60aの溝ピッチPgと、直径Drと、速度比α(=vr/vf)と、溝角度θgの関係は、下式(2)の条件を満たすように、設定されることが好ましい。
Pg≦β・(1−α)・π・Dr・sinθg ・・・(2)
Pg≦β・(1−α)・π・Dr・sinθg ・・・(2)
上式(2)は、以下のようにして導き出される。繊維束F1が異物除去ローラ60aの回転面61に接触する全面において異物の除去を可能とするためには、下式(3)の条件を満たすことが要求される。
Lf/vf≦(Lf−lr)/vr ・・・(3)
左辺は、繊維束F1が繊維束移動距離Lfを移動するのに要する時間を示す。右辺は、1つの溝64が、繊維束移動距離Lfを移動するのに要する時間を示す。なお、lrは、回転方向dr(繊維束F1の搬送方向df)に沿った溝64の間隔を示す。上式(3)を満たせば、一つの溝64が繊維束F1の繊維束移動距離Lfの全面に接触することになるので、理屈上、繊維束F1の全面に付着している異物を溝64で除去可能となる。なお、溝64の間隔lrは、下式(4)で表される。
lr=Pg・sinθg ・・・(4)
Lf/vf≦(Lf−lr)/vr ・・・(3)
左辺は、繊維束F1が繊維束移動距離Lfを移動するのに要する時間を示す。右辺は、1つの溝64が、繊維束移動距離Lfを移動するのに要する時間を示す。なお、lrは、回転方向dr(繊維束F1の搬送方向df)に沿った溝64の間隔を示す。上式(3)を満たせば、一つの溝64が繊維束F1の繊維束移動距離Lfの全面に接触することになるので、理屈上、繊維束F1の全面に付着している異物を溝64で除去可能となる。なお、溝64の間隔lrは、下式(4)で表される。
lr=Pg・sinθg ・・・(4)
また、回転面61の回転速度vrは、速度比αおよび繊維束F1の搬送速度vfを用いて、下式(5)で表される。
vr=α・vf ・・・(5)
vr=α・vf ・・・(5)
上式(3)の条件式に、上式(1),(3),(4),(5)を当てはめれば、上式(2)の条件が求められる。
ここで、繊維束F1の搬送速度vfに対する異物除去ローラ60aの回転速度vrの速度比αと異物除去能力との関係について説明する。この速度比α(=vr/vf)が1に近いほど、すなわち、速度比αが小さいほど、異物除去能力は小さくなる。これに対して速度比αが大きいほど、異物除去能力は大きくなる。しかしながら、速度比αが大きいほど、繊維束F1から異物を剥ぎ取る力が大きくなるため、繊維束F1の傷つき度合いが大きくなり、繊維束の強度の低下が大きくなる。これらのことを考慮すると、繊維束F1の搬送速度vfと回転面61の回転速度vrとの差は5%以下、すなわち速度比αは0.95≦α<1であることが好ましい。
また、溝64の溝角度θgの大きさと溝64によって除去された異物の排出性との関係について説明する。溝角度θgが大きいほど、速度比αを小さくすることが可能である。この場合、異物除去能力は小さくなるが、繊維束の傷つき度合いが小さくなり、繊維束の強度の低下は小さくなる。しかしながら、溝角度θgが大きい場合、溝64に嵌って繊維束F1から剥ぎ取られた異物が溝64を転がり難く、異物の排出性が悪くなる。これに対して、溝角度θgが小さいほど異物の排出性は良くなるが、繊維束移動距離Lfの全体における異物除去能力を高めるためには、速度比αを大きくすることが要求される。このため、溝角度θgが小さいほど、繊維束F1の面の傷つき度合いが大きくなる。そこで、溝角度θgは原則として鋭角であれば良いが、上記のことを考慮すると、溝角度θgは、θg≧55°であることが好ましく、θg≧60°であることがより好ましい。また、溝角度θgは、θg≦80°であることが好ましく、θg≦75°であることがより好ましい。
以上説明した事項を踏まえた上で、異物除去ローラ60aの直径Dr、溝ピッチPg、および、溝角度θgは、上式(2)の関係を満たすとともに、装置の各寸法が妥当なサイズとなるように、適宜設定すればよい。例えば、α=0.97、Dr=122mm、θg=60°、Pg=5mmとすれば、上式(2)を満たして、異物除去ローラ60a,60bを構成することができる。
他方の異物除去ローラ60bは、回転方向が一方の異物除去ローラ60aとは反対で、一方の異物除去ローラ60aが異物を除去する繊維束F1の面とは反対の面の異物を除去する点を除いて、一方の異物除去ローラ60aと同じである。従って、一対の異物除去ローラ60a,60bにより繊維束F1の両面の異物を除去することが可能である。
図4は、異物除去機構とストランド強度との関係の一例を示す説明図である。ストランド強度は、複数の繊維で構成された繊維束の引張強度を意味し、作製した繊維束に対応する所定のサイズの試験片に対して、予め定めた引張試験を実行することにより測定される。図4に示した各異物除去機構において、縦線と横線で示すストランド強度の幅は、複数の繊維束について異物除去およびストランド強度(引張強度)の測定を行なうことで得られたバラつきの一例を示している。
図4に示すように、異物除去機構として一般的なスクレーパの場合、異物除去機構無しの場合に対して25%〜30%程度のストランド強度の低下が発生することを確認した。これに対して、本実施形態の異物除去ローラ60a,60bの場合、ストランド強度が5%〜10%程度の低下に抑制されていることを確認した。従って、一対の異物除去ローラ60a,60bによれば、繊維束F1の両方の面の異物を、ストランド強度の低下を可能な限り抑えつつ、除去することが可能となることを確認した。
なお、他の繊維束F2〜F4に対応する異物除去ローラ60a,60bも、繊維束F1に対応する異物除去ローラ60a,60bと同様であり、それぞれ、ストランド強度の低下を可能な限り抑えつつ、除去することが可能である。
B.他の実施形態:
B1.他の実施形態1:
図5は、他の実施形態の異物除去ローラ60amを示す展開図である。図5は、図3と同様に、異物除去ローラ60amの回転面61のうちの繊維束F1が接触する部分の展開図を示している。図5に示すように、回転面61の回転方向drおよび繊維束F1の搬送方向dfに沿った回転面61の中央線(破線で示す)に対して線対称に折れ曲がった溝64mとしてもよい。このようにしても、同様に、異物の除去および異物の排出が可能である。
B1.他の実施形態1:
図5は、他の実施形態の異物除去ローラ60amを示す展開図である。図5は、図3と同様に、異物除去ローラ60amの回転面61のうちの繊維束F1が接触する部分の展開図を示している。図5に示すように、回転面61の回転方向drおよび繊維束F1の搬送方向dfに沿った回転面61の中央線(破線で示す)に対して線対称に折れ曲がった溝64mとしてもよい。このようにしても、同様に、異物の除去および異物の排出が可能である。
B2.他の実施形態2:
上記実施形態では、異物除去ローラ60a,60bに設けられた溝64は、回転面61の一方の端辺62から他方の端辺63にまで亘って設けられている場合を例に説明した(図3参照)。しかしながら、これに限定されるものではなく、溝64は、少なくとも、繊維束が接触する領域から繊維束の幅方向の外側の領域にまで亘って設けられていれば良い。また、他の実施形態で示した異物除去ローラ60amの溝64mも同様である。
上記実施形態では、異物除去ローラ60a,60bに設けられた溝64は、回転面61の一方の端辺62から他方の端辺63にまで亘って設けられている場合を例に説明した(図3参照)。しかしながら、これに限定されるものではなく、溝64は、少なくとも、繊維束が接触する領域から繊維束の幅方向の外側の領域にまで亘って設けられていれば良い。また、他の実施形態で示した異物除去ローラ60amの溝64mも同様である。
B3.他の実施形態3:
上記実施形態では、張力調整部20とガイド部40との間に複数の異物除去ローラ60a,60bを有する異物除去部30が配置されている場合を例に説明したが、異物除去部30は、繊維束送出部10と、繊維束供給部42との間のいずれかの位置に配置されているようにしてもよい。
上記実施形態では、張力調整部20とガイド部40との間に複数の異物除去ローラ60a,60bを有する異物除去部30が配置されている場合を例に説明したが、異物除去部30は、繊維束送出部10と、繊維束供給部42との間のいずれかの位置に配置されているようにしてもよい。
B4.他の実施形態4:
上記実施形態では、繊維束F1〜F4のそれぞれに、搬送ローラ21〜24と、張力ダンサー121と、アクティブダンサー131と、を有するものとして説明したが、繊維束F1〜F4に対して、一つの搬送ローラ21〜24と、張力ダンサー121と、アクティブダンサー131と、を有するものとしてもよい。
上記実施形態では、繊維束F1〜F4のそれぞれに、搬送ローラ21〜24と、張力ダンサー121と、アクティブダンサー131と、を有するものとして説明したが、繊維束F1〜F4に対して、一つの搬送ローラ21〜24と、張力ダンサー121と、アクティブダンサー131と、を有するものとしてもよい。
B5.他の実施形態5:
上記実施形態では、異物除去部30は、繊維束F1〜F4のそれぞれに、一対の異物除去ローラ60a,60bを有する構成として説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、複数の繊維束をまとめて一対の異物除去ローラ60a,60bを有する構成としてもよく。複数の繊維束を複数の組に分けて、組ごとに一対の異物除去ローラ60a,60bを有する構成としてもよい。
上記実施形態では、異物除去部30は、繊維束F1〜F4のそれぞれに、一対の異物除去ローラ60a,60bを有する構成として説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、複数の繊維束をまとめて一対の異物除去ローラ60a,60bを有する構成としてもよく。複数の繊維束を複数の組に分けて、組ごとに一対の異物除去ローラ60a,60bを有する構成としてもよい。
B6.他の実施形態6:
上記実施形態では、ボビン111〜114(図1参照)は、接続された不図示の駆動モータによって回転し、繊維束F1〜F4を送出するものとして説明したが、ライナ回転部50によるライナ200の回転に応じた繊維束Fsの巻き付けによって繊維束F1〜F4がボビン111〜114から送出されるようにしてもよい。
上記実施形態では、ボビン111〜114(図1参照)は、接続された不図示の駆動モータによって回転し、繊維束F1〜F4を送出するものとして説明したが、ライナ回転部50によるライナ200の回転に応じた繊維束Fsの巻き付けによって繊維束F1〜F4がボビン111〜114から送出されるようにしてもよい。
本発明は、上述の実施形態や変形例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例中の技術的特徴は、上述の課題の一部また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…繊維束送出部、20…張力調整部、30…異物除去部、40…ガイド部、41…収束部、42…繊維束供給部、50…ライナ回転部、11〜14…搬送ローラ、21,22,23,24…搬送ローラ、60a,60b,60am…異物除去ローラ、61…回転面、62,63…端辺、64,64m…溝、70…搬送ローラ、80…搬送ローラ、90…制御部、100…フィラメントワインディング装置、111,112,113,114…ボビン、121…張力ダンサー、131…アクティブダンサー、200…ライナ、202…円筒部、204…ドーム部、CX…中心軸、df…搬送方向、dr…回転方向、F1,F2,F3,F4,Fs…繊維束
Claims (1)
- 回転するライナ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、
前記繊維束が送出される繊維束送出部と、
前記繊維束送出部から送出された前記繊維束を前記ライナへと供給する繊維束供給部と、
前記繊維束送出部と前記繊維束供給部との間に配置され、前記繊維束に付着する異物を除去する異物除去部と、
を備え、
前記異物除去部は、前記繊維束と接触する回転面の部分が前記繊維束と同方向に移動するように、前記ライナの回転速度に対応する前記繊維束の搬送速度よりも遅い回転速度で回転する異物除去ローラを有し、
前記異物除去ローラは、前記回転面に、前記繊維束が接触する領域から前記繊維束の幅方向の外側の領域に亘って設けられた溝を有し、
前記溝は、前記繊維束の搬送方向に対する角度が鋭角に形成されている、フィラメントワインディング装置。
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JP2018188059A JP2020055233A (ja) | 2018-10-03 | 2018-10-03 | フィラメントワインディング装置 |
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