JP2020055233A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

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。

特開２０１５−２１４０８７号公報

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。

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。

一実施形態のフィラメントワインディング装置の概略図。 繊維束の異物を除去する一方の異物除去ローラの概略拡大図。 図２の異物除去ローラの回転面のうちの繊維束が接触する部分の展開図。 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。 異物除去ローラの他の実施形態を示す説明図。

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。

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。

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）

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）

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)

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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