JP2020055669A

JP2020055669A - Filament winding apparatus

Info

Publication number: JP2020055669A
Application number: JP2018186393A
Authority: JP
Inventors: 上田　将人; Masahito Ueda; 将人上田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2020-04-09

Abstract

To provide a technique capable of stabilizing a fiber width using a rotary roller.SOLUTION: A filament winding apparatus 100 winding fiber around an object, includes: a fiber supply part supplying fiber; a yarn feeding port 300 which delivers the fiber supplied from the fiber supply part to an object to be wound and has a rotary roller at the nearest position to the object to be wound; and a motor 340 for rotating the rotary roller. The rotary roller includes: a cylindrical part brought into a contact with fiber; and a flange part projecting in the radial direction at such a position as to sandwich the cylindrical part.SELECTED DRAWING: Figure 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。 The present invention relates to a filament winding device.

近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの製造において、フィラメントワインディング装置により強化繊維をライナの外郭に巻き付ける方法がある。フィラメントワインディング装置として、例えば、特許文献１には、固定ローラを変形させて樹脂繊維の送出角度を変更することで、繊維幅を拡幅または収束するように調整してライナに送出するものが開示されている。 2. Description of the Related Art In recent years, in manufacturing a high-pressure hydrogen tank used in a fuel cell system, there is a method of winding a reinforcing fiber around an outer shell of a liner using a filament winding device. As a filament winding device, for example, Patent Document 1 discloses a device in which a fixing roller is deformed to change a resin fiber sending angle so that a fiber width is adjusted so as to be widened or converged and sent to a liner. ing.

特開２０１１−９３２７６号公報JP 2011-93276 A

しかし、特許文献１において、固定ローラに換えて回転ローラを採用した場合には、ローラを変形させることが難しく、繊維幅が安定しないおそれがある。この場合、繊維の重なりやうねりが生じて、タンクの強度が低下するおそれがある。そのため、回転ローラを用いて繊維幅を安定させることができる技術が望まれていた。 However, if a rotating roller is used in place of the fixed roller in Patent Literature 1, it is difficult to deform the roller, and the fiber width may not be stable. In this case, the fibers may overlap or undulate, and the strength of the tank may be reduced. Therefore, a technique that can stabilize the fiber width by using a rotating roller has been desired.

本発明は、上述の課題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。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and can be realized as the following embodiments.

本発明の一形態によれば、対象物に繊維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、繊維を供給する繊維供給部と、前記繊維供給部から供給される前記繊維を巻き付け対象物に送出し、前記巻き付け対象物に最も近い位置に回転ローラを有する給糸口と、前記回転ローラを回転させるモータと、を備え、前記回転ローラは、前記繊維が接触する円筒部と、前記円筒部を挟む位置に半径方向へ突出するフランジ部とを有する。この形態のフィラメントワインディング装置によれば、フランジ部を有する回転ローラによって繊維幅を安定させることができる。 According to one aspect of the present invention, a filament winding device that winds a fiber around an object is provided. The filament winding device includes a fiber supply unit that supplies fibers, a fiber supply unit that sends out the fibers supplied from the fiber supply unit to an object to be wound, and has a rotation roller at a position closest to the object to be wound. A motor for rotating the rotating roller, wherein the rotating roller has a cylindrical portion with which the fiber comes into contact, and a flange portion protruding in a radial direction at a position sandwiching the cylindrical portion. According to the filament winding device of this aspect, the fiber width can be stabilized by the rotating roller having the flange portion.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、フィラメントワインディング装置を用いた強化繊維をライナの外郭に巻き付ける方法や、フィラメントワインディング装置を用いたタンクの製造方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms, for example, a method of winding a reinforcing fiber around a liner using a filament winding device, a method of manufacturing a tank using a filament winding device, and the like. It is possible to realize with.

フィラメントワインディング装置の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a filament winding device. フランジローラの説明図である。It is explanatory drawing of a flange roller. タンクの製造方法の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing method of a tank. フィラメントワインディング工程におけるフランジローラの説明図である。It is explanatory drawing of the flange roller in a filament winding process. 繊維束の中心位置のずれを比較した説明図である。It is explanatory drawing which compared the shift of the center position of a fiber bundle. ライナに送出される繊維束の繊維幅を比較した説明図である。It is explanatory drawing which compared the fiber width of the fiber bundle sent to a liner.

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態のフィラメントワインディング装置１００の一例を示す説明図である。フィラメントワインディング装置１００は、繊維巻出部２０と、繊維送出部３０と、巻付部４０と、制御部５０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（以下、単に「繊維束Ｔ」という）に張力を掛けつつ、回転するマンドレルであるライナ６０にフープ巻きやヘリカル巻きを組み合わせて巻き付ける。これにより、ライナ６０の外周に炭素繊維による補強層や、補強層の外側にガラス繊維による表面層が形成され、タンクが製造される。ライナ６０は、本願の「巻き付け対象物」に相当する。ライナ６０は、例えば、ナイロン系樹脂からなる樹脂製容器や薄肉の金属製容器であり、円柱部６１との両端に設けられた二つのドーム部６２とを有する。 A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a filament winding device 100 according to the present embodiment. The filament winding device 100 includes a fiber unwinding unit 20, a fiber sending unit 30, a winding unit 40, and a control unit 50. The filament winding device 100 winds a bundle of fibers impregnated with resin (hereinafter, simply referred to as “fiber bundle T”) in combination with a hoop winding or a helical winding around a liner 60 that is a rotating mandrel. As a result, a reinforcing layer made of carbon fiber is formed on the outer periphery of the liner 60, and a surface layer made of glass fiber is formed outside the reinforcing layer, thereby producing a tank. The liner 60 is equivalent to the "object to be wound" of the present application. The liner 60 is, for example, a resin container made of a nylon resin or a thin metal container, and has a cylindrical portion 61 and two dome portions 62 provided at both ends.

繊維巻出部２０は、繊維束Ｔを巻き出し供給する機能を有し、複数のボビン２０１〜２０４と、複数の搬送ローラ２１１〜２１７と、テンションローラ２３０と、アクティブダンサ２４０とを備える。 The fiber unwinding section 20 has a function of unwinding and supplying the fiber bundle T, and includes a plurality of bobbins 201 to 204, a plurality of transport rollers 211 to 217, a tension roller 230, and an active dancer 240.

ボビン２０１〜２０４は、筒状の部材であり、それぞれ、繊維束Ｔが巻き付けられている。ボビン２０１〜２０４を繊維供給部ともいう。繊維束Ｔは、約２万本から約５万本の単繊維を含む繊維に熱硬化型エポキシ樹脂を含浸させたプリプレグである。繊維束Ｔは、例えば、樹脂を含浸した炭素繊維（ＣＦＲＰ）や、樹脂を含浸したガラス繊維（ＧＦＲＰ）である。 Each of the bobbins 201 to 204 is a tubular member around which a fiber bundle T is wound. The bobbins 201 to 204 are also called a fiber supply unit. The fiber bundle T is a prepreg obtained by impregnating a fiber containing about 20,000 to about 50,000 single fibers with a thermosetting epoxy resin. The fiber bundle T is, for example, carbon fiber (CFRP) impregnated with a resin or glass fiber (GFRP) impregnated with a resin.

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Ｔを搬送ローラ２１５に搬送する。搬送ローラ２１５は、ボビン２０１〜２０４から巻き出された繊維束Ｔを軸方向について所定の間隔を空けてテンションローラ２３０に搬送する。テンションローラ２３０は、予め定められた圧力に設定されたシリンダ２３１を備え、繊維束Ｔに張力を加える。アクティブダンサ２４０は、ローラ２４１を移動させることによって、繊維束Ｔの張力を調整する。張力が調整された繊維束Ｔは、搬送ローラ２１６、２１７を経由して、繊維送出部３０に搬送される。 The transport rollers 211 to 214 are provided corresponding to the bobbins 201 to 204, and transport the fiber bundle T unwound from the bobbins 201 to 204 to the transport rollers 215. The transport roller 215 transports the fiber bundle T unwound from the bobbins 201 to 204 to the tension roller 230 at a predetermined interval in the axial direction. The tension roller 230 includes a cylinder 231 set to a predetermined pressure, and applies tension to the fiber bundle T. The active dancer 240 adjusts the tension of the fiber bundle T by moving the roller 241. The fiber bundle T whose tension has been adjusted is transported to the fiber delivery unit 30 via the transport rollers 216 and 217.

繊維送出部３０は、繊維束Ｔを揃え収束し、ライナ６０に案内する。繊維送出部３０は、給糸口３００を備える。給糸口３００はアイクチともいう。給糸口３００を経由した繊維束Ｔは、例えば、幅が５〜２５ｍｍ、厚さが０．２〜０．８ｍｍ程度の帯状となる。給糸口３００は、前後方向および、ライナ６０の長手方向、に沿って移動可能であり、移動により、ライナ６０に対する相対的な位置を変更することができる。また、給糸口３００の幅方向の中心における繊維束Ｔの送出方向に沿った軸を中心に回転が可能である。給糸口３００のライナ６０に対する相対的な位置を変更することにより、ライナ６０に繊維束Ｔを巻き付ける際の巻き付け角度を調節することができる。 The fiber delivery unit 30 aligns and converges the fiber bundle T, and guides the fiber bundle T to the liner 60. The fiber sending section 30 includes a yarn feeder 300. The yarn feeder 300 is also called an aikuchi. The fiber bundle T passing through the yarn feeder 300 has, for example, a band shape having a width of about 5 to 25 mm and a thickness of about 0.2 to 0.8 mm. The yarn feeder 300 is movable along the front-rear direction and the longitudinal direction of the liner 60, and the relative position with respect to the liner 60 can be changed by the movement. Further, the yarn feeder 300 can be rotated around an axis along the sending direction of the fiber bundle T at the center in the width direction. By changing the relative position of the yarn feeder 300 with respect to the liner 60, the winding angle when winding the fiber bundle T around the liner 60 can be adjusted.

給糸口３００は、第１収束ローラ３１０と、第２収束ローラ３２０と、フランジローラ３３０とを備え、３つのローラ３１０、３２０、３３０を用いて繊維束Ｔをライナ６０に搬送する。フランジローラ３３０は、回転ローラであり、モータ３４０によって回転する。フランジローラ３３０の回転によって、繊維束Ｔの張力を制御することができる。フランジローラ３３０の形状については後述する。本実施形態では、繊維束Ｔは、第１収束ローラ３１０側から入り込み、第１収束ローラ３１０の上側外周、第２収束ローラ３２０の下側外周、及び、フランジローラ３３０の上側外周にそれぞれ接触してライナ６０に案内される。つまり、フランジローラ３３０は、ライナ６０に最も近い位置に設置されている。 The yarn feeder 300 includes a first convergence roller 310, a second convergence roller 320, and a flange roller 330, and transports the fiber bundle T to the liner 60 using three rollers 310, 320, and 330. The flange roller 330 is a rotating roller, and is rotated by a motor 340. By rotating the flange roller 330, the tension of the fiber bundle T can be controlled. The shape of the flange roller 330 will be described later. In the present embodiment, the fiber bundle T enters from the first convergence roller 310 side and contacts the upper outer circumference of the first convergence roller 310, the lower outer circumference of the second convergence roller 320, and the upper outer circumference of the flange roller 330, respectively. To the liner 60. That is, the flange roller 330 is installed at a position closest to the liner 60.

巻付部４０は、ライナ６０を回転させることによって、ライナ６０に繊維束Ｔを巻き付ける。巻付部４０は、回転装置４００と、回転棒４１０と、支持棒４２０とを備える。ライナ６０は、回転棒４１０および支持棒４２０が軸線と重なるように、巻付部４０に取り付けられる。回転棒４１０の一端は回転装置４００に固定されており、他端はライナ６０の口金に固定されている。支持棒４２０は、その一端において口金を介してライナ６０を回転自在に支持している。回転装置４００が動作すると、回転棒４１０が回転してライナ６０を回転させることにより、ライナ６０に繊維束Ｔが巻き付けられる。 The winding unit 40 winds the fiber bundle T around the liner 60 by rotating the liner 60. The winding unit 40 includes a rotating device 400, a rotating rod 410, and a support rod 420. The liner 60 is attached to the winding unit 40 such that the rotation rod 410 and the support rod 420 overlap the axis. One end of the rotating rod 410 is fixed to the rotating device 400, and the other end is fixed to the base of the liner 60. One end of the support rod 420 rotatably supports the liner 60 via a base. When the rotating device 400 operates, the rotating rod 410 rotates to rotate the liner 60, so that the fiber bundle T is wound around the liner 60.

制御部５０は、ＣＰＵとメモリとを備えるコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、制御部５０は、例えば、シリンダ２３１が加える張力や、給糸口３００の移動や、モータ３４０や回転装置４００の回転速度を制御する。制御部５０は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。 The control unit 50 is configured as a computer including a CPU and a memory. By executing the control program stored in the memory, the control unit 50 controls, for example, the tension applied by the cylinder 231, the movement of the yarn feeder 300, and the rotation speed of the motor 340 and the rotating device 400. The control unit 50 may realize a part or all of these controls by a hardware circuit.

図２は、フランジローラ３３０の説明図である。フランジローラ３３０は、繊維束Ｔが接触する円筒部３３１と、円筒部３３１を挟む位置に半径方向へ突出するフランジ部３３２と、を有する。円筒部３３１の軸方向の長さは、ライナ６０に巻き付ける際の繊維束Ｔの目標幅程度（±５ｍｍ程度）である。円筒部３３１とフランジ部３３２とが形成する壁角度θ１は、繊維束Ｔを搬送する際に繊維束Ｔがフランジ部３３２に引っかかることを抑制できるように鋭角であることが好ましく、４５度以下であることがより好ましい。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the flange roller 330. The flange roller 330 has a cylindrical portion 331 with which the fiber bundle T comes into contact, and a flange portion 332 projecting in a radial direction at a position sandwiching the cylindrical portion 331. The axial length of the cylindrical portion 331 is about the target width (about ± 5 mm) of the fiber bundle T when wound around the liner 60. The wall angle θ1 formed by the cylindrical portion 331 and the flange portion 332 is preferably an acute angle so as to prevent the fiber bundle T from being caught on the flange portion 332 when the fiber bundle T is transported, and is preferably 45 degrees or less. More preferably, there is.

図３は、本実施形態におけるタンクの製造方法の一例を示すフローチャートである。本実施形態のタンク製造では、まず、ステップＳ１００で、口金が装着済みの樹脂製容器をライナ６０として用意する。ライナ６０は、例えば、円柱部６１の両端に口金が装着済みのドーム部６２を溶着して準備される。 FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of the tank manufacturing method according to the present embodiment. In the tank manufacturing according to the present embodiment, first, in step S <b> 100, a resin container having a base attached is prepared as the liner 60. The liner 60 is prepared, for example, by welding a dome portion 62 having a base attached to both ends of a cylindrical portion 61.

次に、フィラメントワインディング装置１００が、ステップＳ１１０において、ライナ６０の外周に繊維束Ｔをヘリカル巻きで巻き付ける。続いて、フィラメントワインディング装置１００が、ステップＳ１２０において、ステップＳ１１０で形成された補強層の上に繊維束Ｔをフープ巻きで巻き付ける。このステップＳ１１０とステップＳ１２０とをあわせてフィラメントワインディング工程ともいう。 Next, in step S110, the filament winding apparatus 100 winds the fiber bundle T around the outer periphery of the liner 60 by helical winding. Subsequently, in step S120, the filament winding device 100 winds the fiber bundle T by hoop winding on the reinforcing layer formed in step S110. Steps S110 and S120 are collectively referred to as a filament winding step.

最後に、ステップＳ１３０において、ステップＳ１１０、Ｓ１２０で巻き付けた繊維束Ｔの熱硬化樹脂を硬化する。より具体的には、熱ヒーターを備える熱硬化炉や、加熱コイルを用いた高周波誘電加熱式の熱硬化炉において、ライナ６０を回転させつつ加熱して、熱硬化樹脂を熱硬化させる。樹脂の熱硬化後の冷却養生を経て、タンクの製造が完了する。 Finally, in step S130, the thermosetting resin of the fiber bundle T wound in steps S110 and S120 is cured. More specifically, in a thermosetting furnace provided with a heat heater or a high-frequency dielectric heating type thermosetting furnace using a heating coil, the liner 60 is heated while rotating to thermoset the thermosetting resin. After cooling and curing of the resin after heat curing, the production of the tank is completed.

図４は、フィラメントワインディング工程におけるフランジローラ３３０の説明図である。図４に示すように、フランジローラ３３０はフランジ部３３２を有するため、繊維束Ｔの繊維幅が広がっても収束させることができる。フランジローラ３３０へ進入する際の繊維束Ｔの幅は、ライナ６０に巻き付ける際の繊維束Ｔの目標幅の１．２５倍以下が好ましい。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the flange roller 330 in the filament winding process. As shown in FIG. 4, since the flange roller 330 has the flange portion 332, it is possible to converge even if the fiber width of the fiber bundle T is widened. The width of the fiber bundle T when entering the flange roller 330 is preferably 1.25 times or less the target width of the fiber bundle T when wound around the liner 60.

図５はライナ６０に最も近い位置の回転ローラにおける繊維束Ｔの中心位置のずれを比較した説明図であり、図６は、ライナ６０に送出される繊維束Ｔの繊維幅を比較した説明図である。図５および図６において、比較例として、本実施形態におけるフランジローラ３３０を、フランジ部３３２を有さない平ローラに置き換えた場合の繊維束Ｔの中心位置および繊維幅を示す。図５および図６は、本実施形態と比較例のそれぞれ８回分の結果を直線で繋いだものを示す。図５において、繊維束Ｔの中心位置がローラの中心位置にある場合を０ｍｍとし、軸方向において一方の端部側にずれた場合を正とし、他方の端部側にずれた場合を負としている。図５に示すように、本実施形態では、繊維束Ｔの中心位置のずれが抑制されている。また、図６に示すように、本実施形態では、目標繊維幅から大きく繊維幅が増減することなく、安定した繊維幅で繊維束Ｔをライナ６０に送出できている。 FIG. 5 is an explanatory diagram comparing the shift of the center position of the fiber bundle T in the rotating roller closest to the liner 60, and FIG. 6 is an explanatory diagram comparing the fiber width of the fiber bundle T sent to the liner 60. It is. FIGS. 5 and 6 show, as comparative examples, the center position and the fiber width of the fiber bundle T when the flange roller 330 in the present embodiment is replaced by a flat roller having no flange portion 332. FIG. 5 and FIG. 6 show results obtained by connecting the results of the present embodiment and the comparative example for eight times by straight lines. In FIG. 5, the case where the center position of the fiber bundle T is at the center position of the roller is 0 mm, the case where it is shifted to one end side in the axial direction is positive, and the case where it is shifted to the other end side is negative. I have. As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the displacement of the center position of the fiber bundle T is suppressed. Further, as shown in FIG. 6, in this embodiment, the fiber bundle T can be sent to the liner 60 with a stable fiber width without greatly increasing or decreasing the fiber width from the target fiber width.

以上で説明した本実施形態のフィラメントワインディング装置１００によれば、フランジ部３３２を有するフランジローラ３３０によって繊維束Ｔの繊維幅を安定させることができる。また、ライナ６０に最も近い位置の回転ローラを、フランジ部３３２を有するフランジローラ３３０とするだけで繊維幅を安定させることができるため、フィラメントワインディング装置１００の構成が煩雑になる事を抑制できる。 According to the filament winding device 100 of the present embodiment described above, the fiber width of the fiber bundle T can be stabilized by the flange roller 330 having the flange portion 332. Further, the fiber width can be stabilized only by using the rotary roller closest to the liner 60 as the flange roller 330 having the flange portion 332, so that the configuration of the filament winding device 100 can be suppressed from being complicated.

Ｂ．その他の実施形態：
上記実施形態では、ライナ６０に、樹脂が含浸された繊維束を巻き付けている。しかし、ライナ６０に巻き付ける繊維はこのような繊維に限らず、種々の繊維を巻き付け可能である。また、巻き付け対象としては、ライナ６０に限らず、種々の物体を対象にすることが可能である。 B. Other embodiments:
In the above embodiment, the fiber bundle impregnated with the resin is wound around the liner 60. However, the fibers wound around the liner 60 are not limited to such fibers, and various fibers can be wound. In addition, the object to be wound is not limited to the liner 60, but can be various objects.

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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various configurations without departing from the spirit of the invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary of the invention are for solving the above-described problems or for achieving some or all of the above-described effects. In addition, replacement and combination can be appropriately performed. Unless the technical features are described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.

２０…繊維巻出部、３０…繊維送出部、４０…巻付部、５０…制御部、６０…ライナ、６１…円柱部、６２…ドーム部、１００…フィラメントワインディング装置、２０１、２０２、２０３、２０４…ボビン、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７…搬送ローラ、２３０…テンションローラ、２３１…シリンダ、２４０…アクティブダンサ、２４１…ローラ、３００…給糸口、３１０…第１収束ローラ、３２０…第２収束ローラ、３３０…フランジローラ、３３１…円筒部、３３２…フランジ部、３４０…モータ、４００…回転装置、４１０…回転棒、４２０…支持棒、Ｔ…繊維束 Reference Signs List 20: fiber unwinding part, 30: fiber sending part, 40: winding part, 50: control part, 60: liner, 61: cylindrical part, 62: dome part, 100: filament winding device, 201, 202, 203, 204: bobbin, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217: transport roller, 230: tension roller, 231: cylinder, 240: active dancer, 241: roller, 300: yarn feeder, 310: first converging roller , 320: second converging roller, 330: flange roller, 331: cylindrical portion, 332: flange portion, 340: motor, 400: rotating device, 410: rotating rod, 420: support rod, T: fiber bundle

Claims

A filament winding device for winding a fiber around an object,
A fiber supply unit for supplying fibers,
Sending out the fiber supplied from the fiber supply unit to the object to be wound, a yarn feeder having a rotating roller at a position closest to the object to be wound,
A motor for rotating the rotating roller,
The filament winding device, wherein the rotating roller includes a cylindrical portion with which the fibers are in contact, and a flange portion protruding in a radial direction at a position sandwiching the cylindrical portion.