JP2020070171A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維束の巻き付け途中で繊維束の種類を換える際の交換の時間を低減する。【解決手段】フィラメントワインディング装置は、対象物を回転させる回転装置と、第１制限幅に設定された第１先端ローラ３４と、第１先端ローラよりも先端側に配置され、第１制限幅よりも小さい第２制限幅に設定された第２先端ローラ３５とを有し、対象物に向けて繊維束１０を送出する繊維案内部３０と、対象物に送出される繊維束の経路に対して第２先端ローラの位置を変化させる案内部移動装置とを備える。対象物に第１繊維束を巻き付ける際には、第１先端ローラのみに第１繊維束が接するように、第１繊維束の経路に対する第２先端ローラの位置が案内部移動装置によって設定され、記対象物に第２繊維束を巻き付ける際には、第２先端ローラに第２繊維束が接するように、第２繊維束の経路に対する第２先端ローラの位置が案内部移動装置によって設定される。【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、繊維案内部からライナに向けて繊維を送出し、ライナの外周に繊維を巻き付けて、高圧タンクを製造するフィラメントワインディング装置が記載されている。

特開２０１７−２０９９０２号公報

ここで、高圧タンクの製造における繊維の巻き付け工程では、巻き付ける繊維として、多数の繊維を束ねた繊維束が使用され、繊維束の幅の制限が行なわれる。繊維束の幅の制限は、ライナに繊維束を繰り出す繊維案内部の先端に設けられた先端ローラで行なわれる。

また、高圧タンクの製造における繊維の巻き付け工程では、樹脂を含浸させた炭素繊維と、樹脂を含浸させたガラス繊維の異なる繊維のライナへの巻き付けが行なわれる。

炭素繊維とガラス繊維とでは、その繊維束の制限される幅が異なるため、炭素繊維の巻き付け段階と、ガラス繊維の巻き付け段階とで、繊維案内部の先端ローラを異なる制限幅の先端ローラに交換、あるいは、異なる制限幅の先端ローラを有する繊維案内部に交換することが要求される。このような交換には、脱着の時間及び装着後の調整に時間が掛かる、という問題がある。また、間違った部品の装着によって品質不良や設備故障等を引き起こす可能性がある、という問題もある。

本発明は、以下の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、対象物に２種類の繊維束を巻きつ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、前記対象物を回転させる回転装置と、第１制限幅に設定された第１先端ローラと、前記第１先端ローラよりも先端側に配置され、前記第１制限幅よりも小さい第２制限幅に設定された第２先端ローラと、を有し、前記対象物に向けて繊維束を送出する繊維案内部と、前記対象物に送出される繊維束の経路に対して、少なくとも前記第２先端ローラの位置を変化させる案内部移動装置と、を備える。前記対象物に第１繊維束を巻き付ける際には、前記第１先端ローラのみに前記第１繊維束が接するように、前記第１繊維束の経路に対する前記第２先端ローラの位置が前記案内部移動装置によって設定され、前記対象物に第２繊維束を巻き付ける際には、前記第２先端ローラに前記第２繊維束が接するように、前記第２繊維束の経路に対する前記第２先端ローラの位置が前記案内部移動装置によって設定される。
この形態によれば、先端ローラの取り換え、あるいは、繊維案内部の取り換えをすることなく、繊維束の幅の制限が異なる第１繊維束の巻き付け及び第２繊維束の巻き付けを行なうことが可能となり、交換に要していた時間の短縮を図ることが可能である。また、間違った部品の装着によって品質不良や設備故障等を引き起こす可能性を低減することができる。
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の他、フィラメントワインディング装置の制御方法等の種々の形態で実現することができる。

フィラメントワインディング装置の概略構成を示す説明図である。 炭素繊維束の巻き付け時における繊維案内部を示す説明図である。 ガラス繊維束の巻き付け時における繊維案内部を示す説明図である。 第１先端ローラを示す概略平面図である。 第２先端ローラを示す概略平面図である。

Ａ．実施形態：
図１は、フィラメントワインディング装置１０００の概略構成を示す説明図である。フィラメントワインディング装置１０００は、高圧タンクの基材であるライナ１００に繊維束１０を巻き付ける装置である。

ライナ１００は、中心軸ＣＸを中心とする筒状の円筒部１０２と、円筒部１０２の両端に配置された半球状のドーム部１０４と、を有する中空容器である。ライナ１００は、タンクの形状を形作るタンク素体となる。ライナ１００が繊維束の巻き付けの「対象物」に相当する。

ライナ１００への繊維束の巻き付けには、炭素繊維の繊維束に熱硬化型エポキシ樹脂を含浸させた繊維束の巻き付けと、ガラス繊維の繊維束に熱硬化型エポキシ樹脂を含浸させた繊維束の巻き付けと、がある。樹脂はエポキシ樹脂に限定されず、耐強度、耐環境性の高い他の樹脂を用いてもよい。なお、樹脂を含浸させた繊維束は「トウプリプレグ」と呼ばれる。以下、樹脂を含浸させた繊維束を単に「繊維束」とも呼び、炭素繊維の繊維束を「炭素繊維束」、ガラス繊維の繊維束を「ガラス繊維束」とも呼ぶ。

フィラメントワインディング装置１０００は、巻出しボビン１２ａ〜１２ｄと、中継ローラ１４ａ〜１４ｄ，１６，１７と、ニップローラ１８と、ダンサ１９と、繊維案内部３０と、案内部移動装置４０と、回転装置５０と、制御部６０と、を備える。

回転装置５０は、ライナ１００の中心軸ＣＸを中心としてライナ１００を回転可能に支持し、制御部６０からの指令に応じた回転速度でライナ１００を回転させる装置である。ライナ１００には、ライナ１００の回転に応じて後述する繊維案内部３０から送出された繊維束１０が巻き付けられる。

巻出しボビン１２ａ〜１２ｄは、それぞれ、繊維束１０ａ〜１０ｄが巻かれており、繊維束１０ａ〜１０ｄを繰り出す繰出部である。ライナ１００に炭素繊維束を巻き付ける場合には、炭素繊維束が巻かれた巻出しボビン１２ａ〜１２ｄが不図示のセット位置にセットされる。一方、ライナ１００にガラス繊維束を巻き付ける場合には、ガラス繊維束が巻かれた巻出しボビン１２ａ〜１２ｄがセット位置にセットされる。そして、セットされた巻出しボビン１２ａ〜１２ｄに巻かれた炭素繊維あるいはガラス繊維の繊維束１０ａ〜１０ｄが繰り出されることにより、炭素繊維束あるいはガラス繊維束のライナ１００への巻き付けが実行される。

中継ローラ１４ａ〜１４ｄ，１６，１７は、繊維束１０ａ〜１０ｄを搬送するときの中継ローラである。第１段目の中継ローラ１４ａ〜１４ｄは、繊維束１０ａ〜１０ｄ毎に独立して設けられているが、２段目以降の中継ローラ１６，１７は、繊維束１０ａ〜１０ｄ毎に独立せず、共通して設けられている。繊維束１０ａ〜１０ｄは、中継ローラ１６，１７を経ることで、１つの繊維束１０として収束していく。繊維束１０は、断面が略長方形の帯の形状をしている。中継ローラ１６，１７は、繊維束１０ａ〜１０ｄを束ねて繊維束１０に収束するローラでもあるため、「収束ローラ」とも呼ぶ。

ニップローラ１８は、繊維束１０を挟む一対のローラであり、繊維束１０を挟むことで、ニップローラ１８より上流側の繊維束１０の張力が、ニップローラ１８より下流側の繊維束１０の張力に影響を与えないようにする。さらに、ニップローラ１８から下流に繰り出す繊維束１０の速度を変えることで、ニップローラ１８よりも下流の繊維束１０の張力が調整される。ニップローラ１８から繰り出される繊維束１０の速度が速くなれば、繊維束１０の張力は低くなり、遅くなれば、繊維束１０の張力は高くなる。

ダンサ１９は、ニップローラ１８より下流側の繊維束１０の張力を調整するための張力設定部として機能する。ダンサ１９は、ダンサローラ２０，２１と、シリンダ２２とを備える。ダンサローラ２１の位置は、シリンダ２２の内部の圧力と、繊維束１０の張力と、のバランスにより決まる。制御部６０は、張力指令値に基づいてシリンダ２２の中の不図示のピストンの位置を不図示のモータなどで移動させる。制御部６０は、不図示の角度センサの測定値が目標値となるように、ニップローラ１８から繰り出す繊維束１０の速度を調整することで、繊維束１０に掛けるべき張力を調整する。なお、張力調整部としては、ニップローラ１８とダンサ１９に限定されず、外部からの制御信号で張力を調整できるものであれば、ニップローラ１８とダンサ１９以外の構成を採用可能である。

繊維案内部３０は、回転装置５０に支持されたライナ１００に対して繊維束１０を送出する装置であり、４つのローラ３２，３３，３４，３５を備える。繊維案内部３０は、案内部移動装置４０によって、ライナ１００の中心軸ＣＸに沿った方向Ｄｔｒ（図面の奥行き方向であり、「トラバース方向Ｄｔｒ」とも呼ぶ。）に移動可能である。また、繊維案内部３０は、案内部移動装置４０によって、上方からの平面視において、トラバース方向Ｄｔｒに垂直な方向で、ライナ１００に対して繊維案内部３０が配置される方向Ｄｆｂ（図面の左右方向であり、「前後方向Ｄｆｂ」とも呼ぶ。）に移動可能である。また、繊維案内部３０は、案内部移動装置４０によって、前後方向Ｄｆｂに平行である繊維案内部３０の回転軸（破線で示す）を中心とする回転方向Ｄｒに回転可能である。繊維束１０は、４つの繊維束１０ａ〜１０ｄを収束したものであり、高さに比べて幅の広い帯の形状を有している。繊維案内部３０は、繊維束１０の断面の長手方向をライナ１００のドーム部１０４の接線方向と合致させるように回転される。

ライナ１００に繊維束１０を巻き付ける際に、制御部６０は、案内部移動装置４０を制御して、巻き付けの種類（フープ巻き、ヘリカル巻き等）や、繊維束が巻き付けられるライナ１００の位置等に応じて、繊維案内部３０をトラバース方向Ｄｔｒおよび前後方向Ｄｆｂに移動させるとともに、回転軸回りＤｔｒに回転させる。これにより、ライナ１００に繊維束１０が巻き付けられる。なお、繊維案内部３０を前後方向Ｄｆｂおよびトラバース方向Ｄｔｒの２軸に繊維案内部３０を直線的に移動させ、回転方向Ｄｒに回転させる案内部移動装置４０の構造は、一般的な種々の構造を用いることができ、従来のフィラメントワインディング装置と同様であので、図示および説明を省略する。

制御部６０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、ニップローラ１８、ダンサ１９、案内部移動装置４０、および回転装置５０の動作を制御する。

図２は炭素繊維束の巻き付け時における繊維案内部３０を示す説明図であり、図３はガラス繊維束の巻き付け時における繊維案内部３０を示す説明図である。図２及び図３に示すように、繊維案内部３０は、ローラ支持部３１に支持された４つのローラ３２〜３５を備えている。ローラ支持部３１は、案内部移動装置４０に接続されており、案内部移動装置４０によって、４つのローラ３２〜３５は一体として、上述したように、前後方向Ｄｆｂおよびトラバース方向Ｄｔｒに移動され、回転方向Ｄｒに回転される。

４つのローラ３２〜３５は、それらのローラ面に繊維束１０が接触し、ライナ１００へ繊維束１０を送出する部材である。これら４つのローラ３２〜３５のうち、第１先端ローラ３４および第２先端ローラ３５は、繊維束１０が接触して送出する際に、繊維束の幅を制限する機能を有するローラである。

図４は第１先端ローラ３４を示す概略平面図であり、図５は第２先端ローラ３５を示す概略平面図である。第１先端ローラ３４は、図４に示すように、制限幅ＷＬｃの凹部を有している。これに対して第２先端ローラ３５は、図５に示すように、制限幅ＷＬｃよりも小さい制限幅ＷＬｇの凹部を有している。

ここで、ライナへの繊維束の巻き付けを高精度に行なってタンクの補強層の成形を高精度に行なうためには、ライナへ巻き付ける繊維束の幅を、炭素繊維束とガラス繊維束の違いに応じて、それぞれ異なった幅となるように制御することが要求される。そして、これに伴って、先端ローラに対して、それぞれ異なった幅に対応する制限幅の設定が要求される。一例として、炭素繊維束の幅が１０±３ｍｍで、ガラス繊維束の幅が５±２ｍｍとされる場合、炭素繊維束用の先端ローラの制限幅ＷＬｃは２４ｍｍで、ガラス繊維束用の繊維束の制限幅ＷＬｇは２０ｍｍとされる。但し、これに限定されるものではなく、要求される繊維束の幅に応じて、種々の制限幅が設定される。このような繊維束の違いに応じた制限幅の違いに対応すべく、従来は、課題で説明したように、炭素繊維束の巻き付け時とガラス繊維の巻き付け時とで、先端ローラあるいはこれを含む繊維案内部を交換することで対応していたため、交換に時間が掛かる、という問題があった。また、間違った部品の装着によって品質量や設備故障等を引き起こす可能性がる、という問題もあった。

そこで、本実施形態では、第１先端ローラ３４を炭素繊維束用の制限幅ＷＬｃを有するローラとし、第２先端ローラ３５をガラス繊維束用の制限幅ＷＬｇを有するローラとし、以下で説明する構成および動作により、第１先端ローラ３４による炭素繊維束の幅制限と第２先端ローラ３５によるガラス繊維束の幅制限を切り替えることとしている。なお、炭素繊維束が「第１繊維束」に相当し、制限幅ＷＬｃが「第１制限幅」に相当する。また、ガラス繊維束が「第２繊維束」に相当し、制限幅ＷＬｇが「第２制限幅」に相当する。

図２に示すように、繊維案内部３０において、最も先端側に配置された第２先端ローラ３５を、一つ手前に配置された第１先端ローラ３４に対して、前後方向Ｄｆｂの前方端のローラ面が距離Ｌｆだけ離れ、上下方向Ｄｕｄの上方端のローラ面が距離Ｌｕだけ離れた位置に配置する構成とする。

そして、炭素繊維束の巻き付け時には、図２に示すように、繊維案内部３０の巻き付けの開始の基準となる位置を、第１先端ローラ３４の前後方向Ｄｆｂにおける前方端のローラ面の位置Ｐｒが、ライナ１００の円筒部１０２の前後方向Ｄｆｂにおける後方端の面の位置Ｐｌから距離Ｌｍｃだけ離れた位置となるように設定する。この距離Ｌｍｃは、第１先端ローラ３４から送出される繊維束１０が第２先端ローラ３５のローラ面に接触しないようにするための距離である。これにより、炭素繊維の繊維束１０の幅を、第１先端ローラ３４に設定された炭素繊維束用の制限幅ＷＬｃによって制限することができる。

なお、巻き付けの途中の過程において、前後方向Ｄｆｂにおける繊維案内部３０の位置は、通常、巻き付けられた繊維束の層の厚さに応じて、基準の位置から後方に移動される。この場合の後方への移動量は、通常、繊維束の層の厚さの変動量に対応させればよい。これにより、繊維束１０が第２先端ローラ３５のローラ面に接触しない関係を維持することができる。

また、ガラス繊維束の巻き付け時には、図３に示すように、繊維案内部３０の巻き付けの基準となる位置を、第１先端ローラ３４の位置Ｐｒとライナ１００の位置Ｐｌとの前後方向Ｄｆｂにおける距離が、炭素繊維束の巻き付け時における距離Ｌｍｃよりも小さい距離Ｌｍｇとなるように、設定する。これにより、ライナ１００へ向かう繊維束１０の経路の傾斜が大きくなり、繊維束１０を第２先端ローラ３５に接触するようにすることができる。すなわち、この距離Ｌｍｇは、第１先端ローラ３４から送出される繊維束１０が第２先端ローラ３５のローラ面に接触させるための距離である。これにより、ガラス繊維の繊維束１０の幅を、第２先端ローラ３５に設定されたガラス繊維束用の制限幅ＷＬｇによって制限することができる。なも、巻き付けの途中の過程については、炭素繊維素束の巻き付け時と同様であるので、説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態のフィラメントワインディング装置１０００では、炭素繊維素束の巻き付け時においては、繊維案内部３０の基準の位置を、第２先端ローラ３５には接触せず、第１先端ローラ３４に接触する位置に設定する。これにより、炭素繊維束用の制限幅ＷＬｃの第１先端ローラ３４によって幅が制限された炭素繊維の繊維束１０をライナ１００に巻き付けることができる。また、ガラス繊維束の巻き付け時には、繊維案内部３０の基準の位置を、炭素繊維束の巻き付け時の設定位置から、第２先端ローラ３５に接触する位置に変更する。これにより、ガラス繊維束用の制限幅ＷＬｇの第２先端ローラ３５によって幅が制限されたガラス繊維の繊維束１０をライナ１００に巻き付けることができる。従って、本実施形態のフィラメントワインディング装置１０００では、従来のように、先端ローラあるいはこれを有する繊維案内部を交換する必要がなく、繊維案内部３０の位置を変更することで、制限幅の異なる２種類の繊維束の巻き付けを行なうことが可能である。これにより、従来交換に要していた時間の短縮を図ることが可能である。また、間違った部品の装着によって品質不良や設備故障を引き起こす可能性を低減することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（１）上記実施形態では、巻出しボビン１２ａ〜１２ｄは、樹脂を含浸させた繊維束ではなく、樹脂を含浸させていない繊維束を繰り出してもよい。この場合、繊維案内部３０までの途中に樹脂槽を設け、樹脂槽に繊維を浸すことで、樹脂を含浸させるようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、繊維案内部３０をトラバース方向Ｄｔｒに移動させるものとしたが、ライナ１００をトラバース方向Ｄｔｒに移動させるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、繊維案内部３０を前後方向Ｄｆｂに移動させることで、第２先端ローラ３５のローラ面への繊維束の接触／非接触を切り替えるものとしたが、これに限定されるものではない。第１先端ローラ３４を、例えば、上下方向Ｄｕｄに移動可能な構造として、炭素繊維束の巻き付け時は第１先端ローラ３４を下方に移動させてそのローラ面を繊維束１０に接触させ、ガラス繊維束の巻き付け時には第１先端ローラ３４を上方に移動させて、第２先端ローラ３５のローラ面が繊維束１０に接触するようにしてもよい。また、第２先端ローラ３５を、例えば、上下方向Ｄｕｄに移動可能な構造として、炭素繊維束の巻き付け時は第２先端ローラ３５を上方に移動させてそのローラ面が繊維束１０に非接触とし、ガラス繊維束の巻き付け時には第２先端ローラ３５を下方に移動させて、第２先端ローラ３５のローラ面が繊維束１０に接触するようにしてもよい。すなわち、炭素繊維束の巻き付け時には、繊維束が第２先端ローラ３５のローラ面に非接触で第１先端ローラ３４のローラ面に接触し、ガラス繊維束の巻き付け時には、繊維束が第２先端ローラ３５のローラ面に接触するように、繊維案内部３０からライナ１００へ送出される繊維束１０の経路に対して、少なくとも第２先端ローラ３５の位置を変化させることができればよい。

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形態、変形例中の技術的特徴は、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…繊維束、１０ａ〜１０ｄ…繊維束、１２ａ〜１２ｄ…巻出しボビン、１４ａ〜１４ｄ…中継ローラ、１６，１７…中継ローラ、１８…ニップローラ、１９…ダンサ、２０，２１…ダンサローラ、２２…シリンダ、３０…繊維案内部、３１…ローラ支持部、３２〜３３…ローラ、３４…ローラ（第１先端ローラ）、３５…ローラ（第２先端ローラ）、４０…案内部移動装置、５０…回転装置、１００…ライナ、１０２…円筒部、１０４…ドーム部、１０００…フィラメントワインディング装置、ＣＸ…中心軸、Ｄｆｂ…前後方向、Ｄｕｄ…上下方向、Ｄｔｒ…トラバース方向、Ｄｒ…回転方向、Ｐｒ，Ｐｌ…位置、ＷＬｃ，ＷＬｇ…制限幅

Claims (1)

1. 対象物に２種類の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、
   前記対象物を回転させる回転装置と、
   第１制限幅に設定された第１先端ローラと、前記第１先端ローラよりも先端側に配置され、前記第１制限幅よりも小さい第２制限幅に設定された第２先端ローラと、を有し、前記対象物に向けて繊維束を送出する繊維案内部と、
   前記対象物に送出される繊維束の経路に対して、少なくとも前記第２先端ローラの位置を変化させる案内部移動装置と、
   を備え、
   前記対象物に第１繊維束を巻き付ける際には、前記第１先端ローラのみに前記第１繊維束が接するように、前記第１繊維束の経路に対する前記第２先端ローラの位置が前記案内部移動装置によって設定され、
   前記対象物に第２繊維束を巻き付ける際には、前記第２先端ローラに前記第２繊維束が接するように、前記第２繊維束の経路に対する前記第２先端ローラの位置が前記案内部移動装置によって設定される、
   ことを特徴とするフィラメントワインディング装置。

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