JP3379210B2

JP3379210B2 - フィラメントワインディング成形方法及び装置

Info

Publication number: JP3379210B2
Application number: JP08272794A
Authority: JP
Inventors: 辰哉宮川; 雲　　一郎
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JPH07266438A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィラメントワインデ
ィング成形方法および装置に関し、さらに詳しくは、マ
ンドレルを成形中子として、これにフィラメントを巻き
付けて筒状の繊維補強合成樹脂成形体（以下、ＦＲＰと
称する）を形成するフィラメントワインディング成形方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰの成形は、たとえばＢステージの
熱硬化性樹脂を含浸したフィラメントをマンドレル上に
巻き付けて所定の厚さとし、ラッピングテープを巻きつ
け、加熱してラッピングテープの熱収縮力を付与しなが
ら熱硬化性樹脂を硬化させた後、脱型することにより行
われている。

【０００３】ＦＲＰ素材を成形する方法に関する技術と
しては、従来、図３に示す如く中空チューブ（マンドレ
ル）１を走行させながら２つのボビン２ａ、２ｂを互い
に反対方向に回転させフィラメント３を交差状に積層し
て巻き付ける方法（例えば、特開昭５５−９５５３５号
公報）や、図４に示す如く、定寸のマンドレル４を回転
させながらトラバース５を往復動させてフィラメント６
を交差状に巻き付ける方法（例えば、特開昭５７−４９
５２２号公報）などが提案されている。

【０００４】ところで、ＦＲＰは、それぞれ金属または
樹脂のみからなる材料にくらべて比強度や比弾性率が高
いことから、いろいろな分野に供されている。このう
ち、自動車のプロペラシャフトや、ロールなどの強化部
品として用いるＦＲＰ素材は、高強度が要求されるため
に、フィラメントの配向方向が制限されるとともに、フ
ィラメントが素材の両端で切断されることなく連続して
いる必要がある。また、比強度や、比弾性率などの力学
的な要求性能によって巻き付けるワインディングパター
ンの最適条件を見つけ出す必要もある。

【０００５】しかし、図３に示したような方法では、反
対方向に回転する２つのボビン２ａ、２ｂが必要であ
り、設備的に複雑になるばかりでなく、２スッテプのフ
ィラメント巻き付けスペースが必要である等の問題があ
る。

【０００６】また、図４に示した方法では、定寸のマン
ドレル４であるからフィラメントの連続性は得られる
が、１体のマンドレル毎に巻き付けるものであるからマ
ンドレル交換等のために連続生産が難しく生産効率がき
わめて悪いという問題がある。

【０００７】そこで、上記のような問題を解消する手段
の１つとして、たとえば特開昭５９−１１４０２５号公
報のような提案がなされている。該提案では、連続押し
出し成形されながら回転されるマンドレルに、切断長さ
毎に連続して複数のフィラメントを巻き付ける方法が記
載されている。この方法では、マンドレルが押し出し成
形されつつ、回転軸方向から連続的に巻取部に送入され
る。したがって、フィラメントの連続性も得られて、生
産性が向上する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記提
案には、フィラメントで強化されていないマンドレルの
部分がＦＲＰ成形品になって一体化されること、連続押
し出し成形するためにマンドレルの形状や大きさの変更
が難しいこと、力学的な要求性能によってワインディン
グパターンを種々変更して巻き付けることが難しいこと
などの問題がある。

【０００９】本発明は、上記のような問題点に着目し、
生産効率を高め、各種形状のＦＲＰ成形品の製造に柔軟
に対応でき、力学的な要求性能に応じてワインディング
パターンを適宜変更しフィラメントを巻き付けることが
できるＦＲＰ成形用のフィラメントワインディング成形
方法および装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
フィラメントワインディング成形方法は、マンドレルの
軸方向に沿ってフィラメントを往復動させ、該マンドレ
ル上にフィラメントを巻き付けるフィラメントワインデ
ィング成形方法において、Ａ．前記マンドレルへのフィラメントの巻取位置をマン
ドレルの軸方向に、同一軸上に複数設定し、Ｂ．前記複数の巻取位置におけるフィラメントワインデ
ィングパターンを制御装置の指示により各々独立に設定
し、かつ、Ｃ．前記複数の巻取位置のマンドレルを同時に駆動して
成形することを特徴とする方法からなる。

【００１１】上記巻取位置は、制御装置からの指示信号
に基づいて設定される。

【００１２】また、各々の巻取位置へ巻き付けるフィラ
メントのワインディングパターンは、制御装置からの信
号に基づき、各々独立に設定可能とされている。

【００１３】すなわち、マンドレルの長さ方向に沿っ
て、その長さ内で、トラバース部を往復動させて、マン
ドレルにフィラメントを巻き付けるに際し、巻取位置が
少なくとも２つ以上あり、さらに、，巻取位置と、各巻
取位置に巻き付けるワインディングパターンが制御装置
からの指示により設定できるフィラメントワインディン
グ成形方法を提供するものである。

【００１４】また、上記目的に沿う本発明のフィラメン
トワインディング成形装置は、マンドレルの軸方向に沿
ってフィラメントを往復動させ、該マンドレル上にフィ
ラメントを巻き付けるフィラメントワインディング成形
装置において、Ａ．同一軸上に複数のフィラメントの巻取位置を有する
マンドレルと、Ｂ．前記複数のフィラメントの巻取位置に対応するマン
ドレルを同時駆動する回転駆動源と、Ｃ．前記複数の巻取位置におけるフィラメントワインデ
ィングパターンを各々独立に設定し、前記回転駆動源に
駆動指令を与える制御装置を設けたことを特徴とするも
のからなる。

【００１５】本発明における上記巻取部とは、マンドレ
ルと、マンドレルを把持する把持具と、把持具を回転駆
動する巻取軸と、巻取軸を駆動する回転駆動源で構成さ
れ、マンドレルの回転によって、フィラメントをマンド
レルに巻取らせるためのものである。

【００１６】また、トラバース部とは、前記巻取部に供
給されるフィラメント、たとえば樹脂含浸フィラメント
を、トラバースさせる部分を指し、必要に応じ、フィラ
メントに樹脂を含浸させるための樹脂槽が取り付けられ
ている。トラバース部の駆動手段としては、トラバース
部自体に駆動手段を取り付けることも可能であり、トラ
バース部の取り付けられている移動手段に駆動機能を持
たせ、トラバース部を往復動させてもよい。

【００１７】移動手段は、複数の巻取位置に順次、交互
に給糸できるように、トラバース部を各巻取位置に走行
移動するためのものである。たとえば、巻取部の巻取軸
に平行にレールを設置し、それに、トラバース部を載せ
るか、懸垂させるかして移動ガイドとし、公知の駆動装
置によって移動するものなどがある。

【００１８】また、「巻取位置」とは、トラバース部
が、巻取部の巻取範囲内でフィラメントを往復動させな
がら巻取を実施することのできる位置のことである。

【００１９】「順次」とは、複数の巻取位置に対し、ト
ラバース部を所望の順序でその巻取位置に移動するスケ
ジュールを意味する。すなわち、巻取は、トラバース部
が所定のスケジュールに従って移動され、複数の巻取位
置に対し順次行われるのである。

【００２０】「制御装置」は、巻取に必要な巻取位置、
ワインディングパターンなどの巻取条件の設定を行う設
定器と、設置器に入力された巻取条件からトラバース部
移動速度、巻取部のマンドレル回転数などを算出するた
め、メモリ、ＣＰＵ、周辺回路とを有する演算処理部
と、演算処理部で算出された指令信号を各駆動機に伝達
できる信号にまで増幅する増幅器とから構成されてい
る。設定器は、公知のコンピュータにより、巻取条件の
入力操作や、巻取状態をモニターする機能を有する。ま
た、設定器は、フィラメントワインディング成形装置を
作動、停止させる機能も合せ持っている。

【００２１】成形品の形状や、マンドレルの形状などに
より、制御装置から巻取位置を設定することができる。
また、各巻取位置に巻き付けるワインディングパターン
も制御装置から各々設定することができる。

【００２２】「ワインディングパターン」は、マンドレ
ルの回転数と、トラバースの移動速度との調整によって
形成されるパターンで、パラレル巻、ヘリカル巻、ポー
ラ巻インプレーン巻が形成できる。成形品の形状や、力
学的な要求性能によって、それらのいずれか、または併
用することもできる。また、ワインディングパターンを
設定するとき、巻き付け角度と、糸速と、巻層数を併せ
て設定することも可能である。

【００２３】「巻き付け角度」は、マンドレルに対する
フィラメントの巻き付け角であり、また、「糸速」は、
マンドレルの回転数と、トラバース部の移動速度を制御
装置で算出するのに用いられる。

【００２４】「巻層数」は、樹脂含浸フィラメントを巻
き付けて所定の厚さを得るために、ワインディングパタ
ーンの巻数を設定する。また、成形品の形状や、力学的
な要求性能によってワインディングパターンの併用を行
う場合の、各ワインディングパターンの巻数を設定す
る。

【００２５】

【作用】本発明に係るフィラメントワインディング成形
方法においては、フィラメントを巻き付けるマンドレル
の軸に沿う方向に巻取位置が複数設定されているので、
フィラメントは、まず一つの巻取位置でマンドレル上に
巻き取られ、該巻取位置での巻き取りが終了すると、続
いて他の巻取位置での巻き取りが開始される。このよう
に、，マンドレル上に設定された複数の巻取位置でフィ
ラメントの巻き取りが順次行われる。従って、マンドレ
ル交換等の回数が大幅に減少し、連続的な生産が可能と
なり、生産効率が向上する。

【００２６】また、巻取位置は、制御装置からの指示に
より設定されるので、容易に位置変更も可能であり、し
かも正確な位置決めが可能となり、フィラメントの巻き
取り精度が向上される。

【００２７】また、フィラメントのワインディングパタ
ーンは、制御装置からの指示により容易に設定され得る
ので、力学的性能に応じたワインディングパターンでの
フィラメントの巻き取りが迅速、かつ確実に実行され
る。

【００２８】さらに、本発明に係るフィラメントワイン
ディング成形装置においては、マンドレルの軸方向にフ
ィラメント巻取位置が複数設定されているので、マンド
レル交換頻度が低減され、連続的な生産が可能となり、
生産効率が向上できる。また、巻取位置及び各巻取位置
でのワインディングパターンは、制御装置からの指示に
より各々独立して最適に設定されるので、フィラメント
の巻取精度が向上されつつ、力学的性能を満足した高品
質のフィラメントワインディング成形品が得られる。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参
照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係るフィ
ラメントワインディング成形装置を示している。図１の
フィラメントワインディング成形装置では、巻取部１０
が巻取軸１２の軸方向に配列されている。巻取部１０
は、マンドレル１３を把持するための把持具１４と、該
把持具１４が取り付けられる巻取軸１２と、該巻取軸１
２を回転させるための回転駆動源１５と有する。巻取部
１０にはマンドレル１３が取り付けられている。マンド
レル１３には、その軸方向に沿ってフィラメントを巻き
取るための巻取位置１１ａ、１１ｂが設定されている。
本実施例においては、マンドレル１３上に２つの巻取部
１１ａ、１１ｂが設けられている。なお、巻取位置の設
定数は、これに限定されるものではなくマンドレル１３
上であれば任意の数に設定可能である。

【００３０】巻取部１０に対向して、トラバース部１６
を案内するための移動手段１７が配設されている。移動
手段１７は、レール１８と駆動源１９（たとえば可逆回
転モータ）とを有し、レール１８上に、トラバース部１
６が載せられている。レール１８は、巻取部１０に対向
して、巻取軸１２に対し略平行に配置されていて、トラ
バース部１６を、巻取部１０の巻取位置１１ａ、１１ｂ
に順次移動させるガイドになっている。

【００３１】トラバース部１６には、フィラメント２０
を給糸するためのフィラメントヘッド２７が設けられて
いる。フィラメントヘッド２７の上部にはフィラメント
２０に熱硬化性樹脂を含浸させる樹脂槽２１が設けられ
ている。マンドレル１３に樹脂含浸フィラメント２２を
給糸する際、トラバース部１６がトラバース部１６自身
に組み込まれた、図示しないトラバース駆動装置（たと
えば、前述の駆動源１９に連絡されたボールスクリュ
（図示略）とそれに係合するナット）によって、レール
１８に沿ってレール１８上を、トラバースのために往復
動される。その往復動は、制御装置２３の指示によって
制御されている。

【００３２】制御装置２３は、フィラメントを巻き取る
ための巻取位置１１ａ、１１ｂ、ワインディングパター
ンなどの巻取条件の設定を行う設定器２４と、設定器２
４に入力された巻取条件からトラバース部１６の移動速
度、巻取部１０のマンドレル１３の回転数などを算出す
るため、メモリ、ＣＰＵ、周辺回路を有する演算処理部
２５と、演算処理部２５で演算された指令信号を各駆動
源に伝達できる信号にまで増幅する増幅器２６とから構
成されている。設定器２４は、公知のコンピュータによ
り、巻取条件の入力操作や、巻取状態をモニターする機
能を有している。また、設定器２４は、フィラメントワ
インディング成形装置自身を作動、停止させる機能も合
せ持っている。

【００３３】また、巻取部１０の回転駆動源１５および
移動手段１７の駆動源１９に付随しているパルスジェネ
レータ（図示略）により、各駆動源の回転数に応じたパ
ルスが電気的に制御装置２３にフィードバックされてお
り、制御装置２３からの指令信号に応じた速度、位置制
御が行われるようになっている。

【００３４】巻取位置１１ａ、１１ｂ及び各巻取位置の
フィラメントワインディングパターンは、設定器２４に
別々のデータを入力することにより個別に設定される。
つまり、各巻取位置１１ａ、１１ｂ、およびそれに対応
するフィラメントのワインディングパターンは互いに独
立しており、巻取位置１１ａ、１１ｂに互いに異なるフ
ィラメントワインディングパターンを設定することが可
能に構成されている。

【００３５】なお、フィラメント２０に樹脂を含浸させ
る樹脂槽２１内の熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイ
ミド樹脂等が挙げられる。しかし、フィラメント２０を
含浸させる樹脂は、熱硬化性樹脂に限定されるものでは
なく、熱可塑性樹脂をを用いることも可能である。熱可
塑性樹脂としては、たとえば、ポリエステル、ポリアミ
ド等を挙げることができる。

【００３６】上記実施例装置において、本発明に係るフ
ィラメントワインディング成形方法は以下のように実施
される。図２は、本発明のフィラメントワインディング
成形方法のフロチャートを示しており、まず、マンドレ
ル１３を、把持具１４を介して巻取部１０に取り付け
る。引き続いて、必要とされる巻取準備作業を行う（巻
取準備完了）。

【００３７】巻取準備が完了したら、巻取に必要な、巻
取位置データと、巻取位置に巻き付けるワインディング
パターンデータと、巻き付け角度θと、糸速Ｖと、巻層
数と、糸幅、マンドレル径Ｄ、巻取のスケジュールを制
御装置２３の設定器２４から入力する（スッテプ１）。
なお、実施例の巻取のスケジュールは、巻取位置１１
ａ、巻取位置１１ｂの順に設定した。

【００３８】入力された巻取位置データ、ワインディン
グパターンデータなどにより、設定器２４のコンピュー
タで内部演算され、巻取位置１１ａ、巻取位置１１ｂ、
巻取位置に巻き付けるワインディングパターンの組み合
わせなどが演算される。また、内部演算でトラバース部
１６の移動速度Ｔｖ、巻取部１０のマンドレル回転数Ｍ
ｎなども算出される。算出された各データは、制御装置
２３の図示を省略した演算処理部２５のメモリに伝送さ
れ、記憶される（ステップ２）。演算されたトラバース
部１６の移動速度Ｔｖと、マンドレル回転数Ｍｎは、次
のように表される。Ｔｖ＝Ｖ×ｃｏｓθ （ｍ／分）Ｍｎ＝Ｖ×ｓｉｎθ／πＤ（ｒｐｍ）なお、設定器２４への入力操作は巻取準備の前に行って
もよい。

【００３９】次に、設定器２４からの指示により移動手
段１７を作動させ、トラバース部１６を待機位置から、
スケジュールに従って最初に巻取を行う巻取位置１１ａ
の位置に移動する。トラバース部１６が所定の位置まで
移動したら、樹脂を含浸していないフィラメント２０を
引き取り、樹脂槽２１でこのフィラメント２０に熱硬化
性樹脂を含浸させ、樹脂含浸フィラメント２２にして、
マンドレル１３に給糸する。樹脂含浸フィラメント２２
の先端をマンドレル１３に巻き付けて固定した後、巻取
開始の可否が判断される（ステップ３）。ステップ３で
巻取開始が可と判断された場合は、巻取開始指令が設定
器２４から発せられ、設定器２４で算出した、巻取部１
０の回転数指令と、トラバース部１６の移動速度指令が
増幅器２６で増幅され、各駆動源１５、１９に伝達され
る（ステップ４）。

【００４０】なお、ステップ３において巻取開始が不可
と判断された場合は、巻取条件データの再入力が行われ
る（ステップ９）。ステップ９において、データの入力
不備が是正された場合には再度ステップ１に戻される。
しかし、データの入力不備が是正されない場合には強制
的に巻取終了とされる（ステップ６）。

【００４１】ステップ４に続き、巻取軸１２を介してマ
ンドレル１３を回転させる。同時に、トラバース部１６
が樹脂含浸フィラメント２２をトラバースしながら給糸
を開始する。制御装置２３から指令されるマンドレル１
３の回転数とトラバース移動速度との調整によって、樹
脂含浸フィラメント２２は、マンドレル１３の巻取位置
１１ａに所望のワインディングパターンで巻き付けられ
る（ステップ５）。

【００４２】続いて、巻取終了の確認が行われる（ステ
ップ６）。ステップ６で巻取終了の確認が行れない場合
には、ステップ４〜ステップ６の動作がくり返される。
巻取位置１１ａでの巻取が終了し、ステップ６で巻取終
了が確認されると、次に、巻取スケジュールの完了が確
認される（ステップ７）。巻取スケジュールが未完了の
際には、巻取り条件の再入力操作が必要か否かが判断さ
れ（ステップ１０）、不要の場合には、巻取位置１１ｂ
まで移動手段１７によって、給糸トラバース部１６が移
動され、移動後、所定の巻取を行う（ステップ４〜ステ
ップ６）。ステップ１０で巻取条件の変更が必要と判断
された場合には、ステップ１に戻り入力操作を行う。

【００４３】ステップ７で巻取スケジュールの終了が確
認されると、設定器２４に巻取終了指令が入力され、巻
取部１０の回転数指令と、トラバース部１６の移動速度
指令が停止され、巻取作業が終了する（ステップ８）。
すなわち、設定器２４から巻取指令が継続して出されて
おり、巻取スケジュールが未完了で、巻取条件に変更が
ない限り、上記ステップ４〜６が繰り返し行われる。

【００４４】設定器２４に入力した巻取スケジュールを
すべて完了すると、巻取作業終了となる。端末処理の
後、移動手段１７により、トラバース部１６は待機位置
へ移動される。そして、巻取作業を完了したマンドレル
１３の取り外しと、次のマンドレルへの巻取のための準
備作業が開始される。

【００４５】巻取位置の数、巻取位置に巻き付けるワイ
ンディングパターン、トラバース部のスケジュールは、
生産計画や、成形品の形状、力学的な要求性能などによ
って任意に設定できる。また、，マンドレルに巻取られ
るフィラメントの形状は、ロービング、テープなどＦＲ
Ｐ成形用の所望の形状が採用できる。

【００４６】次に、本実施例装置を用いて以下に述べる
巻取試験を実施した。入力条件は次のように設定した。
マンドレル１３の全長２５００ｍｍ、外径９２ｍｍで、
樹脂含浸フィラメント２２の先端をマンドレル１３に巻
き付けて固定する位置（以下、糸掛け位置と称する）
を、巻取位置１１ａでは、マンドレル１３の端から１７
０ｍｍ、巻取位置１１ｂの糸掛け位置を、マンドレル１
３の端から１０７０ｍｍとし、また、巻取位置１１ａ、
巻取位置１１ｂをそれぞれ９００ｍｍとして設定器２４
から入力した。

【００４７】次に、ロービング数を６、糸速３０ｍ／
分、ワインディングパターンを巻取位置１１ａに、ヘリ
カル巻で±１１度を３層、パラレル巻で１層、ヘリカル
巻で±１１度を３層、パラレル巻で１層、ヘリカル巻で
±１４度を１層、テープ巻を１層と設定する。引き続い
て、巻取位置１１ｂに、ヘリカル巻で±１４度を２層、
パラレル巻で１層、ヘリカル巻で±１４度を２層、パラ
レル巻で１層、ヘリカル巻で±１１度を３層、テープ巻
を１層設定し、設定器２４から入力した。また、トラバ
ース部１６の巻取スケジュールは、巻取位置１１ａ、続
いて巻取位置１１ｂの順とした。

【００４８】図２のフローチャートに従いＦＲＰを成形
し、加熱してテープの熱収縮力を付与しながら熱硬化性
樹脂を硬化させた後、脱型した。結果は、従来法に比べ
短時間で力学的性質の異なった、２種類のＦＲＰの成形
品を成形することができた。

【００４９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明のフィラメ
ントワインディング成形方法及び装置によるときは、マ
ンドレルの長さ内で、複数の巻取位置が設定され、巻取
位置と、各々巻取位置に巻き付けるワインディングパタ
ーンが、制御装置からの指示により独立して設定でき
る。したがって、従来の巻取部と給糸トラバース部とが
１対１に対応していたフィラメントワインディング成形
装置に比べ、力学的な要求性能によってワインディング
パターンをさまざまに変えて巻き付けることができ、力
学的性質の異なったＦＲＰ成形品が同一マンドレル上で
成形でき、かつ、巻き付け条件の最適化が短時間で行
え、生産効率を高めることができる。また、各種の形
状、特性の異なるＦＲＰ成形品の製造に対して、柔軟に
対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るフィラメントワインデ
ィング成形装置の概略構成図である。

【図２】図１の装置のフィラメント巻取り時の制御に係
るフローチャートである。

【図３】従来のフィラメントワインディング成形装置の
概略正面図である。

【図４】従来の別のフィラメントワインディング成形装
置の概略正面図である。

【符号の説明】

１０巻取部１１ａ、１１ｂ巻取位置１２巻取軸１３マンドレル１４把持具１５回転駆動源１６トラバース部１７移動手段１８モノレール１９駆動源２０フィラメント２１樹脂槽２２樹脂含浸フィラメント２３制御装置２４設定器２５演算処理部２６増幅器２７フィラメントヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 70/00 - 70/88

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マンドレルの軸方向に沿ってフィラメン
トを往復動させ、該マンドレル上にフィラメントを巻き
付けるフィラメントワインディング成形方法において、Ａ．前記マンドレルへのフィラメントの巻取位置をマン
ドレルの軸方向に、同一軸上に複数設定し、Ｂ．前記複数の巻取位置におけるフィラメントワインデ
ィングパターンを制御装置の指示により各々独立に設定
し、かつ、Ｃ．前記複数の巻取位置のマンドレルを同時に駆動して
成形することを特徴とするフィラメントワインディング
成形方法。
【請求項２】マンドレルの軸方向に沿ってフィラメン
トを往復動させ、該マンドレル上にフィラメントを巻き
付けるフィラメントワインディング成形装置において、Ａ．同一軸上に複数のフィラメントの巻取位置を有する
マンドレルと、Ｂ．前記複数のフィラメントの巻取位置に対応するマン
ドレルを同時駆動する回転駆動源と、Ｃ．前記複数の巻取位置におけるフィラメントワインデ
ィングパターンを各々独立に設定し、前記回転駆動源に
駆動指令を与える制御装置を設けたことを特徴とするフ
ィラメントワインディング成形装置。