JP6702223B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

本開示はフィラメントワインディング装置に関する。

従来、複数の繊維束を厚み方向に積層した状態でライナに巻き付けるフィラメントワインディング装置が知られている（例えば、特許文献１）。ライナに複数の繊維束が巻き付けられることで、タンクが製造される。

特開２０１５−２１４０８７号公報

従来技術において、ライナに巻き付けられる複数の繊維束は、内側（下層）の繊維束が外側（上層）の繊維束から内側（下層）に押さえつけられるように圧力を受ける。これにより、内側の繊維束が蛇行する場合がある。繊維束が蛇行した場合、タンクの強度が低下するおそれがある。

本開示は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、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、複数の繊維束を厚み方向に積層した状態でライナに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、前記繊維束を厚み方向に複数積層する収束部と、積層された前記複数の繊維束を前記ライナに巻き付けるために、前記積層された複数の繊維束を前記ライナへと供給する繊維束供給部と、前記ライナに巻き付けられる前記積層された複数の繊維束のそれぞれに付与される張力を調整する張力調整部と、を備える。前記張力調整部は、前記ライナに巻き付けた際に内側に位置する前記繊維束に付与される張力を、前記ライナに巻き付けた際に外側に位置する前記繊維束に付与される張力よりも大きくなるように、張力を調整する。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維束を複数積層した状態でライナに巻き付けた際に、内側の繊維束に付与される張力が外側の繊維束に付与される張力よりも大きくなるように張力が張力調整部によって調整されている。これにより、繊維束をライナに巻き付ける際に、内側の繊維束が、外側の繊維束から内側に押し付けられる圧力を受けた場合でも、内側に位置する繊維束が蛇行することを抑制できる。したがって、ライナに巻き付けられた繊維束が蛇行することに起因するタンクの強度低下を抑制できる。

なお、本開示は、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、フィラメントワインディング装置の制御方法や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。

実施形態に係るフィラメントワインディング装置の概略図。 繊維束がガイド部を経由してライナに巻き付けられる状態を示した図。 収束部によって積層された繊維束の模式図。

Ａ．実施形態
図１は、実施形態に係る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、繊維束巻出部１０と、張力調整部２０と、ガイド部３０と、ライナ回転部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である繊維束Ｆ１〜Ｆ６を、複数積層された状態でライナ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〜Ｆ６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〜Ｆ６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〜Ｆ６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〜Ｆ６は、それぞれ対応する搬送経路を経由してガイド部３０へと搬送される。なお、図１では、第１の繊維束Ｆ１と第２の繊維束Ｆ２の搬送経路のみを図示している。

繊維束巻出部１０は、複数のボビン１１１〜１１６と、それぞれのボビン１１１〜１１６に対応して配置されている複数の搬送ローラｒ１１〜ｒ１６と、を有する。ボビン１１１〜１１６は、筒状の部材であり、繊維束Ｆ１〜Ｆ６が予め巻きつけられている。ボビン１１１〜１１６は、接続された駆動モータ（図示しない）によって回転し、繊維束Ｆ１〜Ｆ６を巻き出す。巻き出された繊維束Ｆ１〜Ｆ６は、搬送ローラｒ１１〜ｒ１６を介して張力調整部２０へと搬送される。

張力調整部２０は、搬送ローラｒ２１〜ｒ５２と、張力ダンサー１２１、１２２と、アクティブダンサー１３１、１３２と、を有する。張力調整部２０は、繊維束Ｆ１〜Ｆ６のそれぞれに対して予め定められた張力となるように、繊維束Ｆ１〜Ｆ６のそれぞれに付与される張力を調整する。具体的には、張力調整部２０は、ライナ２００に巻き付けたときに、内側に位置する繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６の張力が外側に位置する繊維束Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５の張力よりも大きくなるように、複数の繊維束Ｆ１〜Ｆ６に付与される張力を調整する。張力ダンサー１２１、１２２は搬送ローラｒ３１、ｒ３２に接続されている。張力ダンサー１２１、１２２は、回転軸を中心に搬送ローラｒ３１、ｒ３２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、１２２は、繊維束Ｆ１、Ｆ２の張力が予め定められた張力となるように、搬送ローラｒ３１、ｒ３２を揺動させることで搬送ローラｒ３１、ｒ３２を介して繊維束Ｆ１、Ｆ２を押圧する。張力ダンサー１２１、１２２は、例えば、シリンダやモータの動力によって駆動する。アクティブダンサー１３１、１３２は、例えば、シリンダやモータの動力によって搬送ローラｒ４１、ｒ４２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ｒ４１、ｒ４２の位置を調整できる。アクティブダンサー１３１、１３２は、搬送ローラｒ４１、ｒ４２を移動させることにより、搬送ローラｒ４１、ｒ４２と、位置が固定された搬送ローラｒ５１、ｒ５２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、搬送途中の繊維束Ｆ１、Ｆ２の張力の変動を抑制できる。なお、フィラメントワインディング装置１００は、繊維束Ｆ１〜Ｆ６の搬送経路において、繊維束巻出部１０と張力調整部２０との間に、ニップロール等の張力分断機構を備えていてもよい。フィラメントワインディング装置１００が張力分断機構を備えることで、繊維束Ｆ１〜Ｆ６をライナ２００に巻き付ける際の張力が大きい場合であっても、繊維束Ｆ１〜Ｆ６がボビン１１１〜１１６に食い込むことを抑制できる。

ガイド部３０は、搬送ローラｒ６１〜ｒ８０と、収束部３１と、繊維束供給部３２と、を有する。収束部３１は、張力調整部２０から搬送されてきた複数の繊維束Ｆ１〜Ｆ６を整列および積層した状態である繊維束Ｆｓに収束する。繊維束供給部３２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。繊維束供給部３２は、繊維束Ｆｓの張力を検出するテンションセンサｔｓを備える。本実施形態では、テンションセンサｔｓは、繊維束Ｆｓの張力を検出しているが、複数の繊維束Ｆ１〜Ｆ６それぞれの張力を計測するセンサであってもよい。また、テンションセンサｔｓは、必須ではなく、備えられていなくてもよい。

ライナ回転部４０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４０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。

制御部５０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、繊維束巻出部１０、張力調整部２０、ガイド部３０、およびライナ回転部４０の動作を制御する。また、制御部５０は、テンションセンサｔｓの検出信号に基づいてフィラメントワインディング装置１００の動作の異常を検知してもよい。

図２は、繊維束Ｆ１〜Ｆ６がガイド部３０を経由してライナ２００に巻き付けられる様子を示した図である。図３は、図２において破線Ａで囲まれた領域における繊維束Ｆｓの模式図である。収束部３１（図２）は、複数の繊維束Ｆ１〜Ｆ６を収束させる治具であり、凹形状である。本実施形態では、図３に示すように、収束部３１により収束された繊維束Ｆｓの配列は、６束の繊維束Ｆ１〜Ｆ６が幅方向（Ｘ方向）に３列、厚み方向（Ｙ方向）に２列である。具体的には、第１の繊維束Ｆ１、第３の繊維束Ｆ３、および第５の繊維束Ｆ５は幅方向に整列されている。また、第２の繊維束Ｆ２は第１の繊維束Ｆ１の厚み方向に積層され、第４の繊維束Ｆ４は第３の繊維束Ｆ３の厚み方向に積層され、第６の繊維束Ｆ６は第５の繊維束Ｆ５の厚み方向に積層されている。

繊維束供給部３２（図２）は、繊維束Ｆｓをライナ２００の外表面へと供給する。繊維束供給部３２は、ライナ２００の中心軸ＣＸと平行なＸ方向と、中心軸ＣＸに垂直なＹ方向と、に移動することができる。また、繊維束供給部３２は、Ｙ方向を回転軸として矢印ＲＤに示す方向に沿って回転することができる。

繊維束Ｆ１〜Ｆ６に付与される張力は、ライナ２００に巻き付けられた際に内側（下層）に位置する繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６（以下、内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６とも呼ぶ）の張力が、外側（上層）に位置する繊維束Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５（以下、外側繊維束Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５とも呼ぶ）の張力よりも大きくなるように、張力調整部２０（図１）によって調整されている。具体的には、第２の繊維束Ｆ２の張力は第１の繊維束Ｆ１の張力よりも大きく、第４の繊維束Ｆ４の張力は第３の繊維束Ｆ３の張力よりも大きく、第６の繊維束Ｆ６の張力は第５の繊維束Ｆ５の張力よりも大きい。内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６の張力は、例えば、外側繊維束Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５の張力の１倍よりも大きく、かつ３倍より小さい張力である。また、すでにライナ２００に巻き付けられている繊維束のさらに外側に繊維束Ｆｓを巻き付ける際には、新たに巻き付けられる繊維束Ｆｓの内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６の張力は、内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６と接触する既に巻き付けられた繊維束の張力よりも小さくなるように、張力調整部２０によって調整される。つまり、よりライナ２００に近い側（内側）に巻き付けられる繊維束ほど張力が大きくなるように張力調整部２０によって繊維束に付与される張力が調整される。

上記実施形態によれば、内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６の張力が外側繊維束Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５の張力より大きくなるように張力調整部２０によって調整されている。この結果、繊維束Ｆｓがライナ２００に巻き付けられる際に、内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６が外側繊維束Ｆ１、Ｆ３、Ｆ５から内側へと押し付けられるような圧力を受けても、内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６の蛇行が抑制できる。したがって、ライナ２００に巻き付けられた内側繊維束Ｆ２、Ｆ４、Ｆ６が蛇行することに起因するタンクの強度低下を抑制できる。また、繊維束Ｆｓの張力は、外側（上層）から内側（下層）に向かうにつれて大きくなるように張力調整部２０によって勾配がつけられている。したがって、繊維束Ｆｓの弛みを抑制することができ、タンクの強度が向上される。また上記実施形態によれば、一度に複数の繊維束Ｆ１〜Ｆ６をライナ２００に巻き付けることが可能なため、１束の繊維束をライナ２００に巻き付ける場合に比べ、巻き付け速度を変えることなくタンクの製造時間を短縮できる。

Ｂ．変形例
上記の実施形態では、収束部３１によって厚み方向に積層される繊維束Ｆ１〜Ｆ６は２束であったが、これに限定されるものではない。例えば、３束以上の繊維束を厚み方向に積層した状態でライナ２００に巻き付けてもよい。この場合、ライナ２００に巻き付けられた際に、より内側（下層）に位置する繊維束の張力ほど大きくなるように、張力調整部２０によってライナ２００に供給される繊維束の張力が調整される。具体的には、収束部３１によって積層された繊維束のうち厚さ方向に隣接する２束の繊維束において、ライナ２００に巻き付けられた際に内側に位置する繊維束の張力が、外側に位置する繊維束の張力より大きくなるように調整される。

この変形例によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、さらに以下の効果を奏する。すなわち、この変形例によれば、ライナ２００へ一度に巻き付けられる繊維束の積層数がさらに多いため、タンクの製造時間をさらに短縮できる。

本開示は、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…繊維束巻出部
２０…張力調整部
３０…ガイド部
３１…収束部
３２…繊維束供給部
４０…ライナ回転部
５０…制御部
１００…フィラメントワインディング装置
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６…ボビン
１２１、１２２…張力ダンサー
１３１、１３２…アクティブダンサー
２００…ライナ
２０２…円筒部
２０４…ドーム部
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆｓ…繊維束
ｒ１１〜ｒ１６、ｒ２１、ｒ２２、ｒ３１、ｒ３２、ｒ４１、ｒ４２、ｒ５１、ｒ５２、ｒ６１、ｒ６２、ｒ７１、ｒ７２、ｒ８０…搬送ローラ
ｔｓ…テンションセンサ

Claims (1)

1. 複数の繊維束を厚み方向に積層した状態でライナに巻き付けるフィラメントワインディング装置であって、
   前記繊維束を厚み方向に複数積層する収束部と、
   積層された前記複数の繊維束を前記ライナに巻き付けるために、前記積層された複数の繊維束を前記ライナへと供給する繊維束供給部と、
   前記ライナに巻き付けられる前記積層された複数の繊維束のそれぞれに付与される張力を調整する張力調整部と、を備え、
   前記張力調整部は、前記ライナに巻き付けた際に内側に位置する前記繊維束に付与される張力を、前記ライナに巻き付けた際に外側に位置する前記繊維束に付与される張力よりも大きくなるように、張力を調整する、
   フィラメントワインディング装置。

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