JPH08433B2 - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カーボンファイバー、
ガラスファイバー等の強化繊維や、この強化繊維に熱硬
化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸した線材（一般に「ロ
ービング」という）、更には強化繊維に熱硬化性又は熱
可塑性樹脂を含浸させて成膜したシートを細断して繊維
状にした線材（一般に「プリプレグ」という）等をマン
ドレルに巻付け、大型であるが軽量で高強度な構造体、
例えば円筒状の燃料タンク、ガス容器等の成形品を成形
するフィラメントワインディング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、フィラメントワインディング装置
としては、中心軸回りに回転するマンドレルに対してマ
ンドレルの中心軸方向にフィードアイを移動させながら
線材を送り出すに際し、マンドレルの回転角とフィード
アイの移動量をエンコーダーで検出し、両者の動きを制
御できるようにし、巻付け軌跡及び巻付け量を精度よく
制御できるようにしたものが知られている（特開昭６１
−５５０７３号公報）。

【０００３】ところで、フィラメントワインディング装
置による線材の巻付け方としては、線材をマンドレルの
中心軸に対してほぼ直交方向に巻付けるフープ巻きと、
線材をほぼマンドレルの中心軸に沿って巻付けるポーラ
巻きとがある。

【０００４】一般的な線材の巻付け方はフープ巻きであ
るが、線材を巻付け形成した成形品は、線材の巻付け方
向には極めて高い強度を示すものの、線材の巻付け方向
に直交する方向の強度は意外に弱い特徴を有する。特に
大型の燃料タンクやガス容器については、その周方向の
みならず中心軸方向についても高い強度が要求されるの
で、ポーラ巻きを行う必要がある。

【０００５】前記従来のフィラメントワインディング装
置は、フープ巻きについては高い精度で効率よく巻付け
を行うことができるが、ポーラ巻きを行う場合、一旦巻
付けを停止して線材をマンドレルの端面に引っ掛ける必
要があり、生産性が低下することに加え、巻付けパター
ンやマンドレルの形状等にも制限される問題がある。

【０００６】一方、比較的小型のマンドレルに対してポ
ーラ巻きが行えるフィラメントワインディング装置とし
て、図２に示されるようなものが一部で実用化されてい
る。

【０００７】図２に示される装置は、マンドレル１０１
を、予め線材１０２に対して傾斜させて設けた支持アー
ム１０３で片持ち支持してその中心軸回りに回転させる
と共に、線材１０２に直交する軸回りに支持アーム１０
３ごとマンドレル１０１を回転させ、線材１０２をマン
ドレル１０１へ送り出して巻付けるようにしたものであ
る。これは、線材１０２が支持アーム１０３に干渉しな
いための工夫をなしたものである。

【０００８】上記フィラメントワインディング装置によ
れば、線材１０２は、直交軸回りの回転によってほぼマ
ンドレル１０１の中心軸に沿って巻付けられると共に、
マンドレル１０１の中心軸回りの回転によって巻付けピ
ッチが調整されることになる。また、巻付けパターン
は、マンドレル１０１の中心軸回りの回転、直交軸回り
の回転及び線材１０２の送り出し角度等の調整によって
種々選択できる。

【０００９】しかし、図２の装置において、マンドレル
１０１を片持ちで保持しているが、これを両持ちにする
と片側のアームが線材１０２に干渉してしまうのは自明
の理であり、この方式の装置では片持ちが原則となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のフィラメン
トワインディング装置の場合、マンドレルが片持ち支持
となっているため、大型の成形品を成形する場合に、マ
ンドレルの荷重によって揺れを生じ、巻付け精度が低下
しやすい問題がある。巻付け精度が低下して巻付け位置
や巻付け厚さにばらつきが生じると、予定した強度が得
られなくなる恐れがある。

【００１１】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、巻付けパターンの選択性を阻害することなく、マ
ンドレルを両持ち支持したフィラメントワインディング
装置とすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このために本発明で講じ
られた手段を図１に基づいて説明すると、本発明では、
マンドレル２をその中心軸回りに回転可能に両持ち支持
すると共に、マンドレル２の中心軸に対する直交軸回り
にマンドレル２を回転可能で、且つ前後方向に傾動可能
に支持されたマンドレル装置Ｃと、前後、左右及び上下
方向への位置調整と中心軸回りの回転が可能なフィード
アーム７の先端に設けられ、マンドレル２に対して線材
１を送り出すフィードアイ６を備えた線材供給装置Ａと
を有するフィラメントワインディング装置としているも
のである。

【００１３】尚、本発明において前後方向とはマンドレ
ル装置と線材供給装置の対向方向をいい、左右方向とは
この前後方向に直交する平面方向をいう。

【００１４】

【実施例及び作用】図１に基づいて本発明の一実施例を
説明する。

【００１５】図中、Ａは線材供給装置、Ｂはトラバーサ
装置、Ｃはマンドレル装置、Ｄはマンドレル傾動駆動装
置で、線材供給装置Ａはトラバーサ装置Ｂ上に設置され
ており、マンドレル装置Ｃはマンドレル傾動駆動装置Ｄ
上に支持されている。

【００１６】まず、線材供給装置Ａについて説明する。

【００１７】線材供給装置Ａは、張力制御装置（図示さ
れていない）で適度なテンションが付与された線材１
を、後述するマンドレル装置Ｃのマンドレル２へと送り
出すもので、前後移動架台３上に乗せられたレジンバス
４と、上下移動架台５からマンドレル装置Ｃ方向へ延出
し、先端にフィードアイ６を備えたフィードアーム７等
から構成されているものである。

【００１８】前後移動架台３の下部には、前後方向に設
けられたボールネジ８ａが螺合している。このボールネ
ジ８ａの一端（反マンドレル装置Ｃ側）には、後述する
トラバーサ装置Ｂの左右移動架台１０上に設けられた前
後駆動モータ１１ａが接続されている。また、前後移動
架台３は、やはり左右移動架台１０上に設けられたリニ
アガイド１２ａ上に設けられていて、上記前後駆動モー
タ１１ａが作動してボールネジ８ａが回転すると、リニ
アガイド１２ａに沿って前後方向に進退されるものとな
っている。

【００１９】上記前後移動架台３の上部には、レジンバ
ス４が乗せられている。このレジンバス４は、例えばエ
ポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂液を溜
めたもので、供給される線材１をガイドロール９で内部
に導き、浸漬させることでこれを含浸させるものであ
る。線材１の出口側には一対の絞りロール１３が設けら
れており、この絞りロール１３間に挟まれることで、余
剰の熱硬化性樹脂が線材１から絞り取られる。

【００２０】本発明でマンドレル２に巻付ける線材１
は、強化繊維、繊維状ゴム質、ロービング、プリプレグ
のいずれでもよく、特に熱硬化性樹脂とカーボンファイ
バー、グラスファイバーあるいはアラミド繊維等のロー
ビングとのコンポジットを成形する場合は、巻付け直前
で熱硬化性樹脂の含浸を行うために、上述のレジンバス
４を備えていることが好ましい。

【００２１】一方、強化繊維や繊維状ゴム質をそのまま
マンドレル２に巻付ける場合や、熱可塑性樹脂含浸のロ
ービングやプリプレグをマンドレル２に巻付ける場合に
はレジンバス４は不要である。特に熱可塑性樹脂含浸の
ロービングやプリプレグをマンドレルに巻付ける場合に
は、レジンバス４に代えて、線材１の含浸熱可塑性樹脂
を軟化・溶融させるための熱源、例えば赤外線ランプ等
を設けることが好ましい。

【００２２】前後移動架台３の前面側（マンドレル装置
Ｃ側）に設けられたリニアガイド１２ｂ上は上下移動架
台５の脚部と嵌合している。この上下移動架台５の背面
側には、上下方向にボールネジ８ｂが螺合しており、そ
の下端には、前後移動架台３上に設けられた上下駆動モ
ータ１１ｂがタイミングベルト１４ａを介して接続され
ている。従って上下移動架台５は、上記上下駆動モータ
１１ｂの作動によって、タイミングベルト１４ａを介し
てしてボールネジ８ｂが回転されると、リニアガイド１
２ｂに沿って上下方向に移動されるものである。

【００２３】上記上下移動架台５には、線材１をマンド
レル２へと導くフィードアーム７の後端が、その中心軸
回りに回転可能に取付けられている。このフィードアー
ム７は、先端がマンドレル２付近まで延出しており、そ
こに、線材１をマンドレル２へと送り出すフィードアイ
６が設けられている。

【００２４】上下移動架台５上に設けられた回転駆動モ
ータ１１ｃとフィードアーム７間にはタイミングベルト
１４ｂが掛け渡されており、回転駆動モータ１１ｃの作
動によって、タイミングベルト１４ｂを介してフィード
アーム７がその中心軸回りに回転されるものとなってい
る。この回転によって、フィードアーム７先端のフィー
ドアイ６は円運動されることになる。

【００２５】フィードアーム７の先端部は、上記フィー
ドアイ６の円運動を適宜の直径の円運動とするため、並
びに、フィードアイ６をできるだけマンドレル２の中心
軸付近に位置させることができるようにするために、図
示されるようにＬ字形に屈曲されている。

【００２６】トラバーサ装置Ｂは、上述の線材供給装置
Ａを戴置して支えるもので、基台１５ａ上に設置された
レール１６に沿って左右方向に移動可能に設けられた左
右移動架台１０によって構成されている。

【００２７】左右移動架台１０の下部には、左右方向に
設けられたボールネジねじ８ｃが螺合している。このボ
ールネジ８ｃは、基台１５ａ上に設けられた左右駆動モ
ータ１１ｄの作動によって、タイミングベルト１４ｃを
介して回転され、これによって左右移動架台１０がレー
ル１６に沿って左右方向に移動されるものである。

【００２８】以上のように、左右移動架台１０は左右方
向に移動可能、その上に設けられた前後移動架台３は前
後方向に移動可能、更にその上に設けられた上下移動架
台５は上下方向に移動可能である。従って、上下移動架
台５に取付けられたフィードアーム７は、左右、前後及
び上下に移動可能である。しかもフィードアーム７はそ
の軸回りに回転可能であるので、このフィードアーム７
の先端に設けられたフィードアイ６は、これら左右、前
後及び上下方向への移動と同時に、フィードアーム７の
中心軸回りの回転移動が可能で、線材１の送り出し位置
を種々調整することができる。

【００２９】一方、マンドレル装置Ｃは、マンドレル２
を、中心軸回りの回転（以下「自転」という）ができる
状態で両持ち支持する取付けアーム１７と、駆動機構を
内蔵した駆動ボックス１８とから構成されるものであ
る。

【００３０】マンドレル２は、通常アルミニウム等の合
金で形成されたもので、この周囲に巻付けられる線材１
と一体となって成形品を構成するものである。

【００３１】取付けアーム１７には、マンドレル２を、
自転可能に両持ち支持するための自転軸１９とスクロー
ルチャック２０が設けられている。マンドレル２には、
自転軸１９を挿入するための孔が形成されているが、こ
の孔は、成形完了後適宜の治具等を埋め込むことによっ
て事後的に閉鎖されるものである。

【００３２】取付けアーム１７は、マンドレル２の中心
軸に対する直交軸回りの回転（以下「公転」という）が
できる状態で駆動ボックス１８に支持されている。即
ち、取付けアーム１７は、マンドレル２の中心軸方向ほ
ぼ中央部に、マンドレル２の中心軸に対する直交軸方向
に設けられた公転軸２１を介して駆動ボックス１８に支
持されており、しかも公転軸２１は、タイミングベルト
１４ｄを介して公転駆動モータ１１ｅに接続されてい
る。従って、取付けアーム１７は、公転駆動モータ１１
ｅの作動によって、タイミングベルト１４ｄを介して、
マンドレル２ごと公転されるものとなっている。

【００３３】一方、公転軸２１内から取付けアーム１７
の下部に沿って、傘歯車２２を介在させた自転駆動軸２
３が設けられており、この自転駆動軸２３の一端はタイ
ミングベルト１４ｅを介して自転軸１９に接続され、他
端はタイミングベルト１４ｆを介して自転駆動モータ１
１ｆに接続されている。従って、自転駆動モータ１１ｆ
を作動させると、タイミングベルト１４ｆ、自転駆動軸
２３及びタイミングベルト１４ｅを介して自転軸１９が
回転され、マンドレル２が自転されるものである。

【００３４】上記マンドレル装置Ｃは、傾動軸２４を介
して、マンドレル傾動駆動装置Ｄの基台１５ｂ上に、前
後方向に傾動可能に設けられている。この傾動は鉛直方
向に対して３０度位まで行えることが好ましい。また、
基台１５ｂ上には傾動駆動モータ１１ｇが設けられてお
り、この傾動駆動モータ１１ｇと傾動軸２４間にはタイ
ミングベルト（又はスプロケットチェーン）１４ｇが掛
け渡されている。従って、マンドレル装置Ｃは、傾動駆
動モータ１１ｇの作動によって、前後方向に傾動される
ものとなっている。

【００３５】以上のように、マンドレル２は、自転可能
であると共に、取付けアーム１７と共に公転可能であ
り、しかも傾動軸２４を介して前後方向に傾動可能であ
る。加えて、前述のように、線材１を送り出すフィード
アイ６は、上下、左右、前後方向に移動可能であるばか
りか、フィードアーム７の中心軸回りに回転運動可能
で、種々の位置調整ができる。従って、マンドレル２を
取付けアーム１７に両持ち支持しても、線材１の供給サ
イドの運動とマンドレル２サイドの運動を同調させるこ
とで、マンドレル２の支持部の干渉を受けることなく種
々の巻付けパターンのポーラ巻きは勿論のこと、単純な
フープ巻きも可能となるものである。

【００３６】巻付けが終了した成形品は、スクロールチ
ャック２０を外して自転軸１９から外し、例えば熱硬化
性樹脂を含浸させた線材１を巻付けた時には、所定温度
まで加熱されている加熱炉に移送して所定時間加熱し、
熱硬化性樹脂を硬化させて最終成形品となる。

【００３７】前述の各駆動モータ１１ａ〜１１ｇは、夫
々コンピューター等の中央制御装置（図示されていな
い）に接続され、中央制御装置に設定された指示内容に
基づいて連動して作動するようになっている。この場
合、中央制御装置に設定内容を変更することで種々のパ
ターンの巻付けを行うことができる。

【００３８】本実施例では、マンドレル２を円筒状とし
て説明したが、このマンドレル２の形状は特に限定され
るものではなく、例えば円球状や単純な棒状のマンドレ
ル２であっても差し支えない。

【００３９】本実施例では、マンドレル２はアルミニウ
ム等の合金製とし、このマンドレル２を線材１内に埋め
込んだ状態で成形品とすることとして説明した。しか
し、マンドレル２の材質は特に限定されるものではな
く、例えば石膏等でマンドレル２を作製し、線材１の巻
付け終了後、このマンドレル２を壊して取り除くことに
より、巻付けた線材１のみの空洞状の成形品を得ること
もできる。

【００４０】

【発明の効果】本発明は以上説明した通りのものであ
り、次の効果を奏するものである。

【００４１】（１）マンドレル２を両持ち支持している
ので、大型のマンドレルに線材１を巻付ける際も安定し
てマンドレル２の支持ができ、マンドレル２の揺れは生
じにくいので、高い線材１の巻付け精度が得られる。ま
た、同様の理由から、高速運転ができるので、生産性が
向上する。

【００４２】（２）フィードアイ６の自由な位置調整が
できると共に、マンドレル２の自転、公転及び傾動を夫
々制御することができるので、ポーラ巻きが容易で、マ
ンドレル２の全周に種々の巻付けパターンで線材１を巻
付けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の説明図である。

【図２】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

Ａ 線材供給装置 Ｂ トラバーサ装置 Ｃ マンドレル装置 Ｄ マンドレル傾動駆動装置 １ 線材 ２ マンドレル ３ 前後移動架台 ４ レジンバス ５ 上下移動架台 ６ フィードアイ ７ フィードアーム ８ａ〜８ｃ ボールネジ ９ ガイドロール １０ 左右移動架台 １１ａ 前後駆動モータ １１ｂ 上下駆動モータ １１ｃ 回転駆動モータ １１ｄ 左右駆動モータ １１ｅ 公転駆動モータ １１ｆ 自転駆動モータ １１ｇ 傾動駆動モータ １２ａ，１２ｂ リニアガイド １３ 絞りロール １４ａ〜１４ｇ タイミングベルト（又はスプロケッ
ト） １５ａ，１５ｂ 基台 １６ レール １７ 取付けアーム １８ 駆動ボックス １９ 自転軸 ２０ スクロールチャック ２１ 公転軸 ２２ 傘歯車 ２３ 自転駆動軸 ２４ 傾動軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マンドレルをその中心軸回りに回転可能
   に両持ち支持すると共に、マンドレルの中心軸に対する
   直交軸回りにマンドレルを回転可能で、且つ前後方向に
   傾動可能に支持されたマンドレル装置と、 前後、左右及び上下方向への移動と中心軸回りの回転が
   可能なフィードアームの先端に設けられ、マンドレルに
   対して線材を送り出すフィードアイを備えた線材供給装
   置とを有することを特徴とするフィラメントワインディ
   ング装置。