JPS63165275A - 複合材料ワインデイング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複合材料のワインディング装置に関するもの
でおる。ここで複合材料とは、繊維と樹脂との複合体、
たとえば繊維強化樹脂（以下、ＦＲＰという）のプリプ
レグや樹脂コート繊維＜ｍ維ロービングの周囲に樹脂を
コートしたもの）等をいう。

Ｆ従来の技術］ 従来、このような複合材料のワインディング装置として
、たとえば特開昭６０−６４２１号公報に記載のものが
知られている。

上記公報には、いわゆるフィラメントワインディング法
により熱硬化性樹脂を繊維に含浸させてプリプレグを形
成する複合材の製造装置が開示されている。

このようなフィラメントワインディング法により熱硬化
性樹脂をマトリクス樹脂とする複合材料を成形する装置
自体は周知であり、すでに各種文献によって知られてい
る。

［発明が解決しようとする問題点コ 特開昭６０−６４２’１号公報記載の装置も、）ィラメ
ントワインディング法によりマトリクス樹脂として熱硬
化性樹脂を用いるものであるため、特許請求の範囲およ
び第２図の５に明示されているように、「含浸材」すな
わち熱硬化性樹脂を収容する容器（第１図の４）を必ず
備えておかなければならない。

ざらに、上記公報には明示されていないが、マトリクス
樹脂として熱硬化性樹脂を用いた場合には、周知のよう
にプリプレグ形成後、ざらに熱硬化工程を経なければ製
品が完成しない。

すなわち、上記公報の装置によって製造した複合材は未
完成品であり、この複合材を加熱炉等の加熱装置によっ
て熱硬化させなければ実用に供することはできない。し
たがって、上記公報の装置を用いて複合材を製造しよう
とする場合には、後工程として必ず熱硬化工程を加えな
ければならず、その際、別途加熱炉のような加熱装置が
必要になる。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服し、含浸材
容器や加熱炉を必要とせず、複合材料を巻回と同時に成
形することのできる、生産性に優れた新規な複合材料ワ
インディング装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、軸回転可能なマン
ドレルと、該マンドレルと平行な方向に往復動可能なト
ラバース機構とを備えたワインディング装置であって、
前記トラバース機構の一部に複合材料圧接用のロールお
よび複合材料局所加熱用のヒータを設けたことを特徴と
するものである。

以下、図によって本発明を具体的に説明する。

第１図は、本発明の一実施例よりなる複合材料ワインデ
ィング装置の要部構成を示す斜視図である。

同図において、１は軸回転可能に設けられたマンドレル
、２はマンドレルと平行に設けられた機台、３は機台壁
面に設けられた一対のスプロケット、４は一対のスプロ
ケット間に張設されたチェーンであり、一対のスプロケ
ット３とチェーン４とでトラバース機構をなしている。

５はこのトラバース機構に設けられたトラバース・ヘッ
ドであり、チェーン４の一箇所に設けられた三速チェー
ン４０と噛合しているため、チェーン４の運動と同期し
てマンドレル１と平行な方向に往復動をくり返す。

６は複合材料１１をマンドレル１上に圧接するためのロ
ール（以下、圧接ロールという）であり、抑圧手段８を
介してトラバース・ヘッド５に設けられている。７は複
合材料１１を局所加熱するためのヒータであり、アーム
７０を介して圧接ロール６の支持枠６０に設けられてい
る。

９は圧接ロール６を回動させて強制的に折り返させるた
めの手段で、トラバース・ヘッド５に設けられており、
一対のギア１０を介して押圧手段８に接続されている。

ここで回動とは、ロールの回転軸の向きを変えることを
いう。

１２．１５は各々外部電源（図示省略）で駆動されるモ
ータで、１２はスプロケット３を、コ５はマンドレル１
を各々駆動する。なお、モータ１．２１５には各々モー
ターの回転数検出手段が内蔵されており、その信号は制
御器１４に供給される。

１３は圧接ロール６の折返し位置検出手段で、その信号
も制御器１４に供給される。

１４は制ａ器で、モータ１２．１５の回転数比を演算増
幅し、圧接ロール回動手段９に信号を送って圧接ロール
６の回転軸の向きを所定の方向に設定する。また、圧接
ロール６の折返し位置を検出する折返し位置検出手段１
３の信号を受けて演算増幅し、圧接ロール回動手段９に
信号を送って、圧接ロール６の向きを折返し毎に切替え
る制御を行なう。

本発明の複合材料ワインディング装置の要部は以上のよ
うに構成されているが、トラバース機構としては上記ス
プロケット３とチェーン４の組合せの他に、ボールネジ
とスライダとの組合せ等の公知のあらゆるトラバース機
構を用いることができる。

トラバース・ヘッド５の形状・Ｉｎは第１図記載のもの
に限定されない。要は、トラバース機構に設けられて往
復動し、押圧手段８・圧接ロール６・圧接ロール回動手
段９等を支持できるだけの強度を有する形状・構造のも
のであれば良い。

圧接ロール６の軸方向幅は、圧接を確実にするために複
合材料１１の幅よりも広いことが好ましい。

押圧手段８は、運転時に圧接ロール６を複合材料１］の
上からマンドレル１上に圧接し、開放時に圧接ロール６
をマンドレル１から離すためのものであり、エアシリン
ダや油圧シリンダ等、公知のアクチユエータを用いるこ
とができる。

圧接ロール回動手段９は、巻回端部において圧接ロール
６を強制的に回動させて折返させるためのものであり、
たとえばステッピングモータ、サーボモータ等の電気的
手段、あるいはカムやリンク等の機械的手段を用いるこ
とができる。

ギア１０はなくてもよいが、圧接ロール回動手段９の出
力を減速させてトルクを大きくしたい場合には、あった
方が良い。

ヒータ７は、圧接ロール６直前の複合材料１１を局所加
熱するためのものであり、第１図に示すようなエアヒー
タ（熱風ヒータ）のみならず、赤外線ヒータ、あるいは
レーザ等を用いることができる。要は、圧接ロール６直
前の複合材料１１を、少なくともその幅にわたって、マ
トリクス樹脂の融点以上に加熱できるものであればよい
。なお、複合材料１１は走行しているので、接触式より
も非接触式のヒータの方が好ましい。

複合材料１１は、補強繊維とマトリクス樹脂との複合体
であればよく、形態は問わない。例えば、ＦＲＰのプリ
プレグテープやシート、あるいは補強ｔｅｒａロービン
グの周囲に７トリクス樹脂をコートしたもの、補強繊維
の間にパウダー状の７トリクス樹脂をまぶしたもの、ま
たは低融点Ｗ＆維（ＦＲＰのマトリクス樹脂に相当）と
高融点繊維（ＦＲＰの補強繊維に相当）との混繊ヤーン
等を用いることができる。

上記混繊ヤーンの一例としては、低融点繊維としてナイ
ロン６繊維、補強繊維として炭素繊維を用いたもの等が
ある（加熱加圧時に、溶融したナイロン６がマトリクス
樹脂として作用する）。

補強繊維の形状としては、ワインディング成形する関係
上、長繊維であることが好ましい。また、組成的には炭
素繊維・ガラス繊維等の無機繊維、アラミド１ＪＩｉｉ
ａ等の有機繊維、あるいは金属繊維等を用いることがで
きる。

マトリクス樹脂としては、特殊な場合には熱硬化性樹脂
を用いることもあるが、一般的には巻回後の熱硬化工程
、および加熱炉等の加熱装置を省略して生産性を向上さ
せるために、熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。

Ｆ作用Ｊ 第２図は、複合材料１１の熱融着を説明するための一部
破断側面図である。

同図において、クリール等の供給手段（図示せず）から
供給された複合材料１１が、ガイドロール６］を介して
圧接ロール６によりマンドレル１上に圧接されながら巻
回される。

この際、圧接ロール６直前、ざらに正確には圧接位置Ｐ
直前の複合材料１１を局所加熱できる位置に、ヒータ７
が設けられている。

この局所加熱用ヒータ７により圧接位置Ｐ直前の複合材
料１１（クリールから新たに供給された部分のみならず
、すでにマンドレル１に巻かれている部分も含む）を、
そのマトリクス樹脂の融点以上に局所加熱し、かつ、加
熱直後に圧接ロール６によりマンドレル１上に圧接する
ことにより、溶融したマトリクス樹脂が接着剤の作用を
して、クリールから新たに供給された層とすでにマンド
レル１に巻かれている層の複合材料１１が互いに熱融着
し、巻回と同時に成形がなされることになる。

この際、ヒータ７はアーム７０を介して圧接ロール６の
支持枠６０に取り付けられているので、常に圧接ロール
６と同期してトラバースおよび首振り（回動）をする。

ここで、ヒータ７として、たとえば熱風式のエアヒータ
を使う場合には、圧接位＠Ｐ直前の複合材料１１をなる
べく効率よく、かつ幅方向に均等に加熱するために、偏
平吹出口を有するアダプタ７１のような補助手段を用い
ることが好ましい。

なお、複合材料１１の熱容量が小さい等の理由によりヒ
ータ７による局所加熱だけでは熱融着が不十分な場合に
は、マンドレル１をマトリクス樹脂の融点未満に加熱し
て熱融着しやすくすることが好ましい。マンドレル１の
加熱手段としては、たとえばマンドレル１の近傍にマン
ドレル１の軸方向に平行に赤外線ヒータ等を設ければよ
い。

圧接ロール６は押圧手段８によりマンドレル１上（好ま
しくは、マンドレル１の軸線真上）に押圧される。その
圧力は、複合材料１１の種類・形状・寸法（幅）等の条
件により、適宜設定することができる。

第３図は、圧接ロール６の回転軸が、複合材料１１の長
手方向と一定角度で交差していることを説明するための
平面図である。

同図において、上方から供給されてきた複合材料１１は
ガイドロール６１を介して圧接ロール６によりマンドレ
ル１上に圧接され、上記説明したように、熱融着されて
巻回と同時に成形される。

この際重要なことは、圧接ロール６のトラバースおよび
回動が安定していることである。ここでトラバースとは
、マンドレル１の軸方向に平行な往復動をいう。もし圧
接ロール６のトラバースおよび回動が不安定で回転軸の
方向（移動角度）が一定しないとすると、圧接ロール６
の軌跡すなわち圧接位ＭＯの軌跡が乱れ、圧接ロール６
に追従する複合材料１１の軌跡も乱れるため、隣接ピッ
チ間に隙間の生じた不揃いな巻回ピッチの成形品しか得
られないことになる。

安定なトラバースおよび回動という点から、圧接ロール
６の回転軸ａは複合材料１１の長手方向ｍと一定角度（
θ＝一定）に交差していることが好ましい。

一定角度に交差させるだめの手段として、たとえば圧接
ロール回動手段９を用いることができる。

通常、複合材＄１’１１のマンドレル１軸線に対する巻
付は角φ（第３図のφのように複合材料１１の長手方向
ｍがマンドレル１の軸線となす鋭角をいう。０°くφく
９０°）は、運転前にある角度に設定した後は運転中は
一定なので、この巻付は角φに対しθ＝一定となるよう
に、予め圧接ロール回動手段９の回転角度を設定してお
けばよい。

なお、巻付は角φはスプロケット３の回転速度とマンド
レル１の周速との比から自動的に一義的に決定されるの
で、任意の角度に設定することができる。他のトラバー
ス機構の場合でも同様である。

また、手動で設定することもできる。

また、安定トラバースおよび安定回動という観点からは
、複合材料１１が常に、なるべく圧接中心すなわち圧接
ロール６の軸方向０の中央Ｏ付近にあることが好ましい
。

そのために、第２図、第３図に示すようにガイトロ・−
ル６１を圧接ロール６の直前（たとえば、斜め上方）に
設け、複合材料１１の揺動（回転軸方向０の揺れ）を防
止することが好ましい。

さらに、安定トラバースおよび安定回動を補助する手段
として、圧接ロール６の回動軸を押圧手段８のピストン
・ロッド８０（第１図、第２図参照）と一致させること
が好ましい。

このように押圧手段８を圧４接ロール６の中心Ｏの真上
に設け、ピストンロッド８ｏを圧接ロール６の回動軸と
して使用することにより、上記交差状態を維持すること
ができるとともに、後述するように巻回端部での圧接ロ
ール６の強制折返しをも安定して行わせることができる
。

交差角θとしてはＯ°〜１８０°の任意の角度を設定で
きるが、中でもθ−９０’にすることが安定トラバース
・回動上履も好ましい。

第４図は、巻回端部での強制折返しを説明するための平
面図で、同図（Ａ＞は強制折返し、同図（Ｂ）はフリー
折返しを示すものである。

本発明の装置によれば、上記説明したように圧接ロール
６の回転軸Ｕが常に複合材料１１の長手方向ｍと一定角
度に交差しているので、同図（Ａ＞に示すように折返し
前接においても、安定して圧接ロール６の軸方向中央付
近に複合材料１１を圧接することができる。

もし、圧接ロール回動手段９を用いずにフリーに折返し
をさせると、第４図（Ｂ）に示すように折返し部におい
て圧接ロール６の中心が複合材料１１の軌跡から外れ始
め、折返し後には完全に正規の軌跡から外れて、複合材
料１１が圧接ロール６から離れてしまい、不揃いな巻回
ピッチの成形品しか得られない場合が多い。極端な場合
には、熱融着成形が不可能になる。

通常、フリーに折返しをさせた場合でも成形すること自
体は可能であるが、高品質の成形物を得るためには、圧
接ロール回動手段９を用いて折返し部で強制的に圧接ロ
ール６を回動させ、折返し前後においても圧接ロール６
の回転ＩＴ９Ｉｌρを常に複合材料１７の長手方向ｍと
一定角度に交差させるように構成することが好ましい。

さらに好ましくは、既に述べたように圧接ロール６の軸
！ａ真上に押圧手段８を設け、そのピストンロッド８０
を圧接ロール６の回動軸とすることにより、回動軸と圧
接ロール６の回転ｍβに直交する軸とが一致するので、
折返し部においても圧接ロール６は余分な軌跡を描くこ
となく、同図（Ａ＞のように安定して方向転換すること
ができる。

なお、一般に角φ（第３図）が小ざい、すなわち複合材
料１１の長手方向ｍがマンドレル１の軸方向に寝ている
場合には、複合材料１１がマンドレル１に対して滑りや
すく、うまく巻回できないことがある。

この場合には、マンドレル１表面（金属）に対する複合
材料１］の滑りを防止するために、第１層すなわち最内
層のみ、たとえばピッチ巻き（複合材料１１の１ピッチ
分ずつずらせて巻く方法。

この場合、巻付は角φは９０°よりやや小さい）にして
、第２層から正規の巻付は角φにして巻けばよい。ある
いは、ピッチ巻でなく、中間に隙間を設けながら巻いて
もよい。要は、最内層に漬り止め層を設ければよい。

このようにすれば、最内層の予備巻回部分が漬り止めの
作用をして、そのマトリクス樹脂が第２層のマトリクス
樹脂と互いに熱融着するので、安定してワインディング
成形することができる。

最内層に予備巻きする以外に、最内層に複合材料１１の
マトリクス樹脂と同一組成の樹脂、あるいは同一組成で
なくても低融点の樹脂からなるフィルムまたはシートを
巻き付けて、その上から正規の巻付は角φでワインディ
ングするようにしてもよい。あるいは、マンドレル１の
表面を加工して、複合材料１１を滑りにくくするように
してもよい。

［発明の効果ｊ 以上説明したように、本発明によれば次のような効果を
奏することができる。

■圧接ロールおよび局所加熱用ヒータが、ともにトラバ
ース機構の一部に設けられているので、トラバース・ヘ
ッドと同期してトラバースすることができ、複合材料の
加圧・加熱を効率よく、スムーズに行うことができる。

■圧接ロールの回転軸が複合材料の長手方向と一定角度
で交差するように構成されているので、圧接ロールの移
動軌跡がトラバース部においても両端の折返し部におい
ても極めて安定し、一定の軌跡から外れることがない。

したがって、複合材料も圧接ロールに追従して安定にト
ラバースと折返しをして、一定の軌跡を描く。

■しかも、局所加熱用ヒータが圧接ロール直前に設けら
れて圧接位置直前の複合材料を局所加熱し、ヒータがト
ラバース中も折返し中も常に圧接ロールと同期して一定
位置関係を保ちながら移動するので、圧接ロールの加圧
力と協同作用して、複合材料を運転中安定して熱融着さ
せることができる。

■したがって、上記■の安定トラバース・折返しと上記
■の確実な熱融着とにより、本発明の装置を用いれば、
複合材料をマンドレルに巻回すると同時に安定して成形
することができ、複合材料成形の生産性を向上させるこ
とができる。

■かつ、圧接ロールのトラバースと折返しが安定してい
るため、それに追従して巻回される複合材料の軌跡が一
定し、同期して移動するヒータによる局所加熱と圧接ロ
ールによる加圧とで確実に熱融着することができるので
、成形されたパイプ状物は各層が緊密に積層されており
、層間のボイド（気泡）は極めて少ない。したがって、
本発明の装置によって製造された成形物は高品質で強度
が大きい。このような成形物は、たとえば自動車用のプ
ロペラシャフトやロール、ロボット・アームあるいは圧
力容器等に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例よりなる複合材料ワインディ
ング装置の要部構成を示す斜視図、第２図は複合材料の
熱融着を説明するための一部破断側面図、第３図は圧接
ロールの回転軸が複合材料の長手方向と一定角度に交差
していることを説明するための平面図、および第４図は
巻回端部での強制折返しを説明するための平面図（Ａは
強制折返し、Ｂはフリー折返し）である。 １・・・マンドレル　　　５・・・トラバース・ヘッド
６・・・圧接ロール　　　７・・・局所加熱用ヒータ８
・・・押圧手段　　　　９・・・圧接ロール回動手段１
１・・・複合材料

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸回転可能なマンドレルと、該マンドレルと平行
   な方向に往復動可能なトラバース機構とを備えたワイン
   ディング装置において、前記トラバース機構の一部に複
   合材料圧接用のロールおよび複合材料局所加熱用のヒー
   タを設けたことを特徴とする複合材料ワインディング装
   置。
2. （２）前記複合材料圧接用のロールの回転軸が、複合材
   料の長手方向と一定角度で交差している特許請求の範囲
   第１項記載の複合材料ワインディング装置。
3. （３）前記複合材料局所加熱用のヒータが、前記複合材
   料圧接用のロール直前の複合材料を局所加熱する位置に
   設けられている特許請求の範囲第１、２項記載の複合材
   料ワインディング装置。