(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
未硬化の樹脂と強化繊維との複合材が巻き付けられたマンドレルを台車上で回転させながら前記樹脂を加熱して硬化させるＦＲＰ筒体の製造装置において、前記台車の底部両側に設けた車輪のうち、一側の車輪を溝付の案内輪として該案内輪を横断面が山形の案内レール上にのせるとともに、他側の車輪を平坦輪として該平坦輪を上面が平坦なレール上にのせ、かつ、台車に搭載されているマンドレル回転機構の、外部回転駆動源との接続部を、台車の前記案内輪側に設けるとともに、マンドレルの回転数が、少なくとも２段階に制御可能となっていることを特徴とする、ＦＲＰ筒体の製造装置。
【請求項２】
前記マンドレルが、両持支持され、かつ、前記台車上に上下方向に複数段に搭載される、請求項１のＦＲＰ筒体の製造装置。
【請求項３】
前記マンドレルの各端部が、それぞれ、２個のローラにより回転自在に支持されており、一つのマンドレルに関して合計４個のローラのうちの１個のローラが駆動ローラに、残り３個のローラが従動ローラに構成されている、請求項１または２のＦＲＰ筒体の製造装置。
【請求項４】
マンドレルの片側端部の２個の従動ローラが、マンドレルの軸方向に移動自在に設けられている、請求項３のＦＲＰ筒体の製造装置。
【請求項５】
マンドレルの軸端面に、回転自在にピンが装着されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のＦＲＰ筒体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）筒体の製造装置に関し、とくに、未硬化の樹脂と強化繊維との複合材が巻き付けられたマンドレルを台車上で回転させながら樹脂を加熱して硬化させるＦＲＰ筒体の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
未硬化の樹脂と強化繊維との複合材、たとえばプリプレグや樹脂含浸強化繊維束をマンドレルに巻き付け、該マンドレルを回転させながら樹脂を加熱して硬化させていくＦＲＰ筒体の製造方法が知られている。上記複合材の巻き付けと樹脂の加熱、硬化とは、通常別工程で行われるので、複合材が巻き付けられたマンドレルは、加熱、硬化工程、たとえば硬化炉へと搬送されなければならない。
【０００３】
この硬化炉への搬送および硬化炉中でのマンドレルの回転支持のために、マンドレル回転機構付きの台車が使用されている。すなわち、複合材巻き付け工程で複合材が巻き付けられたマンドレルは、台車上にのせられ、台車とともに硬化炉に搬入される。硬化炉に搬入された台車のマンドレル回転機構に、外部回転駆動源が接続され、硬化炉中で台車上のマンドレルが回転されつつ、加熱により樹脂が硬化される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような台車を用いる場合、硬化炉中の温度が上昇するにつれ台車が熱膨張し、たとえば台車の底部両側に設けられている車輪の間隔が広がってしまう。この熱膨張に伴ない、台車全体の位置や台車各部の位置がずれるおそれがある。とくに、台車のマンドレル回転機構と外部回転駆動源との接続部あるいはその近辺の位置がずれると、接続部における取合い関係が狂い、回転駆動力の伝達が円滑に行われなくなるおそれがある。
【０００５】
また、硬化炉において大量に能率よく処理を行うためには、台車に多数のマンドレルを搭載することが望ましい。多数のマンドレルを搭載するには、マンドレルを水平方向に複数列搭載するとともに、上下方向にも複数段に搭載することが好ましい。しかし、上下方向に複数段の搭載とすると、各マンドレルが干渉しないように、通常、下段側から上段側に順に搭載していかなければならない。各マンドレルは硬化炉中で回転されるから、各マンドレルに対して何らかの回転支持手段が必要となるが、容易にかつスムーズに所定の搭載を完了するには、上記のように順に搭載される際に、この回転支持手段とマンドレルとの干渉も回避されなければならない。
【０００６】
また、回転支持手段上でマンドレルが回転される際、マンドレルがその軸方向に位置ずれを起こすことがある。ずれ量が大きくなると、マンドレルの軸方向端面が台車のいずれかの固定部位に当たり、それによって所望の回転動作が阻害されるおそれがある。回転動作が目標通りに行われないと、樹脂の硬化むらが生じたり、成形されるＦＲＰ筒体が僅かに偏心したりするおそれがあるので、このような不都合も回避されなければならない。
【０００７】
さらに、上述のような硬化炉中でのマンドレルの回転は、成形されるＦＲＰ筒体の断面の真円度を保つこと、および遠心力による樹脂の移動により内部に取り込まれていた気泡を排出すること、等のために行われる。したがって、これらの目的に合致するよう、硬化炉の温度および硬化時間とともに、マンドレルの回転状態も最適な条件に制御することが望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、前記のような問題点を解消するために、硬化炉中でも台車のマンドレル回転機構と外部回転駆動源との接続部における取合い関係を所定の関係に維持し、円滑なマンドレル回転駆動状態を常時確保できるようにすることにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、上記のような各種要望を満たすために、台車上にマンドレルを容易に上下方向に多段に搭載できるようにし、かつ、マンドレルにその軸方向に位置ずれを生じさせようとする力が作用する際にも、マンドレルの円滑な回転を維持できるようにし、しかも、より良好な真円度を有し巻き込み気泡の少ない優れた品質のＦＲＰ筒体を成形できるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的に沿う本発明のＦＲＰ筒体の製造装置は、未硬化の樹脂と強化繊維との複合材が巻き付けられたマンドレルを台車上で回転させながら前記樹脂を加熱して硬化させるＦＲＰ筒体の製造装置において、前記台車の底部両側に設けた車輪のうち、一側の車輪を溝付の案内輪として該案内輪を横断面が山形の案内レール上にのせるとともに、他側の車輪を平坦輪として該平坦輪を上面が平坦なレール上にのせ、かつ、台車に搭載されているマンドレル回転機構の、外部回転駆動源との接続部を、台車の前記案内輪側に設けるとともに、マンドレルの回転数が、少なくとも２段階に制御可能となっていることを特徴とするものからなる。
【００１１】
上記マンドレルは、台車上で、両端部において両持支持される。このマンドレルは、上下方向に複数段に搭載されることが好ましい。
【００１２】
各マンドレルは、たとえば次のように支持される。マンドレルの各端部が、それぞれ、２個のローラにより回転自在に支持され、一つのマンドレルに関して合計４個のローラのうちの１個のローラが駆動ローラに、残り３個のローラが従動ローラに構成される。各２個のローラは、それらの回転中心とマンドレルの軸心とが二等辺三角形の各頂点位置となるように配置されることが好ましい。また、４個のローラの表面には、たとえば綾目ローレット加工が施されていることが好ましい。
【００１３】
また、マンドレルの片側端部の２個の従動ローラは、マンドレルの軸方向に移動自在に設けられ、同時に移動できるようにしてあることが好ましい。
【００１４】
また、マンドレルの軸端面には、たとえば軸端面の中心部には、回転自在にピンが装着されていることが好ましい。このピンは、たとえば軸端面に軸方向に延びるように穿設された穴に装着され、ピンの外端面が球面に形成され、該外端面を前記マンドレルの軸端面から突出させて、回転自在に挿入されていることが好ましい。
【００１５】
さらに、上記マンドレルの回転においては、マンドレルの回転数が、樹脂の加熱硬化過程で少なくとも２段階に制御可能とされている。
【００１６】
【作用】
このようなＦＲＰ筒体の製造装置においては、台車の底部両側に設けられる車輪のうち一方の車輪が溝付の案内輪とされて山形の案内レール上に係合されるので、該案内輪の位置は山形の案内レール上の位置に強制的に規制される。他方の車輪は平坦輪とされて平坦レール上にのせられているので、硬化炉中での熱膨張により両車輪間寸法が拡大されたとしても、案内輪の位置は所定の位置に規制されたまま、平坦輪が平坦レール上を滑り、上記熱膨張分が吸収されることになる。この案内輪側に、台車に搭載されているマンドレル回転機構の外部回転駆動源との接続部が位置されているので、上記熱膨張の際にも、接続部におけるマンドレル回転機構と外部回転駆動源との取合い関係は実質的に変化せず、所定の一定の関係に保たれる。したがって、硬化炉中でも外部回転駆動源からの駆動力が円滑に伝達され、各マンドレルは円滑かつ良好に回転される。
【００１７】
また、マンドレルの両端部を合計４個のローラで支持し、そのうちの１個を駆動ローラ、残り３個を従動ローラとすれば、駆動ローラが１個なので回転駆動力同士が干渉するようなことはなく、３個の従動ローラは回転駆動されるマンドレルに追従する。したがって、マンドレルの重量が両端部において支えられつつ、マンドレルは所定の回転数にて良好に回転され、マンドレル脱落等の不都合の発生も防止される。
【００１８】
また、マンドレルの片側端部に位置する２個の従動ローラをマンドレルの軸方向に移動できるようにしておけば、マンドレルを上下方向に複数段に搭載する場合、下の段にマンドレルを搭載する際上の段の上記２個の従動ローラを軸方向に退避させておくことができ、マンドレルの多段搭載が容易化される。また、マンドレル脱着の際にも、同様に容易化される。
【００１９】
また、マンドレルの軸端面に回転自在のピンを装着しておけば、マンドレルの軸方向移動を規制しつつ、マンドレルの円滑な回転を確保することが可能になる。たとえば、マンドレルの軸端面の中心部の穴に外端面が球面のピンを挿入しておけば、回転中のマンドレルが軸方向にずれた場合にも、マンドレルの端面が台車の固定部に当たることはなく、ピン頭部の球面が該固定部に当たることになる。球面であるから、実質的に点接触となり、かつその点は実質的にマンドレルの回転中心軸上に位置するから、該当接によってマンドレルの回転が阻害されることはない。むしろ、それ以上のマンドレルの軸方向移動を規制しつつ、ベアリングと同等の機能を果たす。したがって、マンドレルの過大な軸方向ずれが適切に規制されつつ、マンドレルの円滑な回転が確保される。さらに後述の如く、昇温初期から、樹脂粘度が最低値あるいはその近傍の値になるまで低速回転数Ａで回転させ、樹脂の硬化が進み出し、粘度の上昇が現れてから高速回転数Ｂで回転させる、少なくとも２段階の回転数制御により、成形されるＦＲＰ筒体の良好な真円度を得ることができるとともに、巻き込み気泡の少ない優れた品質を実現できる。
【００２０】
【実施例】
以下に、本発明のＦＲＰ筒体の製造装置の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。
図１ないし図６は、本発明の一実施例に係るＦＲＰ筒体の製造装置を示している。図１ないし図３において、１は、多数のマンドレル２を搭載して搬送する台車を示している。各マンドレル２には、図４に示すように、未硬化の樹脂と強化繊維との複合材３が巻き付けられており、ＦＲＰ筒体の成形に供される。
【００２１】
この複合材３は、織物やシートのプリプレグ形態で巻き付けられてもよく、いわゆるフィラメントワインディング法と呼ばれる成形法により、樹脂含浸強化繊維束をマンドレル２に巻き付けていく方法によって形成されてもよい。強化繊維としては、炭素繊維に限らず、たとえばガラス繊維、アラミド繊維等を使用することが可能であり、これらを併用することも可能である。ＦＲＰ筒体のマトリクス樹脂となる、未硬化の樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用する。但し、他の樹脂や、たとえばポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド等の熱可塑性樹脂を使用することも可能である。
【００２２】
図１ないし図３において、複合材３が巻き付けられたマンドレル２は、台車１上に、水平方向、上下方向ともに複数段に搭載される。台車１が硬化炉４内に搬送された後、各マンドレル２が回転されながら、未硬化の樹脂が加熱されて硬化される。
【００２３】
図４にも示すように、各マンドレル２の各端部は、それぞれ２個の片持ちローラ５ａ、５ｂおよび５ｃ、５ｄにより回転可能に支持されている。合計４個のローラのうち１個のローラ５ａが駆動ローラに、残り３個のローラ５ｂ、５ｃ、５ｄが従動ローラに構成されている。各ローラの表面には綾目ローレット加工が施されている。
【００２４】
各ローラの位置は、ローラ５ａ、５ｂおよびローラ５ｃ、５ｄがそれぞれ水平方向に配置されており、ローラ５ａ、５ｂの回転中心を結ぶ線およびローラ５ｃ、５ｄの回転中心を結ぶ線を底辺とし、マンドレル２の軸心を頂点とする二等辺三角形を形成するように配置されている。
【００２５】
各駆動ローラ５ａの軸端には、スプロケット６が取り付けられており、マイタギヤ７の出力軸に取り付けられたスプロケット８から、図２に示すように、各駆動ローラ５ａ用のスプロケット６にチェーン９がかけ渡されている。チェーン９は、途中の適当な場所に設けられたタイトナスプロケット１０により、適切に張設されるとともに、駆動ローラ５ａ用スプロケット６に対し適当な巻付角が付与されている。
【００２６】
マイタギヤ７は、入力される回転駆動力を９０度方向転換している。マイタギヤ７の入力軸７ａには、カップリング１１ａが設けられている。硬化炉４の外側には、外部回転駆動源１２、たとえばモータと減速機との組合せ機構が設置されており、その出力軸１２ａが硬化炉４内まで延びている。出力軸１２ａの先端にはカップリング１１ｂが設けられており、カップリング１１ａ、１１ｂが接続されることにより、外部回転駆動源１２と台車１に搭載されているマンドレル回転機構とが接続されるようになっている。したがって、カップリング１１ａ部は、台車１側に設けられる外部回転駆動源１２との接続部を構成している。
【００２７】
台車１の底部両側には、車輪が設けられている。本実施例では、合計４個の車輪が設けられている。このうち、一側の車輪１３（合計２個）は、溝付の案内輪としての、外周面が断面Ｖ溝形状に形成されたＶ字輪に構成されている。Ｖ字輪１３は、横断面が山形の案内レール１５上に、車輪１３のＶ溝と案内レール１５の山形が丁度嵌合し合うようにのせられている。他側の車輪１４（合計２個）は、外周面が断面平坦な形状に形成された平坦輪に構成されている。平坦輪１４は、上面が平坦なレール１６上に、横方向に摺動可能にのせられている。
【００２８】
前述の、台車１上に搭載されているマンドレル回転機構の、外部回転駆動源１２との接続部、具体的にはカップリング１１ａは、台車１の上記Ｖ字輪１３側に設けられている。
【００２９】
マンドレル２の片側端部に位置する２個一対の従動ローラ５ｃ、５ｄは、図５に示すように、２本の軸１７上にベアリング１８を介して回転自在に支持されている。２本の軸１７は、ローラ５ｃ、５ｄと反対側の端部で板体１９によって連結されており、台車１の側板２０に対して、マンドレル２の軸方向（水平方向）に同時に取手２１の操作によって移動され、移動後にはハンドル２２を有するロック機構２３により移動後の位置にロックされるようになっている。
【００３０】
マンドレルの軸方向端面２ａ（本実施例では両端面）には、その中心部に、図６に示すように軸方向に延びる穴２４が穿設されている。穴２４には、外端面（頭部）が球面２５に形成されたリベット型のピン２６が回転自在に挿入されている。ピン２６は、球面外端面２５をマンドレル２の軸方向端面２ａから突出させた状態で、かつ穴２４から抜け落ちない深さで、穴２４に差し込まれている。なお、図６における２０は、台車１の側板を示している。
【００３１】
マンドレル２は、前述の如く硬化炉４内で回転されるが、このマンドレル２の回転数は、樹脂の加熱硬化過程で少なくとも２段階に制御できるようになっている。この制御は、図２に示す、外部回転駆動源１２に接続された制御装置２７によって行われる。
【００３２】
上記のように構成された実施例装置の作用について説明する。
まず、台車１の両側車輪のうち一方の車輪１３をＶ字輪として山形の案内レール１５に係合させているので、台車１が硬化炉４内で熱膨張する際にも、他方の車輪である平坦輪１４が平坦レール１６上を滑ることによりその熱膨張量が吸収され、Ｖ字輪１３の位置は案内レール１５によって元の位置に規制される。このＶ字輪１３側に、台車１のマンドレル回転機構の、外部回転駆動源１２との接続機構（カップリング１１ａ）が位置されているので、該カップリング１１ａの位置も実質的に変化しない。その結果、硬化炉４内で加熱される際にも、台車１のマンドレル回転機構と外部回転駆動源１２との間の所定の接続状態が安定して維持され、マンドレル２は、トラブルを生じることなく円滑にかつ良好に回転される。
【００３３】
また、マンドレル２は、片側２個一対で、合計４個のローラ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄによって両持支持され、かつ、２個一対のローラが二等辺三角形を形成する位置に配置されているので、マンドレル２の各端部にマンドレル２の重量が確実に受け止められ、マンドレル２は安定した状態に支持される。
【００３４】
４個のローラのうち１個のローラ５ａのみが駆動ローラとされ、残り３個のローラ５ｂ、５ｃ、５ｄが従動ローラとされているので、回転駆動力が干渉し合うようなことはなく、マンドレル２の軸部の周速と各ローラの周速は完全に一致する。したがって、周速不一致の場合のトラブル、たとえばマンドレルの脱落等は完全に防止される。
【００３５】
また、マンドレル２の片側端部に位置する２個一対の従動ローラ５ｃ、５ｄは、取手２１の操作によりマンドレル２の軸方向に同時に退避できるので、下の段へマンドレル２を搭載しようとするとき、上の段の従動ローラ５ｃ、５ｄを退避させておくことができる。その結果、下の段へのマンドレル２の搭載時にマンドレル２とローラ５ｃ、５ｄとの干渉が回避され、搭載が極めて円滑かつ容易に行われる。下の段への搭載後上の段へのマンドレル２の搭載時には、従動ローラ５ｃ、５ｄを元の位置に戻せばよい。この従動ローラ５ｃ、５ｄの移動は、樹脂硬化後のマンドレル脱着時にも利用できる。
【００３６】
また、マンドレル２の端面の穴２４にピン２６を挿入しておくことにより、回転中のマンドレル２にその軸方向にずれ力が作用した場合にも、ピン２６の頭部と台車１の側板２０との当接によって、それ以上のずれが規制される。ピン２６の頭部は球面２５に形成されているから、該頭部と側板２０とは実質的に点接触する。また、穴２４はマンドレル端面の中心部、すなわちマンドレル２の軸心部に穿設されており、それに挿入されるピン２６もマンドレル２の軸心上に位置するから、上記点接触点もマンドレル２の軸心上に位置することになる。したがって、上記接触が生じても、該接触はマンドレル２の回転を阻害せず、むしろマンドレル２の回転に対して一種のベアリング機能を果たす。その結果、マンドレル２の軸方向のずれが規制されつつ、円滑な回転状態が確保される。
【００３７】
さらに、マンドレル２の回転数は、制御装置２７からの指令に基づき、少なくとも２段階に制御可能となっている。つまり、マンドレル２の回転数は、樹脂の硬化温度と時間によって制御可能となっている。この制御は、たとえば図７の（イ）、（ロ）に示すように行われる。
【００３８】
熱硬化性の樹脂の粘度は、一般に図７の（イ）に示すような挙動を示すが、この挙動に対し、昇温初期から、樹脂粘度が最低値あるいはその近傍の値になるまで低速回転数Ａで回転させ、樹脂の硬化が進み出し、粘度の上昇が現れてから高速回転数Ｂで回転させる。
【００３９】
このようにマンドレル２の回転数を変化させるのは、以下のような理由による。回転数Ａについては、たとえばフィラメントワインディング法によって樹脂が過剰に付きすぎている場合には、粘度が下がってきたところで余分の樹脂を遠心力で浸み出させるに必要な回転数を与える。樹脂が適切な量付いている場合には、樹脂が遠心力で浸み出さないが、断面が円形を保つ（つまり真円度を保つ）に必要な回転数を与える。回転数Ｂについては、粘度の上昇が現れた樹脂は、余分な樹脂の移動によって、フィラメントワインディング成形時に内部に取り込まれた気泡を排出することができるので、この移動を積極的に起こさせるに必要な回転数を与える。
【００４０】
この回転数の制御は、上記制御に限定されるものではなく、たとえば図７（ハ）に示すように、粘度の最低値近傍で低速回転数Ａを徐々に上昇させ、しかる後に高速回転数Ｂに変更するようにしてもよい。
【００４１】
このような回転数制御により、成形されるＦＲＰ筒体の良好な真円度を得ることができるとともに、巻き込み気泡の少ない優れた品質を実現できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＦＲＰ筒体の製造装置によるときは、溝付の案内輪の使用と、外部回転駆動源との接続部の設置位置の特定により、硬化炉中でもマンドレルの円滑な回転状態を得ることができる。
【００４３】
また、各マンドレルを２個一対、両側で合計４個のローラで支持し、そのうち１個を駆動ローラ、残り３個を従動ローラとすれば、常時安定したかつ円滑な回転支持状態を確保できる。また、２個一対の従動ローラをマンドレルの軸方向に移動自在に構成しておけば、多段搭載の場合にもマンドレルを容易に着脱できる。さらに、マンドレルの軸端面にピンを装着しておけば、マンドレルの円滑な回転状態を維持しつつマンドレルの軸方向への過大なずれを適切に規制することができる。
【００４４】
さらにまた、マンドレルの回転数を少なくとも２段階に制御できるようにしておくことにより、真円度に優れるとともに巻き込み気泡の少ない、良好な品質のＦＲＰ筒体を成形することができる。
【００４５】
このように優れた性能を有する本発明に係るＦＲＰ筒体の製造装置は、ＦＲＰ製プロペラシャフトやＦＲＰ製ロールの製造に適用してきわめて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る、マンドレルを搭載した台車の側面図である。
【図２】図１の台車の概略正面図である。
【図３】図１の台車の平面図である。
【図４】図１の装置におけるマンドレル支持状態を示す部分拡大斜視図である。
【図５】図１の装置のマンドレル支持用ローラ部の拡大部分断面図である。
【図６】図１の装置のマンドレル端部の拡大部分断面図である。
【図７】硬化中の樹脂の粘度挙動とマンドレルの回転数制御との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１  台車
２  マンドレル
２ａ  マンドレルの端面
３  未硬化の樹脂と強化繊維との複合材
４  硬化炉
５ａ  駆動ローラ
５ｂ、５ｃ、５ｄ  従動ローラ
６、８、１０  スプロケット
７  マイタギヤ
７ａ  入力軸
９  チェーン
１１ａ、１１ｂ  カップリング
１２  外部回転駆動源
１２ａ  出力軸
１３  溝付案内輪としてのＶ字輪
１４  平坦輪
１５  山形の案内レール
１６  平坦レール
１７  軸
１８  ベアリング
１９  板体
２０  側体
２１  取手
２２  ハンドル
２３  ロック機構
２４  穴
２５  球面
２６  ピン
２７  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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