(57)【要約】【課題】回転部材の表面に均一厚の繊維束を巻付けることができるフィラメントワインディング装置を提供すること。【解決手段】ワーク（回転部材）１６を回転させながら、複数の繊維束ｆを束ねた繊維束Ｆをワーク１６に巻付けるフィラメントワインディング装置において、複数のボビン（繊維供給体）Ｂと、前記ボビンＢからワーク１６に前記繊維束ｆを送り出すローラ５０と、を備え、該ローラ５０は、回転軸方向に沿って交互に並ぶ少なくとも２つの凸部５２と１つの凹部５１が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転部材を回転させながら該回転部材の表面に、複数の繊維を一列に束ねた繊維束を巻付けるフィラメントワインディング装置において、
前記繊維を供給する複数の繊維供給体と、
前記繊維供給体から引き出された前記繊維を前記回転部材に送り出すローラと、を備え、
前記ローラの周面には、その回転軸方向に沿って交互に並ぶ少なくとも２つの凸部と１つの凹部が設けられているフィラメントワインディング装置。
【請求項２】
前記ローラの上流側に、前記繊維を前記凸部に案内する案内部が設けられている請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項３】
前記案内部は、前記凸部のそれぞれに前記繊維を案内するものである請求項２に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項４】
前記ローラの凹部は、凹曲面とされている請求項１から３のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のパイプや容器を効率よく形成する方法としてフィラメントワインディング法がある。フィラメントワインディング法では一般に、樹脂含浸バス（樹脂含浸槽）で繊維束に樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維束を回転するマンドレルの周囲に所定の角度で巻き付ける（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３７７８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
フィラメントワインディング装置では、図７に示すように、均一厚の繊維束をマンドレルに巻付けるべく、複数のボビンから供給された複数の繊維束ｆを一列に纏めた後、回転軸方向の中間部の径が両端部の径よりも膨出した太鼓状のローラ７０により、複数の繊維束ｆを拡幅して幅方向に厚みが均一な繊維束Ｆとした上で、これを下流に供給している。
【０００４】
このとき、巻付け時間を短縮するためには、一度に巻き付ける繊維量を増やすべくボビン数を増やすことが望ましい。ところが、ボビン数が増えるに従い、上記ローラ７０の回転軸方向の寸法が長くなるため、ローラ７０の回転軸方向両端部では繊維束ｆの開繊幅が広くなる一方で、回転軸方向中央部では開繊幅が狭くなり厚みを持った束になりやすい。
【０００５】
このため、マンドレルに巻付ける際に、先に巻き付けられている繊維束Ｆとその上に巻き付けられる繊維束Ｆとの間に隙間が生じる、あるいは、繊維束Ｆの幅方向における不均一な厚みによる段差がボイドの原因となる、という課題がある。そして、このような傾向は、特にタック性のあるプリプレグ（予め樹脂を含浸してある繊維）を繊維束ｆとして使用する場合に顕著に現れる。
【０００６】
特許文献１には、ローラの下流側にて繊維を均一に揃える櫛部材が設けられたフィラメントワインディング装置が開示されているが、この場合でも巻き付ける繊維数が増えるとローラ上での繊維の拡幅が不均一になるため、マンドレルに繊維を均一に巻き付けることができないという課題がある。
【０００７】
上記事情に鑑み、本発明は、回転部材の表面に均一厚の繊維束を巻付けることができるフィラメントワインディング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のフィラメントワインディング装置は、回転部材を回転させながら該回転部材の表面に、複数の繊維を一列に束ねた繊維束を巻付けるフィラメントワインディング装置において、前記繊維を供給する複数の繊維供給体と、前記繊維供給体から引き出された前記繊維を前記回転部材に送り出すローラと、を備え、前記ローラの周面には、その回転軸方向に沿って交互に並ぶ少なくとも２つの凸部と１つの凹部が設けられているものである。
【０００９】
本構成によれば、ローラに凸部と凹部とが交互に設けられ、各凸部の凸面に沿って繊維束が拡幅されるので、回転軸方向の両端部と中央部とで繊維束の厚みを均一化することが可能となる。
【００１０】
前記ローラの上流側に、前記繊維を前記凸部に案内する案内部が設けられていてもよい。
【００１１】
本構成により、ローラに設けられた凸部への繊維の誘導と、各凸部による繊維束の拡幅とが、より一層確実となる。案内部は、前記凸部のそれぞれに前記繊維を案内するものでもよい。
【００１２】
前記ローラの凹部は、凹曲面とされていてもよい。
【００１３】
本構成によれば、凸部間の境目に繊維が挟まれてしまうことが抑制されるので、ローラによる繊維の送り出しを滑らかにすることができる。
【００１４】
なお、本発明における「繊維」とは、繊維１本を意味するだけでなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束を撚ってなる繊維束をも含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のフィラメントワインディング装置によれば、ローラに凸部と凹部とが交互に設けられ、各凸部の凸面に沿って繊維束が拡幅されるので、回転軸方向の両端部と中央部とで繊維束の厚みを均一化することが可能となる。これにより、繊維束が巻き付けられたワーク（回転部材）の強度向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態においては予め樹脂が含浸されたプリプレグ繊維をワーク上に巻き付けるフィラメントワインディング装置を例に説明するが、ボビンから引き出された繊維をワークに供給する過程で樹脂槽に収容した樹脂を繊維に含浸させるものに適用してもよい。
【００１７】
図１及び図２に示すように、フィラメントワインディング装置（以下、「ＦＷ装置」という。）１１は、繊維束供給部１２、繊維束ガイド１４及び給糸ユニット１５を備えている。給糸ユニット１５は、不図示のチャックに支持されたワーク（回転部材）１６の長手方向（回転軸方向、図１における左右方向）に沿って往復移動可能に構成されている。
【００１８】
給糸ユニット１５を往復移動させる第１のアクチュエータ１７には、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体１７ａを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。移動体１７ａ上には、給糸ユニット１５を昇降させる第２のアクチュエータ１８が固定され、給糸ユニット１５は第２のアクチュエータ１８に取り付けられている。
【００１９】
繊維束供給部１２は、プリプレグ繊維からなる繊維束（繊維）ｆが巻かれた複数のボビン（繊維供給体）Ｂ１〜Ｂ４が、クリールスタンド１２ａに連結された支軸１２ｂに支持される構成になっている。クリールスタンド１２ａには例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸１２ｂに負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。
【００２０】
繊維束ｆは、例えば、炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。なお、図１ではクリールスタンド１２ａの記載を省略した。
【００２１】
繊維束ガイド１４は、複数のボビンＢから引き出された繊維束ｆを給糸ユニット１５に案内する装置である。給糸ユニット１５は複数の繊維束ｆを一列に束ね、これを繊維束Ｆとしてワーク１６に供給する装置である。
【００２２】
ワーク１６は、不図示のチャックによりその軸心を中心に回転可能に支持され、可変速モータにより回転駆動される。そして、制御部３０により可変速モータが制御されて、チャックが給糸ユニット１５の移動速度と同期した状態で回転駆動されることにより、繊維束ｆのワーク１６に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。
【００２３】
ワーク１６は、例えばマンドレルやタンクを製造する場合のライナ等である。制御部３０は、ワーク１６の回転等、ＦＷ装置１１の全体を制御する装置である。
【００２４】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、給糸ユニット１５の一構成例を示す平面図及び側面図である。給糸ユニット１５は、繊維束Ｆを送り出すローラ５０を備える。ローラ５０は、繊維束Ｆを案内するローラ本体５０ａと、ローラ本体５０ａを回転軸方向両端にて回転自在に支持する支持部５０ｂと、を有する。
【００２５】
本実施形態のローラ本体５０ａは、その回転軸方向に沿って４つの凸部５２と３つの凹部５１とが繰返し交互に並ぶように形成されたものである。凸部５２は、ローラ本体５０ａの径方向外方に膨出した太鼓形状をなしており、互いに隣り合う凸部５２と凸部５２との間には、図４に示すように、凹部５１が形成されている。
【００２６】
本実施形態の凹部５１は、ローラ５０をその回転軸を含む切断面において所定の曲率半径ｒを有し、かつ、凹部５１と凸部５２とを滑らかに連結するような、凹面に形成されている。凸部５２は、ボビンＢ１〜Ｂ４の設置数（給糸ユニット１５に供給される繊維束ｆの数）に対応する数、すなわち、本実施形態では４つのボビンＢ１〜Ｂ４に対応して４つ設けられている。
【００２７】
また、ローラ５０の上流側近傍には、複数の歯５５ａを備える櫛部材（案内部）５５が設けられている。歯５５ａは、１つの凸部５２に対して一対の歯５５ａが対応するように配置されている。そして、１つの凸部５２に対応する一対の歯５５ａ間に形成される隙間が、繊維束ｆが案内される通路５５ｂとなる。各通路５５ｂの幅は、対応（対向）する各凸部５２の回転軸方向の幅よりも狭くなるように適宜設定される。
【００２８】
ローラ５０の下流側には、円筒状の第２ローラ６０が設けられ、ローラ５０から供給された繊維束Ｆが支持される。ローラ５０に供給された繊維束ｆは、ローラ５０の下方を通り、ローラ５０を通過した繊維束Ｆは、第２ローラ６０の上方を通ってワーク１６に供給される。これにより、繊維束ｆはローラ５０の周面に押圧される。
【００２９】
次に、前記のように構成されたＦＷ装置１１の作用を説明する。給糸ユニット１５は、取付け部２２において第２のアクチュエータ１８に固定されて、ＦＷ装置１１に取り付けられる。そして、例えば高圧タンクを製造する場合は、先ずワーク１６としてのライナをＦＷ装置１１のチャックに支持させる。次に、第１のアクチュエータ１７及び第２のアクチュエータ１８を作動させて、給糸ユニット１５を原位置（巻付け開始位置）に配置する
【００３０】
次に、繊維束供給部１２から繰り出された繊維束ｆを、繊維束ガイド１４を経て給糸ユニット１５に導き、繊維束Ｆの端部をワーク１６の所定位置に固定する。繊維束ｆは、それぞれ一対の歯５５ａの間に形成された通路５５ｂを通り、ローラ５０における凸部５２の凸面に沿って押圧されながら下流側に案内される。
【００３１】
繊維束Ｆの端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。また、ワーク１６の長さ、径、ワーク１６の回転速度、繊維束Ｆのワーク１６への巻付け時の幅等の巻付け条件を制御部３０に入力する。
【００３２】
次に、ＦＷ装置１１による繊維束Ｆの巻付け運転が開始される。ＦＷ装置１１の運転が開始されると、ワーク１６が一定方向に回転されるとともに、第１のアクチュエータ１７の駆動により、給糸ユニット１５が移動体１７ａと共に巻付け開始位置からワーク１６の軸方向と平行に移動される。そして、繊維束供給部１２から複数の繊維束ｆが順次引き出されてワーク１６上に巻き付けられる。
【００３３】
このとき、ワーク１６に供給される複数の繊維束ｆは、給糸ユニット１５にて一列に束ねられた後、ローラ５０により凸部５２の周面（凸面）に沿って拡幅され、均一厚の繊維束Ｆとなっている。
【００３４】
図５は、本実施形態による繊維束ｆの拡幅状態を示す図であり、図６は、従来のローラによる繊維束ｆの拡幅状態を示す図である。図６に示すように、従来のローラ７０では回転軸方向の両端部で繊維束ｆの開繊幅が広くなる一方で、回転軸方向の中央部では幅が狭く厚みを持った束になりやすい。
【００３５】
これに対し、本実施形態のＦＷ装置１１によれば、図５に示すように、各繊維束ｆは各凸部５２により均一な幅に拡幅される。そして一列に束ねられた均一厚の繊維束Ｆとして、ワーク１６に巻付けられる。そして、移動体１７ａの移動速度及びワーク１６の回転速度の調整により、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層の巻付けが行われ、ヘリカル巻層、フープ巻層及びレーベル巻層が所定層数巻き付けられた時点で繊維束Ｆの巻付けが完了する。
【００３６】
しかる後、ワーク１６に巻き付けられた繊維束Ｆの端部がワーク１６に固定され、この固定部から出口ガイドに連なる繊維束Ｆが切断される。次いで、ワーク１６がチャックから取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化されて、外郭が繊維強化樹脂により回転体形状に形成された構造体としての回転対称形状の高圧タンクが形成される。
【００３７】
このように、本実施形態のフィラメントワインディング装置１１においては、繊維束ｆがローラ５０により均一厚となるように拡幅され、均一厚の繊維束Ｆがワーク１６に巻付けられる。したがって、繊維束ｆの本数を増加させた場合、またはタック性を有するプリプレグ繊維を用いる場合においても、均一厚の繊維束Ｆを巻付けることが可能となり、製造効率及びタンク強度の向上を図ることができる。
【００３８】
また、複数の繊維束ｆがローラ５０に繰り出される際に、各繊維束ｆは櫛部材５５によって各凸部５２に対して１：１の関係で案内されるので、繊維束ｆの拡幅がより一層確実に行われることとなる。しかも、曲率半径ｒの凹面を有する凹部５１が凸部５２と凸部５２との間に設けられているので、繊維束ｆが凸部５２と凸部５２との境目に挟まれることによる送り出し不良の発生も抑制される。
【００３９】
さらに、均一厚かつ薄く広げられた繊維束Ｆをワーク１６に巻き付けることができるため、ヘリカル層とフープ層の層間での段差を小さくすることが可能となり、樹脂のみのボイド部分を減らすことができる結果、強度を向上させた高圧タンクを製造することができる。
【００４０】
なお、上記実施形態の櫛部材５５の歯５５ａは、すべての凸部５２に対応して設けなくともよい。必要とする一部の凸部５２にのみ設けるようにしてもよい。また、凸部５２を各繊維束ｆに対応して設けなくともよい。すなわち、凸部５２を一部の繊維束ｆのみに対応して設けても一定の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】フィラメントワインディング装置の模式平面図である。
【図２】同フィラメントワインディング装置の模式側面図である。
【図３】同フィラメントワインディング装置が備えるローラを示す模式平面図である。
【図４】同ローラの凹部を拡大して示す図である。
【図５】同ローラにより繊維束が拡幅された状態を示す模式断面図である。
【図６】同ローラにより繊維束が拡幅された状態を示す模式断面図である。
【図７】従来のフィラメントワインディング装置が備えるローラを示す模式平面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１…フィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）、１２…繊維供給部、１６…ワーク（回転部材）、３０…制御部、５０…ローラ、５２…凸部、５５…櫛部材（案内部）、Ｂ…ボビン（繊維供給体）、Ｆ…繊維束、ｆ…繊維束（繊維）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007276193.tif 000006
【図５】
2007276193.tif 000007
【図６】
2007276193.tif 000008
【図７】
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