(57)【要約】【課題】回転部材表面における繊維の滑りを抑制す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を回転させながらワーク１６の表面に樹脂含浸繊維を巻き付けるフィラメントワインディング装置１１において、ワーク１６の表面に巻き付けられた前記繊維をワーク１６に押圧するホールド冶具（押圧具）５１を備える。このホールド冶具５１は、ワーク１６の表面に沿って移動可能に構成している。【選択図】図１
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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樹脂含浸繊維を巻き付けるフィラメントワインディング装置において、
前記回転部材の表面に巻き付けられた繊維を該回転部材に押圧する押圧手段を備えると共に、この押圧手段は前記回転部材の表面に沿って移動可能とされているフィラメントワインディング装置。
【請求項２】
前記押圧手段の移動範囲が前記回転部材の表面の一部に限定されている請求項１に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項３】
前記特定部位は、前記回転部材の回転軸に対して所定角度以上の傾斜を有する部位である請求項２に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項４】
前記特定部位は、前記回転部材の回転軸方向における端部である請求項２に記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項５】
前記押圧手段の先端に、前記回転部材の表面に密着可能な軟質部を備えた請求項１から４のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項６】
前記押圧手段の先端に、加熱部を備えた請求項１から５のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項７】
前記押圧手段の先端に、前記回転部材に接着剤を吐出する吐出部を備えた請求項１から６のいずれかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項８】
前記回転部材に巻き付けられた前記繊維の滑りの有無を監視する監視手段を備えた請求項１から７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２０００−１０２９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなフィラメントワインディングを行うフィラメントワインディング装置では、マンドレルに繊維を巻付ける際に滑りが発生する場合がある。滑りとは、繊維がマンドレルの表面に適切に巻き付けられず、所定位置から滑り落ちることを言い、特に、ライナー胴部及び鏡部に繊維を螺旋状に巻き付けるヘリカル巻において多く見られる。
【０００４】
滑りが発生する原因としては、繊維と樹脂とのまとまりが悪い場合に、繊維束の中で他の繊維とのなじみが悪い繊維が部分的にほどける、あるいは、既に巻き付けられている繊維から滲み出した樹脂の上に新たに巻かれた繊維が滑る、ということが考えられている。
【０００５】
滑りが発生した場合、人手により巻き直し作業を行う必要があり、巻き直し及びマシンの再起動が必要であることから大幅な時間ロスが発生する。さらに、ＣＦＲＰ製のタンク強度改善やプリプレグ繊維に対応するためには、巻き付け時における繊維の張力向上が必要であるが、張力を上げるとその背反として滑りやすさが増すため、滑りを抑制する技術の開発が望まれている。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明は、回転部材表面における繊維の滑りを抑制す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】
【０００７】
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樹脂含浸繊維を巻き付けるフィラメントワインディング装置において前記回転部材の表面に巻き付けられた繊維を該回転部材に押圧する押圧手段を備えると共に、この押圧手段は前記回転部材の表面に沿って移動可能とされている。
【０００８】
本構成によれば、回転部材の表面の任意の位置に押圧手段を対向させて配置することが可能となるので、繊維の巻き付け後に滑りの発生する虞のある部位を押圧手段によって押圧することにより、繊維の滑りを抑制することが可能となる。また、従来は作業者が手で押さえていた繊維の巻始めおよび巻終わりを押圧手段によって自動で押さえることもできる。
【０００９】
本発明のフィラメントワインディング装置においては、前記押圧手段の移動範囲が前記回転部材の表面の一部に限定されていてもよい。
【００１０】
例えば、巻き付けられた繊維が前記回転部材の表面のうち他の部位よりも滑りやすい特定部位を記憶する記憶手段と、前記特定部位への前記繊維の巻き付けを検出する検出手段と、をさらに備えると共に、前記押圧手段は、前記特定部位への前記繊維の巻き付けが検出された直後に前記特定部位に巻き付けられた繊維を押圧してもよい。
本構成によれば、回転部材の表面（外面）形状に基づいてその表面のうち他の部位よりも相対的に滑りが発生しやすい特定部位を予め記憶手段に記憶しておき、この特定部位に繊維が巻き付けられたことを検出したら、その直後に速やかに繊維を押圧手段により押圧することにより、滑りを抑制することが可能となる。
なお、押圧手段の移動可能範囲は、「他の部位よりも滑りやすい」というパラメータ以外のパラメータで特定してもよいし、その特定部位を記憶するための記憶手段を備えていなくてもよい。
【００１１】
滑りが発生しやすい特定部位の例としては、回転部材の回転軸に対して所定角度以上の傾斜を有する部位や、回転部材の回転軸方向における端部等が挙げられる。なお、回転部材の表面の一部が曲面である場合において、「回転軸に対して所定角度以上の傾斜を有する部位」とは、当該曲面に対する接平面と回転軸とがなす角度が所定角度以上の部位であることを意味する。
【００１２】
本発明のフィラメントワインディング装置においては、前記押圧手段の先端に、前記回転部材の表面に密着可能な軟質部を備えていてもよい。
【００１３】
本構成によれば、軟質部が回転部材の表面形状に応じて（倣って）変形して密着することで、より確実に繊維を押圧することができる。
【００１４】
本発明のフィラメントワインディング装置においては、前記押圧手段の先端に、加熱部を備えていてもよい。
【００１５】
本構成によれば、押圧手段により回転部材表面の繊維を押圧する際に繊維に含浸された樹脂を部分硬化させ得て、繊維の滑りを効果的に抑制することができる。
【００１６】
本発明のフィラメントワインディング装置においては、前記押圧手段の先端に、前記回転部材に接着剤を吐出する吐出部を備えていてもよい。
【００１７】
本構成では、吐出された接着剤が押圧手段からの押圧力によって繊維の内部に浸透し、繊維に拘束力を与えることができるので、繊維の滑りをより効果的に抑制することができる。
【００１８】
本発明のフィラメントワインディング装置においては、前記回転部材表面に巻き付けられた前記繊維の滑りの有無を監視する監視手段を備えていてもよい。
【００１９】
本構成によれば、押圧手段による押圧前後において監視手段により回転部材の表面状態を監視することにより、滑りが発生しているか否かをリアルタイムあるいは事後的に確認することが可能となる。また、回転部材の表面状態に応じて押圧手段による押圧力を制御する等の処理を行うことが可能となる。なお、監視手段の例としては、監視カメラ等が挙げられる。
【００２０】
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】
【００２１】
本発明によれば、回転部材表面の繊維を必要に応じて適宜押圧することが可能となるため、巻き付け時における繊維の滑りを効果的に抑制することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の一実施形態に係る押圧手段を備えたフィラメントワインディング装置について説明する。
【００２３】
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、樹脂含浸装置１３、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、チャック９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。
【００２４】
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。
【００２５】
繊維束供給部１２は、繊維束（繊維）Ｆが巻かれた複数（この実施形態では３つ）のボビンＢが、張力調整装置（図示せず）に連結された支軸１２ａに支持される構成になっている。張力調整装置には例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸１２ａ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。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。
【００２６】
樹脂含浸装置１３は、樹脂槽１９及び含浸ローラ２０を備え、さらに樹脂槽１９の上方にはボビンＢから引き出された繊維束Ｆを樹脂槽１９の所定位置に案内するローラ２１ａと、樹脂槽１９で樹脂が含浸された後の繊維束Ｆを案内するローラ２１ｂとが設けられている。なお、図１では、ローラ２１ａ，２１ｂの図示を省略している。また、繊維束供給部１２とローラ２１ａとの間には、図示しないテンションローラが各繊維束Ｆに対応して設けられている。
【００２７】
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。
【００２８】
チャック９はワーク１６をその軸心（回転軸）を中心に回転可能に支持し、可変速モータにより回転駆動される。そして、後述の制御部３０により可変速モータが制御されて、チャック９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。ワーク１６は、例えばマンドレルあるいはタンクを製造する場合のライナ等である。
【００２９】
ワーク１６の周囲には、ワーク１６を取り囲むようにしてレール５０が設けられている。レール５０にはホールド冶具（押圧手段）５１が移動自在に支持されており、ホールド冶具５１はレール５０に案内されることにより、ワーク１６の表面に沿って移動可能とされている。
【００３０】
レール５０は、ワーク１６を挟んで一対設けられており、それらは対向状態つまりワーク１６の回転方向に沿って１８０度間隔で配置されていると共に、ワーク１６の回転軸を含む平面内にて各レール５０に設けられたホールド治具５１が約１８０度の範囲をそれぞれ移動できるようにワーク１６の外側を取り囲んでいる。なお、レール５０は、ワーク１６の回転方向に沿って等間隔あるいは不等間隔に３つ以上設けられていてもよい。
【００３１】
図３は、ホールド冶具５１の拡大図である。ホールド冶具５１は、レール５０を構成する一対のレール構成要素５０ａ、５０ｂ間に挟持された車輪５２と、車輪５２に支持されたボディ５３と、ボディ５３から伸びる伸縮性アーム５４により支持されたパッド（軟質部）５５と、を備える。
【００３２】
伸縮性アーム５４は、ボディ５３の内部に設けられたエア駆動装置（アクチュエータ）５６により、パッド５５がワーク１６に離接自在となるように構成されている。パッド５５は、ワーク１６の表面に押圧されると自身が弾性変形することにより当該表面に密着することが可能なゴム、樹脂等の軟質部材により形成されている。
【００３３】
なお、ホールド冶具５１は不図示のモータ等を駆動源としてレール５０を移動するように構成されている。
【００３４】
制御部３０は、ホールド冶具５１を含むＦＷ装置１１の全体を制御するものであり、ワーク１６に巻き付けられた繊維がワーク１６の表面のうち他の部位よりも相対的に滑りやすい特定部位に関する情報が不図示の記憶部に予め記憶されている。また、制御部３０は、給糸ユニット１５を駆動する際の当該給糸ユニット１５の位置情報に基づいて、特定部位への繊維束Ｆへの巻き付けを検出する。
【００３５】
このように、本実施形態の制御部３０は、特定部位を記憶する記憶手段と、特定部位への繊維の巻き付けを検出する検出手段としての機能を兼備している。なお、特定部位は、ワーク１６の表面形状によって異なり、例えばワーク１６の回転軸に対して所定角度以上の傾斜を有する傾斜部、特に、ワーク１６が高圧タンクである場合における当該高圧タンクの回転軸方向両端部に形成された凸曲面部（肩部）が該当する。
【００３６】
次に、前記のように構成された給糸ユニット１５を備えたＦＷ装置１１の作用を図４に示したフローを用いて説明する。
【００３７】
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９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。
【００３８】
次に、繊維束供給部１２から繰り出された繊維束Ｆを、樹脂含浸装置１３及び繊維束ガイド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。このとき、ホールド冶具５１を用いて巻始めの繊維先端部をワーク１６に固定する。制御部３０はエア駆動装置５６を制御して伸縮性アーム５４を伸ばし、パッド５５とワーク１６との間に繊維束Ｆの先端を挟持させることにより、繊維束Ｆを固定する（ステップＳ１）。
【００３９】
また、ワーク１６の長さ、径、回転速度、繊維束Ｆのワーク１６への巻付け時における幅等の巻付け条件を制御部３０に入力する。なお、このときに上記特定部位に関する情報を入力することが可能な構成としてもよい。
【００４０】
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（ステップＳ２）。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。
【００４１】
そして、繊維束供給部１２から繊維束Ｆが順次引き出されてワーク１６上に巻き付けられる。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る。
【００４２】
制御部３０は、ワーク１６の表面のうち前記滑りやすい特定部位に繊維束Ｆが巻き付けられると、ホールド冶具５１を当該特定部位に移動させ（または予め移動させておき）、伸縮性アーム５４を伸ばしてパッド５５により繊維束Ｆをワーク１６表面に押圧する（ステップＳ３）。このときの押圧時間を適切に制御し、繊維束Ｆが適切にワーク１６に固定されるようにする。押圧が不要な間は、伸縮性アーム５４を縮小させパッド５５をワーク１６から退避させておく。
【００４３】
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（ステップＳ４）。そして、ワーク１６に巻き付けられた繊維束Ｆの端部をホールド冶具５１によりワーク１６に固定する（ステップＳ５）。その後、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（ステップＳ６）。
【００４４】
次に、ワーク１６がチャック９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。
【００４５】
このように、本実施形態に係るホールド冶具５１を備えたフィラメントワインディング装置１１によれば、ワーク１６の表面のうち繊維束Ｆが滑りやすい部位で繊維束Ｆを適宜押圧するため、巻き付け時における繊維束Ｆの滑りを効果的に抑制することができる。また、押圧が不要な間はパッド５５を退避させておくことで、巻き付け速度を遅延させることなく巻き付けを実施することができる。
【００４６】
さらに、繊維束Ｆの巻付け開始端と終了端をホールド冶具５１で押圧するので、従来作業者により手で行われていた場合と比較して作業時間の短縮化、および人的工数低減を実現することができる。
【００４７】
また、従来は滑りが発生した場合には作業者による手作業での巻き直しが必要であったが、本実施形態では滑りを抑制することができるため、滑り発生の監視および滑りが発生した場合の手動による巻き直しが不要となり、作業の自動化を行うことができる。さらに、滑りの発生する虞が少なくなるため、繊維束Ｆの巻き付けスピードの上昇と、張力の向上を実現することができる。
【００４８】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態においては、パッド５５に不図示のヒータ（加熱部）が内蔵されている。他の構成については上記第１実施形態と同様であり、説明を省略する。
【００４９】
図５に示したように、ワーク１６に既に巻き付けられている繊維束Ｆ１と、新たに巻き付けられた繊維束Ｆとの間には、繊維束Ｆ１から浸み出した樹脂Ｒが介在しており、この樹脂Ｒが新たに巻き付けられた繊維束Ｆを滑らす要因となっていた。
【００５０】
本実施形態では、パッド５５の内部にヒータが設けられており、制御部３０はホールド冶具５１をワーク１６に押圧させた際にヒータにより樹脂Ｒを加熱する。これにより、図５の破線で囲まれた範囲の樹脂が部分硬化するため、繊維束Ｆの滑りをさらに効果的に抑制することができる。
【００５１】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下に挙げる構成を追加してもよい。例えば、滑りを監視する装置として、図６に示すように、ボディ５３にカメラ（監視手段）６０を設け、制御部３０がカメラ６０を介してワーク１６の表面状態を撮影するようにしてもよい。例えばホールド治具５１による押圧前にカメラ６０によりワーク１６の表面状態を撮影し、滑りが発生しているか否かを制御部３０が判定する。
【００５２】
滑りが発生している場合は、上述のようにホールド冶具５１により繊維束Ｆを押圧する。また、撮影により得られたワーク１６の表面状態に応じて、ホールド治具５１による押圧時間、押圧力等を制御することができる。また、ホールド治具５１による押圧後にワーク１６の表面状態を撮影し、押圧の結果を確認するようにしてもよい。
【００５３】
また、パッド５５に温度センサを設けてもよい。この場合には、ホールド冶具５１により繊維束Ｆを押圧した際の温度を測定し、ヒータによる樹脂粘度低下を温度に基づき算出する。これにより、制御部３０は押圧時間を適切に管理することができる。
【００５４】
さらにまた、パッド５５に吐出ノズル（吐出部）を設け、接着剤（例えば、繊維束Ｆに含浸させる樹脂よりも高粘度の樹脂）を該吐出ノズルから吐出させる構成としてもよい。
【００５５】
この場合には、ホールド冶具５１により繊維束Ｆを押圧する際に、接着剤をワーク１６の表面に吐出する。すると、接着剤がパッド５５の押圧力により繊維束Ｆの内部に浸透し、繊維束Ｆに拘束力を与えることができるので、繊維束Ｆの滑りをより効果的に解消することができる。
【００５６】
なお、上記のホールド冶具５１は、レール５０に移動自在に支持された構成ではなく、特定の場所に固定された構成としてもよい。この場合、車輪５２およびレール５０は省略することができる。特定の場所としては、ワーク１６の表面形状に基づいて予め特定されている滑りが発生しやすい場所、すなわち上述のようにワーク１６の回転軸に対して所定角度以上の傾斜を有する傾斜部、例えばワーク１６の両端肩部に設けることができる。
【００５７】
なお、上記各実施形態において、ホールド冶具５１の伸縮性アーム５４を伸縮させるアクチュエータとしてエア駆動装置５６を採用したが、油圧シリンダ等、他の手段により伸縮性アーム５４を伸縮させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【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】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】ホールド冶具の構成を示した模式側面図である。
【図４】フィラメントワインディング装置を用いてＦＷ成形工程を行う際のフローである。
【図５】ヒータを用いて樹脂を部分硬化させる際の状態について示した模式断面図である。
【図６】カメラを備えたホールド冶具の変形例について示した模式側面図である。
【符号の説明】
【００５９】
Ｆ…繊維束（繊維）、１１…フィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）、１６…ワーク（回転部材）、３０…制御部（記憶手段、検出手段）、５０…レール、５１…ホールド冶具（押圧手段）、５５…パッド（軟質部）、５６…エア駆動装置、６０…カメラ（監視手段）
【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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