JP2017209902A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維束の幅を調整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。
【解決手段】本発明に係るフィラメントワインディング装置１は、繊維束Ｗをライナー２へ巻回するガイド部を備え、ガイド部は、ガイド部の出口から見て繊維束Ｗの搬送方向の上流における繊維束Ｗの幅方向端部に設けられ且つ該幅方向に移動可能な複数のピン２０を有し、複数のピン２０は、繊維束Ｗの幅方向に移動することによりピン２０同士の間隔を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。

従来、ライナーの外周面に補強用繊維を巻き付けていくフィラメントワインディング装置が知られている。このようなフィラメントワインディング装置は、ボビンから補強用繊維を引出しつつ該補強用繊維をライナーの外周面に巻き付ける。なお、ボビンから引出された補強用繊維は、複数個のガイド部を介してライナーへ案内される。なお、ライナーは、略円筒状の胴体部と、該胴体部の両端部を閉鎖する略半球状のドーム部とを有する密閉円筒状の容器である。

上記フィラメントワインディング装置において、補強用繊維の束（以下、繊維束とも称する）をライナーに巻回したときに、繊維束の幅方向の不均一な厚みによる段差でボイドが発生するという課題がある。この課題を解決することを意図して、例えば下記特許文献１では、ガイド部の下流において、繊維の幅を規制する櫛部材を設けている。この櫛部材を設けることによって、ガイド部を介して供給される複数の繊維束のそれぞれは、櫛部材を通り、その間隔が一定にされた後、ライナーへ案内される。下記特許文献１によれば、繊維束の間の隙間や重なりが発生するのを防止して、製品の品質を安定させることができる、とされている。

特開２００７−２７６１９３号公報

上記櫛部材では、繊維束間の間隔を一定にすることは可能であるものの、繊維同士の位置を任意に決めることができないため、繊維束の幅を制御することができなかった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、繊維束の幅を調整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にある。

上記課題を解決するために本発明に係るフィラメントワインディング装置は、ライナーの外周に繊維束を巻回して高圧タンクを製造するフィラメントワインディング装置において、前記繊維束を前記ライナーへ巻回するガイド部を備え、前記ガイド部は、前記ガイド部の出口から見て前記繊維束の搬送方向の上流における前記繊維束の幅方向端部に設けられ且つ該幅方向に移動可能な複数のピンを有し、前記複数のピンは、前記繊維束の幅方向に移動することにより前記ピン同士の間隔を調整する。

本発明では、ライナーへ繊維束を案内するガイド部に、繊維束の幅方向端部に配置されて該幅方向に移動可能な複数のピンを設け、当該ピン同士の間隔を調整する。このような構成を備えることによって、繊維同士の位置を定めることができるようになり、繊維束の幅を調整することができる。

本発明によれば、繊維束の幅を調整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ができる。

フィラメントワインディング装置の概略図である。 ライナーに繊維を揃えて巻き付けるアイクチ案内部の構成を示す概略斜視図である。 積層された繊維束の層の一部に蛇行が形成されている様子を示す説明図である。 巻位置、繊維幅、角度それぞれノミナル値から公差最大と公差最小に変化させた場合の、繊維歪の発生量を検証した結果を示すグラフである。 口金の首部周辺の構成を説明するための図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態におけるフィラメントワインディング装置１（以下、「ＦＷ装置１」という）の構成図である。なお、図１には、ＦＷ装置１の構成要素ではないが、成形製品の形状を形作るライナー２も図示されている。

ＦＷ装置１は、繊維束Ｗ（例えば予め樹脂が含浸されたカーボン繊維等）を搬送するための繊維搬送経路部１１を備え、繊維搬送経路部１１は、繊維束Ｗをセットし巻出しを行う巻出部９０と、繊維束Ｗを上流（巻出部９０側）から下流側（ライナー２側）に搬送するための複数のローラＲと、巻き出された繊維束Ｗを揃えてライナー２に案内するアイクチ案内部１０とを備える。

巻出部９０から巻き出された繊維束Ｗは、いくつものローラＲ等を経由し、アイクチ案内部１０を通り、ライナー２に巻き付けられる。ライナー２は、その長手軸周りに回転駆動され、このライナー２の回転駆動によって繊維束Ｗに張力が与えられ、その張力の下で、繊維束Ｗがライナー２に緊密に巻きつけられることになる。

繊維束Ｗが搬送される繊維搬送経路部１１は、以下の構成を備える。具体的には、図１に示すように、ローラＲに対して繊維束Ｗが直角に掛かるようにローラＲが配置されている。

また、ローラＲの角度を９０°回転させる際は、ローラＲ間の距離が２５０ｍｍ以上となるように、ローラＲが配置されている。

上記のように配置されたローラＲにより繊維束Ｗが下流側に搬送されることで、繊維束Ｗの幅が太い状態（繊維束Ｗの幅を維持した状態）でアイクチ案内部１０に繊維束Ｗが案内される（図２の符号Ｂエリア参照）。アイクチ案内部１０は、複数の繊維束Ｗを幅方向に揃えてライナー２に案内する機能を有し、ライナー２の外形に沿って移動する移動機構等を有する。アイクチ案内部１０の構成については、図２を参照しながら後述する。

なお、ライナー２は、成形製品の形状を形作る芯材となるもので、例えば高圧タンクを成形する場合は、タンクの内径に対応する筒である。ライナー２は、長手軸が回転可能に支持され、回転駆動機構によって長手軸周りに回転される。アイクチ案内部１０によって幅方向に並べて揃えられた複数の繊維束Ｗは、その端部がライナー２に固定され、そのライナー２が回転駆動されることで、繊維束Ｗがライナー２の長手軸方向に並んでその外周に巻き取られる。所定の巻き数で繊維束Ｗがライナー２に巻き付けられ、製品の形状が作られると、その後硬化処理が行われ、エポキシ樹脂が硬化して、繊維強化樹脂複合製品が成形される。

続いて、図１に示した複数のローラＲを経由して搬送される繊維束Ｗを揃えてライナー２に巻き付けるアイクチ案内部１０の構成について説明する。図２は、アイクチ案内部１０の構成を示す概略斜視図である。なお、ローラＲやピン２０等の駆動は、図示しない制御部により制御される。

アイクチ案内部１０は、アイクチ案内部１０の出口からみて繊維束Ｗの搬送方向の上流において、繊維束Ｗの幅方向（繊維束Ｗの搬送方向に垂直な方向）端部に移動可能に配置される複数のピン２０を備える（図２の符号Ｃエリア参照）。ピン２０同士の間隔を調整することにより、繊維同士の位置を定めることができ、繊維束Ｗの幅（繊維間ピッチ）を調整することができる。本実施形態では、４本のピン２０が繊維束Ｗの幅方向両側に配置されるが、この例に限定されず、繊維間ピッチを調整可能であれば、適宜その本数を変更することができる。

またアイクチ案内部１０は、繊維束ＷをＳ字に掛け摩擦により繊維間ピッチを保持するためのローラＲを複数備える（図２の符号Ｄエリア参照）。図２の符号Ｄエリア近傍に配置される２本のローラＲのうち、上流側（図２では左側）のローラを前ローラＲｄ１、下流側のローラを後ローラＲｄ２と呼ぶことにすると、繊維束Ｗは、前ローラＲｄ１の下側外周、後ローラＲｄ２の上側外周にそれぞれ接触し（すなわちＳ字に掛けられて）、下流側に搬送される。

またアイクチ案内部１０は、繊維の位置を保持するため、ローラＲを回転させて繊維束ＷをＳ字に掛けるローラＲを複数備える（図２の符号Ｅエリア参照）。図２の符号Ｅエリア近傍に配置される３本のローラＲのうち、上流側のローラを前ローラＲｅ１、中央側のローラを中央ローラＲｅ２、下流側のローラを後ローラＲｅ３と呼ぶことにすると、繊維束Ｗは、前ローラＲｅ１の下側外周、中央ローラＲｅ２の上側外周、後ローラＲｅ３の下側外周にそれぞれ接触し（すなわち、Ｓ字に掛けられて）、下流側のライナー２（図１参照）に案内される。

ところで、繊維束Ｗが、ライナーの端部に設けられた口金の周辺に巻回される場合において、下地となるヘリカル層よりも中心軸側に近い位置へと繊維束が積層される場合、補強層の一部はその厚み方向に蛇行する（図３参照）。これは下地となるヘリカル層の厚みの不均一性が転写されるためであり、蛇行した層は十分な強度を発揮することができない。その結果、タンク容器のドーム部において設計上の強度とならないおそれがある。

そこで、本発明者らは、上記のような層の蛇行を抑制して強度を向上させるための研究を行った。具体的には、本発明者らは、図４に示すように、巻位置、繊維束、角度をそれぞれノミナル値から公差最大と公差最小の３条件に変化させて、繊維歪の発生量について検証した。

図４（Ａ）は、１層目における、巻位置、繊維束、角度をそれぞれノミナル値から公差最大と公差最小の３条件に変化させたときの繊維歪を示すグラフである。図４（Ｂ）は、２層目における、位置、繊維束、角度をそれぞれノミナル値から公差最大と公差最小の３条件に変化させたときの繊維歪を示すグラフである。

図４（Ａ）に示すように、１層目における繊維束の太さ（幅）が強度に大きく寄与すること、すなわち、繊維束の幅を広くすると繊維歪を低減できるという知見を本発明者らは見出した。言い換えれば、繊維束の幅を調整できれば、図３を参照して説明したようなドーム部（口金周辺等）に積層される繊維束の厚みの不均一性が解消され、強度を向上できるという知見を本発明者らは見出した。

上記本発明者らが見出した知見に基づき、本実施形態では以下のように繊維束Ｗを案内する。すなわち、本実施形態のＦＷ装置１では、繊維束Ｗの幅を維持した状態でアイクチ案内部１０に繊維束Ｗが案内され、またアイクチ案内部１０からライナー２に向けて、繊維束Ｗの太さを維持した状態で繊維束Ｗがライナー２に案内される。これにより、ＦＷ装置１から供給される繊維束Ｗは、その幅が維持された状態でライナー２の外周に積層されるので、繊維束の太さに起因して発生する繊維歪を低減することができる。つまり、従来において問題となっていた、ドーム部（口金周辺）に積層される繊維束の厚みの不均一性により、補強層の一部に蛇行（図３参照）が生じることが抑制される。その結果、例えばドーム部において設計通りの強度を確保するために設計上の数値以上に繊維を積層することがなくなるため、繊維層の厚みが軽減される。これにより、ＦＷ装置１を用いて作製される高圧タンクの軽量化を図りつつ、強度を向上させることができる。

アイクチ案内部１０による繊維束Ｗの幅（繊維間ピッチ）を調整した結果、ライナー２のドーム部２ｂには、以下のように繊維が巻回されることが好ましい。この詳細について図５を参照しながら説明する。

ライナー２は、図５に示すように、略円筒状の胴体部２ａと、当該胴体部２ａの両端に設けられるドーム部２ｂとを有し、ドーム部２ｂの頂上には口金３が設けられる。

ライナー２の外周には次のように繊維束が巻回される。具体的には、口金３の最も細くなる部位（図５に示す首部）から、巻付け位置が首部より繊維束幅以上に離れた層（以下、「首部離間層」と称する）であり、且つ次に巻きつけられる層が、首部離間層より首部に近い位置に巻かれる場合、首部離間層の繊維束の幅が胴体部２ａの１／２倍以上の太さを保持している。これにより、首部離間層の次に巻かれる層の厚み方向（図３における上下方向）の蛇行を低減することができる。このため、ＣＦＲＰ層の強度を向上させ、余剰な繊維を巻付ける必要がなくなる結果、高圧タンクの軽量化を実現することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１：フィラメントワインディング装置
２：ライナー
２ａ：胴体部
２ｂ：ドーム部
３：口金
１０：アイクチ案内部（ガイド部）
１１：繊維搬送経路部
２０：ピン
９０：巻出部
Ｒ：ローラ
Ｗ：繊維束

Claims (1)

1. ライナーの外周に繊維束を巻回して高圧タンクを製造するフィラメントワインディング装置において、
   前記繊維束を前記ライナーへ巻回するガイド部を備え、
   前記ガイド部は、前記ガイド部の出口から見て前記繊維束の搬送方向の上流における前記繊維束の幅方向端部に設けられ且つ該幅方向に移動可能な複数のピンを有し、
   前記複数のピンは、前記繊維束の幅方向に移動することにより前記ピン同士の間隔を調整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。

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