JPH0653394B2 - 繊維強化プラスチツクスの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、繊維強化プラスチックス、特に、長繊維を
用いた繊維強化プラスチックス（以下、ＦＲＰと略称す
る）をフィラメントワインディング法（以下ではＦＷ法
と云う）に基づいて製造する方法、中でも、低角巻付け
と高角巻付けとを組合せた所謂複合巻きを、短時にかつ
高精度に行い得る方法に関する。

〔従来の技術〕

高性能ＦＲＰの成形法としては、プレス成形、レジンイ
ンジェクション等が挙げられるが、円筒体等、回転対称
の製品には、繊維配列の均一性と任意性及び高体積繊維
含有率性等からＦＷ法が採用されている。

ＦＷ法は、第10図に示すように、サプライ部１から供給
される長繊維Ａを、レジンバス２に通して樹脂含浸し、
さらに引揃えた後、往復運動するキャレッヂトラバース
３のアイ４に通し、このアイを経由して集束された長繊
維を回転運動するマンドレル５に所定の厚さに巻取った
ら、加熱する等してマトリックス樹脂を硬化させ、この
後に脱型する手法である。

このＦＷ法によって得られる構造用ＦＲＰは、一部の例
を除いて周方向及び軸方向の２方向に力を受ける用途に
利用されるが、ＦＲＰの場合、繊維の配列方向とこれに
対する直角方向とで強度、弾性率とも１０／１程度の差
異があり、従って、高角、低角の複合巻きとして高角巻
き（フープ長さ）で周方向性能を、また、通常は40゜以
下とされる低角巻き（ヘリカル巻き）で軸方向性能を確
保するケースが多い。

ところで、ＦＷ法においては、巻付け繊維のテープ幅が
アイの構造で一義的に決定されるにも拘らず、従来は、
複合巻きに際しても、円環の基体の内側面（繊維の案内
面）を円弧にした第11図に示す如き周知の伸線ダイスに
似たアイ４を使用し、これを、フープ巻き繊維とヘリカ
ル巻き繊維の集束に共用している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ＦＷ法に基づいてＦＲＰを大量生産しようとする場合、
先ず、第１番目に巻付けのスピードアップを計ることが
考えられるが、この方法は、繊維への樹脂の含浸性が悪
くなるほか、繊維の毛羽立ち等も激しくなり、ＦＲＰの
性能低下につながる。従って、次の手段として、巻付け
テープの広幅化を考えざるを得ない。

ところが、上述したように、フープ巻きとヘリカル巻き
を第11図のアイを共用して行うと、次の問題が生じてく
る。即ち、まず、ヘリカルパスについて考えると、アイ
に導入された繊維は、アイの内側面に当り、ここで集束
されて口出しされるが、低角ヘリカル巻きでは、マンド
レル面上の繊維に加わる巻張力がフープ巻き部よりも小
さく、一方、アイ部での集束性はフープ巻き部よりも大
きくなる。このため、ヘリカル巻きのテープ巾（肉厚）
は、さほど広くないフープ巻きのテープ巾よりも更に狭
くなり、フープ、ヘリカル両テープの配列むらのでない
同一ピッチでの巻付けが困難になると共に、繊維の集束
本数が増加するにつれて、その引揃えも難しくなってく
る。

また、フープ巻きでは、テープ幅を１ピッチとして巻付
けるが、テープ幅が広くなると自ずとフープ巻きの差付
角度が小さくなり、繊維配向も設計通りに行われる高品
質ＦＲＰを得る上で、このことも問題になってくる。

この発明は、上述の問題を無くして、長繊維の複合巻き
を短時に、高精度に行い得るようにすることを目的とし
ている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するこの発明の方法は、基本的にはＦ
Ｗ法に採用されるキャレッヂトラバースに、ガイドとな
る第１図或いは第２図に示すようなアイ、即ち、並列す
る複数個の空隙部１１を備えるアイ１０を設けてこのア
イの空隙部に樹脂を含浸した長繊維Ａを少なくとも１本
ずつ通し、空隙部のマンドレル回転軸ｃと垂直な部分１
１ａでヘリカルパスＡ′を、軸Ｃと平行な部分１１ｂで
フープパスＡ″を通す。

但し、これだけでは、良好な巻付け、効率の良い巻付け
は保証されない。その理由は次のことにある。

即ち、ヘリカル巻き実行時は、第３図に示すように、マ
ンドレル５の両端にコーン部６を設け、ヘリカル巻きタ
ーン時は両端のコーンに連続繊維を引っ掛けて巻付ける
場合が多い。第４図は第３図の側面を表わしたもので、
この図における繊維のパスは、コーン部６ではＢ′、マ
ンドレル５上ではＢ″の軌跡となる。

また、マンドレル上でのヘリカルパスＡ′とフープパス
Ａ″を側面で比較すると第５図の如くになる。

このように、繊維のパスの軌跡は、巻付け形態の変化に
伴なって変化するが、繊維のＢ′からＢ″点への移行、
Ａ″からＡ′点への移行を自然にまかせた場合、定常状
態への回復（完全な移行の完了）にかなりの時間を要
し、その間は巻付け角度が刻々と変化する。従って、所
定の巻付け角度になる迄のこの過渡期は無駄巻きとな
り、巻付け精度、量産性ともに問題となる。特に、ヘリ
カル巻きが低角巻きであればある程繊維の移行距離が長
くなるため、例えば、30゜の角度の巻付けにおいては、
無駄巻き区間のマンドレル軸方向長さが片端で300mmに
もなると云う具合にロスが大きくなり、上記の問題が顕
著になってくる。

そこで、この発明の方法においては、この無駄巻きを極
力少なくするために、キャレッヂトラバースに対して上
述のアイ１０のほかに、第６図に示すガイド棒１２ａ、
１２ｂを設け、このガイドで繊維の移行を強制する方法
を採る。

ガイド棒１２ａ、１２ｂは、軸心をマンドレル５の回転
軸Ｃと平行方向に向けて軸Ｃと垂直方向に移動可能に配
置されており、両端の支持アーム１３ａ、１３ｂに接続
したシリンダアクチュエータやサーボモータの如き駆動
手段１４ａ、１４ｂにより、ヘリカル巻きターン時には
１２ｂのガイド棒が第７図に示すようにアイ１０上をア
イ中央側に平行移動せしめられ、またフープ巻きへの移
行時には１２ａのガイド棒がアイ中央側に平行移動せし
められる。

この動作により、繊維はガイド棒に押されてアイ中央側
に移動し、マンドレルへの繰出点が移動完了位置、即
ち、第４図のＢ″点或いは第５図のＡ′点に短時のうち
に移る。従って、掲題の無駄巻きは殆ど無くなる。

なお、ガイド棒１２ａは、第８図に示すように、支持ア
ーム１３ａを駆動手段１４ａの出力ロッドにヒンジピン
１５で接続し、さらに、そのアームの途中に軸１６によ
るピボット点を設けて軸１６を中心に支持アームを回動
させつつ移動させてもよい。１２ｂについても同じこと
が云える。

第９図は、この発明の方法に用いるアイの変形例を示し
ている。このアイ１０′は、軸心の向きをマンドレル回
転軸と垂直な向きにしたピン１７の複数本を本体に並列
に取付け、各ピン１７間に形成された半閉鎖空間の入口
を一方のガイド棒１２ａで遮断して繊維引通しのための
空隙部１１′となしたもので、ガイドの移動は上記と同
様にして行なう。このアイを用いる場合、ヘリカルパス
は空隙部１１′のマンドレル軸と垂直な部分即ちピン１
７の側面で通すが、フープパスは、第６図の場合と違っ
てガイド棒１２ａの側面で通すことになる。必要時に、
ガイド棒により繊維を強制移行させる点は第６図のアイ
を用いるときは同じである。

なお、例示のいずれれのアイを用いるにしても、第４図
のＢ′点からＢ″点への繊維の移行は直線的な面に沿っ
た挙動となるので、第５図のＡ″点からＡ点への移行に
比べれば自然移行が容易であり、従って、一方のガイド
棒１２ｂを省略しても、発明の効果は多少薄れるが、所
期の目的を達成することができる。

また、アイの本体に穴を設けて空隙部１１を作り出した
第６図のアイを使用する際のフープパスを、ガイド棒１
２ａの側面で通すことも可能である。

〔作用〕

上述したこの発明の方法によれば、ヘリカル巻き繊維の
巻付けに際し、マンドレル回転軸方向の繊維のつき合わ
せ（引揃え）を、巻付け部での集束力を弱めるように作
用するアイ部での口出し点間の距離を利用して、一方繊
維の広がり方向の引揃えは、集束力の弱い空隙部の垂直
部１１ａに繊維を添わせることによって各々正確に行う
ことができる。しかも、繊維の広がり幅も、垂直部１１
ａが直線的な形状であることにより、従来よりも大きく
することができ、この広幅化を計っても細幅のテープを
巻くときと同様の広がりを有するヘリカル巻きが可能に
なる。

また、フープ巻きにおいても、空隙部のマンドレル回転
軸と平行な部分１１ｂ又はガイド棒１２ａの側面で口出
しを行うため、テープ幅を拡がることができる。さら
に、フープ巻き部の広幅化に伴う巻付け角度の低下の問
題は、本発明の場合、各口出し部でそれぞれつき合わせ
巻きが行われるので、換言すれば、第１図を例に採った
場合、最も右側の繊維によるフープ巻き層上に右から２
番目の繊維がフープ巻きされ、さらに、この層上に右か
ら３番目の繊維によるフープ巻き層が形成されると云う
具合に、広幅化が多重巻きに変換されるので、全く発生
しない。

従って、フープ、ヘリカルのテープ幅を１組のアイを使
って広くすると同時に等しくし、同一ピッチで効率良く
巻付けることが可能になる。

また、マンドレルの端部における無駄巻きの問題は、前
項で構成と共に述べたガイド棒の働きによって解決され
る。

〔実施例〕

以下、第６図のアイを使い、30゜の角度でヘリカル巻
き、その後にフープ巻きを繰返して複合巻ＦＲＰ製品を
得る場合の実施例を説明するが、繊維パスの移行動作に
ついては、先に説明したので、ここでは、巻付け動作の
みを述べるにとどめる。

まず、30゜ヘリカル巻きの実行時には、アイの空隙部１
１に、第10図のレジンバス２を通過した樹脂含浸連続繊
維を、第１図のように通し、巻付けをスタートする。

スタート時は、第３図に示すコーン部６のストレート円
筒部に繊維を固着する訳であるから、ガイド棒１２ｂの
位置は、第４図Ｂ″点近傍とする。巻付け繊維がマンド
レル５の円筒部に移った時点（この際の繊維パスの移行
はガイド棒１２ｂにより繊維が予めＢ″点近くに押され
ているので短時に行なわれる）で、ガイド棒１２ｂを原
点（巻付は繊維に接触しない位置）に戻す。そして、タ
ーン部で同様の所作を繰返えし、30゜ヘリカル巻きを完
成する。

次に、30゜ヘリカル巻きからフープ巻きに移る際には、
繊維の繰出し位置が第５図のＡ′点からＡ″点へずれる
が、このときには特に強制移動の必要もなく、移行は円
滑に行なわれる。さらに、フープ巻き後に30゜ヘリカル
巻きに移る場合、繊維はＡ″点からＡ′点へ移行しなけ
ればならないが、この動きには、１２ａのガイド棒を必
要とし、このガイド棒１２ａを用いて巻付け繊維をＡ′
点に強制移行させ、前回と同じ所作で30゜ヘリカル巻き
を実行する。このことにより、広巾化されたテープの無
駄のない正確な巻付けが行なわれ、高精能ＦＲＰが効率
良く生産される。

なお、上の発明は、全てフープ／ヘリカルの複合巻きに
ついて述べたが、この効果は、ヘリカル巻きのみを行な
う際にも発揮される。

〔効果〕

以上述べたように、この発明によれば、ヘリカル、フー
プの複合巻きに付随するテープの配列むら、引揃え性の
低下の問題、及びテープの広巾化に伴う繊維配向の乱れ
の問題を、ガイド（アイ）の構造に工夫を凝らして解決
し、また、繊維繰出し点の移行遅れによるマンドレル端
部での無駄巻きの問題を、ガイド棒で繊維を強制移行さ
せることによって解決したものであるから、従来に比し
て遜色のない高精度ＦＲＰ製品を、材料の無駄を生じさ
せずに高能率に製造することができ、大量生産の実施に
大きく寄与できると共に、量産効果、材料の有効利用に
より製品価格の低廉化にも大きく寄与できると云う効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の方法の基本となるガイド（アイ）
を用いた巻付けの斜視図、第２図は基本となるアイの変
形例を示す斜視図、第３図はヘリカル巻きに使用するマ
ンドレルの一例を示す正面図、第４図は第３図の側面
図、第５図はフープ巻き、ヘリカル巻き時の繊維の軌跡
を示す側面図、第６図は、この発明に用いるガイド棒を
第１図のガイドと組合せた状態の斜視図、第７図は第６
図のＸ−Ｘ線に沿った断面図、第８図はガイド棒の駆動
方式の別例を示す側面図、第９図はガイド棒を組合せた
ガイドの他の例を示す斜視図、第10図は(イ)はＦＷ法の
概要を示す側面図、(ロ)はそのマンドレル部の正面図、
第11図は従来アイの一例を示す一部破断正面図である。 １……サプライ部、２……レジンバス、３……キャレッ
ヂトラバース、５……マンドレル、６……コーン、１
０、１０′……アイ、１１、１１′……空隙部、１１ａ
……マンドレル回転軸に対する垂直部、１１ｂ……マン
ドレル回転軸に対する平行部、１２ａ、１２ｂ……ガイ
ド棒、１３ａ、１３ｂ……支持アーム、１４ａ、１４ｂ
……駆動手段、１５……ヒンジピン、１６……軸、１７
……ピン、Ａ″……フープパス、Ｂ′……コーン部への
繊維の繰出し点、Ｂ″……マンドレルストレート部への
繊維の繰出し点。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】樹脂を含浸した複数本の連続繊維を、往復
   運動するキャレッヂトラバースを経て回転運動するマン
   ドレルの外周面に巻付け、硬化・成形する繊維強化プラ
   スチックスの製造方法において、上記キャレッヂトラバ
   ースに、並列する複数個の空隙部を備えるガイドとマン
   ドレル軸と垂直な方向に移動可能で軸心はマンドレル軸
   と平行方向を向くガイド棒とを設け、上記空隙に樹脂を
   含浸した連続繊維を少なくとも１本ずつ通し、空隙部の
   マンドレル回転軸と垂直な部分でヘリカルパルスを、平
   行な部分又は上記ガイド棒の側面でフープパスを通すと
   共に、ヘリカル巻きターン時、或いはフープ巻きからヘ
   リカル巻きへの移行時に、上記ガイド棒で繊維のパスを
   移行完了点側へ強制移動させることを特徴とする繊維強
   化プラスチックスの製造方法。
2. 【請求項２】上記空隙部がガイド本体に穴を明けて作り
   出されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   (1)項記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
3. 【請求項３】上記空隙部がガイド本体にマンドレル回転
   軸と垂直なピンを並列に取付けて各ピン間に一端の開放
   する空間を形成し、さらに、その開放空間の入口を上記
   ガイド棒で遮断して形成されたものであることを特徴と
   する特許請求の範囲第(1)項記載の繊維強化プラスチッ
   クスの製造方法。