フィラメントワインディング装置、該装置を用いて成形された成形品、及び、成形品の成形方法
【課題】成形品に凹状部を一体成形することが可能なフィラメントワインディング装置を提供する。
【解決手段】フィラメントワインディング装置１は、回転するマンドレル１０にクリール８０から樹脂槽９０を経て供給された複合材料１００を巻き付けて成形品を成形する装置であり、成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、マンドレル１０の径方向に沿って移動可能な第１の内側押圧部を有する内側押圧装置と、成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、マンドレル１０の径方向に沿って移動可能な第１の外側押圧部を有する外側押圧装置４０と、をさらに備え、内側押圧装置は、マンドレル１０の外周面に形成された開口部１３を介して、第１の内側押圧部を外部に露出させるように、マンドレル１０の内部に設けられ、外側押圧装置４０は、第１の外側押圧部を第１の内側押圧部に対向させるように、マンドレル１０の外部に設けられている。
【解決手段】フィラメントワインディング装置１は、回転するマンドレル１０にクリール８０から樹脂槽９０を経て供給された複合材料１００を巻き付けて成形品を成形する装置であり、成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、マンドレル１０の径方向に沿って移動可能な第１の内側押圧部を有する内側押圧装置と、成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、マンドレル１０の径方向に沿って移動可能な第１の外側押圧部を有する外側押圧装置４０と、をさらに備え、内側押圧装置は、マンドレル１０の外周面に形成された開口部１３を介して、第１の内側押圧部を外部に露出させるように、マンドレル１０の内部に設けられ、外側押圧装置４０は、第１の外側押圧部を第１の内側押圧部に対向させるように、マンドレル１０の外部に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング装置、当該装置を用いて成形された成形品、及び、成形品の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空状の成形品を複合材料により成形する技術として、回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング法が従来から知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。このフィラメントワインディング法により成形される代表的な成形品として、例えば圧力タンク等を挙げることが出来る。
【０００３】
通常、タンクにはバルブが付随している。そのため、タンクの一部に凹状部を形成し、当該凹状部内にバルブを設置することにより、スペースの低減を図ることが出来る。
【０００４】
しかしながら、これまでのフィラメントワインディング法では、中空成形品に凸状部を一体成形する技術は知られているが（例えば、特許文献２参照）、凹状部を一体成形する技術は知られておらず、タンクの一部を凹状に形成することによりスペースの低減を図ることが出来ない。
【特許文献１】特開平１０−１２８８５８号公報
【特許文献２】特開平０４−３６４９２９号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、成形品に凹状部を一体成形することが可能なフィラメントワインディング装置、該装置を用いて成形された成形品、及び、成形品の成形方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、回転可能に支持されたマンドレルと、前記マンドレルに複合材料を供給可能な供給手段と、を備え、回転する前記マンドレルに前記供給手段から供給された前記複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング装置であって、成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の内側押圧部を有する内側押圧手段と、前記成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の外側押圧部を有する外側押圧手段と、をさらに備え、前記内側押圧手段は、前記マンドレルの外周面に形成された開口部を介して、前記第１の内側押圧部を外部に露出させるように、前記マンドレルの内部に設けられ、前記外側押圧手段は、前記第１の外側押圧部を前記第１の内側押圧部に対向させるように、前記マンドレルの外部に設けられているフィラメントワインディング装置、及び、当該装置を用いて成形された成形品が提供される。
【０００６】
また、上記目的を達成するために、本発明によれば、回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形する方法であって、前記マンドレルの外周面において凹状部を成形すべき位置を凸状に盛り上げた状態で、前記複合材料を巻き付ける巻付ステップと、前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料の凸状部を、前記マンドレルの径方向内側に向かって押圧して凹状に変形させる変形ステップと、を備えた成形品の成形方法が提供される。
【０００７】
本発明では、内側押圧手段の第１の内側押圧部によりマンドレルにおける凹状部の成形すべき位置を凸状に盛り上げた状態で複合材料を巻き付け、当該凸状部に外側押圧手段の第１の外側押圧部を当接させて第１の内側押圧部と第１の外側押圧部との間に複合材料を挟み込んだ状態で、第１の内側押圧部と第１の外側押圧部とをマンドレルの径方向内側に向かって同時に移動させて凸状部を凹状に変形させ、その後、第１の内側押圧部及び第１の外側押圧部を離反方向に移動させて複合材料を離型する。
【０００８】
このように、マンドレルの外周面において凹状部を形成すべき位置を予め凸状に盛り上げておき、このマンドレルに複合材料を巻き付けた後に、当該複合材料において凸状に形成された凸状部を凹状に反転させるように変形させる。これにより、複合材料により成形される成形品に凹状部を一体成形することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置の全体を示す概略斜視図、図２は本発明の実施形態におけるマンドレル及び各押圧装置の断面図、図３は図２のIII部の拡大図、図４は本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置のエア配管図、図５は本発明の実施形態におけるロック機構を示す断面図である。
【００１１】
本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置１は、マトリクス（母材）としての合成樹脂材料と強化繊維とから成る繊維強化複合材料（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastic）を用いて、例えば圧力タンクやプロペラシャフト等の円筒状或いは管状の成形品を成形するための装置である。
【００１２】
このフィラメントワインディング装置１は、図１に示すように、クリール８０から送り出された強化繊維を、樹脂槽９０に溜められた合成樹脂材料に含浸させた後に、回転するマンドレル１０にフィードアイ（不図示）を介して当該複合材料１００を巻き付けることにより、成形品を成形する。樹脂槽９０は図中Ａ矢印方向に移動可能になっており、また、マンドレル１０は架台７０に回転軸１１を中心として回転自在に支持され、ベルト３１を介して連結されたモータ３０により図中Ｂ方向に回転可能となっている。そして、樹脂槽９０の移動制御とマンドレル１０の回転制御とが、特に図示しない制御装置により同調されることにより、繊維強化複合材料１００から成る所定形状の成形品がマンドレル１０の外周面に形作られる。このようにマンドレル１０の外周面に巻き付けられた複合材料１００は、当該マンドレル１０と共に加熱炉等に投入されて合成樹脂材料が加熱・硬化され、その後、マンドレル１０が脱芯されることにより成形品として成形される。
【００１３】
繊維強化複合材料１００を構成するマトリクスとしては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂材料や、例えば、ナイロン、ポリカーボネート、及び、熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂材料等を挙げることが出来る。
【００１４】
また、繊維強化複合材料１００を構成する強化繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、及び、ポリエステル繊維等を挙げることが出来る。これらの中でも高剛性であるという観点から炭素繊維を強化材として用いたＣＦＲＰが特に好ましい。
【００１５】
なお、マンドレル１０に巻き付けられる複合材料１００としては、上記のような強化繊維を合成樹脂に含浸したロービング材の他に、強化繊維に合成樹脂材料を含浸させて成膜したシートを裁断して繊維状にしたプリプレグであっても良い。
【００１６】
本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１は、マンドレル１０の内部に設けられた内側押圧装置２０と、当該マンドレル１０の外部に設けられた外側押圧装置４０と、を備えており、成形品に凹状部１０１を一体成形することが可能となっている。
【００１７】
内側押圧装置２０は、図２に示すように、成形すべき凹状部１０１を凸状に反転した形状を持つ第１の内側押圧部材２１と、この第１の内側押圧部材２１をロッドの先端にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第１の内側エアシリンダ２２と、を備えている。マンドレル１０の外周面には、凹状部１０１を成形すべき位置に開口部１３が形成されている。この開口部１３は、第１の内側押圧部材２１が通過可能な大きさを有しており、内側押圧装置２０は、第１の内側押圧部材２１がこの開口部１３から露出するように、マンドレル１０内に設けられている。なお、第１の内側押圧部材２１の形状は、成形すべき凹状部１０１の形状に加えて、複合材料１００のスプリングバック量等を考慮に入れて設定されても良い。また、複合材料や合成樹脂材料等の性質に応じて、第１の内側押圧部材４１の接触面にローレット加工等の滑り止め加工を施しても良い。
【００１８】
第１の内側押圧部材２１は、第１の内側エアシリンダ２２の一方の端部（ロッド先端部）にボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられている。従って、凹状部１０１内に配置されるバルブや配管等の仕様に合わせて、第１の内側押圧部材２１を別形状の第１の内側押圧部材に適宜交換することにより、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００１９】
また、この内側押圧装置２０は、成形すべき凹状部１０１の外周を包囲するような形状を持つ第２の内側押圧部材２３と、この第２の内側押圧部材２３をロッドの先端にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第２の内側エアシリンダ２４と、を備えている。マンドレル１０の開口部１３は、第２の内側押圧部材２３が通過不可能な大きさを有しており、第２の内側エアシリンダ２４が伸長すると、第２の内側押圧部材２３の先端部が、開口部１３の周縁に当接可能となっている。
【００２０】
この第２の内側押圧部材２３は、凹状部１０１の外周を包囲するような断面を持つ筒状体であり、一方の端部が開放されているのに対し、他方の端部は底面により閉じられている。この第２の内側押圧部材２３の内孔には、その一方の端部側に第１の内側押圧部材２１が位置するように、第１の内側押圧部材２１及び第１の内側エアシリンダ２２が挿入されており、他方の端部に第１の内側エアシリンダ２２の他方の端部が固定されている。
【００２１】
さらに、第２の内側エアシリンダ２４の一方の端部（ロッド先端部）は、第２の内側押圧部材２３の他方の端部を閉じている底面に、ボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられており、その他方の端部は、マンドレル１０の内周面に固定されている。このように、第２の内側押圧部材２３を第２の内側エアシリンダ２４に着脱可能とすることにより、凹状部１０１内に配置するバルブや配管等の仕様に合わせて、第２の内側押圧部材２３を別形状の第２の内側押圧部材に適宜交換することが出来、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００２２】
さらに、内側押圧装置２０は、図２及び図３に示すように、第２の内側押圧部材２３の一方の端部の内面にエアバッグ２５が設けられている。このエアバッグ２５は、配管２６を介してエア供給装置５０（図４参照）から供給されるエアにより膨張可能となっている。そして、このエアバッグ２５は、膨張時には、後述する第１の外側押圧部４１の周縁に位置する傾斜面４１ａを押圧可能な形状を有し、また収縮時には、第１の内側押圧部材２１が第２の内側押圧部材２３の一方の端部を通過可能な程度の大きさとなることが可能となっている（図３の符号２５’参照）。このようなエアバッグ２５により、成形すべき凹状部１０１の周縁に位置する傾斜部や段差部を押圧することにより、当該凹状部１０１の形状を良好な精度で成形することが可能となっている。なお、複合材料や合成樹脂材料等の性質に応じて、このエアバッグ２５の表面にローレット加工等の滑り止め加工を施しても良い。
【００２３】
外側押圧装置４０は、図２に示すように、成形すべき凹状部１０１を凸状に反転した形状を持つ第１の外側押圧部材４１と、この第１の外側押圧部材４１をロッドの先端部にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第１の外側エアシリンダ４２と、を備えている。この外側押圧装置４０は、マンドレル１０の開口部１３から露出する第１の内側押圧部材２１に第１の外側押圧部材４１が対向するように、マンドレル１０の外部に設けられている。なお、第１の外側押圧部材４１の形状は、上述した第１の内側押圧部材２１と実質的に同一の形状であり、成形すべき凹状部１０１の形状に加えて、複合材料のスプリングバック量等を考慮に入れて設定されても良い。また、複合材料や合成樹脂材料等の性質に応じて、第１の外側押圧部材４１の接触面にローレット加工等の滑り止め加工を施しても良い。
【００２４】
第１の外側押圧部材４１は、第１の外側エアシリンダ４２の一方の端部（ロッド先端部）にボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられている。従って、凹状部１０１内に配置するバルブや配管等の仕様に合わせて、第１の外側押圧部材４１を別形状の第１の外側押圧部材に適宜交換することにより、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００２５】
また、この外側押圧装置４０は、成形すべき凹状部１０１の外周を包囲するような形状を持つ第２の外側押圧部材４３と、この第２の外側押圧部材４３をロッドの先端部にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第２の外側エアシリンダ４４と、を備えている。第２の外側押圧部材４３は、上述の第２の内側押圧部材２３と同様に、マンドレル１０の開口部１３を通過不可能な大きさを有しており、第２の外側エアシリンダ４４が伸長すると、第２の外側押圧部材４３の先端部が、開口部１３の周縁に当接することが可能となっている。
【００２６】
この第２の外側押圧部材４３は、凹状部１０１の外周を包囲するような断面を持つ筒状体であり、一方の端部が開放されているのに対し、他方の端部は閉じられている。この第２の外側押圧部材４３の内孔には、その一方の端部側に第１の外側押圧部材４１が位置するように、第１の外側押圧部材４１及び第１の外側エアシリンダ４２が挿入されており、他方の端部には、第１の外側エアシリンダ４２の他方の端部が固定されている。さらに、第２の外側エアシリンダ４４の一方の端部（ロッド先端部）は、第２の外側押圧部材４３の他方の端部を閉じている底面に、ボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられており、その他方の端部は、フレーム６０に固定されている。このように、第２の外側押圧部材４３を第２の外側エアシリンダ４４から着脱可能とすることにより、凹状部１０１内に配置するバルブや配管等の仕様に合わせて、第２の外側押圧部材４３を別形状の第２の外側押圧部材に適宜交換することが出来るので、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００２７】
以上のような構成の外側押圧装置４０の各エアシリンダ４２、４４には、図４に示すように、配管を介してエア供給装置５０よりエアが供給される。これに対し、内側押圧装置２０は、マンドレル１０と共に回転可能なように、配管に加えてロータリジョイント１２を介してエア供給装置５０に接続されている。
【００２８】
さらに、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１は、図１に示すように、外側押圧装置４０を支持するフレーム６０（支持手段）をさらに備えている。
【００２９】
このフレーム６０は、マンドレル１０の回転軸１１と同軸上に架台７０に回転可能に支持されている。また、モータ３０とマンドレル１０との間にはクラッチ３２が介在しており、クラッチ３２がオンの時には、モータ３０の駆動によりマンドレル１０と共にフレーム６０が同調回転し、クラッチ３２がオフの時には、モータ３０の駆動によりマンドレル１０のみが回転し、フレーム６０は回転しないようになっている。
【００３０】
また、架台７０とフレーム６０との間にはロック機構６５が介在している。このロック機構６５は、図５に示すように、フレーム６０に形成された開口６１に対して進退移動可能に架台７０側に設けられたロック部材６６を有している。そして、フレーム６０をマンドレル１０と同調回転させる場合には、ロック部材６６を開口６１に挿入せずにロック機構６５をオフとして、フレーム６０を架台７０に対して非拘束な状態とする。これに対し、同調回転させない場合には、ロック部材６６を開口６１に挿入してロック機構６５をオンとして、フレーム６０を架台７０に対して固定する。
【００３１】
なお、マンドレル１０とフレーム６０とが同調回転する際、マンドレル１０内に設けられた第１の内側押圧部材２１に対して、フレーム６０に支持された第１の外側押圧部材４１が常に対向している。
【００３２】
次に、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１を用いた成形品の成形方法について説明する。
【００３３】
図６Ａ〜図６Ｅは本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程を示す図、図７は本発明の実施形態における成形工程の乾燥ステップの他の例を示す図である。
【００３４】
先ず、図６Ａに示すように、内側押圧装置１０の第１の内側エアシリンダ２２を伸長させ、開口部１２を介して第１の内側押圧部材２１をマンドレル１０の外周面に凸状に突出させた状態で、樹脂槽９０の移動制御とマンドレル１０の回転制御とを同調させながら、複合材料１００をマンドレル１０の外周面に巻き付けて成形品の形状を形作る。
【００３５】
複合材料１００がマンドレル１０の外周面に巻き付けられたら、同図に示すように、先ず、外側押圧装置４０の第２の外側エアシリンダ４４が伸長し、図６Ｂに示すように、マンドレル１０に巻き付けられた複合材料１００に第２の外側押圧部材４３が当接して、第１の内側押圧部材２１により形成された凸状部１０２の周囲を第２の外側押圧部材４３が押圧する。
【００３６】
次いで、同図に示すように、外側押圧装置４０の第１の外側エアシリンダ４２が伸長して、第１の内側押圧部材２１により盛り上げられた凸状部１０２を、第１の外側押圧部材４１が外側から押圧して、第１の内側押圧部材２１と第１の外側部材４１との間に凸状部１０２を挟み込む。
【００３７】
このように、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に凸状部１０２を挟み込む前に、第２の外側押圧部材４３により押圧することにより、第２の外側押圧部材４３とマンドレル１０の開口部１３の周縁との間で変形させる複合材料１００を固定することが出来、凸状部１０２を凹状に変形させる際に縒れや皺等の発生が防止することが可能となっている。
【００３８】
次に、図６Ｃに示すように、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に凸状部１０２を挟み込んだ状態で、第１の内側エアシリンダ２２をマンドレル１０の径方向内側に向かって移動させると同時に、第１の外側エアシリンダ４２をマンドレル１０の径方向内側に向かって移動させる。このように、凸状部１０２を挟み込んだ状態で第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１とを同調して移動させることにより、マンドレル１０に巻き付けられた複合材料１００の凸状部１０２が、マンドレル１０の径方向内側に向かって押圧されて凹状に変形される。
【００３９】
第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１とが凹状部１０１を形成するのに最深部まで移動したら、同図に示すように、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に複合材料の凹状部１０１を挟み込んだ状態でエアバッグ２５を膨張させる。これにより、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に挟み込まれた凹状部１００の周縁に位置する傾斜面が、エアバッグ２５により第１の外側押圧部材４１に対して押圧されるので、成形すべき凹状部１０１を良好な精度で成形することが出来る。
【００４０】
次いで、複合材料を構成する合成樹脂材料が低粘度タイプや遅硬化タイプである場合には、図６に示すように、ロック機構６５をオフにすると共にクラッチ３２をオンとして、マンドレル１０とフレーム６０とを同調回転させ、この状態で複合材料をフィラメントワインディング装置１ごと加熱炉Ｈに投入する。
【００４１】
ここで、低粘度タイプや遅硬化タイプの合成樹脂材料で構成される複合材料の場合、マンドレル１０に巻き付けた後にも当該合成樹脂材料が流動し、成形品内に合成樹脂材料の偏り（樹脂リッチ層）が発生する場合がある。これに対し、本実施形態では、加熱炉Ｈで複合材料を硬化させている間も、マンドレル１０とフレーム６０とを同調回転させることにより、合成樹脂材料の硬化中にも複合材料１００が回転しているので、成形品に樹脂リッチ層が形成され難くなる。
【００４２】
なお、複合材料１００を構成する合成樹脂材料が高粘度タイプや速硬化タイプである場合には、合成樹脂材料の硬化中に複合材料１００を回転させる必要はないので、図７に示すように、フィラメントワインディング装置１からマンドレル１０のみを取り外し、当該マンドレル１０をマンドレル台車Ｄに載置した状態で加熱炉Ｈに投入しても良い。
【００４３】
マンドレル１０の外周面に巻き付けられた複合材料１００が硬化したら、加熱炉Ｈからフィラメントワインディング装置１を取り出し、図６Ｅに示すように、内側押圧装置２０のエアバッグ２５を収縮させ、第１の内側エアシリンダ２２を縮ませて第１の内側押圧部材２１を凹状部１０１から離遠させると共に、第２の内側エアシリンダ２４を縮ませて第２の内側押圧部材２３をマンドレル１０の開口部１３の周縁から離遠させる。
【００４４】
同様に、外側押圧装置４０の第１の外側エアシリンダ４２を縮ませて第１の外側押圧部材４１を凹状部１０１から離遠させると共に、第２の外側エアシリンダ４４を縮ませて第２の外側押圧部材４３をマンドレル１０の開口部１３の周縁から離遠させる。
【００４５】
第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１とを離反方向に移動させて複合材料１００の凹状部１０１を離型したら、複合材料１００からマンドレル１０を脱芯して成形品の成形が完了する。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置及びそれを用いた成形品の成形方法では、マンドレル１０の外周面において凹状部１０１を成形すべき位置を内側押圧装置２０により予め凸状に盛り上げておき、このマンドレル１０に複合材料１００を巻き付けた後に、当該複合材料１００に形成された凸状部１０２を凹状に反転させるように変形させることにより、複合材料１００から構成される成形品に凹状部１０１を一体成形することが出来る。
【００４７】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４８】
例えば、マンドレル１０に複数の開口部１３を形成し、その内部に複数の内側押圧装置２０を配置すると共に、各内側押圧装置２０にそれぞれ対向するようにマンドレル１０の外部に外側押圧装置４０を複数個設けても良く、これにより、筒状或いは管状の成形品に２以上の凹状部１０１を一体成形することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置の全体を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態におけるマンドレル及び各押圧装置の概略断面図である。
【図３】図３は、図２のIII部の拡大図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置のエア配管図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態におけるロック機構を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の巻付ステップを示す概略断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の挟込ステップを示す概略断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の変形ステップを示す概略断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の乾燥ステップを示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の開放ステップを示す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態における成形工程の乾燥ステップの他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…フィラメントワインディング装置
１０…マンドレル
１１…回転軸
１２…ロータリジョイント
１３…開口部
２０…内側押圧装置
２１…第１の内側押圧部材
２２…第１の内側エアシリンダ
２３…第２の内側押圧部材
２４…第２の内側エアシリンダ
２５…エアバッグ
２６…配管
３０…モータ
３１…ベルト
３２…クラッチ
３３…支持部材
４０…外側押圧装置
４１…第１の外側押圧部材
４１ａ…傾斜面
４２…第１の外側エアシリンダ
４３…第２の外側押圧部材
４４…第２の外側エアシリンダ
５０…エア供給装置
６０…フレーム
６１…開口
６５…ロック機構
６６…ロック部材
７０…架台
８０…クリール
９０…樹脂槽
１００…複合材料
１０１…凹状部
１０２…凸状部
Ｈ…加熱炉
Ｄ…マンドレル台車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング装置、当該装置を用いて成形された成形品、及び、成形品の成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空状の成形品を複合材料により成形する技術として、回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング法が従来から知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。このフィラメントワインディング法により成形される代表的な成形品として、例えば圧力タンク等を挙げることが出来る。
【０００３】
通常、タンクにはバルブが付随している。そのため、タンクの一部に凹状部を形成し、当該凹状部内にバルブを設置することにより、スペースの低減を図ることが出来る。
【０００４】
しかしながら、これまでのフィラメントワインディング法では、中空成形品に凸状部を一体成形する技術は知られているが（例えば、特許文献２参照）、凹状部を一体成形する技術は知られておらず、タンクの一部を凹状に形成することによりスペースの低減を図ることが出来ない。
【特許文献１】特開平１０−１２８８５８号公報
【特許文献２】特開平０４−３６４９２９号公報
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、成形品に凹状部を一体成形することが可能なフィラメントワインディング装置、該装置を用いて成形された成形品、及び、成形品の成形方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、回転可能に支持されたマンドレルと、前記マンドレルに複合材料を供給可能な供給手段と、を備え、回転する前記マンドレルに前記供給手段から供給された前記複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング装置であって、成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の内側押圧部を有する内側押圧手段と、前記成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の外側押圧部を有する外側押圧手段と、をさらに備え、前記内側押圧手段は、前記マンドレルの外周面に形成された開口部を介して、前記第１の内側押圧部を外部に露出させるように、前記マンドレルの内部に設けられ、前記外側押圧手段は、前記第１の外側押圧部を前記第１の内側押圧部に対向させるように、前記マンドレルの外部に設けられているフィラメントワインディング装置、及び、当該装置を用いて成形された成形品が提供される。
【０００６】
また、上記目的を達成するために、本発明によれば、回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形する方法であって、前記マンドレルの外周面において凹状部を成形すべき位置を凸状に盛り上げた状態で、前記複合材料を巻き付ける巻付ステップと、前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料の凸状部を、前記マンドレルの径方向内側に向かって押圧して凹状に変形させる変形ステップと、を備えた成形品の成形方法が提供される。
【０００７】
本発明では、内側押圧手段の第１の内側押圧部によりマンドレルにおける凹状部の成形すべき位置を凸状に盛り上げた状態で複合材料を巻き付け、当該凸状部に外側押圧手段の第１の外側押圧部を当接させて第１の内側押圧部と第１の外側押圧部との間に複合材料を挟み込んだ状態で、第１の内側押圧部と第１の外側押圧部とをマンドレルの径方向内側に向かって同時に移動させて凸状部を凹状に変形させ、その後、第１の内側押圧部及び第１の外側押圧部を離反方向に移動させて複合材料を離型する。
【０００８】
このように、マンドレルの外周面において凹状部を形成すべき位置を予め凸状に盛り上げておき、このマンドレルに複合材料を巻き付けた後に、当該複合材料において凸状に形成された凸状部を凹状に反転させるように変形させる。これにより、複合材料により成形される成形品に凹状部を一体成形することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置の全体を示す概略斜視図、図２は本発明の実施形態におけるマンドレル及び各押圧装置の断面図、図３は図２のIII部の拡大図、図４は本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置のエア配管図、図５は本発明の実施形態におけるロック機構を示す断面図である。
【００１１】
本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置１は、マトリクス（母材）としての合成樹脂材料と強化繊維とから成る繊維強化複合材料（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastic）を用いて、例えば圧力タンクやプロペラシャフト等の円筒状或いは管状の成形品を成形するための装置である。
【００１２】
このフィラメントワインディング装置１は、図１に示すように、クリール８０から送り出された強化繊維を、樹脂槽９０に溜められた合成樹脂材料に含浸させた後に、回転するマンドレル１０にフィードアイ（不図示）を介して当該複合材料１００を巻き付けることにより、成形品を成形する。樹脂槽９０は図中Ａ矢印方向に移動可能になっており、また、マンドレル１０は架台７０に回転軸１１を中心として回転自在に支持され、ベルト３１を介して連結されたモータ３０により図中Ｂ方向に回転可能となっている。そして、樹脂槽９０の移動制御とマンドレル１０の回転制御とが、特に図示しない制御装置により同調されることにより、繊維強化複合材料１００から成る所定形状の成形品がマンドレル１０の外周面に形作られる。このようにマンドレル１０の外周面に巻き付けられた複合材料１００は、当該マンドレル１０と共に加熱炉等に投入されて合成樹脂材料が加熱・硬化され、その後、マンドレル１０が脱芯されることにより成形品として成形される。
【００１３】
繊維強化複合材料１００を構成するマトリクスとしては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂材料や、例えば、ナイロン、ポリカーボネート、及び、熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂材料等を挙げることが出来る。
【００１４】
また、繊維強化複合材料１００を構成する強化繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、及び、ポリエステル繊維等を挙げることが出来る。これらの中でも高剛性であるという観点から炭素繊維を強化材として用いたＣＦＲＰが特に好ましい。
【００１５】
なお、マンドレル１０に巻き付けられる複合材料１００としては、上記のような強化繊維を合成樹脂に含浸したロービング材の他に、強化繊維に合成樹脂材料を含浸させて成膜したシートを裁断して繊維状にしたプリプレグであっても良い。
【００１６】
本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１は、マンドレル１０の内部に設けられた内側押圧装置２０と、当該マンドレル１０の外部に設けられた外側押圧装置４０と、を備えており、成形品に凹状部１０１を一体成形することが可能となっている。
【００１７】
内側押圧装置２０は、図２に示すように、成形すべき凹状部１０１を凸状に反転した形状を持つ第１の内側押圧部材２１と、この第１の内側押圧部材２１をロッドの先端にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第１の内側エアシリンダ２２と、を備えている。マンドレル１０の外周面には、凹状部１０１を成形すべき位置に開口部１３が形成されている。この開口部１３は、第１の内側押圧部材２１が通過可能な大きさを有しており、内側押圧装置２０は、第１の内側押圧部材２１がこの開口部１３から露出するように、マンドレル１０内に設けられている。なお、第１の内側押圧部材２１の形状は、成形すべき凹状部１０１の形状に加えて、複合材料１００のスプリングバック量等を考慮に入れて設定されても良い。また、複合材料や合成樹脂材料等の性質に応じて、第１の内側押圧部材４１の接触面にローレット加工等の滑り止め加工を施しても良い。
【００１８】
第１の内側押圧部材２１は、第１の内側エアシリンダ２２の一方の端部（ロッド先端部）にボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられている。従って、凹状部１０１内に配置されるバルブや配管等の仕様に合わせて、第１の内側押圧部材２１を別形状の第１の内側押圧部材に適宜交換することにより、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００１９】
また、この内側押圧装置２０は、成形すべき凹状部１０１の外周を包囲するような形状を持つ第２の内側押圧部材２３と、この第２の内側押圧部材２３をロッドの先端にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第２の内側エアシリンダ２４と、を備えている。マンドレル１０の開口部１３は、第２の内側押圧部材２３が通過不可能な大きさを有しており、第２の内側エアシリンダ２４が伸長すると、第２の内側押圧部材２３の先端部が、開口部１３の周縁に当接可能となっている。
【００２０】
この第２の内側押圧部材２３は、凹状部１０１の外周を包囲するような断面を持つ筒状体であり、一方の端部が開放されているのに対し、他方の端部は底面により閉じられている。この第２の内側押圧部材２３の内孔には、その一方の端部側に第１の内側押圧部材２１が位置するように、第１の内側押圧部材２１及び第１の内側エアシリンダ２２が挿入されており、他方の端部に第１の内側エアシリンダ２２の他方の端部が固定されている。
【００２１】
さらに、第２の内側エアシリンダ２４の一方の端部（ロッド先端部）は、第２の内側押圧部材２３の他方の端部を閉じている底面に、ボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられており、その他方の端部は、マンドレル１０の内周面に固定されている。このように、第２の内側押圧部材２３を第２の内側エアシリンダ２４に着脱可能とすることにより、凹状部１０１内に配置するバルブや配管等の仕様に合わせて、第２の内側押圧部材２３を別形状の第２の内側押圧部材に適宜交換することが出来、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００２２】
さらに、内側押圧装置２０は、図２及び図３に示すように、第２の内側押圧部材２３の一方の端部の内面にエアバッグ２５が設けられている。このエアバッグ２５は、配管２６を介してエア供給装置５０（図４参照）から供給されるエアにより膨張可能となっている。そして、このエアバッグ２５は、膨張時には、後述する第１の外側押圧部４１の周縁に位置する傾斜面４１ａを押圧可能な形状を有し、また収縮時には、第１の内側押圧部材２１が第２の内側押圧部材２３の一方の端部を通過可能な程度の大きさとなることが可能となっている（図３の符号２５’参照）。このようなエアバッグ２５により、成形すべき凹状部１０１の周縁に位置する傾斜部や段差部を押圧することにより、当該凹状部１０１の形状を良好な精度で成形することが可能となっている。なお、複合材料や合成樹脂材料等の性質に応じて、このエアバッグ２５の表面にローレット加工等の滑り止め加工を施しても良い。
【００２３】
外側押圧装置４０は、図２に示すように、成形すべき凹状部１０１を凸状に反転した形状を持つ第１の外側押圧部材４１と、この第１の外側押圧部材４１をロッドの先端部にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第１の外側エアシリンダ４２と、を備えている。この外側押圧装置４０は、マンドレル１０の開口部１３から露出する第１の内側押圧部材２１に第１の外側押圧部材４１が対向するように、マンドレル１０の外部に設けられている。なお、第１の外側押圧部材４１の形状は、上述した第１の内側押圧部材２１と実質的に同一の形状であり、成形すべき凹状部１０１の形状に加えて、複合材料のスプリングバック量等を考慮に入れて設定されても良い。また、複合材料や合成樹脂材料等の性質に応じて、第１の外側押圧部材４１の接触面にローレット加工等の滑り止め加工を施しても良い。
【００２４】
第１の外側押圧部材４１は、第１の外側エアシリンダ４２の一方の端部（ロッド先端部）にボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられている。従って、凹状部１０１内に配置するバルブや配管等の仕様に合わせて、第１の外側押圧部材４１を別形状の第１の外側押圧部材に適宜交換することにより、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００２５】
また、この外側押圧装置４０は、成形すべき凹状部１０１の外周を包囲するような形状を持つ第２の外側押圧部材４３と、この第２の外側押圧部材４３をロッドの先端部にマンドレル１０の径方向に沿って移動可能に支持している第２の外側エアシリンダ４４と、を備えている。第２の外側押圧部材４３は、上述の第２の内側押圧部材２３と同様に、マンドレル１０の開口部１３を通過不可能な大きさを有しており、第２の外側エアシリンダ４４が伸長すると、第２の外側押圧部材４３の先端部が、開口部１３の周縁に当接することが可能となっている。
【００２６】
この第２の外側押圧部材４３は、凹状部１０１の外周を包囲するような断面を持つ筒状体であり、一方の端部が開放されているのに対し、他方の端部は閉じられている。この第２の外側押圧部材４３の内孔には、その一方の端部側に第１の外側押圧部材４１が位置するように、第１の外側押圧部材４１及び第１の外側エアシリンダ４２が挿入されており、他方の端部には、第１の外側エアシリンダ４２の他方の端部が固定されている。さらに、第２の外側エアシリンダ４４の一方の端部（ロッド先端部）は、第２の外側押圧部材４３の他方の端部を閉じている底面に、ボルト締結等の手法により着脱可能に取り付けられており、その他方の端部は、フレーム６０に固定されている。このように、第２の外側押圧部材４３を第２の外側エアシリンダ４４から着脱可能とすることにより、凹状部１０１内に配置するバルブや配管等の仕様に合わせて、第２の外側押圧部材４３を別形状の第２の外側押圧部材に適宜交換することが出来るので、１台のフィラメントワインディング装置１により多様な形状の凹状部に容易に対応することが可能となっている。
【００２７】
以上のような構成の外側押圧装置４０の各エアシリンダ４２、４４には、図４に示すように、配管を介してエア供給装置５０よりエアが供給される。これに対し、内側押圧装置２０は、マンドレル１０と共に回転可能なように、配管に加えてロータリジョイント１２を介してエア供給装置５０に接続されている。
【００２８】
さらに、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１は、図１に示すように、外側押圧装置４０を支持するフレーム６０（支持手段）をさらに備えている。
【００２９】
このフレーム６０は、マンドレル１０の回転軸１１と同軸上に架台７０に回転可能に支持されている。また、モータ３０とマンドレル１０との間にはクラッチ３２が介在しており、クラッチ３２がオンの時には、モータ３０の駆動によりマンドレル１０と共にフレーム６０が同調回転し、クラッチ３２がオフの時には、モータ３０の駆動によりマンドレル１０のみが回転し、フレーム６０は回転しないようになっている。
【００３０】
また、架台７０とフレーム６０との間にはロック機構６５が介在している。このロック機構６５は、図５に示すように、フレーム６０に形成された開口６１に対して進退移動可能に架台７０側に設けられたロック部材６６を有している。そして、フレーム６０をマンドレル１０と同調回転させる場合には、ロック部材６６を開口６１に挿入せずにロック機構６５をオフとして、フレーム６０を架台７０に対して非拘束な状態とする。これに対し、同調回転させない場合には、ロック部材６６を開口６１に挿入してロック機構６５をオンとして、フレーム６０を架台７０に対して固定する。
【００３１】
なお、マンドレル１０とフレーム６０とが同調回転する際、マンドレル１０内に設けられた第１の内側押圧部材２１に対して、フレーム６０に支持された第１の外側押圧部材４１が常に対向している。
【００３２】
次に、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置１を用いた成形品の成形方法について説明する。
【００３３】
図６Ａ〜図６Ｅは本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程を示す図、図７は本発明の実施形態における成形工程の乾燥ステップの他の例を示す図である。
【００３４】
先ず、図６Ａに示すように、内側押圧装置１０の第１の内側エアシリンダ２２を伸長させ、開口部１２を介して第１の内側押圧部材２１をマンドレル１０の外周面に凸状に突出させた状態で、樹脂槽９０の移動制御とマンドレル１０の回転制御とを同調させながら、複合材料１００をマンドレル１０の外周面に巻き付けて成形品の形状を形作る。
【００３５】
複合材料１００がマンドレル１０の外周面に巻き付けられたら、同図に示すように、先ず、外側押圧装置４０の第２の外側エアシリンダ４４が伸長し、図６Ｂに示すように、マンドレル１０に巻き付けられた複合材料１００に第２の外側押圧部材４３が当接して、第１の内側押圧部材２１により形成された凸状部１０２の周囲を第２の外側押圧部材４３が押圧する。
【００３６】
次いで、同図に示すように、外側押圧装置４０の第１の外側エアシリンダ４２が伸長して、第１の内側押圧部材２１により盛り上げられた凸状部１０２を、第１の外側押圧部材４１が外側から押圧して、第１の内側押圧部材２１と第１の外側部材４１との間に凸状部１０２を挟み込む。
【００３７】
このように、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に凸状部１０２を挟み込む前に、第２の外側押圧部材４３により押圧することにより、第２の外側押圧部材４３とマンドレル１０の開口部１３の周縁との間で変形させる複合材料１００を固定することが出来、凸状部１０２を凹状に変形させる際に縒れや皺等の発生が防止することが可能となっている。
【００３８】
次に、図６Ｃに示すように、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に凸状部１０２を挟み込んだ状態で、第１の内側エアシリンダ２２をマンドレル１０の径方向内側に向かって移動させると同時に、第１の外側エアシリンダ４２をマンドレル１０の径方向内側に向かって移動させる。このように、凸状部１０２を挟み込んだ状態で第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１とを同調して移動させることにより、マンドレル１０に巻き付けられた複合材料１００の凸状部１０２が、マンドレル１０の径方向内側に向かって押圧されて凹状に変形される。
【００３９】
第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１とが凹状部１０１を形成するのに最深部まで移動したら、同図に示すように、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に複合材料の凹状部１０１を挟み込んだ状態でエアバッグ２５を膨張させる。これにより、第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１との間に挟み込まれた凹状部１００の周縁に位置する傾斜面が、エアバッグ２５により第１の外側押圧部材４１に対して押圧されるので、成形すべき凹状部１０１を良好な精度で成形することが出来る。
【００４０】
次いで、複合材料を構成する合成樹脂材料が低粘度タイプや遅硬化タイプである場合には、図６に示すように、ロック機構６５をオフにすると共にクラッチ３２をオンとして、マンドレル１０とフレーム６０とを同調回転させ、この状態で複合材料をフィラメントワインディング装置１ごと加熱炉Ｈに投入する。
【００４１】
ここで、低粘度タイプや遅硬化タイプの合成樹脂材料で構成される複合材料の場合、マンドレル１０に巻き付けた後にも当該合成樹脂材料が流動し、成形品内に合成樹脂材料の偏り（樹脂リッチ層）が発生する場合がある。これに対し、本実施形態では、加熱炉Ｈで複合材料を硬化させている間も、マンドレル１０とフレーム６０とを同調回転させることにより、合成樹脂材料の硬化中にも複合材料１００が回転しているので、成形品に樹脂リッチ層が形成され難くなる。
【００４２】
なお、複合材料１００を構成する合成樹脂材料が高粘度タイプや速硬化タイプである場合には、合成樹脂材料の硬化中に複合材料１００を回転させる必要はないので、図７に示すように、フィラメントワインディング装置１からマンドレル１０のみを取り外し、当該マンドレル１０をマンドレル台車Ｄに載置した状態で加熱炉Ｈに投入しても良い。
【００４３】
マンドレル１０の外周面に巻き付けられた複合材料１００が硬化したら、加熱炉Ｈからフィラメントワインディング装置１を取り出し、図６Ｅに示すように、内側押圧装置２０のエアバッグ２５を収縮させ、第１の内側エアシリンダ２２を縮ませて第１の内側押圧部材２１を凹状部１０１から離遠させると共に、第２の内側エアシリンダ２４を縮ませて第２の内側押圧部材２３をマンドレル１０の開口部１３の周縁から離遠させる。
【００４４】
同様に、外側押圧装置４０の第１の外側エアシリンダ４２を縮ませて第１の外側押圧部材４１を凹状部１０１から離遠させると共に、第２の外側エアシリンダ４４を縮ませて第２の外側押圧部材４３をマンドレル１０の開口部１３の周縁から離遠させる。
【００４５】
第１の内側押圧部材２１と第１の外側押圧部材４１とを離反方向に移動させて複合材料１００の凹状部１０１を離型したら、複合材料１００からマンドレル１０を脱芯して成形品の成形が完了する。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係るフィラメントワインディング装置及びそれを用いた成形品の成形方法では、マンドレル１０の外周面において凹状部１０１を成形すべき位置を内側押圧装置２０により予め凸状に盛り上げておき、このマンドレル１０に複合材料１００を巻き付けた後に、当該複合材料１００に形成された凸状部１０２を凹状に反転させるように変形させることにより、複合材料１００から構成される成形品に凹状部１０１を一体成形することが出来る。
【００４７】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４８】
例えば、マンドレル１０に複数の開口部１３を形成し、その内部に複数の内側押圧装置２０を配置すると共に、各内側押圧装置２０にそれぞれ対向するようにマンドレル１０の外部に外側押圧装置４０を複数個設けても良く、これにより、筒状或いは管状の成形品に２以上の凹状部１０１を一体成形することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置の全体を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態におけるマンドレル及び各押圧装置の概略断面図である。
【図３】図３は、図２のIII部の拡大図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置のエア配管図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態におけるロック機構を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の巻付ステップを示す概略断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の挟込ステップを示す概略断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の変形ステップを示す概略断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の乾燥ステップを示す図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明の実施形態に係るフィラメントワインディング装置による成形工程の開放ステップを示す概略断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態における成形工程の乾燥ステップの他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…フィラメントワインディング装置
１０…マンドレル
１１…回転軸
１２…ロータリジョイント
１３…開口部
２０…内側押圧装置
２１…第１の内側押圧部材
２２…第１の内側エアシリンダ
２３…第２の内側押圧部材
２４…第２の内側エアシリンダ
２５…エアバッグ
２６…配管
３０…モータ
３１…ベルト
３２…クラッチ
３３…支持部材
４０…外側押圧装置
４１…第１の外側押圧部材
４１ａ…傾斜面
４２…第１の外側エアシリンダ
４３…第２の外側押圧部材
４４…第２の外側エアシリンダ
５０…エア供給装置
６０…フレーム
６１…開口
６５…ロック機構
６６…ロック部材
７０…架台
８０…クリール
９０…樹脂槽
１００…複合材料
１０１…凹状部
１０２…凸状部
Ｈ…加熱炉
Ｄ…マンドレル台車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に支持されたマンドレルと、
前記マンドレルに複合材料を供給可能な供給手段と、を備え、
回転する前記マンドレルに前記供給手段から供給された前記複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング装置であって、
成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の内側押圧部を有する内側押圧手段と、
前記成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の外側押圧部を有する外側押圧手段と、をさらに備え、
前記内側押圧手段は、前記マンドレルの外周面に形成された開口部を介して、前記第１の内側押圧部を外部に露出させるように、前記マンドレルの内部に設けられ、
前記外側押圧手段は、前記第１の外側押圧部を前記第１の内側押圧部に対向させるように、前記マンドレルの外部に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】
前記第１の内側押圧部及び前記第１の外側押圧部は、前記成形すべき凹状部を凸状に反転させた形状をそれぞれ持つ請求項１記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項３】
前記外側押圧手段は、前記成形すべき凹状部の外周を包囲するような形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第２の外側押圧部をさらに有する請求項１又は２記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項４】
前記内側押圧手段は、前記第１の外側押圧部の周縁を押圧可能な周縁押圧部をさらに有する請求項１〜３の何れかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項５】
前記周縁押圧部は、膨張することにより前記第１の外側押圧部の周縁を押圧する請求項４記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項６】
前記内側押圧手段は、前記第１の内側押圧部を前記マンドレルの径方向に沿って移動可能に支持する第１の内側支持部をさらに有し、
前記外側押圧手段は、前記第１の外側押圧部を前記マンドレルの径方向に沿って移動可能に支持する第１の外側支持部をさらに有しており、
前記第１の内側押圧部は、前記第１の内側支持部から着脱可能であり、
前記第１の外側押圧部は、前記第１の外側支持部から着脱可能である請求項１〜５の何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】
前記外側押圧手段は、前記第２の外側押圧部を前記マンドレルの径方向に沿って移動可能に支持する第２の外側支持部をさらに有し、
前記第２の外側押圧部は、前記第２の外側支持部から着脱可能である請求項３〜６の何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】
前記外側押圧手段を支持する支持手段をさらに備え、
前記支持手段は、前記マンドレルと同調して回転可能である請求項１〜７の何れかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載のフィラメントワインディング装置を用いて成形された成形品。
【請求項１０】
回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形する方法であって、
前記マンドレルの外周面において凹状部を成形すべき位置を凸状に盛り上げた状態で、前記複合材料を巻き付ける巻付ステップと、
前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料の凸状部を、前記マンドレルの径方向内側に向かって押圧して凹状に変形させる変形ステップと、を備えた成形品の成形方法。
【請求項１１】
回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形する方法であって、
成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持つ第１の内側押圧部を、前記マンドレルの外周面に形成された開口部から突出させた状態で、前記マンドレルに前記複合材料を巻き付ける巻付ステップと、
前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料に、前記成形すべき凹状部に対応した形状を持つ第１の外側押圧部を当接させて、前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部との間に前記複合材料を挟み込む挟込ステップと、
前記複合材料を挟み込んだ状態で、前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部とを前記マンドレルの径方向内側に向かって同調して移動させて、前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料の凸状部を前記マンドレルの径方向内側に向かって押圧して凹状に変形させる変形ステップと、
前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部とを離反方向に移動させて前記複合材料を離型する離型ステップと、を備えた成形品の成形方法。
【請求項１２】
前記第１の内側押圧部及び前記第１の外側押圧部は、前記成形すべき凹状部を凸状に反転させた形状をそれぞれ持つ請求項１１記載の成形品の成形方法。
【請求項１３】
前記挟込ステップにおいて、前記成形すべき凹状部の外周を包囲するような形状を持つ第２の外側押圧部を、前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料に当接させた後に、当該複合材料に前記第１の外側押圧部を当接させる請求項１１又は１２記載の成形品の成形方法。
【請求項１４】
前記変形ステップにおいて、前記複合材料を挟み込んだ状態で、前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部とを前記マンドレルの径方向内側に向かって移動させた後に、前記第１の外側押圧部の周縁を押圧する請求項１１〜１３の何れかに記載の成形品の成形方法。
【請求項１５】
前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部との間に前記複合材料を挟み込んだ状態で、前記マンドレルを回転させながら前記複合材料の乾燥を行う乾燥ステップをさらに備えた請求項１１〜１４の何れかに記載の成形品の成形方法。
【請求項１】
回転可能に支持されたマンドレルと、
前記マンドレルに複合材料を供給可能な供給手段と、を備え、
回転する前記マンドレルに前記供給手段から供給された前記複合材料を巻き付けて成形品を成形するフィラメントワインディング装置であって、
成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の内側押圧部を有する内側押圧手段と、
前記成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第１の外側押圧部を有する外側押圧手段と、をさらに備え、
前記内側押圧手段は、前記マンドレルの外周面に形成された開口部を介して、前記第１の内側押圧部を外部に露出させるように、前記マンドレルの内部に設けられ、
前記外側押圧手段は、前記第１の外側押圧部を前記第１の内側押圧部に対向させるように、前記マンドレルの外部に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】
前記第１の内側押圧部及び前記第１の外側押圧部は、前記成形すべき凹状部を凸状に反転させた形状をそれぞれ持つ請求項１記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項３】
前記外側押圧手段は、前記成形すべき凹状部の外周を包囲するような形状を持ち、前記マンドレルの径方向に沿って移動可能な第２の外側押圧部をさらに有する請求項１又は２記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項４】
前記内側押圧手段は、前記第１の外側押圧部の周縁を押圧可能な周縁押圧部をさらに有する請求項１〜３の何れかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項５】
前記周縁押圧部は、膨張することにより前記第１の外側押圧部の周縁を押圧する請求項４記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項６】
前記内側押圧手段は、前記第１の内側押圧部を前記マンドレルの径方向に沿って移動可能に支持する第１の内側支持部をさらに有し、
前記外側押圧手段は、前記第１の外側押圧部を前記マンドレルの径方向に沿って移動可能に支持する第１の外側支持部をさらに有しており、
前記第１の内側押圧部は、前記第１の内側支持部から着脱可能であり、
前記第１の外側押圧部は、前記第１の外側支持部から着脱可能である請求項１〜５の何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】
前記外側押圧手段は、前記第２の外側押圧部を前記マンドレルの径方向に沿って移動可能に支持する第２の外側支持部をさらに有し、
前記第２の外側押圧部は、前記第２の外側支持部から着脱可能である請求項３〜６の何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】
前記外側押圧手段を支持する支持手段をさらに備え、
前記支持手段は、前記マンドレルと同調して回転可能である請求項１〜７の何れかに記載のフィラメントワインディング装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載のフィラメントワインディング装置を用いて成形された成形品。
【請求項１０】
回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形する方法であって、
前記マンドレルの外周面において凹状部を成形すべき位置を凸状に盛り上げた状態で、前記複合材料を巻き付ける巻付ステップと、
前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料の凸状部を、前記マンドレルの径方向内側に向かって押圧して凹状に変形させる変形ステップと、を備えた成形品の成形方法。
【請求項１１】
回転するマンドレルに複合材料を巻き付けて成形品を成形する方法であって、
成形すべき凹状部の形状に対応した形状を持つ第１の内側押圧部を、前記マンドレルの外周面に形成された開口部から突出させた状態で、前記マンドレルに前記複合材料を巻き付ける巻付ステップと、
前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料に、前記成形すべき凹状部に対応した形状を持つ第１の外側押圧部を当接させて、前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部との間に前記複合材料を挟み込む挟込ステップと、
前記複合材料を挟み込んだ状態で、前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部とを前記マンドレルの径方向内側に向かって同調して移動させて、前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料の凸状部を前記マンドレルの径方向内側に向かって押圧して凹状に変形させる変形ステップと、
前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部とを離反方向に移動させて前記複合材料を離型する離型ステップと、を備えた成形品の成形方法。
【請求項１２】
前記第１の内側押圧部及び前記第１の外側押圧部は、前記成形すべき凹状部を凸状に反転させた形状をそれぞれ持つ請求項１１記載の成形品の成形方法。
【請求項１３】
前記挟込ステップにおいて、前記成形すべき凹状部の外周を包囲するような形状を持つ第２の外側押圧部を、前記マンドレルに巻き付けられた前記複合材料に当接させた後に、当該複合材料に前記第１の外側押圧部を当接させる請求項１１又は１２記載の成形品の成形方法。
【請求項１４】
前記変形ステップにおいて、前記複合材料を挟み込んだ状態で、前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部とを前記マンドレルの径方向内側に向かって移動させた後に、前記第１の外側押圧部の周縁を押圧する請求項１１〜１３の何れかに記載の成形品の成形方法。
【請求項１５】
前記第１の内側押圧部と前記第１の外側押圧部との間に前記複合材料を挟み込んだ状態で、前記マンドレルを回転させながら前記複合材料の乾燥を行う乾燥ステップをさらに備えた請求項１１〜１４の何れかに記載の成形品の成形方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２６４２８０（Ｐ２００６−２６４２８０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８９８１４（Ｐ２００５−８９８１４）
【出願日】平成１７年３月２５日（２００５．３．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２５日（２００５．３．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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