JP3136433B2

JP3136433B2 - フィラメントワインディング成形法及び装置

Info

Publication number: JP3136433B2
Application number: JP06215825A
Authority: JP
Inventors: 光司西尾; 賢一郎井頭; 順三藤岡; 幸夫小林
Original assignee: 株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 2001-02-19
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH0872156A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＦＲＣ，ＦＲＰ，ＦＲ
Ｍ，Ｃ／Ｃ等の繊維強化複合材料の繊維プリフォームの
成形に適用されるもので、例えばガスタービン用耐熱複
合材燃焼器ライナの成形における、セラミック繊維、ガ
ラス繊維、炭素繊維等の過度の張力や、捻りにより特性
劣化が生じやすい強化繊維プリフォームの成形に好適な
フィラメントワインディング成形法及びその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】フィラメントワインディングによる、繊
維強化複合材料の繊維プリフォームの成形は、繊維巻出
し部から巻取り部まで、張力を一定に保持して成形が行
われている。この張力制御による成形では、成形時に生
じる繊維のたるみを防止し、巻取り繊維の型くずれを防
止している。また、繊維にポリマー等を付着させて巻取
る必要がある場合は、ポリマー付着前に、低張力状態で
繊維束から１本々の繊維に開く開繊処理を行う必要があ
るが、この時には、開繊処理前後の繊維をピンチローラ
等により拘束することによって、この間の張力制御を行
うようにしている。

【０００３】また、繊維の巻き取りは、図５に示すよう
に、回転する巻取り型０１と平行に往復動する繊維送り
出し口０２から送り出された繊維０３を、所定位置に保
持され回転する巻取り型０１に巻き取ることによって行
っている。すなわち、巻取り型０１は、モータ０７の出
力軸に設けたプーリからドライブチェーン０８で駆動さ
れる軸０１２によって、軸方向には所定の位置が保持さ
れて回転する。また、モータ０７の出力軸端に設けたヘ
リカルギヤ０９、およびこれと連結した伝達機構で４個
のローラのまわりを周回するチェーン０１１には、駆動
ピン０１３が設けられている。この駆動ピン０１３はシ
ャトル０１０の下端に設けたトラック０１２内に挿通さ
れており、チェーン０１１の両端でトラック０１２内を
上下動するとともに、チェーン０１１の周回に伴う横行
時、シャトル０１０を巻取り型０１の軸方向に往復動さ
せる。

【０００４】また、シャトル０１０の頂部には、巻取り
型０１の巻付力によってボビン巻０４から巻き出され、
テンショナ０５によって一定の張力にされた繊維０３
に、ポリマー等を付着させ表面処理を行うためのレジン
バス０６が設けられている。また、このレジンバス０６
の出口には、繊維送り出し口０２が設けられており、軸
方向には、固定されて回転する巻取り型０１の外周面
に、巻取り型０１の軸方向に移動する繊維送り出し口０
２から送り出される繊維０３を配列して凸面形状の容器
を成形するようにしている。また、繊維０３の配列は巻
取り型０１の回転速度と繊維送り出し口０２の横行速度
を選定することにより、パラレル巻き、図示したヘリカ
ル巻き、ポーラ巻き、レベル巻き等任意にできる。

【０００５】しかし、ガスタービン用耐熱複合材燃焼器
ライナー等で用いられる強化繊維は、高弾性で繊維表面
の亀裂感受性の高い繊維が多く、従来装置による上述し
たような張力制御では、過度の張力を繊維に与え、繊維
特性を劣化させるとともに、繊維送り出し口０２の移動
により繊維巻出しから送り出し間で繊維に捻りを与え、
このため繊維特性が劣化し、最終製品の強度が損われる
などの不具合がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記実情に
鑑みてなされたもので、繊維の巻出し、巻取りを必要な
最小限の張力で行う張力制御と、繊維巻出しから送り出
し、巻取りの間で繊維に捻りを与えるような、繊維方向
を変化させない送り出しによるフィラメントワインディ
ング成形法、及び成形装置を提供することを課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のフィ
ラメントワインディング成形法は、次の手段を採用し
た。（１）張力による繊維特性劣化を防止するため、繊維巻
出し工程における、繊維巻出し、および繊維送り出しに
必要とする張力の最小限の張力を繊維に付与して、繊維
の巻き出しを行うとともに、巻取り工程における、繊維
を巻取り型に巻きつけるために必要とする張力の最小限
の張力を繊維に付与して、繊維の巻取りを行うようにし
た。（２）繊維に捻りを加えることによる繊維特性劣化を防
止するため、巻取り工程において、前工程から繊維が巻
き出され、送り出される繊維の通路と略同一の垂直面内
に繊維を送り出し、繊維の配列に合せ軸方向に往復動す
る巻取り型で巻き取り、繊維に捻りを発生させることな
く巻き取るようにした。

【０００８】また、本発明のフィラメントワインディン
グ成形装置は次の手段とした。（３）巻出部から巻き出された繊維を送り出す送出しロ
ーラと、繊維の表面処理を行う含浸ローラの間に設置さ
れた、たるみ部における、繊維のたるみ量を略一定にす
るような繊維の送り出し速度指令を送出しローラに出力
し、制御する送出し速度調整装置を設けた。（４）含浸ローラから送り出される繊維に、繊維の巻き
取りに必要な張力を発生させるダンサロールを吊り下
げ、繊維の巻き取りに必要な、最小限の張力を繊維に発
生させる位置に、ダンサロールを保持するような速度指
令を巻取り型に出力し、制御する巻取り速度調整装置を
設けた。（５）含浸ローラから送り出される繊維を左右方向に移
動させないように、含浸ローラから送り出される繊維の
通路に形成される垂直面と略同一面内で繊維を、回転軸
方向に往復動する巻取り型の外周面に、送り出すように
した送出し口を設けた。

【０００９】

【作用】本発明のフィラメントワインディング成形法に
よれば、巻出部から巻き出された繊維に、過度の張力、
及び捻りを与えることがなく、繊維特性を劣化させるこ
となく、巻取り型に巻回でき、フィラメントワインディ
ングによる強度面に秀れた繊維プリフォーム成形ができ
る。

【００１０】また、本発明のフィラメントワインディン
グ装置によれば、繊維の張力制御に関して、・送出しローラと含浸ローラ間に繊維たるみ部を設け、
この部分での繊維たるみ量を繊維レベルで検出して、こ
の検出量によって送出しローラの繊維送り出し速度調整
により、たるみ量を一定量に保つことにより、殆ど無張
力状態での繊維送り出しができる。

【００１１】・また、繊維の巻取りに関しては、含浸ロ
ーラと巻取部の間に設けたダンサロールによる張力制御
装置により必要最小限の張力での巻き取りができる。

【００１２】繊維の捻れ制御に関して、・含浸ローラから巻取り型までの繊維の通路を略直線状
に配置し、・巻取り時の回転軸方向の繊維の巻取り型との相対移動
は巻取り型の移動により行い、繊維の捻りを防止でき
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明のフィラメントワインディング
成形装置を、実施例にもとづき説明する。図１は本発明
のフィラメントワインディング成形装置の一実施例を示
す図で、図１（Ａ）は全体平面図、図１（Ｂ）は側面図
である。本実施例は、ガスタービン用燃焼器ライナの繊
維プリフォームの製造に供するものである。

【００１４】図において、１はボビン巻の繊維、２はト
ルクモータ、３は送出しローラ、４は繊維レベルセン
サ、５はサイジング材除去装置、６は開繊装置、１６は
含浸装置、７は巻取り張力制御装置、８は送出し口、９
は巻取り装置、１０は巻取り型を示す。繊維１１として
は、ポリマーの溶融・紡糸で合成された炭化珪素繊維
（宇部興産（株）製チラノ繊維）を、含浸液には、ポリ
カルボシラン（日本カーボン（株）製Ｅ−０８）のキシ
レン溶液を用いた。これらの材料を用いて、図１に示す
成形装置を用いて繊維プリフォームの成形を行った。

【００１５】以下、本実施例の各部分について説明す
る。

【００１６】Ａ．巻出部ボビン巻１から巻き出された繊維１１は、送出し制御部
Ｂに設けられた送出しローラ３に所要回数（例えば５
巻）巻き付けられ、送出しローラ３の巻付面と繊維１１
の摩擦により、送出しローラ３の回転力を繊維巻出しの
駆動力に変えて、巻き出される。また、ボビン巻１から
巻き出される繊維１１の張力を一定に保つために、各ボ
ビン巻１には、同軸にトルクモータ２が配置されてお
り、このトルクモータ２は、繊維１１の巻き出し方向と
は、逆の方向に回転して張力制御を行う。すなわち、ボ
ビン巻１と送出しローラ３間の繊維１１にたるみが生じ
ると、ボビン巻１の回転トルクをトルクモータ２で制御
することにより防止する。また、繊維１１の張力制御
は、トルクモータ２に付設されている、図示しないパワ
ーコントローラからの出力電圧を可変することにより調
整される。

【００１７】Ｂ．送出し張力制御部送出し張力制御部は前記した、ＤＣサーボ１４で駆動さ
れる送出しローラ３と、送り出す繊維１１に低張力を付
与する繊維レベルセンサ４からなる。送出しローラ３
は、送り出す繊維１１の表面を痛めないように上、下２
段ローラにし、しかも、下段の小ローラの軸傾きを上段
の大ローラの軸傾きから変えて配置し、これらのローラ
のそれぞれに、繊維１１を５回程度巻き付け、繊維１１
の送り出す摩擦力を極力分散して少なくするようにして
いる。また、送出しローラ３の繊維接触面はバフ研磨等
により表面仕上げを０．５Ｓ程度の凹凸の少ないものに
して、巻回される繊維１１の表面を痛めないようにして
いる。送出しローラ３から送り出された繊維１１は、繊
維レベルセンサ４を通過する。

【００１８】この繊維レベルセンサ４では、通過する繊
維１１に、立設されたガイド棒に沿って上下動するテフ
ロンＯリングを用いた数グラム（例えば２ｇ）の軽い錘
り１７を吊し、低張力で繊維１１を張り、この繊維１１
の位置をガイド棒の定位置に設置した光検出レベルセン
サ１５により検出することにより、繊維１１のたるみ状
況を検出し、このたるみ状況に応じて、送出しローラ３
の回転数を制御し、たるみ量が一定となるような自動制
御を行う。

【００１９】すなわち、繊維レベルセンサ４は３本１組
のガイド棒を糸道とし、このガイド棒上に６個の光検出
レベルセンサ１５を取付けたもので、送出しローラ３か
ら送り出される各繊維１１に吊下げられた、約２ｇのテ
フロンＯリングからなる錘り１７が、繊維１１のたるみ
等に従って、ガイド棒上を上、下動するが、この錘り１
７に引きづられて上下動する繊維１１をガイド棒上に設
けた光検出レベルセンサ１５で検知し、繊維１１のたる
み量を検出するようにしたものである。

【００２０】６個の光検出レベルがセンサ１５のうち中
央部分に設けた、ＨＨ，Ｈ，Ｌ，ＬＬの４個のセンサか
らの信号は、速度調整用信号として繊維１１を送り出す
速度コントロール用として送出しローラ３のＤＣサーボ
モータ１４へフィルドバックされ、送出しローラ３の速
度制御に使用している。また、上、下端の２個のファイ
バセンサからの信号は、送出しローラ３の非常停止信号
用として使用される。また、たるみ位置を繊維レベルセ
ンサ４で検知して検出される時々刻々の繊維１１のレベ
ル信号はドライバーへ自動的に送られる。

【００２１】Ｃ．表面処理部表面処理部は繊維１１のサイジング材を除去するデサイ
ズ炉５、デサイズされた繊維をほぐす開繊装置６、ほぐ
された繊維にポリマー溶液を含浸させる含浸装置１６と
からなる。

【００２２】デサイズ炉５は、送出し張力制御部Ｂから
送り出される繊維１１にサイジングしている、ポリビニ
ルアルコール（ＰＶＡ）等のサイジング材を加熱して除
去する。

【００２３】また、開繊装置６はサイジング炉５を出た
繊維に含浸させるポリマー液の含浸を容易にする為に、
テーパ型の容器内を通過する繊維１１の下からエアを吹
く事により、繊維１１の糸を広げサイジング材を吹き飛
ばし、ほぐすようにしたものである。

【００２４】また、含浸装置１６は、ポリマー溶液槽に
半没状に設置されたギヤ型ローラ状の含浸ローラ１２
に、開繊した繊維１１を通し、繊維１１をポリマー溶液
に浸漬し、繊維１１にポリマー溶液を含浸させるように
したものである。この含浸ローラ１２による含浸では、
均一なポリマー溶液をかき上げすることができ、ムラの
ない浸漬を行うことができる。

【００２５】Ｄ．巻取り張力制御部後述する巻取部Ｅにおける巻取り型１０の形状が一定で
ない為に、繊維１１にかかる張力が変わることが生じ
る。その為に、含浸ローラ１２から出る含浸された繊維
１１の送り出し速度と、巻取の型１０の巻取り速度をほ
とんど同じにして、繊維１１にかかる張力を一定にする
ことが必要となっている。

【００２６】そこで、図２に示すように、表面処理部Ｄ
でポリマー溶液が含浸され、含浸ローラ１２でガイドロ
ーラ１８を介して巻取り張力制御部に送り出された繊維
１１に、ダンサロール１３を釣り下げ、さらに必要に応
じて、ダンサロール１３に所要荷重の錘りを釣り下げ
て、巻取りに必要な最小限の張力を繊維１１に付加する
ようにした。但し本実施例の場合は錘りによる負荷はゼ
ロとし、ダンサロール１３の自重のみによるものとし
た。そして、ダンサロール１３の位置をポテンショメー
タ１９で検出しておき、この信号を巻取り型１０のドラ
イバへ送り、繊維１１の張力が巻取りに必要な最小限の
張力で巻取部Ｅへ送り出されるようにした。

【００２７】Ｅ．巻取部巻取部では、送出し口８から送り出された繊維１１を、
巻取り装置９により回転、および回転軸方向の往復移動
させられる巻取り型１０により巻取り、所要形状の成形
体を製造する。

【００２８】すなわち、図３に示すように、巻取り装置
９は、ＤＣサーボモータ２０からギヤボックス２１、減
速機２２、変速機２３を介してクラッチ２４に伝達され
る駆動力により、減速機２５を介してラックギヤ２７と
噛合うピニオンギヤ２６を回転させて、ラックギヤ２７
上を往復移動する。また、ギヤボックス２１で分岐され
たＡＣサーボモータ２０からの駆動力は、減速機２８を
介して、巻取り装置９とともにラックギヤ２７上を往復
動する巻取り型１０を回転させる。

【００２９】この巻取り型１０の巻取り面は、直円筒状
ではなく、軸対象の複雑な凹凸面に形成される場合があ
るため、繊維１１を送り出す送出し口８を巻取り型１０
の巻取り面の凹凸に追従して移動できるように、巻取り
型１０の端を挟んで上下に設置した光センサーで、巻取
り面の位置検出を行い、この検出信号により送出し口８
を巻き取り型１０に、前後から接近又は待避させること
により、送出し口８と巻取り型１０の間の前後位置を一
定に保つための位置制御を行うようにしている。

【００３０】また、巻取り装置９による巻取り型１０の
回転は、前述した通り、ポテンショメータ１９からのダ
ンサロール１３の位置情報により制御されており、送出
し口８から送り出された繊維１１に、巻取りに必要な最
小限の張力を付与するようにしている。また、送出し口
８は、含浸ローラ１２、ダンサローラ１３を介して送出
し口８に送り出される繊維１１の通路を含む同一垂直面
内で、繊維１１が巻取り型１０へ送り出されるような配
置にされており、含浸ローラ１２から送り出される繊維
１１は、この垂直面内から外れて左、右方向に移動する
ことがない。

【００３１】また、巻取り型１０は、固定された位置か
ら繊維１１を送り出す送出し口８を中芯として、軸方向
に移動させて繊維１１を巻き取るようにしたことによ
り、低張力での巻き取りが可能になると共に、従来巻き
取りにより発生していた繊維１１の捻りが発生しなくな
る。この巻取り型１０への繊維１１の巻付けピッチは、
巻取り型１０の回転と伝動して設定した、ワインド数に
て巻取ることができるようにしてあり、この設定は巻取
り装置９の無段変速機２３を使用しており操作盤からパ
イロットモータを作動することにより可能にしている。

【００３２】以上本発明のフィラメントワインディング
成形装置の一実施例を、各部分毎に説明したが、本実施
例装置全体は図４に示す制御ブロックで示すように制御
される。

【００３３】すなわち、繊維巻出し工程における、送出
し張力制御部Ｂでの繊維１１のたるみ量を光検出レベル
センサ１５によって検出し、この信号にもとづき、送出
しローラ３から巻き出される繊維１１の張力を巻出しに
必要最小限度の２ｇ程度にして巻き出される。また、巻
取り工程においては、巻取り張力制御部Ｄでのダンサロ
ール１３の位置をポテンショメータ１９によって検出
し、この信号にもとづき、巻取り型１０で巻き取られる
繊維１１の張力を巻き取りに必要最小限度の７ｇ程度に
して巻き取られる。

【００３４】従って、繊維１１の巻き出し、送り出し、
巻き取りによって繊維１１に発生する張力は、従来装置
によるものに比較して、著しく小さくなり、過度の張力
付加により繊維に発生していた特性劣化を回避できる。

【００３５】また、一直線状に配置した巻出部Ａ、送出
し張力制御部Ｂ、表面処理部Ｃ、巻取り張力制御部Ｄ
の、それぞれを通過させた繊維１１を、巻取部Ｅに設け
た送出し口８から、繊維１１が通過して来た方向を維持
させたまま、その回転軸方向に往復動している巻取り型
１０に送り出し、繊維１１を左右に曲げることなく巻き
取られる。

【００３６】従って、繊維１１の巻き取りによって繊維
１１に生じる捻りの発生は、従来装置によるものに比較
して、著しく小さくなり、過度の捻り付加により繊維に
発生していた、特性劣化を回避できる。

【００３７】また、捻りを小さくした巻き取りにするこ
とにより、さらに、巻き取りに必要とする最小限度の繊
維張力を低下させることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のフィラメン
トワインディング成形法によれば、請求項１に示す構成
により、巻出し部から巻き出された繊維に、過度の張
力、及び捻りを与えることがなく、繊維特性を劣化させ
ることなく、巻取り型に巻回できるので、フィラメント
ワインディングによる強度面に秀れた繊維プリフォーム
成形ができる。

【００３９】また、本発明のフィラメントワインディン
グ装置によれば、請求項２に示す構成により、（１）殆ど、無張力状態での繊維送り出しができるとと
もに、必要最小限の張力での巻き取りができる。（２）繊維の捻りを防止して繊維の巻き取りができる。

【００４０】これにより、繊維強化複合材料の繊維プリ
フォームを強化繊維の特性を劣化させることなく、成形
を行うことができ、複合材料合成後の強度の向上に寄与
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフィラメントワインディング成形装置
の全体を示す図で、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は
側面図、

【図２】図１の巻取り張力制御部の詳細を示す正面図、

【図３】図１の巻取部の詳細を示す平面図、

【図４】図１に示す実施例の制御のための制御ブロック
図、

【図５】従来のフィラメントワインディング装置の側面
図である。

【符号の説明】

Ａ巻出部Ｂ送出し張力制御部Ｃ表面処理部Ｄ巻取り張力制御部Ｅ巻取部１ボビン巻２トルクモータ３送出しローラ４繊維レベルセンサ５デサイズ炉６開繊装置７巻取り張力制御装置８送出し口９巻取り装置１０巻取り型１１繊維１２含浸ローラ１３ダンサローラ１４送出しローラ用ＤＣサーボ１５光検出レベルセンサ１６含浸装置１７錘１８ガイドローラ１９ポテンショメータ２０巻取り用ＤＣサーボモータ２１ギヤボックス２２減速機２３変速機２４クラッチ２５減速機２６（走行用）ギヤ２７ラックギヤ２８減速機２９含浸ローラ用ＤＣサーボ３０制御盤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井頭賢一郎兵庫県神戸市西区高塚台２丁目８番１号川崎重工業株式会社西神工場内株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所西神分室内 (72)発明者藤岡順三兵庫県神戸市西区高塚台２丁目８番１号川崎重工業株式会社西神工場内株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所西神分室内 (72)発明者小林幸夫京都府京都市南区西九条唐戸町二六番地カトーテック株式会社内 (56)参考文献特開平６−285999（ＪＰ，Ａ) 実公平５−23322（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 70/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】繊維巻出し工程、表面処理工程、および
巻取り工程からなる繊維強化複合材料の繊維プリフォー
ムを成形するフィラメントワインディング成形法におい
て、前記繊維巻出し工程および巻取り工程の繊維の巻出
し、巻取りが必要最小限の繊維張力で行われ張力による
繊維特性の劣化を防止するとともに、前記巻取り工程の
前記繊維の巻取りが、前記表面処理工程から送り出され
る繊維を左右に変向することなく送り出し、軸方向に移
動する巻取り型で巻き取り、捻りによる繊維特性の劣化
を防止したことを特徴とするフィラメントワインディン
グ成形法。
【請求項２】ボビン巻きの繊維を巻き出して、送り出
し、表面処理を行い、巻取り型に巻回して繊維強化複合
材料前駆体の繊維プリフォームを形成するフィラメント
ワインディング成形装置において、前記繊維を送り出す
送出しローラと表面処理を行う含浸ローラの間の前記繊
維のたるみ量を略一定にして、張力を一定にする速度指
令を前記送出しローラに出力し、送出し速度を調整する
装置と、前記含浸ローラから送り出される前記繊維に吊
り下げたダンサロールを、略一定の位置に保持して前記
繊維の張力を一定にする速度指令を前記巻取り型に出力
し、巻取り速度を調整する装置と、軸方向に往復動する
前記巻取り型に、前記含浸ローラから送り出される前記
繊維の通路と略同一な垂直面内から前記繊維を送り出す
送出し口を設けたことを特徴とするフィラメントワイン
ディング成形装置。