JPH0255123A

JPH0255123A - フィラメント・ワインディング方法およびその装置

Info

Publication number: JPH0255123A
Application number: JP63197809A
Authority: JP
Inventors: L Kakaku Harold; ハロルド　エル　カカク
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1988-08-08
Filing date: 1988-08-08
Publication date: 1990-02-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はフィラメント・ワインディングによって製品を
製造する技術に係わる。さらに詳細には、加熱すると硬
化してフィラメント・ワインディング複合体となるサー
モマトリックス樹脂を有する製品をフィラメント・ワイ
ンディングする方法及び装置に係わる。

（従来の技術１発明が解決しようとする問題点）大型の
ミサイルや宇宙船ケーシングから中型の圧力容器、さら
には小型のカップリングや継ぎ手に及ぶ広範な物体また
は製品がフィラメント・ワインディング法で成形、製造
されることが日増しに殖えている。この方法で使用され
るフィラメントもまた極めて広範囲でバライティに冨み
、ガラス繊維、グラファイト繊維、ケブラー等が包含さ
れる。同様に、マトリックス結合樹脂も広範なものがあ
り、物体または製品の形に巻き付けられた、硬化した複
合体中のフィラメントを固持するのに使われており、熱
で硬化する熱硬化性のエポキシ樹脂からフィラメントの
まわりまたはその中に含浸した熱可塑性樹脂被膜にまで
及んでいる。

熱可塑性マトリックス結合樹脂でフィラメント・ワイン
ディングする技術も日増しに需要が増している。このよ
うな熱可塑性結合樹脂は、管理し易く、かつ物体に巻き
付けた後、従来がら使用されているエポキシ樹脂による
個別の硬化工程を低減させる。このような熱可塑性被膜
即ち含浸結合樹脂は加熱すると巻付け二［稈で軟化即ち
溶融し　この後硬化工程が不要となる０例えば、＋９８
［３年５月３０日に出願され、ホー（Ｈａ）によって発
明され１本発明の譲渡人に譲渡された米国特許出願番号
第８７０、　［３５５号には熱可り性樹脂を含浸したフ
ィラメントを使ったフィラメント・ワインディング法が
開示されており、ここではフィラメントを巻き付けたマ
ンドレルのまわりの部分を全体加熱するのに加熱炉を使
用している。この全体加熱法をマンドレルの加熱に包含
させてもよい、また、フィラメントをマンドレル上に巻
き付ける直前に熱可塑性マトリックスを少なくとも一部
溶融または軟化させるのに前加熱工程を使用することも
ある。　−Ｆ記の方法の詳細については前記出願特許を
参照しながら以下に説明する。

熱可塑性マトリックスを含浸させたフィラメントをフィ
ラメント・ワインディングする別の方法は、−１９８６
年４月１３日に出願された。サッダスら（Ｓｕｄｄｕｔ
ｈ　ｅｔ　ａｌ）らによって発明され、本発明の譲渡人
に譲渡された、米国特許出願番号第８４７゜９１１号に
開示されている。即ち、フィラメントを巻き付けたマン
ドレルのまわりの部分を完全に全体加熱しないで、この
方法ではフィラメントを巻き付け、マンドレルのまわり
の直面する部分に加熱を限定する局部加熱手段を採用し
ている。全体加熱は多大のエネルギーを必要とするが、
この出願に開示された局部加熱法ではこのような必要性
を解消することができる。超音波手段や前加熱手段も、
ここに開示したように利用できる。

この工程全体において、ヒ述のことを含めて、後硬化さ
せる必要のあるエポキシ樹脂によるフィラメント・ワイ
ンディングよりも明瞭な利点を持っているが、それでも
まだこの方法を進めるには相当のエネルギーと高価な装
置が必要である８本発明は熱可塑性樹脂を含浸させたフ
ィラメントを使用する新規な方法および装置を、著しく
簡素化し極度に低廉化、安全化したものとして提供する
ことを指向するものである。

（問題点を解決するための手段）従って１本発明の一つの目的は、熱可塑性樹脂のような
サーモマトリックスで物体または製品をフィラメント・
ワインディングする新しい、改良された方法および装置
を提供することである。

本発明の代表的な実施例では、グラファイトのような電
気伝導性のあるフィラメント手段を使用する０個々の繊
維を熱可塑性結合樹脂で被覆してもよいし、またフィラ
メント・テープや「ロービング」　（個々のｍ維を束ね
たもの）に熱可塑性結合樹脂を含浸させてもよい、ここ
で用いたように１含浸する」という用語はマンドレルに
巻き付けるフィラメントのまわり、またはその中にサー
モマトリックス結合樹脂を包含し、物体または製品を形
成させるフィラメント手段とすることを意味している。

本発明は、製品形状を規定する適当なマンドレル上にこ
のフィラメント手段を巻き付けることを意図するもので
ある。この巻き付け中にフィラメント手段を直接介して
電流を流し、このフィラメント手段をマンドレルヒに巻
き付けなからサーモマトリックス結合樹脂を熱的に変化
即ち溶融させる。

フィラメント手段は、電気的に絶縁され、かつ電力源と
電気的に係合した送出し手段を介して送出される。マン
ドレルは電気伝導性で、かつ電気的に接地されている。

従って、電流はこの送出し手段と接地マンドレル間を、
フィラメント手段を直接介して流され、熱可塑性結合樹
脂を加熱、溶融する。また、冷却させると熱可塑性樹脂
は硬化するので、後加熱が不必要となる。

本発明の別の特徴は、マンドレルにフィラメント手段を
巻き付ける速度の関数として電流を自動的に調節する手
段を包含する。これによって、フィラメントが製品の両
端部を巻き付けるような、当業者が熟知の、例えばフィ
ラメント速度が小さくなる時でも、電流したがって加熱
を一定にすることができる。

本発明の別の特徴としては、マンドレルが非導電性部分
（例えば中央部分）と間隔をおいた導電性部分（例えば
両端部分）とを包含する。電圧はこの導電性の両端部分
に付勢される。従って、フィラメントがマンドレル上に
巻き付けられると間隔をおいた導電性部分は連結され、
フィラメントは加熱されてフィラメント・ワインディン
グ複合体を硬化させる。好ましくは、このマンドレルの
間隔をおいた導電性部分の間の電圧は一定に維持しまた
送出し手段からフィラメント手段を介して流される電流
も−、定に維持する。

本発明の、これ以外の目的、特徴、利点については、添
付図面を参照しながら行なった以下の詳細な説明で明瞭
となるものと思われる。

本発明の特徴は新規なもので、添付した請求項に特に明
瞭に示されている０本発明は、その目的および特徴とと
もに、以下の添付図面と併わせて下記の説明を参照して
、十分に理解できるものと思われる。

（実施例）添付図面を参照して、先ず第１図では、参照番号（１０
）を付した管状の物体即ち製品が本発明の理解を深める
ために図示されている。前述したようにフィラメント・
ワインディング法は、大型のミサイルや宇宙船ケーシン
グから小型の継ぎ手等に至る種々の製品の成形に広範囲
に使用されているので、本発明はこの図の範囲に制約さ
れるものではない。

第２図は１本発明を実施するための装置の主要部を示す
ものである。再度断わっておくが、この図も本発明の範
囲を限定することを意図するものではない、架台即ちベ
ース（Ｉ２）は直立する支持部材（１４，１６）を装着
し、その間でシャフト（１８）が矢印「Ａ」の方向に回
転するように支持されている。

各種の動力手段（図示されていない）がこのシャフト（
１８）の回転用に装着しである０円筒形のマンドレル（
２０）がこのシャフト（１８）に固着されていて、−緒
に回転するようになっている。勿論、このマンドレルは
製品形状を規定し、例えば第１図の管状物体（１０）を
成形するには円筒形となる。

参照番号（２２）を付した運搬台が、架台（Ｉ２）上に
直立するフレーム（２８）のレール（２Ｂ）上に、ロー
ラ（２４）を付して装着されている。従って、この運搬
台（２２）は縦方向に、即も普通はシャフト（１８）お
よびマンドレル（２０）と平行に往復移動できる。電動
ＩＩ（３０）のような動力手段が駆動用にスプロケット
（３２）に係合してあって５第２のスプロケット（３６
）との間を連続したチェーン駆動体（３４）で係合され
、前記運搬台（２２）をワインディング下枠中往復移動
させる。この運搬台（２２）を支持、駆動する部材の中
には、繁雑さを避け、発明の本質を簡単に理解できるよ
うに、図示されていないものもあることを理解すべきで
ある。さらに、当業者なら熟知しているように、電動機
（３０）には、前記運搬台（２２）を一定の時間間隔で
、フィラメント・ワインディングする物体の形状、寸法
で決まる特殊なストロークで往復動するようにしたプロ
グラミング手段が運転の点から係合されている。

参照番号（４０）を付したフィラメント手段は、図示さ
れていないが、第２図の右手に位置するソース即ちリー
ルから供給される。このフィラメント手段は、矢印１゛
Ｂ」で示されるようにしてこの装置に供給される。即ち
、フィラメント手段は運搬台（２２）が往復する時、普
通供給用リールから引っ張られてこの装置に供給される
。また、フィラメント手段は、運搬台（２２）の上部で
回転するプーリ（４２）を通った後、１対のガイド・ア
イレット（２０、送出し手段（２６）を介してマンドレ
ル（２０）上の部分（４０ａ）となって巻き付けられる
。第２図のフィラメント手段の部分（４０ａ）は左に傾
いており、運搬台（２２）が矢印「Ｃ」で示すように左
に移動していることが分る。第３図は、このフィラメン
ト手段の部分（４０ａ）が右に傾いているところを示す
もので、これは運搬台（２２）が矢印「Ｄ」で示される
右方向に移動していることを示している。

本発明は、グラファイト繊維等のような電気伝導性のフ
ィラメント手段を使用することを意図している０本発明
はまた、このフィラメント手段に電流が流されると、熱
的に変化−一例えば溶融−一が可能な例えば熱可望性樹
脂のようなサーモマトリックス結合樹脂で、このフィラ
メント手段を含浸することを意図するものである。この
フィラメント手段は、単一フィラメント、または−群の
フィラメントのテープまたは「ロービング」で、マンド
レル（２０）上に巻き付けて製品（１０）を形成させる
ものを包含する。

この目的のために、第２囚、第３図と併わせで第４図を
参照することにより、前記送出し手段が、例えば絶縁ス
ベーザ（４６）によって電気的に絶縁され（第２図参照
）１点（４８）で電力源と電気的に係合された、もう一
つのアイレット（４４）を包含する。

マンドレル（２０）は電気伝導性材料で作られており第
４図の点（５０）で直接に、または第２図の点（５２）
でシャフト（１８）を介して間接に、電気的に接地され
ている。勿論、シャフト＜１８）は電気伝導体である。

従って、電流はアイレット（４４）とマンドレル（２０
）間でフィラメント手段（４０）の部分（４０ａ）を介
して流れ、フィラメント手段を加熱してフィラメント手
段がマンドレル−トに巻き付けられ、物体を成形する時
、連続的にサーモマトリックス結合樹脂を溶融即ち変化
させる。この方法及び装置が簡単なことは、従来の外部
加熱手段−一例えば、加熱炉、加熱マンドレル、レーザ
手段、超音波手段、および従来公知の各種の技術手段を
省略できることを考えると極めて明白である０本発明に
基づく添付図は本発明を極めて簡単化して例示したに過
ぎない、従来技術による方法および装置の装置費用およ
び運転費用が大幅に低減できるだけでなく。

従来の装置の安全面からの危険性が実際に解消できる。

その上５本発明の場合、電力源として交流、直流のどち
らでも使用できる。

公知のように、前述のフィラメント・ワインディング製
品はフィラメント手段がマンドレルの末端部即ち極部、
即ち第２図に示す点（５４）に来ると、マンドレルの回
転速度は一定であったとしてもフィラメント送出し手段
の速度は低下する。従って本発明では、タコメータ（５
６）を採用して本体の調節部に装着し、マンドレルヒへ
のフィラメント手段の巻き付け速度の関数として電流を
調節させる。

前記の本発明に基づ〈実施例では、タコメータ（５６）
はただプーリ（４２）に係合されていて、このプーリ（
４２）はフィラメント手段の送出し即ち引き出しと正比
例して回転するようになっている。フィラメント速度に
比例した電流調節は、フィラメント手段の巻き付け速度
が、通常の消費と入力の平衡が維持されている値を越え
る時必要となってくる。

言い換えると、タコメータが、マンドレルの一定の場所
ではフィラメント手段の温度を一定にするように、必要
な電流変化を行なう、タコメータはフィラメントの送出
し速度に正比例するので電流は瞬間的に調節される。

本発明に基づく方法および装置の安全性を示すために、
本装置の一部を明らかにすると、フィラメント部分（４
０ａ）の長さは８．３５〜８．８９ＣＱｌ（〜２．５〜
３、５イ：／チ）とされている、勿論１本装置は一定電
流用に組立てられているので、これが限界ではない。

しかし、この長さでは、市販の６．３５ｍ１ｌ（＝１ハ
インチ）フィラメント・ロービングの電気抵抗値は約０
．２８Ω／ｃａ＋（〜０．７Ω／インチ）である、従っ
て、３．７５アンペア、約２７〜２８ボルトの電力源が
使用でき、これは１００ワツトの電球を点灯した時に必
要な電力にほぼ等しい、このシステムの安全性の利点は
加熱炉やレーザ型機構を使用する従来技術と比較すると
直ぐ分る。製品そのものも５通常の従来のシステムのも
のよりもずっと低温となる。

第５図と第６図は、本発明の別の形を図示したもので、
巻き付けた製品の連続硬化がフィラメント・ワインディ
ング工程中でもできるようになっている。同じ参照番号
が、第２国から第４図に示されたと類似の部材に対して
付与されている。言い換えると、フィラメント手段の部
分（４０ａ）は運搬台（２２）が矢印ＦＣ」とＩ’　［
）　４の方向に往復動する時、送出しアイレット　（４
４）を介して供給されるように示されている。しかし、
本発明に基づくこの実施例では、　（２０ａ）を付した
マンドレルは中央部が非導電性部分（６０）と１間隔を
おいた導電性の両端部分（６２）を有している。送出し
アイレッ）−（４４）は電気的に絶縁されていて、電力
源（５８）の端子に接続されている。電力供給部（６４
）を、間隔をおいた導電性の両端部分（６２）に係合さ
せると、導電性のマンドレル部分く６６）と係合されて
いる導電性フィラメント手段は加熱され、ワインディン
グ工程中サーモマトリックス結合樹脂を少なくとも部分
溶融させて、フィラメント・ワインディング複合体を巻
き付けながら硬化させる。

第５図に示す実施例では、好ましくは２つの直流電力源
（５８，６４）を使用する。電力源（５８）はフィラメ
ント手段がマンドレルヒに巻き付けられる時フィラメン
ト手段の部分（４０ａ）を加熱するのに使用する。好ま
しい電力源は一定電流電源で、送出されるフィラメント
手段の温度を、その長さとは無関係に一定で均一にする
。また、電力源（６４）は製品温度を維持して硬化工程
を進めるのに使用する。好ましい電力源は一定電圧電源
で、一定長さの製品の加熱を一定で均一にする。

また、電力源（５８，６４）は交流であってもよい。

交流は電流周波数を変えて、熱可塑性結合樹脂の分子振
動数を共鳴させ、流動特性を向上させる特徴を持ってい
る。両電力源（５８，６４）　とも、それぞれ一定電流
、一定電圧であることが好ましい８両電力源とも位相が
同じで、適当な調節維持ができる。

第６図は、第５図の一変形図で、一方の電力源（５８ａ
）は直流源で、もう一方の電力源（［１４ａ）は交流源
であってもよい、この場合、それぞれ低域および高域パ
ス、フィルター（６８，７０）が使用され、交流および
直流電源の混合を阻止している。

本発明は１発明の精神および特徴にもとることなく、他
の特殊な形に応用、実施できることを理解すべきである
。従って、ここに示した実施例は図示すべき凡ての点を
示したものであるが、限定するものではなく、また発明
がここに示した詳細に制約されるものでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に基づく方法および装置によっ−Ｃ製
造される管状製品の透視図である。第２図は１本発明の方法を実施する製品の主要部を図示
した透視図である。第３図は、第２図の部材の一部を縮小した平面図である
。第４因は、第３図の４−４繰に沿って切断した部分拡大
垂直断面図である。第５因は、マンドレルの間隔をおいた導電性の両端部が
１巻き付けたフィラメントで連結されていることを示す
１本発明の装置の概略図である。第６図は、第５図と類似してはいるが、異なった電気モ
ードを使用した場合を示す概晴図である。添付図面において、ｌＯ・・・製品、　１２・・・架台、　　１４．１６・
・・支持部材、［８・・・シャフト、　２０．２０ａ・
・・マンドレル、２２・・・運搬台、　２４・・・ロー
ラ、ガイド・アイレット、　２６・・・レール、送出し
手段、　２８・−・フレーム、３０・・・電動機、４０
・・・フィラメント手段、４０ａ・・・フィラメント手
段の部分、　４２・・・プーリ、４４・・・アイレット
　　４６・・−絶縁スペーサ、　５６・・・タコメータ
。５８．５８ａ、６４．８４ａ・・・電力源、６０・・・
非導電性部分、６２・・・導電性の両端部分、　６６・
・・導電性のマンドレル部分、６８・・・低域パルス・
フィルター、　７０・・・高域パルス・フィルター

Claims

【特許請求の範囲】

（１）サーモマトリックス結合樹脂を含浸させた電気伝
導性フィラメント手段で製品をフィラメント・ワインデ
ィングする方法において、各工程が、（ａ）前記フィラメント手段を製品形状を規定する適当
なマンドレル上に巻き付ける工程と、（ｂ）前記巻き付け時に、前記フィラメント手段に電流
を流して、フィラメント手段をマンドレル上に巻き付け
ながら、前記サーモマトリックス結合樹脂を熱的に変化
させる工程と、を包含するフィラメント・ワインディング方法。
（２）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
記フィラメント手段に交流を流すことを特徴とするフィ
ラメント・ワインディング方法。
（３）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
記フィラメント手段に直流を流すことを特徴とするフィ
ラメント・ワインディング方法。
（４）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
記フィラメント手段がグラファイト質材料でできている
ことを特徴とするフィラメント・ワインディング方法。
（５）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
記フィラメント手段が熱可塑性樹脂被膜で処理されてい
ることを包含するフィラメント・ワインディング方法。
（６）特許請求の範囲第５項に記載の方法において、前
記フィラメント手段がグラファイトでできていることを
特徴とするフィラメント・ワインディング方法。
（７）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
記フィラメント手段が、電気的に絶縁され、かつ電力源
と電気的に係合された送出し手段を介して送出されるこ
とを包含するフィラメント・ワインディング方法。
（８）特許請求の範囲第７項に記載の方法において、前
記フィラメント手段を、電気的に接地された導電性のマ
ンドレル上に巻き付けることを包含するフィラメント・
ワインディング方法。
（９）特許請求の範囲第８項に記載の方法において、前
記マンドレルが、前記フィラメント手段が送出し手段を
介して送出される時、回転していることを包含するフィ
ラメント・ワインディング方法。
（１０）特許請求の範囲第９項に記載の方法において、
前記送出し手段を、前記マンドレルが回転している時、
マンドレルの軸方向に対称的にトラバース（往復）する
ことを包含するフィラメント・ワインディング方法。
（１１）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、
前記電流が、前記フィラメント手段をマンドレル上に巻
き付ける速度の関数として、自動的に調節されているこ
とを包含するフィラメント・ワインディング方法。
（１２）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、
前記マンドレルが非導電性部分と間隔をおいた導電性部
分とを包含し、前記フィラメント手段を前記マンドレル
の導電性部分の間でマンドレルのまわりに巻き付けて、
これらの導電性部分間に電圧を付勢することを包含する
フィラメント・ワインディング方法。
（１３）特許請求の範囲第１２項に記載の方法において
、前記電圧が一定に維持されていることを特徴とするフ
ィラメント・ワインディング方法。
（１４）特許請求の範囲第１３項に記載の方法において
、前記電流が一定に維持されていることを特徴とするフ
ィラメント・ワインディング方法。
（１５）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、
前記電流が一定に維持されていることを特徴とするフィ
ラメント・ワインディング方法。
（１６）サーモマトリックス結合樹脂を含浸させた電気
伝導性フィラメント手段で製品をフィラメント・ワイン
ディングする装置において、この装置が、（ａ）前記フィラメント手段を、製品形状を規定する適
当なマンドレル上に巻き付ける手段と、（ｂ）前記巻き付け時に、前記フィラメント手段に電流
を流して、フィラメント手段をマンドレル上に巻き付け
ながら前記サーモマトリックス結合樹脂を熱的に変化さ
せる手段とを包含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。
（１７）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、前記フィラメント手段を介して交流を流す手段を包含
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。
（１８）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、前記フィラメント手段を介して直流を流す手段を包含
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。
（１９）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、グラファイト・フィラメント手段の供給手段と、この
フィラメント手段をワインディング手段に送出す手段と
を包含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。
（２０）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、熱可塑性樹脂を被覆したフィラメント手段を供給する
手段と、前記フィラメント手段をワインディング手段に
送出す手段とを包含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。
（２１）特許請求の範囲第２０項に記載の装置において
、前記フィラメント手段がグラファイト質材料でできて
いることを特徴とするフィラメント・ワインディング装
置。
（２２）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、前記フィラメント手段をマンドレル上に送出す手段を
包含し、この送出し手段が電気的に絶縁され、かつ電力
源と電気的に係合されていることを特徴とするフィラメ
ント・ワインディング装置。
（２３）特許請求の範囲第２２項に記載の装置において
、前記マンドレルが電気的に接地されていることを特徴
とするフィラメント・ワインディング装置。
（２４）特許請求の範囲第２３項に記載の装置において
、前記マンドレルが、前記フィラメント手段が前記送出
し手段を介して送出される時、回転する手段を包含する
ことを特徴とするフィラメント・ワインディング装置。
（２５）特許請求の範囲第２４項に記載の装置において
、前記送出し手段を、前記マンドレルが回転している時
、マンドレルの軸方向に対称的にトラバース（往復）す
る手段を包含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。
（２６）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、前記電流が、前記フィラメント手段をマンドレル上に
巻き付ける速度の関数として、自動的に調節される手段
を包含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。
（２７）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、前記マンドレルが非導電性部分と間隔をおいた導電性
部分とを包含し、前記フィラメント手段がマンドレルの
導電性部分の間でマンドレルのまわりに巻き付けられ、
このマンドレルの導電性部分の間に電圧を付勢する手段
を包含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。
（２８）特許請求の範囲第２７項に記載の装置において
、前記電圧を一定に維持する手段を包含することを特徴
とするフィラメント・ワインディング装置。
（２９）特許請求の範囲第２８項に記載の装置において
、前記電流を一定に維持する手段を包含することを特徴
とするフィラメント・ワインディング装置。
（３０）特許請求の範囲第１６項に記載の装置において
、前記電圧を一定に維持する手段を包含することを特徴
とするフィラメント・ワインディング装置。