フィラメントワインディング
樹脂で濡らした繊維を、回転するマンドレルに巻く
フィラメントワインディングは、樹脂で濡らした繊維を、マンドレルと呼ばれる回転する芯のまわりに、糸巻きに糸を巻くように、何層にも巻きつけます。動くキャリッジが繊維を導き、正確な角度で着地させます。管、ガスボンベ、水素タンク、ロケットモーターケースは、この方法でつくられます。
しくみ
繊維を送る。 ロービング(撚りのない連続繊維の束)がスプールから繰り出され、テンショナーを通ります。テンショナーが、それを均一に張ったままに保ちます。
樹脂で濡らす。 繊維は、樹脂浴の中で回るドラムの上を通ります。あるいは、トウプレグ(薄いプリプレグテープのように、すでに樹脂を含ませた繊維)を、乾いたまま巻きます。
回転するマンドレルへ導く。 繊維が出てくるガイドである送り出し口(デリバリーアイ)を備えたキャリッジが、マンドレルが回るあいだ、往復します。コンピューターが2つの動きを連動させます。
層を積み上げる。 回転に対するキャリッジの速さが、繊維の角度を決めます。フープ層はほぼ 90°、ヘリカル層は設定した角度、両端をおおうポーラー層はほぼ 0° です。壁が十分な厚さになるまで、層を積み重ねます。
硬化させて、マンドレルを外す。 部品は、多くの場合まだ回転したまま、オーブンの中で硬化します(樹脂が固まります)。そのあと、マンドレルを引き抜くか、ほとんどの圧力タンクのように、ライナーとして内側に残します。
主なポイント
- 材料
- ガラス繊維(もっとも一般的)、炭素繊維またはアラミド(丈夫な合成繊維)。エポキシ、ポリエステル、ビニルエステルの樹脂
- 代表的な部品
- 管、圧力容器、ガスと水素のタンク、ドライブシャフト、ポール、ロケットモーターケース
- 部品サイズ
- 幅数センチの管から、直径数メートルのタンクや管まで
- 精度
- 内面の精度はマンドレルと同じ。繊維の角度と肉厚は、層ごとに制御される
- 表面仕上げ
- 内側はなめらか。外側は、やすりがけ、ラッピング、コーティングをしない限り、繊維の帯で筋が残る
- 向いているロット数
- 大型タンクの1品ものから、多軸機での年間数万本のボンベまで
- 金型・設備コスト
- マンドレルは数百から数十万ドル。機械は数万から数百万ドル
- 速度
- 小さな管なら数分。大きなタンクなら数時間。これに硬化時間が加わる
強みと限界
強み
- 繊維が連続したまま正確な角度で置かれるので、重さの割に非常に強い
- タンクや管のような、内圧のかかる部品に理想的
- 高度に自動化され、再現性が高い
- 材料の無駄が少ない
限界
- 回転できる形だけ:管、円筒、ドーム、ほぼ丸い形
- 凹んだ形は難しい。繊維が窪みをまたいで架かってしまうため
- 外側の表面は、仕上げをしない限り粗い
- ライナーとして残さない限り、マンドレルを取り出す必要がある
使われる場所
- エネルギーとガス車両用の水素や天然ガスのタンク、LPG ボンベ
- 化学と水腐食しない管と貯蔵タンク
- 航空宇宙・防衛ロケットモーターケース、発射筒、圧力ボトル
- 自動車と産業炭素繊維のドライブシャフト、ローラー、油圧シリンダー
- スポーツとレジャーゴルフクラブのシャフト、自転車部品、スキューバやペイントボール用の空気タンク
見分け方
- 外側に、繊維の帯が交差するひし形の模様があり、透明な樹脂ごしに見えることもあります。
- ドーム状の端と、片方または両方の極に小さな開口をもつ、丸い形やカプセル形。
- なめらかで正確な内面と、少し筋のある外面。
比較
動画を見る
Rock West Composites · 繊維を濡らして、回転するマンドレルに巻く様子
Vashishtha Research · 小型機での、ウェットワインディングとドライワインディングの比較
Composites Central · 工場で巻かれる、大きなガラス繊維のタンク
MIKROSAM · ガスタンクを巻いて硬化させる自動ライン
実写真を見る
- Wikipedia: フィラメントワインディング — 工程、巻きパターン、製品
- Wikimedia Commons の写真検索
覚えておこう
- 樹脂で濡らした繊維を、動くキャリッジが、回転するマンドレルに巻きます。
- キャリッジの速さと回転の比が、繊維の角度を決めます。
- 強くて軽い管や圧力タンクをつくる、定番の工程です。
