フィラメントワインディングは、連続した強化繊維を回転工具上の制御された経路に沿って配置し、中空の複合材料構造を製造する方法です。用語は「何を配置するか」「どこに配置するか」「完成した積層構造をどう検証するか」という三つの判断を結び付けます。管、タンク、支柱、圧力容器では多くの用語が共通ですが、製造上の制約は異なります。

1. 繊維ボビンからマンドレルまで

マンドレル — 繊維の配置を支え、内面形状を決める成形工具です。引抜き式、収縮・分解式、除去を前提とした犠牲型などがあります。

ライナー — 製品内部に残すことができるバリア層です。ライナーが必ず荷重を負担する構造層になるわけではありません。

クリール、テンショナ、デリバリーアイ — クリールは繊維ボビンを保持し、テンショナは張力を調整し、デリバリーアイは繊維バンドを表面へ導きます。[1]

湿式ワインディングでは、製造中に乾燥した強化繊維へ液状樹脂を含浸させます。トウプリグは、あらかじめ樹脂を含む繊維束です。熱可塑性樹脂のワインディングでは、熱硬化性樹脂の硬化反応とは異なり、適切な加熱・固結方法が必要です。工程の選択によって取扱い、保管、温度条件が変わります。[2, 3]

2. 強化繊維と樹脂の用語

フィラメント、ストランド、ロービング、トウ — フィラメントは一本の繊維です。より大きな繊維の集合は、材料や供給者の用語に応じてストランド、ロービング、トウなどと呼びます。

テックスとK数 — テックスは1,000 m当たりの質量をグラムで表す線密度です。炭素繊維トウの12Kなどは約12,000本のフィラメントを示し、束の幅を規定するものではありません。

バンド幅 — 配置された強化繊維の幅で、配置方向に対して直角に測定します。複数の繊維束で一つのバンドを構成できます。[1]

マトリックス — 強化繊維を取り囲む連続した樹脂相です。その加工可能範囲と硬化後の特性が、製造と使用時の挙動に影響します。

含浸と濡れ — 含浸は強化繊維内部へ樹脂を導入することです。濡れは樹脂が繊維表面をどれだけ良好に濡らすかを示します。表面の光沢だけでは内部の完全な含浸を証明できません。

ポットライフとゲル化時間 — ポットライフは、指定条件下で混合樹脂を作業に使用できる時間です。ゲル化時間はゲル網目の形成を示します。いずれも積層材が最終特性に達したことを意味しません。

硬化サイクルと後硬化 — 規定の温度・時間プログラムによって熱硬化性マトリックスを形成します。必要な特性を得るため、その後の後硬化を指定する場合があります。樹脂供給者が検証した条件に従ってください。

3. 巻き角：必ず基準方向を明記する

ここでは軸方向を0°、周方向を90°とします。+αと−αは、定義した座標系における反対の傾きを示します。この符号だけで主軸の時計回り・反時計回りを指令するわけではありません。図面、シミュレーション、CNCプログラムでは整合する基準を使用してください。[1]

4. フープ、ヘリカル、ポーラーワインディング

フープ巻きは繊維をほぼ周方向に配置し、周方向荷重の負担に有効です。わずかな軸方向送りで、隣接する巻きを円筒に沿って分布させます。ヘリカル巻きは回転と長手方向移動を組み合わせて傾斜経路を作り、往復によって交差する繊維方向を形成できます。ポーラー巻きは端部を通り極開口の周囲へ繊維を配置します。その実現性は形状と機械構成に依存します。[2]

ドームとボス — ドームは容器端部の曲面部分です。ボスは開口と、その周囲の巻き付け構造に関係する端部金具です。

測地線経路 — 曲面固有の幾何において局所的に直線となる経路です。一般の曲面上では、側面図で直線に見えるとは限りません。

非測地線経路 — 測地線から外れる経路で、摩擦や他の工程機構による横方向の保持を必要とする場合があります。描画できた経路に繊維が実際に留まるとは限りません。

5. 運動、ピッチ、速度

直径Dが一定で滑りがなく、定常的に配置する理想円筒では、表面幾何から次の関係が得られます。

tan(α) = πDn / vₐ および p = vₐ / n

nは主軸回転数（回転/分）、vₐは軸方向配置速度（mm/min）、Dは直径（mm）、pは一回転当たりの軸方向送り（mm/回転）です。したがってtan(α) = πD/pです。この関係は円筒部の配置経路を表し、ドーム部の運動や折返しはモデル化していません。

計算例：D = 200 mm、n = 10回転/分、α = 60°では、vₐ ≈ 3,628 mm/min、p ≈ 362.8 mm/回転です。速度比を一定に保ったまま直径が増えると角度が変わるため、積層厚さの増加に応じて制御装置が運動を補正する場合があります。

6. パス、サーキット、パターンの閉合

一回転は主軸が一周することです。パスは通常、一方向の移動を意味します。サーキットは通常、往路と復路を含みます。「サイクル」は統一されておらず、機械メーカーによってサーキット、繰返し、別のプログラム動作を意味します。一サイクルを一回転と決め付けず、回数とともに定義を記載してください。

配置経路の列が元の繰返し関係に戻るとパターンが閉合します。閉合と全面被覆は別の検証であり、繰り返すパターンにも隙間が残る場合があります。インデックスは連続する配置間の制御された周方向ずらしです。折返しは移動方向を反転する端部領域で、局所角度、速度、厚さの増加は中央円筒部と異なる場合があります。

被覆 — 配置したバンドが対象表面を覆う程度です。有効長さ全体と端部で確認します。

プライまたは層 — 構造解析や製造上の強化繊維のまとまりです。一方向、一組の±α、全面被覆の一連の配置のどれを一層とするか明記します。

積層材と積層順序 — 全体の層構成と繊維方向の順序です。例えば[ +55 / −55 / 90 ]は三つの方向を示しますが、厚さと繰返し数は別途定義が必要です。

バランスと対称 — バランスした積層材は、対応する+αと−αの寄与を組み合わせます。対称積層材は中央面に関して鏡像の構成です。一方の性質から他方が自動的に成立するわけではありません。

7. 有効長さとトリム代

有効長さは完成品に残る部分です。トリム代は製造後に除去する追加部分です。いずれも、進入、折返し、退避移動を含み得るキャリッジの全ストロークとは区別してください。

8. 製造現場で重要な品質用語

繊維体積含有率Vᶠ — 繊維体積を複合材の全体積で割った値です。質量含有率とは異なり、換算には各構成材の密度と、ボイドの一貫した取扱いが必要です。

ボイド率 — 内部の空隙体積の割合です。適切な測定方法が必要で、表面の目視検査だけでは求められません。

樹脂リッチ部とドライ部 — 樹脂リッチ部は強化繊維が相対的に少ない部分です。ドライ部は樹脂含浸が不十分な部分です。許容可否は製品要求によります。

繊維のうねりと滑り — うねりは予定した繊維配向からのずれです。滑りは強化繊維が予定した配置位置から移動することです。

層間剥離 — 積層材の層同士が分離することです。表面の引っかき傷や隣接バンド間の隙間とは異なります。

張力と圧密 — 張力は強化繊維に加える引張力です。圧密は配置材料の緻密化・固結を表します。張力は圧密に影響しますが、その関係は曲率、角度、材料挙動にも依存します。[2]

9. 曖昧さのない巻き付け仕様を記述する

実用的なレシピには、形状、材料、角度基準、配置後のバンド幅、張力の指定基準、速度制限、順序、回数の定義、端部処理、硬化条件、検査基準を記載します。X、Y、Z、Aなどの軸名は機械によって異なるため、文字に共通の意味があると考えず、物理的な役割を定義してください。

記載例：「円筒部をマンドレル軸に対して±60°で巻く。一サーキットは往路一回と復路一回を意味する。指定サーキット数を実施し、有効長さで被覆を確認する。配置後のバンド幅、束ごとの張力、実直径を記録する。承認済みの折返し条件と硬化条件を用いる。」具体的な部品の数値と合否限界を追記してください。

参考文献・関連資料

[1] Cadfil. Filament Winding Glossary. https://www.cadfil.com/help/html/glossary.htm

[2] University of Plymouth, MATS347. Filament winding and pultrusion. https://ecm-academics.plymouth.ac.uk/jsummerscales/MATS347/MATS347C9%20FWpult.htm

[3] Polar Technology. Filament Winding. https://www.polartechnology.co.uk/capabilities/filament-winding/

図はすべて独自に作成した説明用の模式図です。数値例は理解を助けるための例示です。