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フィラメントワインディングは、主に開口部のある構造物（円筒）や閉じた構造物（圧力容器やタンク）の製造に使用される製造技術です。このプロセスでは、回転するマンドレルに張力をかけながらフィラメントを巻き付けます。マンドレルはスピンドル（軸1またはX：スピンドル）を中心に回転し、キャリッジ（軸2またはY：水平）上の供給アイが回転するマンドレルの軸に沿って水平方向に移動しながら、回転軸に対して所望のパターンまたは角度で繊維を配置します。最も一般的なフィラメントはガラスまたはカーボンで、マンドレルに巻き付けられる際に樹脂浴を通すことで樹脂を含浸させます。マンドレルが所望の厚さまで完全に覆われたら、樹脂を硬化させます。樹脂の種類とその硬化特性に応じて、マンドレルはオートクレーブ滅菌、オーブン加熱、または放射ヒーターの下で回転させて硬化させることがよくあります。樹脂が硬化したら、マンドレルを取り外して中空の最終製品を得ます。ガスボンベなどの一部の製品では、「マンドレル」は完成品の恒久的な一部であり、ガス漏れを防ぐためのライナーとして、あるいは貯蔵される液体から複合材を保護するためのバリアとして機能します。
フィラメントワインディングは自動化に適しており、パイプや小型圧力容器など、人の手を介さずに巻き付け、硬化できる用途が数多くあります。巻き付けの制御変数は、繊維の種類、樹脂含有量、巻き付け角度、繊維束のトウまたはバンド幅、および繊維束の厚さです。繊維を巻き付ける角度は、最終製品の特性に影響を与えます。角度の大きい「フープ」巻きは円周方向の強度を高め、角度の小さいパターン（極性またはらせん状）は縦方向／軸方向の引張強度を高めます。
この技術を用いて現在製造されている製品は、パイプ、ゴルフクラブのシャフト、逆浸透膜ハウジング、オール、自転車のフォーク、自転車のリム、電柱や送電柱、圧力容器、ミサイルのケーシング、航空機の胴体、街灯柱、ヨットのマストなど多岐にわたる。
最もシンプルな巻取り機は、マンドレルの回転軸とキャリッジの移動軸（通常は水平方向）の2つの軸を備えています。2軸巻取り機は、パイプの製造にのみ最適です。LPGやCNG容器などの圧力容器（例えば）の製造には、4軸巻取り機を使用するのが一般的です。4軸巻取り機には、キャリッジの移動軸に垂直なラジアル（クロスフィード）軸と、クロスフィード軸に取り付けられた回転式ファイバー送り出しヘッドが備わっています。送り出しヘッドの回転を利用することで、巻取り中にファイバーバンドがねじれて幅が変化するのを防ぐことができます。
4軸以上の機械は高度な用途に使用でき、6軸巻線機は通常、3つの直線軸と3つの回転軸を備えています。2軸以上の動作軸を持つ機械はコンピュータ/ CNC制御ですが、最近の2軸機はほとんどが数値制御です。コンピュータ制御のフィラメント巻線機では、巻線パターンと機械経路を生成するためにソフトウェアを使用する必要があります。このようなソフトウェアは通常、フィラメント巻線機メーカーから提供されるか、独立した製品として提供されます。
2005年から2007年頃、MF Tech（フランス）とTANIQ（オランダ）は、「手頃な価格で堅牢な代替手段」として、フィラメントワインディングに6自由度産業用ロボットの使用を開始しました。ロボットが回転するマンドレルを保持し、マンドレルの取り扱いに関する追加の自動化ステップも実行する、革新的なワインディングコンセプトがすぐに開発されました。
フィラメントワインディングの後、熱可塑性テープの配置を目的としたロボットシステムがさらに開発された。これには、専用の経路配置ソフトウェアと専用のテープ配置ヘッドが必要となる。
フィラメントワインディングのプロセス。
フィラメントワインディングプロセスには、連続型と不連続型がある。
連続巻線プロセスは、エンドレスバンドから形成されたマンドレル上で、低圧、小径から大径までのパイプを連続的に製造するために使用されます（一般にドロストホルムプロセスとして知られています）。このプロセスで製造されたパイプは、主に媒体（水、下水、廃水）の輸送/配水ネットワークに使用されます。連続フィラメント巻線機は通常、繊維、グラスファイバークロス、ベールを連続的なフープパターンで配置できる2軸機です。これらの機械は通常、複数のチョッパーモーター（部品に多方向の繊維配置を施すため）とサンドホッパー（部品に砂を落として構造的に強化されたコアを形成するため）を備えています。
不連続巻線プロセスは、高圧部品、パイプ、圧力容器、および複雑な部品の製造に使用されます。多軸加工機は、グラスファイバーバンドの巻き付け角度をカスタマイズするために使用されます。
ガラス繊維直接ロービングは樹脂浴に浸され、樹脂システムでコーティングされます。ガラス繊維ロービングの各ストランドは、ガラス繊維ストランドと樹脂の間に二次的な結合を提供するサイジング化学でコーティングされます。サイジングは、単一の樹脂システムと互換性がある（ポリエステルと互換性がある、またはエポキシと互換性があるなど）か、複数のシステムと互換性がある（ポリエステル+エポキシ+ポリウレタンと互換性がある）場合があります。サイジングの互換性は、樹脂と繊維の間の結合を確保する上で重要ですが、ポリウレタン樹脂システムの場合は、樹脂がガラスとサイジングの両方に同様によく結合します。従来の樹脂含浸システムは、「W ディップバス」または「ドクターロール」設計ですが、最近では、廃棄物を削減し、樹脂含浸効果を最大化し、複合マトリックス特性を改善するために、含浸バスに大きな進歩がありました。[ 2 ]これにより、従来のバスと比較して、はるかに優れた含浸と樹脂対ガラス比の制御が実現します。
含浸された繊維束は、部品の形状を形成するために、制御されたパターンでマンドレル（金型コア）に文字通り巻き付けられます。巻き付け後、樹脂は通常、熱を使用して硬化されます。金型コアは取り外される場合もあれば、部品の不可欠な構成要素として残される場合もあります（Rosato、DV）。このプロセスは主に、パイプやタンクなどの中空で、一般的に円形または楕円形の断面を持つ部品に使用されます。圧力容器、パイプ、およびドライブシャフトはすべて、フィラメントワインディングを使用して製造されています。これは、ハンドレイアップ、プルトルージョン、および編組などの他の繊維適用方法と組み合わせて使用されています。圧縮は繊維の張力によって行われ、樹脂含有量は主に計量されます。繊維は、巻き付け前に樹脂を含浸（湿式巻き付け）、事前含浸（乾式巻き付け）、または事後含浸することができます。湿式巻き付けには、保管寿命が長く、粘度が低い最も低コストの材料を使用できるという利点があります。事前含浸システムでは、より均一な樹脂含有量の部品が製造され、多くの場合、より速く巻き付けることができます。
繊維張力は、複合構造物の構築において重要な要素です。繊維の張力が低すぎると、複合積層構造の機械的強度と性能が低下します。張力が高すぎると、繊維のほつれや毛羽立ちが発生する可能性があります。また、張力が過剰になると、積層体中の樹脂とガラスの比率が許容範囲を超え、媒体や液体を輸送する用途には適さない積層体になってしまうこともあります。
グラスファイバー製テンショナーは、その設置場所や、グラスファイバー繊維の含浸前または含浸後に応じて、乾式または湿式の張力を与えることができる。
ガラス繊維はフィラメントワインディングに最もよく使用される繊維であり、炭素繊維やアラミド繊維も使用されます。高強度で重要な航空宇宙構造のほとんどはエポキシ樹脂またはポリウレタン樹脂で製造され、その他のほとんどの用途ではエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、またはより安価なポリエステル樹脂が指定されます。途切れや継ぎ目なく連続した補強材を使用できることは、約60%から80%という高い繊維体積率が得られることと同様に、明確な利点です。フィラメントワインディング構造の内面のみが滑らかになりますが、外面に二次加工を施す必要があります。部品は通常、マンドレルを取り外す前に高温で硬化されます。機械加工や研削などの仕上げ加工は通常必要ありません（Furness, J., Azom.com）。
ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂システムを使用するグラスファイバー製造工程の従業員は、高濃度のスチレンなど、複数の危険にさらされています。[ 3 ]スチレン排出規制や制限が厳しくなるにつれて、業界は揮発性溶剤を含まないポリウレタンなどの樹脂システムへと徐々に移行しています。
ビスフェノールA （BPA）はエポキシ樹脂システムの主要成分です。BPAは内分泌かく乱物質である疑いがあり、多くの国で哺乳瓶などの製品への使用が禁止されています。BPAは動物実験で生殖毒性、発達毒性、全身毒性を示し、弱いエストロゲン作用があるため、特に子供の健康と環境への潜在的な影響について疑問があります。米国環境保護庁（US-EPA）は、この用途では人や環境への曝露の可能性があるため、水道管や廃水管の内張りに使用されているBPAベースの材料中のBPAの代替分析を開始する予定です。[ 4 ] パイプなどのエポキシベースの複合製品からのBPAは、高温にさらされると流体媒体（水）に溶出する可能性があり、懸念の原因となっています。