JP2007514059A - 連続ワイヤーで直接織られた３次元の多孔質軽量構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

連続したワイヤー群で形成される３次元多孔質軽量構造体及びその製造方法に関するもので，特に，空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群を互いに交差させることによって形成される強度や剛性などの機械的物性に優れた３次元軽量構造体と，これを低費用・大量に生産する方法を提供する。該３次元多孔質軽量構造体は，理想的なオクテットトラス又はカゴメトラスに類似した形態を持つことを特徴とする。本発明による３次元多孔質軽量構造体は，必要によってワイヤーの交差点を溶接，ろう付け，ハンダ付け，液体又はスプレー形態の接着剤などで接合し，軽いながらも機械的に強度及び剛性度の高い構造材として活用できる。また，構造体内部の空間の全部又は一部を樹脂や金属などで埋め込んで３次元繊維強化型複合材料として活用できる。
【選択図】図９

Description

本発明は，連続したワイヤー群で形成される３次元多孔質軽量構造体及びその製造方法に関し，特に，空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群を互いに交差させることによって，理想的なオクテットトラス又はカゴメトラス形態に類似して形成された，強度や剛性などの機械的物性に優れたトラス形態の３次元軽量構造体とこれを低費用・大量に生産する方法に関する。

従来，多孔質の軽量構造体に類似した材料として発泡金属（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）が知られている。この発泡金属は，液体又は半固体状態の金属内部に気泡を発生させる方法（閉鎖型）や，スポンジのような開放型発泡樹脂を鋳型として鋳造する方法（開放型）で製造される。しかし，発泡金属は，強度，剛性などの機械的物性が相対的に悪く，高い生産コストがかかるため，宇宙航空分野などの特殊な分野を除けば，ほとんど実用化されなかった。

かかる発泡金属に取って代わる素材として，周期的なトラス構造を持つ開放型軽量構造体が開発されてきた。これは，精密な数学的・力学的計算によって最適の強度及び剛性度を持つように設計されたトラス構造を有するため，機械的物性に優れている。最も一般的なトラス構造の形態としては，正四面体と正八面体とが組み合わせられた形態のオクテット（Ｏｃｔｅｔ）トラスが挙げられる（Ｒ．Ｂｕｃｋｍｉｎｓｔｅｒ Ｆｕｌｌｅｒ，１９６１，ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ２，９８６，２４１）。これは，トラスの各要素が互いに正三角形をなしているため，強度と剛性の面に優れている。さらに，最近では，このようなオクテットトラスを変形したカゴメ（Ｋａｇｏｍｅ）トラスが発表された（Ｓ．Ｈｙｕｎ，Ａ．Ｍ．Ｋａｒｌｓｓｏｎ，Ｓ．Ｔｏｒｑｕａｔｏ，Ａ．Ｇ．Ｅｖａｎｓ，２００３．Ｉｎｔ．Ｊ．ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．４０，ｐｐ．６９８９−６９９８）。

図１を参照して，オクテットトラス１０１とカゴメトラス１０２を２次元的に比較すると，オクテットトラス１０１の単位セル１０１ａとは異なり，カゴメトラス１０２の単位セル１０２ａは，各面に正三角形と正六角形が混在する構造を有する。図２及び図３は，それぞれ３次元オクテットトラス２０１と３次元カゴメトラス２０２構造における１つの層を示す図である。３次元オクテットトラス２０１の単位セル２０１ａと３次元カゴメトラス２０２の単位セル２０２ａとを比較してみると，３次元カゴメトラス２０２の主な特徴の一つは，構造自体が等方性（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）であるため，これを基盤とする構造材又はその他の材料の種々の機械的物性，電気的物性が方向によらず均一であるという点である。

一方，トラス形態の多孔質軽量構造体の製造方法として，次のようなものが知られている。その１つは，樹脂でトラス構造を作り，これを鋳型として金属を鋳造し製造する方法である（Ｓ．Ｃｈｉｒａｓ，Ｄ．Ｒ．Ｍｕｍｍ，Ｎ．Ｗｉｃｋｓ，Ａ．Ｇ．Ｅｖａｎｓ，Ｊ．Ｗ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，Ｋ．Ｄｈａｒｍａｓｅｎａ，Ｈ．Ｎ．Ｇ．Ｗａｄｌｅｙ，Ｓ．Ｆｉｃｈｔｅｒ，２００２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｖｏｌ．３９，ｐｐ．４０９３−４１１５）。

第２は，薄い金属板に周期的な穴をあけて網状にし，これを折り曲げてトラス中間層を構成した後に，その上下部に面板を付着する方法である（Ｄ．Ｊ．Ｓｙｐｅｃｋ ａｎｄ Ｈ．Ｎ．Ｇ． Ｗａｄｌｅｙ，２００２，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．４，ｐｐ．７５９−７６４）。ここで，２層以上の多層構造にする場合には，上部面板の上に再び折り曲げて作ったトラス中間層を置き，その上に面板を付着する。第３は，互いに直交する２方向のワイヤーで網状の金網を編み，これを積層して接合する方法である（Ｄ．Ｊ．Ｓｙｐｅｃｋ ａｎｄ Ｈ．Ｇ．Ｎ．Ｗａｄｌｅｙ，２００１，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．，Ｖｏｌ．１６，ｐｐ．８９０−８９７）。

第１の方法は，製造工程が複雑なために高コストとなり，鋳造性に優れた金属に限って製造が可能なために適用範囲が狭く，しかも，その結果物は鋳造組織の特性上，欠陥が多く，強度が足りないという欠点がある。第２の方法は，薄い金属板に穴をあける過程において材料の損失が多く，１層のトラスを持つサンドウィッチ板材の場合には特に問題はないが，数層を持つ構造体を製造するためには板材を重ねて接合しなければならず，接合部が多すぎ接合費用と強度面で不利となる。

一方，第３の方法の場合も，形成されたトラスが基本的に正四面体やピラミッドのような理想的な形状でないため機械的な強度に劣り，上記第２の方法と同様に，板材を積層して接合しなければならず，接合部が多すぎ接合費用と強度面で不利となる。

図４は，上記第３の方法によって製造された構造体を示す図で，網状の金網を重ねて製造した軽量構造体である。この方法は，製造コストを節減できると知られているが，単に２方向の針金を，繊維を編むように組み合わせるため，上記の３次元オクテットトラス２０１や３次元カゴメトラス２０２のように機械的物性や電気的物性などが最適化した理想的な構造が得られなく，接合する箇所が多すぎコストや強度面で不利である。

一方，通常の繊維強化複合材料は，薄い２次元板（ｌａｍｉｎａ）の形態に製作され，厚い素材が必要な場合にはこれを積層して使用する。しかし，この場合は層間分離現象が発生し強度が劣化するため，繊維をはじめから３次元に織り，以降樹脂，金属などの気質（ｍａｔｒｉｘ）と複合させる方法を使用する。図５は，このような３次元繊維強化複合材料において織られた繊維の形状を示す斜視図である。繊維の代わりに，金属線のように強直性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）の大きい素材を使用し，図５のような３次元織りを通じて多孔質の軽量構造体を作っても良い。しかしながら，これもまた，上述した理想的なオクテット又はカゴメトラス構造を有しないため，機械的強度が低く，方向によって物性が異なってくる。このため，３次元織りの繊維で製作された複合材料も，劣悪な機械的物性を有することになる。

本発明は，従来技術の問題点を解決するためのもので，その目的は，空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群を互いに交差させることによって形成した，強度や剛性などの機械的物性に優れたトラス形態の３次元軽量構造体とこれを低費用・大量に生産する方法を提供することにある。

本発明による３次元軽量構造体は，網状のワイヤーを単に積層して接合する方式ではなく，連続ワイヤーが３次元に直接織られる方式によって形成され，理想的なオクテットトラスやカゴメトラス又はカゴメトラスに極めて類似した構造を有するもので，機械的物性や電気的物性に非常に優れていることを特徴とする。

上記目的を達成するために，本発明の一様態によれば，空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群で形成される３次元多孔質軽量構造体において，多孔質軽量構造体の単位セルは，第１ワイヤー，第２ワイヤー及び第３ワイヤーが同一平面上で正三角形を形成するように交差し，第４ワイヤーが第２ワイヤーと第３ワイヤーとの交差点を交差し，第５ワイヤーが第１ワイヤーと第２ワイヤーとの交差点を交差し，第６ワイヤーが第３ワイヤーと第１ワイヤーとの交差点を交差し，第４ワイヤー，第５ワイヤー及び第６ワイヤーが１つの基準交差点を交差することによって形成される第１正四面体と，第１ワイヤー，第２ワイヤー及び第３ワイヤーと平行な一群のワイヤーのそれぞれが，基準交差点を通過して延びている第４ワイヤー，第５ワイヤー及び第６ワイヤーから選択される２つのワイヤーと交差することによって第１正四面体と相似形に形成され基準交差点で接するようになる第２正四面体と，を備え，ワイヤーは，互いに６０度又は１２０度で交差し，単位セルは，３次元空間上で反復して形成されることによってトラス形態の構造体を形成することを特徴とする３次元多孔質軽量構造体が提供される。

第１正四面体及び第２正四面体の頂点を正面として見る時，６方向のワイヤー群のうち，頂点を形成する３方向のワイヤーが，時計回り方向に又は反時計回り方向に交差してもよい。
好ましくは，第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１であるとしてもよい。

また，第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１超過１：１０以下であるとしてもよい。

ワイヤーは，金属，セラミック，合成樹脂，繊維強化合成樹脂の中から選択されるいずれか１つであるとしてもよい。

ワイヤーの交差点は，液体やスプレー形態の接着剤，ろう付け，ハンダ付け，溶接の中から選択されたいずれか１つで接着されてもよい。

本発明の他の様態によれば，本発明による３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，構造体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる複合強化材が提供される。

本発明のさらに他の様態によれば，本発明による３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，構造体の単位セルを構成する第１正四面体と第２正四面体のうち小さい正四面体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる複合強化材が提供される。

本発明のさらに他の様態によれば，空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群で形成される３次元多孔質軽量構造体を製造する方法において，第１ワイヤー，第２ワイヤー及び第３ワイヤーを同一平面上で交差させて正三角形を形成する段階と，第４ワイヤーを第２ワイヤーと第３ワイヤーとの交差点に交差させ，第５ワイヤーを第１ワイヤーと第２ワイヤーとの交差点に交差させ，第６ワイヤーを第３ワイヤーと第１ワイヤーとの交差点に交差させ，第４ワイヤー，第５ワイヤー及び第６ワイヤーを一つの基準交差点に交差させることによって，第１正四面体を形成する段階と，第１ワイヤー，第２ワイヤー及び第３ワイヤーと平行な一群のワイヤーのそれぞれを，基準交差点を通過して延びている第４ワイヤー，第５ワイヤー及び第６ワイヤーから選択される２つのワイヤーに交差させることによって，第１正四面体と相似形に形成され基準交差点で接するようになる第２正四面体を形成する段階と，第１正四面体と第２正四面体とで構成される単位セルが３次元空間上で反復して形成されるようにすることによってトラス形態の構造体を形成することを特徴とする３次元多孔質軽量構造体の製造方法が提供される。

上記本発明の方法において，第１及び第２正四面体の頂点を正面にして見る時，６方向のワイヤー群のうち，頂点を形成する３方向のワイヤーが時計回り方向又は反時計回り方向に交差してもよい。

好ましくは，第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１であるとしてもよい。

また，第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１超過１：１０以下であるとしてもよい。

ワイヤーは，金属，セラミック，合成樹脂，繊維強化合成樹脂の中から選択されるいずれか１つであるとしてもよい。

上記本発明の方法は，ワイヤーの交差点を接着する段階をさらに備え，これらワイヤーの交差点は，液体やスプレー形態の接着剤，ろう付け，ハンダ付け，溶接の中から選択されたいずれか１つを用いて接着されるとしてもよい。

本発明の他の様態によれば，本発明によって製造された３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，構造体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる複合強化材の製造方法が提供される。

本発明のさらに他の様態によれば，本発明による３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，構造体の単位セルを構成する第１正四面体と第２正四面体のうち小さい正四面体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる複合強化材の製造方法が提供される。

上述の如く，本発明によれば，理想的なカゴメトラス又はオクテットトラスの形態と類似していて機械的物性に優れた３次元多孔質軽量構造体を，低費用で且つ連続的な工程によって生産することが可能になる。

従来３次元構造体を構成する各層に該当する部分を先に作った後，順に重ねるか鋳造をする方法を使用する場合，生産工程が非連続的であるため費用面で不利であったが，本発明は，あたかも繊維を編むかのように連続ワイヤーを織る方法を使用するため，３次元トラス形態を一括した工程で連続して生産でき，その結果，大量生産及び費用節減に有利となる。

以下，添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。図６は，３方向の平行なワイヤー群で製作された２次元カゴメトラスに類似した構造体を示す平面図であり，図７は，図６の２次元構造体を，図３の３次元カゴメトラスに類似した構造体に変換した時，図６のＡ部分に対応する単位セルを示す斜視図であり，図８は，図３のカゴメトラスの単位セルを６方向ワイヤーで構成した状態を示す斜視図であり，図９は，６方向ワイヤー群で製造されたカゴメトラス形態の３次元多孔質構造体を示す斜視図であり，図１０は，図９の構造体を異なる角度から見た形状を示す斜視図であり，図１１は，図９の構造体において３方向ワイヤー群が形成する正四面体の頂点を頂点正面から見た斜視図であり，図１２は，図１１の相異なるワイヤー交差方式によって形成された単位セルを示す斜視図であり，図１３は，図９の構造体においてワイヤーの交差点間の長さを異にして形成されるオクテットトラス形態の３次元多孔質構造体を示す斜視図であり，図１４は，図１３の構造体を構成する単位セルを示す斜視図であり，図１５は，本発明によってワイヤーで構成された３次元トラス型多孔質軽量構造体を形成する順序を示す流れ図である。

まず，本発明による３次元多孔質軽量構造体の構造について説明する。

図６は，図１の右側に示した２次元カゴメトラスに類似するように，３方向のワイヤー群１，２，３で形成した構造体である。ワイヤー群１，２，３を素材とし，３軸織りで製造された２次元カゴメトラスは，それぞれの交差点において２線が６０度又は１２０度の方位角で交差している。トラスを構成する各要素が，連続するワイヤーに取り替えられたため，交差点で互いに交わりながら若干の屈曲ができる以外は，理想的なカゴメトラスと極めて類似した構造を持つ。

図７は，図６のＡで表示された部分を３次元に形状化したもので，お互い向かい合う正三角形が正四面体形態に変わり，交差点では２つのワイヤーでなく３つのワイヤーが互いに６０度又は１２０度で交差している。この構造は，３次元空間上に互いに同じ角度を持つように配置された６方向のワイヤー群４，５，６，７，８，９で構成される。

該６方向のワイヤー群４，５，６，７，８，９で構成された単位セルは，基本的に互いに相似形となる２つの正四面体が１つの頂点に対して対称的に向かい合う構造を有する。次に，このような単位セルの構造について詳細に説明する。

ワイヤー群４，５，６が同一平面（Ｘ−Ｙ平面）上で互いに交差して正三角形を形成する。また，ワイヤー７がワイヤー５とワイヤー６との交差点を交差し，ワイヤー８がワイヤー４とワイヤー５との交差点を交差し，ワイヤー９がワイヤー６とワイヤー４との交差点を交差する。この場合，ワイヤー群６，９，７が互いに交差して正三角形を形成し，ワイヤー群４，８，９が互いに交差して正三角形を形成し，ワイヤー群５，７，８が互いに交差して正三角形を形成する。これによって６方向のワイヤー群４，５，６，７，８，９が１つの正四面体（第１正四面体）を形成するようになる。

上記Ｘ−Ｙ平面上側でワイヤー群７，８，９が互いに交差して形成する第１正四面体の頂点（基準頂点）の上側に位置し，ワイヤー群４，５，６と同一方向を持つ他のワイヤー群４’，５’，６’の中から選択されるそれぞれのワイヤーは，ワイヤー群７，８，９の中から選択される２つのワイヤーと互いに交差して正三角形を形成するように配置される。これによって，ワイヤー群４’，５’，６’，７，８，９は他の正四面体（第２正四面体）を形成する。結果的に，ワイヤー群７，８，９によって形成された交差点を中心としてワイヤー群４，５，６，７，８，９によって形成された正四面体（第１正四面体）とワイヤー群４’，５’，６’，７，８，９によって形成された正四面体（第２正四面体）とが向かい合う形態の３次元多孔質軽量構造体１０の単位セルが形成される。この場合，第１正四面体と第２正四面体は相似形となり，相似比（長さ比）が１：１であればカゴメトラスと類似した構造体を形成し，相似比が１：１よりもはるかに大きいと，第１正四面体は第２正四面体に比べてはるかに小さいために１つの点とされ，よって，オクテットトラスに類似した構造体を形成するようになる。

このようにオクテットトラスに類似した多孔質軽量構造体を形成する場合，小さい正四面体と大きい正四面体の相似比は，１：１０以下にすると好ましい。相似比が１：１０を超過すると，小さい正四面体を構成する上でワイヤーが極めて小さい曲率半径を持つように曲げなければならいため製造上難点があり，また，大きい正四面体の各角をなすワイヤーの縦横比が過度に大きくなり，座屈（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）が起きやすくなる。

続いて，単位セル１０を３次元の各方向に複数個形成すべく，上記と同じ方式でワイヤー群４，５，６，７，８，９によって形成された正四面体の残りの頂点においても互いに向かい合う正四面体が形成されるようにワイヤーを配置し，これによって，単位セルが３次元空間で反復して組み合わせられたトラス形態の多孔質軽量構造体が形成される。

このような６方向ワイヤーのワイヤーの配置により，図３の３次元カゴメトラスに類似した単位セルを構成でき，これが図８に示されている。

図９は，以上の方法で製作された，ワイヤーを用いた３次元カゴメトラス集合体を示すもので，図７又は図８の単位セルが反復して組み合わせられた形態を有する３次元トラス型多孔質軽量構造体１１を示す。

図１０に示すように，カゴメトラス形態の３次元多孔質軽量構造体１１は，見る方向によってさまざまな形状を見せる。特に，図１０の最下図は，図６の２次元カゴメトラスとごく類似しているが，６方向のワイヤー群のうちいずれか１つのワイヤーを基準として見たものである。すなわち，本発明による３次元多孔質軽量構造体１１の構造は，３次元空間上に相互同じ角度（６０度又は１２０度）を持つ６つのワイヤーの軸方向から見る時，いずれも同じ形状に見える。

３つのワイヤーが交差する部分は全て正四面体の頂点に該当する部分で，頂点の正面から見ると，図１１に示すような２種類の方式でワイヤーが交差している。すなわち，上図のように３つのワイヤーが時計回り方向に互いに重なる形状に交差する方式と，下図のように反時計回り方向に互いに重なる形状に交差する方式である。ワイヤーが時計回り方向に互いに重なる形状に交差すると，図１２の上図のように，単位セルを構成する正四面体が凹状となり，ワイヤーが反時計回り方向に互いに重なる形状に交差すると，図１２の下図のように，単位セルを構成する正四面体が凸状となる。いずれの場合も，理想的なカゴメトラス又は後述するオクテットトラスに類似した形態の多孔質軽量構造体が得られるので好ましい。

一方，図１０に示す多孔質軽量構造体は，全ての交差点間のワイヤー長が同じであるが，もし，ある四面体の辺に該当するワイヤー長を非常に短くし，その隣接する四面体の辺に該当するワイヤー長は相対的に長くすると，図２の理想的なオクテットトラスに類似した構造が得られる。この場合，多孔質軽量構造体の単位セルを構成する２つの正四面体の相似比は１：１でない。

このようなオクテットトラスに類似した多孔質軽量構造体１２を，図１３に示す。

図１４は，図１３の一部を拡大して示すもので，小さい四面体と大きい四面体が互いに向かい合っている。ワイヤーの位置を固定するために接合剤を加えると，小さい四面体内部は接合剤で埋め込まれオクテットトラス単位セル１３の頂点として働く。

次に，本発明による３次元多孔質軽量構造体を製造する方法について説明する。

図１５は，ワイヤーで構成された３次元トラス形態の多孔質軽量構造体を形成する順序を示す流れ図であり，この製造方法は，３つのワイヤー４，５，６がＸ−Ｙ平面上で互いに交差して正三角形を形成する基本正三角形形成段階と，ワイヤー７がワイヤー５とワイヤー６との交差点を交差し，ワイヤー８がワイヤー４とワイヤー５との交差点を交差し，ワイヤー９がワイヤー６とワイヤー４との交差点を交差し，３つのワイヤー６，９，７が互いに交差して正三角形を形成し，３つのワイヤー４，８，９が互いに交差して正三角形を形成し，３つのワイヤー５，７，８が互いに交差して正三角形を形成することによって，正四面体（第１正四面体）を形成する基本正四面体形成段階と，６つのワイヤー４，５，６，７，８，９が正四面体の各角に位置しながら，Ｘ−Ｙ平面の上側で３つのワイヤー７，８，９が交差する正四面体の頂点上側に３つのワイヤー４，５，６のそれぞれと同一方向の３つのワイヤー４’，５’，６’を互いに交差させて正三角形を形成する他の正三角形の形成段階と，３つのワイヤー４’，８，９，３つのワイヤー５’，７，８，３つのワイヤー６’，９，７のそれぞれは，互いに交差してそれぞれ正三角形を形成し，６つのワイヤー４’，５’，６’，７，８，９が他の正四面体（第２正四面体）を形成するようにする他の正四面体の形成段階と，３つのワイヤー７，８，９の交差点を中心として６つのワイヤー４，５，６，７，８，９によって形成された正四面体と，６つのワイヤー４’，５’，６’，７，８，９が互いに向かい合う形態の単位セル形成段階と，以上と同じ方式で６つのワイヤー４，５，６，７，８，９が形成する正四面体の残りの頂点でも互いに向かい合う正四面体が作られるようにワイヤーを配置することによって上記単位セルが複数に反復して形成されるようにする３次元多孔質軽量構造体の形成段階と，を含む。この場合，第１正四面体と第２正四面体は相似形であり，その相似比が１：１であればカゴメトラスに類似した構造体を形成し，相似比が１：１よりもはるかに大きいと，上述したようにオクテットトラスに類似した構造体を形成するようになる。

上記のようにして製造される３次元トラス型多孔質軽量構造体のワイヤー素材は，特に制限されず，金属，セラミック，繊維，合成樹脂，繊維強化合成樹脂などを使用可能である。

また，ワイヤー４，５，６，４’，５’，６’，７，８，９は，交差点でお互い堅固に接合されても良い。この場合，接着手段は特に限定されず，液体やスプレー形態の接着剤，ろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ），ハンダ付け，溶接などの手段が使用可能である。

また，ワイヤー径や多孔質軽量構造体の大きさにも制限はない。例えば，数十メートル単位の鉄筋などを使用する場合，建築物などの構造材にも適用可能である。

逆に，数ミリメートルワイヤーが用いられる場合，その多孔質軽量構造体は，複合強化材の骨格としても応用可能である。例えば，本発明による３次元多孔質軽量構造体を基本骨格とし，構造体の空間を液状又は半固形の樹脂や金属などで埋め凝固させると，剛性と靱性などに優れた複合強化材を製造できる。さらに，図１２に示したオクテット形態の３次元多孔質軽量構造体を用いる場合，単位セルをなす正四面体のうち，小さいセルのみを樹脂又は金属で埋め込んで複合強化材を製造しても良い。この複合強化材は完璧な等方性材料であって，その物性が方向によらず均一なため，任意の形状に切断して使用でき，また，繊維が互いに交差して干渉するため，通常の複合材料で発生する層間分離（ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）や繊維離脱（ｐｕｌｌ−ｏｕｔ）などの損傷が発生しない。

本発明によれば，理想的なカゴメトラス又はオクテットトラスの形態と類似していて機械的物性に優れた３次元多孔質軽量構造体を，低費用で且つ連続的な工程によって生産することが可能になる。

従来３次元構造体を構成する各層に該当する部分を先に作った後，順に重ねるか鋳造をする方法を使用する場合，生産工程が非連続的であるため費用面で不利であったが，本発明は，あたかも繊維を編むかのように連続ワイヤーを織る方法を使用するため，３次元トラス形態を一括した工程で連続して生産でき，その結果，大量生産及び費用節減に有利となる。

以上の説明は本発明の具体的な実施形態に関するものである。これら実施形態は，本発明を説明するための例示にすぎず，当業者にとって本発明の本質を外れない範囲内で種々の変更及び修正が可能である。したがって，これら修正及び変更はいずれも特許請求の範囲上に開示された発明の範囲又はその均等物に該当するものとして理解されるべきである。

従来のオクテットトラスとカゴメトラス構造とを２次元的に比較して示す図である。 従来の３次元オクテットトラスにおける１つの層を示す平面図及び側面図，そしてオクテットトラスの単位セルを示す斜視図である。 従来の３次元カゴメトラスにおける１つの層を示す平面図及び側面図，そしてカゴメトラスの単位セルを示す斜視図である。 従来技術によって網状の金網を重ねて製造した軽量構造体を示す斜視図である。 従来技術によって繊維を織って製造した３次元繊維強化複合材料を示す斜視図及び詳細構造図である。 ３方向の平行なワイヤー群で製作された図１の２次元カゴメトラスに類似した構造体を示す平面図である。 図６の２次元構造体を図３の３次元カゴメトラスに類似した構造体に変換した時，図６のＡ部分に対応する単位セルの斜視図である。 図３のカゴメトラスの単位セルを６方向ワイヤーで構成した状態を示す斜視図である。 ６方向ワイヤー群で製造されたカゴメトラス形態の３次元多孔質構造体を示す斜視図である。 図９の構造体を他の角度から見た形状を示す斜視図である。 図９の構造体において３方向ワイヤー群が形成する正四面体の頂点を，頂点正面から見た斜視図である。 図１１の相異なるワイヤー交差方式によって形成された単位セルを示す斜視図である。 図９の構造体においてワイヤーの交差点間の長さを異にして形成されるオクテットトラス形態の３次元多孔質構造体を示す斜視図である。 図１３の構造体を構成する単位セルを示す斜視図である。 本発明によってワイヤーで構成された３次元トラス型多孔質軽量構造体を形成する順序を示す流れ図である。

Claims (16)

1. ３次元空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群で形成される３次元多孔質軽量構造体であって：
   前記多孔質軽量構造体の単位セルは，
   第１ワイヤー４，第２ワイヤー５及び第３ワイヤー６が同一平面上で正三角形を形成するように交差し，第４ワイヤー７が前記第２ワイヤー５と前記第３ワイヤー６との交差点を交差し，第５ワイヤー８が前記第１ワイヤー４と前記第２ワイヤー５との交差点を交差し，第６ワイヤー９が前記第３ワイヤー６と前記第１ワイヤー４との交差点を交差し，前記第４ワイヤー７，前記第５ワイヤー８及び前記第６ワイヤー９が１つの基準交差点を交差することによって形成される第１正四面体と；
   前記第１ワイヤー４，前記第２ワイヤー５及び前記第３ワイヤー６と平行な一群のワイヤー４’，５’，６’のそれぞれが，前記基準交差点を通過して延びている前記第４ワイヤー７，前記第５ワイヤー８及び前記第６ワイヤー９から選択される２つのワイヤーと交差することによって前記第１正四面体と相似形に形成され前記基準交差点で接するようになる第２正四面体と；
   を備え，
   前記ワイヤーは，互いに６０度又は１２０度で交差し，
   前記単位セルは，３次元空間上で反復して形成されることによってトラス形態の構造体を形成することを特徴とする，３次元多孔質軽量構造体。
2. 前記第１正四面体及び第２正四面体の頂点を正面として見る時，前記６方向のワイヤー群のうち，頂点を形成する３方向のワイヤーが，時計回り方向に又は反時計回り方向に交差していることを特徴とする，請求項１に記載の３次元多孔質軽量構造体。
3. 前記第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１であることを特徴とする，請求項１に記載の３次元多孔質軽量構造体。
4. 前記第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１超過１：１０以下であることを特徴とする，請求項１に記載の３次元多孔質軽量構造体。
5. 前記ワイヤーは，金属，セラミック，合成樹脂，繊維強化合成樹脂の中から選択されるいずれか１つであることを特徴とする，請求項１に記載の３次元多孔質軽量構造体。
6. 前記ワイヤーの交差点は，液体やスプレー形態の接着剤，ろう付け，ハンダ付け，溶接の中から選択されたいずれか１つで接着されることを特徴とする，請求項１に記載の３次元多孔質軽量構造体。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載の３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，前記構造体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる複合強化材。
8. 請求項４に記載の３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，前記構造体の単位セルを構成する第１正四面体と第２正四面体のうち小さい正四面体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる複合強化材。
9. 空間上で互いに６０度又は１２０度の方位角を持つ６方向の連続したワイヤー群で形成される３次元多孔質軽量構造体を製造する方法であって：
   第１ワイヤー４，第２ワイヤー５及び第３ワイヤー６を同一平面上で交差させて正三角形を形成する段階と；
   第４ワイヤー７を前記第２ワイヤー５と前記第３ワイヤー６との交差点に交差させ，第５ワイヤー８を前記第１ワイヤー４と前記第２ワイヤー５との交差点に交差させ，第６ワイヤー９を前記第３ワイヤー６と前記第１ワイヤー４との交差点に交差させ，前記第４ワイヤー７，前記第５ワイヤー８及び前記第６ワイヤー９を一つの基準交差点に交差させることによって，第１正四面体を形成する段階と；
   前記第１ワイヤー４，前記第２ワイヤー５及び前記第３ワイヤー６と平行な一群のワイヤー４’，５’，６’のそれぞれを，前記基準交差点を通過して延びている前記第４ワイヤー７，前記第５ワイヤー８及び前記第６ワイヤー９から選択される２つのワイヤーに交差させることによって，前記第１正四面体と相似形に形成され基前記準交差点で接するようになる第２正四面体を形成する段階と；
   前記第１正四面体と第２正四面体とで構成される単位セルが３次元空間上で反復して形成されるようにすることによってトラス形態の構造体を形成する段階と；
   を含むことを特徴とする，３次元多孔質軽量構造体の製造方法。
10. 前記第１及び第２正四面体の頂点を正面にして見る時，前記６方向のワイヤー群のうち，頂点を形成する３方向のワイヤーが時計回り方向又は反時計回り方向に交差していることを特徴とする，請求項９に記載の３次元多孔質軽量構造体の製造方法。
11. 前記第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１であることを特徴とする，請求項９に記載の３次元多孔質軽量構造体の製造方法。
12. 前記第１正四面体と第２正四面体との相似比が１：１超過１：１０以下であることを特徴とする，請求項９に記載の３次元多孔質軽量構造体の製造方法。
13. 前記ワイヤーは，金属，セラミック，合成樹脂，繊維強化合成樹脂の中から選択されるいずれか１つであることを特徴とする，請求項９に記載の３次元多孔質軽量構造体の製造方法。
14. 前記ワイヤーの交差点を接着する段階をさらに備え，
    これらワイヤーの交差点は，液体やスプレー形態の接着剤，ろう付け，ハンダ付け，溶接の中から選択されたいずれか１つを用いて接着されることを特徴とする，請求項９に記載の３次元多孔質軽量構造体の製造方法。
15. 請求項９〜１４のいずれか１によって製造された３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，前記構造体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる，複合強化材の製造方法。
16. 請求項１２による３次元多孔質軽量構造体を骨格とし，前記構造体の単位セルを構成する第１正四面体と第２正四面体のうち小さい正四面体の空間を合成樹脂，セラミック又は金属で埋め込んでなる，複合強化材の製造方法。