JP3876304B2 - 高性能衝撃吸収体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属の衝撃吸収用多孔質要素構成体に関するものであり、更に詳しくは、特に、空隙率の高い多孔質要素構成体を作製する際に適用して好適な衝撃吸収性を発揮させる中空擬似球体の製造方法及び衝撃吸収用多孔質要素構成体に関するものである。本発明は、高変形能及び高強度を有する中空擬似金属球を要素とする衝撃吸収材料の生産とその利用を実現化するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、衝撃の吸収に使用される構造体は、所定の空間に中空の要素を充填し、その構造の有する変形特性により衝撃エネルギーを吸収させるように設計される場合が多い。例えば、ハニカムパネルのような金属製構造体がその好例である。しかし、こうした構造では、特定の方向では大きな衝撃吸収特性が得られるものの、その方向がわずかでもずれると、極めて小さな衝撃吸収特性しか得られないという欠点がある。
【０００３】
一方、大きな力がかからない条件下で、軽量かつ安価に衝撃吸収性を確保したい場合には、例えば、軟質の樹脂や発泡性樹脂等がこの目的に使用されていることも多い。しかし、この種の材料を用いた場合には、樹脂特有の変形能の小ささと、変形応力の低さから、十分な衝撃エネルギー吸収が行われないという欠点があった。
【０００４】
そこで、これらの材料の問題点を改善するために、この種の衝撃吸収用材料を、金属製多孔質要素構成体とすることが考えられる。すなわち、この構成体は、所定の空間に、中空の球材、円柱材、角柱材、積層材、中空箱材等の金属製構成要素を充填した構造を有するものである。その際に、これらの構成体は、要素の充填率とその強度の点から、中空の球材ないし擬似球材が最も望ましいことが判っている。このように、衝撃吸収用材料を中空の球材ないし擬似球材からなる金属製多孔要素構成体とした場合には、金属材料が有する最適な変形応力と、その靱性に由来する変形能の大きさから、極めて大きな衝撃エネルギー吸収性能を実現することができる。また、衝撃吸収用材料材料を、このような多孔要素構成体とすることで、金属材料を用いながらこれを極めて軽量化することが実現できる。
【０００５】
このように、金属多孔質要素構成体を衝撃吸収用材料に用いることで種々の利点が得られるが、この種の金属多孔質要素構成体は、その多孔質構造に由来して、以下のような各種用途に用いることができる。すなわち、この種の多孔質構造体はその多孔質構造に由来して熱伝導率が低く、従って、低い熱伝導率が求められるような用途の材料として、あるいは、その多孔質構造に由来して弾性率が低減されるために、振動の抑制が求められる用途の材料、その他として、好適に用いることができる。
【０００６】
ところで、この種の金属多孔質要素、すなわち、中空の金属球あるいは擬似金属球の製造方法として、従来、以下のような方法が知られている。第１の方法は、発泡ポリウレタンのような易燃焼性の球形高分子材料の周囲に金属スラリーをまぶし、乾燥後、高分子材料を焼失すると同時に金属を焼結させ、球状の中空金属を作製する方法である。
【０００７】
第２の方法は、発泡ポリウレタンのような易燃焼性の球形高分子材料の周囲に、メッキや溶融金属のスプレーによって金属皮膜を形成し、その後、高分子材料を焼失させることによって、球状の中空金属を作製する方法である。第３の方法は、板材からプレス等で成形したり、ダイキャスト鋳造法や低圧鋳造法を用いて半球状の金属を製造し、その二つの半球を溶接、ロウ付け、かしめ等で接合して、中空の金属球とする方法である。
【０００８】
しかしながら、上記第１の方法、すなわち、金属スラリーを用いる方法の場合は、形成された金属膜を高分子材料の燃焼ガスが通過する必要があり、また、金属スラリーから焼結するため、金属膜が極めて多孔質となり、強度が著しく低いものしか作製できないという問題がある。その上、この方法では、そのプロセスが複雑となり、製造コストがかなり高いものとなる。
【０００９】
一方、第２の方法、すなわち、メッキやスプレーを用いる方法の場合は、作製できる中空金属構造体がニッケル等や低融点金属に限定されてしまう上、生産性が低いという問題がある。また、この方法では、第１の方法と同様に、高分子材料の燃焼ガスを形成された金属膜を通して外部に出す必要があるため、金属皮膜にガスが透過した穴が局所的に発生し、 一様な金属皮膜を取得することは困難である。
【００１０】
また、第３の方法、すなわち、それぞれの球体を機械加工で製造する方法の場合は、緻密で高強度の皮膜が作れるものの、その生産性は極めて低く、この方法は、衝撃吸収材料として使用するような安価な球体ないし擬似球体を多数作製することが必要とされる場合には不適当である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の諸問題を抜本的に解消することが可能な新しい衝撃吸収用金属多孔質要素構成体を簡便かつ低コストで生産する方法を開発することを目標として鋭意研究を進める過程で、低圧鋳造法ないしダイキャスト鋳造法を用いて作製した特定構造の擬似中空球が並んだ平面構造要素を使用することにより所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明に到達するに至った。
すなわち、本発明は、大きな変形性能と高い強度を有する衝撃吸収用金属多孔質要素構成体を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記金属多孔質要素構成体を簡便な方法かつ低コストで高効率に生産することが可能な上記金属多孔質要素構成体の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）低圧鋳造法ないしダイキャスト鋳造法を用い、形状が等しく先端が半球をなした多数の突起を有する半球ドーム状の突起を連続に形成した金属板材を作製した後、同様に形成した板材２枚を逆向きに重ねることを特徴とする衝撃変形量を大きくした板材の成形方法。
（２）隣接する半球ドーム状の突起がそれぞれ正方形の頂点の位置を占め、かつ隣接する突起が相接することを特徴とする前記（１）記載の板材の成形方法。
（３）隣接する３つの半球ドーム状の突起が正三角形の頂点を占め、かつ隣接する突起が相接することを特徴とする前記（１）記載の板材の成形方法。
（４）前記（１）から（３）のいずれかに記載の方法で成形した２枚の金属板材を組み合わせてなる擬似中空球が並んだ平面構造要素の各擬似金属球の直上に、次の構成要素の擬似金属球が置かれるように上記構成要素を積層することを特徴とする衝撃吸収体の製造方法。
（５）擬似中空球が並んだ平面構造要素の３つあるいは４つの擬似金属球で作られる谷間に、次の構成要素の擬似金属球が置かれることを特徴とする前記（４）記載の衝撃吸収体の製造方法。
（６）前記金属板材が、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、鉄、ニッケル、銅の何れかの単体若しくは合金であることを特徴とする前記（４）記載の衝撃吸収体の製造方法。
（７）形成される擬似金属球の直径が、１ｍｍないし５０ｍｍの範囲にある前記（４）記載の衝撃吸収体の製造方法。
（８）形成される擬似金属球の厚さが、０．１ｍｍないし１ｍｍの範囲にある前記（４）記載の衝撃吸収体の製造方法。
（９）前記（５）から（８）のいずれかに記載の方法によって作製された金属製多孔質要素構成体からなることを特徴とする衝撃吸収体。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の方法は、まず、平面上に擬似中空金属球が並ぶ構成要素を作製し、更に、それを効果的に積層することにより、高い衝撃エネルギー吸収性能を有する金属多孔質要素構成体を実現するものである。すなわち、まず、金属板材を、図１（ア）に模式的にその断面図が示されているように、半球ドーム状の突起を連続して有する鋳型の周囲Ｉから溶融金属を注入し、中央の抜き口Ｏから注入溶融金属の一部があふれ出るように、十分に鋳型内に溶融金属を充填して、半球状の突起を連続して上記構成要素を作製する。この際に、ドームを形成する肉厚がほぼ等しく、同程度の強度を発揮するように冷却速度に配慮することが重要かつ効果的である。これらの方法については特に制限されるものではなく、適宜の方法を使用することができる。
【００１４】
低圧鋳造法ないしダイキャスト鋳造法で形成される突起の平面上の配置は、図２（ア）に模式的に示すような正方形状の配置ないし図２（イ）に模式的に示すような正三角形状の配置が望ましい。しかし、これらに制限されるものではなく、適宜の形状に配置することができる。次に、同様に成形した板材を２枚逆向きに重ね合わせることにより、図３に模式的に示すような、平面上に多数の擬似中空金属球を有する衝撃吸収体の構成要素を作製する。
【００１５】
本発明の実施形態の一例を図２ないし図４に示す。本発明の上記構成要素は、それが使用される部位、負荷応力、負荷エネルギー供給速度、吸収すべきエネルギー量等によって大幅に変化するものである。そのために、図示した例は、それを、わかりやすく単純化したものであり、実際の形状を直接反映したものではない。
【００１６】
すなわち、上記構成要素のサイズ、形状、球の数は、それらの使用目的、使用条件等により適宜選択することができるものである。また、上記構成要素の積層方法についても同様である。本発明の一例として、このようにして作製した衝撃吸収体の構成要素を、積層して、衝撃吸収体を作製する方法を、以下に具体的に説明する。
【００１７】
衝撃吸収を行う疑似球体が平面上に正方形状に並んだ場合においては、図４（ア）に示すように、各擬似金属球の直上に、次の構成要素の擬似金属球を置く単純立方状に配置するか、図４（イ）に示すように、４つの擬似金属球で作られる谷間に、次の構成要素の擬似金属球を置く体心立方状に配置することが望ましい。しかし、これらに制限されるものではない。
【００１８】
一方、隣接する３つの半球ドーム状の突起が平面上に正三角形状に並んだ場合においては、図４（ア）に示すように、各擬似金属球の直上に次の構成要素の擬似金属球を置く配置とするか、図４（イ）に示すように、３つの擬似金属球で作られる谷間に、次の構成要素の擬似金属球を置く面心立方状ないし稠密六方状に配置することが望ましい。しかし、これらに制限されるものではない。
【００１９】
本発明の方法により、中空金属球充填型金属製多孔質構造体が作製される。この構造体は、他の方法で作製した中空金属球充填型金属製多孔質材料に比べて、中空球の形状がそろい、かつその充填方法を極めてよく制御することができるために、変形能が大きく、かつ強度も高強度化できる上、製造コストを著しく低減できるため、衝撃吸収用材料として、特に好適なものとして利用することができる。
【００２０】
本発明においては、上記金属板材の材料として、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、鉄、ニッケル、銅の何れかの単体若しくは合金を好適に用いることができる。しかし、これらに制限されるものではなく、その使用目的に応じて、適宜の材料を使用することができる。特に、衝撃吸収用材料として用いる場合には、その軽量性と材料価格の面から、アルミニウム板材が好適に使用される。
【００２１】
また、本発明においては、形成される擬似金属球の直径が、１ｍｍないし５０ｍｍの範囲にあるものを好適に用いることができる。また、本発明においては、上記形成される擬似金属球の厚さが、０．１ｍｍないし１ｍｍの範囲にあるものを好適に用いることができる。しかし、これらに制限されるものではない。
【００２２】
【作用】
本発明の衝撃吸収体の製造方法は、２枚の板材を組み合わせてなる擬似中空球が並んだ平面構造要素の各擬似金属材の直上に、次の構成要素の擬似金属球が置かれるように上記構成要素を積層することを特徴としている。すなわち、本発明の方法では、まず、平面上に擬似中空金属球が並ぶ構成要素を作製し、更に、それを最適化して効果的に積層することにより高い衝撃エネルギー吸収性能を有する金属多孔質要素構成体を作製する。本発明は、上記構成要素の擬似金属球のサイズ、形状、球の数、充填方法及びそれらの配置方式を任意に調整することにより、使用目的、使用条件等に多角的に対応した多様な変形性能及び強度を有する多品種の衝撃吸収体を任意に作製することを可能とする。それにより、本発明では、衝撃吸収用材料として、任意の衝撃吸収特性と任意の形態を有する金属多孔質要素構成体を高効率で生産することが可能であり、本発明は、簡便かつ低コストに衝撃吸収体を生産する方法及びその製品として、広汎な技術分野で多角的に利用することができる。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例
（１）衝撃吸収体の製造
縦横両方向に窪みと突起がそれぞれ交互に５つずつ並んだ、正方形型配置を有するＳＫＤ鋼製の隙間厚０．５ｍｍの割り型空間に、ダイキャスト鋳造法によりＡＣ４Ａ相当の鋳造合金を約７５０℃で注入し、図１（ハ）に示すような、構造体を作製した。なお、窪みの外形は約１０ｍｍとした。このダイキャスト鋳造で得られた成形体２枚を逆向きに組み合わせ、衝撃吸収体の構成要素とした。
【００２４】
更に、この構成要素を１０組作製し、球体の上に球体が位置する構造で、１０層を積層して、内径１００ｍｍｘ１００ｍｍ、肉厚１ｍｍ、高さ１２０ｍｍの矩形断面容器内に収納して、衝撃吸収材とした。
【００２５】
（２）衝撃吸収特性
この衝撃吸収体に対して、２０ｍ／秒の速度で５０％変形をするまで衝撃エネルギーを加えた際に、約６ＭＪ／ｍ³ のエネルギー吸収が実現できた。これは、通常の中空体充填型衝撃エネルギー吸収体で得られ得る衝撃エネルギー吸収量、２〜３ＭＪ／ｍ³ に比してきわめて大きい。このように、本発明によれば、従来の方法に比べて、高強度かつ高吸収エネルギー衝撃吸収体が得られる。以上、本発明の一実施例を示したが、更に、低圧鋳造法により、上記方法と同様にして衝撃吸収体を作製したところ、同様の結果が得られた。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、高性能衝撃吸収体及びその製造方法に係るものであり、本発明により、以下のような格別の効果が奏される。
（１）金属製の中空擬似球体からなる衝撃吸収体を簡便な方法及び低コストで製造することができる。
（２）従来の方法に比べて、高強度かつ高吸収エネルギー性能を有する衝撃吸収体が得られる。
（３）高変形能及び高強度を有する衝撃吸収材料として有用である。
（４）軽量性、低価格性を実現化できる。
（５）金属製の中空擬似球体を高効率で生産する方法を提供することができる。
（６）全方向からの衝撃エネルギーを効率よく吸収できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の鋳造加工方法の模式図及び疑似中空金属球の部分構造を示す説明図である。
【図２】図２は、突起部及び窪み部の配置関係を示す模式図である。
【図３】図３は、疑似中空金属球が板状に連続した構造を示す模式図である。
【図４】図４は、衝撃吸収要素を積層する方法を示す模式図である。

Claims (9)

1. 低圧鋳造法ないしダイキャスト鋳造法を用い、形状が等しく先端が半球をなした多数の突起を有する半球ドーム状の突起を連続に形成した金属板材を作製した後、同様に形成した板材２枚を逆向きに重ねることを特徴とする衝撃変形量を大きくした板材の成形方法。
2. 隣接する半球ドーム状の突起がそれぞれ正方形の頂点の位置を占め、かつ隣接する突起が相接することを特徴とする請求項１記載の板材の成形方法。
3. 隣接する３つの半球ドーム状の突起が正三角形の頂点を占め、かつ隣接する突起が相接することを特徴とする請求項１記載の板材の成形方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の方法で成形した２枚の金属板材を組み合わせてなる擬似中空球が並んだ平面構造要素の各擬似金属球の直上に、次の構成要素の擬似金属球が置かれるように上記構成要素を積層することを特徴とする衝撃吸収体の製造方法。
5. 擬似中空球が並んだ平面構造要素の３つあるいは４つの擬似金属球で作られる谷間に、次の構成要素の擬似金属球が置かれることを特徴とする請求項４記載の衝撃吸収体の製造方法。
6. 前記金属板材が、アルミニウム、マグネシウム、チタニウム、鉄、ニッケル、銅の何れかの単体若しくは合金であることを特徴とする請求項４記載の衝撃吸収体の製造方法。
7. 形成される擬似金属球の直径が、１ｍｍないし５０ｍｍの範囲にある請求項４記載の衝撃吸収体の製造方法。
8. 形成される擬似金属球の厚さが、０．１ｍｍないし１ｍｍの範囲にある請求項４記載の衝撃吸収体の製造方法。
9. 請求項４から８のいずれかに記載の方法によって作製された金属製多孔質要素構成体からなることを特徴とする衝撃吸収体。

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