JP3928038B2

JP3928038B2 - 衝撃エネルギー吸収体

Info

Publication number: JP3928038B2
Application number: JP2002133310A
Authority: JP
Inventors: 正朝比奈
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2022-05-08
Also published as: JP2003320425A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製多孔質要素構成体からなる衝撃エネルギー吸収体に関するものであり、更に詳しくは、金属製の衝撃吸収用多孔質要素構成体、特に、好適な衝撃吸収特性を発揮させることが可能な空隙率の高い多孔質要素構成体を作製する際に適用される、中空球状材料の製造方法、衝撃吸収用多孔質要素構成体、及びこれらを構造要素とする衝撃エネルギー吸収体に関するものである。本発明は、軽量、かつ高強度の金属製の衝撃エネルギー吸収体を効率よく、低コストで製造する方法、及びその吸収体を提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、衝撃の吸収に用いる衝撃エネルギー吸収体は、所定の空間に中空の要素構成体を充填し、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った。
【０００３】
一方、大きな力がかからない状態で、軽量、かつ安価な材料を用いて一定の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そのような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る場合、樹脂に特有の変形能の小ささや、変形応力の低さから、十分な衝撃エネルギーの吸収が行われないという欠点があった。そこで、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、これは、所定の空間に、例えば、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するものである。この際、それらの充填率と構成される強度の点から、中空の球材が最も望ましいことが判っている。
【０００４】
このように、衝撃吸収用材料を金属製多孔質要素構成体とした場合、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が実現できる上に、リサイクル性に優れているために、環境に対する負荷が小さくてすむという利点が得られる。また、衝撃吸収用材料を、このような多孔質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できるという利点がある。
【０００５】
以上、金属の多孔質要素構成体を衝撃吸収用材料に用いた場合の利点を説明したが、この種の金属の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、また、その多孔質構造に由来して、弾性率が低減されるため、振動の抑制が求められるような用途の材料や、その他の材料として、好適に用いることができる。
【０００６】
ところで、この種の金属の多孔質要素構成体、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。すなわち、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、乾燥した後、高分子材料を焼失すると同時に金属を焼結させて、球状の中空金属を作製する方法である。
【０００７】
また、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。また、第３の方法は、半球状の金属を板材からプレス等で成形し、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、金属膜を高分子材料の燃焼ガスが通る必要があり、また、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することができない上に、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という問題がある。
【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や低融点金属等に限定されてしまう上、生産性が低く、第１の方法と同様に、高分子材料の燃焼ガスを外部に出す必要があるため、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難しいという問題がある。
【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、衝撃吸収材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必要とする場合には不適当であるという問題がある。
【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決することが可能な新しい衝撃エネルギー吸収体を開発することを目標として鋭意研究を進める過程で、金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成させることにより得られる１次元のエネルギー吸収体を構成要素とする新しい衝撃エネルギー吸収体を使用することで所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、高強度で、優れた衝撃エネルギー吸収特性を有する金属多孔質要素構成体からなる衝撃エネルギー吸収体を、効率よく、低コストで製造することを実現化する衝撃エネルギー吸収体の新規製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記方法によって作製された、新規衝撃エネルギー吸収体を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前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）金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球を連続して形成させてなる、金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球が連続した線状の構造を有する１次元のエネルギー吸収体を、多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素（金属製多孔質要素構成体）を積層してなる衝撃エネルギー吸収体の製造方法において、形状が等しい多数の半球状の窪みが直線上に連続する上型と、これに対向して同形の半球状の窪みが直線上に連続する下型の間で、金属管に内圧を加えることにより金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成させることにより、金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球が連続した線状の構造を有する１次元のエネルギー吸収体を作製することを特徴とする、衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（２）１次元のエネルギー吸収体を、その各軸を平行にして平面上に多数配置することを特徴とする前記（１）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（３）隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球の中心が、それぞれ正方形の対角の位置を占めるようにすることを特徴とする前記（２）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（４）隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球の中心が、それぞれ正三角形の頂点の位置を占めるようにすることを特徴とする前記（２）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（５）１次元のエネルギー吸収体を多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素を、各擬似金属球体の直上に次の構造要素の擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とする前記（１）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（６）１次元のエネルギー吸収体を多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素を、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造要素の擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とする前記（１）に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
（７）前記金属管材が、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（１）に記載の方法。
（８）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（１）に記載の方法。
（９）形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍないし１ｍｍの範囲にある前記（１）に記載の方法。
（１０）金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球を直線上に連続して形成させてなる、金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球が連続した線状の構造を有する１次元のエネルギー吸収体を、多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素（金属製多孔質要素構成体）を積層してなることを特徴とする衝撃エネルギー吸収体。
（１１）上記１次元のエネルギー吸収体を、その各軸を平行にして平面上に多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素を積層してなることを特徴とする前記（１０）に記載の衝撃エネルギー吸収体。
【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。
本発明の高強度多孔質体及びその製造方法は、上記のような課題を解決するために案出されたものである。すなわち、本発明の第１の態様は、基礎となる金属管材を成形して、１次元のエネルギー吸収体を製造する方法に関するものであり、形状が等しい半球状の窪みが直線上に連続した上型と、これに対向して同様に多数の窪みが直線上に連続した下型の間で、金属管に内圧を加えることにより球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成することにより衝撃変形量を大きくしたエネルギー吸収体を製造することを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様は、上記方法において形成した線状の１次元エネルギー吸収体を、その軸を平行に平面上に配置し、平面状の衝撃エネルギー吸収体を形成することを特徴とする。本発明では、好適には、上記方法において、隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球の中心が、それぞれ正方形の対角の位置を占めるように配置する。また、本発明では、好適には、上記方法において、隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球の中心が、それぞれ正三角形の頂点とすることで定まる位置を占めるように配置する。
【００１５】
本発明の他の態様は、上記方法において構成される平面状の構造要素において、立体的な衝撃吸収体を構成するためにそれらを積層することに係るものであり、各擬似金属球体の直上に次の構造要素の擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とする。本発明の他の態様は、上記方法において構成される平面状の構造要素において、立体的な衝撃吸収体を構成するために積層することに係るものであり、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造要素の擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、上記方法において、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。また、本発明は、上記方法において、形成される擬似金属球の直径が、１ｍｍないし５０ｍｍの範囲にあることを特徴とする。本発明は、上記方法において、形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍないし１ｍｍの範囲にあることを特徴とする。本発明は、上記方法により得られる、金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成させたことを特徴とする１次元のエネルギー吸収体、及び金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成させた１次元のエネルギー吸収体を多数配置した衝撃エネルギー吸収体を提供することを特徴とする。
【００１７】
本発明の製造方法では、まず、線上に擬似中空金属球がならぶ構成要素を形成し、それを平面上に効果的に配置し、更に、それを効果的に積層することにより、効率性及び経済性の高い高機能性衝撃エネルギー吸収体の製造技術を実現する。すなわち、まず、金属管材を、図１の（ア）に模式的に断面図を示しているような上型と下型の間で、ガス圧ないし液圧成形方法により、ガス圧ないし液圧を金属管内に加えることにより、図１の（イ）、（ウ）に示されるように、金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して作製する。この際、金属管は一端を閉じてもよいし、両端から圧力を加えてもよい。本発明では、金属管材をＳＫＤ鋼製上型及び下型内で所定の温度において、油圧を負荷して成形する方法が好適なものとして例示されるが、これらに制限されるものではない。
【００１８】
本発明は、ガス圧ないし液圧成形方法の具体的な手段及び条件は特に制限されるものではなく、金属管材の材質及び種類等に応じて適宜の構成が採用される。金属管材の成形の際には、スプリングバックがあるため、除圧後の形状が球状となるよう、型の寸法を設定することが効果的である。また加工力が不足する場合には、加工温度を高くすることが効果的である。ガス圧ないし液圧成形された管材は、その軸を平行にして並べることにより、平面状の衝撃エネルギー吸収体が構成される。この際、擬似金属球の平面上の配置は、図２の（ア）に模式的に示すような正方形状の配置ないし図２の（イ）に模式的に示すような正三角形状の配置が望ましいが、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。
【００１９】
次に、図面に基づいて本発明を具体的に説明する。図２ないし図４に、本発明の実施形態の一例を示す。本発明の構成要素は、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り、それらに応じて任意に設計することができる。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。
【００２０】
すなわち、構成要素のサイズ、形状、球の数は、使用目的、使用条件等により大幅に変化するものであり、これらに応じて適宜変更することができる。また、構成要素の積層方法についても同様であるが、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、衝撃吸収体とする方法を以下に記載する。
【００２１】
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３の（ア）に示すように、各擬似金属球の直上に次の構造要素の擬似金属球を置く単純立方状か、図３の（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造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。
【００２２】
一方、平面上に正三角形状に並んだ場合においては、図３の（ア）に示すように、各擬似金属球の直上に次の構造要素の擬似金属球を置くか、図３の（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造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。
【００２３】
本発明においては、上記金属板材として、例えば、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。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からアルミニウム板材を好適に使用可能であるが、これらに制限されるものではない。
【００２４】
本発明においては、また、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。本発明においては、また、形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍ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。
【００２５】
本発明で作製される中空金属球充填型金属製多孔質構造体は、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に、製造コストを著しく低減できため、衝撃吸収用材料として特に好適なものである。
【００２６】
【作用】
本発明の衝撃エネルギー吸収体の製造方法は、形状が等しい多数の半球状の窪みが連続する上型と、これに対向して同形の半球状の窪みが連続する下型の間で、金属管に内圧を加えることにより金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成することで１次元のエネルギー吸収体を製造すること、このエネルギー吸収体を配置及び積層することにより衝撃エネルギー吸収体を製造すること、を特徴としている。すなわち、本発明の方法では、まず、擬似中空金属球が連続した線状の構成要素を形成することにより１次元のエネルギー吸収体を製造し、次いで、それを最適に配置及び積層することにより高い衝撃エネルギー吸収特性を有する衝撃エネルギー吸収体を作製する。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、及びそれらの充填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エネルギー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、衝撃エネルギー吸収材料として、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、かつ低コスト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エネルギー吸収体を生産する方法及びその製品を提供するものとして、広汎な技術分野で多角的に利用することを可能とする。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明の実施例を以下に詳述するが、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）衝撃エネルギー吸収体の製造
外径５ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの１０００系アルミニウム合金管を使用し、直線上に外径１０ｍｍの擬似球体が１０個並ぶようなＳＫＤ鋼製上型及び下型内で、約２００℃の温度において、約５気圧の油圧を負荷することにより、図１の（イ）に示すような構造体を作製した。
【００２８】
この液圧成形加工で得られた成形体１０本を、その軸を平行に、かつ擬似金属球がそれぞれ平面状で正方形を形成するように配置し、更に、こうした層を１０層積層してエネルギー吸収体とし、これを内径１００ｍｍ×１００ｍｍ、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。
【００２９】
（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結果、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。
【００３０】
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、本発明の実施例を詳述したが、これはあくまで本発明の好適な一例を示したものであり、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、衝撃エネルギー吸収体の製造方法及びその構造体に係るものであり、本発明により、１）１次元のエネルギー吸収体を、多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素（金属製多孔質要素構成体）を積層してなる衝撃エネルギー吸収体を、従来の技術の項に従来の製造方法として記載した第１〜３の方法より、効率よく、低コストで製造できる新しい衝撃エネルギー吸収体の製造方法を提供することができる、２）上記方法により作製した、上記第１〜３の方法により作製された中空の金属球より、軽量、かつ高強度で、変形能が大きく、全方向からの衝撃エネルギーを効率よく吸収できる優れた衝撃吸収特性を有する擬似金属球を構成要素とする衝撃エネルギー吸収体を提供することができる、３）本発明の衝撃エネルギー吸収体は、各種の衝撃エネルギー吸収用部材として有用である、４）特に、低い熱伝導率や振動の抑制が求められる用途の材料として有用である、５）極めて大きな衝撃エネルギー吸収性能とリサイクル性に優れた材料を提供することができる、６）中空球の形状の均一化が容易であり、それにより、その充填方法を高精度に制御することができる、等の格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の管材の加工方法、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】本発明の衝撃エネルギー吸収体の要素の平面上における最適配置を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明の衝撃エネルギー吸収体構造要素を積層する方法を示す模式図である。

Claims

金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球を連続して形成させてなる、金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球が連続した線状の構造を有する１次元のエネルギー吸収体を、多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素（金属製多孔質要素構成体）を積層してなる衝撃エネルギー吸収体の製造方法において、形状が等しい多数の半球状の窪みが直線上に連続する上型と、これに対向して同形の半球状の窪みが直線上に連続する下型の間で、金属管に内圧を加えることにより金属管に球状の膨らみを有する擬似金属球を連続して形成させることにより、金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球が連続した線状の構造を有する１次元のエネルギー吸収体を作製することを特徴とする、衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
１次元のエネルギー吸収体を、その各軸を平行にして平面上に多数配置することを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球の中心が、それぞれ正方形の対角の位置を占めるようにすることを特徴とする請求項２に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
隣接する１次元のエネルギー吸収体の擬似金属球の中心が、それぞれ正三角形の頂点の位置を占めるようにすることを特徴とする請求項２に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
１次元のエネルギー吸収体を多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素を、各擬似金属球体の直上に次の構造要素の擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
１次元のエネルギー吸収体を多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素を、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造要素の擬似金属球が置かれるように積層することを特徴とする請求項１に記載の衝撃エネルギー吸収体の製造方法。
前記金属管材が、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１に記載の方法。
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１に記載の方法。
形成される擬似金属球の厚さが、０．０５ｍｍないし１ｍｍの範囲にある請求項１に記載の方法。
金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球を直線上に連続して形成させてなる、金属管に球状の膨らみを有する擬似中空金属球が連続した線状の構造を有する１次元のエネルギー吸収体を、多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素（金属製多孔質要素構成体）を積層してなることを特徴とする衝撃エネルギー吸収体。
上記１次元のエネルギー吸収体を、その各軸を平行にして平面上に多数配置して構成される衝撃エネルギー構造要素を積層してなることを特徴とする請求項１０に記載の衝撃エネルギー吸収体。