JP7177827B2 - 圧縮された網状発泡体構造を用いたシステムの最適化 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、網状発泡体構造の技術分野に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、不均一な網状発泡体構造に関する。

ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）発泡体は、ＥＲＧ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｅｒｇａｅｒｏｓｐａｃｅ．ｃｏｍ）によって製造された材料である。この材料は、１９６７年以来、ＥＲＧ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造され、エンドユーザの用途に合わせて処理され、販売されている。ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）の元の製造特許は、米国特許第３，６１６，８４１号として示されており、製造方法の進歩により、幅広い用途に向けた材料のソリューションとしてのＤＵＯＣＥＬ（登録商標）の使用が進んでいる。

ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）は、ベースの有機合金の特性を取り入れた連続気泡発泡体構造である。これらのベース合金は、典型的には、アルミニウム、銅、亜鉛、および他の耐火金属などの低温合金で構成される。連続気泡発泡体構造の利点は、材料が大きな表面積および優れた強度対重量比を提供することである。独立気泡発泡体と異なり、気体、液体、および他の媒体が、材料の細孔を通過することができる。これにより、この材料を、熱交換器、エネルギ吸収材、バッフル、構造支持部材、および材料の均一な連続気泡の骨格を活用する他の用途などの用途に使用することができる。

ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）は、さまざまな細孔サイズで製造されている。そのようなサイズとして、１インチあたり５個の細孔（５ＰＰＩ）、１０ＰＰＩ、３０ＰＰＩ、および４０ＰＰＩが挙げられる。さまざまな細孔サイズを有する利点は、材料をさまざまな用途に合わせて最適化できることである。一例として、高圧ガスの拡散がエンドユーザの主要な要件である場合、４０ＰＰＩの材料を選択して、より大きい表面積において適切な圧力降下をもたらすことができる。反対に、５ＰＰＩの材料は、圧力降下が少ないかもしれないが、材料の重量を小さくすることができる。したがって、選択される特定のＰＰＩについて、重量および性能の考慮事項が存在する。これが当てはまる具体的な例は、流量および圧力低下がポンプの性能を最適化するための主要な入力パラメータであるろ過システムの設計である。他の用途として、熱交換器、エネルギ吸収材、および独特の単一の最適化されたシステムソリューションが存在し得る他の機械システムが挙げられる。

上記の細孔サイズの各々について、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）の相対密度を制御することも可能である。換言すると、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）の個々の靭帯に材料を追加して、相対密度の範囲を生み出すことが可能である。例として、５ＰＰＩのＤＵＯＣＥＬ（登録商標）を個々の靭帯のレベルにおいて修飾して、（中実な合金の重量に対して）３～２０％の相対密度の任意のどこかの相対密度範囲を達成することができる。相対密度を、ＰＰＩと同様に、設計パラメータとしてエンドユーザの要件を満たすように変更することができる。同じ細孔率および相対密度を維持するＤＵＯＣＥＬ（登録商標）部品またはインサートは、均一であるとみなされる。

ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）のさらなる独自の特徴は、材料が相互接続された中実靭帯構造またはセルで構成されていることである。反対に、化学気相堆積（ＣＶＤ）方式のプロセスを使用して製造される連続気泡発泡体材料は、ホスト構造を添加材料のベースとして利用する。これらのホスト構造は、典型的には、ＣＶＤ添加剤と同じ組成を反映しないプラスチックまたは他の材料である。結果として、ＣＶＤ方式で製造された発泡体は、中空であるとみなされ、降伏応力が低くなる（あるいは、発泡体の弾性率が低くなる）。換言すると、個々の靭帯が、均一な構造を欠いており、材料に荷重が加わるときにＤＵＯＣＥＬ（登録商標）よりも低いしきい値で駄目になる。この材料の欠点は、ＣＶＤ技術を利用して製造された部品の降伏応力を低くし、材料の熱力学的特性を低下させ、ＣＶＤ層の間に不均一な境界層を生じさせ、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）と比べたときに独自の工学ソリューションにＣＶＤ部品を使用する設計力を制限する。

３Ｄ印刷を含む他の付加製造プロセスも、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）の多用途性と比べたときに不利である。上述のように、付加製造プロセスにおける一貫しない温度プロファイルが、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）と比較したときに、劣化した境界層の影響を生じさせる。大部分の３Ｄ印刷技術においては、層間にスリップ平面も生じる。これらの要因により、付加製造プロセスは弱くなり（降伏応力が低くなり）、エネルギ吸収能力および圧力効果の設計の可能性が制限される。

ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）に対する３Ｄ印刷の１つの利点は、製造プロセスの最中に支持マトリクスの細孔率および相対密度を部品の全体にわたって変更し、検証し、次いで印刷できることである。現時点において、３Ｄプリンタは、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）が提供する複雑な形状を印刷することができない。

さらに、ＣＶＤおよび３Ｄ印刷などの付加プロセスを使用して製造された連続気泡発泡体構造は、低い降伏応力（発泡体の弾性率）ゆえに圧縮されたときに駄目になることが多く、したがって３０％未満の相対密度範囲までの高密度化に限定される。これらの種類の材料は、その圧縮可能性の限界ゆえに、独自の設計ソリューションを満たすことができにくい。

米国特許第３，６１６，８４１号明細書

したがって、最適化されたシステム性能を提供するために、元の均一な相対密度の部品から、不均一な相対密度の連続気泡ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）構造またはインサートを生み出すことが必要とされている。そのようにすることで、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）は、相対密度および細孔率を部品の全体にわたって変更することができる３Ｄ印刷による構造と直接競合できるようになると考えられる。

さらに、技術者に多様なシステムソリューションを提供するために、単一の部品において相対密度が３～８５％のどこかの範囲にあるカスタマイズされたＤＵＯＣＥＬ（登録商標）部品を生み出すことが、必要とされている。これらの相対密度範囲を、単一の方向に沿い（ｘ軸に沿い）、２つの方向を横切り（ｘ－ｙ軸に沿い）、あるいは３次元にて（ｘ－ｙ－ｚ軸に沿って）材料を横切って、材料を高密度化することによって生み出すことができる。

本発明のさらなる目的は、高密度化されたときに構造の全体にわたって相対密度範囲が異なる不均一なＤＵＯＣＥＬ（登録商標）構造を生み出すことである。これらの種類の構造は、ＤＵＯＣＥＬ（登録商標）の各ゾーンが、ゾーン内のいくつかのシステム要件を満たすように高密度化され、あるいは構造を横切って漸進的な相対密度範囲を呈する多用途の材料ソリューションを提供する。

本発明のさらなる目的は、プレスおよびダイを利用して不均一な発泡体構造および高密度化された発泡体構造を生み出す製造方法を導入することである。これらの種類の製造手順は高価でなく、厳しい公差を保つことができる。ダイおよびプレスの短い段取り時間、工作機械と比べたときの油圧プレスの単純さ、および全体的なスループットにより、この手法は、ＣＮＣ機械または３Ｄ印刷と比べて安価かつ効率的である。

本発明のさらなる目的は、不均一なＤＵＯＣＥＬ（登録商標）部品またはインサートを、エネルギ吸収体、フィルタ、熱交換器、または不均一な相対的高密度化によってシステム性能を最適化することができる他の用途として使用することである。

本発明は、本明細書において後述される詳細な説明および添付の図面から、さらに完全に理解されるであろう。添付の図面は、例示として示されているにすぎず、したがって本発明を限定するものではない。

均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）の斜視図である。 均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）の１つのセル（２）の斜視図である。 不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（５）の斜視図である。 高密度化後の不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（５）の１つのセル（２）の斜視図である。 不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（５）の高密度化からの応力－ひずみ関係からのデータ点を示す表である。 単一の不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（５）について、材料の異なる部位（Ｌ１～Ｌ３）を評価したときの異なる相対密度特性を示す応力ひずみ曲線である。 単一の不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（５）がエネルギ吸収システムの最適化を実証するために使用される用途の斜視図である。 上記と同じシステムの斜視図である。 不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料の製造のためのダイセットの一例の斜視図である。

次に、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明するが、添付の図面においては、いくつかの図を通して、同一または類似の要素を指すために同じ参照番号が使用されている。図面を、参照番号の向きの方向で眺めるべきであることに、留意されたい。

図１が、均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）を示している。この部品は、１０％の相対密度を有する。

図２が、均一な連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）の１つのセル（２）を示しており、各セル（２）は、一般に、気泡状の１４面の多面体または中実形状の十四面体として特徴付けられる。各々のセル（２）内に、連続気泡構造を生み出す一連の細孔（３）が存在し、各々の細孔（３）は、いくつかの中実靭帯（４）によって定められている。これらの靭帯（４）は、ベース合金の特性を引き継ぎ、例としてアルミニウム、チタン、銅、および他の金属が挙げられる。典型的には、靭帯の幅は、０．０２５ｍｍ～０．６５ｍｍであり、例えば０．０２８ｍｍ～２．８ｍｍ、０．０５ｍｍ～２．８ｍｍ、０．０５ｍｍ～０．５ｍｍ、０．０５～０．６５ｍｍ、０．１ｍｍ～０．５ｍｍ、０．１ｍｍ～０．７ｍｍ、または０．０２５ｍｍ～０．７ｍｍの間に入る任意の値の範囲である。例えば、１０ＰＰＩの材料が、０．４１ｍｍという平均値の靭帯の厚さを有することができ、あるいは２０ＰＰＩの材料が、０．３１ｍｍという平均値の靭帯の厚さを有することができる一方で、４０ＰＰＩの材料、０．１８ｍｍという平均値の靭帯の厚さを有することができる。

靭帯（４）の厚さは、均一な連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）の密度に基づいて異なる。図２に示されるように、１インチあたり１０個（近似による）の細孔（３）で構成される１０％の相対密度の靭帯は、厚さの直径または幅の平均値が約０．０４１ｍｍである。これにより、図示の材料におけるセル（２）の平均の直径は、約２．２ｍｍになる。

図３が、均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）から製造された単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）を示している。この部品は、全体としての幅ｗ、高さｈ、および長さＬを有し、この例においては、密度が部品の長さＬに沿って変化する。実際、平均の相対密度が、部品の３つの異なる部位において、それらの部位に沿って変化する。部品の部位１（６）は、１インチあたり１０個の細孔（３）で１０％の相対密度のままであり、長さＬ１に沿って変化することがないままである。部品の部位２（７）は、１インチあたり１０個の細孔（３）のままであるが、長さＬ２における相対密度が、セルのサイズの直径が約１．２ｍｍである２５％という平均値へと高くなっている。同様に、部位３（８）は、長さＬ３に沿って３５％という平均値へと高くされた相対密度を有し、約０．８ｍｍというセルサイズの直径を有する。

典型的には、不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）における平均セル直径は、０．８ｍｍ～０．３８ｍｍなど、約０．３５ｍｍ～約４ｍｍの範囲である。高密度化のプロセスが、不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）において連続的に漸進的である場合、最小密度部分の相対密度と最大密度部分の相対密度の間のすべての中間割合が現れる。しかしながら、特定の不均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）から作られた部品が、何らかの種類の段階的な様相で部品内に生じるいくつかの設定された相対密度を有することが望まれる場合には、それらの相対密度にのみ関連する平均セル直径が存在する。例えば、部品が、相対密度が１０％の部分と、これに隣接する相対密度が３３％の部分と、これに隣接する相対密度が２５％の部分とを必要とする場合、部品に存在する平均セルサイズの直径は、約２．８ｍｍ（相対密度１０％）、０．８ｍｍ（相対密度３３％）、および１．２ｍｍ（相対密度２５％）になる。

図４は、部位３（８）の３５％の相対密度に達する高密度化後の靭帯（４）の変化を示している。靭帯（４）が座屈していることが示されているが、変形した細孔（１６）の全体的な構造の完全性は損なわれておらず、したがって不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）に強度をもたらしている。同様に、セル（２）の体積がつぶれることで、元の相対密度と比較して、流体に対するインピーダンスが増している。したがって、加えられた変更により、システムの最適化を促進するように発泡体の応力ひずみ性能特性およびインピーダンス性能を変更することができる。

実験室での実験により、単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）について、実証として示される各部位（６～８）の応力－ひずみ関係を確認した。より具体的には、以下のやり方で実験を実施し、荷重対たわみの読み取り値を取得した。すなわち、最初の１００ミルのたわみの際に１０ミルの間隔で読み取り値を取得し、その後に、５００ミルのたわみに達し、１０００ポンドを超える荷重で１５０ミルに達し、１００００ポンドを超える荷重で１５０ミルに達し、あるいは１５０ミルの後かつ５００ミルの前に１００００ポンドに達するまで、５０ミルごとに読み取り値を記録した。収集したデータ点を、図５Ａに示す。

図５Ｂが、単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）の各部位（６～８）に関する応力－ひずみ曲線を示している。単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）の全長Ｌにわたるこの荷重分布は、長さＬの全体に複雑かつ異なるエネルギ吸収特性が求められ得る多用途な設計要件を、単一の部品でどのように満たすことができるのかを実証するために行われている。

単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）の価値の一例は、図６に示されるような鈍的外傷発泡体保護バリア（１１）の設計および製造である。ボディアーマー（１０）が、兵士および緊急対応者に弾丸からの保護を提供するが、そのようなデバイスにおいて特徴的に使用される保護プレートだけでは、弾丸が保護プレートに衝突したときに発生する裏側の剥離を減らすことはできない。換言すると、ボディアーマーを着用しているときに撃たれた者が、典型的には、保護プレートの裏側の影響によって鈍的外傷を被る。

ボディアーマー（１０）の系において単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）を利用することで、ボディアーマー（１０）から人間へと伝わるエネルギを減らすことができる。さらに、その追加の発泡体保護バリア（１１）の相対密度を変えることによって、重要な臓器（胸部の中央付近に中心がある心臓など）が、最も必要とされる場所においてより厚い発泡体保護バリア（１１）で保護される。同様に、ボディアーマー（１０）内の保護バリア（１１）の縁部に位置するより薄い発泡体は、充分な保護を提供しつつ、デバイスがかさばらないため個人の動作を妨げることがない。

図７は、上述の発泡体保護バリア（１１）を製造するダイセット（１２）の例を示している。ダイセット（１２）は、雄プレス（１３）と、雌プレス（１４）と、均一な（相対密度の）連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）が挿入され、単一の不均一な密度（相対密度）の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料（５）へと変換される場所とで構成される。これを達成するために、一連の製造ステップを実行する必要がある。

第１に、部品の厚さが６ｍｍを超える場合、均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）を、加熱プロセスによって構造的に弱める必要がある。典型的には、厚さ６ｍｍ以上の均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）が、２０～２００℃に加熱される。厚さ６ｍｍ未満の部品については、小さな部品においてはセル（２）がわずかであり、したがって干渉のない高密度化のための充分な空間が存在する傾向にあるため、構造を加熱して弱める必要はないかもしれない。換言すると、元の１０％の相対密度を有するインチあたり１０個の細孔（４）の薄い部品は、単に存在する材料の不足が妨げとなり、高い相対密度に到達する可能性が制限される。一例として、薄い部品は、２０～２５％の相対密度という最大密度にしか到達できないかもしれない。

より大きな部品の場合、前述のように、ホスト合金の材料特性を変更するために、加熱プロセス、熱処理、または焼きなましプロセスが行われる。理想的には、このプロセスは、材料を柔らかくし、材料の脆性を下げ、延性を向上させることで、高密度化の際の靭帯（４）の均一な座屈を保証することができる。高密度化のプロセスの後に、不均一に高密度化（相対密度）された発泡体材料（５）に、均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）に使用された金属または合金に適したＡＳＴＭ国際規格に従った熱処理を施すことで、製品に強度が戻される。

材料を変化させた後に、プレスおよびダイの手順を始めることができる。これは、最初に、均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）を雌のダイセット内に配置することによって開始される。ひとたび所定の位置に置かれると、雄のダイセットが部品の上に配置され、プレスがゆっくりと開始される。典型的には、この速度は、１００ミル／秒以下である。圧力の大きさは、使用される均一な相対密度の連続したワンピースの不溶性網状連続気泡発泡体材料（１）の厚さおよび／またはその材料のＰＰＩに応じて異なる。圧力は、５，０００ｐｓｉ～２０，０００ｐｓｉなど、１，０００ｐｓｉ～４０，０００ｐｓｉの範囲であるが、１，０００～４０，０００ｐｓｉの範囲内の任意の圧力範囲を含むことができる。

より高い相対密度レベルの達成が望まれる場合には、このプロセスを段階的に行わなければならないことにも注意すべきである。より具体的には、部品がプレスされ、密度が２０％の相対密度に近づくと、部品が取り出され、清浄化され、次いで必要に応じて材料をさらに高密度化する二次プレスおよびダイに装てんされる。二次プレスによるこの処理は、材料の弾性反発復元作用に対処し、より均一な全体的圧縮をもたらす。

段階的なプレスの手法に加えて、２０～２００℃の範囲の加熱の場合、材料を相対密度７０％のレベルまでしか圧縮できないことに、注意する必要もある。さらなる高密度化は可能であるが、７２．５％、７５％、７７．５％、８０％、８２．５％、８５％、８７．５％、あるいはそれ以上など、７０％を超える相対的な高密度化のレベルに達するためには、部品内の温度がベース合金の溶融状態に近くなければならない。

Claims (9)

1. 不均一な密度の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料を製造する方法であって、
   前記不均一な密度の発泡体材料は、
   さまざまなサイズのセルであって、平均セル直径の最大が４ｍｍであり、平均セル直径の最小が０．３５ｍｍであるセルと、
   ０．０２５ｍｍ～０．７ｍｍの幅を有する靭帯と、
   前記靭帯によって形成された細孔と、
   最小密度点における少なくとも３％から最大密度点における８５％の密度までの範囲の前記発泡体材料内の相対密度と
   を有し、
   前記相対密度の勾配が、前記ワンピースの不溶性網状発泡体材料にわたって連続しており、前記相対密度の前記勾配が連続していることは、前記セルがつぶれることによりもたらされ、
   前記方法は、
   （ａ）厚さ６ｍｍ未満の一片の均一な密度の不溶性網状発泡体材料をプレスおよびダイに配置するステップと、
   （ｂ）６，８９５ｋＰａ～２７５，７９０ｋＰａ（１，０００ｐｓｉ～４０，０００ｐｓｉ）の範囲の異なる大きさの圧力を前記プレスに加え、前記一片の網状発泡体材料内に不均一な相対密度を生じさせるステップと
   を含む方法。
2. 前記均一な密度の不溶性網状発泡体材料は、プレスおよびダイに配置される前に、２０～２００℃に加熱される、請求項１に記載の方法。
3. 前記不均一な密度の材料に適したＡＳＴＭ国際規格に従った熱処理を施すステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記圧力の大きさは、３４，４７５ｋＰａ～１３７，８９５ｋＰａ（５，０００ｐｓｉ～２０，０００ｐｓｉ）である、請求項１または２に記載の方法。
5. アルミニウム、銅、亜鉛、および他の耐火金属から選択される低温合金で構成される不均一な密度の連続したワンピースの不溶性網状発泡体材料であって、
   さまざまなサイズのセルであって、平均セル直径の最大が４ｍｍであり、平均セル直径の最小が０．３５ｍｍであるセルと、
   ０．０２５ｍｍ～０．７ｍｍの幅を有する靭帯と、
   前記靭帯によって形成された細孔と、
   最小密度点における少なくとも３％から最大密度点における８５％の密度までの範囲の前記発泡体材料内の相対密度と
   を含み、
   前記相対密度の勾配が、前記ワンピースの不溶性網状発泡体材料にわたって連続しており、前記相対密度の前記勾配が連続していることは、前記セルがつぶれることによりもたらされる、請求項１の方法により得られる不均一な密度の発泡体材料。
6. 前記セルの前記平均セル直径の最大は、２．８ｍｍであり、前記平均セル直径の最小は、０．８ｍｍである、請求項５に記載の不均一な密度の発泡体材料。
7. 前記靭帯の幅は、０．０２８ｍｍ～０．６５ｍｍである、請求項５に記載の不均一な密度の発泡体材料。
8. 前記発泡体材料内の相対密度は、１０％～３３％およびこれらの間のすべての値の範囲の連続的な勾配である、請求項５に記載の不均一な密度の発泡体材料。
9. 前記発泡体材料内の相対密度は、２５％～７０％およびこれらの間のすべての値の範囲の連続的な勾配である、請求項５に記載の不均一な密度の発泡体材料。

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