JPWO2005084854A1 - 中空金属球構造体、中空金属球成形体および中空金属球構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

製造が容易であり、しかも、複雑な形状の構造体を形成することができる中空金属球構造体、中空金属球成形体および中空金属球構造体の製造方法を提供する。中空な複数の金属球１１を有する構造体の形成方法であって、複数の金属球１１の表面に結合剤層１２を形成し、結合剤層１２が形成された複数の金属球１１を、中空な外殻部材２の内部に収容し、外殻部材２の内部において、複数の金属球１１の結合剤層１２同士を結合させる。外殻部材２内に複数の中空な金属球が収容され、かつ、金属球１１が結合して成形体３となっているから、構造体の強度および衝撃吸収能力を高くすることができる。しかも、外殻部材２内に投入してから金属球１１を結合させるので、外殻部材２が複雑な形状であっても、確実に金属球１１をその内部に充填することができる。

Description

本発明は、中空金属球構造体、中空金属球成形体および中空金属球構造体の製造方法に関する。中空金属球は衝撃エネルギ吸収能力が高いため、この中空金属球を適用した構造体や成形体を形成すれば、この構造体や成形体によって衝撃吸収力の高い構造用材料を製造することができる。
本発明は、中空金属球を有する中空金属球構造体、中空金属球成形体および中空金属球構造体の製造方法に関する。

従来から、複数の中空金属球を、所定の焼成用容器内に収容して加圧焼成したり、また、樹脂や攪拌性液体等のバインダーに中空金属球を混同して賦形したのち焼成したりして、複数の中空金属球が焼結された成形体を形成することが行なわれている（例えば、特許文献１〜６）。かかる成形体は、そのまま使用した場合、引張り外力が加わると中空金属球同士の結合が簡単に壊されてバラバラになってしまうため、その成形体を、そのまま構造用材料、例えば自動車のフレームやバンパー、建造物の梁等の材料として使用することはできない。そこで、円管やハット材、角管等の中空な構造用材料の内部に成形体を収容した構造体を、上記のごとき構造用材料として使用することが検討されている。

しかるに、中空な構造用材料の内部に成形体を収容するためには、成形体の形状および寸法を正確に形成しなければならないが、従来は、中空金属球同士を焼結によって結合させているため、中空金属球が焼結過程で収縮してしまう。そして、焼結過程における中空金属球の収縮割合を正確に制御することは非常に困難であるから、焼結後の成形体を所望の精度で形成することは困難である。
また、焼結後の成形体を機械加工すれば、所望の寸法にすることはできるが、加工工数が多くなってしまうため、作業効率が悪く、コストも高くなる。たとえ所望の寸法に加工できたとしても、複雑な形状に成形することは実際上困難であり、単純な形状の構造用材料にしか適用できない。

特開平０６−２４０３０４号 特開平０６−２４０３６９号 独国特許発明第１００１８５０１号 独国特許出願公開第１９９２９７６０号 米国特許出願公開第４９１７８５７号 米国特許出願公開第４７７５５９８号 米国特許出願公開第３５２８８０９号

本発明は上記事情に鑑み、製造が容易であり、しかも、複雑な形状の構造体を形成することができる中空金属球構造体、中空金属球成形体および中空金属球構造体の製造方法を提供することを目的とする。

第１発明の中空金属球構造体の製造方法は、中空な複数の金属球を有する構造体の形成方法であって、前記複数の金属球の表面に結合剤層を形成し、該結合剤層が形成された複数の金属球を、中空な外殻部材の内部に収容し、該外殻部材の内部において、前記複数の金属球の結合剤層同士を結合させることを特徴とする。
第２発明の中空金属球構造体の製造方法は、第１発明において、前記金属球の結合剤層を形成する接着材料が、加熱すると溶融する材料であり、前記金属球の表面に前記接着材料を付着させて前記結合剤層を形成し、前記金属球が収容された前記外殻部材を、加熱した後冷却することを特徴とする。
第３発明の中空金属球構造体の製造方法は、第２発明において、前記金属球の結合剤層を、該金属球の表面に該接着材料を塗布したのち、該接着材料を乾燥させて形成することを特徴とする。
第４発明の中空金属球構造体の製造方法は、第１、２または第３発明において、前記外殻部材に前記金属球を充填するときに、前記外殻部材に振動を加えることを特徴とする。
第５発明の中空金属球構造体は、内部に中空な空間を有する外殻部材と、該外殻部材の内部に充填された複数の金属球とからなり、該金属球が、その表面に結合剤層を備えており、前記外殻部材の内部に、前記複数の金属球の結合剤層同士が結合することによって前記外殻部材の中空な空間を充満する形状に成形された成形体を有する構造体であることを特徴とする。
第６発明の中空金属球構造体は、第５発明において、前記成形体が、前記外殻部材の中空な空間の一部を充満する形状に成形されていることを特徴とする。
第７発明の中空金属球構造体は、第５発明において、前記結合剤層を形成する接着材料が、加熱すると溶融する材料であり、前記金属球の結合剤層が、該金属球の表面に前記接着材料を付着させて形成されていることを特徴とする。
第８発明の中空金属球構造体は、第７発明において、前記金属球の結合剤層が、該金属球の表面に塗布された前記接着材料を乾燥させて形成されたものであることを特徴とする。
第９発明の中空金属球構造体は、第５発明において、前記金属球と前記外殻部材が、同一材料によって形成されていることを特徴とする。
第１０発明の中空金属球構造体は、第５発明において、前記複数の金属球が、外径の異なる金属球を有することを特徴とする。
第１１発明の中空金属球成形体は、前記複数の金属球を結合して形成された成形体であって、該成形体が、請求項２または３記載の中空金属球構造体の製造方法によって形成された中空金属球構造体から、前記外殻部材を取り除いたものである。

第１発明によれば、外殻部材内に複数の中空な金属球が収容され、かつ、金属球が結合して成形体となっているから、構造体の強度および衝撃吸収能力を高くすることができる。しかも、外殻部材内に投入してから金属球を結合させるので、外殻部材が複雑な形状であっても、確実に金属球をその内部に充填することができ、その形状に成形体を形成することができる。
第２発明によれば、金属球が収容されている外殻部材を加熱すれば接着材料が溶融し、隣接する金属球の結合剤層を構成する接着材料同士が結合する。その状態から外殻部材を冷却すれば、接着材料同士が結合した状態で固まるから、接着材料によって隣接する金属球同士を結合させることができる。しかも、接着材料は溶融固化するときに若干体積が減少するが、その減少割合は金属球を焼結する場合に比べて、その減少割合が非常に小さいので、金属球を結合させた後に、外殻部材内部に隙間ができることを防ぐことができる。
第３発明によれば、接着材料を乾燥させているから、金属球を外殻部材内に大きな抵抗なく入れることができる。よって、外殻部材が複雑な形状であっても、隙間なく金属球を充填することができる。
第４発明によれば、外殻部材内への金属球の充填密度を高めることができるから、結合時の体積減少をより少なくすることができ、しかも、構造体の強度を強くすることができる。
第５発明によれば、外殻部材がその内部に、複数の中空な金属球が結合した外殻部材の中空な空間を充満する成形体を有しているから、構造体の強度および衝撃吸収能力を高くすることができる。しかも、外殻部材内に投入してから金属球を結合させるので、外殻部材が複雑な形状であっても、確実に金属球をその内部に充填することができ、その形状に成形された成形体を外殻部材内に配置することができる。
第６発明によれば、成形体が、外殻部材の中空な空間の一部を充満するように形成されているから、成形体を形成する位置や成形体の体積を変えれば、構造体の強度を調整することができる。
第７発明によれば、金属球が収容されている外殻部材を加熱すれば接着材料が溶融し、隣接する金属球の結合剤層を構成する接着材料同士が結合する。その状態から外殻部材を冷却すれば、接着材料同士が結合した状態で固まるから、接着材料によって隣接する金属球同士を結合させることができる。しかも、接着材料は溶融固化するときに若干体積が減少するが、その減少割合は金属球を焼結する場合に比べて、その減少割合が非常に小さいので、金属球を結合させた後に、外殻部材内部に隙間ができることを防ぐことができる。
第８発明によれば、接着材料を乾燥させているから、外殻部材内に金属球をスムースに入れることができる。よって、外殻部材が複雑な形状であっても、隙間なく金属球を充填することができる。
第９発明によれば、構造体を廃棄するときに、金属球と外殻部材を分離する必要がないから、構造体の廃棄が容易であるし、リサイクルも可能である。
第１０発明によれば、金属球として外径の小さい金属球と外径の大きい金属球を混合して使用すれば、外殻部材が複雑な形状をしていても、複雑な形状の部分には小さい金属球を確実に充填することができるし、比較的簡単な形状の部分には、外径の大きい金属球を充填することができる。すると、複雑な形状の外殻部材全体を小さい金属球で充填する場合に比べて、中空金属球構造体を軽量にすることができる。
第１１発明によれば、接着材料によって隣接する金属球同士を結合させており、接着材料は溶融固化するときに若干体積が減少するが、その減少割合は金属球を焼結する場合に比べて、その減少割合が非常に小さいので、寸法精度の高い成形体を製造することができる。そして、接着材料は溶融固化させるだけで金属球を結合させることができるから、成形体を容易に製造することができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１（Ａ），（Ｂ）は本実施形態の中空金属球構造体１の概略説明図であり、（Ｃ）は中空な金属球１０の概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の中空金属球構造体１は、中空な外殻部材２の内部に、複数の金属球１１が結合した成形体３が配置されたものである。

外殻部材２は、例えば、円管や、断面が帽子のような形状をしたハット材、角管等、自動車のフレームやバンパー、建築物の梁、柱等に使用される中空な構造用材料であるが、内部に中空な空間を有するものであればよく、特に限定はない。

成形体３は、複数の金属球１１が、接着材料１３によって結合されたものである。
そして、成形体３の材料となる金属球１１は、中空な金属球であり、例えば、外径が２〜１０ｍｍであって、その厚さが数十〜数百μｍとなるように形成れたものであり、外殻部材２が自動車用の構造用材料であれば、外径が５〜７ｍｍのもの好適である。
なお、金属球１１は、このサイズに限定されるものではなく、外径が２ｍｍよりも小さいものや、１０ｍｍよりも大きいものであってもよいし、厚さも数十μｍよりも薄くてもよいし、数百μｍより厚くてもよい。そして、金属球１１は全て同じサイズのものを使用しなくてもよく、外径の大きいものと小さいものを混ぜて使用してもよい。
さらになお、接着材料１３は、金属球１１同士を結合でき、中空金属球構造体１の使用条件において十分な結合力を維持することができる材料であればよく、とくに限定はない。

上記のごとく、本実施形態の中空金属球構造体１は、外殻部材２の内部が、複数の中空な金属球１１が結合して形成された成形体３によって充満されているから、その強度および衝撃吸収能力を高くすることができる。しかも、外殻部材２の厚さと複数の金属球１１の大きさの組み合わせを調整すれば、必要な強度および衝撃吸収能力を有し、かつ必要以上に重くなりすぎないようにすることができる。

また、図１（Ｂ）に示すように、成形体３は、外殻部材２の中空な空間の全体を充満するものでなくてもよく、中空な空間の一部を充満するように形成されていればよい。すると、中空金属球構造体１において、高度な強度や衝撃吸収能力が必要とされる箇所にのみ成形体３を配置すれば、その箇所にだけ必要な強度および衝撃吸収能力を付与することができるし、中空金属球構造体１を軽量化することができる。

なお、成形体３は、接着材料１３によって外殻部材２の中空な空間に固定されているが、外殻部材２内で成形体３が移動したりしないように固定できればよく、とくに限定はない。

さらに、金属球１１の素材として、外殻部材２の素材と同じものを使用すれば、中空金属球構造体１を廃棄するときに、金属球１１と外殻部材２を分離する必要がないから、中空金属球構造体１の廃棄が容易であるし、リサイクルも可能である。

つぎに、中空金属球構造体１の製造方法を説明する。
図２（Ａ）は加工金属球１０の製造方法のフローチャートであり、（Ｂ）は中空金属球構造体１の製造方法のフローチャートである。
本実施形態の中空金属球構造体１は、接着材料１３によって金属球１１を結合させて成形体３を形成し、その後、外殻部材２内に成形体３を配置することによって形成してもよいが、以下のごとき方法によって製造すれば、複雑な形状の中空金属球構造体１を簡単に製造することができる。

まず、中空金属球構造体１の製造に使用する加工金属球１０を説明する。
図１（Ｃ）に示すように、加工金属球１０は、中空な金属球１１の表面に、結合材層１２が形成されたものである。この結合材層１２は、前述した接着材料１３を素材とする層である。この接着材料１３は、加熱すると溶融し、その後冷却すると固化する材料であり、例えば、ポリオレフィン系接着剤やフェノール系接着剤、ポリアミド系接着剤等であるが、特に限定はない。
なお、接着材料１３は、加熱すると溶融し後冷却すると固化する材料に限られず、加熱すると溶融固化する、例えば、エポキシ系接着剤やメラミン系接着剤、ユリア系接着剤等の熱硬化性材料や、数百℃程度の熱を加えれば溶融する亜鉛等のメッキ剤であってもよく、中空金属球構造体１の使用条件において十分な結合力を維持することができる材料であれば、とくに限定はない。

つぎに、加工金属球１０の製造方法を説明する。
以下では、液体状の接着材料１３によって結合材層１２を形成する場合を説明する。
まず、図２（Ａ）に示すように、金属球１１の表面に、液体状の接着材料１３を塗布し、接着材料１３の層、つまり、結合剤層１２を形成させる。このとき、接着材料１３を塗布する方法は、刷毛などによって金属球１１の表面に直接接着材料１３を塗ってもよいし、また、スプレー等によって吹付けて塗布してもよく、特に限定はない。
ついで、金属球１１を、その結合剤層１２の接着材料１３同士が互いにくっつき合わないような状態となるまで乾燥させると、結合剤層１２を有する加工金属球１０を製造することができる。

なお、結合剤層１２を形成する方法は上記の方法に限られず、結合剤層１２の接着材料１３同士が互いにくっつき合わないような状態となっていればよく、特に限定はない。例えば、接着材料１３を粉末にして金属球１１の表面に付着させて結合剤層１２を形成させてもよい。

つぎに、加工金属球１０を使用して中空金属球構造体１を製造する方法を説明する。
図２（Ｂ）に示すように、中空な外殻部材２内に、前記加工金属球１０を投入し、外殻部材２の内部に充填する。
このとき、外殻部材２に振動を加えれば、加工金属球１０が、その加工金属球１０同士の間にできる隙間が小さくなるように加工金属球１０が移動し、外殻部材２内における加工金属球１０の充填密度を高めることができ、充填状態を均一にすることができる。
なお、所定の量の加工金属球１０の投入が終了してから、外殻部材２に振動を加えてもよい。

ついで、外殻部材２を、前記接着材料１３が溶融する温度まで加熱すると、加工金属球１０の結合剤層１２を構成する接着材料１３が溶融し、隣接する結合剤層１２同士が結合する。言い換えれば、隣接する金属球１１同士が接着材料１３によって橋架けされたような状態になる。
そして、この状態から、外殻部材２を冷却すれば、溶融していた接着材料１３が、隣接する結合剤層１２同士が結合したまま固化する。すると、隣接する金属球１１同士が接着材料１３によって結合され、成形体３が形成されるから、外殻部材２内に成形体３が充満された中空金属球構造体１が完成する（図１）。
なお、接着材料１３が熱硬化性材料である場合には、接着材料１３が溶融してから、接着材料１３が固化する温度まで外殻部材２を加熱してから冷却することは、いうまでもない。

上記のごとき方法によって中空金属球構造体１を製造すれば、外殻部材２内に加工金属球１０を投入してから、金属球１１を結合させて成形体３を形成する、つまり、外殻部材２内で成形体３を形成するから、加工金属球１０をその内部に充填することさえできれば、外殻部材２において、成形体３を配置する部分が複雑な形状をしていても、成形体３を配置することができる。とくに、外径の小さい金属球１１と外径の大きい金属球１２を混合して使用すれば、外殻部材２が複雑な形状をしていても、複雑な形状の部分には小さい金属球１１を確実に充填することができるから、加工金属球１０を外殻部材２の内部に確実に充填できる。そして、外殻部材２において比較的簡単な形状の部分は、外径の大きい金属球１１を充填することができるから、複雑な形状の外殻部材２の内部全体を小さい金属球で充填する場合に比べて、中空金属球構造体１を軽量にすることができる。
しかも、金属球１１同士が接着材料１３によって結合されているから、接着材料１３が溶融固化し成形体３が形成されるときに若干体積が減少するが、その減少割合は金属球１１を焼結する場合に比べて、その減少割合が非常に小さいので、接着材料１３が固化した後に、外殻部材２内部に隙間ができることを防ぐことができる。

また、加工金属球１０は、その結合剤層１２の接着材料１３を乾燥させており、加工金属球１０同士がくっつき合わないので、外殻部材２内にスムースに充填することができる。よって、外殻部材２が複雑な形状であっても、隙間なく加工金属球１０を充填することができる。しかも、加工金属球１０を充填するときに、外殻部材２に振動を加えているから、外殻部材２内で加工金属球１０同士を相対的に移動させることができる。すると、成形体３内における金属球１１の充填密度も高くすることができるから、中空金属球構造体１の強度を強くすることができる。

なお、中空な構造用材料の製造工程、または、中空な構造用材料を使用して製造される製品の製造ラインにおいて、その構造用材料を加熱する工程（加熱工程）がある場合には、この構造用材料を本実施形態の中空金属球構造体１とすることができる。つまり、接着材料１３として加熱工程における加熱温度において溶融したり溶融固化したりするものを使用すれば、加工金属球１０を、加熱工程を行う前に構造用材料の内部に充填しておくだけで、構造用材料の内部に成形体３を形成することができる。例えば、自動車のピラー等には中空なハット材が使用されるが、このハット材の内部に、加工金属球１０を投入しておけば、自動車の塗装工程においてピラー等も加熱されるから、加工金属球１０を成形体３とすることができる。
すると、中空金属球構造体１を製造する製造工程に、加熱冷却工程を設けなくてもよいから、中空金属球構造体１の製造工数を少なくすることができる。

さらになお、加工金属球１０を投入して加熱冷却するだけで、一般的な構造用材料を本実施形態の中空金属球構造体１とすることができるから、現在使用している構造用材料であっても、簡単に本実施形態の中空金属球構造体１とすることができる。

さらになお、加工金属球１０を投入して加熱冷却するだけで、一般的な構造用材料を本実施形態の中空金属球構造体１とすることができるから、現在使用している構造用材料であっても、簡単に本実施形態の中空金属球構造体１とすることができる。

また、上記のごとき中空金属球構造体１から外殻部材２を取り外して、成形体３のみをそのまま構造用材料として使用することも可能である。かかる成形体３は、接着材料１３によって隣接する金属球１３同士を結合させているため、寸法精度が高く、また、製造も容易である。そして、この成形体３は、その内部に引張り応力を発生させる引張り外力が加わった場合には金属球１１が成形体３から離脱して破損するおそれがあるため、引張り外力を支持する構造体には使用できないが、圧縮する力のみが加わる構造体にはその材料として使用することが可能である。

本発明の中空金属球構造体の製造方法によって形成された構造体は、中空な部材、例えば、円管やハット材、角管等、自動車のフレームやバンパー、建築物の梁、柱等に使用する構造用材料に使用可能である。

（Ａ），（Ｂ）は本実施形態の中空金属球構造体１の概略説明図であり、（Ｃ）は中空な金属球１０の概略断面図である。 （Ａ）は加工金属球１０の製造方法のフローチャートであり、（Ｂ）は中空金属球構造体１の製造方法のフローチャートである。

符号の説明

１ 中空金属球構造体
２ 外殻部材
３ 成形体
１０ 加工金属球
１１ 金属球
１２ 結合材層
１３ 接着材料

Claims (11)

1. 中空な複数の金属球を有する構造体の形成方法であって、
   前記複数の金属球の表面に結合剤層を形成し、
   該結合剤層が形成された複数の金属球を、中空な外殻部材の内部に収容し、
   該外殻部材の内部において、前記複数の金属球の結合剤層同士を結合させる
   ことを特徴とする中空金属球構造体の製造方法。
2. 前記金属球の結合剤層を形成する接着材料が、加熱すると溶融する材料であり、
   前記金属球の表面に前記接着材料を付着させて前記結合剤層を形成し、
   前記金属球が収容された前記外殻部材を、加熱した後冷却する
   ことを特徴とする請求項１記載の中空金属球構造体の製造方法。
3. 前記金属球の結合剤層を、該金属球の表面に該接着材料を塗布したのち、該接着材料を乾燥させて形成する
   ことを特徴とする請求項２記載の中空金属球構造体の製造方法。
4. 前記外殻部材に前記金属球を充填するときに、前記外殻部材に振動を加える
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の中空金属球構造体の製造方法。
5. 内部に中空な空間を有する外殻部材と、
   該外殻部材の内部に充填された複数の金属球とからなり、
   該金属球が、その表面に結合剤層を備えており、
   前記外殻部材の内部に、前記複数の金属球の結合剤層同士が結合することによって前記外殻部材の中空な空間を充満する形状に成形された成形体を有する構造体である
   ことを特徴とする中空金属球構造体。
6. 前記成形体が、前記外殻部材の中空な空間の一部を充満する形状に成形されている
   ことを特徴とする請求項５記載の中空金属球構造体。
7. 前記結合剤層を形成する接着材料が、加熱すると溶融する材料であり、
   前記金属球の結合剤層が、該金属球の表面に前記接着材料を付着させて形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の中空金属球構造体。
8. 前記金属球の結合剤層が、該金属球の表面に塗布された前記接着材料を乾燥させて形成されたものである
   ことを特徴とする請求項７記載の中空金属球構造体。
9. 前記金属球と前記外殻部材が、同一材料によって形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の中空金属球構造体。
10. 前記複数の金属球が、外径の異なる金属球を有する
    ことを特徴とする請求項５記載の中空金属球構造体。
11. 前記複数の金属球を結合して形成された成形体であって、
    該成形体が、
    請求項２または３記載の中空金属球構造体の製造方法によって形成された中空金属球構造体から、前記外殻部材を取り除いたものである
    ことを特徴とする中空金属球成形体。

Images