(57)【要約】【課題】製造が容易であり、安価に製造できる、軽量かつ高剛性・高強度のパイプ状構造体、およびパイプ状構造体の製造方法を提供する。【解決手段】パイプ状構造体１０の製造方法は、まず、中空パイプ形状を有する素材４０に機械加工によって複数の切れ目４１を形成する。次に、引抜加工によって素材を塑性変形させて切れ目を拡開させる。これによって、素材から構成される中空パイプ形状を有する本体部２０の壁面部２１に複数の多角形穴３０を貫通して形成する。【選択図】図１Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空パイプ形状を有する本体部と、
前記本体部の壁面部に貫通して形成された複数の多角形穴と、を有し、
前記本体部は、前記本体部を構成する素材の硬度よりも硬い、パイプ状構造体。
【請求項２】
前記本体部は、前記素材が塑性変形することによって前記素材の硬度よりも硬い状態にされている、請求項１に記載のパイプ状構造体。
【請求項３】
複数の前記多角形穴は、前記壁面部に規則的に配列されている、請求項１または２に記載のパイプ状構造体。
【請求項４】
前記本体部の前記壁面部は、前記多角形穴を除いた残余の構造部位が格子形状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のパイプ状構造体。
【請求項５】
前記本体部は、円柱状形状を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のパイプ状構造体。
【請求項６】
前記多角形穴は、多角形形状、または多角形形状を組み合わせた形状を有する穴を含んでいる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のパイプ状構造体。
【請求項７】
前記本体部は、金属からなる中空パイプ、プラスチックからなる中空パイプ、または強化基材と樹脂とを組み合わせてなる中空の複合材料から構成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のパイプ状構造体。
【請求項８】
中空パイプ形状を有する素材に機械加工によって複数の切れ目を形成し、
前記素材を塑性変形させて前記切れ目を拡開させることによって、前記素材から構成される中空パイプ形状を有する本体部の壁面部に複数の多角形穴を貫通して形成する、パイプ状構造体の製造方法。
【請求項９】
前記素材を引抜加工することによって、前記素材を塑性変形させる、請求項８に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記素材は伸び易さの異方性を有し、引抜方向を前記素材の伸び易い方向と平行、直交、または９０度以外の角度において交差させて前記引抜加工を行う、請求項９に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１１】
複数の前記切れ目を規則的に形成することによって、複数の前記多角形穴を前記壁面部に規則的に配列させる、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記機械加工としての除去加工によって、前記素材に複数の前記切れ目を形成する、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１３】
前記機械加工としての切断加工によって、前記素材に複数の前記切れ目を形成する、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１４】
前記本体部を円柱状形状に形成する、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１５】
多角形形状、または多角形形状を組み合わせた形状を有する前記多角形穴を形成する、請求項８〜１４のいずれか１項に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【請求項１６】
金属からなる中空パイプ、プラスチックからなる中空パイプ、または強化基材と樹脂とを組み合わせてなる中空の複合材料から構成された前記素材を用いる、請求項８〜１５のいずれか１項に記載のパイプ状構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイプ状構造体、およびパイプ状構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軽量かつ高剛性・高強度の構造体として、立体的な格子構造を有する格子構造部を含む三次元構造体が知られている（特許文献１を参照）。この三次元構造体は、金属粉末にレーザーを照射して金属を溶融凝固させて逐次積層造形を行うことによって製造される。製造には、３Ｄプリンタが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−９３４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているように、３Ｄプリンタを用いた積層造形法によれば、任意かつ複雑な形状の格子構造を有する格子構造部を含む三次元構造体を製造することができる。しかしながら、このような造形法は、高価であり、メートルサイズの比較的大きい構造体を製造することはできない。自動車の車体のように、比較的大きく、かつ、量産品にあっては、製造が容易であり、安価に製造できることが要請される。
【０００５】
本発明は、製造が容易であり、安価に製造できる軽量かつ高剛性・高強度のパイプ状構造体、およびパイプ状構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係るパイプ状構造体は、中空パイプ形状を有する本体部と、前記本体部の壁面部に貫通して形成された複数の多角形穴と、を有している。パイプ状構造体は、前記本体部が前記本体部を構成する素材の硬度よりも硬い。
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係るパイプ状構造体の製造方法は、まず、中空パイプ形状を有する素材に機械加工によって複数の切れ目を形成する。そして、前記素材を塑性変形させて前記切れ目を拡開させることによって、前記素材から構成される中空パイプ形状を有する本体部の壁面部に複数の多角形穴を貫通して形成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のパイプ状構造体、およびパイプ状構造体の製造方法によれば、製造が容易であり、安価に製造できる軽量かつ高剛性・高強度のパイプ状構造体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】中空パイプ形状を有する素材を示す図である。
【図１Ｂ】素材に機械加工によって複数の切れ目を形成した状態を示す図である。
【図１Ｃ】切れ目を形成した素材を塑性変形させている状態を示す模式図である。
【図１Ｄ】製造したパイプ状構造体を示す図である。
【図２Ａ】三角形形状の多角形穴を示す模式図である。
【図２Ｂ】四角形形状の多角形穴を示す模式図である。
【図２Ｃ】菱形形状の多角形穴を示す模式図である。
【図２Ｄ】多角形形状（三角形形状）を組み合わせた星状の形状を有する多角形穴を示す模式図である。
【図３Ａ】素材の伸び易さの異方性と、引抜加工によって形成される多角形穴の形状との関係を示す模式図である。
【図３Ｂ】素材の伸び易さの異方性と、引抜加工によって形成される多角形穴の形状との関係を示す模式図である。
【図３Ｃ】素材の伸び易さの異方性と、引抜加工によって形成される多角形穴の形状との関係を示す模式図である。
【図４】中空パイプ形状を有する素材を塑性変形させる引抜装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１１】
図１Ａは、中空パイプ形状を有する素材４０を示す図、図１Ｂは、素材４０に機械加工によって複数の切れ目４１を形成した状態を示す図、図１Ｃは、切れ目４１を形成した素材４０を塑性変形させている状態を示す模式図である。図１Ｄは、製造したパイプ状構造体１０を示す図である。図２Ａは、三角形形状の多角形穴３０を示す模式図、図２Ｂは、四角形形状の多角形穴３０を示す模式図、図２Ｃは、菱形形状の多角形穴３０を示す模式図である。
【００１２】
図１Ｄを参照して、パイプ状構造体１０は、中空パイプ形状を有する本体部２０と、本体部２０の壁面部２１に貫通して形成された複数の多角形穴３０と、を有している。本体部２０は、本体部２０を構成する素材４０（図１Ａ〜図１Ｃを参照）の硬度よりも硬い。
【００１３】
このように構成することによって、複数の多角形穴３０が本体部２０の壁面部２１に貫通して形成されているので、本体部２０の重量（ｋｇ）が小さくなり、パイプ状構造体１０の軽量化を図ることができる。さらに、パイプ状構造体１０は、本体部２０が素材４０の硬度よりも硬いため、本体部２０の重量を小さくしても、十分な剛性や強度を維持することができる。
【００１４】
本体部２０は、素材４０が塑性変形することによって素材４０の硬度よりも硬い状態にされている（図１Ｃを参照）。
【００１５】
このように構成することによって、本体部２０を素材４０の硬度よりも硬くする加工を簡単に行うことができる。
【００１６】
素材４０の塑性変形は、素材４０を引抜加工することによって付与されている（図１Ｃを参照）。符号１１０は、素材４０の断面積を減少させるダイス孔１１１が形成されたダイスを示している。また、符号１４０ｄによって示される矢印は引抜方向１４０ｄを示している。
【００１７】
このように構成することによって、引抜加工に伴って引張応力および圧縮応力が素材４０に付与され、本体部２０を素材４０の硬度よりも硬くする加工を簡単に行うことができる。
【００１８】
複数の多角形穴３０は、壁面部２１に規則的に配列されている。隣り合う多角形穴３０のピッチはほぼ等しく形成されている。
【００１９】
このように構成することによって、本体部２０の壁面部２１が備える機械的性質（例えば、剛性や強度）を軸方向および周方向に沿ってほぼ一定にできる。
【００２０】
本体部２０の壁面部２１は、多角形穴３０を除いた残余の構造部位２２が格子形状を有している。
【００２１】
このように構成することによって、本体部２０の重量を小さくしても、壁面部２１の構造部位２２が十分な剛性や強度を維持することができる。
【００２２】
本体部２０は、円柱状形状を有している。
【００２３】
このように構成することによって、パイプ状構造体１０は、径方向に作用する力に対して十分に対抗できる。
【００２４】
多角形穴３０は、多角形形状、または多角形形状を組み合わせた形状を有する穴を含んでいる。多角形形状は、特に限定されないが、例えば、図２Ａに示される三角形形状、図２Ｂに示される四角形形状、または図２Ｃに示される菱形形状などである。多角形形状を組み合わせた形状は、特に限定されないが、例えば、図２Ｄに示すように、三角形形状を組み合わせた星状の形状を例示できる。なお、図２Ｄ中の点線は、組み合わせの単位となる三角形形状を示す補助線である。
【００２５】
このように構成することによって、多角形穴３０の形状を多角形形状、または多角形形状を組み合わせた形状から適宜に採択できる。多角形穴３０の形状はこれら以外の形状であってもよい。一種類の形状の多角形穴３０を形成するほか、多種類の形状の多角形穴３０を混在させて形成してもよい。例えば、三角形形状の多角形穴３０と、四角形形状の多角形穴３０とを混在させて形成してもよい。
【００２６】
本体部２０は、金属からなる中空パイプ、プラスチックからなる中空パイプ、または強化基材と樹脂とを組み合わせてなる中空の複合材料から構成されている。
【００２７】
素材４０の形成材料は特に限定されず、金属、プラスチック、または複合材料から適宜に採択できる。
【００２８】
（パイプ状構造体１０の製造方法）
次に、パイプ状構造体１０の製造方法について説明する。
【００２９】
パイプ状構造体１０の製造方法は、まず、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、中空パイプ形状を有する素材４０に機械加工によって複数の切れ目４１を形成する。次に、図１Ｃに示すように、素材４０を塑性変形させて切れ目４１を拡開させる。これによって、図１Ｄに示すように、中空パイプ形状を有する本体部２０の壁面部２１に、複数の多角形穴３０が貫通して形成される。
【００３０】
素材４０に形成した切れ目４１を塑性変形によって拡開させ、複数の多角形穴３０が本体部２０の壁面部２１に貫通して形成される。本体部２０の重量（ｋｇ）が小さくなり、パイプ状構造体１０の軽量化を図ることができる。パイプ状構造体１０は、素材４０が塑性変形することによって素材４０の硬度よりも硬い状態にされている。このため、本体部２０の重量を小さくしても、十分な剛性や強度を維持することができる。
【００３１】
機械加工によって素材４０に切れ目４１を形成しているため、切れ目４１の形成を短時間に行うことができる。塑性変形によって切れ目４１を多角形穴３０に変形させているため、打抜加工やドリル加工などに比べて、多角形穴３０の形成を短時間に行うことができる。しかも、多角形穴３０を形成するための廃棄物が生じないため、材料を無駄にすることがない。このため、材料歩留まりが向上する。
【００３２】
したがって、本実施形態のパイプ状構造体およびその製造方法によれば、製造が容易であり、安価に製造できる軽量かつ高剛性・高強度のパイプ状構造体を提供することが可能となる。
【００３３】
図１Ｃに示すように、素材４０を引抜加工することによって、素材４０を塑性変形させている。
【００３４】
このように構成することによって、引抜加工に伴って引張応力および圧縮応力が素材４０に付与され、本体部２０を素材４０の硬度よりも硬くする加工を簡単に行うことができる。引抜加工は引張応力が存在する加工であり、切れ目４１を簡単に開くことができる。引抜加工はダイス１１０において圧縮応力が存在する加工であり、切れ目４１が歪んで任意の格子形状を作ることができる。
【００３５】
このように本実施形態の製造方法によれば、素材４０にあらかじめ目的の格子構造となるような切れ目４１を入れ、その素材４０を引抜加工などの塑性加工を付加している。これによって、パイプ状構造体１０の形状・大きさ（寸法）と、格子構造との両方を短時間で加工することが可能となる。
【００３６】
なお、切れ目４１の形状は、図示した直線状の形状に限られるものではなく、目的の格子構造となるように、適宜の形状の切れ目４１を形成することができる。例えば、切れ目４１は、プラス形状、Ｘの字形状、Ｌの字形状、引抜方向１４０ｄと平行な形状、引抜方向１４０ｄに対して交差する形状などを選択することができる。切れ目４１がプラス形状やＸの字形状の場合には、図２Ｄに示したように、多角形形状（例えば、三角形形状）を組み合わせた星状の形状を有する多角形穴３０が形成される。また、切れ目４１が伸びている方向に対して直交する方向の断面の形状（以下、単に、切れ目４１の断面形状という）も、特に限定されず、切れ目４１の拡開や歪みを考慮して適宜の形状に形成することができる。例えば、切れ目４１の断面形状は、Ｖの字形状、凹形状とすることができる。また、切れ目４１の断面形状は、Ｖの字形状を有するものの、壁面部２１の法線に対する一方の面の傾斜角度と他方の面の傾斜角度とが異なるように形成してもよい。
【００３７】
複数の切れ目４１を規則的に形成することによって、複数の多角形穴３０を壁面部２１に規則的に配列させている。
【００３８】
このように構成することによって、本体部２０の壁面部２１が備える機械的性質（例えば、剛性や強度）を軸方向および周方向に沿ってほぼ一定にできる。
【００３９】
本体部２０の壁面部２１において多角形穴３０を除いた残余の構造部位２２が格子形状を有するように形成している。
【００４０】
このように構成することによって、本体部２０の重量を小さくしても、壁面部２１の構造部位２２が十分な剛性や強度を維持することができる。換言すれば、同じ重量に対して、剛性や強度を向上させることができる。
【００４１】
機械加工としての除去加工によって、素材４０に複数の切れ目４１を形成することができる。
【００４２】
除去加工は、素材４０の一部を削りとる加工すべてを総称するものであり、具体的には、切削加工、レーザー加工、金型トリム加工、水ジェット加工などを包含する。除去加工によって切れ目４１を簡単かつ迅速に形成することができる。切れ目４１の深さは、切れ目４１が塑性変形によって拡開され、貫通した多角形穴３０が形成できる深さであればよい。したがって、切れ目４１の深さは、壁面部２１の厚みを貫通する深さでもよいし、貫通しない深さでもよい。なお、切れ目４１の大きさは、変形された後の多角形穴３０の大きさに比べると非常に小さい。したがって、除去加工によって切れ目４１を形成しても、材料の無駄は非常に小さく、上述した材料歩留まりの向上を阻害することはない。
【００４３】
また、機械加工としての切断加工によって、素材４０に複数の切れ目４１を形成することができる。
【００４４】
切断加工は、上述した除去加工のうち金型トリム加工以外の加工を指す。具体的には、切削加工、レーザー加工、水ジェット加工である。切断加工によっても切れ目４１を簡単かつ迅速に形成することができる。
【００４５】
本体部２０を円柱状形状に形成している。
【００４６】
このように構成することによって、パイプ状構造体１０は、径方向に作用する力に対して十分に対抗できる。
【００４７】
多角形形状、または多角形形状を組み合わせた形状を有する多角形穴３０を形成する。具体的には、多角形形状は、図２Ａに示される三角形形状、図２Ｂに示される四角形形状、または図２Ｃに示される菱形形状などである。多角形形状を組み合わせた形状は、図２Ｄに示すように、三角形形状を組み合わせた星状の形状である。
【００４８】
このように多角形穴３０の形状は特に限定されず、多角形形状、または多角形形状を組み合わせた形状から適宜に採択できる。
【００４９】
金属からなる中空パイプ、プラスチックからなる中空パイプ、または強化基材と樹脂とを組み合わせてなる中空の複合材料から構成された素材４０を用いて製造している。
【００５０】
素材４０の形成材料は特に限定されず、金属、プラスチック、または複合材料から適宜に採択できる。
【００５１】
次に、素材４０の伸び易さの異方性と多角形穴３０の形状との関係について説明する。
【００５２】
図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、素材４０の伸び易さの異方性と、引抜加工によって形成される多角形穴３０の形状との関係を示す模式図である。
【００５３】
引抜加工に使用される中空パイプ形状を有する素材４０は、一般的に金属製の押出し材が適用され、ロール矯正のときなどにおいてひずみが付与されている。このため、素材４０は、結晶方位が特定の方向に優先的に配向した状態の集合組織を有している。また、中空の複合材料から構成された素材４０についても、配向がある。複合材料の配向は、金属材料のような集合組織ではなく、強化基材の配向によるものである。
【００５４】
集合組織をもつ金属材料は機械的性質の異方性を示す。強化基材の配向によって、複合材料もまた機械的性質の異方性を示す。機械的性質の異方性の一例として、例えば、金属材料からなる素材４０にあっては、金属集合組織によって素材４０は伸び易さの異方性があり、複合材料からなる素材４０にあっては、強化基材の配向によって素材４０は伸び易さの異方性がある。素材４０の伸び易さの異方性を利用することによって、金属材料からなる素材４０および複合材料からなる素材４０を用いて、穴形状を制御することができる。
【００５５】
図３Ａ〜図３Ｃの符号５０によって示される矢印は、素材４０の伸び易さの異方性を表している。長い矢印は本体部２０の壁面部２１が伸び易い方向を示し、短い矢印は本体部２０の壁面部２１が伸び難い方向を示している。図３Ａおよび図３Ｂは、引抜方向１４０ｄと素材４０の伸び易い方向とが平行（図３Ａ）または直交（図３Ｂ）している。図３Ｃは、引抜方向１４０ｄと素材４０の伸び易い方向とが９０度以外の角度において交差している。切れ目４１は、引抜方向１４０ｄに対して直交する方向に形成されている。
【００５６】
図３Ａに示すように、引抜方向１４０ｄと素材４０の伸び易い方向とが平行である場合には、引抜加工によって形成される多角形穴３０の形状は、引抜方向１４０ｄに沿う対角線の方が引抜方向１４０ｄに直交する対角線よりも長い菱形形状となる。
【００５７】
図３Ｂに示すように、引抜方向１４０ｄと素材４０の伸び易い方向とが直交する場合には、引抜加工によって形成される多角形穴３０の形状は、ほぼ正四角形形状となる。
【００５８】
図３Ｃに示すように、引抜方向１４０ｄと素材４０の伸び易い方向とが９０度以外の角度において交差している場合には、引抜加工によって形成される多角形穴３０の形状は、正四角形形状から引抜方向１４０ｄにやや伸びるように変形した四角形形状となる。
【００５９】
素材４０の伸び易さの異方性を利用することによって、引抜方向１４０ｄと素材４０の伸び易い方向との関係、引抜方向１４０ｄに対して切れ目４１を形成する方向などから、引抜加工によって形成される多角形穴３０の形状を所望の形状にすることが可能となる。
【００６０】
（引抜装置）
図４は、中空パイプ形状を有する素材４０を塑性変形させる引抜装置１００を示す構成図である。
【００６１】
引抜装置１００は、素材４０の外面を成形するダイス１１０と、素材４０の内面を成形するプラグ１２０と、素材４０の先端部を保持するチャック部１３０と、チャック部１３０を牽引するキャリッジ部１４０と、チャック部１３０およびキャリッジ部１４０の動作を制御する制御部１５０とを有する。
【００６２】
ダイス１１０は、素材４０の断面積を減少させるダイス孔１１１が形成されている。プラグ１２０は、ロッド１２１の先端に取り付けられている。チャック部１３０は、素材４０の先端部を挟持自在なクランプ１３１を有する。キャリッジ部１４０は、チャック部１３０に連結され、引抜加工の際には、チャック部１３０を図中右方向に牽引する。キャリッジ部１４０は、チャック部１３０を牽引する駆動源として油圧シリンダ等を有する。制御部１５０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、チャック部１３０のクランプ１３１の動作、キャリッジ部１４０の駆動現の動作などを制御する。制御部１５０は、キャリッジ部１４０の動作を制御することによって、素材４０の引抜速度を調整することができる。
【００６３】
引抜加工を行うとき、制御部１５０は、チャック部１３０のクランプ１３１によって素材４０の先端部を挟持し、キャリッジ部１４０によってチャック部１３０を図中右方向の引抜方向１４０ｄに牽引する。これによって、素材４０はダイス１１０とプラグ１２０との間を通して引抜かれる。引抜加工に伴って引張応力および圧縮応力が素材４０に付与される。さらに、素材４０に形成した切れ目４１が拡開し、多角形穴３０に変形する。このようにしてパイプ状構造体１０が製造される。
【００６４】
パイプ状構造体１０が比較的長尺となる場合には、多角形穴３０が引抜き方向に長くなってしまうことを防止するために次のような加工をしてもよい。つまり、引抜加工を一旦中止し、クランプ１３１によって素材４０を挟持する位置を、素材４０の先端部からダイス１１０に近接した位置に変更する。その後、引抜加工を再開することによって、拡開した多角形穴３０が引抜き方向に長くなってしまうことを防止することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０      パイプ状構造体、
２０      本体部、
２１      壁面部、
２２      造部位、
３０      多角形穴、
４０      本体部を構成する素材、
４１      切れ目、
５０      素材の伸び易さの異方性を表す矢印、
１００    引抜装置、
１１０    ダイス、
１１１    ダイス孔、
１２０    プラグ、
１２１    ロッド、
１３０    ャック部、
１３１    クランプ、
１４０    キャリッジ部、
１４０ｄ  引抜方向、
１５０    制御部。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2018199149.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
2018199149.tif 000006
【図２Ａ】
2018199149.tif 000007
【図２Ｂ】
2018199149.tif 000008
【図２Ｃ】
2018199149.tif 000009
【図２Ｄ】
2018199149.tif 000010
【図３Ａ】
2018199149.tif 000011
【図３Ｂ】
2018199149.tif 000012
【図３Ｃ】
2018199149.tif 000013
【図４】
2018199149.tif 000014