(57)【要約】合体により多層体を製造する方法において、下記の工程：ａ）粉末、ペレット、粒状体などの形態の出発材料を予備圧密化用の型に充填する工程、ｂ）該出発材料を少なくとも１回予備圧密化する工程、およびｃ）該材料を圧縮成形用の型内で少なくとも１回の打撃により圧縮成形する工程、その際、圧縮成形型内に装入された上記材料を打撃ユニットで打撃することにより、該材料の合体を起こして上記多層体を形成するために十分な運動エネルギーを該打撃ユニットが放出する、ｄ）上記予備圧密化工程ｂ）の後または上記圧縮成形工程ｃ）の後で、粉末、ペレット、粒状体などの形態の異種の出発材料を少なくとも１種を上記型内に装入する工程、ｅ）必要に応じて、上記異種の出発材料を装入した後に予備圧密化および／または圧縮成形を更に行なう工程を含んで成ることを特徴とする方法。
2004504184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合体により多層体を製造する方法において、下記工程：
ａ）予備圧密化用型内に、粉末、ペレット、粒状体などの形態の出発材料を充填する工程、
ｂ）上記材料を少なくとも１回予備圧密化する工程、および
ｃ）上記材料を圧縮成形用型内で少なくとも１回の打撃で圧縮成形する工程、その際、圧縮成形型内に装入された上記材料を打撃ユニットで打撃することにより、該材料の合体を起こして上記多層体を形成するために十分な運動エネルギーを該打撃ユニットが放出する、
ｄ）上記予備圧密化工程ｂ）の後または上記圧縮成形工程ｃ）の後で、粉末、ペレット、粒状体などの形態の異種の出発材料を少なくとも１種を上記型内に装入する工程、
ｅ）必要に応じて、上記異種の出発材料を装入した後に予備圧密化および／または圧縮成形を更に行なう工程
を含んで成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、上記予備圧密化用型と上記圧縮成形用型とが同一の型であることを特徴とする方法。
【請求項３】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記予備圧密化を約０．２５×１０８Ｎ／ｍ２以上の圧力で室温にて行なうことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、上記予備圧密化を約０．６×１０８Ｎ／ｍ２以上の圧力で行なうことを特徴とする方法。
【請求項５】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記予備圧密化を２回以上行なうことを特徴とする方法。
【請求項６】
合体により多層体を製造する方法において、出発材料の一体物を圧縮成形用型内で少なくとも１回の打撃で圧縮成形し、その際に上記一体物内で材料が合体するのに十分なエネルギーを打撃ユニットが放出し、また粉末、ペレット、粒状体などの形態または一体物の形態の別の出発材料を少なくとも１種上記型内に装入し、上記別の出発材料も上記打撃ユニットで１回目または２回目以降の打撃で打撃して上記少なくとも２種以上の出発材料で一体物を形成することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１から５までのいずれか１項または請求項６に記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、大気中で室温にて打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で１００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で３００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で６００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で１０００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で２０００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１から５までのいずれか１項または請求項６に記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、大気中で室温にて打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で５Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で２０Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で１００Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で２５０Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、上記圧縮成形用の打撃が、打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で３５０Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出することを特徴とする方法。
【請求項１７】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記圧縮成形により多層体の相対密度を６０％以上、望ましくは６５％以上にすることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、上記圧縮成形により多層体の相対密度を７０％以上、望ましくは７５％以上にすることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、上記圧縮成形により多層体の相対密度を８０％以上、望ましくは８５％以上、特に９０％以上１００％以下にすることを特徴とする方法。
【請求項２０】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記圧縮成形工程の後に、得られた一体物に後圧密化を少なくとも１回行なうことを特徴とする方法。
【請求項２１】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記多層体を構成する材料を、金属材料、セラミック材料およびポリマー材料から成る群から選択することを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、上記多層体を構成する材料の１つが、炭素材料、ガラス材料、金属材料、ポリマー材料およびセラミック材料から成る群から選択した強化相を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２１記載の方法において、上記多層体の構成材料を、ＵＨＭＷＰＥ、ＰＭＭＡ、ニトリルゴム、アルミニウム合金およびチタンから成る群から選択することを特徴とする方法。
【請求項２４】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記多層体が、義骨または義歯のような医療インプラントであることを特徴とする方法。
【請求項２５】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記圧縮成形または上記後圧密化の後の任意のときに、後加熱および／または焼結を行なうことを特徴とする方法。
【請求項２６】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、生材としての多層体を製造することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２７記載の方法において、上記生材を焼結する工程を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記材料が医療用として適用可能な材料であることを特徴とする方法。
【請求項２９】
先行する請求項のいずれか１項記載の方法において、上記材料の少なくとも１つが潤滑剤および／または焼結助剤を含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項６記載の方法において、上記一体物を変形させる工程を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項１から３０までのいずれか１項記載の方法により製造された製造物。
【請求項３２】
請求項３１記載の製造物において、医療用の機器または器具であることを特徴とする製造物。
【請求項３３】
請求項３１記載の製造物において、医療用以外の機器であることを特徴とする製造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、合体により多層体を製造する方法およびそれにより製造された多層体に関する。
【０００２】
従来の技術
国際公開公報ＷＯ−Ａ１−９７００７５１に、衝撃機械およびこの機械でロッドを切断する方法が記載されている。この公報には更に金属部材を変形させる方法も記載されている。この方法は、同公報に記載されている機械を用いており、特徴として、固形物あるいは粒状物、ペレット等のような粉末の状態の金属材料を望ましくは型（モールド）、ホルダー等の端部に固定し、衝撃ラムのような打撃ユニットによる断熱的合体処理を施し、ラムの運動は液体で行なわせる。この機械については上記公報に詳述されている。
【０００３】
国際公開公報ＷＯ−Ａ１−９７００７５１には、球体のような部材の成形が記載されている。２部分に分割された工具に金属粉末が供給され、この粉末が接続管を通って供給される。この金属粉末はガスアトマイズされていることが望ましい。ロッドが接続管を通過する際に、衝撃機械によって衝撃を受け、球形型内に封入された材料に作用する。しかし、この方法で構造体を製造する際のパラメータは実施例にも特定されていない。
【０００４】
この公報の圧縮成形は複数工程、例えば３工程で行なわれる。これらの工程は非常に高速で行なわれ、そのための３回の打撃を下記のように行なう。
【０００５】
打撃１：極めて軽微な打撃で、粉末から空気を追い出し、大きな欠陥が残らないように粉末粒子を整頓する（粒子同士を馴染ませる）。
【０００６】
打撃２：非常に高いエネルギー密度かつ高速衝撃の打撃で、粉末粒子を局所的に断熱的に合体させるためであり、これにより粉末粒子同士が相互に圧縮されて極めて高密度になる。個々の粒子の局部昇温はこの打撃中の変形の程度に依存している。
【０００７】
打撃３：中程度の高エネルギーかつ高接触エネルギーの打撃であり、実質的に材料が圧縮成形された部材の最終成形を行なう。得られた圧縮成形体を焼結することができる。
【０００８】
スエーデン特許公報ＳＥ９８０３９５６−３には、部材を変形させるための方法および装置が記載されている。これは実質的に国際公開公報ＷＯ−Ａ１−９７００７５１の発明を発展させたものである。上記スエーデン公報の方法では、打撃ユニットをそれが少なくとも１回は跳ね返り打撃が起きるような速度で素材に打ち付け、この跳ね返り打撃に対抗して少なくとも更に１回は打撃ユニットによる打撃が起きるようにする。
【０００９】
上記国際公開公報の方法により打撃は、材料内部に局所的な大きい昇温を生じさせ、その結果、昇温中または降温中に材料に相変化を生じさせる。跳ね返り打撃への対抗を用い、少なくとも更に１回の打撃が起きる場合には、この打撃により、最初の打撃の運動エネルギーで発生した前後往復波動の継続時間が伸びる。その結果、材料の変形が更に進行し、しかも対抗作用の無い場合に必要な衝撃よりも小さい衝撃で材料変形が進行する。しかし、上記従来技術の機械は十分に機能しないことが分かった。例えば、打撃と打撃との間に時間を空けることができない。また、構造体が形成できることを示す実施例が記載されていない。
発明の目的
本発明の方法は、多層体を低コストで効率良く製造する方法を実現することである。得られる製造物は、医療用機器、例えば整形外科に用いる医療インプラント材や骨セメント、器具や診断装置であり、また医療分野以外では、工具、絶縁材用途、るつぼ、スプレーノズル、チューブ、切削刃、接続リング、ボールベアリング、エンジン部品等である。もう１つの目的は、上記タイプの多層体を提供することである。
【００１０】
多層という用語は、別の要素同士が相互に接合されて一体化した物であることを意味する。各要素の形態は、平坦な層状であっても良いし、別の要素同士が密着し合うのに適した形態であれば、それ以外の形態であっても良い。１つの要素が凸形で、別の要素の凹形表面にぴったり合えば良い。図２ａ〜図２ｆに、種々の多層体の例を示す。各要素は、互いに同種の材質であっても良いし、異種の材質であってもよい。セラミック材料にポリマー材料の層を組み合わせることができる。また、異種ポリマーの層あるいは要素で構成された多層体であってもよい。
【００１１】
本発明の方法は前記従来技術の方法よりも遥かに低速で実行することもできる。また、本発明の方法は前記従来技術に記載された機械の使用を前提としない。
発明の概要
請求項１に記載した本発明の方法によれば、種々の多層体を圧縮成形することができる。圧縮成形の対象となる材料は、例えば粉末、ペレット、粒状体等の形態であり、これを型内に充填し、予備圧密化（ｐｒｅ−ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ）し、少なくとも１回の打撃で圧縮成形（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ）する。本発明の方法に用いる機械は、国際公開公報ＷＯ−Ａ１−９７００７５１およびスエーデン公開公報ＳＥ９８０３９５６−３に記載された機械であってよい。
【００１２】
本発明の方法は衝撃機械で油圧機構を用い、国際公開公報ＷＯ−Ａ１−９７００７５１およびスエーデン公開公報ＳＥ９８０３９５６−３で用いている油圧機構であってよい。この機械で純然たる油圧機構を用いる場合、圧縮対象である材料との衝突によって合体を達成するのに十分なエネルギーを十分な速度で放出するように、打撃ユニットを動作させることができる。この合体は断熱的に起き得る。打撃は急速に行なわれ、材料によっては材料中の波動は５〜１５ミリ秒で減衰する。圧縮空気を使った場合に比べて、油圧を使うとシーケンス制御性が向上し、運転経費も低減する。バネ作動式の打撃機械は使用方法が複雑であり、設定時間が長くかかり、他の機械と組合せて使える汎用性に欠ける。本発明の方法によれば、費用が少なくて済むし実行も容易である。最適な機械は、前圧密化（ｐｒｅ−ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ）と後圧密化（ｐｏｓｔ−ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ）とを行なう大きなプレスおよび小さくて高速の打撃ユニットを備えている。このような構造の機械が望ましい。ただし、前圧密化および後圧密化を行なう機械と、圧縮成形を行なう機械として、別々の機械を用いてもよい。
発明の詳述
本発明は、合体により多層体を製造する方法であって、下記の工程：
ａ）予備圧密化用型内に、粉末、ペレット、粒状体などの形態の出発材料を充填する工程、
ｂ）上記材料を少なくとも１回予備圧密化する工程、および
ｃ）上記材料を圧縮成形用型内で少なくとも１回の打撃で圧縮成形する工程、その際、圧縮成形型内に装入された上記材料を打撃ユニットで打撃することにより、該材料の合体を起こして上記多層体を形成するために十分な運動エネルギーを該打撃ユニットが放出する、
ｄ）上記予備圧密化工程ｂ）の後または上記圧縮成形工程ｃ）の後で、粉末、ペレット、粒状体などの形態の異種の出発材料を少なくとも１種を上記型内に装入する工程、
ｅ）必要に応じて、上記異種の出発材料を装入した後に予備圧密化および／または圧縮成形を更に行なう工程
を含んで成る方法である。
【００１３】
予備圧密化用型は圧縮成形用型と同じであっても良く、すなわち工程ｂ）から工程ｃ）に進む際に材料を移動しなくても良い。工程ｂ）と工程ｃ）で別の型を用い、予備圧密化用型から圧縮成形用型に材料を移動させても良い。ただし材料の移動が可能なのは、予備圧密化工程で材料が一体化された場合に限られる。
【００１４】
一実施形態においては、第１出発材料を単に予備圧密化しただけの時点で、第２出発材料を装入する。その後、２回目の予備圧密化を行い、そして多層材料を少なくとも１回打撃して合体させ、一体化した製造物とする。第１出発材料を予備圧密化する前に、１種または２種以上の粉末状の異種出発材料を装入することも可能である。このようにすると、全ての材料が一緒に圧密化および圧縮成形される。
【００１５】
別の実施形態においては、粉末状の第１出発材料および第２出発材料を平面的に隣接させまたは互いに層状に重ね合わせて装入し、予備圧密化および打撃を行なう。
【００１６】
第３の実施形態においては、先ず第１出発材料を予備圧密化および打撃して１つの合体要素とし、次いでこの要素を第２の型内の第２出発材料の粉末の上または中に装入する。この状態で第１要素と第２出発材料とを一緒に予備圧密化および打撃することにより合体させる。
【００１７】
以下の記載において、各処理工程は、単一の層または要素に対して実行する場合もあるし複数の層または要素に対して同時に実行する場合もある。
【００１８】
図１に示す装置は打撃ユニット２を備えている。図１において材料は粉末、ペレット、粒状体などの形態である。装置の打撃ユニット３からの強力な衝撃によって材料１に直ちに比較的大きい変形が生ずる。本発明は、後述するように一体物の圧縮成形をも行なう。その場合は、一体物としての材料１、例えば一体化した均一な多層体を型内に装入する。
【００１９】
打撃ユニット２は、重力の作用を受けつつ材料１に向かって加速するように配置されている。打撃ユニット２の質量ｍは、材料１の質量より実質的に大きいことが望ましい。それにより、打撃ユニット２を大きな衝撃速度とする必要がある程度緩和される。打撃ユニット２を材料１に衝突させ、圧縮成形用型内にある材料を打撃させ、材料を圧縮成形して一体物とするのに十分な運動エネルギーを放出させる。その結果、局所的な合体とそれによる材料１の変形が起きる。材料１の変形は塑性変形であり、永久変形である。材料１の内部には、打撃ユニット２の衝撃方向に沿った波動もしくは振動が発生する。この波動または振動は大きな運動エネルギーを持っており、材料内部の滑り面を活性化させると共に粉末粒子同士の相対的な変位を起こす。この合体過程は断熱的な合体過程であり得る。材料内部で局所的な昇温によってスポット溶接（粒子界面の溶融）が起きて、材料の密度が高まる。
【００２０】
予備圧密化は非常に重要な工程である。これにより材料内の空気を追い出し、粒子を整頓する（粒子同士を馴染ませる）。予備圧密化は圧縮成形よりかなり低速なので容易に空気を追い出せる。圧縮成形は非常に高速であり、空気を追い出せる可能性は非常に低い。したがって、空気が製品中に閉じ込められる可能性があり、これが欠点である。予備圧密化は、粒子を最大限に稠密化して粒子表面同士を最大限に接触させるのに十分な最低限の圧力で行なう。この圧力は材料によって異なり、材料の軟らかさと融点に依存する。
【００２１】
実施例における予備圧密化は約１１７６８０Ｎの一軸荷重で行なった。これは予備圧密化用型内または最終型内で行なっている。実施例では予備圧密化を円筒状型内で行なっており、この筒状型は装置の一部を成しており、円形断面は直径３０ｍｍ、断面積約７ｃｍ２である。したがって、用いた圧力は約１．７×１０８Ｎ／ｍ２となる。ヒドロキシアパタイトの場合は、予備圧密化の圧力は約０．２５×１０８Ｎ／ｍ２以上、望ましくは約０．６×１０８Ｎ／ｍ２以上である。必要なまたは望ましい予備圧密化圧力は材料によって異なり、もっと軟らかい材料の場合には約０．２×１０８Ｎ／ｍ２で十分である。他に１．０×１０８Ｎ／ｍ２、１．５×１０８Ｎ／ｍ２といった圧力を用いる場合もある。本明細書に記載した試験は大気中で室温にて行なった。真空を用いたり加熱された材料を用いたりする場合には、もっと低圧にすることもある。円筒の高さは６０ｍｍである。特許請求の範囲で打撃面積を規定してあるが、この打撃面積は型内の材料に作用する打撃ユニットの円形断面の面積である。この場合、打撃面積は断面積である。
【００２２】
特許請求の範囲には、実施例で用いている円筒形型も規定している。この型の場合、打撃面積と円筒の断面の面積とは同じである。しかし、型の構成はこれ以外でも良く、例えば球状でもよい。その場合、打撃面積は球状型の断面積より小さくなる。
【００２３】
本発明は更に、合体により多層体を製造する別の方法も提供する。この方法は、一体物の最初の材料すなわち出発材料（すなわち特定用途向けの目標密度を備えた一体物）を、粉末または一体物のいずれかの形態の少なくとも１種の他の材料と一緒にして圧縮成形型内で少なくとも１回の打撃で圧縮成形し、この打撃の際に一体物内の材料の合体が起きるのに十分なエネルギーを打撃ユニットが放出する。材料内部が局所的に大きく昇温して滑り面が活性化され、変形が起きる。この方法は一体物の変形をも行なう。
【００２４】
この方法について下記に詳述する。
【００２５】
１）粉末を加圧して生材（グリーンボディ）とし、この生材を衝撃により圧縮成形して（準）一体物とした後に、後圧密化により一体物内にエネルギーを保存することが可能である。この方法は、動的鍛造衝撃エネルギー保存法（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｉｍｐａｃｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ： ＤＦＩＥＲ）と呼ぶべきもので、主として下記の３工程で行なわれる。
【００２６】
ａ）加圧工程
この加圧工程は冷間プレスや熱間プレスに酷似している。その意図は、粉末から生材（グリーン体）を得ることである。粉末の圧密化を２回行なうことが有利であることが分かった。１回の圧密化では、続けて２回行なった場合に比べて密度が約２〜３％低い。この工程は、粉末粒子間から空気を追い出し、粉末粒子を整頓する（粉末粒子同士を馴染ませる）ための準備工程である。生材の密度値は通常の冷間プレスや熱間プレスの場合と概略同等である。
【００２７】
ｂ）衝撃工程
この衝撃工程は高速工程であって、打撃ユニットによって粉末を所定面積で打撃する。粉末内で材料の波動が発生し、粉末粒子間で粒子間溶融が起きる。打撃ユニットの速度が重要な役割を持つのは本来非常に短時間であるように思える。生ずる粒子間溶融の程度は、粉末の質量と材料の特性によって決まる。
【００２８】
ｃ）エネルギー保存工程
ｄ）
このエネルギー保存工程の狙いは、形成された一体物内に伝達されたエネルギーを保つことである。これは物理的には、粉末の予備圧密化と同等以上の圧力で行なう圧密化である。これにより一体物の密度が約１〜２％増加する。この工程は、打撃ユニットを一体物上に置いたままにして、予備圧密化の際の圧力と同等以上の圧力で加圧することで行なうか、打撃ユニットを取り外す。この工程の意味は、一体物内で粉末を更に変形させるためである。
【００２９】
この方法においては、上記圧縮成形用の打撃が、大気中で室温にて打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で１００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出する。総エネルギーのレベルはこれ以外に、３００Ｎｍ以上、６００Ｎｍ以上、１０００Ｎｍ以上、１５００Ｎｍ以上、２０００Ｎｍ以上、２５００Ｎｍ以上、３０００Ｎｍ以上および３５００Ｎｍ以上であってもよい。１００００Ｎｍ以上、２００００Ｎｍ以上のエネルギーレベルも用いられる。１回の打撃当たり６００００Ｎｍの打撃容量を持つ新しい機械もある。もちろんこのような高レベルのエネルギーを用いてもよい。このような打撃を数回行なうと総エネルギーは数十万Ｎｍに達する。このエネルギーレベルは用いる材料に依存するし、製造物の用途に依存する。同じ材料に対して用いるエネルギーが異なれば、得られる構造体の相対密度も異なる。エネルギーレベルが高いほど、得られる材料の密度が高くなる。材料が異なれば、同じ密度を得るためのエネルギーレベルも異なる。それは、例えば材料の硬さや融点による。
【００３０】
本発明の方法においては、上記圧縮成形用の打撃が、大気中で室温にて打撃面積７ｃｍ２の円筒状装置内で５Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出する。単位質量当たりのエネルギーはこれ以外に、２０Ｎｍ／ｇ以上、５０Ｎｍ／ｇ以上、１００Ｎｍ／ｇ以上、１５０Ｎｍ／ｇ以上、２００Ｎｍ／ｇ以上、２５０Ｎｍ／ｇ以上、３５０Ｎｍ／ｇ以上および４５０Ｎｍ／ｇ以上であってもよい。
【００３１】
サンプルの質量と、ある相対密度にするのに必要なエネルギーとの間には直線関係がある。しかし、材料によっては、相対密度が総衝撃エネルギーに依存する場合もある。
【００３２】
この値は用いる材料によって異なる。当業者であれば、どの値が質量依存してどの値が質量依存しないのかを試験することができる。
【００３３】
エネルギーレベルは型の形状および構造に応じて修正し適合させる必要がある。例えば、型が球形なら、別のエネルギーレベルが必要になる。当業者であれば、上記の各値を参照して、特定の形状に必要なエネルギーレベルを試験することができる。エネルギーレベルは、構造体の用途すなわち所望相対密度に依存しており、また型の形状および材料の特性に依存している。打撃ユニットは、圧縮成形用型内に装入された材料を打撃する際に、一体物を形成するのに十分な運動エネルギーを放出しなくてはならない。打撃速度が速いほど、振動が増加し、粒子間の摩擦が増加し、局所的発熱が増加し、粒子間溶融が増大する。打撃面積が大きくなるほど、振動が増加する。工具へ伝達されるエネルギーが材料へ伝達されるエネルギーより多い場合には限度がある。したがって、材料の高さについても最適値がある。
【００３４】
多層体用の粉末を型内に装入して、打撃ユニットで材料を打撃すると、粉末材料の合体が起きて材料が浮き上がる。それは多分、下記の原因による。すなわち、材料内での合体は、打撃ユニットが型内にある材料の一体物または材料から跳ね返る瞬間に生ずる前後往復波動によって起きる。この波動が材料の一体物内部の運動エネルギーを増加させる。伝達されたエネルギーによって、局所的な昇温が起き、粒子の軟化と変形が可能になり、粒子の表面で溶融が起きる。このように粒子間溶融が起きると、粒子同士が一緒に固化して高密度の材料が得られる。これによって本体の表面の滑らかさも影響を受ける。合体法によって圧縮成形される材料が多いほど、滑らかな表面が得られる。材料および表面の気孔率もこの方法に影響される。表面および本体が多孔質であることを望む場合には、多孔質度の低い表面または本体を望む場合よりも多く圧縮成形してはならない。
【００３５】
個々の打撃により、材料の整頓、空気の追い出し、予備成形、合体、装置への充填および最終的な較正が影響を受ける。前述したように、前後往復波動は打撃ユニットの打撃方向にほぼ沿って移動し、すなわち、打撃ユニットによる打撃を受ける材料一体物の表面から鋳型の底面に接した表面まで進行し、そして戻る。
【００３６】
上記でエネルギーの変換および波動発生について述べてことは、一体物についても当てはまる。本発明において、一体物は個々の用途に必要な目標密度が達成された物体である。
【００３７】
衝撃のエネルギーを必要レベルにするために、打撃実行時の打撃ユニットの速度を０．１ｍ／ｓ以上または１．５ｍ／ｓ以上とすることが望ましい。従来技術よりも大幅に小さい速度を用いることができる。速度は打撃ユニットの質量および所望エネルギーによって決まる。圧縮成形工程における総エネルギーレベルは約１００〜４０００Ｎｍ以上である。ただし、これより大幅に多きエネルギーレベルを用いることもできる。総エネルギーとは、打撃全回数についての合計エネルギーレベルである。打撃ユニットは、少なくとも１回の打撃を行なうし、連続した数回の打撃も行なう。実施例において打撃間の時間間隔は０．４〜０．８秒である。例えば、少なくとも２回の打撃を用いることができる。実施例においては１回の打撃で良好な結果が得られた。この実施例は大気中で室温にて行なった。改良策として例えば真空や加熱等を用いれば、更に低いエネルギーで良好な相対密度を得ることができるであろう。
【００３８】
多層製造物を圧縮成形して相対密度を６０％、望ましくは６５％にすることができる。より望ましい相対密度は７０％、更に７５％である。別の望ましい相対密度は８０％、更に８５％である。９０％以上１００％以下の密度は特に望ましい。しかし、他の相対密度も可能である。生材（グリーン体）の作成の場合には、相対密度は４０〜６０％程度で十分である。荷重支持用インプラントであれば相対密度は９０〜１００％が必要であるし、ある種のバイオ材料ならある程度気孔率があった方が良い場合もある。５％までの気孔率が得られ、これが用途上十分であれば、後処理を行なう必要はない。この点は用途に応じて選択すればよい。９５％未満の相対密度が得られ、これでは不十分である場合には、例えば焼結などの後処理を行なう必要がある。しかし、この場合でも、従来の製造方法に比べて製造工程は削減されている。
【００３９】
この方法は、予備圧密化を少なくとも２回行なう。その利点は、同じ総エネルギーで１回だけ予備圧密化を行なった場合に比べて高い相対密度が得られることである。圧密化を２回行なうと、１回だけの場合に比べ、用いた材料に応じて１〜５％程度相対密度が得られる。材料によっては更に高くなる。２回の圧密化工程を行なう場合、各圧密化工程を例えば５秒程度の短い間隔で行なう。２回目の予備圧密化は１回目と同じ圧力でよい。
【００４０】
更に、この方法は、圧縮成形工程の後に、少なくとも１回の圧密化工程を行なってもよい。これによっても良好な結果が得られている。この後圧密化は、予備圧密化と同等以上の圧力すなわち０．２５×１０８Ｎ／ｍ２以上で行なう。１．０×１０８Ｎ／ｍ２でもよい。後圧密化の圧力は高いほうが望ましく、例えば予備圧密化の圧力の２倍とする。ヒドロキシアパタイトの場合、予備圧密化の圧力は０．２５×１０８Ｎ／ｍ２以上であり、後圧密化の圧力もこれと同等以上とする。予備圧密化の圧力は個々の材料毎に試験により求める。後圧密化の効果は予備圧密化の効果とは異なる。サンプルに伝達されたエネルギーは、打撃の時点で粉末粒子間を局所的に昇温させるが、それ以降も保存されてサンプルの一体強化を促進する。このエネルギーは形成された一体物内に保存される。恐らくサンプル内の材料波の「寿命」が増加して、長時間にわたってサンプルに影響を及ぼし、溶融合体する粒子を増やす。後圧密化は、衝撃後に打撃ユニットを一体物上にそのまま留まらせ、予備圧密化の圧力以上すなわちヒドロキシアパタイトの場合０．２５×１０８Ｎ／ｍ２以上の圧力で加圧することにより行なう。これにより、既に一体化した製造物内で更に変形が起きる。その結果、相対密度が１〜４％程度増加する。この増加量も材料によって異なる。
【００４１】
予備圧密化および／または後圧密化を用いる場合、打撃を軽くして高速にすることが可能であり、そうすると用いるエネルギーレベルが下がるので工具の負担が軽減する。これは所望の用途と使用する材料とに依存する。これも高い相対密度を得る１つの方法にできる。
【００４２】
相対密度を高める別の方法は、材料を前処理することである。用いる粉末材料に応じて、例えば２００〜３００℃あるいは更に高温に予熱する。粉末材料の融点近くまで予熱することが可能である。予熱方法は適宜選択可能であり、例えば炉による通常の加熱でよい。予備圧密化による相対密度を更に高めるために、真空または不活性ガスを用いることができる。これにより、材料中の空気含有量が低減できる。
【００４３】
本発明の他の実施形態によれば、圧縮成形または後圧密化を行なった多層体を、その後いつでも加熱および／または焼結を施すことができる。この後加熱は材料内部にある結合（大きな結合歪み）を緩和するために行なう。圧密化された状態は通常の圧縮成形のみによる状態に比べて高密度化しているので、低温で焼結してよい。その利点は、高温焼結による構成材料の分解や変態が起きないことである。上記以外の後処理として、例えばＨＩＰ処理（熱間静水圧プレス）などを行なってもよい。
【００４４】
また、得られた成形体が生材（グリーン体）であってもよく、この生材を焼結する工程まで含めた方法としてもよい。本発明の生材は、添加物を用いなくとも緻密な一体物である。そのためこの生材は、貯蔵性、取扱性、研磨／切断等の加工性が良好である。生材をそのまま、焼結等を施さずに、最終製品とすることもできる。例えば、用途が骨インプラントすなわち代替材であり、骨に吸収される場合などである。
【００４５】
多層体の構成材料を予め添加物と均一に混合しておくこともできる。粒状物を予備乾燥して素材中の水分を低減することもできる。多層体によって湿気を吸収し難かったりし易かったりする。湿気があると材料の処理に支障を来たしたり、特に湿気が多いと気泡が発生して加工後の材料の均質性が低下したりする。
【００４６】
多層材料は、金属材料、ポリマー材料およびセラミック材料から成る群から選択でき、すなわちステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン、ＵＨＭＷＰＥ、ＰＭＭＡ、ＰＥＥＫ、ゴム、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、ヒロドキシアパタイト、窒化珪素などから選択することができる。多層材料は複合材料を含んでいても良く、複合材料は炭素、金属、ガラスまたはセラミック（例えばアルミナ、シリカ、窒化珪素、ジルコニア、炭化珪素）から成る群から選択した強化繊維または強化粉末を含む。
【００４７】
多層体を形成するために、圧縮成形用打撃は、打撃面積７ｃｍ２の円筒状工具内で１００Ｎｍ以上の総エネルギーを放出する必要がある。多層体を形成するために、圧縮成形用打撃は、打撃面積７ｃｍ２の円筒状工具内で５Ｎｍ／ｇ以上の単位質量当たりエネルギーを放出する必要がある。
【００４８】
粒子形態が不規則な粒子の方が良い結果が得られている。粒子寸法分布は恐らく広くなくてはならない。小さい粒子が大きい粒子間の間隙を充填できる。
【００４９】
第１および第２の材料は潤滑剤および／または焼結助剤を含んでいて良い。潤滑剤は材料の混合に有用である。場合によっては、成形体の型抜きを容易にするために型内に潤滑剤を入れる必要である。材料中に潤滑剤があれば、これが成形体の型抜きも容易にするので、場合によっては利用価値がある。
【００５０】
潤滑剤は、冷却し、空間を埋め、材料粒子を潤滑する。これには長所も短所もある。
【００５１】
粒子は容易に滑って良い位置取りをするので内部潤滑は良好であり、成形体の圧密化が促進される。これは完全な圧密化を得るのに良いことである。内部潤滑によって粒子同士の摩擦が小さくなるのでエネルギー損失が減少し、その結果、粒子間溶融が減る。これは高密度を得る圧縮成形にとっては不利なので、例えば焼結で潤滑剤を除去しなくてはならない。
【００５２】
外部潤滑は材料へのエネルギー伝達を増加させ、それにより間接的に工具への負荷が低減する。その結果、材料内部の振動が増加し、エネルギーが増加し、粒子間溶融の程度が大きくなる。型への材料凝着が低減し、成形体の押出しが容易になる。これは圧密化にも圧縮成形にも有利である。
【００５３】
潤滑剤の一例として Ａｃｒａｗａｘ Ｃ があるが、これ以外の従来からの潤滑剤でも良い。材料の用途が医療分野である場合には、潤滑剤が医学的に受け容れ可能なものでなくてはならないし、もしそうでないなら、何らかの方法で除去しなくてはならない。
【００５４】
工具を潤滑した場合や粉末を予熱した場合には、工具の研磨や洗浄は必要ない。
【００５５】
焼結助剤を材料中に含ませても良い。焼結助剤は、焼結のような後処理に有用である。しかし、焼結工程の無い場合には余り有用ではない。焼結助剤は、酸化イットリウム、アルミナ、マグネシア、その他従来の焼結助剤で良い。焼結助剤も、医療用途の場合には、医学的に受け容れ可能であるか、さもなければ除去する必要がある。
【００５６】
場合によっては、潤滑剤と焼結助剤を両方用いることが有利なことがある。これは用いる処理内容と材料、そして製品の用途に依存している。
【００５７】
場合によっては、製品の型抜きを良くするために型内に潤滑剤を入れる必要がある。型に被膜を付与しても良い。この被膜としては、例えばＴｉＮＡｌやＢａｌｉｎｉｔ Ｈａｒｄｌｕｂｅがある。工具に適した被膜を付けておくと、工具への材料凝着が起きないので、それによるエネルギーの無駄な消費が起きず、粉末へのエネルギー伝達が増加する。成形体の型抜きが困難な場合には、時間を消費する潤滑をする必要は無い。
【００５８】
合体によって多層材料を製造すると、非常に緻密な、そして材料によっては硬い材料が得られる。材料表面は非常に滑らかであり、これがある種の用途では重要になる。
【００５９】
打撃を何回か行なう場合には、連続的に行なってもよいし、打撃間隔を種々に変えてもよいし、打撃の組合せを種々の形にできる。
【００６０】
例えば、１回から６回程度まで打撃を行なうことができる。どの打撃も同じエネルギーレベルとしてもよいし、回を追う毎にエネルギーを増加させたり減少させたりしてもよい。例えば、一連の打撃のうち、最初の少なくとも２回を同じレベルにして、最後の打撃をこの２倍にしてもよい。この逆でもよい。
【００６１】
総エネルギーを１回の打撃で伝達したときに最高密度が得られる場合が多い。総エネルギーを数回の打撃で伝達したときにはこれよりも相対密度が低くなるが、工具への負担は軽減される。そのため、相対密度を最大限にしなくても良い用途の場合は、多数回の打撃を用いることができる。
【００６２】
一連の高速衝撃によって、前後往復振動を持続させる動的エネルギーが連続的に材料一体物に供給される。そして、新たな衝撃によって材料の新たな塑性変形を起こすのと同時に、材料が更に変形する。
【００６３】
本発明の別の実施形態によれば、打撃ユニットによって材料一体物へ与えられる衝撃を、一連の打撃の各打撃毎に小さくする。１回目の打撃と２回目の打撃で大きな差があることが望ましい。非常に短い期間内で１回目の打撃より２回目の打撃を小さくすることは、跳ね返り打撃を効果的に減少させることで、容易に達成できる。ただし、先行打撃の衝撃より後行打撃の衝撃の方を小さくすることもできる。
【００６４】
本発明においては、衝撃は種々の形態で行なってよい。後行打撃の衝撃を小さくするためには打撃ユニットに対する対抗動作は必要ない。他の形態も可能であり、例えば後行打撃の衝撃を大きくしたり、衝撃を大きくあるいは小さくして１回だけ打撃してもよい。一連の打撃間隔を種々に変えて種々に組み合わせても良い。
【００６５】
本発明により製造した多層体は、整形外科で医療インプラントや骨セメントとして、あるいは機器類や検査設備に用いることができる。これらのインプラントは例えば義骨や義歯である。
【００６６】
本発明の一実施形態によれば、材料は医学的に受け容れ可能である。このような材料は例えばヒドロキシアパタイトやジルコニアの要素または層を含んだ多層体である。
【００６７】
インプラントに用いる材料は、生物適合性および血液適合性と同時に機械的耐久性とが必要であり、例えばヒドロキシアパタイトなどの多層材料である。
【００６８】
本発明の方法により製造された多層体は、医療分野以外の用途でも良く、例えば、切削工具、絶縁用途、るつぼ、噴霧ノズル、管、刃先、連結リング、ボールベアリング、エンジン部品等である。
【００６９】
更に、本発明の多層体に用いることができる材料のうちには以下の用途に適したものがある。窒化珪素の用途としては、るつぼ、噴霧ノズル、管、刃先、連結リング、ボールベアリング、エンジン部品がある。アルミナは、優れた電気絶縁材であると同時に実用的な熱伝導率を備えているため、電気部品を搭載する基板の製造、点火プラグの絶縁、大きな引張が掛かる部分の絶縁に用いられる。アルミナはまた、整形外科インプラント用の一般的な材料であり、例えば臀部の大腿骨頭などに用いられる。ヒドロキシアパタイトは整形外科で広く用いられる最も重要な生体材料の１つである。ジルコニアの一般的な用途は切削工具、断熱エンジンの部品であり、また成形外科インプラント用としても一般的な材料であり例えば臀部の大腿骨頭に用いられている。このようの本発明は広範な用途に適用できる。
【００７０】
型内に材料を装入して合体処理を行なうことにより、得られる多層体は硬質で滑らか且つ緻密な表面を備えている。これは重要な特徴である。硬質表面を備えていることにより耐摩耗性や耐スクラッチ性のような機械的性質が優れている。滑らかで緻密な表面を備えていることにより腐食などの対する抵抗力が高い。気孔が少ないほど製品の強度は高くなる。ここで気孔には表面の開放型気孔と気孔全体の総量とがある。従来の方法においては、焼結で低減できない開放型気孔の量を減らすことを目指していた。
【００７１】
各粉末を十分に混ぜ合わせて可能な限り均質にすることは、良好な特性を持つ成形体を得る上で重要である。
【００７２】
本発明の方法によれば、被膜を製造することもできる。被膜は、例えば部材または多層体の表面に形成される。被膜付き部材を製造する場合、この部材を型内に入れ、従来の方法で固定する。被膜材料を型内に入れて部材を取り囲み（例えばガスアトマイズで）、その後合体処理を行なって被膜を形成する。被覆対象部材は本発明により製造した材料であってもよいし、従来方法で製造した部材であってもよい。このような被膜は大きな利点があり、部材に特定の性質を付与できる。
【００７３】
本発明により製造した成形体の被覆は、浸漬被覆や噴霧被覆のような従来方法で行なってもよい。
【００７４】
最初の型内で少なくとも１回の打撃によって最初に材料を圧縮成形することもできる。その後、材料を別の大きい型に移して、別の材料を装入し、これを少なくとも１回の打撃により、前記最初に圧縮成形した材料の上または周囲で圧縮成形する。打撃エネルギーの選択および材料の選択については、上記以外の種々の組合せが可能である。
【００７５】
本発明は、以上説明した方法により製造した製造物も提供する。
【００７６】
本発明の方法はプレス成形に比べて幾つかの利点がある。プレス成形法では、第１工程において、焼結助剤を含む粉末から生材（グリーン体）を形成する。この生材を第２工程で焼結する。焼結助剤はその際に燃焼除去されるか、以降の工程で燃焼除去される。プレス成形法では、成形体の表面を機械的に加工する必要があるため、焼結後に最終加工する必要がある。本発明の方法によれば、成形体を１工程または２工程で製造することができるし、成形体の表面を機械加工する必要がない。
【００７７】
本発明の方法を用いると、大きな一体物を製造できる。従来用いられていた方法では、複数の部分を別体で製造し、使用前に部分同士を結合していた。この結合は、例えばネジや接着剤あるいは両者を組合せて行なう。
【００７８】
本発明の方法のもう１つの利点は、粒子が電荷を帯びていて粒子同士が反発し合う場合でも、電荷を中和するための処理をする必要がない、という点である。本発明の方法は、粉末粒子の電荷にも表面張力にも関わりなく実行できる。しかし、だからといって、反対電荷を帯びた別の粉末や添加物を用いる可能性を排除するものではない。本発明の方法を用いると、製造される成形体の表面張力を制御できる。ある場合には例えば液体膜を必要とする被着用表面には表面張力が低い必要があり、また別の場合には表面張力が高い必要がある。
【００７９】
以下に実施例により本発明を説明する。
【００８０】
実施例
供試材：窒化珪素、ヒドロキシアパタイト、アルミナ、チタン、Ｃｏ−２８Ｃｒ−６Ｍｏ、ＰＭＭＡ、ＵＨＭＷＰＥ
窒化珪素は純凍結粉砕粉末であった。ヒドロキシアパタイトおよびアルミナは前処理を全く施さなかった。金属粉末およびポリマー粉末は先ず乾式混合を１０分間行なって粉末粒子寸法分布を均一化した。
【００８１】
多層体はインプラント等の種々の用途がある。
【００８２】
材料の組合せの異なる６種類の多層体を試験した。
【００８３】
２ 水平層を２層
３ 水平層を３層
１．水平層を１層と鉛直層を２層
２．鉛直層を２層
３．水平層を２層と鉛直層を２層
４．鉛直層を４層
主な狙いは、固体層同士が化学結合により接合する可能性を評価することであった。
【００８４】
試験明細に規定した各構成成分の重量を多層体中の層数で除した。すなわち、試験明細に規定した重量についての外観評価点を得るための衝撃エネルギーも総数で除してある。水平層が２つの鉛直層から成る場合には、硬さが一番低い材料を考慮して衝撃エネルギーを選択する。ポリマーは単一の水平層としての材料１のようには処理しなかった。
【００８５】
以下の試験手順は全ての層について共通である。
【００８６】
１．層１の予備圧密化
１．１．手作業による予備圧密化
１．２．打撃ユニットによる予備圧密化、１２０００ｋｐ軸荷重
２．材料２を添加する前の、層１の衝撃エネルギーレベル
２．１．外観評価点１に対応するエネルギーで打撃
２．２．外観評価点２に対応するエネルギーで打撃
２．３．外観評価点３に対応するエネルギーで打撃
３．多層体衝撃打撃を機械予備圧密化により、材料２および３のそれぞれについて許容最大衝撃エネルギーで行なう。多層体の水平層が２層が３層かで異なる。
【００８７】
近似的理論密度を各多層体について算出した。これは、３層の合計質量を、各材料質量を材料の固有理論密度で除した値の合計で除して算出した。すなわち、ρｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ＝ｍｔｏｔａｌ／（ｍａ／ρａ＋ｍｂ／ρｂ＋ｍｃ／ｒｄ＋ｍｃ／ρｄ＋．ｍｃ／ρｄ）である。
【００８８】
各層の後で、上型を取り外し、次の粉末を装入し、処理を行なった。多層体が完成したら、工具の各部品を取り外して、サンプルを取り出した。電子式マイクロメータで直径および厚さを測定し、これに基づき成形体の体積を求めた。その後、重量を電子式で測定した。これらの結果に基づいて、重量を体積で除すことにより密度１を求めた。
【００８９】
次のサンプルを処理するために、工具を清浄化する必要があったので、アセトンで、またはエメリー布による表面研磨、の一方または両方により、工具に付着していた残材を除去した。
【００９０】
表１に用いた種々の粉末を示す。
【００９１】
【表１】
2004504184.tif 000003
【００９２】
〔水平層を２層の場合〕
図２ａに、水平層２層の構成を示す。用いた種々の材料組合せを表２に示す。
【００９３】
ヒドロキシアパタイトとＵＨＭＥＰＥとを一緒に圧縮成形した場合は、一体化サンプルは得られなかった。ヒドロキシアパタイトはポリマー添加前には一体物であった可能性があるが、ポリマーを添加して打撃すると割れてしまった。ヒドロキシアパタイトとチタンとを圧縮成形した場合にも、ヒドロキシアパタイトについては同様の結果であった。チタンは機械で予備圧密化した状態では一体物となったが、材料２として打撃するとヒドロキシアパタイトが割れてしまった。最良の結果が得られたのは、ヒドロキシアパタイトを手作業で圧密化してからチタン粉末を添加した場合であった。
【００９４】
アルミナおよび窒化珪素は圧縮成形によりうまく一体化できず、一連の圧縮成形シリーズで同様の結果であった。セラミック材料は崩壊してしまい、添加した材料２と結合できなかった。
【００９５】
チタンとＵＨＭＷＰＥまたはＰＭＭＡとを一緒に圧縮成形した場合は、チタンを最初に打撃して一体物とし、次いでポリマーを打撃すると、一体物としてのサンプルが得られた。ポリマーはチタンと結合するには溶融して塑性流動させなければならなかった。チタンのみを手作業で圧密化すると、ポリマーは粉末のままであるように見えた。
【００９６】
Ｃｏ−２８Ｃｒ−６Ｍｏは一体の材料として凝固させるのが複雑であった。これをＰＭＭＡおよびＵＨＭＷＰＥと一緒に圧縮成形した。先ずＣｏ−２８Ｃｒ−６Ｍｏを最初に打撃して一体物とした場合に、ＵＨＭＷＰＥについて一体のサンプルが得られた。Ｃｏ−２８Ｃｒ−６ＭｏとＰＭＭＡとの組合せでは、２層構造の良好なサンプルが得られなかった。
【００９７】
【表２】
2004504184.tif 000004
【００９８】
〔水平層を３層の場合〕
図２ｂに、水平層３層の構成を示す。用いた種々の材料組合せを表３に示す。
【００９９】
３層を一緒に圧縮成形すると一体化サンプルを得ることが困難であった。単層は一体化しても層同士は機械的にも化学的に結合しないことが多かった。最良の結果が得られたのは、第１材料および第２材料の両方を手作業で圧密化するかまたは機械で予備圧密化した後に、高衝撃エネルギーで打撃した場合であった。層同士は機械的に結合しているようであり、一体化した成形体が得られた。
【０１００】
表３に、水平層３層構造に用いた種々の材料の組合せを示す。
【０１０１】
【表３】
2004504184.tif 000005
【０１０２】
〔水平層を１層と鉛直層を２層の場合〕
図２ｃに、水平層１層と鉛直層２層の構成を示す。用いた種々の材料組合せを表４に示す。最良の結果が得られたのは、予備圧密化を行なって２種の材料を打撃した場合であった。プラスチックポリマーを金属またはヒドロキシアパタイトと結合させるのは困難であった。サンプルは多くが脆く、手で簡単に壊れた。
【０１０３】
【表４】
2004504184.tif 000006
【０１０４】
〔鉛直層を２層の場合〕
図４に、鉛直層２層の構成を示す。用いた種々の材料組合せを表５に示す。
【０１０５】
最良の結果が得られたのは、２種の材料を機械で予備圧密化し、許容範囲内で最高衝撃エネルギーで打撃した場合であった。得られたサンプルは一体化しており、崩壊しなかった。
【０１０６】
【表５】
2004504184.tif 000007
【０１０７】
〔水平層を２層と鉛直層を２層の場合〕
図２ｅに、水平層２層の構成を示す。用いた種々の材料組合せを表６に示す。
【０１０８】
サンプルは崩壊した。この衝撃エネルギーのレベルでは、ＰＭＭＡとＵＨＭＷＰＥとを溶融合体させることは困難であった。チタン層は固体のままで他の材料と接合しなかった。
【０１０９】
【表６】
2004504184.tif 000008
【０１１０】
〔鉛直層を４層の場合〕
図２ｆに、水平層２層の構成を示す。用いた種々の材料組合せを表７に示す。
【０１１１】
２番目の水平層は２つの鉛直層から成り、１８０°捩れていて多層体の中央で交差している。
【０１１２】
チタンは凝固したがポリマーは完全に相変化せず、異種材料同士の接合はできなかった。ヒドロキシアパタイトについては、先ず手作業による圧密化または機械による予備圧密化でチタンと一緒に圧密化して、最初の鉛直層２層をそして次の鉛直層２層を打撃した場合に良好なサンプルが得られた。ヒドロキシアパタイトとＵＨＭＷＰＥとを一緒に圧縮成形した場合には、全く一体化できなかった。ヒドロキシアパタイトは崩壊するし、ポリマーは相変化しなかった。
【０１１３】
【表７】
2004504184.tif 000009
【０１１４】
多層多体を圧縮成形するためのスクリーニングテストを行なった。密度については、重量計とマイクロメータで測定できた値は全く概数なので、ここには敢えて示さない。
【０１１５】
機械と工具の制限のため予定した試験を全て行うことはできなかった。第２、第３の材料を添加する前に、材料を打撃したときに工具の部品が膨張して工具から取り外せなくなり、最後まで試験を実行できなくなる場合があった。
【０１１６】
結論として、固体層間の接合を行なうためには、第１層目は手作業または機械により予備圧密化のみを施さなくてはならない。その理由は、予備圧密化した状態では材料中にかなりの気孔が残存しており、この残存気孔部で第２層、第３層の粉末粒子同士が結合できるためであろうと考えられる。
【０１１７】
相対密度９０〜９５程度のほぼ完全な一体化状態になると、他の材料との結合が困難になる。一体化した材料はエネルギーを消費するため、他の材料との結合ができなくなる。
【０１１８】
理想的には、第１材料を打撃した後、予備圧密化のみ行なった粉末薄層を添加し、そして完全に一体化した第３層を添加する。このようにすると、一体化した層同士の間に挟まった材料が両層を結合できる。
【０１１９】
ポリマー材料であるＵＨＭＷＰＥまたはＰＭＭＡを含む多層体はいずれも、低いエネルギーレベルでの結合が困難であった。ポリマーは溶融して塑性化した後でないと、他の材料と結合できない。
【０１２０】
多層体は要素（層）間で材料特性が異なるため、後処理が複雑である。例えばポリマーは焼結できないし、金属の種類によっても金属とセラミックでも焼結条件が非常に異なる。１つの解決法は、先ず１層を圧縮成形した後、取り出して焼結する。焼結済の材料を工具に装入し、そして次のサンプルあるいは粉末を添加して圧縮成形する。この圧縮成形によって一体化済サンプルも圧縮成形あるいは変形されるので、多層体の全ての層を圧縮成形あるいは焼結＋圧縮成形して一体の成形体とすることができる。
【０１２１】
成形されたサンプルは目視のみで検査したので、一体化サンプル中で各層同士が機械的または化学的に結合しているかどうかについて結論付けるのは難しい。
【０１２２】
層同士を実際に化学結合させて相対密度１００％に近づけるには、本発明の方法を真空中で行なうべきであろうと考えられる。構成要素としてセラミックを用いる場合、粉末を圧縮成形前に予熱すべきである。
【０１２３】
実施例２：ステンレス鋼３１６Ｌとゴムの２層構造
この２層構造は、ステンレス鋼３１６Ｌの層とその上のゴム層とから成る。予め各層の材料についてそれぞれ試験を行なった結果、高い相対密度を持つ一体化サンプルが得られた。この試験の主目的は、２層間に化学結合が起きているか、そして異種材料の結合を最適化するには打撃シーケンスをどのようにすべきかを調べることである。用途については現時点で十分確定していないが、この新規な製造方法は、例えば金属もゴムも用いている自動車工業は１つの用途分野となるであろう。
【０１２４】
本発明の方法で直接に所望材料特性が得られれば、以下に述べる後処理を行なう必要はない。それによって、製造コストが削減できるし、環境的に望ましくない添加物をゴムに入れる必要がなくなる。後処理が必要な場合にも、従来の製造方法よりは製造工程を削減できる。
【０１２５】
ステンレス鋼３１６Ｌの粉末を１０分間乾式混練により調整して粒子寸法分布を均一化した。ゴム粉末は、粒子同士が付着する恐れがあるし、元々粒子寸法が均一であったので、特に上記のような調整は行なわなかった。
【０１２６】
合計で５種類のサンプルを製造した。いずれのサンプルも、先ずステンレス鋼３１６Ｌを成形型内に装入した。次いで、種々のタイプの圧密化を行なった後に、ステンレス鋼３１６Ｌの上にゴム粉末を装入した。次いで、同じ衝撃エネルギーで衝撃打撃を行なった。この衝撃エネルギーは予め試験により決定してあったものである。打撃は、ゴムについて予備試験で用いた最大の衝撃エネルギーに対応する衝撃エネルギーで行なった。２種類の材料が存在しているので、個々の材料の重量は各々単独の場合の半分であり、衝撃のエネルギーはゴムについての最大衝撃エネルギーの半分である。どのようなサンプルを製造するかによって、圧密化は２層間で異なる。第１サンプルは、ステンレス鋼３１６Ｌを棒を用いた手作業により圧密化した後に、ゴムを型内に装入した。第２サンプルは予備圧密化を行ない、第３サンプルは可能な最小の衝撃エネルギー（１５０Ｎｍ）を用いた。最後の（第５）サンプルはステンレス鋼３１６Ｌについて予備試験で用いた最大衝撃エネルギーの半分で打撃を行なった。第４サンプルは第３サンプルと第５サンプルの中間の衝撃エネルギーで打撃を行なった。
【０１２７】
ここのサンプル製造後、工具の全部品を取り外してサンプルを取り出した。直径と厚さを電子式マイクロメータで測定し、これに基づいて成形体の体積を求めた。その後、重量をデジタル式重量計で測定した。マイクロメータと重量計からの測定値は全て、別の文書として自動的に記録・記憶させた。これらの結果から、重量を体積で除すことにより密度１を求めた。
【０１２８】
次のサンプルを処理するために、工具をアセトンで洗浄して工具表面に残留した材料を除去しなくてはならなかった。
【０１２９】
製造したサンプルの状態を簡便に評価するために、外観評価点を用いた。外観評価点１はサンプルが粉末状態、外観評価点２はサンプルが脆い状態、外観評価点３はサンプルが一体化している状態である。
【０１３０】
理論密度は各材料のメーカーから入手した。それに基づいて計算した理論密度は５０％ゴム／５０％ステンレス鋼３１６Ｌの間の混合状態であった。個々のサンプルについて、実測密度を理論密度で除して相対密度を求めた。
【０１３１】
場合によっては（この材料組合せではないが）要素片が失われてしまい、多層サンプルについて密度２は全く測定されなかった。その場合、理論密度の決定は困難であった。
【０１３２】
上記試験で製造したサンプルの寸法・形状は直径３０ｍｍ程度、高さ５〜１０ｍｍの円板状であった。高さは実測相対密度に依存する。相対密度１００％が得られたのであれば、厚さはステンレス鋼３１６Ｌの場合５．００ｍｍである。これが各材料種類について重量が半分である理由である。
【０１３３】
粉末の性状を表９に、試験結果を表１０にそれぞれ示す。
【０１３４】
【表８】
2004504184.tif 000010
【０１３５】
【表９】
2004504184.tif 000011
【０１３６】
図３および図４に、相対密度と単位質量当たり衝撃エネルギーとの関係および総衝撃エネルギーとの関係をそれぞれ示す。以下に述べる減少はどの曲線にも認められた。
【０１３７】
全てのサンプルで外観評価点３であった。
【０１３８】
この結果から分かることは、第１の種類の材料に手作業による圧密化または機械による予備圧密化が施されている最初の２つのサンプルは、第１の種類の材料に最低のエネルギーレベルで打撃が行なわれている３番目のサンプルよりも、相対密度が高い。第１打撃の衝撃エネルギーが増加すると相対密度が増加し、最終的には最初の２つのサンプルよりも相対密度が高くなる。最大の相対密度９８．４％は、第１打撃を最高の衝撃エネルギーで行なった場合に得られている。
【０１３９】
いずれのサンプルも完全な形状を持っているが、ゴム部分に弾力があるため体積を求めることが困難であった。しかしステンレス鋼３１６Ｌ部分は単純なゴムとの比較で求まり、密度１は実測相対密度を十分に表している。
【０１４０】
検討
〔１．ステンレス鋼３１６Ｌ〕
ステンレス鋼３１６Ｌは融点が１４２７℃である。これは非常に高温であるにもかかわらず、ステンレス鋼３１６Ｌ部分は緻密化していた。伝達されたエネルギーによって粒子間で局所的な昇温が生じ、粒子の軟化、変形および粒子表面の溶融がする。このように粒子間溶融が起きることで粒子同士が最凝固により合体して緻密な材料が得られる。
【０１４１】
また、ステンレス鋼３１６Ｌ粉末は例えばＣｏＣｒＭｏより軟らかい。ステンレス鋼３１６Ｌの硬さは１６０〜１９０ＨＶ程度であり、ＣｏＣｒＭｏの硬さは４６０〜８３０ＨＶ程度である。材料が軟らかいほど軟化も大きく粒子の変形も起き易い。それにより、粒子が十分に軟化し、変形し、圧縮成形されてから粒子間溶融が起きる。
【０１４２】
ステンレス鋼３１６Ｌの相対密度を高める予備処理として、粉末のみまたは粉末と工具を予熱することができる。粉末に何の反応も起こさずに２５０℃程度の温度に加熱することができる。
【０１４３】
他の重要な条件として、既に説明した融点や硬さ以外で圧縮成形結果に影響するものは、粒子寸法、粒子寸法分布および粒子形態がある。前述の予備試験では、粒子が球状であるよりも不規則な形態の方が良好な結果が得られた。不規則形状の粒子は粒子間溶融が起きるが、球状粒子では起き難い。不規則形状の粒子は相互に押し付けられた状態で接触面積が球状粒子よりはるかに大きい。接触面積が大きいと粒子の溶融が起き易いので、衝撃エネルギーも小さくてよい。
【０１４４】
大きい粒子は小さい粒子に比べて粒子間の空隙が大きい。そのため、緻密で圧縮成形が十分に行なわれたサンプルを得ることが困難である。小さい粒子に比べて大きい粒子が有利な点は、大きい粒子は小さい粒子よりも総表面積が小さいことである。総表面積が大きいと表面エネルギーが大きくなり、所望の結果を得るために要する衝撃エネルギーも大きくなる。一方、小さい粒子は大きい粒子に比べて粒子間の空隙が小さいので高度に圧縮成形が可能である。最適粒子寸法は現時点では確定できていない。
【０１４５】
粒子寸法分布は広い方が良いと考えられる。大きい粒子間の間隙を小さい粒子が充填できる。
【０１４６】
気孔率５％以下のサンプルを得ることが重要である。この気孔率であれば材料内部で閉じた気孔である。気孔率が５％を超えると、材料内部で通路が形成され、これを通って湿気が材料内部に侵入する。その結果、材料の腐食が発生し、製造されたサンプルの特性が低下する。気孔率が５％を超える場合には、サンプルを焼結して通路や気孔を消滅させる必要がある。
【０１４７】
全く緻密なサンプル（密度９９〜１００％）を得るには、この試験とは違う雰囲気を用いる必要がある。材料中に空気が含まれていれば密度は低下する。緻密な材料を得るために、真空を用いることができる。
【０１４８】
別の方策として、先ずステンレス鋼３１６Ｌ部分を焼結してもよい。その後、ステンレス鋼３１６Ｌ部分を成形型内に戻して、上にゴムを添加する。この試験ではゴムはステンレス鋼３１６Ｌと結合したはずなので、焼結したステンレス鋼３１６Ｌともゴムは結合すると考えられる。その場合、サンプルは、少なくとも金属部分については、既に焼結されているが、所望の性質になるはずである。
【０１４９】
〔ゴム〕
材料の硬さによって結果が異なる。ゴムの硬さは、例えばＰＭＭＡに比べて低い。ＰＭＭＡは、外観評価点２のサンプルを得るためには、ゴムの場合より大きな衝撃エネルギーを付与する必要がある。材料が軟らかいほど軟化し易く粒子が変形し易くなるが、これがゴムの場合に容易に起きる。そのため、粒子が軟化し、変形し、圧縮成形された後に、粒子間溶融が起きる。
【０１５０】
サンプル内で粒子がまだ識別できる。したがって後処理が必要であると考えられる。ゴムは熱可塑性ポリマーに加硫を行なうように処理する。加硫により材料は架橋されるので弾力性の大きい材料であるエラストマーが得られる。
【０１５１】
これまでにポリマーに対応するような粉末冶金は存在しないので、どの条件をどのように変えるべきかを見出すことは困難である。しかし、ポリマーにも適用できる事項もあるはずである。他の重要な条件として、これまでに述べた融点以外で圧縮成形結果に影響するものは、粒子寸法、粒子寸法分布および粒子形態である。不規則形状の粒子同士が押し付けられて接触すると、接触面積は球状粒子の場合よりも大きくなる。接触面積が大きいと、粒子の溶融が起き易くなるので、粉末に伝達すべき衝撃エネルギーも小さくなる。
【０１５２】
大きい粒子を用いると小さい粒子の場合よりも粒子間の間隙が多い。そのため緻密で十分に圧縮成形されたサンプルを得ることが困難である。大きい粒子の利点は、小さい粒子に比べて総表面積が小さいことである。総表面積が大きいと表面エネルギーが大きくなり、所望の結果を得るために要する衝撃エネルギーも大きくなる。一方、小さい粒子は、大きい粒子に比べて粒子間の間隙が小さいので、高度に圧縮成形され易い。最適の粒子寸法は現時点では確定できない。
【０１５３】
粒子寸法分布は広い方が良いと考えられる。種々の寸法の粒子を用いると、大きい粒子同士の間隙を小さい粒子が充填できる。その結果、サンプルの至るところで粒子同士が表面で接触した状態になる。それにより粒子間溶融の起きる可能性が高まる（例えば小さい粒子の表面と大きい粒子の表面との接触部位で）。
【０１５４】
ゴムはアモルファスポリマーである。本発明の最初の製造プロセスでサンプルは型抜きされた時点で既に室温テンパーされている。すなわち他のプロセスに比べて冷却過程が非常に速い。そのため本発明の方法は結晶質ポリマーの製造よりもアモルファスポリマーの製造に適していると考えられる。結晶質ポリマーの組織は層状であり、アモルファスポリマーの組織は規則性が低い。規則性のある結晶質ポリマーを組織を得るには、アモルファスポリマーの場合よりも冷却時間が長くなる。この冷却過程はゴムの組織と材料特性に影響を及ぼす。したがって、ミクロ組織と材料特性とを調査することが重要になる。
【０１５５】
〔層〕
上記２種類の材料間である種の結合が起きる。両者の結合状態を厳密に知るにはミクロ組織試験を行う。両者の相対密度を最高にすると同時に両材料間の科学的結合を実現するにはどうするか？　図示したように、第１の材料を圧密化し、低い衝撃エネルギーでの打撃はしなかった場合に、相対密度は高くなる。低い衝撃エネルギーを粉末に伝達した場合のサンプルに比べて表面が幾分粗ければ、ステンレス鋼３１６Ｌ粒子とゴム粒子とは接触できる。粒子同士が打撃の前に接触していれば圧密化および一体化が促進される。
【０１５６】
しかし、１回目の打撃による衝撃エネルギーが増加すると、相対密度も増加する。すなわち、ゴムは軟らかいので、既に打撃されて「研磨された」表面でも結合できる。ゴムはステンレス鋼３１６Ｌ表面で接着剤として作用する。
【０１５７】
本発明は、予備圧密化そして場合によっては後圧密化を含む方法であって、その間に材料を少なくとも１回打撃する。本発明の方法により非常に良好な結果が得られることが実証され、従来技術よりも優れている。
【０１５８】
本発明は上記の実施形態および実施例に限定されない。本発明の方法は添加物を用いないことが１つの利点である。しかし、実施形態によっては添加物を用いると有利な場合がある。同様に、圧縮成形する材料の酸化を防止するために真空あるいは不活性ガスを用いることは必要ではない。しかし、材料によっては、純度や密度の高い成形体を製造するために真空あるいは不活性ガスを必要とする場合もある。このように、添加物、真空、不活性ガスの使用は本発明に必須ではないが排除もしない。上記に限らず、特許請求の範囲から逸脱せずに本発明の方法および製造物を改変することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、粉末、ペレット、粒状体などの形態の材料を変形させるための装置の断面図である。
【図２】図２すなわち図２ａ〜２ｆは、種々のタイプの多層体の成形方法を示す。
【図３】図３は、実施例で説明した一実施形態で得られた結果を示すグラフである。
【図４】図４は、実施例で説明した他の実施形態で得られた結果を示すグラフである。
【図２】
2004504184.tif 000012
【図３】
2004504184.tif 000013
【図４】
2004504184.tif 000014
【国際公開パンフレット】
2004504184.tif 000015
2004504184.tif 000016
2004504184.tif 000017
2004504184.tif 000018
2004504184.tif 000019
2004504184.tif 000020
2004504184.tif 000021
2004504184.tif 000022
2004504184.tif 000023
2004504184.tif 000024
2004504184.tif 000025
2004504184.tif 000026
2004504184.tif 000027
2004504184.tif 000028
2004504184.tif 000029
2004504184.tif 000030
2004504184.tif 000031
2004504184.tif 000032
2004504184.tif 000033
2004504184.tif 000034
2004504184.tif 000035
2004504184.tif 000036
2004504184.tif 000037
2004504184.tif 000038
2004504184.tif 000039
2004504184.tif 000040
2004504184.tif 000041
2004504184.tif 000042
2004504184.tif 000043
2004504184.tif 000044
2004504184.tif 000045
2004504184.tif 000046
2004504184.tif 000047
2004504184.tif 000048
2004504184.tif 000049
2004504184.tif 000050
2004504184.tif 000051
2004504184.tif 000052
2004504184.tif 000053
2004504184.tif 000054
2004504184.tif 000055
2004504184.tif 000056
2004504184.tif 000057
2004504184.tif 000058
【国際調査報告】
2004504184.tif 000059
2004504184.tif 000060
2004504184.tif 000061
2004504184.tif 000062