発泡アルミニウムの高速成形と高剛性化を同時に実現する
ソフトプレス加工
群馬大学

大学院理工学府 知能機械創製部門
教授 半谷 禎彦
（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019031-B3）
キーワード：ポーラスアルミニウム，光加熱，形状付与

１．はじめに(a)

(b)

(c)

発泡アルミニウムは，アルミニウム内部に多数の気孔を導入した軽量性・衝撃吸収性・吸音性に優れる素材である．
発泡アルミニウムを工業製品として利用するためには，製品形状に加工することが求められる．しかし，通常の緻密金属の加工と異なり，薄いセル壁からなる気孔は加工中に

図 1 プリカーサ法．(a)固体のアルミニウム中に発泡剤を混合壊れやすいため，発泡アルミニウムの加工は難しい．今ましたプリカーサを作製する．(b)-(c)プリカーサを加熱し発泡さでに，室温でのレーザー加工[1-4]，圧縮成形[5-9]，インせる．

クリメンタルフォーミング[10, 11]，バルジ成形[12, 13]，押出しや圧延加工[14-16]などが試みられているが，研究自体が少なく十分になされていないのが現状である．

温度
冷却

加熱

代表的な発泡アルミニウムの作製法の一つにプリカーサ法[17, 18]がある．プリカーサ法は図 1 のように固体のアルミニウム中に発泡剤を混合したプリカーサをあらか

加工

液相線温度じめ作製し，そのプリカーサを加熱することで発泡剤から発生したガスにより溶融したアルミニウムを発泡させるものである．プリカーサ法における発泡アルミニウムの形

凝固状付与は，一般にプリカーサを金型に入れそれを加熱発泡させ金型内に充填する型内発泡によりなされている[19-21]．この場合，金型にそった形状になり，金型に接プリカーサ発泡した箇所でも気孔が壊れることなく形状付与できる．

時間

図 2 はプリカーサを加熱発泡させ発泡アルミニウムを得る発泡工程の温度履歴である．プリカーサを加熱し，温度

図 2 プリカーサ法における発泡工程の温度履歴．灰色の部がほぼ一定となる固液共存状態に達すると発泡が徐々に始分が本稿で加工を試みた温度帯である．

まる．その後，液相線温度を超えると温度が上昇し急激に発泡する．型内発泡の場合，液相線温度を超え大きく発泡する温度帯を利用している．型内発泡では気孔を維持したまま形状付与できることから，液相線温度近傍あるいはそれ以上で加工すれば，加熱発泡終了後であっても気孔を壊すことなく形状付与できる可能性が示唆される．本研究では，この温度帯でのプレス加工の試みについて報告する．
図 3 光加熱によるプリカーサの発泡の様子．ガラス板を透過

２．光加熱
本研究では，ハロゲンランプを用いた光加熱[24, 25]にした光によりプリカーサを発泡．気孔を維持したままガラス板により上面への発泡を拘束している[24]．

より直接プリカーサを加熱している．電気炉などのように周囲が囲まれておらず，開空間での加熱であるため，発泡策が必要な箇所は限定されており比較的容易に加工装置の様子を容易に観察できる．また加熱発泡中や発泡直後に，を導入できる．

プレス加工など何らかの加工を任意のタイミングで行う

光加熱では，図 3 のようにガラスやサファイアを透過しことができる．光は直接プリカーサに照射されプリカーサた光により直接プリカーサを発泡でき，かつガラスやサフ近傍以外の箇所は高温にならないため，加工装置の耐熱対ァイアにより上方への発泡を拘束し，型内発泡と同様に気孔を維持したまま上面を平面に形状付与できる[24]．ガラ

(a)

(b)

(c)

スは安価で入手しやすいもののアルミニウムと反応しやRobot arm
Steel barすく，プリカーサが発泡しガラスに触れると接合し冷却時に熱膨張率の差から割れてしまう．サファイアはガラスのSteel mesh

ように接合することはほとんどないが，高価であるとともに加工が難しく型としては適切でない．一方，拘束する素材としては光を透過すれば良いため，金網（スチールメッシュ）でも可能であり[25, 28]，安価で入手しやすく，加図 4 (a)プレス金型に用いた金網．(b)金網の拡大写真．(c)金網をロボットアームに装着した概略図[27]．

工もしやすい．金網を要求される形状に加工すれば，金網の形状に発泡アルミニウムを形状付与できる[29]．ただし，泡したプリカーサへのプレス加工の様子，およびその時の光透過性があるものの，高温下では金網もたわみやすいた

温度履歴を示す．温度はプリカーサの中心に直接熱電対をめ，高精度に発泡アルミニウムの加工を行うためには発泡挿入して計測を行っている．加熱中はハロゲンランプの電直後に金網を熱源と発泡アルミニウムの間に挿入するな力を一定とし調温していない．Al-Si-Cu 系の ADC12 アルどの工夫が必要である．発泡後に消灯してから加工する場

ミニウム合金を用いており，固相線温度（S）は 515℃，合には，光を透過する必要がないため一般的な加工で用い液相線温度（L）は 580℃である[30]．プリカーサは固相られる金型を用いることもできる．

線温度を超えると発泡し始め，液相線温度を超えると急激に発泡する．予備実験により 630℃程度で膨張が止まり表

３．プレス加工
3・1

プレス加工の試み

面から気孔壁が割れたことによりガス抜けが起こり始めたため，630℃でランプを消灯してプレス加工を行ってい図 3 において発泡時にガラスやサファイアを下方に動る．プレス金網は加熱中にプリカーサの温度が固液共存状かしても，気孔を維持したまま上方への発泡を拘束できる態にあるうちに導入し，その後は金網を通して光を照射し可能性がある．また，開口している金網でも圧縮し発泡ア加熱を続けている．手動でロボットアームに装着した金網

ルミニウムが開口部からはみ出さなければ加工できる可をプリカーサ上部まで導入しており，導入するのに多少時能性がある．そこで，図 4 に示すようなステンレス製金網間がかかったため金網を加熱中に導入しているが，後述のをプレス金型としてロボットアームに装着し，発泡直後に３．２節のように任意のタイミングで円滑に導入できる場プレス加工を試みた[27]．図 5 にプリカーサの発泡と，発合は消灯後でも構わない．図 5(d)のプレス加工時の様子を

図 5 プリカーサの発泡と発泡したプリカーサへのプレス加工の様子，およびその時の温度履歴．(a)-(c)母材の液相線温度を超えると大きく発泡する．(c)の上部に見えるものがプレス加工に用いたプレス金網で，加熱発泡中に導入している．(d)加熱終了直後に金網によりプレス加工することで形状付与でき，気孔が圧潰する様子も見られない．(e)液相線温度を超え大きく発泡し，発泡による膨張が止まったら，加熱をやめ（(c)点）プレス加工を行う（(d)点）[27]．

自由発泡
(b)

(a)

10 mm
(c)

(d)

10 mm

気孔率

X線CT画像

外観写真

プレス加工

81.1 %

82.4 %

図 6 (a)プレス加工した発泡アルミニウムの斜め上方から見た
外観写真．(b)自由発泡させプレス加工していない（型との接図 7 プレス加工による形状付与の一例．(a)星形の型のモデ触のない）発泡アルミニウムの斜め上方から見た外観写真．(c)ル．(b)プレス加工により得られた星形形状の発泡アルミニウ

プレス加工した発泡アルミニウムの X 線 CT 画像．(d)自由発泡ム．(c)上方から観察した X 線 CT 画像．(d)横方向から観察しさせプレス加工していない発泡アルミニウムの X 線 CT 画像

た X 線 CT 画像．気孔が維持されている[22]．

[27]．

Copper plate bar
(a)

(b)

(c)

図 8 プリカーサ発泡直後のプレス加工を X 線透過により観察．(a)-(d)プレス加工中の様子．矢印Bで示した A, B の気孔は，位置は変わっているAが，形状はほぼ維持されている．(e)凝固後の発泡アルミニウムの X 線透過画像と，(f)凝固後のλ/λp = 0(d)λ/λp = 0.7λ/λp = 0.3
(e)

Burr

発泡アルミニウムの X 線 CT 画像を比べると，X線透過画像でも気孔を明瞭に観察できている．

(f)すなわち，発泡直後のプレス加工では気孔を維持しながら材料流動により発泡アルミニウムを形状付与できる[26]．
10 mmλ/λp = 1.0

Solidified

CT image

見ると，発泡アルミニウムは延性的に変形している．図 6面から凝固するため，発泡アルミニウム表面で割れが生じに得られた発泡アルミニウムとその X 線 CT 断面画像をることがあり，液相線温度以上で行うプレス加工よりも大示す．プレス加工せず同様の発泡条件で自由発泡させた場

きな荷重が必要となる．

合も示す．X 線 CT 画像中，白い部分がアルミニウム，黒

図 7 は多数のピンによってそのヘッド部で金型表面をい部分が気孔を示している．プレス加工した発泡アルミニ形成した点群金型により星形形状へプレス加工を試みた

ウムは自由発泡したものとほぼ同様の気孔形態を示してものである[22]．図 7(a)は星形の型のモデルであり，このおり，プレス加工により内部の気孔を壊すことなく気孔率形状を点群金型に転写させプレス金型としている．図 7(b)を 80%程度に維持しながら形状のみを変えることができはその金型によりプレス加工した発泡アルミニウムであることがわかる．また，発泡直後のアルミニウムは柔らかる．周囲にバリが発生しているが星形に成形できている．

いため，低荷重でプレス加工でき金網でも変形させること

図 7(c), (d)は星形に成形した発泡アルミニウムの X 線 CTができる．なお，消灯前の加熱発泡中に金網でプレス加工

画像であり，気孔がプレス加工により圧潰することなく維することも可能であるが，冷却前に金型を離型すると膨張持されていることがわかる．

が継続しているため加工した形状を維持できない．また，

図 8 は加熱発泡直後のプレス加工中に気孔がどのよう消灯後に冷却され液相線温度以下でプレス加工した場合な挙動をしているか，X 線透過により“その場観察”を行には，内部は固液共存状態であっても外気に触れている表い内部気孔の逐次追跡を試みたものである[26, 31]．図図 9 発泡直後のプレス加工による複数プリカーサの接合の概略図．(a), (b)2 つのプリカーサをセラミックスの型に入れ加熱し発泡させる．(c), (d)加熱終了後，プレス金型であるアルミニウム板でプレス加工を行い接合する[23]．

8(a)-(d)はプレス加工中の気孔の透過画像である．λ/λp

外観は圧縮率であり，λ/λp = 0 がプレスする銅板が発泡アル

X線CT画像

ミニウムに接触した時点，λ/λp = 1 がプレスが終了した時点としている．矢印で示した A, B の気孔はプレス加工に伴い位置が変わり，隣接する気孔との合体などにより若プレス面干形状が変わっているが，気孔は壊れることなく維持されている．実験のセットアップの都合上，加熱し続けながら15 mmプレス加工したため，気孔の合体は発泡過多によるものと考えられる．図 8(e)の凝固後の発泡アルミニウムの X 線
透過画像と，図 8(f)の凝固後の発泡アルミニウムの X 線
CT 画像を比べると，矢印で示した気孔が観察されるなどX 線透過画像でも気孔を明瞭に観察できている．すなわち，発泡アルミニウムはプレス加工により気孔を保ちながら

図 10 複数プリカーサの発泡直後のプレス加工により接合した発泡アルミニウムの外観写真と X 線 CT 画像．外観写真の表面には若干の接合線が見られるが，X 線 CT 画像から内部には接合線が見られず気孔も壊れることなく維持されている[23]．

材料流動することで形状付与できることがわかる．また，
X 線透過画像から算出した気孔率も，プレス加工によりほぼ変化しないことも示唆されている．
3・2

発泡直後のプレス加工による発泡アルミニウム同士の接合ため，プレス金型にはアルミニウム緻密板を用いている．
図 10 に 2 つの発泡アルミニウムを接合したものの外観写
真，およびその X 線 CT 断面画像を示す．表面に若干の接合線が見られるが，内部には接合線が見られず気孔も壊前節のように，発泡直後のプレス加工により材料流動がれることなく維持されている．また，切断した試料断面の生じることで発泡アルミニウムの形状付与ができること

走査型電子顕微鏡（SEM）画像からも表面で接合界面がが示せた．そこで 2 つのプリカーサを同時に発泡させ，プ見られるものの内部では接合線は見られないことを確認

レス加工を利用して形状付与と同時にそれらを接合するしている．接合した試料の 4 点曲げ試験も行ったところ，ことを試みた[23]．プリカーサ法でも大きなプリカーサを曲げ強度は単体の発泡アルミニウム自体の曲げ強度とほ加熱発泡することで大型の発泡アルミニウムの作製は可ぼ同等で，破断面ではポーラス構造を確認している．接合能である．しかし，求められる形状ごとに異なる大きさのが不十分な場合，プリカーサ表面の酸化被膜が残存し破断プリカーサが必要となる．複数の小さなプリカーサをプレ面に現れるが，プレス加工では，材料流動により酸化被膜ス加工中に接合することができれば，作製が容易な小さなが破壊されて強固な接合がなされたものと推察される．

プリカーサを必要量だけ用いて，形状付与しながら一体化謝し大きな発泡アルミニウムが作製できる．従来の型内発泡辞

でも複数のプリカーサを金型に入れ発泡力で一体化でき本研究を遂行するにあたり，公益財団法人天田財団のるが[32, 33]，プレス加工ではさらに大きな材料流動が生2019 年度一般研究開発助成のご支援をいただきました．

じるため接合が容易になることが期待される．

ここに厚く感謝申し上げます．本報告書の一部は，著者の図 9 に接合工程の概略図を示す．図 9(a)のように，2 つ文献の一部より軽金属学会の許可のもと転載させて頂きのプリカーサを並べてセラミックス型に入れ，図 9(b)のよました．また，本研究を遂行するにあたり，群馬大学の松うに光加熱により 2 つのプリカーサを同時に発泡させる．

原雅昭教授，天谷賢児教授，鈴木良祐准教授にご協力を頂発泡して消灯後，図 9(c)のようにロボットアームに装着した金型を導入し，図 9(d)のようにプレス加工する．なお，ここでは消灯後に金型を導入しプレス加工を行っている

きました．

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