■2002.10

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.192TODAY

ダーウィンの海新エネルギー・産業技術総合開発機構

理事

青 柳 桂 一

「ダーウィンの海」のイメージ図（出所・ハーバード大 Lewis M. Branscomb 教授 米国議会証言より）実用化技術開発プロジェクト（いわゆるフォーカ

現在、わが国の低迷する経済活性化の切り札とス21）」の創設が提案されています。

して、ナノテクノロジー・材料分野、情報通信分野、バイオテクノロジー分野、環境分野、製造技

一方、最近になってハーバード大のBranscomb

術分野等における先端技術の開発に大きな期待が教授らは、イノベーション・プロセスのイメージ寄せられていますが、研究の成果がどのようにしを彷彿させるものとして、「死の谷」より「ダーて経済発展のためのイノベーションまで到達するウィンの海」（The Darwinian Sea）の表現がふさかについて面白い論議があります。

わしいと主張しています。すなわち研究成果は、きびしい経済状況を反映して、近年わが国の研生存競争している多くの生命体が満ちあふれる究費の伸びは低迷しつつありますが、企業の設備「ダーウィンの海」に入り、サメ等の怖い外敵や投資額がそれ以上に急減してきている状況が見受荒れ狂う嵐（技術的困難や企業化リスクのこと）けられ、研究開発が設備投資を通じて事業を生みにも耐えて生き抜いたものが、進化してイノベー出すことの困難性が指摘されています。

ションやニュービジネスの岸にたどり着くというわけです。

このような事情は米国等先進諸国においても同様のようで、米国では発明と市場化・イノベーシ「死の谷」と「ダーウィンの海」のどちらも比ョンとのギャップについて前から「死の谷」

喩が巧みですが、個人的には「ダーウィンの海」（Valley of Death）と称して、研究段階から市場の表現が気に入っています。現在、われわれが推投入に移るまでの過程の障壁の大きさを示してい進している多くの技術開発プロジェクトが進化をます。すなわち研究を終えて実用化する途中に、育む豊かな海のなかにあって、やがて生存競争に「死の谷」という気候条件のきびしい荒涼たる砂勝ち抜き新製品・新事業として開花する。想像す

漠（資金調達が困難という意味）を通り抜ける必るだけでも胸がときめいてきます。

要があり、これを予算面で支援するのが国の役割

オーストラリア大陸の北部に本当の「ダーウィというロジックです。この「死の谷」の概念がわンの海」が存在するとのことですので、進化のメが国にも導入され、これを克服するということでカニズムとの出会いの夢を抱きつつ、いつかぜひ来年度の予算要求において「競争力強化のための訪れてみたいと思っています。

1

JRCM REPORT

超軽量機械要素部品の開発に関するフィージビリティスタディ
日本鋼管テクノサービス（株）技術情報事業部調査研究部

村上勝彦

1 はじめにンフォーファー研究所から購入したグ能）。すなわち、粉体原料を出発点とリーン体及び、焼結済みの未成形個別して焼結により1次成形されたMHS成

運輸部門における省エネルギーに関球を用いた成形試験も併せて実施し形体に対して、基本的な材料特性の把する技術開発の一環として、JRCMでた。

握と、そのデータベースの構築により、は平成13年6月から平成14年3月まで、2 研究開発の目的適用可能な超軽量機械要素部品の実用

日本自転車振興会から機械工業振興資金の交付を受けて経済産業省の指導の一般的に、構造部材を考える場合、（財）
もとに、システム開発事業として材料固有の強度とその密度との関係

3 研究開発の内容

機械システム振興協会から委託されたは、その材料系が決まれば、ほぼ一義

3.1 MHSの試作と冶金的特性「超軽量機械要素部品の開発に関する的に強度レベルと嵩密度が所定範囲内（1）
MHS成形体の製造方法と評価試験

フィージビリティスタディ」を実施しで決定される。てきた。

化の可能性を目指して検討を行った。

用サンプル

これに反して、本スタディにおける所定サイズに成形された球形スチロ

本スタディの主体は、自動車を中心アプローチ手法は、既存の金属材料系ール表面に、流動床プロセスを用いてとする輸送機関に対する軽量化手段とに対して、全く新しい製造プロセスをバインダーとともに原料粉がコーティして、材料自体の軽量化が期待できる適用して軽量化を図ろうとするものでングされたグリーンMHSを焼結して、中空金属（以下MHS：Metallic Hollow

ある（鉄系の場合、バルク材に対して成形体もしくは個別球のMHSを得る。

Spheres）の適用検討に関するもので、最小1/15程度の嵩密度までの製造が可

この過程でバインダー及び、コーティ

MHSの単純形状成形体に対する基本的な材料特性の把握、自動車における適用可能な部品・部位の検討に併せて、その適用性と効果に関する評価を試みた。
（財）機械システム振本スタディは、
興協会内に「総合システム調査開発委員会」を設け、またJRCM内に「超軽量機械要素部品開発委員会」を設置することによって実施された。
（a）

特性評価のための中空金属成形体はドイツ・フラウンフォーファー研究所（Fraunhofer Institute―Manu-60

本自動車研究所と香川大学工学部が分担し、金属成形体としての冶金的調査は、日（株）が本鋼管テクノサービス担当した。また、将来的な日本国内における成形加工技術の確立を想定して、大（株）において、
フラウ
同特殊鋼

JRCM NEWS No.192

6050

材 質：LC SteelMHSサイズ：φ3mm40

シェル厚：100μm

材 質：LC Steel
シェル厚：200μm50

圧縮応力（MPa）（財）日
機械的特性の評価は、圧縮応力（MPa）

facturing Advanced Materials）から購入して評価に供した。

（b）

写真−1 試験に供したMHS成形体の外観例（a）形状：φ50×100mmH、MHSサイズ：φ8mm、シェル厚：200μm（b）形状：φ80×100mmH、MHSサイズ：φ3mm、シェル厚：40μm

30201040

MHSサイズ：φ3mm
3020

MHSサイズ：φ8mm
10シェル厚：40μm
000204060

圧縮歪（％）（a）80

10002040

図−1 圧縮変形時の応力変化（a）MHSシェル厚の影響 （b）MHSサイズの影響

260

圧縮歪（％）（b）80100

ング基体として用いられたスチロール

3.2 MHSの機械的特性

球は、熱分解ガスとして消滅して中空金（1）
シングルMHS素材であることを裏付けている。
このような結果を受けて、直径80mm、直径3mm、シェル厚40μm程度のシ肉厚0.3mmのSUSパイプにMHS成形体

ングルMHS（個別焼結球）に対する圧縮を内挿したサンプルの圧縮特性を見る

今回、試作したMHSは、球サイズが変形時の応力と歪との関係を見ると弾と、ほぼ完全な軸対象変形モードで圧属球体が成形される（特許DE10018501、
DE19929760）。
シェル厚が40μm、直径φ3mmとφ8mm、性変形はほとんど認められず、直径比潰（パイプ圧潰皺ピッチは、1.5〜100μm及び200μmの組み合わせに対で75％歪付近まで圧下率の増大ととも2.0mm）することが判明しており、衝φ50mm、φ80mm、長して、直径φ30mm、に直線的に応力が増大し、50％圧下時突時のエネルギー吸収部材への適用がさが100mmと130mmの円柱状に成形しの応力は、炭素鋼の場合3kgf、SUS304期待される。て機械的特性の評価に供した。
材料系はの場合4〜6kgfであった。

低炭素鋼を主体としたが一部SUS304（2）成形体の圧縮特性

さらに、図−1に見られるように、MHS成形体の圧縮変形特性は、MHSも評価対象とした。また成形体の嵩密上記に示した種々の異なる成形体に球サイズとシェル厚により、広範囲で制3

度は、その製造条件により0.4〜1.1g/cm対して、準静的な圧縮試験を実施した御することが可能であり、要求特性にであった。写真−1に試験体の外観例

結果の一例を図−1に示す。図−1に応じて広い部位への適用が可能となる。

を示す。

見られるように、いずれのケースでもなお、落錘方式による衝撃圧縮試験（2）成形されたMHSの冶金的特性

変形に伴う応力の平坦域が認められ、により確認された圧縮変形時の歪速度

MHSシェル断面では、隣接する平坦域の範囲とその応力値はMHS成の影響は比較的小さく、60％歪で比較

MHS球との接触部において、原料粉形条件によって多く異なっている。

してみると、10−4 から10 2までの歪速の数倍の再結晶粒が観測され、極めてシェル厚40μmと、MHS球サイズφ3mm、度変化に対して、最大40％程度の応力良好に焼結されていることが認められ

球サイズφ8mm、シェル厚200μmの両増大（30→42MPa）が認められている。

た。またシェル断面には2〜8μmの微ケースでは、ほぼ完全な平坦域が70％（3）成形体の曲げ特性細な空隙が多数存在しており、その空歪近くまで観察されており、MHS成

直径30mmのMHS成形体に対して3隙率は8〜16％であった。

形体が極めて高安定なエネルギー吸収

点曲げ試験を行ったが、50〜230kgf程リアメンバ（エネルギー吸収）度の小さな荷重で容易に破断し、破断荷重はMHSサイズやシェル厚に大きフロアパネル（吸音、防振）く依存している。
一方、SUS304のパイプ（外径35mm、ダッシュボード（吸音、防振）肉厚0.7mm）に内挿した試験体に対しては、パイプ単独時に比較して約４倍の最大変形荷重が観測されており、MHS充填により大幅に剛性が向上すアッパーメンバ、フロントサイドメンバ（エネルギー吸収）ることが確認された。

センターピラー、サイドシル（エネルギー吸収）
ピラーの付け根（剛性向上、衝突時の変形抑制）

3.3 MHSの成形試験
フラウンフォーファー研究所から購入したグリーン体MHSと焼結済みの図−2 自動車への適用部位とその期待効果

個別球MHSに対して成型加工試験を
表−1 パイプ構造材（材質SUS304）に対する軸方向圧縮変形時のMHS充填有無によるエネルギー吸収量の比較
外径×長さ（mm）

φ50×100

φ80×100実施した。基体であるスチロール球と吸収エネルギー重量比（50％変形／重量）
パイプ基準
MHS基準

バインダーの熱分解温度、焼結温度、要素（MHS充填の有無）

吸収エネルギー比（50％変形）
MHS基準
パイプ基準

パイプ単体（肉厚3mm）

1.0（基準）――1.0（基準）――化により、良好な成形体を確保できるMHS（φ3mm×40μmt）

1.4

1.0（基準）0.61.0（基準）ことを確認した。焼結条件により加炭パイプ＋MHS（φ3mm×40μmt）

2.3

1.70.7

1.3

パイプ単体（肉厚3mm）

1.0（基準）――1.0（基準）――MHS（φ3mm×40μmt）

2.5

1.0（基準）0.7

1.0（基準）MHS（φ3mm×100μmt）

8.5

3.4

1.2

1.0

3.4 自動車部材への適用可能性の検討

パイプ＋MHS（φ3mm×40μmt）

4.2

1.0

0.9

1.3（1）
適用可能な部位とその期待効果

パイプ＋MHS（φ3mm×100μmt）

11.5

2.7

1.5

1.2

3

雰囲気制御及び焼結時の与圧力の最適現象も認められるが、これは雰囲気制御で対処可能であることが判明している。

確認されたMHS成形体の基本特性

JRCM NEWS No.192

をふまえ、現行の自動車構造を前提と軽量化効果を試算した。試算結果例をて、プロトタイプ実車搭載テストに向した適用可能な部位と、その期待効果

表−1に示すが、SUS304製のパイプ単けて早期に移行することが必要であを図−2に示す。いずれの部位におい独の場合に比較して、パイプ内部にる。併せて、原材料からMHS成形にても、大きなエネルギー吸収と剛性向MHSを充填した場合には、4〜12倍の至るまでの一貫した低コスト化を意識上及び、防振／吸音効果等を期待するエネルギー吸収量が確保されており、したMHS特性安定化技術の確立と、ことが可能である（防振／吸音特性にMHS充填による重量増加分を考慮し品質保証のための非破壊試験方式の検関して今回は試験を実施していない）。ても最大1.5倍程度のエネルギー吸収討が不可欠と考えられる。

なお、記述のような特性からMHS量が得られている。すなわち、同じエ成形体は、そのままの状態で使用する

ネルギー吸収量を想定すると、MHS5 おわりにことは不利であり、パイプ形状やチャの利用で最大50％の軽量化が期待可能

ネル形状への局部的な充填により、効と結論される。

（財）機部品開発委員会」の委員各位、果的に部材の特性を向上することが可械システム振興協会、並びに本事業の能になる。

4 今後の展開（2）
実装を想定した軽量化試算

中空金属MHSの実用化を目指して、省製造産業局鉄鋼課をはじめとして、実装時の軽量化試算例として、部材具体的な適用部品の選定と設計試作をご指導とご協力をいただいた多くの関重量と吸収エネルギーとの比からその行い、これらの部品特性評価に基づい係者の方々に感謝を申し上げます。

おわりにあたり、「超軽量機械要素企画に際して支援いただいた経済産業

第22回四次元サロンのお知らせ
日 時：平成14年10月15日（火）15：00〜17：30
場 所：JRCM会議室
話 題：「超精密・超微細機械加工の先端技術」
提 供：理化学研究所
素形材工学研究室
大森 整 氏
くわしくはJRCMホームページをご覧ください。

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第192号

発 行 2002年10月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

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