大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告

圧密技術を利用した環境配慮型竹製接合具の開発― 押し抜き成型による圧密竹コネクター製造技術の開発 ―大内成司 * ・古曳博也 * ・阿部井上正文 *** ・田中*優 **圭 *** ・後 藤 泰 男 **** ・梶原光男 *****

産業科学技術センター ・** 竹工芸・訓練支援センター***
大分大学・**** ㈱ホームコネクター・***** ㈱エクセム

Development of Densified Bamboo Connector Composed of Bamboo Stick
Johji OUCHI ＊・Hiroya KOHIKI ＊・Masaru ABE ＊＊Masafumi INOUE ＊＊＊・Kei TANAKA ＊＊＊・Yasuo GOTO ＊＊＊＊・Mitsuo KAJIWARA＊＊＊＊＊＊

Oita Industrial Research Institute・ ＊＊Oita Bamboo Craft and Training Support Center＊＊＊Oita University・ ＊＊＊＊Home Connector Co.,Ltd.＊＊＊＊ECSM Co.,Ltd.

要旨
本研究では、これまで開発してきた竹コネクターの更なる強度の向上を目指し、物理的手段として、テーパー状の金属治具を使用した絞り加工による全周囲からの圧密化処理を施し、押し抜き成型法による圧密竹コネクターの製造を試みた。また、量産化に向けた押し抜き成型加工装置の開発を行った。圧密する竹ヒゴは、竹材の表皮側が台形断面の上底（短辺）側に、内皮側が下底（長辺）側になるように加工し、その台形ヒゴの内皮側が外側になるように8本を束ねたものを圧密することにより、密度の低い内皮側が選択的に圧密されるため均一的な圧密竹コネクターの製造が可能となった。製造した圧密竹コネクターを使用した木造継手接合部の引張試験を行ったところ、コネクター表面に加工を施したものは製造方法の違いに関わらず、仮説構造物の短期許容応力のほぼ２倍の耐力を示した。また、押し抜き成型加工装置の開発により圧密竹コネクターを3分間に1本の割合で製造することが可能となった。

1.

はじめにクターの断面を大きくする等の対応が必要となるため、地球環境問題が叫ばれる中で、すべての分野で廃棄物今後の事業化や需要の拡大を図るためには、強度の向上対策が不可欠となっている。中でも木質系廃棄物は、他が不可欠要である。の材料製品に比べて対応が遅れているとされ、問題視さ木竹材の曲げ強度・引張り強度等は、密度にほぼ比例れている。その理由のひとつとして材料自身のリサイクして向上することが既往の研究から知られている。そこ

ルは技術的には可能にもかかわらず、接合に使用されるで本研究では、物理的手段として、搾り加工による全周金物類（釘やビス等）と木材との分別に手間がかかり、囲からの圧密化処理を施し密度の向上による強度の向上採算が取れないということが挙げられている。

を目指し、量産化に向けた製造方法の検討を行ったのでそこで我々は、分別の必要がなく、解体後有用資源と報告する。

して再利用したり、そのまま破砕しパーティクルボード2.

等にリサイクル、あるいはバイオマス燃料として使用す

2.1

る木造住宅の解体材リサイクルに有利な木材接合法の実実験

押し抜き成型法による製作

現を目指し、「竹材と接着剤を併用した接合法」の開発

図1に押し抜き成型法の概念図を示す。この方法はテーを続けてきた。これまでに、小径の竹材や竹材を集成加パー状の筒状金属治具の挿入口の断面積に相当する竹ヒ工した接合具（以下、竹コネクターという）を提案し、ゴを束ねて挿入し、加圧しながら押し込み、テーパーのその製作方法と強度性能について検討を行ってきた。そ部分で徐々に圧密化を図る方法である。竹ヒゴには接着の結果、金属製よりも強度はやや劣るものの、安定した剤を塗布しておき、圧密と同時に接着を行い円柱状に加引張強度を得ることができた。また、「リサイクルも容工する。コネクターの形状は、接着剤導入用の穴が中央易であり環境に優しい」という観点から評価され、2006にあいた中空状をしている。圧密処理を施すと密度の向年に開催された愛知万博の日本政府館「長久手日本館」

上に伴い硬度が増すため、その後に小径のドリルでの穴の構造用接合具として６万本採用された。しかし、強度あけ加工が困難になることが予測されるため、最初からが金属製のおよそ１/３であることから、金属製と同等性穴のあいた状態での圧密を行うことを検討した。
竹ヒゴの形状は、図2に示すように、竹材の表皮側が台能の接合を実現するためには、使用本数を増やす、コネ51

大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告

形断面の上底（短辺）側に、内皮側が下底（長辺）側に上部ストレート部25なるようにヒゴ加工を行った。まず、その台形ヒゴの下底側（内皮側）が外側になるように側辺に接着剤を塗布
竹材した後、８本を束ねて八角柱状 にした。こうすることにより、柔らかい柔細胞が多く占める内皮側が選択的に圧100密されるため均一化が図られる。金属治具は、八角柱状に構成した竹ヒゴを挿入する上部ストレート部、圧密を行うテーパー部、圧密成型されたコネクターを受け入れる受け治具の３つのパーツから構成されている。これらの治具は、あらかじめ約150℃に加熱しておき、竹ヒゴの熱軟化と接着剤の硬化を促進させる。
テーパー部

作業手順は、まず、金属治具 の上部ストレート部に八17.63518.018.3540

角柱状に構成した竹ヒゴを挿入する。この時、φ6ｍｍの金属棒を中央部に挿入し、接着剤導入用穴を確保するこ

160ととした。この金属棒には圧密加工後、容易に抜けるようにテーパー加工を施している。竹ヒゴの長さは155ｍｍとした。次に、φ24.5ｍｍの圧入棒でテーパー 部の上面まで押し仕込み、引続き、φ16ｍｍの圧入棒で受け治具まで押し込み、押し抜き成型が完了となる。
18

ここで、圧密後のスプリングバックによる摩擦抵抗が大きくなることを考慮に入れ、テーパー部の最狭部 をφ

図1

押し抜き成型法の概略図

図2

竹ヒゴの断面写真

16.7ｍｍとし、テーパー 部の出口をφ18.0ｍｍとした。

受け治具

また、テーパー部から受け治具にスムーズに侵入するように受け治具の入り口付近をφ18.3ｍｍとした。φ16.7ｍｍでは、圧密率が高すぎたため最狭部を通り抜けることが出来なかった。そこで、φ17.3ｍｍに若干直径を大きくしたが、同様な現象が生じたため、再度、直径をφ17.6ｍｍに大きくした。その結果、最狭部は通り抜けることが出来るようになったが、受け治具の中央付近まで押し込むと、摩擦抵抗の増加で上部ストレート部内の竹ヒゴが圧力に耐え切らなくなり、座屈による破壊が目立つようになった。この時の荷重が、概ね10kNを超えるとこのような現象が見られた。図3にその荷重曲線を示す。
A‑1（青線）は荷重が11kN辺りから一旦下降し、再び上昇しているが、この時点で座屈現象が起こっていると推察

S90-8.0A

される。A‑2（赤線）はスムーズに押し抜き成型ができた
16

しているのは、圧入棒をφ24.5mmからφ16mmに交換した14ときである。摩擦抵抗を減少させるには、テーパー部と12荷 重 （k N）場合の一例である。変位が150mm付近で一旦0kNまで下降

受け治具の内面（接触面）の平滑性を向上させ、滑りを良くする方法が考えられる。そこで、硬質クロムメッキを施し、平滑性を向上させることとした 。メッキを施し1086たことにより、摩擦抵抗 が減少し全て押し抜くことが出4来るようになった。

2

図4に圧密前と圧密後の断面の比較と、図5に押し抜き

S90-8.0A-1
S90-8.0A-200

成型法により製作した圧密コネクターを示す。

図35250100150
変位（mm）

押し抜き成型時の荷重曲線

200250大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告するためウレタンシートを挟んだ。接着剤の養生期間は14日間とした。
表１

図4

図52.2

試験体リスト
平均密度（g/㎝3）

試験体名

表面加工NPVPVSPS
Steel

未処理
サンドペーパー
切り込み
サンドペーパー＋切り込み
全ねじ
サンドペーパー＋ねじ
鋼製接合具

1.27〜
1.39

各３体

7.3

圧密前と圧密後の断面の比較

図6

サンドペーパー加工

図7Pシリーズ

図8

切り込み加工図9Vシリーズ

図10PVシリーズ

図12Sシリーズ

図133.

結果及び考察押し抜き成型法による圧密コネクター

圧密竹コネクターを用いた継手接合部の引張試験

押し抜き成型法により製造した圧密竹コネクターを用いて、継手接合部の引張試験を行った。
表１に試験体リストを示す。コネクター表面の加工状態をパラメータにとり、①表面加工をしていない状態（Nシリーズ）、②表面をサンドペーパー（粒度＃60）で粗

図11

ねじ加工

くした状態（Pシリーズ 、図6,7参照）、③卓上丸のこ盤で繊維と平行方向に切り込み（深さ：約１mm、幅：約2mm）を施した状態（Vシリーズ、図8,9参照）、④Pシ
リーズと同様の加工を施し、かつVシリーズと同様の加工を施した状態（PVシリーズ、図10参照）、⑤表面全体にねじ加工（深さ：約1.mm、ピッチ：約4mm、図11参照）を施した状態（Sシリーズ、図12参照）、⑥Pシリーズと同PSシリーズ様の加工を施し、かつコネクターの両端約30mmの部分にSシリーズと同様の加工を施した状態（PSシリーズ、図13参照）の6種類の試験体を準備した。なお、比較のため圧3.1

密コ ネ ク タ ーと ほ ぼ同 じ形 状 及び 寸法 の鋼 製 接合具

引張試験結果図14に継手接合部 の引張試験の最大耐力を示す。最大耐（Steelシリーズ）についても実験を行うこととし、各3力は、Steelシリーズを用いた試験体が最も高い値を示し、体ずつの試験体を製作し実験を行った。母材の樹種はスNシリーズを用いた試験体が最も低い値を示した。

ギ（乾燥材）とし、充填用の接着剤としてエポキシ樹脂

Steelシリーズは鋼製接合具と接着剤の付着強度が大き接着剤を使用し、突合せ面には木口面接着の効果を排除
53大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告

いため、母材の破断により最大耐力が決定し、最も高い1.竹材セット工程値が得られた。Nシリーズのコネクターの表面は、鏡面性・上部ストレート治具へセットされた竹材を5ｍｍ程度、の高いメッキ処理を施してある金属治具の内面によってテーパー治具に押し込む。

圧密されるため、密度が高くなり光沢のある状態となっ2.圧入第一工程ている。このため、コネクター表面の接着剤が細胞組織・φ25ｍｍのストレート 圧入棒で、竹材をテーパー治具に含浸することで生じるとされる「投錨効果」が得られ上面まで押し込む。

にくい状態であったと推察される。このような要因によ

3.圧入第二工程

り、コネクター表面と接着剤の付着効率が悪くなったと・φ16ｍｍのテーパー圧入棒で、竹材をテーパー治具上考えられる。このためコネクター表面と接着剤の付着切面から更に受け治具位置まで押し込む。

れによる引き抜けが起こり、最大耐力が決定したために4.受け治具排出工程最も低い値となった。

・圧入完了後ターンテーブルが回転し、排出口から受けNシリーズと表面加工を施した各シリーズを比較すると、表面加工を施したコネクターの各シリーズの値がNシリー治具のみ排出される。
＜加熱装置＞

ズの値を大きく上回る結果となった。また、表面加工を図16に示すように、受け治具の加熱を行うためにター施したコネクターのシリーズの中では、ばらつきはあるンテーブルの1/4のエリアごとに加熱部を配置した。これ

もののVシリーズを除くP,PV,S,PSシリーズは、さほど差は、竹材の軟化と接着剤の熱硬化を促進させるためであは見られなかった。

る。１つの加熱部に３本の電熱ヒータを配置しており、その結果、最大耐力において表面加工を施していないNMax200℃まで加熱することが可能である。

シリーズと表面加工を施した各シリーズを比較すると、N＜圧入装置＞

シリーズの1.5倍以上の最大耐力を得られることが明らか

圧入棒の押し込みには、最大３ヶ所での圧入が想定さになった。

れるので、Max10tonのボールベアリングジャッキを採用した。スムーズな圧入が可能となる。また、上下運動速

40度（押し込み速度）はインバータ制御により可変（8Hz−3560Hz）が可能である。10Hz時の速度は約50mm/minである。

最大耐力 （kN）

3025201510平均値

50N

図143.2PVPVSPS

鋼製継手接合部の引張試験の最大耐力

押し抜き成型加工装置の製作＜装置の概要＞図15

押し抜き成型加工装置

これまでの実験結果を基に押し抜き成型装置の仕様を策定し、製作に取り掛かった。図15に製作したその装置を示す。本装置は、3つの圧入工程と治具の取出し工程の、4つの工程から構成されている。これらの工程は、ターンテーブル上に1/4ずつのエリアを有しており、作業者が竹材をセットしスイッチを押すことにより工程がスタートする。一つの工程作業が終了するとターンテーブルが回転し、順次、次の工程へと進み、受け治具取出 し工程で受け治具が自動で排出されることとなる。
図1654

ターンテーブル及び加熱部

大分県産業科学技術センター 平成１９年度 研究報告

4.

まとめ仮設構造物を設計する際の接合部の短期許容応力は12.7kNであるが、通常は安全率を見込んで２倍以上の値が求められてくる。
今回試験を行った表面加工を施したものは製造方法の違いに関わらず、短期許容応力のほぼ２倍の耐力を示しているが、試験体数が少ないこと、バラツキがあることなどから、さらなる耐力の向上を目指す必要性がある。
前述したように素材引張試験においては、鋼材に近い引張強度が得られているので 、鋼製接合具（Steelシリーズ）の耐力に近づく可能性は十分あると考えられるので、接着剤の付着性能の向上を目指し、今後、表面加工方法等についてより詳細に検討を進めていく考えである。

本研究は、大分県産業創造機構の新産業創出重点研究開発事業によって行ったものである。

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