特許 7515825 圧縮繊維構造材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-05

(45)【発行日】2024-07-16

(54)【発明の名称】圧縮繊維構造材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 47/14 20060101AFI20240708BHJP

   B22F 3/02 20060101ALI20240708BHJP

【ＦＩ】

C22C47/14

B22F3/02 P

B22F3/02 G

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020187709

(22)【出願日】2020-11-11

(65)【公開番号】P2021075794

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2023-05-10

(31)【優先権主張番号】P 2019204478

(32)【優先日】2019-11-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000158312

【氏名又は名称】岩谷産業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504180239

【氏名又は名称】国立大学法人信州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100125690

【弁理士】

【氏名又は名称】小平 晋

(72)【発明者】

【氏名】中山 昇

(72)【発明者】

【氏名】常前 洋

(72)【発明者】

【氏名】田中 琢幹

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 直人

(72)【発明者】

【氏名】滝沢 崇

(72)【発明者】

【氏名】三村 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】小口 拓也

【審査官】岡田 隆介

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０４２８９７１７（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７８５５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ３／０２

Ａ６１Ｌ ２７／０４

Ｃ２２Ｃ ４７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

常温環境下で、容器に収容された所定量の金属繊維を所定の圧縮方向に圧縮しながら前記容器内の前記金属繊維の全体形状を前記圧縮方向で変形させる圧縮加工を繰り返し行って、圧縮繊維構造材を成形する繰返し圧縮工程を備え、
前記繰返し圧縮工程では、前記圧縮加工として、前記圧縮方向に直交する２個の平面の間で前記容器内の前記金属繊維の全体を挟んで圧縮する第１圧縮加工と、前記圧縮方向の一方側に膨らむ第１の凸面と前記圧縮方向の一方側に窪む第１の凹面との間で前記容器内の前記金属繊維の全体を挟んで圧縮する第２圧縮加工と、前記圧縮方向の他方側に膨らむ第２の凸面と前記圧縮方向の他方側に窪む第２の凹面との間で前記容器内の前記金属繊維の全体を挟んで圧縮する第３圧縮加工とを行うことを特徴とする圧縮繊維構造材の製造方法。

【請求項2】

前記繰返し圧縮工程では、前記第１圧縮加工と前記第２圧縮加工と前記第１圧縮加工と前記第３圧縮加工とをこの順番で繰り返し行うか、または、前記第１圧縮加工と前記第２圧縮加工と前記第３圧縮加工とを任意の順番で繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の圧縮繊維構造材の製造方法。

【請求項3】

前記繰返し圧縮工程では、成形される前記圧縮繊維構造材の空隙率に応じて前記金属繊維の圧縮力を変えることを特徴とする請求項１または２記載の圧縮繊維構造材の製造方法。

【請求項4】

前記金属繊維は、純チタンまたはチタン合金からなるチタン繊維であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧縮繊維構造材の製造方法。

【請求項5】

前記繰返し圧縮工程前に所定量の前記金属繊維を前記容器に入れる収容工程を備え、
前記収容工程では、前記金属繊維以外の所定量の粉体または繊維を所定量の前記金属繊維と一緒に前記容器に入れることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧縮繊維構造材の製造方法。

【請求項6】

前記繰返し圧縮工程後に行われる除去工程を備え、
前記除去工程で、前記粉体または前記繊維を除去することを特徴とする請求項５記載の圧縮繊維構造材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属繊維を圧縮することで成形される圧縮繊維構造材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、生体親和性繊維を常温圧縮せん断加工して、薄板状の圧縮繊維構造材を成形する圧縮繊維構造材の製造方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の圧縮繊維構造材の製造方法では、生体親和性繊維として、チタン繊維等の金属繊維が用いられている。また、この製造方法では、常温および大気雰囲気中で、平均径が５～５０μｍでアスペクト比が２０～５００の生体親和性繊維に圧縮荷重とせん断荷重とを加えることで薄板状の圧縮繊維構造材を製造している。

【0003】

特許文献１に記載の圧縮繊維構造材の製造方法では、平均空孔径が６０μｍ以上１００μｍ以下で空隙率が２５％以上５０％以下の範囲となる薄板状の圧縮繊維構造材を製造することが可能となっている。すなわち、この圧縮繊維構造材の製造方法では、生体骨に近い機械的特性を持ち、骨芽細胞を増加させやすい薄板状の圧縮繊維構造材を製造することが可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－７８５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の圧縮繊維構造材の製造方法では、所定の平均空孔径および空隙率を有する薄板状の圧縮繊維構造材を製造することが可能である。しかしながら、本願発明者の検討によると、特許文献１に記載の圧縮繊維構造材の製造方法では、厚さが１ｍｍ未満の薄板状の圧縮繊維構造材を製造することは可能であるが、厚さが１ｍｍを大幅に超える厚みのある立体的な圧縮繊維構造材を製造することはできないことが明らかになった。

【0006】

そこで、本発明の課題は、所定の平均空孔径および空隙率を有する圧縮繊維構造材であって、厚みのある立体的な圧縮繊維構造材を製造することが可能となる圧縮繊維構造材の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するため、本願発明者は圧縮繊維構造材の種々の製造方法を検討した。その結果、本願発明者は、圧縮繊維構造材を製造する際に、常温環境下で、容器に収容された所定量の金属繊維を所定の圧縮方向に圧縮するのと同時に容器内の金属繊維の全体形状を圧縮方向で変形させる圧縮加工を繰り返し行うことで、所定の平均空孔径および空隙率を有する圧縮繊維構造材であって、厚みのある立体的な圧縮繊維構造材を製造することが可能であることを知見するに至った。

【0008】

本発明の圧縮繊維構造材の製造方法は、かかる新たな知見に基づくものであり、常温環境下で、容器に収容された所定量の金属繊維を所定の圧縮方向に圧縮しながら容器内の金属繊維の全体形状を圧縮方向で変形させる圧縮加工を繰り返し行って、圧縮繊維構造材を成形する繰返し圧縮工程を備え、繰返し圧縮工程では、圧縮加工として、圧縮方向に直交する２個の平面の間で容器内の金属繊維の全体を挟んで圧縮する第１圧縮加工と、圧縮方向の一方側に膨らむ第１の凸面と圧縮方向の一方側に窪む第１の凹面との間で容器内の金属繊維の全体を挟んで圧縮する第２圧縮加工と、圧縮方向の他方側に膨らむ第２の凸面と圧縮方向の他方側に窪む第２の凹面との間で容器内の金属繊維の全体を挟んで圧縮する第３圧縮加工とを行うことを特徴とする。

【0009】

本発明の圧縮繊維構造材の製造方法では、繰返し圧縮工程において、常温環境下で、容器に収容された所定量の金属繊維を所定の圧縮方向に圧縮しながら容器内の金属繊維の全体形状を圧縮方向で変形させる圧縮加工を繰り返し行って、圧縮繊維構造材を成形している。そのため、本発明の製造方法では、所定の平均空孔径および空隙率を有する圧縮繊維構造材であって、厚みのある立体的な圧縮繊維構造材を製造することが可能になる。

【0010】

本発明において、繰返し圧縮工程では、たとえば、第１圧縮加工と第２圧縮加工と第１圧縮加工と第３圧縮加工とをこの順番で繰り返し行うか、または、第１圧縮加工と第２圧縮加工と第３圧縮加工とを任意の順番で繰り返し行う。

【0011】

本発明において、繰返し圧縮工程では、成形される圧縮繊維構造材の空隙率に応じて金属繊維の圧縮力を変えることが好ましい。このように構成すると、繰返し圧縮工程での金属繊維の圧縮力を変えることで、空隙率の異なる様々な圧縮繊維構造材を製造することが可能になる。

【0012】

本発明において、金属繊維は、たとえば、純チタンまたはチタン合金からなるチタン繊維である。この場合には、優れた生体親和性、強度および耐食性を有する圧縮繊維構造材を製造することが可能になる。

【0013】

本発明において、圧縮繊維構造材の製造方法は、たとえば、繰返し圧縮工程前に所定量の金属繊維を容器に入れる収容工程を備え、収容工程では、金属繊維以外の所定量の粉体または繊維を所定量の金属繊維と一緒に容器に入れる。この場合には、異なる材料を組み合わせて、任意の位置に任意の機械的性質を備える圧縮繊維構造材を製造することが可能になる。

【0014】

本発明において、圧縮繊維構造材の製造方法は、繰返し圧縮工程後に行われる除去工程を備え、除去工程で、粉体または繊維を除去することが好ましい。このように構成すると、除去工程を行うことで、粉体または繊維の大きさに応じた大きさの空孔を圧縮繊維構造材の中に形成することが可能になる。すなわち、圧縮繊維構造材の中に形成される空孔径を制御することが可能になる。

【発明の効果】

【0016】

以上のように、本発明の圧縮繊維構造材の製造方法で圧縮繊維構造材を製造すれば、所定の平均空孔径および空隙率を有する圧縮繊維構造材であって、厚みのある立体的な圧縮繊維構造材を製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】（Ａ）は、本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法で製造される圧縮繊維構造材の平面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す圧縮繊維構造材の側面図であり、（Ｃ）は、本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法で使用される製造装置の構成を説明するための概略図である。

【図2】本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法を説明するための概略図である。

【図3】本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法を説明するための概略図である。

【図4】本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法で実際に製造された圧縮繊維構造材の機械的特性を示すグラフであり、（Ａ）は、繰返し圧縮工程において金属繊維に加える圧縮応力と圧縮繊維構造材の空隙率との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、繰返し圧縮工程において金属繊維に加える圧縮応力と圧縮繊維構造材の縦弾性係数との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

【0019】

（圧縮繊維構造材の構成、および、圧縮繊維構造材の製造装置の構成）
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法で製造される圧縮繊維構造材１の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す圧縮繊維構造材１の側面図であり、図１（Ｃ）は、本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法で使用される製造装置３の構成を説明するための概略図である。図２、図３は、本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法を説明するための概略図である。

【0020】

本形態の圧縮繊維構造材の製造方法で製造される圧縮繊維構造材１は、金属繊維２が焼結されずに圧縮されて形成された構造材である。本形態の金属繊維２は、純チタンまたはチタン合金からなるチタン繊維である。金属繊維２の平均径は、たとえば、５～５０μｍであり、金属繊維２のアスペクト比は、たとえば、２０～５００である。圧縮繊維構造材１は、円柱状に形成されている。円柱状に形成される圧縮繊維構造材１の直径ｄは、たとえば、１２ｍｍであり、圧縮繊維構造材１の厚さ（高さ）ｔは、たとえば、１２ｍｍである。

【0021】

圧縮繊維構造材１は、生体骨に近い機械的特性を備えている。より具体的には、圧縮繊維構造材１は、皮質骨に近い機械的特性を備えている。圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は、たとえば、５～３０ＧＰａである。ただし、圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は、５ＧＰａ未満であっても良いし、３０ＧＰａを超えていても良い。また、圧縮繊維構造材１の空隙率は、たとえば、５％以上５０％以下となっており、圧縮繊維構造材１の平均空孔径は、たとえば、６０μｍ以上１００μｍ以下となっている。圧縮繊維構造材１の内部の空隙率は、圧縮繊維構造材１の全体において均一になっている。あるいは、圧縮繊維構造材１の箇所によって、圧縮繊維構造材１の内部の空隙率には差異がある。

【0022】

圧縮繊維構造材１の製造時には、製造装置３が使用される。製造装置３は、ダイ４と、ダイ４に固定される下パンチ５と、ダイ４に対して昇降する上パンチ６と、上パンチ６を昇降させる昇降機構（図示省略）とを備えている。ダイ４は、厚肉の円筒状に形成される上側ダイ７と、上側ダイ７を下側から支持する下側ダイ８とから構成されている。上側ダイ７は、円筒状に形成される上側ダイ７の軸方向と上下方向とが一致するように配置されている。

【0023】

下パンチ５および上パンチ６は、円柱状に形成されている。下パンチ５および上パンチ６は、下パンチ５および上パンチ６の軸方向と上下方向とが一致するように配置されている。下パンチ５の上端側部分は、上側ダイ７の下端側部分の内周側に配置されている。下パンチ５には、金属繊維２を圧縮する際の圧縮力を測定するための圧力センサ（ひずみゲージ）９が取り付けられている。上パンチ６は、上側ダイ７の内周側に上側から挿入可能となっている。昇降機構は、たとえば、油圧シリンダである。なお、昇降機構は、電動シリンダ等であっても良い。

【0024】

また、製造装置３は、図３に示すように、金属繊維２を圧縮する際に下側から金属繊維２に接触する押圧具１０～１２と、金属繊維２を圧縮する際に上側から金属繊維２に接触する押圧具１３～１５とを備えている。押圧具１０～１５は、上側ダイ７の内周側に上側から挿入可能となっている。圧縮繊維構造材１を製造する際には、押圧具１０～１２のいずれか１つが上側ダイ７の内周側に上側から挿入された後、所定量の金属繊維２が上側ダイ７の内周側に上側から挿入され、その後、押圧具１３～１５のいずれか１つが上側ダイ７の内周側に上側から挿入される。

【0025】

上側ダイ７の内周側に挿入された押圧具１０～１２は、下パンチ５に載置されている。押圧具１３～１５の上面には、上パンチ６の下端面が当接可能となっている。本形態では、下パンチ５に載置される押圧具１０～１２と上側ダイ７とによって、所定量の金属繊維２が収容される容器１７が構成されている。

【0026】

押圧具１０、１３は、円柱状に形成されている。押圧具１０、１３の外径は、上側ダイ７の内径よりもわずかに小さくなっている。押圧具１０が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１０の下端面および押圧具１０の上端面１０ａは、上下方向に直交する平面となっている。また、押圧具１３が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１３の上端面および押圧具１３の下端面１３ａは、上下方向に直交する平面となっている。

【0027】

押圧具１１、１２、１４、１５は、略円柱状に形成されている。押圧具１１、１２、１４、１５の外径は、押圧具１０、１３の外径と等しくなっている。押圧具１１、１２が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１１、１２の下端面は、上下方向に直交する平面となっている。押圧具１４、１５が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１４、１５の上端面は、上下方向に直交する平面となっている。

【0028】

押圧具１１が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１１の上端面１１ａは、上側に膨らむ凸面となっている。具体的には、上端面１１ａは、円錐状の凸面となっており、上端面１１ａの縦断面の形状は、二等辺三角形状となっている。二等辺三角形状をなす上端面１１ａの断面の頂角は、たとえば、１２０°となっている。押圧具１４が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１４の下端面１４ａは、上側に窪む凹面となっている。具体的には、下端面１４ａは、円錐状の凹面となっており、下端面１４ａの縦断面の形状は、二等辺三角形状となっている。二等辺三角形状をなす下端面１４ａの断面の頂角は、たとえば、１２０°となっている。

【0029】

押圧具１２が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１２の上端面１２ａは、下側に窪む凹面となっている。具体的には、上端面１２ａは、円錐状の凹面となっており、上端面１２ａの縦断面の形状は、二等辺三角形状となっている。二等辺三角形状をなす上端面１２ａの断面の頂角は、たとえば、１２０°となっている。押圧具１５が上側ダイ７の内周側に配置された状態では、押圧具１５の下端面１５ａは、下側に膨らむ凸面となっている。具体的には、下端面１５ａは、円錐状の凸面となっており、下端面１５ａの縦断面の形状は、二等辺三角形状となっている。二等辺三角形状をなす下端面１５ａの断面の頂角は、たとえば、１２０°となっている。

【0030】

（圧縮繊維構造材の製造方法）
圧縮繊維構造材１は、所定量の金属繊維２を容器１７に入れる収容工程と、収容工程後に、常温環境下で、容器１７の中の金属繊維２を所定の圧縮方向に圧縮しながら容器１７の中の金属繊維２の全体形状を圧縮方向で変形させる圧縮加工を繰り返し行って、圧縮繊維構造材１を成形する繰返し圧縮工程とを備える製造方法によって製造される。本形態では、繰返し圧縮工程の圧縮加工において、容器１７の中の金属繊維２を上下方向（鉛直方向）に圧縮しながら容器１７の中の金属繊維２の全体形状を上下方向で変形させる。すなわち、本形態の上下方向は、圧縮方向である。

【0031】

収容工程および繰返し圧縮工程は、常温環境下で行われる。また、収容工程および繰返し圧縮工程は、大気雰囲気中で行われる。本明細書において、「常温」とは、積極的に加熱しないという意味であり、２０℃～１００℃程度の範囲を包含する意味で「常温」の文言を使用しているが、通常、常温は、２０℃～８０℃程度である。また、本明細書において、「大気雰囲気」とは、コントロールされていない雰囲気の意味であり、加圧も減圧もされていない空気雰囲気のことであるが、同様の雰囲気であれば、加圧や減圧を行っている空気雰囲気等も、大気雰囲気に含まれる。

【0032】

収容工程では、上側ダイ７の内周側に押圧具１０を挿入して容器１７を構成してから、所定量の金属繊維２を容器１７に入れた後、押圧具１３を上側ダイ７の内周側に挿入する（図２参照）。

【0033】

収容工程後の繰返し圧縮工程では、まず、図３（Ａ）に示すように、上下方向に直交する２個の平面である押圧具１０の上端面１０ａと押圧具１３の下端面１３ａとの間で容器１７の中の金属繊維２の全体を挟んで圧縮する第１圧縮加工を行う。すなわち、上端面１０ａと下端面１３ａとの間に容器１７の中の金属繊維２の全体を配置した状態で上パンチ６を下側に移動させて、金属繊維２を円柱状に圧縮する。その後、上パンチ６を上側に移動させてから、押圧具１３、金属繊維２および押圧具１０をこの順番で上側ダイ７の内周側から抜き取る。

【0034】

その後、繰返し圧縮工程では、図３（Ｂ）に示すように、上側ダイ７の内周側に、押圧具１１、第１圧縮加工後の金属繊維２および押圧具１４をこの順番で入れてから、上側に膨らむ凸面である押圧具１１の上端面１１ａと、上側に窪む凹面である押圧具１４の下端面１４ａとの間で容器１７の中の金属繊維２の全体を挟んで圧縮する第２圧縮加工を行う。すなわち、上端面１１ａと下端面１４ａとの間に容器１７の中の金属繊維２の全体を配置した状態で上パンチ６を下側に移動させて、金属繊維２を圧縮する。その後、上パンチ６を上側に移動させてから、押圧具１４、金属繊維２および押圧具１１をこの順番で上側ダイ７の内周側から抜き取る。

【0035】

第２圧縮加工を行うと、金属繊維２の上端面は、上側に膨らむ凸面となり、金属繊維２の下端面は、上側に窪む凹面となる。すなわち、第２圧縮加工を行うと、容器１７の中の金属繊維２の全体形状が上下方向で変形する。具体的には、第２圧縮加工を行うと、円柱状の金属繊維２が上側に膨らむように変形する。そのため、第２圧縮加工を行うと、金属繊維２の内部に、圧縮力に加えてせん断力が作用する。なお、本形態の上端面１１ａは、第１の凸面であり、下端面１４ａは、第１の凹面である。

【0036】

その後、繰返し圧縮工程では、図３（Ｃ）に示すように、上側ダイ７の内周側に、押圧具１０、第２圧縮加工後の金属繊維２および押圧具１３をこの順番で入れてから、上端面１０ａと下端面１３ａとの間で容器１７の中の金属繊維２の全体を挟んで圧縮する第１圧縮加工を行う。その後、上パンチ６を上側に移動させてから、押圧具１３、金属繊維２および押圧具１０をこの順番で上側ダイ７の内周側から抜き取る。

【0037】

第２圧縮加工後に第１圧縮加工を行うと、上側に膨らむ凸面となっていた金属繊維２の上端面、および、上側に膨らむ凹面となっていた金属繊維２の下端面は、上下方向に直交する平面となる。すなわち、第２圧縮加工後に第１圧縮加工を行うと、容器１７の中の金属繊維２の全体形状が上下方向で変形する。具体的には、第２圧縮加工後に第１圧縮加工を行うと、上側に膨らんでいた金属繊維２が円柱状に変形する。そのため、第２圧縮加工後に第１圧縮加工を行うと、金属繊維２の内部に、圧縮力に加えてせん断力が作用する。

【0038】

その後、繰返し圧縮工程では、図３（Ｄ）に示すように、上側ダイ７の内周側に、押圧具１２、第１圧縮加工後の金属繊維２および押圧具１５をこの順番で入れてから、下側に窪む凹面である押圧具１２の上端面１２ａと、下側に膨らむ凸面である押圧具１５の下端面１５ａとの間で容器１７の中の金属繊維２の全体を挟んで圧縮する第３圧縮加工を行う。すなわち、上端面１２ａと下端面１５ａとの間に容器１７の中の金属繊維２の全体を配置した状態で上パンチ６を下側に移動させて、金属繊維２を圧縮する。その後、上パンチ６を上側に移動させてから、押圧具１５、金属繊維２および押圧具１２をこの順番で上側ダイ７の内周側から抜き取る。

【0039】

第３圧縮加工を行うと、金属繊維２の上端面は、下側に窪む凹面となり、金属繊維２の下端面は、下側に膨らむ凸面となる。すなわち、第３圧縮加工を行うと、容器１７の中の金属繊維２の全体形状が上下方向で変形する。具体的には、第３圧縮加工を行うと、円柱状の金属繊維２が下側に膨らむように変形する。そのため、第３圧縮加工を行うと、金属繊維２の内部に、圧縮力に加えてせん断力が作用する。なお、本形態の上端面１２ａは、第２の凹面であり、下端面１５ａは、第２の凸面である。

【0040】

その後、繰返し圧縮工程では、第１圧縮加工と第２圧縮加工と第１圧縮加工と第３圧縮加工とをこの順番で繰り返し行うとともに、最後に、第１圧縮加工を行って、圧縮繊維構造材１を成形する。このように、繰返し圧縮工程では、圧縮加工として、第１圧縮加工と第２圧縮加工と第３圧縮加工とを行っている。

【0041】

繰返し圧縮工程では、成形される圧縮繊維構造材１の空隙率に応じて金属繊維２の圧縮力を変えている。金属繊維２を圧縮する際の圧縮力は、圧力センサ９の測定値に基づいて設定される。なお、繰返し圧縮工程の圧縮加工において、金属繊維２に加える圧縮応力（圧力）が比較的低い場合には、圧縮繊維構造材１の箇所によって、圧縮繊維構造材１の内部の空隙率に差異がある。具体的には、圧縮繊維構造材１の中心部の空隙率が、圧縮繊維構造材１の上下の両端部および外周部の空隙率に比べて高くなっている。すなわち、これらの場合には、圧縮繊維構造材１の内部の空隙率に差異があり、その特性により圧縮繊維構造材１は何らかの機能を持った機能性傾斜材となっている。また、繰返し圧縮工程の圧縮加工において、金属繊維２に加える圧縮応力が比較的高い場合には、圧縮繊維構造材１の内部の空隙率は、圧縮繊維構造材１の全体において均一になっている。

【0042】

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、繰返し圧縮工程において、常温環境下で、容器１７の中の金属繊維２を上下方向に圧縮しながら容器１７の中の金属繊維２の全体形状を上下方向で変形させる圧縮加工を繰り返し行って、圧縮繊維構造材１を成形している。そのため、本形態では、所定の平均空孔径および空隙率を有する圧縮繊維構造材１であって、厚みのある立体的な圧縮繊維構造材１を製造することが可能になる。

【0043】

本形態では、繰返し圧縮工程において、成形される圧縮繊維構造材１の空隙率に応じて金属繊維２の圧縮力を変えている。そのため、本形態では、繰返し圧縮工程での金属繊維２の圧縮力を変えることで、空隙率の異なる様々な圧縮繊維構造材１を製造することが可能になる。また、本形態では、金属繊維２が純チタンまたはチタン合金からなるチタン繊維であるため、優れた生体親和性、強度および耐食性を有する圧縮繊維構造材１を製造することが可能になる。

【0044】

（実施例）
図４は、本発明の実施の形態にかかる圧縮繊維構造材の製造方法で実際に製造された圧縮繊維構造材１の機械的特性を示すグラフであり、（Ａ）は、繰返し圧縮工程において金属繊維２に加える圧縮応力と圧縮繊維構造材１の空隙率との関係を示すグラフ、（Ｂ）は、繰返し圧縮工程において金属繊維２に加える圧縮応力と圧縮繊維構造材１の縦弾性係数との関係を示すグラフである。

【0045】

上述した圧縮繊維構造材の製造方法で圧縮繊維構造材１を実際に製造すると、図４に示す機械的特性を有する圧縮繊維構造材１が製造された。この実施例では、チタン繊維である金属繊維２を５ｇ使用して、圧縮繊維構造材１を製造した。金属繊維２は、株式会社日工テクノ製のチタン繊維であり、金属繊維２の平均径は、２０μｍである。また、この実施例では、繰返し圧縮工程において、内径が１２ｍｍとなっている上側ダイ７と、上端面１１ａの断面の頂角が１２０°となっている押圧具１１と、下端面１４ａの断面の頂角が１２０°となっている押圧具１４と、上端面１２ａの断面の頂角が１２０°となっている押圧具１２と、下端面１５ａの断面の頂角が１２０°となっている押圧具１５とを使用した。

【0046】

また、この実施例では、繰返し圧縮工程において、第１圧縮加工と第２圧縮加工と第１圧縮加工と第３圧縮加工と第１圧縮加工との５回の圧縮加工をこの順番で行った。さらに、この実施例では、第１圧縮加工、第２圧縮加工および第３圧縮加工のそれぞれにおいて、３００ＭＰａ、４００ＭＰａ、５００ＭＰａ、５５０ＭＰａ、８５０ＭＰａの圧縮応力を金属繊維２に加えた。

【0047】

この実施例で製造された圧縮繊維構造材１の空隙率は、第１圧縮加工、第２圧縮加工および第３圧縮加工において金属繊維２に加える圧縮応力に応じて、図４（Ａ）に示すように変動した。この実施例では、空隙率が７～３０％となっている圧縮繊維構造材１が製造された。なお、圧縮繊維構造材１の空隙率は、以下のように算出した。すなわち、まず、製造された圧縮繊維構造材１の体積と質量から圧縮繊維構造材１の密度を計算し、チタンの密度で圧縮繊維構造材１の密度を除することにより、圧縮繊維構造材１の相対的な密度を計算した。また、圧縮繊維構造材１の相対的な密度を１から引いた値の割合を圧縮繊維構造材１の空隙率とした。

【0048】

また、この実施例で製造された圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は、第１圧縮加工、第２圧縮加工および第３圧縮加工において金属繊維２に加える圧縮応力に応じて、図４（Ｂ）に示すように変動した。この実施例では、金属繊維２に加える圧縮応力が３００ＭＰａのときに、圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は約７ＧＰａとなり、金属繊維２に加える圧縮応力が４００ＭＰａのときに、圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は約１１ＧＰａとなり、金属繊維２に加える圧縮応力が５００ＭＰａのときに、圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は約９ＧＰａとなり、金属繊維２に加える圧縮応力が５５０ＭＰａのときに、圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は約１０ＧＰａとなり、金属繊維２に加える圧縮応力が８５０ＭＰａのときに、圧縮繊維構造材１の縦弾性係数は約１７ＧＰａとなった。

【0049】

すなわち、この実施例では、縦弾性係数が約７～約１７ＧＰａとなっている圧縮繊維構造材１が製造された。皮質骨の縦弾性係数は、１０～３０ＧＰａとなっている。そのため、この実施例から、第１圧縮加工、第２圧縮加工および第３圧縮加工において金属繊維２に加える圧縮応力を４００～８５０ＭＰａとすれば、製造された圧縮繊維構造材１の縦弾性係数を皮質骨の縦弾性係数と同程度にすることができることがわかった。なお、この実施例では、ＪＩＳＨ７９０２「ポーラス金属の圧縮試験方法」に基づいた圧縮繊維構造材１の圧縮試験を行って、圧縮繊維構造材１の応力－ひずみ曲線を求めた後、圧縮繊維構造材１の応力－ひずみ曲線から圧縮繊維構造材１の縦弾性係数を算出した。

【0050】

（他の実施の形態）
上述した形態において、収容工程で、金属繊維２以外の所定量の粉体または繊維を所定量の金属繊維２と一緒に容器１７に入れても良い。たとえば、収容工程で、所定量の純銅または銅合金の粉体、あるいは、所定量の純銅または銅合金の繊維を金属繊維２と一緒に容器１７に入れても良い。この場合には、異なる材料を組み合わせて、任意の位置に任意の機械的性質を備える圧縮繊維構造材１を製造することが可能になる。

【0051】

また、上述した形態において、収容工程で、所定量の樹脂の粉体を所定量の金属繊維２と一緒に容器１７に入れても良い。この場合には、たとえば、繰返し圧縮工程後に、樹脂の粉体を除去する除去工程が行われる。除去工程では、繰返し圧縮工程後の金属繊維２を、樹脂の融点を超える温度であって、かつ、金属繊維２の融点よりも大幅に低い温度で加熱して、金属繊維２を焼結させることなく、樹脂の粉体を溶かして除去する。この場合には、樹脂の粉体の大きさに応じた大きさの空孔を圧縮繊維構造材１の中に形成することが可能になる。すなわち、圧縮繊維構造材１の中に形成される空孔径を制御することが可能になる。

【0052】

また、上述した形態において、収容工程で、金属繊維２とは異なる種類の金属の所定量の粉体または繊維を所定量の金属繊維２と一緒に容器１７に入れても良い。この場合には、たとえば、繰返し圧縮工程後に、金属の粉体または繊維を除去する除去工程が行われる。この場合であっても、金属の粉体または繊維の大きさに応じた大きさの空孔を圧縮繊維構造材１の中に形成することが可能になる。すなわち、圧縮繊維構造材１の中に形成される空孔径を制御することが可能になる。

【0053】

たとえば、収容工程で、所定量のマグネシウムの粉体を所定量の金属繊維２と一緒に容器１７に入れても良い。この場合には、繰返し圧縮工程後の除去工程において、繰返し圧縮工程後の金属繊維２に含まれるマグネシウムの粉体を水に溶かして除去する。この場合には、マグネシウムの粉体の大きさに応じた大きさの空孔を圧縮繊維構造材１の中に形成することが可能になる。

【0054】

上述した形態において、金属繊維２は、チタン繊維以外のものであっても良い。たとえば、金属繊維２は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム繊維であっても良いし、純銅または銅合金からなる銅繊維であっても良いし、純鉄からなる鉄繊維であっても良い。また、上述した形態において、収容工程で２種類以上の金属繊維２が容器１７に収容されても良い。

【0055】

上述した形態において、圧縮繊維構造材１は、円柱状以外の立体的な形状に形成されていても良い。また、上述した形態において、押圧具１１の上端面１１ａおよび押圧具１５の下端面１５ａは、円錐状以外の形状に形成された凸面であっても良い。また、上述した形態において、押圧具１２の上端面１２ａおよび押圧具１４の下端面１４ａは、円錐状以外の形状に形成された凹面であっても良い。

【0056】

上述した形態において、繰返し圧縮工程で、最初に第１圧縮加工を行った後、第２圧縮加工と第３圧縮加工とを交互に繰り返しで行っても良い。また、繰返し圧縮工程において、第１圧縮加工と第２圧縮加工と第３圧縮加工とを任意の順番で繰り返し行っても良い。また、上述した形態では、上下方向が金属繊維２の圧縮方向となっているが、水平方向が金属繊維２の圧縮方向となっていても良いし、上下方向と水平方向とに傾いた方向が金属繊維２の圧縮方向となっていても良い。

【符号の説明】

【0057】

１ 圧縮繊維構造材
２ 金属繊維
１０ａ 上端面（平面）
１１ａ 上端面（第１の凸面）
１２ａ 上端面（第２の凹面）
１３ａ 下端面（平面）
１４ａ 下端面（第１の凹面）
１５ａ 下端面（第２の凸面）
１７ 容器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】