THE ALUMINUM BEVARAGE CAN Scientific American 1994.09
佐藤 真吾 訳分
アルミ飲料缶
～毎日何百万と生産されている現代的なカンは、高精度な設計と技術力による賜物です～
アメリカのビールと清涼飲料水の容器は、日に三億個、年に1000億個生産されています。アメリカで一日あたり、飲料缶ひとつの産業生産は、釘と紙クリップの生産を凌駕します。もし、飲料缶の製造に家庭的な物体よりも特別なものが必要であるかどうかと聞かれたら、ほとんどの人々は否定的に答えるでしょう。実際、アルミ缶の製造業者には、航空機の翼に用いる金属と同程度の注意を払い精度を出している。缶の完成にむかって形作っている技術者は、宇宙船に使用されるものと同じ分析方法を使っています。
これらの取り組みの結果、現在の缶の重さは０．４８オンスあり、最初にそのようなコンテナが建設された1960年から０．６６オンス軽くなっている。１２オンスの液体を入れられるアメリカの標準的なアルミ缶は、軽くて頑丈なだけでなく、伝統的なタンブラーとおおよそ同じ高さと直径です。そのような缶は、壁面がこの雑誌2ページ分よりも薄く、平方インチあたり９０ポンドの圧力に耐えることができます。（この圧力は自動車タイヤの三倍の圧力です。）
缶の業界では、まだ達成に至っていません。強い経済的刺激はさらなる改善に向けて動機づけます。技術者は、缶に必要な材料の量を調節しながら、缶の性能を維持する方法を模索している。アルミ缶の質量を1％減らすと、年間およそ2000万ドルの費用を抑えられます。（空の缶は筋肉隆々でなくとも、素手で潰すことかできます。）
以上のことで浮く費用を除いて、最新の製造プロセスは非常に反射する表面を缶外部につくり、そしてそれは装飾的な印刷のための素晴らしいベースの働きをします。この特質は、飲料を市場に出す人々の間で、アルミ缶に対する熱意を増加させます。本当に、その産業は、米国で使われるすべてのアルミニウムのおよそ5分の1を消費します。よって、飲料缶は、アルミニウムの一番重要な市場となりました。1985年までは、缶の中身はビールでしたが、現在では3分の2はノンアルコール飲料です。
アルミの飲料缶はスチール缶の直系です。1935年、最初のこれらの缶（クロイガー醸造会社で製造）はリッチモンドで作られました。 食物缶と同様で、この初期の飲料容器は、3つの鋼から成りました：転がされて縫い目のあるシリンダーと2つの末端部。いくつかのスチール缶は、ビンキャップで封をした、上部が円錐形のものもありました。第二次世界大戦の最中では、政府は外国の軍人にスチール缶に入ったビールを大量に送りました。戦争のあとは、生産の多くはボトルに戻りました。しかし、昔ながらの愛好家は缶ビールに対する愛好心を持ち続けていたので、たとえスリーピース缶がビンよりも生産するのに高値だったとしても、メーカー側はその技術を完全には捨てませんでした。
初のアルミ飲料缶は1958年に市場に出回りました。コロラド州のゴールデンにあるアドルフ・クアーズ社によって開発され、ハワイのビール醸造所プリモにより、一般大衆に導入されました。それは2枚のアルミニウムから作られていました。その様な缶を生成するためにクアーズ社は衝撃ー押し出しプロセスに費やしました。方法は、円形のスラグで缶の直径を形取ります。スラグによって、ポンチ材料は缶の形を形成し、余った部分を後方に流れるようにします。このように、一枚のアルミから側壁と底部を作ります。上部は、中身の充填後に加えられました。
この初期の技術は大量生産には不十分であると証明された。生産は遅く、工具の問題でうまく製造できませんでした。さらに、結果として生成された製品はわずか７オンスしか入れることができず、構造的に効率的ではありませんでした。ベースとする板は０．０３インチよりも薄くすることができず、その厚さでは、内部の圧力に耐えうる薄さに作るよりも必要以上に厚くなってしまいます。
それでも、製品の人気は、クアーズ社とその他の会社がより良い缶を製造する方法を探すのを奨励しました。数年後、レイノルズ・メタル社は現在の製造方法を創設しました。そして1963年、最初に12オンスのアルミ缶のCMを作りました。クアーズ社は、カイザー・アルミニウム社、ケミカル社と共に、あとに続きました。しかし、カイザー社からスリーピース缶のために鋼を買っていた複数の会社からの圧力で、カイザー社は一時的にアルミ缶業界から撤退しました。どうやら、これらのスチール缶メーカーは、新しい種類の容器の競争を恐れていたようでした。ミネソタ州のセントポールにあるハンズ醸造所は、1964年に１２オンスのアルミ缶でビールを売り始めました。1967年、コカ・コーラとペプシ・コーラはこれらの缶を使用していました。
今日では、アルミ缶は実質的にほとんどの飲料容器にスチールと代わって使われています。スチールのスリーピース缶は（現在はほとんど作られていない）、1973年に300億個作られていました。ツーピース缶は1970年代後期に最高100億個に達しました。米国市場では、現在このデザインは缶の１％未満です。（ヨーロッパでは人気があります。）
しごき加工をしているツーピース缶はレイノルズ社が始めた事として知られています。アルミニウムの製造者は、融解した合金から作っています。そしてそれは大部分はアルミニウムですが、少量のマグネシウム、マンガン、鉄、シリコン、銅も含んでいます。合金はインゴットに鋳造されます。それから、圧延機で合金をシート状にします。
缶製造の第一歩は、直径５．５インチの円形に切ることです。明らかに、シート状から円形を切ることはスクラップを生成することになります。全体から最も大きく円形に切ると理論的には9％の損失であるが、実際には１２～１４％の損失があります。この無駄を減らすため、2列に配置された１４個のカップを組み込むことができるよう、シートは広く作られています。各ブランクは、直径３．５インチのカップに引き入れられます。
横山 大地 訳分
缶体の次の３つの成形作業は２つ目の機械によってひとつの連続的なポンチ打ちで行われる。それは1秒の５分の１程度で行われる。始めに、カップの一番内側直径約２．６インチの線を引く、それは１．３インチからから２，２５インチに高さは増加する。その次に３つのアイロンがけ作業の順序は薄くして壁を引き伸ばしそして約５インチの高さにボディに達する。最後の手順で、ポンチは金属ドームにぶつかって缶体の基部をプレスし、内側に突き出て缶の底部になる。。下からの圧力で底部が膨れ上がるのを防ぐという点において、この曲面は橋のアーチ部のように振舞う。さらなる完全性を加えるために、缶の基部と側面の壁の下は他の缶の壁の部分と比べてより厚く作られている。
合金はすべての方向で同じ性質ではないので、缶本体は上端は波状または耳のようになっている壁と一緒に成形作業から現れる。平面の最上部を確保するために機械装置は最上部から大体１インチの４分の１に整えなくてはならない。整えた後、カップは洗浄、印刷、漆塗りを含む多数の高速運転を通る。最後に缶は自動的に割れや小さい穴を検査される。通常は５万個の缶のうち大体１個に欠陥がある。アイロンがけは缶の形を作る上でおそらくもっとも重要な行程である。精密な寸法のポンチは２、３の炭化鉄性の輪っかを通してカップをつかんで押す。缶を薄く、長くするためにポンチはアイロンがけされている金属よりも速く動かなければならない。ポンチとそれぞれのリングの間の隙間は金属の厚さよりも小さい。ポンチ表面によって生じる摩擦はアイロニングリングを通して押されることを助ける。この摩擦が増大するとポンチはわずかに十字に交差した傷の模様により粗くなる。その模様は見ることが可能であり、缶内部に跡がつく。缶の外側にアイロニングリングに逆らった表面のせん断は求められた鏡面仕上げにとって代わる。側面は完全性の欠如なしで薄くすることが可能である。なぜなら、構造的に、缶は圧力容器といえるからである。つまり、それはビールや炭酸飲料内の二酸化炭素や現在フルーツジュースなどの無炭酸の液体に注入されている窒素によって働く内力によるその強度の部分に依存している。確かに、ほとんどのビールは材料には大体１平方インチ当たり90ポンドの力が働いている作用で缶のなかで殺菌されている。熱い気候での炭酸飲料もまた同じような圧力に増大するはずである。注入は缶に異なった種類の圧力をかける。この段階の間、ふたがない状態の缶は充填機の中で台座の逆からしっかりとプレスされる。それは曲がってはいけない。充填中と密閉中、または充填された缶はもう一方の上に積み重ねられる。そのようなわけで缶メーカーは空の缶に対して最低限約250ポンドのコラム強さを規定している。薄い壁の構造は簡単にそのような条件を満たせない。たとえ缶壁のひとつのへこみのようなほんのちょっとした荷重の偏りが壊滅的な崩壊を生じさせる。このような圧壊は空の缶を慎重に直立状態で立たせることによって証明可能である。製造業者は精密に缶をつかむ機械を使うことによっての失敗を避けている。
缶の2つ目の部品であるふたは缶本体よりも堅くなければならない。すなわち平らな形状は本質的に曲面形状よりも丈夫ではない。例えばダムは凸面が存在しており、それらが水を抑えるように内側へたわんでいる。缶製造業者は缶本体のものより低マンガンで高マグネシウムの合金から作ることによってふたを強化する。彼らはまたふたを側面壁より厚くする。実際に缶の総重量の約４分の１はふたで構成している。質量を軽減するために、円筒の直径よりも小さくして缶業者はふたの直径を短くしている。それから円筒状の壁の頂上部分の首の下の2.6から2.1インチ離れた位置にふたを調整する。精巧で不可欠なリベットはふたにつまみをつなぐ。缶が容易に開くかで採点されるが、しかし押された金属片はつながったままにならなくてはならない。
利口な設計に加えて、年間何十億もの缶を製造することは信頼性生産が可能な機械を要求した。自分の力量を示すために、初心者のスイスの時計屋は時計を作るのでなくむしろ時計をつくる道具を作ることを要求されたと言われている。そのような考えは缶製造に当てはまる。
1人の生産管理者はこのように述べる、もし悪い日の終わりに100万の半分の缶が不足したら、だれかがきっと気づくだろう。アイロン掛けの現代の一式の型打ち機はリグラインドを要求する前に、250,000缶を生産することができます。その量は、許容誤差0.0001インチで伸ばされた20マイルを超える距離のアルミニウムと等価である。故障したリングは仕様から寸法が外れてしまうためすぐさま置き換えられる。それはたまに一日に一回以上起こる。
着実で正確な製造が背後にある成功の多くは強い形式有能な合金シートにあります。
近代の缶のシートの性能によって信頼できる金属特性は商標に守られており、そのためにあまりよく知られていなかった。たった過去10年の範囲内でその状況は変わった。オハイオ州イーストレイクのグールド・エレクトロニクスHarishD.Merchant、ケンタッキー大学のジェームズG.モーリスや他の努力によって缶シートの金属学を載せた科学誌はより広く公表されるようになっていった。
私たちは、3つの基礎的要素がアルミニウムの強さを高めることを現在知っている。私たちは、既にそれらのうちの1つについて述べた。それはマンガンとマグネシウムを材料の中に溶解させることである。
これらの原子は、物質中のアルミニウム原子のうちのいくつかを置き換える。それらはわずかに大きさが異なるので、マンガンとマグネシウム原子は結晶格子を変形させる。
ひずみは変形に抵抗するため、それによりシートに強さが加わる。
第2の貢献はいわゆる金属間の粒子の存在から来る。
そのような粒子はシートの処理中に生ずるが、合金中の異なる金属の結合からる。ほとんど鉄とマンガンである。それらは、合金自体より堅い傾向があり、それにより強さを供給する。
しかしながら、おそらくシートの強度への最も重要な貢献はシートが冷延される場合に生じる加工硬化である。冷延とは室温で延ばすことをいう。この成形作業中に転位や欠陥が格子の中に現れる。金属が変形するとともに、転位は動き回り、数が増加します。最終的に転位は他の転位にぶつかるようになり、さらなる変形をより難しくする。
残念ながら、この加工硬化は、材料のが延性を劇的に低下させる。引張試験は、30パーセントから約2、3パーセントまで延性が落ちることを示す。一般的には材料が高い引張伸びを持っている場合のみシートを形成することができると言われている。確かに、自動車産業では本体部分は40パーセント以上引き伸ばすことができる完全に焼きなましたシートから形成される。この哲学は2つの部品からなるアルミニウム缶を作る初期の試みを導いた。研究者は焼きなましされた、もしくは部分的に加工硬化させたシートに専念したが、それは延性力を犠牲にした。形成性についての理解は特にマサチューセッツ
工科大学とワルシャワ工科大学のStuart P. KeelerおよびWalter A. Backofenによる1960年代の研究から主な後押しを得た。
様々な板金の性質を見て、彼らは引張試験で行われるように単なる1つの方向に加えられた引張を受けた場合の性質だけでなく、それを超えるものを越えるものを考慮した。彼らはまた、引張が2つの方向に同時に適用される場合に何が起きるかを見た。彼らは組織破壊なしで成形加工を可能にするものがひずみの小さな窓に存在することを示した。
加工硬化はこのウィンドウのサイズを大幅に縮小するが、小さなスリットはそれでもなお開いたままである。それは底部のドーム状、および側壁への線引き、再線引きを可能にするには十分なものである。
アルミニウム缶を経済的にした重要な進歩はしかしながら、レイノルズのLinton D. Bylundによってもたらされた。
彼はアイロニングリングの配置やポンチとダイの形状、他の様々な特徴が詳細に記述されている、入念に計画された製造過程を使用して完全に加工硬化されたシートから缶が作れるかもしれないことに気づいた。強く、完全に焼きなましされたシートは缶を経済的に競争率が高くするために十分な重量を節約して、より薄いものを使用することを可能にした。
加工硬化したシートを形成する技術がどこよりも明らかなのは缶のふたのつまみをとめる巧妙に設計されたリベットにあることである。リベットはふたに不可欠な部品である。それを作るために、リベットが上に少し膨らむことによりふたの中心を伸ばさなければなりません。この追加材料はリベットを形成するために引かれそしてその後タブを固定するために平らにされる。それは金属の個別部品である。
福田 直哉 訳分
缶のシートを強くする他に、メーカーもしごき加工あとの缶の上部に出てくる表面のうねりやしわをコントロールすることによってアルミニウムの量を減らそうとしました。
しわの影響はアルミニウムシートの結晶学的構造(つまり、結晶構造の配向)に由来します。それゆえに、ある程度のしわは回避不可能です。ドイツのクラウスタールの工科大学のHans-Joachim Bunge、デュポンのRyong-Joon Roeたちは質的に、しわを引き起こす構造を特定するために、Ｘ線回折技術を開発しました。検査技師は異なる深さで材料を露出させるためにシートの層を研削させることによって見本を準備しました。自動的に簡潔な解析手法を伴うＸ線回折は、シートの深さごとの結晶の好ましい配向による機能を明らかにする三次元図を生産します。
そのような診断方法はアルミニウム会社が非常に小さなしわのあるシートを生産することを可能にしました。冶金技術者はアルミニウムの中に存在する2つの有力な結晶学的構造のバランスを取ります。鋼塊から熱間圧延したあとの合金を焼きなましする間に、ある1種類の構造が発生します。それは４つのしわが缶の外周部に90度ごと(0,90,180,270度)に発生する原因になります。2つ目の構造はシートを冷間圧延することで生じ、45,135,225,315度でしわを発生させます。焼きなましと圧延の適切な制御は他の要因によって作られる谷を埋めることで2つの構造の結合につながる事ができる。結果的に8つのしわは非常に小さくなります。ほとんどのしわの最大高さはカップの高さの1%未満である。
金属の一貫した処理と慎重なデザインは、缶の各部を他の部分と同じくらいの強度にしました。フタの開口部が破損している缶をみつけることはめずらしいことではない。また、底のドームとフタはほとんど同じ圧力(1平方インチにつき100~115ポンドの範囲)で膨らみます。
現行のデザインと製造の成功にもかかわらず、缶メーカーはまだ改良点を模索しています。金属が缶のコストの半分を占めるので、調査の多くはアルミニウムを効率良く使う方法に集中します。節約になる一つの可能性は、現在されているように、厚い鋼塊よりむしろ薄い鋼板に溶かした合金を鋳造することです。一般的な鋼塊は厚さ30インチから0.011または0.012インチまでの2500倍に圧延され薄くなります。多くの量を圧延するには高価な資本設備(炉と圧延機)が必要になります、また、多くのエネルギーを消費します。
厚さ1インチ以下の厚板へ連続的にアルミニウムを鋳造することができます。望ましい最終的な厚みのシートに達するためにこれらの薄い厚板はより薄い圧延を要求します。連続鋳造はいくらか柔らかいアルミニウム合金で行われます(例えば、アルミホイルは0.1インチの暑さに鋳造できる材料から作られます)。
残念なことに、薄い厚板からの満足の行く缶資本の生産は冶金学者の邪魔をします。連続鋳造で固有な点であるより速い冷却と少ない圧延は望ましい冶金の構造を生み出しません。2つの主要な問題が発生します。1つ目に、結晶学的構造は大きなシワを防ぐための適切な支配ができなくなる。2つ目に、より速い冷却速度は缶壁をしごき加工するのに厳しい困難が生じます。
融解した合金が固まるとき、形成する金属粒子の性質のため、しごき加工の問題は生じます。凝結の間発達する金属粒子は、処理の間、始まるものより非常に大きくなります（我々がシートに強度を与えたように）。これらの大きさは、しごき加工をするとき重要な役割を演じます。この手順の間、アルミニウムは、アイアニングリングに付着する傾向があります。通常、金属粒子(大きさはおよそ5ミクロン)は、非常に優秀な紙やすりのようにふるまい、アイアニングリングを磨きます。しかし、連続鋳造のより速い冷却速度は、非常により小さい金属粒子(およそ1ミクロ)を生成します。このサイズの粒子は、アイアニングリングによるアルミニウム突の除去に、あまり効果的でありません。この結果を受けて、アルミニウムはリング上で堆積して、結局缶壁で目障りな引っかき傷を発生させます。おそらく、合金の組成を変える、または、融解状態からの凝固速度を変更することによって、望ましい金属粒子の薄い厚板をつくり上げる問題は、解決されるだろう。
鋳造の制御は全部の缶の話の再発機能を集約します。無駄のないシート生産のためのしわとしごき加工の能力の制御、構造統合性のための缶質量などの、1つのふるまいは、他のものと慎重に釣り合いがとられています。それでも、1つのコスト要素は、容易な均衡を避けます。缶を製造するのにエネルギーは必要です。大部分の経費が、アルミニウム自体にあります。配電と製錬において非効率性を考慮して、産業専門家は1つ缶に含まれるアルミニウムを生産するために2.3メガジュールのエネルギーが必要であると予想する。この量は100ワットの電球を6時間点灯しておく費やされるエネルギー量、または、1ガロンのガソリンのエネルギーの1.7パーセントと等しいです。小さいとはいえ、それは缶の大きな支出を意味します。
この出費を減らす1つの方法はリサイクルを通してあります。そして、それはエネルギーのコストの最高95パーセントを省くことができます。実際に、現在アルミニウム缶の63パーセント以上は、再び溶かすために、返還されます。リサイクルはアルミニウム製造工場の中で重要な一部も担っています。製造される10トンごとの缶本体に、１トンのくず鉄が製造される。このくず鉄は再び溶かされて、製造サイクルに注入されます。缶シートの生産のより単純な方法を開発することやより強い材料の発見は缶にかかる多くのお金とエネルギーの節約につながるだろう。
これらの目標に対処することは、とてもやりがいがあることだ。既存の缶は、非常に強化されている、よく制御されたシートをすでに使いっています。これらの形は、構造強度と最小限の重さのために精密に設計されます。そして、一つの工場の生産機械は、小さな工具摩耗と少しの欠陥品を出してしまうが、何百万もの缶を1日で製造することが出来る。しかしながら、小さな改善の報酬さえ、相当なものです。アルミニウム飲料缶の需要は、世界の至る所で増加し続けます。これらの生産高は、毎年約10億増加します。缶の成功は、科学的およびエンジニアリング技術が人間の忍耐と結合されるときに達成することができるという産業の教訓です。
EASY-OPENING LIDSは、1961年に鋼の3ピース缶で導入された。元の見出しは読めます。［古代ギリシャと宇宙時代の主婦はCan-Top Machinery社、Bala-Cynwyd, Paによって新しい缶詰め化革新で登場したプレス技術をキッチンで使う容器として比較しました。］
