JP2014193569A - 複合成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属成形体と樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、前記金属成形体の接合面に対して、レーザースポット径10〜200μmの範囲のレーザー光を照射して溝を形成し、直径が20〜1000μmの円形またはそれと同面積範囲の一つの領域を形成する工程であり、1スキャンによりレーザー照射の開始点と終点が繋がるようにして溝を形成し、これを複数スキャン繰り返して溝で囲まれた一つの領域を形成する第1工程、
前記第1工程を繰り返して、溝で囲まれた複数の領域を形成する第2工程、
前記溝で囲まれた領域が形成された金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、前記樹脂成形体となる樹脂インサート成形する第3工程を有している、複合成形体の製造方法。
【選択図】なし
Description
しかしながら、金属成形体と樹脂成形体を工業的に有利な方法で、かつ高い接合強度で接合一体化できる技術は実用化されていない。
特許文献2には、特許文献1の発明において、さらに複数回重畳的にレーザースキャニングするレーザー加工方法の発明が開示されている。
さらにクロス方向へのレーザースキャンにより十分な表面粗し処理ができることから、接合強度は高くできることが考えられるが、表面粗さ状態が均一にならず、金属と樹脂との接合部分の強度の方向性が安定しないおそれがあるという問題がある。
例えば、1つの接合体はX軸方向への剪断力や引張強度が最も高いが、他の接合体は、X軸方向とは異なるY軸方向への剪断力や引張強度が最も高く、さらに別の接合体は、X軸およびY軸方向とは異なるZ軸方向への剪断力や引張強度が最も高くなるという問題が発生するおそれがある。
製品によっては(例えば、一方向への回転体部品や一方向への往復運動部品)、特定方向への高い接合強度を有する金属と樹脂の複合体が求められる場合があるが、特許文献1、2の発明では前記の要望には十分に応えることができない。
実施形態1〜3では、金属長尺コイル表面にレーザー照射して凹凸を形成することが記載されている。そして、段落番号10では、金属長尺コイル表面をストライプ状や梨地状に荒らすこと、段落番号19では、金属長尺コイル表面をストライプ状、点線状、波線状、ローレット状、梨地状に荒らすることが記載されている。
しかし、段落番号21、22の発明の効果に記載されているとおり、レーザー照射をする目的は、金属表面に微細で不規則な凹凸を形成し、それによりアンカー効果を高めるためである。特に処理対象が金属長尺コイルであることから、どのような凹凸を形成した場合でも、必然的に微細で不規則な凹凸になるものと考えられる。
よって、特許文献3の発明は、特許文献1、2の発明のようにクロス方向にレーザー照射して表面に微細な凹凸を形成する発明と同じ技術的思想を開示しているものである。
金属成形体と樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体の接合面に対して、レーザースポット径10〜200μmの範囲のレーザー光を照射して溝を形成し、直径が20〜1000μmの円形またはそれと同面積範囲の一つの領域を形成する工程であり、1スキャンによりレーザー照射の開始点と終点が繋がるようにして溝を形成し、これを複数スキャン繰り返して溝で囲まれた一つの領域を形成する第1工程、
前記第1工程を繰り返して、溝で囲まれた複数の領域を形成する第2工程、
前記溝で囲まれた領域が形成された金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、前記樹脂成形体となる樹脂インサート成形する第3工程を有している、複合成形体の製造方法を提供する。
図2(a)は、円柱(丸棒)の金属成形体10と円柱の樹脂成形体20が、曲面同士で接合一体化された複合成形体1の厚さ(直径)方向の断面図である。
図1および図2の複合成形体1は、以下の第1工程、第2工程および第3工程を経て製造することができる。
第1工程では、図3の平面図と部分拡大図に示すように、接合一体化される前の金属成形体10の接合面に対して、レーザースポット径(d)が10〜200μmの範囲のレーザー光を照射して溝31を形成し、直径(D)が20〜1000μmの円形またはそれと同面積範囲の一つの領域を形成する。
さらに第1工程では、1スキャンによりレーザー照射の開始点と終点が繋がるようにして溝31を形成し、これを同じ溝31が形成されるように複数スキャン繰り返して、溝31で囲まれ、溝31の内側に凸部32を有する一つの領域(円形領域)30を形成する。
溝31は、図3の部分拡大図に示すように、1スキャンによりレーザー照射の開始点と終点が繋がるようにして形成する。即ち、周方向に隣接するレーザースポット同士が互いに重複するか、または接触するようにしてレーザー照射する。
続いて2回目のスキャンにおいても、1回目のスキャンと同様にして同じ溝31上を複数回スキャンする。複数回スキャンすることで溝31の深さ(即ち、凸部32の高さ)を調整する。
円形以外の領域にした場合には、直径(D)が20〜1000μmの円形またはそれと同面積範囲の一つの領域になるようにする。
1つの領域の大きさは、直径(D)が20〜1000μmの円形またはそれと同面積範囲であり、好ましくは直径(D)が20〜500μmの円形またはそれと同面積範囲であり、より好ましくは直径(D)が20〜300μmの円形またはそれと同面積範囲である。
1スキャンの照射距離は100〜100,000μmが好ましく、100〜10,000μmがより好ましく、100〜1000μmがさらに好ましい。このように1スキャンの照射距離を短くすることで、スキャン間の熱の拡散と金属温度の低下を抑えることができるため、レーザー加工の効率(時間当たりの加工量)が良くなる。
1スキャンのレーザー光照射で形成される溝の深さは5〜300μmが好ましく、10〜300μmがより好ましい。
全スキャン後の溝の深さは10〜600μmが好ましく、10〜300μmがより好ましい。
出力は4〜4000Wが好ましい。
波長は300〜1200nmが好ましく、500〜1200nmがより好ましい。
1スキャンのパルス幅(1スキャンのレーザー光の照射時間)は1〜10,000nsecが好ましい。
周波数は1〜100kHzが好ましい。
焦点位置は-10〜+10mmが好ましく、−6〜+6mmがより好ましい。
加工速度は10〜10,000mm/secが好ましく、100〜10,000mm/secがより好ましく、300〜10,000mm/secがさらに好ましい。
スキャン回数は1〜30回が好ましい。
第2工程では、第1工程を繰り返して、金属成形体10の接合面12に対して、図4(a)〜(g)で示される複数の領域30(30a〜30g)を形成する。
図4(a)〜(e)では、接合面12の全面に領域30(30a〜30e)が形成されており、図4(f)、(g)では、接合面12の一部面に領域30(30f、30g)が形成されている。
図4(f)では、複数の円形領域30fは、接合面12の辺12a側の円形領域30fの形成密度が高くなり、反対側の辺12b側の円形領域30fの形成密度が低くなるように形成されている。このようにして接合面12において円形領域30fを均等配置せず、一部面に偏在させるように成形することができる。
図1で示す複合成形体1が、接合面12に図4(f)に示された複数の円形領域30fが形成されたものであるとき、円形領域30fが辺12a側に密になるように形成されているため、複合成形体1が図4(f)の矢印方向に引っ張られるときの抗力が大きくなり、金属成形体10と樹脂成形体20との接合強度が高められる。
なお、図4(g)とは逆に、接合面12の中央部にのみ複数の円形領域30gが形成され、周囲には円形領域30gが形成されないようにしてもよい。
第3工程にて、複数の領域30が形成された金属成形体10の接合面12を含む部分を金型内に配置して、樹脂成形体20となる樹脂を使用してインサート成形して、複合成形体1を得る。
このインサート成形工程によって、図1に示すように、領域30(溝31と突起32)の溝31内に樹脂が入り込んだ状態の複合成形体1が得られる。
このように金属成形体10が領域30(溝31と突起32)を有していることから、金属成形体10と樹脂成形体20との接触面積が増大されると共に、溝31内に樹脂が入り込むことによるアンカー効果によって、接合強度が高められる。
さらに、例えば図4(a)〜(g)に示すように、領域30の配置状態を調整したり、形成パターンを調整したりすることで、所望方向への引張強度や曲げ強度が高められた複合成形体を得ることができるようなる。
本発明の複合成形体で使用する金属成形体の成形方法は特に制限されるものではなく、金属の種類に応じて公知の各種成形法を適用して製造することができものであり、例えばダイカスト法で製造したものを使用することができる。
公知の繊維状充填材としては、炭素繊維、無機繊維、金属繊維、有機繊維等を挙げることができる。
炭素繊維は周知のものであり、PAN系、ピッチ系、レーヨン系、リグニン系等のものを用いることができる。
無機繊維としては、ガラス繊維、玄武岩繊維、シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維等を挙げることができる。
金属繊維としては、ステンレス、アルミニウム、銅等からなる繊維を挙げることができる。
有機繊維としては、ポリアミド繊維(全芳香族ポリアミド繊維、ジアミンとジカルボン酸のいずれか一方が芳香族化合物である半芳香族ポリアミド繊維、脂肪族ポリアミド繊維)、ポリビニルアルコール繊維、アクリル繊維、ポリオレフィン繊維、ポリオキシメチレン繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリエステル繊維(全芳香族ポリエステル繊維を含む)、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリイミド繊維、液晶ポリエステル繊維などの合成繊維や天然繊維(セルロース系繊維など)や再生セルロース(レーヨン)繊維などを用いることができる。
が、これらの中でも、例えば金属成形体10の接合面11に対して形成されるマーキングパターンの幅(細孔の開口部の大きさ、または溝の幅)より小さな繊維径のものを使用することが好ましい。繊維径は、より望ましくは5〜30μm、さらに望ましくは7〜20μmである。
このようなマーキングパターンの幅より小さな繊維径の繊維状充填材を使用したときには、金属成形体のマーキングパターン内に繊維状充填材の一部が張り込んだ状態の複合成形体が得られ、金属成形体と樹脂成形体の接合強度が高められるので好ましい。
さらにこれらの繊維状充填材は、樹脂成形体の機械的強度を高め、金属成形体との機械的強度差を小さくすることで金属成形体と樹脂成形体との接合強度を高めるため、成形後の樹脂成形体中に含まれる重量平均繊維長が、好ましくは0.1〜5.0mm、より好ましくは0.1〜4.0mm、さらに好ましくは0.2〜3.0mm、もっとも好ましくは0.5〜2.5mmにできるような長さのものを製造原料として使用することが好ましい。
熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、熱可塑性エラストマー100質量部に対する繊維状充填材の配合量は5〜250質量部が好ましい。より望ましくは、25〜200質量部、さらに望ましくは45〜150質量部である。
図5に示す金属成形体(アルミニウム:A5052)の接合面12に対して、表1に示す条件でレーザー照射して、図4(a)に示す372個の円形領域30aを形成した。なお、レーザー発振器はファイバーレーザー(IPG製 YLP-1-50-30-30RA)を使用した。
上記のようにして金属成形体に円形領域を形成した後、下記の方法でインサート成形して、実施例1の複合成形体を得た。
図5に示す金属成形体(アルミニウム:A5052)の接合面12に対して、表1に示す条件でレーザー照射して、図7に示すような状態の複数回折れ曲がった直線からなる溝を形成した。なお、レーザー発振器はファイバーレーザー(IPG製 YLP-1-50-30-30RA)を使用した。
上記のようにして金属成形体に直線からなる溝を形成した後、下記の方法でインサート成形して、比較例1の複合成形体を得た。
図5に示す金属成形体(アルミニウム:A5052)の接合面12に対して、表1に示す条件でレーザー照射して、図7に示すような状態の複数回折れ曲がった直線からなる溝を形成した。なお、レーザー発振器はファイバーレーザー(IPG製 YLP-1-50-30-30RA)を使用した。
上記のようにして金属成形体に直線からなる溝を形成した後、下記の方法でインサート成形して、比較例2の複合成形体を得た。
樹脂:GF60%強化PA66樹脂(プラストロンPA66−GF60−01(L7):ダイセルポリマー(
株)製),ガラス繊維の繊維長:11mm
樹脂温度:320℃
金型温度:100℃
射出成形機:ファナック社製FANUC ROBOSHOT S2000i-100B
実施例1、比較例1、2の複合成形体を用い、引張試験を行って接合強度を評価した。結果を表1に示す。
なお、複合成形体の樹脂成形体中のガラス繊維の繊維長(重量平均繊維長)は0.85mmであった。平均繊維長は、成形品から約3gの試料を切出し、650℃で加熱・灰化させてガラス繊維を取り出した。取り出した繊維の一部(500本)から重量平均繊維長を求めた。計算式は、特開2006−274061号公報の〔0044〕、〔0045〕を使用した。
引張試験は、金属成形体側を固定した状態で、金属成形体と樹脂成形体が破断するまで図8に示すX1方向に引っ張った場合の最大荷重を測定した。
<引張試験条件>
試験機:オリエンテック社製テンシロン(UCT−1T)
引張速度:5mm/min
チャック間距離:50mm
このため、実施例1と比較例1を比べると、実施例1は合計スキャン時間を短くでき、比較例1よりも高い接合強度の複合成形体が得られたことが確認できる。
また実施例1と比較例2を比べると、同じ合計スキャン時間であるときには、3倍以上高い接合強度の複合成形体が得られたことが確認できる。
よって、本発明の製造方法を適用することで、レーザー加工の効率(時間当たりの加工量)を大きく向上させることができるようになる。
10 金属成形体
12 接合面
20 樹脂成形体
Claims (7)
- 金属成形体と樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体の接合面に対して、レーザースポット径10〜200μmの範囲のレーザー光を照射して溝を形成し、直径が20〜1000μmの円形またはそれと同面積範囲の一つの領域を形成する工程であり、1スキャンによりレーザー照射の開始点と終点が繋がるようにして溝を形成し、これを複数スキャン繰り返して溝で囲まれた一つの領域を形成する第1工程、
前記第1工程を繰り返して、溝で囲まれた複数の領域を形成する第2工程、
前記溝で囲まれた領域が形成された金属成形体の接合面を含む部分を金型内に配置して、前記樹脂成形体となる樹脂インサート成形する第3工程を有している、複合成形体の製造方法。 - 前記第1工程において溝で囲まれた一つの領域が、溝で形成された円形、楕円形、三角形、四角形、五角形以上の多角形および不定形から選ばれる領域である、請求項1記載の複合成形体の製造方法。
- 前記第2工程が、それぞれが独立した複数の領域を形成する工程である、請求項1または2記載の複合成形体の製造方法。
- 前記第2工程が、複数の領域の隣接する領域同士の全部または一部が重複して形成する工程である、請求項1または2記載の複合成形体の製造方法。
- 前記第2工程が、前記金属成形体の接合面の全体に複数の領域を形成する工程である、請求項1または2記載の複合成形体の製造方法。
- 前記第2工程が、前記金属成形体の接合面の一部に複数の領域を形成する工程である、請求項1または2記載の複合成形体の製造方法。
- 前記金属成形体の接合面が平面または曲面である、請求項1〜6のいずれか1項記載の複後成形体の製造方法。
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