CN105102201A - 复合成型体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可以提高接合强度的复合成型体的制造方法。本发明的复合成型体制造方法是金属成型体和树脂成型体接合而成的复合成型体的制造方法，该方法包括：第1工序，该工序是对所述金属成型体10的接合面照射激光光斑径为10～200μm范围的激光而形成槽，形成直径为20～1000μm的圆形或与其同面积范围的一个区域的工序，所述第1工序以通过一次扫描连接激光照射的起始点和终点的方式形成槽，并将其进行反复多次扫描来形成被槽包围的一个区域；第2工序，重复所述第1工序，形成被槽包围的多个区域；第3工序，将含有形成有被所述槽包围的区域的金属成型体接合面的部分配置在模具内，并将待形成所述树脂成型体的树脂进行嵌入成型。

Description

复合成型体的制造方法
技术区域
本发明涉及包括金属成型体和树脂成型体的复合成型体的制造方法。
背景技术
虽然从轻质化各种部件的观点考虑，已使用了树脂成型体作为金属代替品，但很多情况下难以用树脂代替所有的金属部件。在这样的情况下，考虑通过将金属成型体和树脂成型体接合一体化来制造新的复合部件。
但是，能够用工业上有利的方法、并且以高接合强度将金属成型体和树脂成型体接合一体化这样的技术尚未实用。
日本专利第4020957号公报中，记载了以下的发明：用于将金属表面与异种材料(树脂)接合的金属表面的激光加工方法，该方法包括沿一个扫描方向对金属表面进行激光扫描的工序，和沿与其交叉的扫描方向进行激光扫描的工序。
日本特开2010-167475号公报中，公开了以下的发明：在日本专利第4020957号公报的发明中，进一步多次重叠地进行激光扫描的激光加工方法。
但是，由于日本专利第4020957号公报、日本特开2010-167475号公报的发明必须需要对交叉的2个方向进行激光扫描，在加工时间花费过长的方面存在改善的余地。
虽然认为通过进一步沿交叉方向的激光扫描可以进行更充分的表面粗糙处理，所以可以提高接合强度，但是存在以下问题：存在表面粗度状态变得不均匀、金属和树脂的接合部分的强度的方向性不稳定的隐患。
例如，存在产生以下问题的隐患：一个接合体沿X轴方向的剪切力或抗拉强度最高，但其它接合体沿与X轴方向不同的Y轴方向的剪切力或抗拉强度最高，另外其它的接合体沿与X轴及Y轴方向都不同的Z轴方向的剪切力或抗拉强度最高。
根据制造品的不同(例如，向一个方向的旋转体部件或沿一个方向往返运动的部件)存在谋求金属和树脂的复合体具有沿特定方向的高接合强度的情况，但日本专利第4020957号公报、日本特开2010-167475号公报的发明无法充分满足所述的期望。
另外认为在接合面为复杂形状或为含有宽度较细的部分的形状时(例如星形、三角形、哑铃型)，沿交叉方向激光扫描的方法中，部分的表面粗糙处理不均匀，其结果无法得到充分的接合强度。
日本特开平10-294024号公报中记载了电气电子部件的制造方法：对金属表面激光照射而形成凹凸，并在凹凸形成部位进行树脂、橡胶等注射成型。
在实施方式1～3中记载了，在金属长条线圈表面进行激光照射形成凹凸。而且，段号10中记载了，在金属长条线圈表面进行条纹状或梨皮状的破坏，段号19中记载了在金属长条线圈表面进行条纹状、虚线状、波浪线状、滚花状、梨皮状的破坏。
但是，如段号21、22的发明的效果中所述，进行激光照射的目的是为了在金属表面微细地形成不规则的凹凸，由此提高锚定效果。特别是因为处理对象是金属长条线圈，可以认为不管形成了怎样的凹凸，也必然造成微细不规则的凹凸。
因而，日本特开平10-294024号公报的发明公开了与日本专利第4020957号公报、日本特开2010-167475号公报的发明所述的沿交叉方向进行激光照射在表面形成微细的凹凸的发明相同的技术思想。
国际公开2012/090671为由金属成型体和树脂成型体形成的复合成型体的制造方法的发明。该方法包括下述工序：所述工序是针对金属成型体的接合面，以在一个方向或不同方向形成由直线和/或曲线构成的标记的方式进行激光扫描的工序，所述工序是以由各直线和/或各曲线构成的标记互相不交叉的方式进行激光扫描。图6到图9中，示出了四边形、圆形、椭圆形、三角形的标记图案。
发明内容
本发明的课题是提供复合成型体的制造方法，其可以制造接合强度高的复合成型体。
作为解决课题的办法，本发明提供复合成型体的制造方法，其为金属成型体和树脂成型体接合而成的复合成型体的制造方法，该方法包括：
第1工序，其是对所述的金属成型体的接合面照射激光光斑径为10～200μm范围的激光而形成槽，形成直径为20～1000μm的圆形或与其同面积范围的一个区域的工序，所述工序以通过一次扫描连接激光照射的起始点和终点的方式形成槽，并将其进行反复多次扫描来形成被槽包围的一个区域；
第2工序，重复所述第1工序，形成被槽包围的多个区域；
第3工序，将含有形成有被所述槽包围的区域的金属成型体接合面的部分配置在模具内，并将待形成所述树脂成型体的树脂进行嵌入成型。
根据本发明的复合成型体的制造方法，可提高金属成型体和树脂成型体的接合强度。
附图说明
[图1]图1，为本发明的制造方法所得到的复合成型体的厚度方向的截面图(包括部分放大图)。
[图2]图2，为本发明的其它实施方式的复合成型体的直径方向的截面图，(a)为从侧面观察的图，(b)为从端面观察的图。
[图3]图3为说明本发明的制造方法的图，为平面图(右侧)和平面图的部分放大图(左侧)。
[图4]图4为，示出本发明的制造方法中被槽包围的区域形成的图案的图。
[图5]图5为说明实施例中制造方法的图。
[图6]图6的(a)为实施例1的复合成型体所使用的金属成型体的平面图的SEM照片，图6的(b)为图6(a)的放大图，图6(c)为图6(a)的厚度方向的截面的SEM照片。
[图7]图7为说明比较例1的制造方法的图。
[图8]图8为用于说明实施例和比较例的复合成型体的接合强度的测定方法的图。
具体实施方式
图1为复合成型体1的厚度方向的截面图(包括部分放大图)，该复合成型体1为平板的金属成型体10和平板的树脂成型体20以平面彼此接合一体化而成。
图2(a)为复合成型体1的厚度(直径)方向的截面图，该复合成型体1为圆柱(圆棒)的金属成型体10和圆柱的树脂成型体20以曲面彼此接合一体化而成。
就图1及图2的复合成型体1而言，可以经过以下的第1工序、第2工序及第3工序制造。
<第1工序>
第1工序中，如图3的平面图和部分放大图所示，对接合一体化前的金属成型体10的接合面照射激光光斑径(d)为10～200μm的范围的激光而形成槽31，形成直径(D)为20～1000μm的圆形或与其同面积范围的一个区域。
进一步地，在第1工序中，以通过一次扫描连接激光照射的起始点和终点的方式形成槽31，以形成同样的槽31的方式对该槽反复多次扫描，形成被槽31包围、且在槽31的内侧具有凸部32的一个区域(圆形区域)30。
由槽31和凸部32所形成的一个区域(圆形区域)30的直径D，设为激光光斑的外侧的外接圆的直径。
如图3的部分放大图所示，以通过一次扫描连接激光照射的起始点和终点的方式形成槽31。即，以沿周方向邻接的激光光斑彼此互相重叠或接触的方式照射激光。
接着在第二次的扫描中，和第1次的扫描相同地，对同一个槽31上进行多次扫描。通过多次扫描来调整槽31的深度(即，凸部32的高度)。
就第1工序中被槽31包围的一个区域30而言，除如图4(a)～(g)所示那样的圆形、椭圆形、三角形、四边形以外，还可以是从五边形以上的多边形及期望的不规则形状中选择的区域，也可以是由除此以外的形状形成的区域。
在为圆形以外的区域的情况下，使其成为直径(D)为20～1000μm的圆形或与其同面积范围的一个区域。
激光光斑径(d)为10～200μm，优选为10～100μm，更优选为10～50μm。
就一个区域的大小而言，为直径(D)为20～1000μm的圆形或与其同面积范围，优选为直径(D)为20～500μm的圆形或与其同面积范围，更优选为直径(D)为20～300μm的圆形或与其同面积范围。
一次扫描的照射距离优选为100～100,000μm，更优选100～10,000μm，进一步优选100～1000μm。由于通过如上所述地缩短一次扫描的照射距离，可以抑制扫描间的热的扩散和金属温度的降低，因此激光加工的效率(单位时间的加工量)变好。
一次扫描的激光照射所形成的槽的深度优选为5～300μm，更优选10～300μm。
全部扫描后的槽的深度优选为10～600μm，更优选10～300μm。
形成由这样的槽形成的区域30时，激光的照射条件如下所述。
输出优选为4～4000W。
波长优选为300～1200nm，更优选500～1200nm。
一次扫描的脉冲宽度(一次扫描的激光的照射时间)优选为1～10,000nsec。
频率优选为1～100kHz。
焦点位置优选为-10～+10mm，更优选-6～+6mm。
加工速度优选为10～10,000mm/sec，更优选100～10,000mm/sec，进一步优选300～10,000mm/sec。
扫描次数优选为1～30次。
<第2工序>
第2工序中，对金属成型体10的接合面12重复第1工序，形成图4(a)～(g)所示的多个区域30(30a～30g)。
图4(a)～(e)中，在接合面12的整个面形成区域30(30a～30e)，图4(f)、(g)中，在接合面12的一部分面形成区域30(30f、30g)。
图4(a)中，以均等间隔形成多个具有槽31a和凸部32a的圆形区域30a。虽然多个圆形区域30a各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30a的槽31a彼此重叠。
图4(b)中，以均等间隔形成多个具有槽31b和凸部32b的椭圆形区域30b。虽然多个椭圆形区域30b各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30b的槽31b彼此重叠。
图4(c)中，以均等间隔形成多个具有槽31c和凸部32c的三角形区域30c。虽然多个三角形区域30c各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30c的槽31c彼此重叠。
图4(d)中，以均等间隔形成多个具有槽31d和凸部32d的四边形区域30d。虽然多个四边形区域30d各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30d的槽31d彼此重叠。
图4(e)中，以与图4(a)不同的配置状态，以均等间隔形成多个具有槽31e和凸部32e的圆形区域30e。虽然多个圆形区域30e各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30e的槽31e彼此重叠。
图4(f)中，与图4(a)、(e)不同，在接合面12的一部分面形成多个具有槽31f和凸部32f的圆形区域30f。虽然多个圆形区域30f各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30f的槽31f彼此重叠。
图4(f)中，多个圆形区域30f是以以下方式形成：接合面12的边12a侧的圆形区域30f的形成密度高，相反侧的边12b侧的圆形区域30f的形成密度低。可以如上所述地在接合面12中不是均等地配置圆形区域30f，而是使其偏居在一部分面的方式成型。
图1中所示的复合成型体1，在接合面12形成有图4(f)所示出的多个圆形区域30f时，由于在边12a侧密集地形成圆形区域30f，因此复合成型体1沿图4(f)的箭头方向拉伸时的阻力变大，金属成型体10和树脂成型体20的接合强度提高。
图4(g)中，与图4(a)、(e)不同，在接合面12的周围形成多个具有槽31g和凸部32g的圆形区域30g，且在中央部不形成圆形区域30g。虽然多个圆形区域30g各自独立没有接触，但也可以是全部或一部分的区域30g的槽31g彼此重叠。
需要说明的是，也可以为与图4(g)相反，仅在接合面12的中央部形成多个圆形区域30g，而在周围不形成圆形区域30g的方式。
<第3工序>
在第3工序中，将含有形成有多个区域30的金属成型体10接合面12的部分配置在模具内，使用待形成树脂成型体20的树脂进行嵌入成型，得到复合成型体1。
通过该嵌入成型工序，可得到如图1所示的树脂进入到区域30(槽31和突起32)的槽31内的状态的复合成型体1。
因为如上所述金属成型体10具有区域30(槽31和突起32)，因此在增大金属成型体10和树脂成型体20的接触面积的同时，由于树脂进入槽31内产生的锚定效果，提高了接合强度。
进一步，例如如图4(a)～(g)所示，通过调整区域30的配置状态或调整形成图案，可以得到提高了沿要求方向的抗拉强度或弯曲强度的复合成型体。
本发明的复合成型体所使用的金属成型体的金属没有特别的限制，可以根据用途从公知的金属中适宜选择。可以举出例如，选自铁、各种不锈钢、铝或其合金、铜或其合金、银或其合金、锌、镁、铅、锡及含有它们的合金的物质。
本发明的复合成型体所使用的金属成型体的成型方法没有特别的限制，为可以根据金属的种类使用公知的各种成型法制造的金属成型体，例如可以使用以压铸法(diecast)制造的金属成型体。
本发明的复合成型体中所使用的树脂成型体的树脂，除热塑性树脂、热固性树脂以外，还包括热塑性弹性体。
对热塑性树脂而言，可以根据用途从公知的热塑性树脂适宜选择。可以举出例如：聚酰胺类树脂(PA6、PA66等脂肪族聚酰胺、芳香族聚酰胺)、聚苯乙烯、ABS树脂、AS树脂等含有苯乙烯单元的共聚物、聚乙烯、含有乙烯单元的共聚物、聚丙烯、含有丙烯单元的共聚物、其它聚烯烃、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚碳酸酯类树脂、丙烯酸类树脂，甲基丙烯酸类树脂、聚酯类树脂、聚缩醛类树脂、聚苯硫醚类树脂。
就热固性树脂而言，可以根据用途从公知的热固性树脂适宜选择。可以举出例如：尿素树脂、密胺树脂、酚醛树脂、间苯二酚树脂、环氧树脂、聚氨酯、乙烯基聚氨酯。
对热塑性弹性体而言，可以根据用途从公知的热塑性弹性体适宜选择。可以举出例如：苯乙烯类弹性体、氯乙烯类弹性体、烯烃类弹性体、聚氨酯类弹性体、聚酯类弹性体、腈类弹性体、聚酰胺类弹性体。
这些热塑性树脂、热固性树脂、热塑性弹性体可以配合公知的纤维状填充材料。
作为公知的纤维状填充材料，可以举出碳纤维、无机纤维、金属纤维、有机纤维等。
碳纤维是周知的物质，可使用PAN类、沥青类、人造丝类、木质素类等碳纤维。
作为无机纤维，可以举出玻璃纤维、玄武岩纤维、二氧化硅纤维、二氧化硅·氧化铝纤维、氧化锆纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维等。
作为金属纤维，可以举出由不锈钢、铝、铜等构成的纤维。
作为有机纤维，可使用聚酰胺纤维(全芳香族聚酰胺纤维、二胺和二羧酸的任一者为芳香族化合物的半芳香族聚酰胺纤维、脂肪族聚酰胺纤维)、聚乙烯醇纤维、丙烯酸纤维、聚烯烃纤维、聚甲醛纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酯纤维(含有全芳香族聚酯纤维)、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、液晶聚酯纤维等合成纤维或天然纤维(纤维素类纤维等)或再生纤维素(人造丝)纤维等。
这些纤维状填充材料，可使用纤维直径为3～60μm的范围的物质，这些中，优选使用例如纤维直径比在金属成型体10的接合面11形成的标记图案的宽度(细孔的开口部的大小、或槽的宽度)小的物质。纤维直径更优选为5～30μm，进一步优选为7～20μm。
使用这样的纤维直径比标记图案的宽度小的纤维状填充材料时，可得到金属成型体的标记图案内具有纤维状填充材料的一部分的状态的复合成型体，可提高金属成型体和树脂成型体的接合强度，故优选。
并且这些纤维状填充材料，由于通过提高树脂成型体的机械强度、减小树脂成型体与金属成型体的机械强度差而提高金属成型体和树脂成型体的接合强度，因此优选使用以下长度的纤维状填充材料作为制造原料：成型后的树脂成型体中所含的重量平均纤维长优选为0.1～5.0mm，更优选为0.1～4.0mm，进一步优选为0.2～3.0mm，最优选0.5～2.5mm。
相对于热塑性树脂、热固性树脂、热塑性弹性体100质量份，纤维状填充材料的配合量优选为5～250质量份。更优选25～200质量份，进一步优选45～150质量份。
本发明的复合成型体的制造方法中可以使用公知的激光，可使用例如：YVO4激光、YAG激光、光纤激光、准分子激光、紫外线激光、二氧化碳激光、半导体激光、玻璃激光、红宝石激光、He-Ne激光、氮激光、螯合物激光、染料激光。
就激光的照射条件，例如，波长、光束直径、细孔的间隔、频率等而言，可以根据作为接合对象的金属成型体和树脂成型体的大小、质量、种类以及谋求的接合强度等适宜决定。
实施例
实施例1
以表1所示的条件对图5所示的金属成型体(铝：A5052)接合面12照射激光，形成图4(a)所示的372个圆形区域30a。需要说明的是，激光振荡器使用了光纤激光器(IPG制造YLP-1-50-30-30RA)。
图6(a)为实施例1中使用的金属成型体的平面的SEM照片(100倍)，图6(b)为(a)的放大照片(200倍)，图6(c)为图6(a)的厚度方向的截面的SEM照片(100倍)。
以上述的方式在金属成型体上形成圆形区域后，以下述的方法进行嵌入成型，得到实施例1的复合成型体。
比较例1
以表1所示的条件对图5所示的金属成型体(铝：A5052)接合面12照射激光，形成图7所示那样的状态的由多次转弯的直线形成的槽。需要说明的是，激光振荡器使用了光纤激光器(IPG制造YLP-1-50-30-30RA)。
以上述的方式在金属成型体上形成由直线形成的槽后，以下述的方法进行嵌入成型，得到比较例1的复合成型体。
比较例2
以表1所示的条件对图5所示的金属成型体(铝：A5052)接合面12照射激光，形成图7所示那样的状态的由多次转弯的直线形成的槽。需要说明的是，激光振荡器使用了光纤激光器(IPG制造YLP-1-50-30-30RA)。
以上述的方式在金属成型体上形成由直线形成的槽后，以下述的方法进行嵌入成型，得到比较例2的复合成型体。
<嵌入成型(注射成型)>
树脂：GF60％强化PA66树脂(PlastronPA66-GF60-01(L7)：Daicelpolymer制造)，玻璃纤维的纤维长：11mm
树脂温度：320℃
模具温度：100℃
注射成型机：Fanuc社制造FANUCROBOSHOTS2000-i100B
[拉伸试验]
使用实施例1、比较例1、2的复合成型体进行拉伸试验，评价接合强度。将结果示于表1。
需要说明的是，复合成型体的树脂成型体中的玻璃纤维的纤维长(重量平均纤维长)为0.85mm。就平均纤维长而言，从成型品切出约3g的试样，在650℃加热灰化，分离出玻璃纤维。从取出的纤维的一部分(500条)求得重量平均纤维长。计算式使用了日本特开2006-274061号公报的[0044]、[0045]。
就拉伸试验而言，测定了以固定金属成型体侧的状态沿图8所示X1方向拉伸，直到金属成型体和树脂成型体断裂为止时的最大荷重。
<拉伸试验条件>
试验机：Orientec公司制造Tensilon(UCT-1T)
拉伸速度：5mm/min
夹具间距离：50mm
[表1]
实施例1 比较例1 比较例2
输出(W) 30 30 30
波长(nm) 1070 1070 1070
脉冲宽度(nsec) 50 50 50
频率(kHz) 30 30 30
加工速度(mm/sec) 400 400 400
光斑径(μm) 45 45 45
一次扫描的照射距离(μm) 628 234000 234000
扫描次数 10 30 10
总扫描时间(sec) 6 18 6
每一次扫描的槽深度(μm) 15 4 4
总槽深度(μm) 150 120 40
接合强度(MPa) 34 32 10
由于与比较例1、2比较，实施例1的一次扫描的照射距离短，因此抑制热的扩散，所以可以增大每一次扫描的槽深度。
因此，如果实施例1和比较例1比较，可以确认：实施例1可以缩短总扫描时间，得到比比较例1接合强度高的复合成型体。
另外如果实施例1和比较例2比较，可以确认：在总扫描时间相同时，可以得到接合强度3倍以上高的复合成型体。
因而，通过适用本发明的制造方法，可以使激光加工的效率(单位时间的加工量)大幅提高。
符号说明
1复合成型体
10金属成型体
12接合面
20树脂成型体

Claims (7)

1.复合成型体的制造方法，其为金属成型体和树脂成型体接合而成的复合成型体的制造方法，该方法包括：
第1工序，其是对所述金属成型体的接合面照射激光光斑径为10～200μm范围的激光而形成槽，形成直径为20～1000μm的圆形或与其同面积范围的一个区域的工序，该工序以通过一次扫描连接激光照射的起始点和终点的方式形成槽，并将其进行反复多次扫描来形成被槽包围的一个区域；
第2工序，重复所述第1工序，形成被槽包围的多个区域；
第3工序，将含有形成有被所述槽包围的区域的金属成型体接合面的部分配置在模具内，将待形成所述树脂成型体的树脂进行嵌入成型。
2.根据权利要求1所记载的复合成型体的制造方法，其中，所述第1工序中被槽包围的一个区域，为由槽形成的选自圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形以上的多边形及不规则形状中的区域。
3.根据权利要求1或2所记载的复合成型体的制造方法，其中，所述第2工序为形成各自独立的多个区域的工序。
4.根据权利要求1或2所记载的复合成型体的制造方法，其中，所述第2工序为，多个区域邻接的区域之间彼此全部或一部分重叠地形成的工序。
5.根据权利要求1或2所记载的复合成型体的制造方法，其中，所述第2工序为在所述金属成形体的接合面的全体，形成多个区域的工序。
6.根据权利要求1或2所记载的复合成型体的制造方法，其中，所述第2工序为在所述金属成形体的接合面的一部分，形成多个区域的工序。
7.根据权利要求1～6中任一项所记载的复合成型体的制造方法，其中，所述金属成型体的接合面为平面或曲面。
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