JP2008272955A - 樹脂溶着方法及び樹脂溶着装置 - Google Patents

樹脂溶着方法及び樹脂溶着装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 高い溶着強度で第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して高い生産性で樹脂溶着体を製造することができる樹脂溶着方法及び樹脂溶着装置を提供する。
【解決手段】 樹脂溶着装置１では、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とを接触させて、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１，Ｍ２が溶融するように、接触面Ｓおける溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射し、その状態で、溶着予定領域Ｒにおいて互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする樹脂溶着方法が実施される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法及び樹脂溶着装置に関する。
例えば特許文献１，２には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを接触させて、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との接触面において第１の樹脂部材及び第２の樹脂部材が溶融するように、接触面おける溶着予定領域の全体にレーザ光を同時に照射することで、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着する樹脂溶着方法が記載されている。
また、例えば特許文献３には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを接触させて、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との接触面において第１の樹脂部材及び第２の樹脂部材が溶融するように、接触面おける溶着予定領域に沿ってレーザ光を相対的に移動させながら照射することで、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着する樹脂溶着方法が記載されている。
特開２００３−１６４９８５号公報 特表２００３−５３０２４０号公報 特開２００５−１２５７８３号公報
しかしながら、特許文献１，２記載の樹脂溶着方法には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との間の溶着強度が低いという問題がある。
また、特許文献３記載の樹脂溶着方法には、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着するのに長時間を要し、樹脂溶着体の生産性が低いという問題がある。
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高い溶着強度で第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して高い生産性で樹脂溶着体を製造することができる樹脂溶着方法及び樹脂溶着装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る樹脂溶着方法は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを接触させて、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との接触面において第１の樹脂部材及び第２の樹脂部材が溶融するように、接触面おける溶着予定領域にレーザ光を照射し、その状態で、溶着予定領域において互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次変化させることを特徴とする。
この樹脂溶着方法では、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との接触面において第１の樹脂部材及び第２の樹脂部材が溶融している状態で、溶着予定領域において互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次変化させる。これにより、レーザ光の強度が変化させられた範囲内の溶融樹脂とその範囲外の溶融樹脂とが体積膨張差或いは体積収縮差等に起因して攪拌されることになる。このように、溶着予定領域において溶融樹脂を攪拌した後に再固化させることができるため、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との間の溶着強度を高くすることが可能となる。また、溶着予定領域に沿ってレーザ光を相対的に移動させながら照射する場合に比べて短時間で第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着することができるため、樹脂溶着体の生産性を高くすることが可能となる。
本発明に係る樹脂溶着方法においては、レーザ光の強度を順次変化させるに際しては、レーザ光の強度を順次高くすることが好ましい。この場合、レーザ光の強度が高くされた範囲内の溶融樹脂が体積膨張によってその範囲外の溶融樹脂に確実に流れ込むため、溶着予定領域における溶融樹脂の攪拌効果を向上させることができる。
本発明に係る樹脂溶着方法においては、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを接触させるに際しては、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを圧接させることが好ましい。この場合、溶着予定領域における第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とが圧接された状態で、双方が溶融することとなるため、より溶着強度を高くすることができる。また、第１の樹脂部材や第２の樹脂部材の反り等の変形が抑制されるため、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを確実に溶着することができる。
本発明に係る樹脂溶着装置は、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着装置であって、接触させられた第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを支持する支持部と、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材との接触面において第１の樹脂部材及び第２の樹脂部材が溶融するように、接触面おける溶着予定領域にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、溶着予定領域において互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次変化させる制御部と、を備えることを特徴とする。
この樹脂溶着装置によれば、上述した本発明に係る樹脂溶着方法と同様に、高い溶着強度で第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して高い生産性で樹脂溶着体を製造することができる。
本発明によれば、高い溶着強度で第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して高い生産性で樹脂溶着体を製造することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係る樹脂溶着装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１に示されるように、樹脂溶着装置１は、樹脂部材（第１の樹脂部材）Ｍ１と樹脂部材（第２の樹脂部材）Ｍ２とを溶着して樹脂溶着体Ｐを製造する装置である。樹脂部材Ｍ１，Ｍ２は、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）等からなる厚さ２ｍｍの板状の部材である。
樹脂部材Ｍ１，Ｍ２は、樹脂部材Ｍ１上に樹脂部材Ｍ２が積層された状態で支持台（支持部）２上に載置される。つまり、支持台２は、接触させられた樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とを支持する。
支持台２の上方には、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓおける環状の溶着予定領域Ｒに沿うように光ファイバ（レーザ光照射部）Ｆ１〜Ｆ１３の先端部が配置されている。各光ファイバＦ１〜Ｆ１３の先端部は、例えばガラス製の枠部材３によって保持されている。また、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３の基端部は、レーザ光源（レーザ光照射部）４においてレーザダイオードに光学的に接続されている。
レーザ光源４及び光ファイバＦ１〜Ｆ１３は、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１，Ｍ２が溶融するように、溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射する。なお、溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射する際には、支持台２と枠部材３との挟持によって、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とが圧接させられる。
レーザ光源４には、コントローラ（制御部）５が電気的に接続されている。コントローラ５は、レーザ光源４において各光ファイバＦ１〜Ｆ１３が光学的に接続されたレーザダイオードを制御し、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３から出射されるレーザ光の強度を順次変化させる。つまり、コントローラ５は、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１，Ｍ２が溶融するように、溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射した状態で、溶着予定領域Ｒにおいて互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次変化させる。
図２は、図１に示された樹脂溶着装置の各光ファイバから出射されるレーザ光の強度を示すタイミングチャートである。図２に示されるように、照射開始から照射終了まで、各光ファイバＦ１〜Ｆ１３から出射されるレーザ光の強度は、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１，Ｍ２が溶融するように維持されつつ（ベース加熱）、光ファイバＦ１〜Ｆ１３の順序で矩形波状に順次高くされる。例えば、樹脂部材Ｍ１，Ｍ２がポリカーボネート（ＰＣ）からなる厚さ２ｍｍの板状の部材である場合、レーザ光の照射条件は、次の通りである。
スポット径：φ１．６ｍｍ
ベース加熱時のレーザ光（連続波）の強度：１Ｗ
矩形波状のレーザ光（パルス波）の強度 ：４Ｗ（周波数：２０Ｈｚ、パルス幅：５０ｍsec）
よって、順次点灯される部分では、ピーク強度４Ｗ、パルス幅５０ｍsecのパルス波が強度１Ｗの連続波（ベース波）に乗っており、これが順次隣へ移動していく。加工速度を上げるためには、移動する点の数を複数に増やしたり（複数領域を同時に変化させる）、或いは点灯周波数を上げたりすればよい。
ここで、レーザ光が照射された際における溶着予定領域Ｒの状態について、光ファイバＦ１〜Ｆ４から出射されたレーザ光が照射される部分を代表させて説明する。図３，４は、図１に示されたＡ−Ａ線に沿っての部分断面図である。
図３，４に示されるように、光ファイバＦ１〜Ｆ４からレーザ光Ｌ１〜Ｌ４が出射されると、レーザ光Ｌ１〜Ｌ４は、主に樹脂部材Ｍ２を透過して樹脂部材Ｍ１に吸収される。これにより、主に樹脂部材Ｍ１が発熱し、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１，Ｍ２が溶融する（図３，４におけるドット部分）。この状態で、図３（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌ１の強度が高くされる。これにより、レーザ光Ｌ１が照射された領域に対応する範囲Ｒ１において、主に樹脂部材Ｍ１が膨張して樹脂部材Ｍ２が流動し、範囲Ｒ１内の溶融樹脂と範囲Ｒ１外の溶融樹脂とが攪拌される。
続いて、図３（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌ２の強度が高くされ、レーザ光Ｌ２が照射された領域に対応する範囲Ｒ２内の溶融樹脂と範囲Ｒ２外の溶融樹脂とが攪拌される。続いて、図４（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌ３の強度が高くされ、レーザ光Ｌ３が照射された領域に対応する範囲Ｒ３内の溶融樹脂と範囲Ｒ３外の溶融樹脂とが攪拌される。続いて、図４（ｂ）に示されるように、レーザ光Ｌ４の強度が高くされ、レーザ光Ｌ４が照射された領域に対応する範囲Ｒ４内の溶融樹脂と範囲Ｒ４外の溶融樹脂とが攪拌される。
以上のように、樹脂溶着装置１では、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とを接触させて、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓにおいて樹脂部材Ｍ１，Ｍ２が溶融するように、接触面Ｓおける溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射し、その状態で、溶着予定領域Ｒにおいて互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする（換言すれば、溶着予定領域Ｒにおいてレーザ光の強度が高くされた範囲を移動させる）樹脂溶着方法が実施される。
これにより、レーザ光の強度が高くされた範囲内の溶融樹脂が体積膨張によってその範囲外の溶融樹脂に確実に流れ込み、レーザ光の強度が高くされた範囲内の溶融樹脂とその範囲外の溶融樹脂とが樹脂の拡散速度よりも速く攪拌されることになる。このように、溶着予定領域Ｒにおいて溶融樹脂を攪拌した後に再固化させることができるため、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との相溶性が低い場合であっても、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との間の溶着強度を高くすることが可能となる。また、溶着予定領域Ｒに沿ってレーザ光を相対的に移動させながら照射する場合に比べて短時間で樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とを溶着することができるため、樹脂溶着体Ｐの生産性を高くすることが可能となる。
更に、溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射するに際しては、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とが圧接させられる。これにより、溶着予定領域Ｒにおける樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とが圧接された状態で、双方が溶融、攪拌されることとなるため、より溶着強度を高くすることができる。また、樹脂部材Ｍ１や樹脂部材Ｍ２の反り等の変形が抑制されるため、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とを確実に溶着することができる。
しかも、樹脂部材Ｍ１，Ｍ２に対してレーザ光を相対的に移動させる必要がないため、樹脂溶着装置１の構造の単純化や樹脂溶着装置１の低コスト化を図ることができる。
図５は、溶着予定領域において互いに異なる範囲の配置状態を示す図である。各レーザ光Ｌ１〜Ｌ５が照射された領域に対応する範囲Ｒ１〜Ｒ５は、図５（ａ）に示されるように、互いに一部が重なっていてもよいし、図５（ｂ）に示されるように、互いに接していてもよい。
図６は、溶着予定領域において互いに異なる範囲が１列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の順序を示す図である。図６（ａ）に示されるように、各レーザ光Ｌ１〜Ｌ１０が照射された領域に対応する範囲Ｒ１〜Ｒ１０について、範囲Ｒ１〜Ｒ１０という順序で（実線の矢印の順序で）レーザ光の強度を順次高くしてもよい。また、図６（ｂ）に示されるように、範囲Ｒ１〜Ｒ１０という順序で（実線の矢印の順序で）レーザ光の強度を順次高くすると同時に、範囲Ｒ６〜Ｒ１０，Ｒ１〜Ｒ５という順序で（破線の矢印の順序で）レーザ光の強度を順次高くしてもよい。更に、図６（ｃ）に示されるように、範囲Ｒ１〜Ｒ１０という順序で（実線の矢印の順序で）レーザ光の強度を順次高くすると同時に、範囲Ｒ６〜Ｒ１，Ｒ１０〜Ｒ７という順序で（破線の矢印の順序で）レーザ光の強度を順次高くしてもよい。
図７は、溶着予定領域において互いに異なる範囲が２列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の順序を示す図である。図７（ａ）に示されるように、各レーザ光Ｌ１〜Ｌ８が照射された領域に対応する範囲Ｒ１〜Ｒ８について、範囲Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ３という順序でレーザ光の強度を順次高くすると同時に、範囲Ｒ５，Ｒ６，Ｒ８，Ｒ７という順序でレーザ光の強度を順次高くしてもよい。また、図７（ｂ）に示されるように、範囲Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ３，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ５，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ８，Ｒ７，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ８という順序でレーザ光の強度を順次高くしてもよい。
図８は、溶着予定領域において互いに異なる範囲が１列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の他の順序を示す図である。図８に示されるように、各レーザ光Ｌ１〜Ｌ６が照射された領域に対応する範囲Ｒ１〜Ｒ６について、範囲Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５においてレーザ光の強度を高くした後、範囲Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６においてレーザ光の強度を高くし、更に、範囲Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５においてレーザ光の強度を高くした後、範囲Ｒ２，Ｒ４，Ｒ６においてレーザ光の強度を高くしてもよい。
図９は、溶着予定領域において互いに異なる範囲が１列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の更に他の順序を示す図である。図９（ａ）に示されるように、各レーザ光Ｌ１〜Ｌ１０が照射された領域に対応する範囲Ｒ１〜Ｒ１０について、範囲Ｒ１，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ９においてレーザ光の強度を高くした後、範囲Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１０においてレーザ光の強度を高くし、更に、範囲Ｒ１，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ９においてレーザ光の強度を高くした後、範囲Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１０においてレーザ光の強度を高くしてもよい。また、図９（ｂ）に示されるように、各レーザ光Ｌ１〜Ｌ１０が照射された領域に対応する範囲Ｒ１〜Ｒ１０について、範囲Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１０においてレーザ光の強度を高くした後、範囲Ｒ１，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ９においてレーザ光の強度を高くし、更に、範囲Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ１０においてレーザ光の強度を高くした後、範囲Ｒ１，Ｒ４，Ｒ６，Ｒ９においてレーザ光の強度を高くしてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、溶着予定領域Ｒにおいて互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くしたが、レーザ光の強度を順次低くするなど、レーザ光の強度を順次変化させれば、溶着予定領域Ｒにおける溶融樹脂の攪拌効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、レーザ光の強度を矩形波状に順次高くしたが、図１０に示されるように、正弦波状に順次高くしてもよいし、図１１に示されるように、三角波状に順次高くしてもよい。
また、樹脂溶着装置１における光ファイバＦの先端部の配置は、図１２（ａ）に示されるように、平行に２列であってもよいし、図１２（ｂ）に示されるように、互い違いに２列であってもよい。更に、図１３に示されるように、レーザ光Ｌの出射方向において光ファイバＦの先端部を互い違いに配置することで、各レーザ光Ｌが照射される領域の一部が互いに重なるようにしてもよい。
また、樹脂溶着装置１を次のように構成してもよい。すなわち、図１４に示されるように、レーザ光源４から出射されたレーザ光Ｌをミラー６を介して空間光変調器（レーザ光照射部）７に入射させることで、溶着予定領域Ｒと同等の照射形状となるように成形されたレーザ光Ｌを溶着予定領域Ｒに照射し、その状態で、コントローラ５におけるＣＧＨ（Computer-Generated Hologram）の動画再生によって、溶着予定領域Ｒにおいて互いに異なる範囲ごとにレーザ光Ｌの強度を順次変化させる。なお、空間光変調器７に替えてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いてもよい。
また、上記実施形態では、樹脂部材Ｍ１よりも光透過性が高い樹脂部材Ｍ２を介して、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓに略垂直となる方向から溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射したが、これに限定されない。例えば、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓに略平行となる方向から、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２との接触面Ｓの端部に位置する溶着予定領域Ｒにレーザ光を照射してもよい。この場合には、樹脂部材Ｍ１，Ｍ２の光吸収性が共に高くても、樹脂部材Ｍ１と樹脂部材Ｍ２とを溶着することができる。
本発明に係る樹脂溶着装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示された樹脂溶着装置の各光ファイバから出射されるレーザ光の強度を示すタイミングチャートである。 図１に示されたＡ−Ａ線に沿っての部分断面図である。 図１に示されたＡ−Ａ線に沿っての部分断面図である。 溶着予定領域において互いに異なる範囲の配置状態を示す図である。 溶着予定領域において互いに異なる範囲が１列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の順序を示す図である。 溶着予定領域において互いに異なる範囲が２列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の順序を示す図である。 溶着予定領域において互いに異なる範囲が１列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の他の順序を示す図である。 溶着予定領域において互いに異なる範囲が１列の場合において、互いに異なる範囲ごとにレーザ光の強度を順次高くする際の更に他の順序を示す図である。 図１に示された樹脂溶着装置の各光ファイバから出射されるレーザ光の強度を示す他のタイミングチャートである。 図１に示された樹脂溶着装置の各光ファイバから出射されるレーザ光の強度を示す更に他のタイミングチャートである。 レーザ光の出射方向から見た場合における光ファイバの先端部の配置状態を示す図である。 レーザ光の出射方向と直交する方向から見た場合における光ファイバの先端部の配置状態を示す図である。 本発明に係る樹脂溶着装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
符号の説明
１…樹脂溶着装置、２…支持台（支持部）、４…レーザ光源（レーザ光照射部）、５…コントローラ（制御部）、７…空間光変調器（レーザ光照射部）、Ｆ…光ファイバ（レーザ光照射部）、Ｌ…レーザ光、Ｍ１…樹脂部材（第１の樹脂部材）、Ｍ２…樹脂部材（第２の樹脂部材）、Ｐ…樹脂溶着体、Ｓ…接触面、Ｒ…溶着予定領域。

Claims (4)

  1. 第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着方法であって、
    前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを接触させて、前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材との接触面において前記第１の樹脂部材及び前記第２の樹脂部材が溶融するように、前記接触面おける溶着予定領域にレーザ光を照射し、その状態で、前記溶着予定領域において互いに異なる範囲ごとに前記レーザ光の強度を順次変化させることを特徴とする樹脂溶着方法。
  2. 前記レーザ光の強度を順次変化させるに際しては、前記レーザ光の強度を順次高くすることを特徴とする請求項１記載の樹脂溶着方法。
  3. 前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを接触させるに際しては、前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを圧接させることを特徴とする請求項１又は２記載の樹脂溶着方法。
  4. 第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを溶着して樹脂溶着体を製造する樹脂溶着装置であって、
    接触させられた前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材とを支持する支持部と、
    前記第１の樹脂部材と前記第２の樹脂部材との接触面において前記第１の樹脂部材及び前記第２の樹脂部材が溶融するように、前記接触面おける溶着予定領域にレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
    前記溶着予定領域において互いに異なる範囲ごとに前記レーザ光の強度を順次変化させる制御部と、を備えることを特徴とする樹脂溶着装置。
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