JP2012183705A

JP2012183705A - 複合成形体及び複合成形体の製造方法

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Publication number: JP2012183705A
Application number: JP2011047934A
Authority: JP
Inventors: Yuki Kan; 雪韓
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-27

Abstract

【課題】材料の自由度が高く、簡素な構成で金属と樹脂とを接合できる複合成形体及び複合成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、厚さが２ｍｍ以下の金属板２と金属板２の一方の面２ａ上に形成された樹脂層３を有する複合成形体１であって、金属板２は、金属板２の他方の面２ｂから一方の面２ａに向かって凹む凹部４と、凹部４の底面に形成され、凹部４の底面と一方の面２ａとの間を貫通する貫通孔５と、を有し、一方の面上の貫通孔５の面積は、０．２〜１００ｍｍ^２であり、他方の面上の凹部４の面積は、０．５〜２００ｍｍ^２であり、凹部４に対応する一方の面側の突出量ｈは、金属板２の厚さの四分の一より大きく、かつ、樹脂層３の厚さより小さく、凹部４内に貫通孔５を通じて面２ａ上の樹脂層３と繋がる樹脂瘤部３ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属と樹脂とを有する複合成形体及び複合成形体の製造方法に関する。

従来、金属と樹脂とを有する複合成形体として、化学的反応を利用して金属及び樹脂を接合させたものや化学的処理により金属の接合面に微細な凹凸を形成して樹脂と接合させたものが知られている。

また、特許文献１には、物理的に金属と樹脂とを接合させた複合成形体として挟み込み構造を用いたものが開示されている。その他、物理的に金属と樹脂とを接合させた複合成形体としてリベットを用いたものも知られている。

特開昭５４−１３４７６３号公報

しかしながら、化学的反応や化学的処理を用いる接合では使用可能な材料が大きく制限される。また、材料の自由度が高い物理的な接合であっても、リベットや挟み込み構造を採用すると構造が複雑化し、重量や製造コストの増加を招いてしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、材料の自由度が高く、簡素な構成で金属と樹脂とを接合できる複合成形体及び複合成形体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、厚さが２ｍｍ以下の金属板と金属板の一方の面上に形成された樹脂層とを有する複合成形体であって、金属板は、金属板の他方の面から一方の面に向かって凹む凹部と、凹部の底面に形成され、凹部の底面と一方の面との間を貫通する貫通孔と、を有し、一方の面上の貫通孔の面積は、０．２〜１００ｍｍ^２であり、他方の面上の凹部の面積は、０．５〜２００ｍｍ^２であり、凹部に対応する一方の面側の突出量は、金属板の厚さの四分の一より大きく、かつ、樹脂層の厚さより小さく、樹脂層は、凹部内に形成され、貫通孔を通じて樹脂層と繋がる樹脂瘤部を有することを特徴とする。

また、金属板の他方の面全体に対する他方の面上の凹部の面積比率は１０〜８０％であることが好ましい。

また、樹脂層は、繊維強化樹脂から形成されていることが好ましい。

また、金属板の一方の面には樹脂層を接着する接着層が形成されていることが好ましい。

本発明は、厚さが２ｍｍ以下の金属板と金属板の一方の面上に形成された樹脂層とを有する複合成形体の製造方法であって、金属板の他方の面から一方の面に向かって凹む凹部と、凹部の底面に形成され、凹部の底面と一方の面との間を貫通する貫通孔と、を金属板に形成する金属板加工工程と、金属板の一方の面上に樹脂層を形成すると共に、貫通孔を通じて樹脂層と繋がる樹脂瘤部を凹部内に形成する樹脂層形成工程と、を有し、一方の面上の貫通孔の面積は、０．５〜１００ｍｍ^２であり、他方の面上の凹部の面積は、０．５〜２００ｍｍ^２であり、凹部に対応する一方の面側の突出量は、金属板の厚さの四分の一より大きく、かつ、樹脂層の厚さより小さいことを特徴とする。

本発明によれば、材料の自由度が高く、簡素な構成で金属と樹脂とを接合できる複合成形体及び複合成形体の製造方法を提供することができる。

本発明に係る複合成形体の一実施形態を示す断面図である。図１の複合成形体を示す斜視図である。図１の複合成形体の金属板加工工程を説明するための断面図である。図１の複合成形体の樹脂層形成工程を説明するための断面図である。本発明に係る複合成形体の一実施例を示す斜視図である。本発明に係る複合成形体の他の実施例を示す斜視図である。複合成形体のせん断強度試験を説明するための図である。

以下、本発明に係る複合成形体及び複合成形体の製造方法の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。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。また、各図面における寸法、形状、構成要素間の大小関係は実際のものとは必ずしも同一ではない。

［複合成形体］
本実施形態に係る複合成形体１は、図１及び図２に示されるように、薄厚の金属板２と樹脂層３とを一体化した平板状の成形体である。複合成形体１の外形形状は必ずしも平板状に限定される必要はなく、例えば、Ｌ字形状や曲板形状、箱形状等であってもよい。

金属板２の材料は特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、鉄、鉄鋼、各種合金の中から使用目的に応じて選択される。金属板２は、加工のしやすさや軽量化の観点からの厚さ２ｍｍ以下のものが用いられる。

この金属板２の一方の面２ａには樹脂層３が形成され、他方の面２ｂは外部に露出している。一方の面２ａには、金属板２と樹脂層３との接合強度を高めるため微細な凹凸が形成されていてもよい。微細な凹凸は、サンドペーパー処理やサンドブラスト等の機械加工又は化学処理により形成されてもよい。或いは、金属板２と樹脂層３との接合強度を高めるための接着層を面２ａに形成してもよい。

金属板２には、他方の面２ｂから一方の面２ａに向かって凹む凹部４が複数設けられている。これらの凹部４の形状は特に限定されず、例えば、厚さ方向Ｔから見て円状、楕円状、矩形状、多角形状等が挙げられる。厚さ方向Ｔとは、図１において一方の面２ａ及び他方の面２ｂに垂直な方向である。また、凹部４を形成する内壁の断面形状は、直線状である必要はなく、曲線状や階段状であってもよい。

他方の面２ｂ上の凹部４の面積は、０．５〜２００ｍｍ^２であり、好ましくは２〜１５０ｍｍ^２である。なお、他方の面２ｂ上の凹部４の面積は、複数の凹部４の平均値として求められる。また、凹部４の最大径Ｄは、後述する貫通孔５の孔径ｄより大きく、かつ、貫通孔５の孔径ｄに１０ｍｍを加えた孔径より小さい径であることが好ましい。最大径Ｄは、凹部４のうち金属板２の厚さ方向Ｔと直交する方向の径の最大値に等しい。なお、凹部４の形状や面積は必ずしも同一である必要はなく、場所により凹部４の形状や面積を変更してもよい。金属板２の他方の面２ｂ全体に対する他方の面２ｂ上の凹部４の面積比率は１０〜８０％であり、好ましくは２０〜６０％である。

また、金属板２の一部は凹部４に対応して一方の面２ａ側に突出している。凹部４に対応する一方の面２ａ側の突出量ｈは、金属板２の厚さの四分の一より大きく、金属板２の厚さの二分の一よりも大きいことがより好ましい。突出量ｈとは、金属板２の凹部４に対応する部分が厚さ方向Ｔで一方の面２ａから突出した高さの最大値である。なお、突出量ｈは、複数の凹部４に対応する各部分の平均値として求められる。また、突出量ｈは、樹脂層３の厚さより小さいことが好ましい。

凹部４の底面には、厚さ方向Ｔで金属板２を貫通する貫通孔５が形成されている。貫通孔５は、凹部４の底面と面２ａとの間を貫通している。貫通孔５の形状も特に限定されず、例えば、厚さ方向Ｔから見て円状、楕円状、矩形状、多角形状等が挙げられる。

一方の面２ａ上の貫通孔５の面積は、０．２〜１００ｍｍ^２であり、好ましくは０．８〜８０ｍｍ^２である。なお、一方の面２ａ上の貫通孔５の面積は、複数の貫通孔５の平均値として求められる。また、貫通孔５の孔径ｄは、０．５〜１０ｍｍであり、好ましくは０．７〜５ｍｍである。貫通孔５の形状や面積は同一のものに限られず、場所により貫通孔５の形状や面積を変更してもよい。また、貫通孔５の位置は必ずしも凹部４の中央に限定されず、中央以外の位置であってもよく、一つの凹部４に複数の貫通孔５を形成してもよい。

また、金属板２の一方の面２ａ全体に対する一方の面２ａ上の貫通孔５の面積比率は、接合強度及び金属板２の強度の観点から、２〜６０％であることが好ましく、４〜５０％であることがより好ましい。

樹脂層３は、金属板２の一方の面２ａ上に形成されている。樹脂層３を構成する樹脂材料は特に限定されないが、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリル樹脂、スチレン−ブタジエンブロック共重合体、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエンブロック共重合体、等の一般的な熱可塑性樹脂、ＥＰＭ、ＥＰＤＭ等の熱可塑性エストラマ−、これらの混合物、これらを用いたポリマーアロイ等が挙げられる。

また、これらの樹脂には、必要に応じてガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、各種の無機、有機フィラー等の充填材等が含有されていてもよい。また、通常使用される各種の安定剤、分散剤、紫外線吸収剤、離型剤、滑材、帯電防止剤、顔料等の各種添加材が含有されてもよい。ガラス繊維等を含有した繊維強化樹脂を用いた場合、樹脂層３の熱膨張率が低下して金属板２の熱膨張率に近くなるので、熱膨張による剥離を避けることができる。また、繊維強化樹脂を用いることで複合成形体１の耐熱性の向上が図られる。

樹脂層３の一部は、金属板２の貫通孔５を通じて凹部４内に入り込み樹脂瘤部３ａを形成している。樹脂瘤部３ａは、貫通孔５を通じて面２ａ上の樹脂層３と繋がっている部位である。

樹脂瘤部３ａは、貫通孔５から外側に向かって拡大する末広がり形状をなしている。樹脂瘤部３ａは、凹部４の内壁を覆うように広がっている。樹脂瘤部３ａは、凹部４内にのみ形成されており、凹部４の外側には突出しない。樹脂瘤部３ａは、金属板２を樹脂層３に繋ぎ止めるアンカーとして機能する。

［複合成形体の製造方法］
上述した複合成形体１の製造方法の製造方法について説明する。複合成形体１の製造方法は、金属板２を加工する金属板加工工程と、樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、から構成される。

（金属板加工工程）
金属板加工工程では、まず金属板２の面２ａに微小な凹凸を形成する表面加工を行う。その後、図３に示されるように、凹部４及び貫通孔５を金属板２に形成するプレス加工を行う。プレス加工には、例えば図３に示す形状のプレス工具６及びプレス台７が用いられる。

プレス工具６は、針状の先端部６ａと先端部６ａ周囲を囲む傘状の押圧面部６ｂとを有している。プレス工具６と対になるプレス台７には、先端部６ａに対応する深穴部７ａと押圧面部６ｂに対応する凹み部７ｂが形成されている。これらのプレス工具６及びプレス台７を用いて金属板２のプレス加工を行うことで、金属板２に凹部４及び貫通孔５を形成する。

なお、凹部４及び貫通孔５の形成方法は上述した方法に限られない。例えば、凹部４と貫通孔５とを別々に形成してもよく、プレス加工で凹部４を形成した後に切削加工で貫通孔５を形成してもよい。

（樹脂層形成工程）
樹脂層形成工程では、図４に示されるように、金属板２のインサートされた金型８に熱可塑性樹脂を注入する射出成形によって樹脂層３及び樹脂瘤部３ａを形成する。

射出成形では、溶融した樹脂を金型８のゲート部８ａに注入することで、キャビティ８ｂ内に樹脂が流入する。そして、一方の面２ａを上としてキャビティ８ｂ内に配置された金属板２の周囲に樹脂が充填される。このとき、金属板２の貫通孔５から凹部４内に樹脂が入り込む。その後、保圧処理及び冷却処理を経て金属板２の面２ａ上に樹脂層３が形成され、凹部４内には樹脂瘤部３ａが形成される。そして、所定の成形処理を経て複合成形体１が製造される。

なお、樹脂層形成工程は上述した工程に限られない。例えば、トランスファー成形やＲＩＭ（Reaction Injection Molding）成形等により樹脂層３及び樹脂瘤部３ａを形成してもよい。

また、樹脂層形成工程の前に、金属板２の面２ａ上に接着材料を塗布する接着層形成工程を設けてもよい。

以上説明した複合成形体１によれば、金属板２の凹部４内に形成された樹脂瘤部３ａがアンカーとして機能することで、金属板２と樹脂層３との接合強度を大幅に向上させることができる。しかも、この複合成形体１によれば、物理的に接合強度の向上を実現できるので、化学的な接合を行う場合と比べて、材料の自由度を高くすることができる。

また、この複合成形体１では、金属板２に凹部４と貫通孔５を設けるだけで接合強度の向上が図られるので、簡素な構成で金属板２と樹脂層３とを一体化することができる。従って、この複合成形体１によれば、構成の簡素化による複合成形体１の軽量化を図ることができる。また、構成の簡素化に伴う部材の削減や製造工程の短縮に伴い製造コストの低減を図ることができる。

更に、この複合成形体１では、凹部４及び貫通孔５の個数や形状、面積を変更することで、接合強度を容易に調整することができる。このことは複合成形体１の汎用性向上に寄与する。

また、この複合成形体１では、接合強度の向上のために特殊な金型を用意する必要がなく、通常の金型により製造できるので、設備コストの低減が図られる。しかも、この複合成形体１では、外部にリベット等の接合用部材や突起等を設けることなく、接合強度の向上が実現できるので、外観性に優れた製品を得ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、複合成形体１の形状は、Ｌ字形状や曲面形状、箱形状等様々な形状を採用することができる。また、金属板２の他方の面２ｂ側に新たな樹脂層を設けてもよい。

（実施例１）
実施例１では、図２に示されるように板状の複合成形体１を射出成形により製造した。金属板２として長さ４００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのアルミ板を使用した。アルミ板の材料は昭和電工株式会社のＡ１１０Ｐを採用した。また、樹脂層３の材料としてガラスファイバーを４０重量％含有した複合ポリプロピレンを採用した。

図３に示したプレス工具６及びプレス台７を用いて金属板２に凹部４及び貫通孔５を形成した。他方の面２ｂ上の凹部４の面積は約６ｍｍ^２である。凹部４の突出量ｈは約０．５ｍｍである。また、一方の面２ａ上の貫通孔５の面積は約０．８ｍｍ^２である。金属板２の他方の面２ｂ全体に対する他方の面２ｂ上の凹部４の面積比率は３６％である。なお、凹部４及び貫通孔５の面積の値は、凹部４や貫通孔５を無作為に十箇所選んで測定した平均値である。

射出成形機として、日精樹脂工業株式会社製のＦＳ１６０（最大圧力１４３５ｋｇｆ／ｃｍ^２，最大射出率１９５ｃｍ^３／ｓ）を使用した。樹脂温度は２３０℃、金型温度は３０℃、射出速度を最大射出速度の５０％として複合成形体１の製造を行った。製造した複合成形体１の形状は、長さ４００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ３ｍｍの板状であった。

上記条件で製造した複合成形体１は、常温において変形もなく十分な接合強度が確認された。

（実施例２）
実施例２では、図５に示されるように、樹脂製の板状リブ１１を有する樹脂平板１０と、板状リブ１１及び樹脂平板１０に接合した金属板１２と、を備える複合成形体２０を製造した。樹脂平板１０は長さ４００ｍｍ、幅１００ｍｍであり、板状リブ１１は高さ２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ１ｍｍである。金属板１２は、樹脂平板１０及び板状リブ１１の接続部を跨ぎＬ字状に屈曲した状態で接合されている。

樹脂平板１０及び板状リブ１１の材料として、タルク含有量が約２０重量％、ＭＦＲが役３０ｇ／１０ｍｉｎの複合ポリプロピレンを採用した。その他の製造条件は実施例１と同様にした。

製造した複合成形体２０では、金属板１２の凹部１３内に樹脂平板１０又は板状リブ１１と繋がる樹脂瘤部１０ａ，１１ａの形成が確認された。上記条件で製造した複合成形体２０においても十分な接合強度が確認された。

（実施例３）
実施例３では、図６に示されるように、五枚の平板から構成される樹脂箱１４と樹脂箱１４の内壁に接合された金属板１５とを備えた複合成形体３０を製造した。樹脂箱１４は、長さ１５０ｍｍ、幅１００ｍｍ、高さ５０ｍｍ、厚さ４ｍｍである。その他の製造条件は実施例２と同様にした。

上記条件で製造した複合成形体３０においても十分な接合強度が確認された。

（実施例４）
以下の実施例４，５では、比較例を用いて接合強度の評価を行った。実施例４では、実施例１と同様の条件で複合成形体１を製造した後、図７に示す形状の試験片Ｔを切り出した。試験片Ｔは、長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、金属板２及び樹脂層３の接合部分Ｐの厚さ３ｍｍであり、接合部分Ｐの長さが３０ｍｍとなるように切り出した。

試験片Ｔにおける貫通孔５の形状は直径約１ｍｍの円形状である。試験片Ｔにおいて、他方の面２ｂ全体に対する他方の面２ｂ上の凹部４の面積比率は２８％である。また、一方の面２ａ全体に対する一方の面２ａ上の貫通孔５の面積比率は４．６％である。この試験片Ｔの金属板２及び樹脂層３の各々に引張力を加えることで、破断時のせん断応力を評価する。

引っ張り試験機としては、エー・アンド・デイ株式会社製のＲＴＦ−３ＬＣを使用した。試験温度は２３℃、試験速度は５０ｍｍ／ｍｉｎ、チャック間距離は５０ｍｍとした。

（実施例５）
樹脂材料としてタルク含有量が約２０重量％、ＭＦＲが役３０ｇ／１０ｍｉｎの複合ポリプロピレンを採用した。また、試験片Ｔにおける他方の面２ｂ全体に対する他方の面２ｂ上の凹部４の面積比率を３１％とした。更に、一方の面２ａ全体に対する一方の面２ａ上の貫通孔５の面積比率は５％とした。上述した以外の条件については、実施例４と同様にした。

（比較例１）
金属板２に凹部４及び貫通孔５を設けなかったこと以外は、実施例４と同様にした。

（比較例２）
金属板２に凹部４及び貫通孔５を設けなかったこと以外は、実施例５と同様にした。

評価結果を表１に示す。なお、実施例４，５についてはそれぞれ三回の試験を行い、破断時の加重である最大点加重と破断時のせん断応力の平均値を示した。

表１に示されるように、実施例４，５はいずれも金属板２の破断が生じた。一方、金属板２に凹部４及び貫通孔５を設けなかった比較例１，２では、金属板２と樹脂層３とが接合しなかった。実施例４と実施例５とを比較すると、孔密度がやや小さいがガラスファイバーを４０重量％含有した複合ポリプロピレンを使用した実施例４の方が、破断時のせん断応力で高い値を示した。

１，２０，３０…複合成形体２，１２，１４…金属板２ａ…一方の面２ｂ…他方の面３…樹脂層３ａ…樹脂瘤部４…凹部５…貫通孔６…プレス工具７…プレス台８…金型１０…樹脂板１１…リブＤ…最大径ｄ…孔径Ｔ…試験片

Claims

厚さが２ｍｍ以下の金属板と前記金属板の一方の面上に形成された樹脂層とを有する複合成形体であって、
前記金属板は、
前記金属板の他方の面から前記一方の面に向かって凹む凹部と、
前記凹部の底面に形成され、前記凹部の底面と前記一方の面との間を貫通する貫通孔と、を有し、
前記一方の面上の前記貫通孔の面積は、０．２〜１００ｍｍ^２であり、
前記他方の面上の前記凹部の面積は、０．５〜２００ｍｍ^２であり、
前記凹部に対応する前記一方の面側の突出量は、前記金属板の厚さの四分の一より大きく、かつ、前記樹脂層の厚さより小さく、
前記凹部内に前記貫通孔を通じて前記一方の面上の前記樹脂層と繋がる樹脂瘤部を有する複合成形体。
前記金属板の前記他方の面全体に対する前記他方の面上の前記凹部の面積比率は１０〜８０％である請求項１に記載の複合成形体。
前記樹脂層は繊維強化樹脂から形成されている請求項１又は２に記載の複合成形体。
前記金属板の前記一方の面には前記樹脂層を接着する接着層が形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の複合成形体。
厚さが２ｍｍ以下の金属板と前記金属板の一方の面上に形成された樹脂層とを有する複合成形体の製造方法であって、
前記金属板の他方の面から前記一方の面に向かって凹む凹部と、
前記凹部の底面に形成され、前記凹部の底面と前記一方の面との間を貫通する貫通孔と、を前記金属板に形成する金属板加工工程と、
前記金属板の一方の面上に樹脂層を形成すると共に、前記貫通孔を通じて前記一方の面上の前記樹脂層と繋がる樹脂瘤部を前記凹部内に形成する樹脂層形成工程と、
を有し、
前記一方の面上の前記貫通孔の面積は、０．２〜１００ｍｍ^２であり、
前記他方の面上の前記凹部の面積の比は、０．５〜２００ｍｍ^２であり、
前記凹部に対応する前記一方の面側の突出量は、前記金属板の厚さの四分の一より大きく、かつ、前記樹脂層の厚さより小さい複合成形体の製造方法。