JP2019031054A - Method for producing composite molded body of resin and metal member - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書は、樹脂と金属部材との複合成形体の製造に関する技術を開示する。 This specification discloses the technique regarding manufacture of the composite molded object of resin and a metal member.
樹脂と金属部材との複合成形体は、例えば、車両用の冷却器等の種々の用途で使用されている。特許文献1および2には、樹脂と金属部材との複合成形体の製造に関する技術が記載されている。特許文献1では、樹脂の接合面となる金属部材の表面に、レーザ光等の高密度エネルギーを照射する。特許文献2では、樹脂の接合面となる金属部材の表面に、短パルス光を照射する。
A composite molded body of a resin and a metal member is used in various applications such as a vehicle cooler.
ところで、このような複合成形体においては、樹脂と金属部材との接合面におけるせん断強度、引張強度、シール性能を向上させるために、樹脂と金属部材との接合強度を高めることが好ましい。そこで、本明細書は、製造工程において簡単な構成を追加するだけで樹脂と金属部材との接合強度を高めることが可能な技術を提供する。 By the way, in such a composite molded body, it is preferable to increase the bonding strength between the resin and the metal member in order to improve the shear strength, tensile strength, and sealing performance at the bonding surface between the resin and the metal member. Therefore, the present specification provides a technique capable of increasing the bonding strength between the resin and the metal member only by adding a simple configuration in the manufacturing process.
本明細書が開示する樹脂と金属部材との複合成形体の製造方法は、金属部材のうち樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する工程と、面に樹脂を接合する工程とを備える。 The method for producing a composite molded body of a resin and a metal member disclosed in the present specification includes a step of applying a liquid to a surface of a metal member on which a resin is disposed and irradiating a pulse laser through the liquid; Joining.
この形態の複合成形体の製造方法によれば、金属部材のうち、樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する。この液体によって、パルスレーザ照射後に金属部材の表面が急冷されるため、金属部材の表面にナノ構造を形成することができる。また、液体を通してパルスレーザが照射されることによって、金属部材の表面に液体からの衝撃波が当たるため、金属部材の表面に多孔質構造(ポーラス構造)を形成することができる。これらの結果、本形態の複合成形体の製造方法によれば、製造工程において簡単な構成(レーザを照射する際に金属表面に液体を張ること)を追加することによって、樹脂と金属部材との接合強度を高めることができる。 According to the method of manufacturing a composite molded body of this aspect, a liquid is applied to the surface of the metal member on which the resin is disposed, and the pulse laser is irradiated through the liquid. Since the surface of the metal member is rapidly cooled by this liquid after the pulse laser irradiation, nanostructures can be formed on the surface of the metal member. Further, since a pulse wave from the liquid hits the surface of the metal member by irradiating the pulse laser through the liquid, a porous structure (porous structure) can be formed on the surface of the metal member. As a result, according to the method for manufacturing a composite molded body of the present embodiment, by adding a simple configuration (stretching a liquid on the metal surface when irradiating a laser) in the manufacturing process, the resin and the metal member Bonding strength can be increased.
(複合成形体の構成)図1は、一例の複合成形体1の概略構成を示す断面図である。複合成形体1は、金属部材10と、樹脂部材20とが接合された材料である。複合成形体1は、車両用部品、車両搭載用品、電子機器、家電機器等の種々の用途で使用される。例えば、複合成形体1は、電気自動車のインバータにおいて、冷却フィン(金属部材)と、モールド樹脂(樹脂部材)との接合体等のシール性能(封止性能)が必要な部分に使用される。図1は、金属部材10の樹脂部材20が接合される面11の微細構造を模式的に表している。
(Configuration of Composite Molded Body) FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a composite molded
金属部材10は、第1の面11と第2の面12を有する板状である。金属部材10は、アルミニウム(Al)により形成されている。なお、金属部材10は、パルスレーザにより粗面を形成可能な限りにおいて任意の材料を用いてよい。
The
樹脂部材20は、金属部材10の一方の面に配置された板状の部材である。樹脂部材20は、金属部材10の第1の面11に接合されている。樹脂部材20は、エポキシ樹脂を材料とする部材である。なお、樹脂部材20は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂の分類に属する高分子材料、エラストマー等、樹脂のあらゆる異種材料の組み合わせを任意に採用できる。
The
金属部材10のうち、樹脂部材20が配置される第1の面11には、ナノ構造体11Nと、多孔質層11Pとが形成されている。ナノ構造体11Nは、金属部材10の第1の面11が隆起して形成された複数の隆起部101を含む。各隆起部101は、第1の面11からの高さがナノメートルレベルの微細な隆起である。多孔質層11Pは、金属部材10の第1の面11の側に形成された複数の細孔102を含む。各細孔102は、直径がナノメートルレベルの微細な穴である。
Of the
図1に示すように、金属部材10の各隆起部101の隙間、および、金属部材10の各細孔102の内部には、樹脂部材20が入り込んでいる。このため、本実施例の複合成形体1は、樹脂部材20と金属部材10との接合強度が高い。その詳細は後述する。
As shown in FIG. 1, the
(複合成形体の製造方法)図2は、複合成形体1の製造方法を示すフローチャートである。図3は、ステップS10の処理について説明する図である。図4および図5は、ステップS12の処理について説明する図である。
(Method for Manufacturing Composite Molded Body) FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the composite molded
図2のステップS10では、金属部材10を準備し、金属部材10のうち、樹脂部材20が配置される第1の面11(樹脂配置面)に液体を張る。具体的には、図3に示すように、金属部材10の第1の面11を鉛直方向の上側に向け、その上にカバーガラス30を裁置し、第1の面11とカバーガラス30との間を液体40で満たす。なお、図3−図5は、理解を助けるため、金属部材11の面11に生じる現象を模式的に表している。金属部材10の第1の面11とカバーガラス30の間隔は例えば1[mm]であり、液体の表面張力により、液体はカバーガラス30の縁から漏れることなく、カバーガラス30と金属部材11の間に留まることができる。
In step S10 of FIG. 2, the
本実施例では液体40として水を用いるが、パルスレーザを透過可能な他の液体(油類、溶融塩等)を利用してもよい。なお、カバーガラス30に代えてパルスレーザを透過可能な他の部材を利用してもよく、液体40が漏れないように金属部材10の縁を囲うことでカバーガラス30を省略してもよい。
In this embodiment, water is used as the
図2のステップS12では、液体40を通して金属部材10にパルスレーザを照射する。具体的には、図4に示すように、カバーガラス30の上側から、液体40を通して金属部材10へとパルスレーザPLを照射する。
In step S <b> 12 of FIG. 2, the
パルスレーザPLの照射によって、金属部材10の第1の面11には、短時間に高エネルギーが入力される。この高エネルギーによって、第1の面11近傍の金属が局所的に激しく溶融し、隆起部101と金属飛沫103とが生じる。ここで、上述の通り第1の面11には液体40が張られている。この液体40によって、溶融した金属が急冷され、隆起部101と金属飛沫103とは、溶融時の形状を維持したまま固化する。
By irradiation with the pulse laser PL, high energy is input to the
また、パルスレーザPLは、液体40を通して照射される。このため、金属部材10の第1の面11には、パルスレーザPLの高エネルギーが液体40を通過することで生じた、液体40からの衝撃波SWがぶつかる。この衝撃波SWによって、パルスレーザPLの高エネルギーにより溶融または軟化した金属が多孔質化し、細孔102(図1参照)が形成される。
Further, the pulse laser PL is irradiated through the
このように、ステップS12(液体40を通したパルスレーザPLの照射)によって、図5に示すように、金属部材10の第1の面11に対して、ナノ構造体11Nと、多孔質層11Pとを形成することができる。
As described above, the
図2のステップS14では、ナノ構造体11Nと、多孔質層11Pとが形成された第1の面11(樹脂配置面)に対して、樹脂部材20を接合する。具体的には、平板状の樹脂部材20を準備し、予熱された金属部材10の第1の面11に対して樹脂部材20を裁置し、所定の成形圧を掛けて所定時間保持する。圧力および時間は任意に決定できる。その後、金属部材10と樹脂部材20とを恒温槽にて所定温度で所定時間加熱することで、金属部材10と樹脂部材20とを接合する。温度および時間は任意に決定できる。なお、樹脂部材20の接合方法は種々の方法を採用でき、例えば、金属部材10に対して樹脂部材20が射出成形されてもよい。
In step S14 of FIG. 2, the
(複合成形体の物性評価:サンプルの作成)図6は、一例の複合成形体1の物性評価の結果を表す表である。図6では、異なる製造方法によって作成された3つの複合成形体1のサンプル#1〜#3について、金属部材10と樹脂部材20との接合強度と、シール性能とについて評価した。サンプル#1は、本実施例で説明した製造方法によるサンプルである。サンプル#2と#3は比較例である。接合強度は、金属部材10と樹脂部材20の接合面におけるせん断強度と、金属部材10と樹脂部材20の接合面における引張強度とを評価した。
(Physical property evaluation of composite molded body: preparation of sample) FIG. 6 is a table showing the results of physical property evaluation of the composite molded
図7および図8は、試験用の金属部材10tと、パルスレーザPLの粗化範囲11Aについて説明する図である。各サンプル#1〜#3では、試験用の金属部材として、中央に第1の面11と第2の面12とを貫通する円形の孔HOが形成された平板状のアルミ基板10tを用いた。アルミ基板10tの幅Wは50mm、奥行きDは50mm、高さHは3mmとした(図7)。また、孔HOの直径L1は8mmとし、孔HOの周囲の直径L2(18mm)の範囲をパルスレーザPLの粗化範囲11Aとした(図8)。
7 and 8 are diagrams for explaining the
各サンプル#1〜#3では、アルミ基板10tの第1の面11の粗化範囲11Aに対して、図8のように同心円状にパルスレーザPLを照射した。使用設備は、パナソニック社製SUNX LP−MA05を使用した。粗化条件は、定格出力を80Wとし、パルス幅を150nmとし、エネルギー密度を26.7J/cm2とした。この際、サンプル#1では、図2のステップS10,S12で説明したように、液体40を通してパルスレーザPLを照射した。液体40は水である。一方、サンプル#2および#3では、液体40を通さずにパルスレーザPLを照射した。
In each
サンプル#1では、液体40を通してパルスレーザPLを照射したため、図2のステップS12で説明したように、アルミ基板10tの粗化範囲11Aには、隆起部101からなるナノ構造体11Nと、細孔102を含んだ多孔質層11Pとが形成される。
In
図9および図10は、サンプル#2の冷却について説明する図である。サンプル#2では、パルスレーザPL照射中に、エアノズル2を用いた空冷を実施した。空冷は、エアノズル2の空気排出口21とアルミ基板10tとの間の距離L3を15mmとし、エアノズル2の軸線Oとアルミ基板10tとの角度θを45度とした条件で実施した。
9 and 10 are diagrams for explaining the cooling of the
サンプル#2では、空冷しつつパルスレーザPLを照射した。このため、図10に示すように、アルミ基板10tの第1の面11(粗化範囲11A)に生じた隆起部101と金属飛沫103とが急冷され、隆起部101と金属飛沫103とが、溶融時の形状を維持したまま固化する。この結果、サンプル#2においても、サンプル#1と同様に、隆起部101からなるナノ構造体11Nが形成される。一方で、サンプル#2では衝撃波の媒体となる液体40が存在しない。このためサンプル#2には、細孔102を含んだ多孔質層11Pは形成されない。
In
サンプル#3では、液体40を通さず、かつ、空冷を行わずにパルスレーザPLを照射した。このため、サンプル#3には、隆起部101からなるナノ構造体11Nも、細孔102を含んだ多孔質層11Pも形成されない。
In
図11は、試験用の樹脂部材20tについて説明する図である。粗化範囲11Aを加工した各サンプル#1〜#3のアルミ基板10tを、専用金型内に入れて175度で3.5分間、予熱した。予熱後の各サンプル#1〜#3のアルミ基板10tに対して、それぞれ、粗化範囲11Aを覆う円形のエポキシ樹脂20t(試験用の樹脂部材20t)を裁置し、7Mpaの成形圧にて2分間保持した。冷却後、専用金型から各サンプル#1〜#3を取り出し、恒温槽を用いて180度で1時間加熱することで、アルミ基板10tに対してエポキシ樹脂20tを接合した。
FIG. 11 is a diagram illustrating a
(複合成形体の物性評価:評価)図12は、接合強度の評価方法について説明する図である。図12では、図11のA−A断面を図示している。まず、上述のように作成した各サンプル#1〜#3に対して、せん断強度を測定した。具体的には、アルミ基板10tとエポキシ樹脂20tの接合面JSに平行な方向T1に対して、接合面JSの界面剥離が生じるか、あるいは、エポキシ樹脂20tが破断するまで5mm/分の荷重を加え続けることで、アルミ基板10tとエポキシ樹脂20tとの引張強度(Mpa)を測定した。
(Physical property evaluation of composite molded article: Evaluation) FIG. 12 is a diagram for explaining a method for evaluating the bonding strength. In FIG. 12, the AA cross section of FIG. 11 is shown. First, the shear strength was measured for each
せん断強度(引張強度)の測定値と、せん断強度の判定結果を、図6の「強度:せん断強度」に示す。サンプル#1および#2は、引張強度30Mpa以上となり、接合面JSの界面剥離は生じなかった。このため、サンプル#1および#2の判定はA判定とした。一方、サンプル#3は、引張強度5Mpa以下となり、接合面JSの界面剥離が生じたため、C判定とした。なお、図6の表における判定結果は、A判定が最も優れ、C判定が最も劣ることを示す。
The measured value of the shear strength (tensile strength) and the determination result of the shear strength are shown in “strength: shear strength” in FIG.
次に、各サンプル#1〜#3に対して、引張強度を測定した。具体的には、アルミ基板10tの孔HOから荷重部3を挿入して、接合面JSに垂直な方向T2に対して、接合面JSの界面剥離が生じるか、エポキシ樹脂20tが破断するまで5mm/分の荷重を加え続けることで、アルミ基板10tとエポキシ樹脂20tとの引張強度(Mpa)を測定した。
Next, the tensile strength was measured for each
引張強度(接着強さ)の測定値と、引張強度の判定結果を、図6の「強度:引張強度」に示す。サンプル#1は、引張強度30Mpa以上となり、接合面JSの界面剥離は生じなかったため、A判定とした。一方、サンプル#2は、引張強度10Mpaとなり、接合面JSの界面剥離が生じたため、B判定とした。サンプル#3は、引張強度5Mpa以下となり、接合面JSの界面剥離が生じたため、C判定とした。
The measured value of tensile strength (adhesive strength) and the determination result of tensile strength are shown in “strength: tensile strength” in FIG. In
図13は、シール性能評価について説明する図である。図13では、図11のA−A断面を図示している。各サンプル#1〜#3に対して、シール性能を測定した。具体的には、アルミ基板10tに対して図示のようにOリング4を装着した上で、アルミ基板10tの孔HOからヘリウム(He)ガスを充填する。Heリークレート5.0×10−5Pa・m3/sを規格値として、接合面JSから漏出したHeリーク量を測定した。
FIG. 13 is a diagram for explaining seal performance evaluation. In FIG. 13, the AA cross section of FIG. 11 is shown. The sealing performance was measured for each
Heリーク量の測定値と、シール性能の判定結果を、図6の「シール性能」に示す。サンプル#1は、Heリーク量が1.10E−09となり、非常に漏れが少なく、A判定とした。サンプル#2は、Heリーク量が1.68E−08となり、漏れが少なく、A判定とした。サンプル#3は、Heリーク量が1.06E−04となり、C判定とした。
The measured value of the He leak amount and the determination result of the seal performance are shown in “seal performance” of FIG.
このように、図2で説明した製造方法に沿って作成された本発明のサンプル#1は、せん断強度、引張強度、シール性能の全てにおいてA判定を得ることができた。これは、アルミ基板10t(金属部材10)に形成された、ナノ構造体11Nの隆起部101の隙間と、多孔質層11Pの細孔102の内部と、の両方に対して、エポキシ樹脂20t(樹脂部材20)が入り込むことで、アルミ基板10tとエポキシ樹脂20tとが強固に接合しているためである。
As described above,
一方、空冷により作成された比較例としてのサンプル#2は、せん断強度とシール性能はA判定であったものの、引張強度がB判定であった。これは、アルミ基板10tに形成されたナノ構造体11Nにより、アルミ基板10tとエポキシ樹脂20tとのシール面積が増加するものの、アルミ基板10tに多孔質層11Pが無いことから、接合面JSに垂直な方向T2(図12)における十分な接合強度が得られなかったことに起因する。
On the other hand,
また、水冷および空冷を行わなかった比較例としてのサンプル#3は、せん断強度、引張強度、シール性能のいずれもC判定であった。これは、アルミ基板10tにナノ構造体11Nと多孔質層11Pとのいずれもが形成されないため、アルミ基板10tとエポキシ樹脂20tとの十分な接合強度が得られなかったことに起因する。
以上の通り、図6に示す複合成形体1(サンプル#1〜#3)の物性評価の結果からも明らかなように、図2で説明した製造方法に沿って作成された本発明の複合成形体1(サンプル#1)では、金属部材10に形成されたナノ構造体11Nにより、各隆起部101の隙間に樹脂部材20が入り込むことによって、優れたせん断強度と、シール性能とを得ることができる。また、本発明の複合成形体1(サンプル#1)では、金属部材10に形成された多孔質層11Pにより、各細孔102の内部に樹脂部材20が入り込むことによって、優れた引張強度を得ることができる。この結果、図2に示す本発明の複合成形体1の製造方法によれば、簡単な構成(液体40)を追加することによって、樹脂部材20と金属部材10との接合強度を高めることができる。
As described above, as is clear from the results of the physical property evaluation of the composite molded body 1 (
さらに、本発明の複合成形体1の製造方法によれば、複合成形体1において十分な接合強度を得るために、パルスレーザPLを繰り返し照射する必要がないため、処理に要する時間を短縮することができる。また、本発明の複合成形体1の製造方法によれば、設備の導入や維持にコストがかかる短パルスレーザ等を使用しなくても、高い接合強度を持つ複合成形体1を製造することができる。
Furthermore, according to the manufacturing method of the composite molded
以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although the embodiments have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the above-described embodiment. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Further, the technology described in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
1:複合成形
2:エアノズル
3:荷重部
4:Oリング
10:金属部材
10t:アルミ基板
11:第1の面
11A:粗化範囲
11N:ナノ構造体
11P:多孔質層
12:第2の面
20:樹脂部材
20t:エポキシ樹脂
21:空気排出口
30:カバーガラス
40:液体
101:隆起部
102:細孔
103:金属飛沫
1: Composite molding 2: Air nozzle 3: Load part 4: O-ring 10:
Claims (1)
前記金属部材のうち、前記樹脂が配置される面に液体を張って当該液体を通してパルスレーザを照射する工程と、
前記面に前記樹脂を接合する工程と、
を備える、加工方法。 A method for producing a composite molded body of a resin and a metal member,
Stretching a liquid on the surface on which the resin is disposed among the metal members and irradiating a pulse laser through the liquid;
Bonding the resin to the surface;
A processing method comprising:
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WO2022030015A1 (en) | 2020-08-07 | 2022-02-10 | 睦月電機株式会社 | Metal resin joined body and method for manufacturing metal resin joined body |
-
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