JP2021123017A - Dissimilar material joining structure and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、異材接合構造およびその作製方法に関する。 The present invention relates to a dissimilar material joint structure and a method for producing the same.
自動車などの輸送機器において、燃料消費量の低減が必要不可欠となっており、その一つの手段として、構造部材の材質を適材適所に配置するマルチマテリアル化が推進されている。このマルチマテリアル化には、異なる性質の材料を強固に接合させる異材接合の技術が必要不可欠である。 In transportation equipment such as automobiles, reduction of fuel consumption is indispensable, and as one of the means, multi-materialization is being promoted in which the materials of structural members are arranged in the right places. For this multi-materialization, a technology for joining dissimilar materials that firmly joins materials with different properties is indispensable.
化学的接合力が得られない組み合わせの材質の部材同士の異材接合には、様々な種類がある。例えば溶融溶接などの電子を介した強い結合力が得られる接合の場合、接合する部材の材質の組み合わせが限定されてしまう。
溶接のような接合が困難な場合、機械的な接合や接着剤による接合が行われる。ただし、機械的結合では、ボルトやリベットを用いて部材同士の締結を行うため、それらをはめ込むための穴を部材に形成しておく必要があり、その分部材が大きくなってしまう。また、接着剤による接合は、分子間力や水素結合などの弱い結合力によるものであるため、溶接などと比較するとその接合力はあまり強くない。また、その接合力は、固化した接着剤の破壊強度に依存してしまう。
There are various types of dissimilar material bonding between members made of a combination of materials for which chemical bonding force cannot be obtained. For example, in the case of joining in which a strong bonding force via electrons such as melt welding can be obtained, the combination of materials of the members to be joined is limited.
When joining such as welding is difficult, mechanical joining or joining with an adhesive is performed. However, in the mechanical connection, since the members are fastened to each other by using bolts or rivets, it is necessary to form holes in the members for fitting them, and the members become larger by that amount. Further, since the bonding with an adhesive is due to a weak bonding force such as an intermolecular force or a hydrogen bond, the bonding force is not so strong as compared with welding or the like. Further, the bonding force depends on the breaking strength of the solidified adhesive.
これらの問題を解決する一つの手段として、アンカー効果を狙った接合構造があり、金属と樹脂の組み合わせの異材接合に用いられている(例えば、非特許文献1参照)。この場合、例えば金属材料の表面に細かい凹凸を形成し、その凹凸に液状樹脂を浸透させることで、樹脂材が樹木の根を張ったような形で、金属材に接合される。これにより、分子間力だけではなく材料間の摩擦力が接合力として働くため、強固な異材接合が達成される。 As one means for solving these problems, there is a joining structure aiming at an anchor effect, which is used for joining dissimilar materials in a combination of metal and resin (see, for example, Non-Patent Document 1). In this case, for example, by forming fine irregularities on the surface of the metal material and allowing the liquid resin to permeate the irregularities, the resin material is joined to the metal material in a form as if the roots of a tree were stretched. As a result, not only the intermolecular force but also the frictional force between the materials acts as a bonding force, so that strong dissimilar material bonding is achieved.
前記した非特許文献1に記載の技術では、金属部材の表面に形成された凹凸に樹脂を入り込ませることでアンカー効果を得る異材接合構造が作製される。このような凹凸の形成には、レーザやショットブラスト、エッチングなどの加工技術が用いられる。
In the technique described in
しかしながら、金属部材の表面に形成された凹凸に樹脂を入り込ませた異材接合構造の場合、化学的接合力が期待できず、その接合力は部材間の摩擦力にある。しかし、このような異材接合構造は、金属部材の表面に対して概ね垂直な穴(凹部)が形成されるため、金属部材の表面に垂直な方向の引張力に対しては弱い。特に一方の部材がヤング率の低い材質であって比較的小さい力で変形するような場合、外力によって部材間の界面が剥がれて接合力が失われてしまうおそれがある。 However, in the case of a dissimilar material joining structure in which a resin is embedded in the unevenness formed on the surface of a metal member, a chemical joining force cannot be expected, and the joining force is the frictional force between the members. However, such a dissimilar material joining structure is weak against a tensile force in a direction perpendicular to the surface of the metal member because holes (recesses) substantially perpendicular to the surface of the metal member are formed. In particular, when one of the members is made of a material having a low Young's modulus and is deformed by a relatively small force, the interface between the members may be peeled off by an external force and the joining force may be lost.
本発明は、より強固な接合力を得ることができる異材接合構造およびその作製方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a dissimilar material joining structure capable of obtaining a stronger joining force and a method for producing the same.
前記課題を解決するため、本発明は、第1の部材と、該第1の部材とは材質の異なる第2の部材とが接合された異材接合構造の作製方法である。前記異材接合構造の作製方法は、形成工程と、充填工程と、固化工程とを含む。前記形成工程は、前記第2の部材の表面に、該表面に立設される柱部および該柱部に連設される梁部を備え前記第2の部材と同種の材質の梁構造を、3次元造形技術によって形成するものである。前記充填工程は、前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、固化前の前記第1の部材を充填させるものである。前記固化工程は、前記充填工程において充填された固化前の前記第1の部材を固化させるものである。 In order to solve the above problems, the present invention is a method for producing a dissimilar material joining structure in which a first member and a second member whose material is different from that of the first member are joined. The method for producing the dissimilar material joint structure includes a forming step, a filling step, and a solidifying step. In the forming step, a column portion erected on the surface and a beam portion connected to the column portion are provided on the surface of the second member, and a beam structure made of the same material as the second member is formed. It is formed by three-dimensional modeling technology. In the filling step, the surface of the second member and the internal space of the beam structure are filled with the first member before solidification. The solidification step solidifies the first member before solidification filled in the filling step.
また、本発明は、第1の部材と、該第1の部材とは材質の異なる第2の部材とが接合された異材接合構造である。前記第2の部材の表面に、該表面に立設される柱部および該柱部に連設される梁部を備え前記第2の部材と同種の材質の梁構造が形成されている。そして、前記第1の部材が前記第2の部材の表面に接触するとともに前記梁構造の内部空間に入り込んでいる。 Further, the present invention is a dissimilar material joining structure in which a first member and a second member whose material is different from that of the first member are joined. On the surface of the second member, a pillar portion erected on the surface and a beam portion connected to the pillar portion are provided, and a beam structure made of the same material as the second member is formed. Then, the first member comes into contact with the surface of the second member and enters the internal space of the beam structure.
本発明によれば、より強固な接合力を得ることができる異材接合構造およびその作製方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a dissimilar material joining structure capable of obtaining a stronger joining force and a method for producing the same.
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同種の構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In each figure, common components and components of the same type are designated by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted as appropriate. In addition, the size and shape of the member may be deformed or exaggerated schematically for convenience of explanation.
(第1実施形態)
まず、図1〜図5を参照して、第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る異材接合構造1を模式的に示す斜視図である。図2は、図1に示される第2の部材20の表面21に形成された梁構造30を模式的に示す正面図である。説明の便宜上、図1に示すように、前後左右上下の方向を設定する。ただし、使用状態においては、異材接合構造1の設置方向が、図1に示す方向と異なっていてもよい。
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a dissimilar
図1に示すように、異材接合構造1は、第1の部材10と、該第1の部材10とは材質の異なる第2の部材20とが接合されたものである。第2の部材20の表面21には、梁構造30が3次元造形技術によって形成されている。
As shown in FIG. 1, the dissimilar
図1、図2に示すように、梁構造30は、第2の部材20の表面21に立設される柱部31と、該柱部31に連設される梁部32とを備えている。柱部31は、第2の部材20の表面21に対して略垂直に形成されており、梁部32は、柱部31の延伸方向とは異なる方向に延伸している。ここでは、梁部32は、柱部31の延伸方向に対して直交する方向、すなわち第2の部材20の表面21に対して略水平に形成されている。また、柱部31および梁部32の長手方向に直交する断面形状は四角形を呈しているが、これに限定されるものではなく、例えば円形や楕円形を呈していてもよい。梁構造30の材質は、第2の部材20と同一若しくは同種の材質である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
梁構造30は、ここでは、複数の柱部31と該複数の柱部31の頂部に接合された梁部32とを有する構造体を備えている。具体的には、横方向(図2の左右方向)に並んで配置された4本の柱部31と、4本の柱部31の頂部に接合された1本の梁部32とを有する構造体が、縦方向(図2の紙面に垂直な方向)に3列並んで配置されている。そして、梁部32と第2の部材20の表面21との間に、複数の内部空間33が形成されている。具体的には、柱部31、梁部32、および第2の部材20の表面21に囲まれた空間が内部空間33を形成している。複数の内部空間33は、互いに連通している。
Here, the
第1実施形態では、第1の部材10の材質は、第1の樹脂である。また、第2の部材20の材質は、金属である。ただし、第2の部材20の材質は、セラミック、または第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であってもよい。
In the first embodiment, the material of the
次に、図3〜図5を参照して、異材接合構造1の作製方法について説明する。
図3は、本発明の第1実施形態に係る異材接合構造1(図1参照、以下同様)の作製方法の内容を示すフローチャートである。図4は、図3に示される形成工程(ステップS10)において使用される3次元造形装置100の概略構成を示す図である。図5は、図3に示される充填工程(ステップS20)において使用される成形用型としての金型200の概略構成を示す図である。
Next, a method of manufacturing the dissimilar material
FIG. 3 is a flowchart showing the contents of a method for manufacturing a dissimilar material joining structure 1 (see FIG. 1, the same applies hereinafter) according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a three-
図3に示すように、異材接合構造1の作製方法は、形成工程(ステップS10)と、充填工程(ステップS20)と、固化工程(ステップS30)とを含んでいる。
As shown in FIG. 3, the method for producing the dissimilar
形成工程(ステップS10)は、第2の部材20の表面21(図1参照、以下同様)に、梁構造30(図1参照、以下同様)を3次元造形技術によって形成するものである。充填工程(ステップS20)は、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33(図1参照、以下同様)とに、固化前の第1の部材10(図1参照、以下同様)を充填させるものである。固化工程(ステップS30)は、充填工程(ステップS20)において充填された固化前の第1の部材10を固化させるものである。
In the forming step (step S10), the beam structure 30 (see FIG. 1, the same applies hereinafter) is formed on the surface 21 (see FIG. 1, the same applies hereinafter) of the
次に、ステップS10,S20,S30について、さらに具体的に説明する。
形成工程(ステップS10)は、例えば図4に示すような3次元造形装置100を使用して実施される。
Next, steps S10, S20, and S30 will be described more specifically.
The forming step (step S10) is carried out using, for example, the three-
3次元造形装置100は、本実施形態では、第2の部材20と同種の材質の金属の粉末190の層にエネルギービームとしてのレーザ光125を照射することで3次元の造形体を作る3次元造形装置である。3次元造形装置100は、粉末供給装置110と、エネルギービーム照射装置としてのレーザ光照射装置120と、移動装置130と、制御装置160とを備えている。粉末供給装置110と移動装置130とは、チャンバ170内に収容されている。
In the present embodiment, the three-
粉末供給装置110は、造形対象物としての構造部品(完成した製品を含む)である第2の部材20の表面21に向けて粉末190を落下させて供給する。粉末供給装置110は、高精度粉末供給機を利用して構成することができる。金属の粉末190としては、例えば、アルミ合金、鉄鋼、ステンレス鋼、純チタン、チタン合金、ニッケル基合金等が使用され得る。
The
レーザ光照射装置120は、粉末供給装置110によって供給されて堆積した粉末190の層にレーザ光125を照射する。レーザ光照射装置120は、レーザ光125を出射するレーザ光源121と、ミラー(ガルバノミラー)122,123と、レンズ系124とを備えている。ミラー122,123の角度を変化させることで、レーザ光125の照射方向を変化させる操作が行われる。
The laser
移動装置130は、第2の部材20を移動させる装置である。本実施形態では、移動装置130は、第2の部材20をセットする基台131と、基台131を移動させる駆動機構132とを備えている。駆動機構132は、基台131を前後左右上下の各方向に移動させることができる。チャンバ170は、例えばステンレス等の金属で形成された容器である。真空引きすることによって酸素が除去されたチャンバ170内には、アルゴン、窒素等の不活性ガスが供給されるようになっている。
The moving
制御装置160は、図示しないCPU(中央演算処理装置)、およびメモリ、ハードディスク等の記憶部を備えている。記憶部には、3次元造形したい構造の3次元形状データと、加工条件データとが保存される。制御装置160は、加工条件データに基づいて、レーザ光源121、ミラー122,123、およびレンズ系124を制御して、レーザ光125の出力特性、走査速度、走査間隔、および照射位置を調整する。また、制御装置160は、移動装置130を制御する。制御装置160には、表示装置181と、入力装置182とが接続されている。表示装置181は、操作画面、警告メッセージ等の各種情報を表示する。入力装置182は、3次元形状データや加工条件データの作成または入力のためのユーザの操作の受付け、3次元造形作業の開始指示等の各種情報の入力を行う。
The
形成工程(ステップS10)では、まず、第2の部材20が移動装置130の基台131にセットされて固定される。そして、チャンバ170内が真空引きされた後、チャンバ170内に不活性ガスが供給される。次に、粉末供給装置110によって、第2の部材20の表面21に向けて、粉末190が適量落下させられて供給される。ここで、制御装置160は、移動装置130を制御して、第2の部材20を水平方向に移動させながら、粉末供給装置110を制御して、第2の部材20の表面21に向けて粉末190を一定量落下させる。これにより、第2の部材20の表面21上に堆積した薄い粉末190の層が形成される。続いて、制御装置160は、移動装置130を制御して、第2の部材20をレーザ光照射装置120の下方に移動させた後に、レーザ光照射装置120を制御して、粉末190の層にレーザ光125を照射させる。これにより、粉末190が溶融・結合して固化された造形領域が形成される。そして、制御装置160は、次の層についての3次元造形を実施するように制御する。このように粉末190の層の所定領域にレーザ光125を照射することで固化された造形領域の層を一層ずつ積層して造形する3次元造形が最後の層(最上層)まで行われる。これにより、第2の部材20の表面21に、梁構造30が形成される。
In the forming step (step S10), first, the
充填工程(ステップS20)は、例えば図5に示すような金型200を使用して実施される。金型200は、相対的に近接離反する上型210および下型220を備えている。上型210には、第1の部材10の材質である第1の樹脂が流入する通路211が形成されている。第1の樹脂としては、例えばエポキシ樹脂が使用され得る。下型220には、第2の部材20を金型200内で位置決めする例えば凹形状の位置決め部221が形成されている。また、上型210と下型220とが合わせられた状態(図5に示す状態)において、上型210と下型220との間に充填空間230が形成される。
The filling step (step S20) is carried out using, for example, a
充填工程(ステップS20)では、まず、上型210と下型220とが開いて互いに離反した状態で、表面21に梁構造30が形成された第2の部材20が、下型220の位置決め部221にセットされて位置決めされる。次に、上型210と下型220とが近接移動して合わせられる。続いて、液状の第1の樹脂が、矢印231で示す方向に通路211を経て、上型210と下型220との間に形成された充填空間230内に流入する。そして、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに固化前の液状の第1の樹脂が充填させられる。また、液状の第1の樹脂は、梁構造30の周辺を含む充填空間230全体に充填させられる。
In the filling step (step S20), first, the
固化工程(ステップS30)では、充填工程(ステップS20)において充填された固化前の液状の第1の樹脂が固化する。液状の第1の樹脂が固化すると、上型210と下型220とが開いて互いに離反し、第1の部材10と第2の部材20とが梁構造30を介して接合された異材接合構造1が成形品として取り出される。
In the solidification step (step S30), the liquid first resin before solidification filled in the filling step (step S20) is solidified. When the liquid first resin solidifies, the
前記したように、本実施形態では、第2の部材20の表面21に、第2の部材20と同種の材質の梁構造30が3次元造形技術によって形成される。梁構造30は、第2の部材20の表面21に立設される柱部31と、該柱部31に連設される梁部32とを備える。そして、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに、固化前の第1の部材10が充填させられた後、固化させられる。これにより、第1の部材10と、該第1の部材10とは材質の異なる第2の部材20とが接合された異材接合構造1が作製される。異材接合構造1においては、第1の部材10が第2の部材20の表面21に接触するとともに梁構造30の内部空間33に入り込んでいる。
As described above, in the present embodiment, the
金属部材の表面に形成された凹凸に樹脂を入り込ませることでアンカー効果を得る従来の異材接合構造では、摩擦力による接合力の向上が可能になる。しかしながら、このような凹凸によるアンカー効果を利用した従来の異材接合構造では、接合相手方の部材の表面に対して概ね垂直な穴(凹部)が形成される。このため、従来の異材接合構造は、接合相手方の部材の表面に平行な方向のせん断力に対しては強いが、垂直な方向の引張力に対しては弱い。 In the conventional dissimilar material joining structure in which the anchor effect is obtained by allowing the resin to enter the unevenness formed on the surface of the metal member, the joining force due to the frictional force can be improved. However, in the conventional dissimilar material joining structure utilizing the anchor effect due to such unevenness, a hole (recess) substantially perpendicular to the surface of the member to be joined is formed. Therefore, the conventional dissimilar material joining structure is strong against the shearing force in the direction parallel to the surface of the member to be joined, but weak against the tensile force in the vertical direction.
これに対し、本実施形態では、部材の表面に垂直な穴だけではなく、例えばラーメン構造のような柱部31と梁部32とが張り巡らされた梁構造30が、3次元造形技術によって第2の部材20の表面21に形成される。その後、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに液状の樹脂を充填して浸透させ、固化することで、充填した樹脂と接合相手方の部材の材料とが密着して互いに抱え込むような形で接合される。このようにして作製された異材接合構造1の接合力(接合強度)は、分子間力や部材間の摩擦力よりも、異材接合構造1の素材自体の強度に依存することになる。これにより、樹脂と例えば金属とのより強固な異材接合が達成される。
したがって、本実施形態によれば、より強固な接合力を得ることができる異材接合構造1およびその作製方法を提供できる。
また、梁構造30の形状を3次元造形技術によって自在に変更できるため、異材接合構造1の接合力を用途に合わせて調整可能となる。
On the other hand, in the present embodiment, not only the holes perpendicular to the surface of the member but also the
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a dissimilar
Further, since the shape of the
なお、梁構造30は、図1、図2に示す形状に限定されるものではなく、柱部と梁部とを備える任意の形状に形成され得る。
図6〜図8は、第2の部材20の表面21に形成された変形例に係る梁構造30a〜30cを模式的に示す正面図である。
The
6 to 8 are front views schematically showing
図6に示す梁構造30aは、第2の部材20の表面21に立設される一対の柱部31aと一対の柱部31aの頂部に接合された梁部32aとを有する門型の構造体を複数備えている。そして、梁部32aと第2の部材20の表面21との間に、内部空間33aが形成されている。具体的には、柱部31a、梁部32a、および第2の部材20の表面21に囲まれた空間が内部空間33aを形成している。
The
図7に示す梁構造30bは、第2の部材20の表面21に立設される一対の曲がった柱部31bと一対の曲がった柱部31bの頂部に接合された曲がった梁部32bとを有する半円環体形状の構造体を複数備えている。すなわち、梁構造30bは、図6に示す梁構造30aにおける柱部31aと梁部32aとの接合部分をR形状に形成したものである。このように、梁構造において、柱部および梁部は曲がっていてもよい。そして、梁部32bと第2の部材20の表面21との間に、内部空間33bが形成されている。具体的には、柱部31b、梁部32b、および第2の部材20の表面21に囲まれた空間が内部空間33bを形成している。
The
図8に示す梁構造30cは、第2の部材20の表面21に立設される一つの柱部31cと該柱部31cの頂部に接合された梁部32cとを有する逆L字形状の構造体を複数備えている。この場合、梁部32cは、いわゆる片持ち梁である。そして、梁部32cと第2の部材20の表面21との間に、内部空間33cが形成されている。具体的には、柱部31c、梁部32c、および第2の部材20の表面21に囲まれた空間が内部空間33cを形成している。
The
図9は、第2の部材20の表面21に形成された変形例に係る梁構造30dを模式的に示す斜視図である。
図9に示す梁構造30dは、第2の部材20の表面21に立設される複数の四角板形状の柱部31dと複数の柱部31dの頂部に接合された格子状の梁部32dとを備えている。梁部32dは、ここでは複数の短い円筒部が互いに接するように平面上に配置されるように形成されている。そして、梁部32dと第2の部材20の表面21との間に、内部空間33dが形成されている。具体的には、柱部31d、梁部32d、および第2の部材20の表面21に囲まれた空間が内部空間33dを形成している。
FIG. 9 is a perspective view schematically showing a
The
図6〜図9に示すような変形例に係る梁構造30a〜30dが第2の部材20の表面21に形成されている場合でも、図1〜図5に示した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、第1の部材10が第2の部材20の表面21に接触するとともに梁構造30a〜30dの内部空間33a〜33dに入り込むことで、より強固な接合力を得ることができる。
なお、前記した梁構造30,30a〜30dの形状は、一例であってこれらに限定されるものではなく、例えばポーラス構造(多孔質構造)を形成していてもよい。
Even when the
The shapes of the
(実験例)
図10は、第2の部材20の表面21に図9に示す変形例に係る梁構造30dのうちの複数の四角板形状の柱部31dのみを形成した比較例を模式的に示す斜視図である。
第2の部材20の表面21に図9に示す梁構造30dを形成した場合と、図10に示す複数の四角板形状の柱部31dのみを形成した場合とで接合力(接合強度)を比較する実験を行った。
第2の部材20の材質は、チタンとした。第2の部材20の表面21の寸法は、長手方向寸法A=10mm、短手方向寸法B=5mmとした。第1の部材10(図1参照)の材質は、エポキシ樹脂とし、硬化剤を使用して固化させた。
このような第1の部材10と第2の部材20とが接合された異材接合構造1を作製し、両者を引き離す方向に荷重(力)をかけて引張試験を行った。
引張試験の結果、図10に示す複数の四角板形状の柱部31dのみを形成した場合の破断荷重は10.1kNであり、図9に示す梁構造30dを形成した場合の破断荷重は14.2kNであった。すなわち、梁構造30dを形成した場合は、複数の四角板形状の柱部31dのみを形成した場合の約1.4倍の接合力となり、より強固な接合力を得ることができた。
(Experimental example)
FIG. 10 is a perspective view schematically showing a comparative example in which only a plurality of square plate-shaped
The bonding force (bonding strength) is compared between the case where the
The material of the
A dissimilar
As a result of the tensile test, the breaking load when only the plurality of square plate-shaped
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を主に説明し、共通する構成要素や同種の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
第2実施形態では、第1の部材10の材質は、第1の樹脂に強化用繊維を複合した繊維強化樹脂(FRP)である。また、第2の部材20の材質は、金属である。ただし、第2の部材20の材質は、セラミック、または第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であってもよい。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be mainly described in that it differs from the first embodiment described above, and common components and components of the same type are designated by the same reference numerals and description thereof will be omitted as appropriate.
In the second embodiment, the material of the
充填工程(ステップS20)では、第2の部材20が金型200にセットされ、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに、固化前の液状の第1の樹脂とともに強化用繊維が充填させられる。強化用繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、セルロースナノファイバー等が使用され得る。
In the filling step (step S20), the
例えばチョップドファイバと呼ばれる長さ数mm程度の強化用繊維が混入した繊維強化樹脂は、主に金型200を用いた射出成形によって形状が作り出される。この際に、液状の第1の樹脂とともに強化用繊維が流動しながら金型200に浸透することになる。この金型200に、インサート部品と呼ばれる例えば金属製のナット等の第2の部材20が事前にはめ込まれてセットされる。これにより、成形された第1の樹脂製の第1の部材10と、ナット等の第2の部材20とが一体化されることが可能になる(インサート成形)。ここで、インサート部品を強固に接合する目的で従来のようにアンカー効果を狙った穴(凹凸)を形成しても、行き止まりの穴なのでこれに繊維が入り込むことが難しい。そこで、このような行き止まりの穴ではなく、柱部31と梁部32とを備える梁構造30を形成することで強化用繊維が入りやすい互いに連通した内部空間33が形成される。梁構造30の内部空間33は、第1の樹脂の流動に合わせて配置されるように形成することが好ましい。このような梁構造30が3次元造形技術によってインサート部品等の第2の部材20の表面21に形成される。これにより、梁構造30の内部空間33に強化用繊維が均一に浸透され、繊維強化樹脂と例えば金属とのより強固な異材接合が達成される。
For example, a fiber-reinforced resin containing a reinforcing fiber having a length of about several mm, which is called a chopped fiber, is formed into a shape mainly by injection molding using a
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を主に説明し、共通する構成要素や同種の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
図11は、本発明の第3実施形態に係る異材接合構造1a(図12参照、以下同様)の作製方法の内容を示すフローチャートである。図12は、本発明の第3実施形態に係る異材接合構造1aを模式的に示す斜視図である。
(Third Embodiment)
Next, the third embodiment will be mainly described in terms of differences from the first embodiment described above, and common components and components of the same type will be designated by the same reference numerals and description thereof will be omitted as appropriate.
FIG. 11 is a flowchart showing the contents of a method for manufacturing a dissimilar
第3実施形態では、第1の部材10の材質は、第1の樹脂に炭素繊維を複合した炭素繊維強化樹脂(CFRP)である。また、第2の部材20の材質は、金属である。ただし、第2の部材20の材質は、セラミック、または第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であってもよい。
In the third embodiment, the material of the
図11に示すように、第2実施形態は、形成工程(ステップS10)と充填工程(ステップS20)との間に、織込工程(ステップS12)とを含んでいる。 As shown in FIG. 11, the second embodiment includes a weaving step (step S12) between the forming step (step S10) and the filling step (step S20).
織込工程(ステップS12)では、炭素繊維12が、形成工程(ステップS10)において形成された梁構造30の内部空間33に織り込まれる。
In the weaving step (step S12), the
充填工程(ステップS20)では、第2の部材20が金型200にセットされ、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに、固化前の液状の第1の樹脂が充填させられる。なお、充填工程(ステップS20)の中で、第2の部材20が金型200にセットされた後に、織込工程(ステップS12)が実施されてもよい。
In the filling step (step S20), the
織込工程(ステップS12)で織り込まれる炭素繊維12はプリプレグの状態の炭素繊維強化樹脂における炭素繊維の一部が取り出されたものでも良い。プリプレグは、炭素繊維などで織物を作り、それに樹脂を含浸させたり、樹脂フィルムで圧着させて例えばシート状にしたものである。織り込まれる炭素繊維12としてプリプレグの状態の炭素繊維強化樹脂を使用する場合、プリプレグの状態の炭素繊維強化樹脂における炭素繊維12の一部が取り出される。例えば、プリプレグの状態のシート状の炭素繊維強化樹脂における周縁部の炭素繊維12が取り出される。ただし、プリプレグの状態のシート状の炭素繊維強化樹脂における中央部の炭素繊維12が取り出されてもよい。取り出された炭素繊維12を3次元造形技術によって作製された梁構造30の互いに連通した内部空間33に織り込み、その状態で第1の樹脂を充填して含浸させることで、異材接合構造1aが作製される。充填される第1の樹脂はプリプレグに含浸されている樹脂と同じものでも良い。これにより、炭素繊維強化樹脂と例えば金属とのより強固な異材接合が達成される。
The
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を主に説明し、共通する構成要素や同種の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
第4実施形態では、第1の部材10の材質は、金属またはセラミックの焼結部品である。また、第2の部材20の材質は、第1の部材10の材質とは異なる種類の金属またはセラミックである。
(Fourth Embodiment)
Next, the fourth embodiment will be mainly described in terms of differences from the first embodiment described above, and common components and components of the same type will be designated by the same reference numerals and description thereof will be omitted as appropriate.
In the fourth embodiment, the material of the
図3の充填工程(ステップS20)では、第2の部材20が成形用型としての金型にセットされ、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに、焼結前の金属粉末またはセラミック粉末が充填させられる。また、固化工程(ステップS30)では、充填工程(ステップS20)において充填された金属粉末またはセラミック粉末が熱処理により焼結させられる。これにより、焼結部品と例えば金属製の構造部品とのより強固な異材接合が達成される。
In the filling step (step S20) of FIG. 3, the
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について、前記した第1実施形態と相違する点を主に説明し、共通する構成要素や同種の構成要素については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
第5実施形態では、第1の部材10の材質は、金属の鋳物部品である。また、第2の部材20の材質は、第1の部材10の材質とは異なる種類の金属またはセラミックである。
(Fifth Embodiment)
Next, the fifth embodiment will be mainly described in terms of differences from the first embodiment described above, and common components and components of the same type will be designated by the same reference numerals and description thereof will be omitted as appropriate.
In the fifth embodiment, the material of the
図3の充填工程(ステップS20)では、第2の部材20が成形用型としての金型にセットされ、第2の部材20の表面21と梁構造30の内部空間33とに、溶融した金属が流し込まれて充填させられる。これにより、鋳物部品と例えば金属製の構造部品とのより強固な異材接合が達成される。
In the filling step (step S20) of FIG. 3, the
以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではない。本発明は、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。また、前記実施形態の構成の一部について、追加、削除、置換をすることができる。 Although the present invention has been described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the configuration described in the embodiment. The present invention can appropriately change the configuration within a range that does not deviate from the gist thereof, including appropriately combining or selecting the configurations described in the above-described embodiment. In addition, a part of the configuration of the embodiment can be added, deleted, or replaced.
例えば、前記した実施形態では、梁構造30,30a〜30dが形成される第2の部材20の表面21は平面を呈しているが、例えば湾曲した板の円弧面等の曲面、円柱の側面、球体の表面(球面)等を呈していてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
また、前記した実施形態では、第2の部材20の表面21に梁構造30を3次元造形技術によって形成する際に、粉末供給装置110から第2の部材20の表面21に向けて金属粉末等が落下させられて供給される。ただし、第2の部材20の表面21に向けて金属粉末等を供給する方法は、前記した方法に限定されるものではない。3次元造形技術として、例えば、金属粉末等をローラやブレードを用いて水平に敷き詰めるように供給した後にレーザ光を走査させることで粉末を溶融・結合させる粉末床溶融結合法(PBF法)が使用されてもよい。また、前記した実施形態では、例えば金属の粉末190の層に照射するエネルギービームは、レーザ光125であるが、これに限定されるものではなく、例えば電子ビームであってもよい。
Further, in the above-described embodiment, when the
1,1a 異材接合構造
10 第1の部材
12 炭素繊維
20 第2の部材
21 表面
30,30a〜30d 梁構造
31,31a〜31d 柱部
32,32a〜32d 梁部
33,33a〜33d 内部空間
100 3次元造形装置
200 金型(成形用型)
1,1a Dissimilar material
Claims (11)
前記第2の部材の表面に、該表面に立設される柱部および該柱部に連設される梁部を備え前記第2の部材と同種の材質の梁構造を、3次元造形技術によって形成する形成工程と、
前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、固化前の前記第1の部材を充填させる充填工程と、
前記充填工程において充填された固化前の前記第1の部材を固化させる固化工程と、
を含むことを特徴とする異材接合構造の作製方法。 A method for producing a dissimilar material joining structure in which a first member and a second member whose material is different from that of the first member are joined.
On the surface of the second member, a pillar portion erected on the surface and a beam portion connected to the pillar portion are provided, and a beam structure made of the same material as the second member is formed by three-dimensional modeling technology. The forming process to form and
A filling step of filling the surface of the second member and the internal space of the beam structure with the first member before solidification.
A solidification step of solidifying the first member before solidification filled in the filling step,
A method for producing a dissimilar material joint structure, which comprises.
前記第2の部材の材質は、金属、セラミック、または前記第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であり、
前記充填工程は、前記第2の部材を成形用型にセットし、前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、固化前の液状の前記第1の樹脂を充填させるものであることを特徴とする請求項1に記載の異材接合構造の作製方法。 The material of the first member is the first resin.
The material of the second member is metal, ceramic, or a second resin of a type different from that of the first resin.
In the filling step, the second member is set in a molding mold, and the surface of the second member and the internal space of the beam structure are filled with the liquid first resin before solidification. The method for producing a dissimilar material joint structure according to claim 1, wherein the structure is formed.
前記第2の部材の材質は、金属、セラミック、または前記第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であり、
前記充填工程は、前記第2の部材を成形用型にセットし、前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、固化前の液状の前記第1の樹脂とともに強化用繊維を充填させるものであることを特徴とする請求項1に記載の異材接合構造の作製方法。 The material of the first member is a fiber-reinforced resin in which reinforcing fibers are compounded with the first resin.
The material of the second member is metal, ceramic, or a second resin of a type different from that of the first resin.
In the filling step, the second member is set in a molding mold, and reinforcing fibers are formed on the surface of the second member and the internal space of the beam structure together with the liquid first resin before solidification. The method for producing a dissimilar material joint structure according to claim 1, wherein the material is to be filled.
前記第2の部材の材質は、金属、セラミック、または前記第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であり、
炭素繊維を、前記形成工程において形成された前記梁構造の内部空間に織り込む織込工程を含み、
前記充填工程は、前記第2の部材を成形用型にセットし、前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、固化前の液状の前記第1の樹脂を充填させるものであることを特徴とする請求項1に記載の異材接合構造の作製方法。 The material of the first member is a carbon fiber reinforced resin in which carbon fibers are compounded with the first resin.
The material of the second member is metal, ceramic, or a second resin of a type different from that of the first resin.
Including a weaving step of weaving carbon fibers into the internal space of the beam structure formed in the forming step.
In the filling step, the second member is set in a molding mold, and the surface of the second member and the internal space of the beam structure are filled with the liquid first resin before solidification. The method for producing a dissimilar material joint structure according to claim 1, wherein the structure is formed.
前記第2の部材の材質は、前記第1の部材の材質とは異なる種類の金属またはセラミックであり、
前記充填工程は、前記第2の部材を成形用型にセットし、前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、焼結前の金属粉末またはセラミック粉末を充填させるものであり、
前記固化工程は、前記充填工程において充填された金属粉末またはセラミック粉末を熱処理により焼結させるものであることを特徴とする請求項1に記載の異材接合構造の作製方法。 The first member is a metal or ceramic sintered part.
The material of the second member is a different kind of metal or ceramic from the material of the first member.
In the filling step, the second member is set in a molding mold, and the surface of the second member and the internal space of the beam structure are filled with metal powder or ceramic powder before sintering. ,
The method for producing a dissimilar material bonding structure according to claim 1, wherein the solidification step is for sintering the metal powder or ceramic powder filled in the filling step by heat treatment.
前記第2の部材の材質は、前記第1の部材の材質とは異なる種類の金属またはセラミックであり、
前記充填工程は、前記第2の部材を成形用型にセットし、前記第2の部材の表面と前記梁構造の内部空間とに、溶融した金属を流し込んで充填させるものであることを特徴とする請求項1に記載の異材接合構造の作製方法。 The first member is a metal casting part.
The material of the second member is a different kind of metal or ceramic from the material of the first member.
The filling step is characterized in that the second member is set in a molding mold, and molten metal is poured into the surface of the second member and the internal space of the beam structure to fill the mold. The method for producing a dissimilar material joint structure according to claim 1.
前記第2の部材の表面に、該表面に立設される柱部および該柱部に連設される梁部を備え前記第2の部材と同種の材質の梁構造が形成されており、
前記第1の部材が前記第2の部材の表面に接触するとともに前記梁構造の内部空間に入り込んでいることを特徴とする異材接合構造。 It is a dissimilar material joining structure in which a first member and a second member whose material is different from that of the first member are joined.
On the surface of the second member, a pillar portion erected on the surface and a beam portion connected to the pillar portion are provided, and a beam structure made of the same material as the second member is formed.
A dissimilar material joint structure, characterized in that the first member comes into contact with the surface of the second member and enters the internal space of the beam structure.
前記第2の部材の材質は、金属、セラミック、または前記第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であることを特徴とする請求項7に記載の異材接合構造。 The material of the first member is the first resin.
The dissimilar material bonding structure according to claim 7, wherein the material of the second member is a metal, ceramic, or a second resin of a type different from that of the first resin.
前記第2の部材の材質は、金属、セラミック、または前記第1の樹脂とは異なる種類の第2の樹脂であり、
前記梁構造の内部空間に強化用繊維が入り込んでいることを特徴とする請求項7に記載の異材接合構造。 The material of the first member is a fiber-reinforced resin in which reinforcing fibers are compounded with the first resin.
The material of the second member is metal, ceramic, or a second resin of a type different from that of the first resin.
The dissimilar material joining structure according to claim 7, wherein the reinforcing fibers are contained in the internal space of the beam structure.
前記第2の部材の材質は、前記第1の部材の材質とは異なる種類の金属またはセラミックであることを特徴とする請求項7に記載の異材接合構造。 The first member is a metal or ceramic sintered part.
The dissimilar material joining structure according to claim 7, wherein the material of the second member is a metal or ceramic of a type different from the material of the first member.
前記第2の部材の材質は、前記第1の部材の材質とは異なる種類の金属またはセラミックであることを特徴とする請求項7に記載の異材接合構造。 The first member is a metal casting part.
The dissimilar material joining structure according to claim 7, wherein the material of the second member is a metal or ceramic of a type different from the material of the first member.
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