JP6049537B2 - 金属/樹脂複合構造体 - Google Patents
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Description
[1] 本体部分とリブ部とを有する構造体からなる金属/樹脂複合構造体であって、
前記本体部分が樹脂材料からなり、
前記リブ部が、金属材料からなり、
前記リブ部の一部のみが、前記樹脂材料により被覆されており、
前記本体部分から突出した前記リブ部の高さ方向において、当該高さ方向全体に亘って前記リブ部に前記樹脂材料が被覆されている、金属/樹脂複合構造体。
[2] 前記構造体は、インサート射出成形体である、[1]に記載の金属/樹脂複合構造体。
[3] 前記リブ部が、前記金属材料からなる第1の平板で構成される、[1]または[2]に記載の金属/樹脂複合構造体。
[4] 前記リブ部において、前記第1の平板に切欠きが形成されており、
前記リブ部は、複数の前記第1の平板の前記切欠きを組み入れて構成される、[3]に記載の金属/樹脂複合構造体。
[5] 前記リブ部が格子状構造であり、
前記樹脂材料の被覆が、前記格子状構造の交点部分に存在する、[1]から[4]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[6] 前記本体部分が、前記樹脂材料からなる第2の平板で構成される、[1]から[5]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[7] 前記金属材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、およびチタン合金から選択される1種である、[1]〜[6]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[8] 前記樹脂材料100重量部当たり、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、タルク、粘土、およびガラス粉から選ばれる1種以上の充填剤を1〜100重量部を含有する、[1]〜[7]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[9] 前記樹脂材料がポリオレフィンである、[1]〜[8]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[10] 前記本体部分が発泡体である、[1]〜[9]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
[11] 前記リブ部を配置した射出金型に、前記樹脂材料を射出成形することにより得られる、[1]〜[10]のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体を製造するための金属/樹脂複合構造体の製造方法。
[12] リブ溝が形成された金型を用いる、 [11]に記載の金属/樹脂複合構造体の製造方法。
本発明の金属/樹脂複合構造体を構成するリブ部は金属材料からなる。
本発明の金属/樹脂複合構造体を構成する構造体本体部分は樹脂材料からなる。
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、以下の(1),(2)の順番により製造することができる。
(1)リブ部作成
(2)射出成形
以下、各工程について説明する。
<(1)リブ部作成>
本発明においてリブ部は、金属/樹脂複合構造体が有するべき性能に併せて、その形状を選択して作成される。
<(2)射出成形>
本発明の金属/樹脂複合構造体は、上記(1)によって作成されたリブ部をインサートした射出成形法により製造するのが好ましい。具体的には、以下の(i)、(ii)の工程を含んでいる。
(i)リブ部を、射出成形用の金型内に設置する工程
(ii)上記樹脂材料を、上記リブ部を構成する金属材料の少なくとも一部と接するように、上記金型内に射出成形する工程
以下、射出成形方法について説明する。
上記製造方法により得られる金属/樹脂複合構造体は、リブ部を有する構造体であって、前記リブ部が金属材料からなり、前記構造体の本体部分が樹脂材料からなり、以下の(a)の特徴を満たす。さらに、本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、好ましくは、(b),(c)の特徴を任意に満たす。
(b)前記構造体本体部分を構成する樹脂材料単独の降伏応力あるいは0.2%耐力(どちらもσy1とする)と、構造体本体部分を構成する樹脂材料単独のヤング率(E1)と、前記リブ部を構成する金属材料単独の降伏応力あるいは0.2%耐力(どちらもσy2とする)とリブ部を構成する金属材料単独のヤング率(E2)、構造体の長手方向に直角の方向の断面における構造体本体部分の断面2次モーメント(I1)と断面係数(Z1)、リブ部の断面2次モーメント(I2)と断面係数(Z2)から求められる関係式(σy1・Z1/(E2・I2))/(σy2・Z2/(E1・I1))が10〜500。
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、前記リブ部の高さ方向全体に前記構造体本体部分を構成する樹脂材料が被覆している構造をとる。なお、高さ方向とは、構造体本体部分と直交する方向を言う。
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、前記構造体本体部分を構成する樹脂材料単独の降伏応力あるいは0.2%耐力(どちらもσy1とする)と、構造体本体部分を構成する樹脂材料単独のヤング率(E1)と、前記リブ部を構成する金属材料単独の降伏応力あるいは0.2%耐力(どちらもσy2とする)とリブ部を構成する金属材料単独のヤング率(E2)、構造体の長手方向に直角の方向の断面における構造体本体部分の断面2次モーメント(I1)と断面係数(Z1)、リブ部の断面2次モーメント(I2)と断面係数(Z2)から求められる関係式(σy1・Z1/(E2・I2))/(σy2・Z2/(E1・I1))が10〜500である。
Mは曲げモーメント(Nm)でM=WL/4、Wは荷重(N)、Lは支点間距離(m)である。
δ=σL2Z/12EI (2)
で与えられる。
この関係式は、複合体本体部とリブ部との接着界面の状況を考慮しないことと、曲げの中心軸の位置が実際と一致しない場合もあるというように様々な仮定を用いて導いているので、厳密に構造体の特性を説明する物ではないが、ある幅を持って構造体の特性を説明することが出来る。
断面係数Z、断面2次モーメントは、材料力学の教科書や機械工学ハンドブックに示されている(例えば、吉沢武男編:大学演習機械要素設計(東京裳華房)371ページ)。
構造体本体部
I1=BH3/12 (4)
Z1=BH2/6 (5)
リブ部
I2=nbh3/12 (6)
Z2=nbh2/6 (7)
Bは構造体本体部の幅、Hは天板の厚み、bはリブ部の厚さ、hはリブ部の高さ、nはリブの本数であり、図にはn=2の例を示している。
ここでは、構造体本体部分とリブ部とは切り離して、それぞれの断面形状、本数から断面係数Z、断面2次モーメントを算出することとする。リブ部の断面係数の算出に関しては以下の様に仮定する。
縦(長手)方向に位置するリブと横(幅)方向に位置するリブとが存在するが、3点曲げを行うにあたり、横方向に位置するリブは縦方向の曲げに影響を及ぼさないため、縦方向の断面のみから算出する。
前述の荷重―たわみ曲線と特長として、たわみ量の増加と共に荷重が増大し、荷重の最大値を示した後、荷重が急激に低下し、荷重の最大値より30〜7080%低い荷重を保ちながら、たわみ量が増加してゆく、いわゆる2段階の荷重−たわみ曲線となることを、次のように定量的に表す。荷重の最大値Wmaxを示した後、荷重が傾きΔw/Δδが−10050〜−∞で低下する。ΔWは、低下前の荷重W1と低下後の荷重W2との差で、Δδは低下前のたわみ量δ1と低下後のたわみ量δ2との差である。低下後の荷重は、荷重の最大値Wmaxより30〜780%の範囲内の値を示す。
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、好ましくは、前記構造体本体部分に接合した前記リブ部が占める長辺部分および短辺部分の積からなる面積(S1)に対する、前記構造体本体部分に接合した前記リブ部の接触面面積の総和(S2)の比(S2/S1)が0.01〜0.5の条件を満たす。S2/S1は、より好ましくは0.015〜0.45、さらに好ましくは0.02〜0.4である。
本発明にかかる金属/樹脂複合構造体は、比較的生産性が高く、形状制御の自由度も高いので、様々な用途に展開することが可能である。
以下、参考形態の例を付記する。
1.リブ部を有する構造体であって、前記リブ部が金属材料からなり、前記構造体の本体部分が樹脂材料からなり、下記特徴(a)を満たす、金属/樹脂複合構造体。
特徴(a):前記リブ部の高さ方向全体に前記構造体本体部分を構成する樹脂材料が被覆している
2.前記リブ部が格子状構造であり、前記樹脂材料の被覆が、格子状構造の交点部分に存在する、1.に記載の金属/樹脂複合構造体。
3.下記特徴(b)を満たす、1.または2.に記載の金属/樹脂複合構造体。
特徴(b):前記構造体本体部分を構成する樹脂材料単独の降伏応力あるいは0.2%耐力(どちらもσ y1 とする)と、前記構造体本体部分を構成する樹脂材料単独のヤング率(E 1 )と、前記リブ部を構成する金属材料単独の降伏応力あるいは0.2%耐力(どちらもσ y2 とする)と、前記リブ部を構成する金属材料単独のヤング率(E 2 )と、前記構造体本体部分の長手方向に直角の方向の断面における構造体本体部分の断面2次モーメント(I 1 )と断面係数(Z 1 )、前記リブ部の断面2次モーメント(I 2 )と断面係数(Z 2 )、から求められる関係式(σ y1 ・Z 1 /(E 2 ・I 2 ))/(σ y2 ・Z 2 /(E 1 ・I 1 ))、が10〜500である
4.前記構造体本体部分に接合した前記リブ部が占める長辺部分および短辺部分の積からなる投影面積(S1)に対する、前記構造体本体部分に接合した前記リブ部の接触面面積の総和(S2)の比(S2/S1)が0.01〜0.5である、1.〜3.のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
5.前記金属が、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、およびチタン合金から選択される1種である、1.〜4.のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
6.前記樹脂100重量部当たり、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、タルク、粘土、およびガラス粉から選ばれる1種以上の充填剤を1〜100重量部を含有する、1.〜5.のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
7.前記樹脂がポリオレフィンである、1.〜6.のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
8.前記リブ部と前記構造体本体部分の接合部分にプライマー層が形成している、7.に記載の金属/樹脂複合構造体。
9.前記構造体本体部分が発泡体である、1.〜8.のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体。
10.前記リブ部を配置した射出金型に、前記樹脂を射出成形することにより得られる、1.〜9.のいずれかに記載の金属/樹脂複合構造体の製造方法。
11.前記金属を予め表面処理し、微細な凹凸を形成した後に射出成型に用いる、10.に記載の金属/樹脂複合構造体の製造方法。
12.前記金属を予め表面処理し、さらにプライマーを塗布した後に射出成型に用いる、10.に記載の金属/樹脂複合構造体の製造方法。
(金属/樹脂複合構造体の荷重―たわみ曲線の測定)
万能材料試験機AG100kNx(島津製作所製)を使用し、引っ張り試験機に専用の治具取り付け、室温(23℃)にて、チャック間距離120mm、移動速度5.0mm/minの条件にて3点曲げ試験を行い、荷重―たわみ曲線を得た。
(2段階の変化を示す荷重―変位曲線の特長)
2段階の荷重−たわみ曲線となることを、次の数値を荷重−たわみ曲線より求めて示す。荷重の最大値Wmaxを示した後、荷重が傾きΔw/Δδが−100〜−∞で低下する。ΔWは、低下前の荷重W1と低下後の荷重W2との差で、Δδは低下前のたわみ量δ1と低下後のたわみ量δ2との差である。低下後の荷重の代表値をW3とする。
(ヤング率、降伏応力、0.2%耐力)
樹脂材料の曲げ試験における曲げ弾性率(ヤング率)は、JIS K7171、降伏応力は、JIS K7161、金属材料のヤング率、降伏応力、0.2%耐力は、JIS Z2241に準拠して測定を行った。に準拠して万能材料試験機AG100kNx(島津製作所製)を使用し測定を行った。
(リブ部の天板表面のひけ)
リブ部を有する部分の天板表面のひけは、蛍光灯の光源の反射が直線的であるかどうか目視によりひけの有無の判断を行った。
(金属の重量比率)
構造体リブ部に用いられる金属の重量と構造体全体の重量との比であり、以下のように表される。重量の測定は、研精工業株式会社製GR−202を使用した。
(金属の体積比率)
構造体リブ部に用いられる金属の形状から求めた体積と構造体全体の形状から求めた体積との比であり、以下のように表される。
(構造体の界面比率)
設計上の形状から求められる構造体全体の表面積と、構造体リブ部に用いられる金属と本体部との界面積との比であり、以下のように表される。
(金属表面の界面比率)
金属部が樹脂と接している面積の比率を表す物で、以下のように表される。
[実施例1]
(リブ部金属材料の準備)
市販の1mm厚A5052板材を入手し、切断して、幅5mm×長さ150mm、および、幅5mm×長さ210mmの合金板材を作成し、さらに、長さ方向に50mm間隔で2.5mmの切欠きをいれた。
(射出成形)
日本製鋼所社製射出成型機(JSW J85AD110H)に構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、リブ溝の交差部分および交差部分の中間点に配置)を装着し、金型内に上記アルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置した。次いで、その金型内にポリオレフィンを、シリンダー温度230℃、金型温度55℃、射出速度100mm/sec、保圧15MPa、保圧時間5秒、冷却時間50秒の条件にて射出成形を行った。次いで、イジェクターピンにて得られた金属/樹脂複合構造体を離型した。イジェクターピンによって押された部分には、イジェクターピンの太さの樹脂だまりが形成され、リブ部の金属材料を樹脂が包み込んでいる形状を確認した。ポリオレフィンとしては、プロピレン系重合体(プライムポリマー社製、プライムポリプロJ705UG、密度910kg/m3、プロピレン系重合体のMFR:9g/10分)を用いた。
[実施例2]
実施例1と同様の方法でインサート金属を準備し、構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、リブ溝の交差部分および交差部分の中間点に配置)を射出成形機に装着し、金型内に実施例6で準備したアルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置し射出発泡成形を行った。射出発泡成形は、射出成形機のシリンダーに超臨界窒素を0.5wt%注入して次いでその金型内にポリオレフィンを、シリンダー温度230℃、金型温度55℃、射出速度100mm/sec、冷却時間50秒の条件にて射出率95%のショートショット法により行った。次いで、イジェクターピンにて得られた金属/樹脂複合構造体を離型した。イジェクターピンによって押された部分には、イジェクターピンの太さの樹脂だまりが形成され、リブ部の金属材料を樹脂が包み込んでいる形状を確認した。ポリオレフィンとしては、プロピレン系重合体(プライムポリマー社製、プライムポリプロJ705UG、密度910kg/m3、プロピレン系重合体のMFR:9g/10分)を用いた。
[実施例3]
実施例1と同様の方法でインサート金属を準備し、構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、リブ溝の交差部分および交差部分の中間点に配置)を射出成形機に装着し、金型内に実施例6で準備したアルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置した。次いで、その金型内にポリオレフィンを、シリンダー温度230℃、金型温度55℃、射出速度100mm/sec、保圧15MPa、保圧時間5秒、冷却時間50秒の条件にて射出成形を行った。次いで、イジェクターピンにて得られた金属/樹脂複合構造体を離型した。イジェクターピンによって押された部分には、イジェクターピンの太さの樹脂だまりが形成され、リブ部の金属材料を樹脂が包み込んでいる形状を確認した。ポリオレフィンとしては、ガラス繊維含有プロピレン系重合体(プライムポリマー社製、プライムポリプロV7100、密度1030kg/m3、プロピレン系重合体のMFR:18g/10分)を用いた。
[実施例4]
実施例1と同様の方法でインサート金属を準備し、構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、リブ溝の交差部分および交差部分の中間点に配置)を射出成形機に装着し、金型内に実施例6で準備したアルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置し射出発泡成形を行った。射出発泡成形は、シリンダーに超臨界窒素を0.5wt%注入して次いでその金型内にポリオレフィンを、シリンダー温度230℃、金型温度55℃、射出速度100mm/sec、冷却時間50秒の条件にて射出率95%のショートショット法により射出発泡成形を行った。次いで、イジェクターピンにて得られた金属/樹脂複合構造体を離型した。イジェクターピンによって押された部分には、イジェクターピンの太さの樹脂だまりが形成され、リブ部の金属材料を樹脂が包み込んでいる形状を確認した。ポリオレフィンとしては、ガラス繊維含有プロピレン系重合体(プライムポリマー社製、プライムポリプロV7100、密度1030kg/m3、プロピレン系重合体のMFR:18g/10分)を用いた。
[実施例5]
実施例1と同様の方法でインサート金属を準備し、構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、リブ溝の交差部分および交差部分の中間点に配置)を射出成形機に装着し、金型内に実施例6で準備したアルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置した。次いで、その金型内にポリアミドを、シリンダー温度260℃、金型温度70℃、射出速度100mm/sec、保圧20MPa、保圧時間5秒、冷却時間50秒の条件にて射出成形を行った。次いで、イジェクターピンにて得られた金属/樹脂複合構造体を離型した。イジェクターピンによって押された部分には、イジェクターピンの太さの樹脂だまりが形成され、リブ部の金属材料を樹脂が包み込んでいる形状を確認した。ポリアミドとしては、ナイロン6(東レ社製、CM1017、密度1183kg/m3、ポリアミド系重合体の260℃において2.16kgで測定したMFRは70g/10分)であった。
[実施例6]
実施例1と同様の方法でインサート金属を準備し、構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、リブ溝の交差部分および交差部分の中間点に配置)を射出成形機に装着し、金型内に実施例6で準備したアルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置した。次いで、その金型内にポリアミドを、シリンダー温度260℃、シリンダーに超臨界状態の窒素ガスを0.5wt%注入、金型温度70℃、射出速度100mm/sec、、冷却時間50秒の条件にてMuCell射出発泡成形を行った。次いで、イジェクターピンにて得られた金属/樹脂複合構造体を離型した。イジェクターピンによって押された部分には、イジェクターピンの太さの樹脂だまりが形成され、リブ部の金属材料を樹脂が包み込んでいる形状を確認した。ポリアミドとしては、ナイロン6(東レ社製、CM1017、密度1183kg/m3、ポリアミド系重合体の260℃において2.16kgで測定したMFRは70g/10分)であった。
[比較例1]
実施例1と同様の方法でインサート金属を準備し、構造体本体部分からなる天板の厚さが2mmとなるリブ溝付き平板金型(イジェクターピンを、構造体本体部分を押す位置に配置)を射出成形機に装着し、金型内に実施例6で準備したアルミニウム合金板材を金型のリブ溝に格子状に設置した。次いで、その金型内にポリオレフィンを、シリンダー温度230℃、金型温度55℃、射出速度100mm/sec、保圧15MPa、保圧時間5秒、冷却時間50秒の条件にて射出成形を行った。ポリオレフィンとしては、プロピレン系重合体(プライムポリマー社製、プライムポリプロJ705UG、密度910kg/m3、プロピレン系重合体のMFR:9g/10分)を用いた。
また、本実施例の金属/樹脂複合構造体は、平板上の基板からリブが突出しており、そのリブ先端部の当接面も平板状であるが、基板および当接面は曲面状であってもよいのは勿論のことである。
Claims (12)
- 本体部分とリブ部とを有する構造体からなる金属/樹脂複合構造体であって、
前記本体部分が樹脂材料からなり、
前記リブ部が、金属材料からなり、
前記リブ部の一部のみが、前記樹脂材料により被覆されており、
前記本体部分から突出した前記リブ部の高さ方向において、当該高さ方向全体に亘って前記リブ部に前記樹脂材料が被覆されている、金属/樹脂複合構造体。 - 前記構造体は、インサート射出成形体である、請求項1に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記リブ部が、前記金属材料からなる第1の平板で構成される、請求項1または2に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記リブ部において、前記第1の平板に切欠きが形成されており、
前記リブ部は、複数の前記第1の平板の前記切欠きを組み入れて構成される、請求項3に記載の金属/樹脂複合構造体。 - 前記リブ部が格子状構造であり、
前記樹脂材料の被覆が、前記格子状構造の交点部分に存在する、請求項1から4のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。 - 前記本体部分が、前記樹脂材料からなる第2の平板で構成される、請求項1から5のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記金属材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、およびチタン合金から選択される1種である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記樹脂材料100重量部当たり、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、タルク、粘土、およびガラス粉から選ばれる1種以上の充填剤を1〜100重量部を含有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記樹脂材料がポリオレフィンである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記本体部分が発泡体である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体。
- 前記リブ部を配置した射出金型に、前記樹脂材料を射出成形することにより得られる、請求項1〜10のいずれか1項に記載の金属/樹脂複合構造体を製造するための金属/樹脂複合構造体の製造方法。
- リブ溝が形成された金型を用いる、請求項11に記載の金属/樹脂複合構造体の製造方法。
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