JP6158866B2

JP6158866B2 - 複合成形体の製造方法

Info

Publication number: JP6158866B2
Application number: JP2015138715A
Authority: JP
Inventors: 片山　昌広; 昌広片山; 雅彦板倉
Original assignee: Daicel Polymer Ltd
Current assignee: Daicel Polymer Ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: JP2017019189A

Description

本発明は、金属成形体と熱可塑性樹脂成形体からなる複合成形体の製造方法に関する。

各種部品の軽量化の観点から、金属代替品として樹脂成形体が使用されているが、全ての金属部品を樹脂で代替することは難しい場合も多い。そのような場合には、金属成形体と樹脂成形体を接合一体化することで新たな複合部品を製造することが考えられる。
金属成形体と樹脂成形体を工業的に有利な方法で、かつ高い接合強度で接合一体化する方法として、特許文献１、２の発明が知られている。

特許文献１の発明は、金属成形体の接合面に連続波レーザーを照射することで粗面化した後、金型内に前記金属成形体の接合面を置いた状態でインサート成形などをすることで、金属成形体と樹脂成形体の複合成形体を製造する方法である。
特許文献２の発明は、金属成形体の接合面にパルス波レーザーを照射することで粗面化した後、金型内に前記金属成形体の接合面を置いた状態でインサート成形などをすることで、金属成形体と樹脂成形体の複合成形体を製造する方法である。

特許第５７０１４１４号公報特開２０１３−５２６６９号公報

本発明は、金属成形体と熱可塑性樹脂成形体を接合一体化するとき、上記従来技術のようなインサート成形を使用しないで一体化する、複合成形体の製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、金属成形体と熱可塑性樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体の熱可塑性樹脂成形体との接合面を粗面化する工程、
前記金属成形体の粗面化された接合面が前記熱可塑性樹脂成形体を構成する熱可塑性樹脂の熱変形温度（ISO75，荷重1.8MPa）から５０℃以上になるように加熱する工程、
前記金属成形体の粗面化された接合面と前記熱可塑性樹脂成形体を圧着する工程を有している、複合成形体の製造方法を提供する。

本発明の製造方法によれば、従来技術の複合成形体の製造方法のインサート成形工程が不要になるため、金属成形体と接合する熱可塑性樹脂成形体は予め所望形状で所望外観（模様）のものを使用することができるほか、金属成形体の形状、大きさなどの選択範囲も広くなる。

本発明の複合成形体の製造方法の説明図。実施例で使用したアルミニウム板の斜視図。本発明の複合成形体の製造方法において、粗面化工程で連続波レーザーの照射を実施するときの照射方法の説明図。

本発明の複合成形体の製造方法を図１により説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示すとおり、第１工程にて、金属成形体１０の熱可塑性樹脂成形体２０との接合面１２を粗面化する。

金属成形体１０の金属は特に制限されるものではなく、用途に応じて公知の金属から適宜選択することができるが、熱可塑性樹脂成形体２０を構成する熱可塑性樹脂の熱変形温度よりも十分に高い融点を有しているものである。
金属成形体１０の金属としては、例えば、鉄、各種ステンレス、アルミニウム、亜鉛、チタン、銅、マグネシウムおよびそれらを含む合金、タングステンカーバイド、クロミウムカーバイドなどのサーメットから選ばれるものを挙げることができ、これらの金属に対して、アルマイト処理、めっき処理などの表面処理を施したものにも適用できる。
金属成形体１０の形状も特に制限されるものではなく、複合成形体の用途に応じて選択することができ、平面、曲面、平面と曲面の組み合わせなどから選択することができる。
金属成形体１０の大きさも特に制限されるものではなく、複合成形体の用途に応じて選択することができ、例えば、既設の固定された状態の金属成形体も適用対象となる。

接合面１２の粗面化方法は特に制限されず、連続波レーザーの照射、パルス波レーザーの照射、エッチング、サンドブラスト、切削加工などの公知の方法を適用することができるが、連続波レーザーの照射、パルス波レーザーの照射による粗面化方法が好ましい。
金属成形体１０の接合面１２を連続波レーザーの照射により粗面化するときは、特許文献１に記載のとおり、金属成形体の接合面に対して、連続波レーザーを使用して２０００mm／sec以上の照射速度でレーザー光を連続照射する方法を適用することができる。
金属成形体１０の接合面１２をパルス波レーザーの照射により粗面化するときは、特許文献２に記載のレーザースキャン方法を適用することができる。

金属成形体１０の接合面１２を連続波レーザーの照射により粗面化するときは、次の照射条件で実施することができる。
連続波レーザーの照射速度は、２０００〜２０，０００mm／secが好ましく、２，０００〜１８，０００mm／secがより好ましく、２，０００〜１５，０００mm／secがさらに好ましい。
出力は４〜４０００Ｗが好ましく、５０〜２５００Ｗがより好ましく、１００〜２０００Ｗがさらに好ましく、２５０〜２０００Ｗがさらに好ましい。
ビーム径（スポット径）は５〜２００μmが好ましく、５〜１００μmがより好ましく、１０〜１００μmがさらに好ましい。
さらに出力とスポット径の組み合わせの好ましい範囲は、レーザー出力とレーザー照射スポット面積（π・〔スポット径／２〕²）から求められるエネルギー密度Ｅ１（Ｗ／μm²）より選択することができる。
エネルギー密度Ｅ１（Ｗ／μm²）は、０．１Ｗ／μm²以上が好ましく、０．２〜１０Ｗ／μm²がより好ましい。
エネルギー密度Ｅ１（Ｗ／μm²）が同じであるとき、出力（Ｗ）が大きい方がより大きなスポット面積（μm²）に対してレーザー照射できることになるため、処理速度（１秒当たりのレーザー照射面積；mm²／sec）が大きくなり、加工時間も短くすることができる。
波長は３００〜１２００nmが好ましく、５００〜１２００ｎｍがより好ましい。
焦点位置は-１０〜+１０ｍｍが好ましく、−６〜＋６ｍｍがより好ましい。

連続波レーザーは公知のものを使用することができ、例えば、YVO4レーザー、ファイバーレーザー（好ましくはシングルモードファイバーレーザー）、エキシマレーザー、炭酸ガスレーザー、紫外線レーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ガラスレーザー、ルビーレーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、窒素レーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。これらの中でもエネルギー密度が高められることから、ファイバーレーザーが好ましく、特にシングルモードファイバーレーザーが好ましい。

連続波レーザーの照射で１本の直線を形成するとき、１回の照射でもよいし、複数回繰り返して照射してもよい。
１本の直線に繰り返し照射するときは、双方向照射と一方向照射を選択することができる。
双方向放射は、１本のライン（溝）を形成するとき、ライン（溝）の第１端部から第２端部に連続波レーザーを照射した後、第２端部から第１端部に連続波レーザーを照射して、その後は、第１端部から第２端部、第２端部から第１端部というように繰り返し連続波レーザーを照射する方法である。
一方向照射は、第１端部から第２端部への一方向の連続波レーザー照射を繰り返す方法である。

連続波レーザーの照射の繰り返し回数（パス回数）は、接合面１２の粗面化の状態に応じて調整することができる。
粗面化された接合面は、特許文献１の図７、図８、実施例のＳＥＭ写真に示すような孔や溝が形成された状態になる。形成された孔または溝の深さは、接合面１２から約５０〜５００μmの範囲である。
また、レーザー照射時に、必要に応じて金属の酸化防止や処理の効率化（処理時間の短縮化）などを目的にアシストガスを噴射することもできる。

次に、第２工程（図１（ｃ））にて、金属成形体１０の粗面化された接合面１２が熱可塑性樹脂成形体を構成する熱可塑性樹脂の熱変形温度（ISO75，荷重1.8MPa）から５０℃以上になるように加熱する。
加熱方法は金属成形体１０の大きさや形状に応じて選択することができる。
金属成形体１０が小さなものや薄いものであれば、金属成形体１０自体をオーブン中に入れて全体を加熱したり、ホットプレートの上に金属成形体１０を置いて加熱したりすることができる。
金属成形体１０が大きなものや長いもので、オーブン中で加熱できないものであれば、ガスバーナーなどで粗面化された接合面１２を中心として加熱することができる。
加熱温度は、前記熱可塑性樹脂の熱変形温度から５０℃以上（熱変形温度が１００℃であれば、１５０℃以上）であればよいが、好ましくは前記熱変形温度よりも５０〜２００℃高い温度範囲になるように加熱する。前記温度範囲であると、金属成形体と熱可塑性樹脂成形体の接合強度が高くなり、熱可塑性樹脂成形体の形状も保持できるので好ましい。
図１（ｃ）では、加温装置が内蔵された下部プレス板５０上に金属成形体１０を置いて加熱している。

次に、第３工程にて、図１（ｄ）、（ｅ）に示すとおり、前工程で加熱されている金属成形体１０の粗面化された接合面１２と熱可塑性樹脂成形品２０の接合面２２を圧着する。
圧着方法としては、例えば、
金属成形体１０を接合面１２が上になるように作業台（好ましくは加熱装置を有する作業台）上に固定して、接合面１２に熱可塑性樹脂成形体２０の接合面２２を合わせた状態で、熱可塑性樹脂成形体２０側からプレスする方法、
金属成形体１０の接合面１２と熱可塑性樹脂成形体２０の接合面２２を合わせた状態で、下部プレス（好ましくは加熱装置を有するプレス）側の金属成形体１０と上部プレス側の熱可塑性樹脂成形体２０の両方からプレスする方法、
を適用することができる。
その他、金属成形体１０と熱可塑性樹脂成形体２０を水平方向に対向配置させた状態で、一方からまたは両方からプレスする方法を適用することもできる。
図１（ｄ）では、所定の温度に加温した下部プレス板５０上に金属成形体１０を置いて、金属成形体１０を所定の温度に加温した後、接合面１２に熱可塑性樹脂成形体２０を置き、その後、図１（ｅ）では、金属成形体１０側の下部プレス板５０と熱可塑性樹脂成形体２０側の上部プレス板５１で上下方向から圧力を加えている。

このように加熱された金属成形体１０の接合面１２に熱可塑性樹脂成形体２０の接合面２２を圧着すると、接合面１２の熱により接合面２２の熱可塑性樹脂が溶融する。
接合面１２と接合面２２が圧着されているため、溶融した熱可塑性樹脂は、金属成形体１０の接合面１２に形成されている孔内部や溝内部に入り込む。
その後、圧着状態を開放して冷却する方法、または圧着状態を維持したままで冷却する方法を適用することで、金属成形体１０の接合面１２の孔内部や溝内部に入り込んだ熱可塑性樹脂が固化するため、金属成形体１０と熱可塑性樹脂成形体２０は、高い接合強度で一体化される。
圧着状態を維持したままで冷却する方法を適用するときは、図１（ｅ）の状態にて下部プレス板５０による加温を停止して、自然冷却、送風冷却する方法のほか、上部プレス板５１として冷却装置を内蔵したものを使用して冷却することもできる。

熱可塑性樹脂成形体２０で使用する熱可塑性樹脂は、用途に応じて公知の熱可塑性樹脂から適宜選択することができる。
例えば、酢酸セルロースなどのセルロースエステル（但し、可塑剤を含む）、ポリアミド系樹脂（ＰＡ６、ＰＡ６６などの脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド）、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂などのスチレン単位を含む共重合体、ポリエチレン、エチレン単位を含む共重合体、ポリプロピレン、プロピレン単位を含む共重合体、その他のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂を挙げることができる。

また、熱可塑性樹脂に代えて熱可塑性エラストマーを使用することもできる。熱可塑性エラストマーとしては、例えば、スチレン系エラストマー、塩化ビニル系エラストマー、オレフィン系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ニトリル系エラストマー、ポリアミド系エラストマーを挙げることができる。

これらの熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマーには、炭素繊維、無機繊維、金属繊維、有機繊維などの公知の繊維状充填材、公知の樹脂用添加剤などを配合することができる。

熱可塑性樹脂成形体２０は、用途に応じて、少なくとも表面（接合面２２を除いた面）に所望の模様を有しているものを使用することができる。
前記模様は、熱可塑性樹脂成形体２０の表面に印刷されているものでもよいし、内部から表面まで同じ模様が形成されているものでもよい。
前記模様は、各種模様のほか、各種文字、図形、絵、漫画、写真、色分け（例えば、グラデーションをつけた色分け）、これらの組み合わせなども含む。
上記した特許文献１、２の発明では、金属成形体と樹脂成形体はインサート成形法または圧縮成形法（樹脂ペレットを使用した圧縮成形法）により接合一体化されているため、接合前の樹脂成形体に模様を形成しておくことはできない。
本発明の製造方法では、金属成形体１０と熱可塑性樹脂成形体２０を圧着させることで一体化させるため、予め熱可塑性樹脂成形体２０の所望の模様（最終製品の外観に現れる模様）を形成しておくことができるため、得られた複合成形体の用途をより広い範囲から選択できるようになる。

実施例１〜６
（第１工程：図１（ａ）、（ｂ））
作業台（鋼板）上に図２に示すアルミニウム（A5052）板１０（縦4mm、横10mm、長さ50mm）を置き、図３に示す装置にて表１に示す条件で連続波レーザーを照射して、接合面１２（4×10mm）を粗面化した。
なお、図１に示す金属成形体１０は、実施例で使用したアルミニウム板に限定されるものではないため、図１に示す金属成形体１０と図２に示すアルミニウム板の寸法は一致していない。

レーザー照射装置（図２）
100：シングルモードファイバーレーザーの先端部
101：光学ヘッド
102：ｆｃレンズ
103：ｆθレンズ
104：保護レンズ
ｄ１：ファイバー径
ｄ２：スピット径
ｆ１：ｆｃレンズの焦点距離
ｆ２：ｆθレンズの焦点距離

（シングルモードファイバーレーザー）
発振器：IPG-Ybファイバー，YLR-300-SM（IPG製）
光学ヘッド：LXD30+ARGES社のSQUIRREL（fc＝80mm／fθ＝100mmまたはfc＝80mm／fθ＝163mm）
出力：274Ｗ
ファイバー径：９μm
最小スポット径：１１μm
スポット面積：9.93516×10^-7cm²
最大走行速度:13330mm/sec

実施例１、２、４〜６は、金属成形体１０の表面に焦点を結ぶようにし（焦点はずし距離が±０mm）、実施例３は、金属成形体１０の内部に焦点を結ぶようにした（焦点はずし距離が-0.05mm）。
実施例１〜４は、fc＝80mm／fθ＝100mmのレンズの組み合わせを使用し、実施例５、６は、fc＝80mm／fθ＝163mmのレンズの組み合わせを使用した。
実施例４は、ノズル（ノズル形状7mm×3mm楕円形）を使用して、アシストガスとして圧縮空気（圧力0.3MPa）を供給しながらレーザー照射した。

（第２工程：図１（ｃ））
加熱装置を備えた１８０℃に加温されたプレス板上に粗面化された接合面１２が上になるように金属成形体を置き、表２に示す条件で接合面１２が１８０℃になるまで加熱した。

（第３工程：図１（ｄ）、（ｅ））
金属成形体１０の粗面化された接合面１２と酢酸セルロース系樹脂［酢酸セルロースと可塑剤などを含むもの；品名；セルブレンEC210，ダイセルポリマー（株）製，熱変形温度（ISO75，荷重1.8MPa）６６℃］を多色押出成形より作成した柄物シートから切出して製作した板（縦4mm、横10mm、長さ50mm）２０の接合面２２を合わせた状態で、プレス圧力１ＭＰａ、プレス時間６０秒で上下方向からプレスした。
なお、金属成形体と酢酸セルロース系樹脂板とのプレス作業は室温（２０〜２５℃）で実施したが、プレス時間は６０秒であるから、プレス終了時まで金属成形体が酢酸セルロース樹脂の熱変形温度から５０℃以上高い温度であることは自明である。
その後、プレスした状態で加熱を停止し、室温になるまで自然冷却して複合成形体１を得た。複合成形体のセルロース系樹脂の板の柄模様は、ほとんど変化することなくプレス成形前とほぼ同様の柄模様であった。

得られた複合成形体は、金属成形体の表面に熱可塑性樹脂成形体が密着していることが確認できた。
なお、金属成形体と熱可塑性樹脂成形体が高い接合強度で接合されていることは、特許文献１の圧縮成形法を適用した実施例１０〜１５（表３）に示す引張接合強度からも自明である。

本発明の複合成形体の製造方法は、公知の金属成形体に対して適用することで、金属成形体と熱可塑性樹脂成形体の複合成形体にすることができる。
例えば、日用品、調理器具、スポーツ用品、家具、ＯＡ機器、通信機器、各種電気製品、自転車部品、自動二輪車部品、自動車などの車両部品、内装品、外装品、建材などで使用している金属成形体に対して適用することで、熱可塑性樹脂成形体との複合成形体にすることができる。
また、本発明の複合成形体の製造方法は、既存または建設中の建築物で使用している金属成形体（壁、梁、柱など）のような大きな固定物に対して適用することで、接着剤を使用することなく金属成形体の表面を模様のある熱可塑性樹脂シートで被覆したり、ねじなどを使用することなく金属成形品に模様のある熱可塑性樹脂成形品（例えば、物を掛けるためのフック、カーテンレール、板（棚）、網かご、棒、枠、柱）を固定したりすることもできる。

１複合成形体
１０金属成形体
１２接合面（粗面化された接合面）
２０熱可塑性樹脂成形体
２２接合面

Claims

金属成形体と熱可塑性樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体の熱可塑性樹脂成形体との接合面を粗面化する工程、
前記金属成形体の粗面化された接合面が前記熱可塑性樹脂成形体を構成する熱可塑性樹脂の熱変形温度（ISO75，荷重1.8MPa）から５０℃以上になるように、前記金属成形体をオーブン中に入れて全体を加熱する方法、前記金属成形体をホットプレートにより加熱する方法、前記金属成形体の粗面化された接合面をガスバーナーで加熱する方法、加熱装置が内蔵されたプレス板の上に金属成形体を置いて加熱する方法から選ばれる方法により加熱する工程、
前記金属成形体の粗面化された接合面と前記熱可塑性樹脂成形体を圧着する工程を有している、複合成形体の製造方法。
金属成形体と熱可塑性樹脂成形体が接合された複合成形体の製造方法であって、
前記金属成形体の熱可塑性樹脂成形体との接合面に対してレーザー光を照射して粗面化する工程、
前記金属成形体の粗面化された接合面が前記熱可塑性樹脂成形体を構成する熱可塑性樹脂の熱変形温度（ISO75，荷重1.8MPa）から５０℃以上になるように、前記金属成形体を
オーブン中に入れて全体を加熱する方法、前記金属成形体をホットプレートにより加熱する方法、前記金属成形体の粗面化された接合面をガスバーナーで加熱する方法から選ばれる方法、加熱装置が内蔵されたプレス板の上に金属成形体を置いて加熱する方法により加熱する工程、
前記金属成形体の粗面化された接合面と前記熱可塑性樹脂成形体を圧着する工程を有している、複合成形体の製造方法。
前記熱可塑性樹脂成形体が少なくとも表面に所望の模様を有しているものである、請求項１または２記載の複合成形体の製造方法。