TWI616303B - 複合成形體之製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可提高接合強度的複合成形體之製造方法。一種複合成形體之製造方法,其係金屬成形體與樹脂成形體接合而成的複合成形體之製造方法,其具有:第1步驟,其係對前述金屬成形體之接合面,照射雷射點徑10~200μm之範圍的雷射光而形成溝,形成直徑為20~1000μm之圓形或與其同面積範圍的一區域之步驟,藉由1次掃描連結雷射照射的起始點與終點而形成溝,並予以重複複數次掃描,而形成由溝所包圍的一區域;第2步驟,重複前述第1步驟,而形成由溝所包圍的複數個區域;第3步驟,將包含形成有由前述溝所包圍的區域的金屬成形體接合面的部分配置於模具內,而將成為前述樹脂成形體的樹脂嵌入成形。

Description

複合成形體之製造方法
本發明係關於包含金屬成形體與樹脂成形體的複合成形體之製造方法。
基於各種零件之輕量化觀點,作為金屬替代品係使用樹脂成形體,惟亦多有難以將所有的金屬零件以樹脂取代的情況。在此種情況下,考慮藉由將金屬成形體與樹脂成形體接合成一體來製造新的複合零件。
然而,可將金屬成形體與樹脂成形體以工業上有利的方法並以高接合強度接合成一體的技術,尚未實用化。
日本專利第4020957號公報記載一種供以與不同種材料(樹脂)接合的金屬表面之雷射加工方法之發明,其包含:對金屬表面,沿一掃描方向進行雷射掃描之步驟;及沿與其交叉之掃描方向進行雷射掃描之步驟。
日本特開2010-167475號公報揭示一種在日本專利第4020957號公報之發明中,進一步重疊性地進行雷射掃描複數次的雷射加工方法之發明。
然而,日本專利第4020957號公報、日本特開2010-167475號公報之發明必須對交叉的兩方向進行雷射掃描,因此,在耗費過長加工時間方面尚有改善之空間。
再者認為,由於朝交叉方向進行雷射掃描可實施充分的表面粗化處理,故可提高接合強度,但存有以下問題:表面粗糙度狀態不均勻,而有金屬與樹脂之接合部分的強度的方向性不穩定之虞。
例如,會有一接合體其朝X軸方向的剪切力或拉伸強度為最高,但另一接合體其朝與X軸方向相異之Y軸方向的剪切力或拉伸強度為最高,且又一接合體其朝與X軸及Y軸方向相異之Z軸方向的剪切力或拉伸強度為最高的問題發生之虞。
雖視製品(例如朝一方向之旋轉體零件或朝一方向之往復運動零件)而會有要求朝特定方向具有高接合強度的金屬與樹脂之複合體的情況,惟日本專利第4020957號公報、日本特開2010-167475號公報之發明並無法充分因應前述之要求。
又,在接合面呈複雜形狀或呈包含寬度較細之部分的形狀的情況(例如星形、三角形、啞鈴型),據認為沿交叉方向進行雷射掃描之方法,會使表面粗化處理一部分變得不均勻,結果會無法獲得充分的接合強度。
日本特開平10-294024號公報記載一種對金屬表面照射雷射光而形成凹凸,並對凹凸形成部位射出成形樹脂、橡膠等的電氣電子零件之製造方法。
在其實施形態1~3中記載,對金屬長尺寸線圈表面進行雷射照射而形成凹凸。而且,於段落編號10記載,將金屬長尺寸線圈表面粗化成條帶狀或緞紋狀;於段落編號19記載,將金屬長尺寸線圈表面粗化成條帶狀、虛線狀、波線狀、滾紋狀、緞紋狀。
然而,如其段落編號21、22之發明之效果所記載,進行雷射照射之目的係為了在金屬表面形成微細且不規則的凹凸,藉此來提高定準效應。特別是因其處理對象為金屬長尺寸線圈,因此認為,無論在形成何種凹凸的情況下,均必然會形成微細且不規則的凹凸。
因此,日本特開平10-294024號公報之發明係揭示如日本專利第4020957號公報、日本特開2010-167475號公報之發明般,與朝交叉方向進行雷射照射而於表面形成微細的凹凸之發明相同的技術思想。
國際公開2012/090671號係一種包含金屬成形體與樹脂成形體的複合成形體之製造方法之發明。其具有對金屬成形體之接合面,以沿一方向或不同方向形成包含直線及/或曲線之標記的方式進行雷射掃描之步驟,且其係以包含各直線及/或各曲線之標記彼此未交叉的方式進行雷射掃描之步驟。其第6圖至第9圖係顯示四方形、圓形、橢圓形、三角形之標記圖案。
本發明係以提供一種可製造接合強度進一步提高的複合成形體之製造方法為課題。
作為課題之解決手段,本發明係提供一種複合成形體之製造方法,其係金屬成形體與樹脂成形體接合而成的複合成形體之製造方法,其具有:第1步驟,其係對前述金屬成形體之接合面,照射雷射點徑10~200μm之範圍的雷射光而形成溝,形成直徑為 20~1000μm之圓形或與其同面積範圍的一區域之步驟,藉由1次掃描連結雷射照射的起始點與終點而形成溝,並予以重複複數次掃描,而形成由溝所包圍的一區域;第2步驟,重複前述第1步驟,形成由溝所包圍的複數個區域;及第3步驟,將包含形成有由前述溝所包圍的區域的金屬成形體接合面的部分配置於模具內,而將成為前述樹脂成形體的樹脂嵌入成形。
根據本發明之複合成形體之製造方法,可提高金屬成形體與樹脂成形體之接合強度。
1‧‧‧複合成形體
10‧‧‧金屬成形體
12‧‧‧接合面
20‧‧‧樹脂成形體
第1圖為以本發明製造方法所得之複合成形體之厚度方向的剖面圖(含部分放大圖)。
第2圖為本發明另一實施形態之複合成形體之直徑方向的剖面圖,(a)為由側面觀看的圖;(b)為由端面觀看的圖。
第3圖為本發明之製造方法的說明圖,係俯視圖(右側)及其部分放大圖(左側)。
第4圖(a)~(g)為表示本發明之製造方法中由構所包圍的區域之形成圖案的圖。
第5圖為實施例中的製造方法的說明圖。
第6圖之(a)為實施例1之複合成形體所使用的金屬成形體之俯視圖的SEM照片;第6圖之(b)為第6圖(a)的放大圖;第6圖之(c)為第6圖(a)之厚度方向剖面的SEM照片。
第7圖為比較例1之製造方法的說明圖。
第8圖為用以說明實施例與比較例之複合成形體之接合強度的測定方法的圖。
[實施發明之形態]
第1圖為使平板之金屬成形體10與平板之樹脂成形體20以平面彼此進行接合一體化而成的複合成形體1之厚度方向的剖面圖(含部分放大圖)。
第2圖(a)為使圓柱(圓棒)之金屬成形體10與圓柱之樹脂成形體20以曲面彼此進行接合一體化而成的複合成形體1之厚度(直徑)方向的剖面圖。
第1圖及第2圖之複合成形體1可經由以下第1步驟、第2步驟及第3步驟製造。
<第1步驟>
如第3圖之俯視圖及部分放大圖所示,在第1步驟中,係對經接合一體化前之金屬成形體10之接合面,照射雷射點徑(d)為10~200μm之範圍的雷射光而形成溝31,形成直徑(D)為20~1000μm之圓形或與其同面積範圍的一區域。
進而,在第1步驟中,係藉由1次掃描連結雷射照射的起始點與終點而形成溝31,並以使其形成相同溝31的方式予以重複複數次掃描,而形成由溝31所包圍的一區域。
以溝31與凸部32所形成的一區域(圓形區域)30之直徑D係作為雷射光點外側之接觸圓的直徑。
溝31係如第3圖之部分放大圖所示,藉由1次掃描連結雷射照射的起始點與終點而形成。即,以使沿圓周方向相鄰的雷射點彼此間重複或接觸的方式進行雷射照射。
接著在第2次掃描中,亦與第1次掃描同樣地在同一溝31上進行複數次掃描。藉著進行複數次掃描,來調整溝31之深度(即,凸部32之高度)。
在第1步驟中由溝31所包圍的區域30,除了為如第4圖(a)~(g)所示之圓形、橢圓形、三角形、四邊形外,尚可作成選自五邊形以上之多角形及所欲之不規則形的區域,亦可為包含除此之外的形狀的區域。
當作成圓形以外之區域時,係予以作成直徑(D)為20~1000μm之圓形或與其同面積範圍的一區域。
雷射點徑(d)係為10~200μm,較佳為10~100μm,更佳為10~50μm。
一區域之大小係為直徑(D)為20~1000μm之圓形或與其同面積範圍,較佳為直徑(D)為20~500μm之圓形或與其同面積範圍,更佳為直徑(D)為20~300μm之圓形或與其同面積範圍。
1次掃描之照射距離較佳為100~100,000μm,更佳為100~10,000μm,進一步更佳為100~1000μm。如此藉由縮短1次掃描之照射距離,可抑制掃描間之熱的擴散與金屬溫度的下降,因此,雷射加工之效率(每單位時間之加工量)會變得良好。
以1次掃描之雷射光照射所形成的溝深較佳為5~300μm,更佳為10~300μm。
全部掃描後溝深較佳為10~600μm,更佳為10~300μm。
形成此種包含溝的區域30時之雷射光的照射條件如下:輸出功率較佳為4~4000W。
波長較佳為300~1200nm,更佳為500~1200nm。
1次掃描之脈衝寬度(1次掃描之雷射光的照射時間)較佳為1~10,000nsec。
頻率較佳為1~100kHz。
焦點位置較佳為-10~+10mm,更佳為-6~+6mm。
加工速度較佳為10~10,000mm/sec,更佳為100~10,000mm/sec,進一步更佳為300~10,000mm/sec。
掃描次數較佳為1~30次。
<第2步驟>
在第2步驟中,係重複第1步驟,對金屬成形體10之接合面12,形成第4圖(a)~(g)所示之複數個區域30(30a~30g)。
第4圖(a)~(e)中,係在接合面12整面形成區域30(30a~30e);第4圖(f)、(g),係在接合面12的-部分面形成區域30(30f、30g)。
第4圖(a)中,複數個具有溝31a與凸部32a的圓形區域30a係以均等間隔形成。複數個圓形區域30a係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30a之溝31a彼此重疊。
第4圖(b)中,複數個具有溝31b與凸部32b的橢圓形區域30b係以均等間隔形成。複數個橢圓形區域30a係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30b之溝31b彼此重疊。
第4圖(c)中,複數個具有溝31c與凸部32c的三角形區域30c係以均等間隔形成。複數個三角形區域30c係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30c之溝31c彼此重疊。
第4圖(d)中,複數個具有溝31d與凸部32d的四邊形區域30d係以均等間隔形成。複數個四邊形區域30d係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30d之溝31d彼此重疊。
第4圖(e)中,係以與第4圖(a)相異之配置狀態,複數個具有溝31e與凸部32e的圓形區域30e係以均等間隔形成。複數個圓形區域30e係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30e之溝31e彼此重疊。
第4圖(f)中,係與第4圖(a)、(e)相異,在接合面12的一部分面形成複數個具有溝31f與凸部32f的圓形區域30f。複數個圓形區域30f係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30f之溝31f彼此重疊。
第4圖(f)中,複數個圓形區域30f係以使其接合面12的邊12a側之圓形區域30f的形成密度變高,且使相反側的邊12b側之圓形區域30f的形成密度變低的方式形成。如此在接合面12使圓形區域30f未均等配置,可予成形為偏向存在於一部分面。
當第1圖所示複合成形體1係在接合面12形成有第4圖(f)所示複數個圓形區域30f時,由於係以使圓形區域30f於邊12a側較密地形成的方式所構成,因此,複合成形體1其朝第4圖(f)之箭號方向拉伸時的抵抗力變大,可提高金屬成形體10與樹脂成形體20之接合強度。
第4圖(g)中,係與第4圖(a)、(e)相異,在接合面12的周圍形成複數個具有溝31g與凸部32g的圓形區域30g,於中央部未形成圓形區域30g。複數個圓形區域30g係各自獨立而未接觸,惟亦可使全部或一部分的區域30g之溝31g彼此重疊。
此外,亦可與第4圖(g)相反,僅於接合面12之中央部形成複數個圓形區域30g,於周圍未形成圓形區域30g。
<第3步驟>
在第3步驟中,係將包含形成有複數個區域30的金屬成形體10之接合面12的部分配置於模具內,使用成為樹脂成形體20的樹脂進行嵌入成形,而得到複合成形體1。
藉此嵌入成形步驟,如第1圖所示,可得區域30(溝31與突起32)之溝31內滲入有樹脂之狀態的複合成形體1。
如此,由於金屬成形體10具有區域30(溝31與突起32),可增大金屬成形體10與樹脂成形體20之接觸面積,同時亦可藉由樹脂填入溝31內所產生的定準效應而提高接合強度。
更且,例如如第4圖(a)~(g)所示,藉由調整區域30之配置狀態、或調整形成圖案,可得朝所欲方向之拉伸強度或彎曲強度獲提高的複合成形體。
本發明複合成形體所使用的金屬成形體之金屬不特別限制,可根據用途由周知之金屬中適當選出。可列舉例如選自鐵、各種不鏽鋼、鋁或其合金、銅或其合金、銀或其合金、鋅、鎂、鉛、錫及含有彼等之合金者。
本發明複合成形體所使用的金屬成形體之成形方法不特別限制,可依據金屬之種類應用周知之各種成形法來製造,可使用例如以模具流延(die cast)法製造而成者。
本發明之複合成形體中所使用的樹脂成形體之樹脂,除熱塑性樹脂、熱硬化性樹脂外,尚包含熱塑性彈性體。
熱塑性樹脂可依據用途由周知之熱塑性樹脂中適當選出。可列舉例如聚醯胺系樹脂(PA6、PA66等脂肪族聚醯胺、芳香族聚醯胺)、聚苯乙烯、ABS樹脂、AS樹脂等含苯乙烯單元之共聚物、聚乙烯、含乙烯單元之共聚物、聚丙烯、含丙烯單元之共聚物、其他聚烯烴、聚氯乙烯、聚偏二氯乙醯、聚碳酸酯系樹脂、丙烯酸系樹脂、甲基丙烯酸系樹脂、聚酯系樹脂、聚縮醛系樹脂、聚苯硫系樹脂。
熱硬化性樹脂可依據用途由周知之熱硬化性樹脂中適當選出。可列舉例如尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、酚樹脂、間苯二酚樹脂、環氧樹脂、聚胺甲酸酯、乙烯胺甲酸酯。
熱塑性彈性體可依據用途由周知之熱塑性彈性體中適當選出。可列舉例如苯乙烯系彈性體、氯乙烯系彈性體、烯烴系彈性體、胺甲酸酯系彈性體、聚酯系彈性體、腈系彈性體、聚醯胺系彈性體。
此等熱塑性樹脂、熱硬化性樹脂、熱塑性彈性體中可摻混周知之纖維狀填充材料。
作為周知之纖維狀填充材料,可列舉碳纖維、無機纖維、金屬纖維、有機織維等。
碳纖維為周知者,可採用PAN系、瀝青系、嫘縈系、木質系等的纖維。
作為無機纖維,可列舉玻璃纖維、玄武岩纖維、氧化矽纖維、氧化矽‧氧化鋁纖維、氧化鋯纖維、氮化硼纖維、氮化矽纖維等。
作為金屬纖維,可列舉包含不鏽鋼、鋁、銅等的纖維。
作為有機纖維,可使用聚醯胺纖維(全芳香族聚醯胺纖維、二胺與二羧酸之任一者為芳香族化合物的半芳香族聚醯胺纖維、脂肪族聚醯胺纖維)、聚乙烯醇纖維、丙烯酸纖維、聚烯烴纖維、聚甲醛纖維、聚四氟乙烯纖維、聚酯纖維(含全芳香族聚酯纖維)、聚苯硫纖維、聚醯亞胺纖維、液晶聚酯纖維等合成纖維或天然纖維(纖維素系纖維等)或再生纖維素(嫘縈)纖維等。
此等纖維狀填充材料,可使用纖維徑為3~60μm之範圍者,惟,此等當中,較佳使用例如纖維徑小於相對金屬成形體10之接合面11所形成的標記圖案之 寬度(細孔之開口部的大小、或溝寬)者。纖維徑更理想為5~30μm,進一步更理想為7~20μm。
在使用此種纖維徑小於標記圖案之寬度的纖維狀填充材料時,可得纖維狀填充材料的一部分黏入金屬成形體之標記圖案內之狀態的複合成形體,可提高金屬成形體與樹脂成形體之接合強度,因而較佳。
甚而,由於此等纖維狀填充材料係藉由提高樹脂成形體之機械強度,並縮小與金屬成形體之機械強度差來提高金屬成形體與樹脂成形體之接合強度,因此較佳為係將成形後之樹脂成形體中所含之重量平均纖維長可形成較佳為0.1~5.0mm,更佳為0.1~4.0mm,進一步更佳為0.2~3.0mm,最佳為0.5~2.5mm等長度者作為製造原料使用。
相對於100質量份之熱塑性樹脂、熱硬化性樹脂、熱塑性彈性體之纖維狀填充材料的摻混量較佳為5~250質量份。更理想為25~200質量份,進一步更理想為45~150質量份。
本發明之複合成形體之製造方法中可使用周知之雷射,可使用例如YVO4雷射、YAG雷射、纖維雷射、準分子雷射、紫外線雷射、二氧化碳雷射、半導體雷射、玻璃雷射、紅寶石雷射、He-Ne雷射、氮氣雷射、螯合物雷射、色素雷射。
雷射之照射條件,例如波長、束徑、細孔之間隔‧周波數等,可依據作為接合對象的金屬成形體與樹脂成形體之大小、質量、種類、甚或所要求之接合強度等來適當決定。
[實施例] 實施例1
對第5圖所示金屬成形體(鋁:A5052)之接合面12,以表1所示條件進行雷射照射,形成第4圖(a)所示的372個圓形區域30a。且,雷射振盪器係使用纖維雷射(IPG製YLP-1-50-30-30RA)。
第6圖(a)為實施例1中使用之金屬成形體之俯視的SEM照片(100倍);第6圖(b)為(a)之放大照片(200倍);第6圖(c)為第6圖(a)之厚度方向剖面的SEM照片(100倍)。
以上述方式在金屬成形體形成圓形區域後,以下述方法進行嵌入成形,而得到實施例1之複合成形體。
比較例1
對第5圖所示金屬成形體(鋁:A5052)之接合面12,以表1所示條件進行雷射照射,形成包含如第7圖所示狀態之彎折複數次之直線的溝。且,雷射振盪器係使用纖維雷射(IPG製YLP-1-50-30-30RA)。
以上述方式在金屬成形體形成包含直線的溝後,以下述方法進行嵌入成形,而得到比較例1之複合成形體。
比較例2
對第5圖所示金屬成形體(鋁:A5052)之接合面12,以表1所示條件進行雷射照射,形成包含如第7圖所示狀態之彎折複數次之直線的溝。且,雷射振盪器係使用纖維雷射(IPG製YLP-1-50-30-30RA)。
以上述方式在金屬成形體形成包含直線的溝後,以下述方法進行嵌入成形,而得到比較例2之複合成形體。
<嵌入成形(射出成形)>
樹脂:GF60%強化PA66樹脂(Plastron PA66-GF60-01(L7):Daicel Polymer(股)製),玻璃纖維之纖維長:11mm
樹脂溫度:320℃
模具溫度:100℃
射出成形機:FANUC製ROBOSHOT S2000i-100B
[拉伸試驗]
使用實施例1、比較例1、2之複合成形體,進行拉伸試驗並評定接合強度(S1)。將結果示於表1。
此外,複合成形體之樹脂成形體中的玻璃纖維之纖維長(重量平均纖維長)為0.85mm。平均纖維長係自成形品切出約3g之試料,於650℃予以加熱‧灰化並取出玻璃纖維。由取出之纖維的一部分(500根)求取重量平均纖維長。計算式係使用日本特開2006-274061號公報之[0044]、[0045]。
拉伸試驗,係測定在將金屬成形體側固定的狀態下,予以朝第8圖所示X1方向拉伸至金屬成形體與樹脂成形體斷裂為止時的最大負載。
<拉伸試驗條件>
試驗機:Orientec公司製Tensilon(UCT-1T)
拉伸速度:5mm/min
夾頭間距離:50mm
相較於比較例1、2,由於實施例1係1次掃描之照射距離較短,得以抑制熱的擴散,因此,可加大每次掃描之溝深。
因此,如比較實施例1與比較例1,實施例1可縮短合計掃描時間,可確認可得接合強度高於比較例1的複合成形體。
又,若比較實施例1與比較例2,可確認當為相同合計掃描時間時,可得接合強度高3倍以上的複合成形體。
因此,透過應用本發明之製造方法,便可大幅提升雷射加工之效率(每單位時間之加工量)。

Claims (7)

  1. 一種複合成形體之製造方法,其係金屬成形體與樹脂成形體接合而成的複合成形體之製造方法,其具有:第1步驟,其係對該金屬成形體之接合面,照射雷射點徑10~200μm之範圍的雷射光而形成溝,形成直徑為20~1000μm之圓形或與其同面積範圍的一區域之步驟,藉由1次掃描連結雷射照射的起始點與終點而形成溝,並予以重複複數次掃描,而形成由溝所包圍的一區域,該1次掃描之照射距離為100~100,000μm;第2步驟,重複該第1步驟,而形成由溝所包圍的複數個區域;第3步驟,將包含形成有由該溝所包圍的區域的金屬成形體接合面的部分配置於模具內,而將成為該樹脂成形體的樹脂嵌入成形。
  2. 如請求項1之複合成形體之製造方法,其中在該第1步驟中由溝所包圍的一區域為選自由溝所形成的圓形、橢圓形、三角形、四邊形、五邊形以上之多邊形及不規則形的區域。
  3. 如請求項1或2之複合成形體之製造方法,其中該第2步驟為形成各自獨立的複數個區域之步驟。
  4. 如請求項1或2之複合成形體之製造方法,其中該第2步驟為使複數個區域相鄰之區域彼此的全部或一部分重疊形成之步驟。
  5. 如請求項1或2之複合成形體之製造方法,其中該第2步驟為在該金屬成形體之接合面全體形成複數個區域之步驟。
  6. 如請求項1或2之複合成形體之製造方法,其中該第2步驟為在該金屬成形體之接合面一部分形成複數個區域之步驟。
  7. 如請求項1或2之複合成形體之製造方法,其中該金屬成形體之接合面為平面或曲面。
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