2014 Fiscal Year Research-status Report
アンカー効果および金属表面コーティングの相乗効果による金属―樹脂接合技術の開発
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25420071
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
瀬戸 雅宏 金沢工業大学, ものづくり研究所, 講師 (90367459)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池永 訓昭 金沢工業大学, 工学部, 講師 (30512371)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 射出成形 / 異種接合 / 成形条件 / 強化フィラー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，金属表面に微細な凹凸形状を加工して金型内にインサートし，射出成形によって金型内および凹凸部に樹脂を流し込んで製品の賦形と同時にアンカー効果により金属と樹脂を接合する方法を対象としている．昨年度は，金属表面の凹凸部に流れる樹脂を直接観察できる可視化技術を用いて，凹凸部に流入する樹脂の流動挙動と成形条件の関係および接合強さとの関係を定量的に明らかにするとともに，接合強さを向上させるための成形条件設定指針を提案した．
今年度は，接合強さをさらに向上させるためガラス繊維強化樹脂を用いて，強化繊維が接合強さに与える影響を検討した．ガラス繊維を凹凸部に流入させることで接合強さが向上すると予想し，ガラス繊維長を変化させて凹凸部に流入するガラス繊維の挙動を観察した．その結果，凹凸部開口寸法よりも短い繊維は内部まで流入するが，長繊維では凹凸部内部への流入は確認されなかった．しかしながら，短繊維と長繊維の接合強さを比較すると，凹凸部に繊維が流入していない長繊維材料を用いた方が接合強さは向上した．その原因を考察した結果，接合強さの低下は成形収縮による接合面の剥離が原因であり，長繊維を含有した樹脂では成形収縮が小さく界面の剥離がわずかであったため接合強さが向上したことが明らかとなった．つまり，強化繊維を凹凸部に流入させるよりも，成形収縮が小さくなる成形条件設定，材料選定が重要であることを見出した．また，昨年時実施できなかった金型内にヒータを設置した実験においては，今年度新たに金型ブロックを設計し，金型ヒータの説高強さに与える効果についても検討したが，前述したように接合強さは成形収縮の影響を受けるため，ヒータの有効性は見いだせなかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
金型内にヒータを埋め込み，接合部を局所的に高温（約150℃）に設定して，金属表面の凹凸に確実に樹脂を流入させるプロセスの検討に関しては昨年度実施予定であったが，金型ヒータの選定や金型ブロックの設計に時間を要したため，実施できなかった．そのため，本年度は，ヒータの選定および金型ブロックの設計から着手し，接合強さに与えるヒータの効果を検討した．
今年度は，接合強さをさらに向上させるため，ガラス繊維強化樹脂を用いて繊維の金属凹凸部へのガラス繊維の流入状態および接合強さに与えるガラス繊維の影響を調査した．その結果，接合強さの向上には凹凸部にガラス繊維を流入させる必要はなく，樹脂の成形収縮による金属界面との剥離を抑制させることが重要であることが明らかとなった．したがって，今年度実施予定であった射出発泡成形によってガラス繊維の配向を制御し，凹凸部に流入させる成形プロセスの確立に関しては優先度を下げ，金属表面の凹凸形状の最適化に注力した．従来の金属表面の凹凸形状は深さは深いものの開口部も広いため，樹脂は流入しやすい形状であったが，大きなアンカー効果は得られなかった．CWレーザを用いて凹凸部を加工した結果，開口部が狭く深い形状が加工でき，接合強さも向上することがわかった．また，樹脂の流入状態をX線CTを用いて評価した結果，凹凸先端部まで樹脂が流入していないことが確認され，接合強度の推定には単純に凹凸部の表面積だけで説明できない新たな知見を見出すことができた．
樹脂との濡れ性に与える金属表面コーティングに関しては，種々のドーピング元素を選定したが，凹凸部への成膜条件の最適化に時間を要したこと，また，コーティングによる樹脂との濡れ性改善を評価する接触角計の不具合により今年度において十分な検討が行えていない．次年度においては金属表面のコーティング技術を接合強さに与える影響を最優先で検討する．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度研究対象とした接合強さに与えるガラス繊維の影響を検討した結果，接合強さを向上させるためには金属表面の凹凸部にガラス繊維を流入させる必要がなく，樹脂の成形収縮を抑制させる材料選定，成形条件の設定が重要であること見出した．この知見から，本年度実施予定であった射出発泡成形によってガラス繊維を配向制御して凹凸部に流入させるプロセス検討は優先度を下げ，新たな取り組みとして接合強さを向上させる新たな凹凸形状を検討した．CWレーザを用いて凹凸形状を加工すると非常に微細かつ深い凹凸が加工でき，接合強さを向上させることができた．この凹凸形状における樹脂の流入状態をX線CTで確認した結果，接合強さが向上しているにもかかわらず凹凸先端まで樹脂が流入せず，凹凸部の形状や表面積だけでは接合強さの発現を説明することができない新たな知見を得ることができた．この知見は，次年度検討予定である数値解析による接合強さ予測手法の開発の重要なヒントである．次年度においては，凹凸部近傍のガラス繊維配向をモデル化したミクロモデルによる構造解析によって材料の機械的特性を計算し，その結果をマクロモデルの構造解析に適用して接合強さを予測する手法を検討する計画であった．しかし，前述したようにCWレーザで加工した凹凸では先端部にまで樹脂が流入しないことが明らかとなったため，まずは接合面をX線CTにより詳細に観察し，画像処理技術によって樹脂と金属の接触面積を計測して接合強さとの相関を検討した後，CT観察結果を元に解析モデルを構築して接合強さを予測する手法を検討する．
また，今年度検討が不十分であった金属表面のコーティングによる樹脂との濡れ性評価および接合に最適なコーティング技術に関しては次年度優先して実施する．
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| Causes of Carryover |
今年度の検討において，接合強度に与えるガラス繊維の影響を検討した結果，接合強度の向上には凹凸部にガラス繊維を流入させる必要がないことを見出した．その結果，射出発泡成形による配向制御の検討は優先度を下げたため，発泡材の購入を控えた．
また，接合強度を向上させるための金属表面の凹凸形状について検討した結果，凹凸部の開口が狭くかつ深い形状が得られるCWレーザによる加工を検討し，接合強さが向上することを確認した．CWレーザでは，アンダーカットを有する凹凸形状も見られ，これが接合強さを向上させている一因と考えている．今年度では，プレス加工によって凹凸形状の加工を検討する計画であったが，プレスではアンダーカットの加工ができないため，CWレーザによる凹凸加工よりも接合強さが得られないことが予想された．そのため，プレスによる金属表面の検討は中止した．これらの理由から次年度への繰越金が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
CWレーザでは開口部が狭く深い凹凸部が加工でき，接合強さも向上することが今年度新たに実施した実験から明らかとなった．しかし，凹凸部先端にまで樹脂が流入していないことがX線CTの観察から明らかとなった．次年度実施予定の数値解析による接合強さ予測手法の検討に際しては，X線CT観察の結果を元に樹脂と金属が接触している領域をモデル化する必要がある．そのためCT画像を画商処理によって3次元モデル化するソフトウェアが不可欠である．したがって，次年度に繰り越された予算の一部を画像処理ソフトウェアの購入に充てたい．
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