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Development of hybrid joining via blasting and hot water treatment

Research Project

Project/Area Number 20H02041
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

梶原 優介  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60512332)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 木村 文信  東京大学, 生産技術研究所, 助教 (10739311)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
Keywords金属樹脂成形接合 / ブラスト処理 / 熱水処理 / 接合メカニズム / 異材接合 / 成形接合
Outline of Research at the Start

本研究では,ブラスト処理後に異材援用型熱水処理法を導入して鋼材表面にもナノ構造を創製し,Alのみならず鋼材とエンジニアリングプラスチックの間で引張せん断強度30 MPa,疲労試験強度(1000万回繰返し後のせん断強度)20 MPa以上の成形接合を達成する.加えて,熱水処理などで生成されるナノ構造への溶融樹脂転写の高分子サイズ効果を導き出すとともに,nano-FTIRやTHz偏光計測など新規技術を導入して接合部の樹脂配向や化学結合状態を明らかにし,成形接合における接合メカニズムを解明する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は,自動車の生産ラインと親和性の高いブラスト処理と熱水処理を融合した金属樹脂直接成形接合技術を確立すること,及び成形接合時の樹脂転写現象を明らかにするとともに,接合寄与因子を解明することである.具体的には,ブラスト処理後に異材援用型熱水処理法を導入して鋼材表面にもナノ構造を創製し,Alのみならず鋼材とエンジニアリングプラスチックの間で引張せん断強度30 MPa,疲労試験強度(10^7回繰返し後のせん断強度) 20 MPa以上の成形接合を達成する.加えて,熱水処理などで生成されるナノ構造への溶融樹脂転写の高分子サイズ効果を導き出すとともに,nano-FTIRやTHz偏光計測など新規技術を導入して接合部の樹脂配向や化学結合状態を明らかにし,成形接合における接合メカニズムを解明する.
2020年度はまず,Alと樹脂によるブラスト/熱水処理援用型成形接合技術の確立を推し進めた.具体的には,ブラスト処理後の熱水処理によって,AlとPBT,PA6との成形接合技術を実現して処理条件,成形条件を最適化し,いずれもせん断強度20 MPa以上を達成した.PA6に関しては,樹脂の流動性を高める添加剤を加えて成形接合を行うことにより,AlとPA6との間に30MPa以上という非常に高強度の接合を実現させている.以上に加えて,鋼材と樹脂の成形接合のトライアルを行い,ブラスト処理SPCCとPBT,ブラスト+熱水処理SPCCとPBTとの間に20MPa以上の成形接合を実現したほか,亜鉛めっきハイテン鋼に関しても熱水処理のみでPBTとの成形接合に成功するなど,様々部材においてブラスト,熱水処理の有用性を確認している.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

AlとPBT/PA6によるブラスト/熱水処理援用型成形接合に成功し,処理条件,成形条件を最適化してせん断強度20 MPa以上を達成したほか,新しい方向性として,PA6に添加剤を加えて流動性を向上させて成形接合を行うことにより,AlとPA6との間に30MPa以上という非常に高強度の接合を実現させている.これは当初の計画には無かった方向性であり,本研究において今後新たな展開が期待できる.以上に加えて,ブラスト処理SPCCとPBT,ブラスト+熱水処理SPCCとPBTとの間に20MPa以上の成形接合を実現したほか,亜鉛めっきハイテン鋼に関しても熱水処理のみでPBTとの成形接合に成功している.亜鉛めっきハイテン鋼が表面亜鉛層の熱水処理のみで成形接合に大きく寄与する点は当初の想像以上であり,本内容については2021年5月に特許出願を行う予定である.以上のように,計画以上に新しい展開が様々生まれつつあるため,当初の計画以上に進展している,と判定した.

Strategy for Future Research Activity

2020年度は様々な金属部材とエンジニアリングプラスチックの成形接合をブラスト処理と熱水処理によって実現しており,2021年度も同様に提案法の応用展開を進める.加えて,2021年度の大きな軸としては,耐久性評価がある.2020年度に簡易的な疲労試験装置を購入したため,接合試験片に対して疲労試験や温度サイクル試験を行って材料や条件による比較を行い,より耐久性の高い接合方法を開発するほか,接合断面の電子顕微鏡やナノFTIRによる解析を進めて接合メカニズムの解明を進める予定である.

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(23 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Book (2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Structure size effect on polymer infiltration in injection molded direct joining2021

    • Author(s)
      Kadoya Shotaro、Kimura Fuminobu、Yanagishita Takashi、Kajihara Yusuke
    • Journal Title

      Precision Engineering

      Volume: 67 Pages: 100-109

    • DOI

      10.1016/j.precisioneng.2020.09.017

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chemical interaction at the interface of metal?plastic direct joints fabricated via injection molded direct joining2021

    • Author(s)
      Zhao Shuaijie、Kimura Fuminobu、Wang Shuohan、Kajihara Yusuke
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 540 Pages: 148339-148339

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2020.148339

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Manufacturing aluminum/polybutylene terephthalate direct joints by using hot water?treated aluminum via injection molding2020

    • Author(s)
      Zhao Shuaijie、Kimura Fuminobu、Yamaguchi Eiji、Horie Nayuta、Kajihara Yusuke
    • Journal Title

      The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

      Volume: 107 Pages: 4637-4644

    • DOI

      10.1007/s00170-020-05364-0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Research and Proposal on Surface Texture Parameters for The Injection Molded Direct Joining Using Micro Blasting2020

    • Author(s)
      YAMAGUCHI Masaki、YOSHIDA Ichiro、KONDO Yuki、YAMAGUCHI Eiji、HORIE Nayuta、SUZUKI Gota、KIMURA Fuminobu、KAJIHARA Yusuke
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society for Precision Engineering

      Volume: 86 Issue: 6 Pages: 486-492

    • DOI

      10.2493/jjspe.86.486

    • NAID

      130007852025

    • ISSN
      0912-0289, 1882-675X
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ブラスト処理を利用した金属-樹脂接合の特徴と事例2020

    • Author(s)
      梶原優介
    • Journal Title

      プラスチックス

      Volume: 71 Pages: 38-42

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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of alumina nano textures for understanding the polymer infiltration in metal-polymer hybrid joining2021

    • Author(s)
      Hao CHANG, Fuminobu KIMURA, Yusuke KAJIHARA
    • Organizer
      Mate
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  • [Presentation] Understanding the influence of injection parameters on injection molded direct joining with machine learning2021

    • Author(s)
      Zhao Shuaijie, Kimura Fuminobu, Kajihara Yusuke
    • Organizer
      精密工学会春季学術講演会
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  • [Presentation] Evaluations of flow modifier to joint performance in injection molded direct joining2021

    • Author(s)
      Shuohan Wang, Fuminobu Kimura, Shuaijie Zhao, Eiji Yamaguchi, Yuka Ito, Yusuke Kajihara
    • Organizer
      精密工学会春季学術講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Influence of surface hydroxyl groups on the direct joining of metal and polymer via injection molding2020

    • Author(s)
      Shuaijie Zhao, Fuminobu Kimura, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie, and Yusuke Kajihara
    • Organizer
      euspen's virtual international conference
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Polymer Additive Effects in Injection Molded Metal-Polymer Direct Joining2020

    • Author(s)
      Shuohan Wang, Fuminobu Kimura, Shuaijie Zhao, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie, Yusuke Kajihara
    • Organizer
      18th International Conference on Precision Engineering (ICPE2020)
    • Related Report
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  • [Presentation] Metal polymer injection molded direct joining: replication procedure and injection speed effect for several scales of surface structures2020

    • Author(s)
      Shotaro Kadoya, Fuminobu Kimura, Takashi Yanagishita, Yusuke Kajihara
    • Organizer
      18th International Conference on Precision Engineering (ICPE2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Feasibility of injection molded direct joining of steel and polymer2020

    • Author(s)
      Weiyan Chen, Fuminobu Kimura, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie, Yusuke Kajihara
    • Organizer
      18th International Conference on Precision Engineering (ICPE2020)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Chemical effect evaluation in the direct joining of metal and plastic via injection molding2020

    • Author(s)
      Shuaijie Zhao, Fuminobu Kimura, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie, and Yusuke Kajihara
    • Organizer
      プラスチック成形加工学会年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Effects of Polymer Additives in Injection Molded Metal-Polymer Direct Joining2020

    • Author(s)
      Shuohan Wang, Fuminobu Kimura, Shuaijie Zhao, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie, Yusuke Kajihara
    • Organizer
      プラスチック成形加工学会年次大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Chemical interaction between metal and plastic in injection molded direct joining2020

    • Author(s)
      Shuaijie Zhao, Fuminobu Kimura,and Yusuke Kajihara
    • Organizer
      精密工学会秋季学術講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 成形接合における接合面の反射光分析と光線追跡解析2020

    • Author(s)
      竹内暁人,木村文信,梶原優介
    • Organizer
      精密工学会秋季学術講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of anodic porous alumina for metal-polymer direct joining2020

    • Author(s)
      Hao Chang, Shotaro Kadoya, Fuminobu Kimura, Yuesuke Kajihara
    • Organizer
      精密工学会秋季学術講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Correlation between micro-blasted steel surface roughness and joining strength in injection molded direct joining2020

    • Author(s)
      Weiyan Chen, Fuminobu Kimura, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie and Yusuke Kajihara
    • Organizer
      精密工学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] ナノスケール構造を用いた金属-透明樹脂成形接合2020

    • Author(s)
      竹内暁人,木村文信,門屋祥太郎,梶原優介
    • Organizer
      プラスチック成形加工学会シンポジア
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  • [Presentation] Influence of fluidity improver on metal-polymer direct joining via injection molding2020

    • Author(s)
      Shuohan Wang, Fuminobu Kimura, Shuaijie Zhao, Eiji Yamaguchi, Nayuta Horie, Yusuke Kajihara
    • Organizer
      プラスチック成形加工学会シンポジア
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  • [Book] 異種材料の接着・接合技術と応用事例(分担執筆)2021

    • Author(s)
      木村文信
    • Total Pages
      6
    • Publisher
      情報技術協会
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  • [Book] 接着・接合の支配要因と最適化技術(分担執筆)2021

    • Author(s)
      梶原優介,趙帥捷,木村文信
    • Total Pages
      7
    • Publisher
      S&T出版
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  • [Remarks] 東京大学梶原研究室

    • URL

      http://www.snom.iis.u-tokyo.ac.jp/

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URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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