異種材料接合

金属とプラスチックの直接接合

軽量化を目的としたマルチマテリアル化や揮発性有機物質の低減を目的として、接着剤やボルト締結を用いない金属-プラスチックの一体化が挙げられます。一体化に必要な重要な要素技術の一つとして接合があります。当社では異種材料である金属とプラスチックを、完全ドライプロセスで実現する異種材料接合技術を開発しました。金属基材表面に基材と合金化した隆起微細構造を形成し、隆起微細構造にプラスチックを溶融・浸透・凝固させ、ポジティブアンカー効果により金属-プラスチックの直接接合を実現します。隆起微細構造を用いた金属-プラスチックの直接接合は唯一の直接接合技術で、完全ドライプロセス、環境負荷低減、高効率処理、高速処理、成形済プラスチックとの強力な接合が可能等の多くの特徴を有しており、且つ導入時の様々な制約を取り払うことができる革新的な異種材料接合技術です。加えて接合工法には従来のプラスチック接合技術が利用可能で設備投資の負担も軽減することができます。

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ポジティブアンカー効果

金属とプラスチックの直接接合は金属表面に形成された凹凸構造内部にプラスチックを浸透させて固定するアンカー効果による接合が最も強力な接合力が得られる接合方法です。強力な接合力を得るためには凹凸構造をナノ―マイクロスケールの微細構造にして、微細構造内部に溶融したプラスチックを浸透・密着・凝固させる必要があります。

一般的な微細構造形成は金属基材の深さ方向に微細構造を形成しますが、当社では金属表面に微細構造を隆起させてプラスチックとの接合層とする技術(特許取得)を開発しました。

隆起微細構造を接合層として利用することは、金属とプラスチックの直接接合において、非常に多くのメリットをもたらします。

    【利  点】
  1. 成形済のプラスチックとの強力な接合が可能になります。
  2. 様々な熱可塑性プラスチックとの接合が可能です。
  3. インサート成形による一体化だけではなく、ホットプレス、レーザ接合、超音波溶着等の成形樹脂同士の接合技術が利用できます。
  4. 少ない加圧力で接合ができます。
  5. 接合品質の管理が容易です。
  6. コーティング等の表面処理技術との複合化による機能付加が可能です。

当社では隆起微細構造を用いたプラスチックとの接合メカニズムを「ポジティブアンカー効果」による接合としました。

アンカー効果とポジティブアンカー効果の接合プロセスイメージを示します。アンカー効果は金属基材内部に形成した微細構造内に溶融したプラスチックが含浸することにより接合力を発揮する為に、微細構造内部へプラスチックを押し込む必要があります。これにはプラスチックの流動性を確保して高圧による押し込みが必要となるためにインサート成形の工法を用いることが適しています。これに対してポジティブアンカーは溶融したプラスチックに微細構造を埋め込むイメージになります。接合時の加圧力を微細構造部のみに集中させることができるために、低い圧力で隆起微細構造を押し込むことができる為、成形プラスチックでも容易に金属との接合が可能になります。

アンカー効果とポジティブアンカー効果

 

 

PMS処理

PMS処理は(Prominent Micro Structure)は強力なプラスチックとの接合を可能にする金属基材と合金化した隆起微細構造を形成します。
PMS処理で形成した隆起微細構造はナノ―マイクロマルチスケール構造となっています。金属表面のPMS処理領域はマイクロスケールの微細構造が形成され、各構造体の表面はナノスケールの構造体で覆われています。この微細構造帯に浸透・凝固したプラスチックが強力な接合力を発揮します。
PMS処理は基材にPMS剤を供給し、レーザ照射することにより可能となります。PMS処理はPMS剤を金属基材に供給しレーザクラッディング工法を用いることで任意の局所領域に隆起微細構造を形成することができます。PMS層の幅はレーザのスポットサイズで規定され、粉体供給を連続化する事により長尺のPMS層の形成が可能です。通常のレーザクラッディングは金属基材上に平滑な合金層を形成しますが、PMS処理剤を用いることでポジティブアンカー効果を発揮する隆起微細構造の形成が可能となります。PMS表面構造はPMS剤の供給方法、レーザクラッディング条件の変更により変化させることができます。PMS剤に含まれる素材や組成を変更して各種金属基材に対応させることが可能です。

【PMS処理工程】

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【PMS処理層表面】

 

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【処理速度】

当社ではPMS処理の加工速度を50mm/sec以上を標準速度として処理の可否を評価しています。

処理速度は利用するレーザ、PMS剤、対象金属により変わります。

 

PMS処理の特徴を纏めると以下のようになります。

【特  徴】

    1. ドライプロセスです。
    2. 隆起微細構造は金属基材との間で合金層を形成しています。(経時劣化しません)
    3. 連続形成が可能なため、大型部材にも適用可能です。
    4. 単一工程で処理が可能です。
    5. 高速処理の実現で処理時間の短縮が可能です。(100mm/secの処理も可能)
    6. マスキング不要で局所的な微細構造形成を可能にします。
    7. 高効率でコスト削減が可能です。

【PMS剤】

PMS剤は混合粉体です。レーザクラッディング工法で利用できるように分散性、流動性を確保しています。PMS剤は無機材料の為、温湿度が管理された環境下での保管で有れば経年劣化の心配はありません。

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当社ではPMS剤のペースト化開発も行っています。詳しくはお問い合わせください。

 

金属‐プラスチックの接合

当社開発の接合プロセスは全てドライプロセスで行うことができます。PMS処理をした金属はインサート成形にも利用でき、成形済プラスチックとの接合においてはPMS処理層との接触界面が加熱されていれば接合が可能となるため、レーザ接合、超音波接合、ホットプレス等の、従来のプラスチック同士の直接接合で利用されていた工法が利用できます。プラスチック材料は熱可塑性プラスチックであれば、全て適用可能と考えています。綾織したCFRTP等の繊維強化プラスチックであっても編み込んだ炭素繊維層内部に隆起微細構造の突起部が突き刺すように喰い込み、容易に高強度接合が可能です。接合強度等の品質はプラスチック材料特性、接合工法、接合条件により異なりますので目的に合わせた樹脂材料、接合技術をご利用ください。下図にアルミとCFRTP(PA66)及び、アルミ‐PA6のホットプレス接合後のせん断引張試験にて母材破断(接合強度>50MPa)した試験片を示します。
なお、必要に応じて当社で開発を行ってきたプラズマ処理も工程に組み入れることも可能です。

 

CFRTP(PA66)とアルミの接合

PA6とアルミの接合(>50MPa)

 

 

 

 

 

 

 

【接合可能対象】

当社では2019年5月現在までに下表組合せでの接合試験を行っています。

対応材質

【接合品質】

当社では接合品質を主にせん断引張試験による接合強度により評価しています。必要に応じて気密試験、耐水圧試験、振動試験も実施しています。

鋼材と高弾性プラスチックとの接合では100MPa以上(PMS処理面積比)の接合強度も得られていますが、PMS処理層の特性だけではなくプラスチック材料の特性や接合方法にも大きく接合品質は左右されるため、試験加工・評価は必須となります。

 

【付加処理】

当社ではPMS処理と併用可能な付加処理の開発も行っています。絶縁層の形成、応力分散等、化学結合の発現等、求められる性能、ご利用の環境により必要に応じて付加処理のご提案もさせていただきます。

 

 

PMS剤

PMS処理を行う為にはPMS剤を利用します。PMS剤はレーザ照射による隆起微細構造形成を目的とした混合粉体で、安全性、環境負荷低減、使い勝手にも配慮した特殊粉体です。

【仕 様】

  1. 形   態  ; 混合粉末若しくはペースト
  2. 処理可能金属 ; アルミ合金系材料、鋼材(ステンレス、圧延鋼、炭素鋼)、銅材(コーティング付)
  3. 粉末粒子径  ; <100μm
  4. 利用方式   ; パウダーベット方式、粉体噴射方式、ディスペンサー塗付
  5. 荷   姿  ; ご相談ください。

  ※ PMS処理はPMS材料、金属材料、処理条件により形成される表面形状が異なります。

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ご提案内容

当社ではPMS処理を中核とした金属-プラスチックの直接接合技術開発を行っています。

当社では以下の業務が可能です。

  • テストピースへのPMS処理及び付加処理
  • 専用PMS剤の受託開発
  • プロセス条件の開発支援

本技術内容にご興味をお持ちの方はお問い合わせください。

PMS処理剤の利用、受託生産、PMS関連機器の開発製造、プロセス開発等、ご相談にお応えさせていただきます。