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KR20190091454A - 복합성형체의 제조 방법 및 복합성형체 - Google Patents

복합성형체의 제조 방법 및 복합성형체 Download PDF

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KR20190091454A
KR20190091454A KR1020197016664A KR20197016664A KR20190091454A KR 20190091454 A KR20190091454 A KR 20190091454A KR 1020197016664 A KR1020197016664 A KR 1020197016664A KR 20197016664 A KR20197016664 A KR 20197016664A KR 20190091454 A KR20190091454 A KR 20190091454A
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molded body
laser beam
laser
resin
metal
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KR1020197016664A
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English (en)
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마사히코 이타쿠라
마사히로 카타야마
타카유키 우노
Original Assignee
다이셀폴리머 주식회사
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Abstract

금속성형체와 수지성형체의 접합 강도가 높은 복합성형체의 제조 방법의 제공. 금속성형체와 수지성형체가 접합된 복합성형체의 제조 방법으로서, 상기 금속성형체의 상기 수지성형체와의 접합면에 대하여 에너지 밀도 1MW/cm2 이상이며 조사 속도 2000mm/sec 이상으로 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정과, 앞 공정에 있어서 조면화된 금속성형체의 접합면을 포함하는 부분을 금형 내에 배치하고, 수지를 사출 성형하여 복합성형체를 얻는 공정을 가지고 있고, 상기 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지고 있고, 상기 금속성형체와 상기 수지성형체의 접합 강도가 60MPa 이상인 복합성형체의 제조 방법.

Description

복합성형체의 제조 방법 및 복합성형체
본 발명은 금속성형체와 수지성형체로 이루어지는 복합성형체의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 얻어진 복합성형체에 관한 것이다.
금속성형체와 수지성형체로 이루어지는 복합성형체를 제조할 때, 금속성형체의 표면을 조면화한 후에 수지성형체와 일체화시키는 기술이 알려져 있다.
일본 특허 제5774246호 공보에는 금속성형체의 표면에 대하여 연속파 레이저를 사용하여 2000mm/sec 이상의 조사 속도로 레이저광을 연속 조사함으로써 상기 금속성형체의 표면을 조면화하는 금속성형체의 조면화 방법(청구항 1)이 기재되어 있다.
일본 특허 제5774246호 공보의 발명의 조면화 방법을 실시한 후, 금속성형체를 수지성형체와 접합하여 얻은 복합성형체는 금속성형체와 수지성형체가 높은 접합 강도로 접합되어 있다(일본 특허 제5701414호 공보).
본 발명은 금속성형체와 수지성형체의 접합 강도가 높은 복합성형체가 얻어지는 복합성형체의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 금속성형체와 수지성형체가 접합된 복합성형체의 제조 방법으로서,
상기 금속성형체의 상기 수지성형체와의 접합면에 대하여 에너지 밀도 1MW/cm2 이상, 조사 속도 2000mm/sec 이상으로 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정과,
앞 공정에 있어서 조면화된 금속성형체의 접합면을 포함하는 부분을 금형 내에 배치하고, 수지를 사출 성형하여 복합성형체를 얻는 공정을 가지고 있고,
상기 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지고 있고,
상기 금속성형체와 상기 수지성형체의 접합 강도가 60MPa 이상인 복합성형체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 복합성형체의 제조 방법에 의하면, 금속성형체와 수지성형체의 접합 강도가 높은 복합성형체가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 금속성형체의 조면화를 실시할 때의 하나의 실시형태의 레이저광의 조사 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타내는 실시형태의 레이저광의 조사 패턴을 나타내는 도면이며, (a)는 동일 방향의 조사 패턴, (b)는 쌍방향의 조사 패턴이다.
도 3의 (a), (b)는 도 1에 나타내는 실시형태와는 상이한 실시형태에 있어서의 레이저광의 조사 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시예 및 비교예에서 사용한 금속성형체의 사시도이다.
도 5는 실시예 및 비교예에서 얻은 복합성형체를 사용한 시험 방법의 설명 도이다.
본 발명의 복합성형체의 제조 방법은 상기 금속성형체의 상기 수지성형체와의 접합면에 대하여 에너지 밀도 1MW/cm2 이상, 조사 속도 2000mm/sec 이상으로 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정을 가지고 있다.
본 발명에서 사용하는 금속성형체의 형상 및 크기는 특별히 제한되지 않고, 복합성형체의 용도에 따라 선택할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 금속성형체의 금속은 특별히 제한되는 것은 아니며, 용도에 따라 공지의 금속으로부터 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 철, 각종 스테인레스, 알루미늄, 아연, 티탄, 구리, 황동, 크롬 도금 강, 마그네슘 및 그들을 포함하는 합금, 텅스텐카바이드, 크로뮴카바이드 등의 서멧으로부터 선택되는 것을 들 수 있고, 이들 금속에 대하여 알루마이트 처리, 도금 처리 등의 표면 처리를 시행한 것에도 적용할 수 있다.
레이저광을 조사하여 조면화하는 공정에 있어서의 레이저광의 조사 방법으로서는
(I) 조면화 대상이 되는 금속성형체의 접합면에 대하여 직선, 곡선 또는 직선과 곡선의 조합이 되도록 레이저광을 연속적으로 조사하는 방법(제1 레이저광 조사 방법)과,
(II) 조면화 대상이 되는 금속성형체의 접합면에 대하여 직선, 곡선 또는 직선과 곡선의 조합이 되도록 레이저광을 조사하고, 직선 및/또는 곡선의 각각에 있어서 레이저광의 조사 부분과 비조사 부분이 교대로 생기도록 조사하는 방법(제2 레이저광 조사 방법)의 어느 하나 또는 쌍방의 레이저 조사 방법을 사용할 수 있다.
<제1 레이저광 조사 방법>
제1 레이저광 조사 방법은 공지이며, 일본 특허 제5774246호 공보, 일본 특허 제5701414호 공보, 일본 특허 제5860190호 공보, 일본 특허 제5890054호 공보, 일본 특허 제5959689호, 일본 특개 2016-43413호 공보, 일본 특개 2016-36884호 공보, 일본 특개 2016-44337호 공보에 기재된 레이저광의 연속 조사 방법과 마찬가지로 하여 실시할 수 있다.
단, 레이저광의 에너지 밀도는 1MW/cm2 이상으로 할 필요가 있다. 레이저광의 조사시의 에너지 밀도는 레이저광의 출력(W)과, 레이저광의 스팟 면적(cm2)(π·〔스팟 직경/2〕2)으로부터 구해진다. 레이저광의 조사시의 에너지 밀도는 2~1000MW/cm2가 바람직하고, 10~800MW/cm2가 보다 바람직하며, 10~700MW/cm2가 더욱 바람직하다.
레이저광의 조사 속도는 2000mm/sec 이상이며, 2,000~20,000mm/sec가 바람직하고, 2,000~18,000mm/sec가 보다 바람직하며, 3,000~15,000mm/sec가 더욱 바람직하다.
레이저광의 출력은 4~4000W가 바람직하고, 50~2500W가 보다 바람직하며, 150~2000W가 더욱 바람직하다. 다른 레이저광의 조사 조건이 동일하면, 출력이 클수록 구멍(홈)의 깊이는 깊어지고, 출력이 작을수록 구멍(홈)의 깊이는 얕아진다.
파장은 500~11,000nm가 바람직하다. 빔 직경(스팟 직경)은 5~80μm가 바람직하다.
초점 벗어남 거리는 -5~+5mm가 바람직하고, -1~+1mm가 보다 바람직하며, -0.5~+0.1mm가 더욱 바람직하다. 초점 벗어남 거리는 설정값을 일정하게 하여 레이저 조사해도 되고, 초점 벗어남 거리를 변화시키면서 레이저 조사해도 된다. 예를 들면, 레이저 조사시에 초점 벗어남 거리를 작게 해가도록 하거나, 주기적으로 크게 하거나 작게 하거나 해도 된다. 초점 벗어남 거리가 마이너스(-)로 조정되면(즉 금속성형체 표면의 내측에 초점을 맞췄을 때), 구멍의 깊이는 깊어진다. 구멍의 깊이를 깊게 할 때는 초점 벗어남 거리는 -0.5~-0.05mm가 바람직하고, -0.3~-0.05mm가 보다 바람직하며, -0.15~-0.05mm가 더욱 바람직하다.
이상의 레이저광의 조사 조건에 따른 레이저광의 조사와 함께, 레이저광을 조사할 때의 반복 횟수를 조정함으로써, 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터의 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍(홈)이 형성된 다공 구조를 가지도록 조정할 수 있다. 즉 본 발명의 하나의 실시형태에서는 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터의 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍(홈)이 형성된 다공 구조를 가지도록, 레이저광의 에너지 밀도, 레이저 조사 속도, 레이저 파장, 조사 횟수, 초점 벗어남 거리의 하나 또는 보다 많은 것을 조정한다.
반복 횟수(하나의 구멍 또는 홈을 형성하기 위한 합계의 레이저광의 조사 횟수)는 10~30회가 바람직하고, 15~25회가 보다 바람직하다. 동일한 레이저 조사 조건이면, 반복 횟수가 많을수록 구멍(홈)의 깊이가 깊어지고, 반복 횟수가 적을수록 구멍(홈)의 깊이가 얕아진다.
본 발명의 하나의 실시형태에 의하면, 레이저광의 조사 공정은 레이저광 조사의 반복 횟수를 15회 이상으로 하는 것과, 레이저광의 초점 벗어남 거리를 마이너스로 조정하는 것의 한쪽 또는 양쪽을 포함한다. 이 경우에 레이저광의 조사 공정은 제1 레이저광 조사 방법 및 제2 레이저광 조사 방법의 어느 것이어도 된다.
구멍(홈)의 표면으로부터의 최대 깊이는 550μm 이상이 바람직하고, 600μm 이상이 보다 바람직하다. 즉 접합면은 표면으로부터 최대 깊이가 바람직하게는 550μm 이상, 보다 바람직하게는 600μm 이상의 구멍(홈)을 포함하는 다공 구조를 가진다.
구멍(홈)의 표면으로부터의 평균 깊이는 400~700μm가 바람직하고, 400~600μm가 보다 바람직하다. 또 구멍(홈)의 깊이의 범위는 50μm 이상 1000μm 미만이 바람직하고, 100~900μm가 보다 바람직하며, 100~800μm가 더욱 바람직하다.
<제2 레이저광 조사 방법>
제2 레이저광 조사 방법에 있어서, 레이저광의 조사 부분과 비조사 부분이 교대로 생기도록 조사한다는 것은 도 1에 나타내는 바와 같이 조사하는 실시형태를 포함하고 있다.
도 1은 레이저광의 조사 부분(101)과 인접하는 레이저광의 조사 부분(101)의 사이에 있는 레이저광의 비조사 부분(102)이 교대로 생겨, 전체로서 점선형상의 직선(또는 곡선)으로 형성되도록 조사한 상태를 나타내고 있다. 이 때, 반복하여 동일한 부분에 조사하여, 도 1에 나타내는 바와 같이 외관상 1개의 점선으로 할 수도 있다. 반복 횟수(합계의 조사 횟수)는 예를 들면 1~20회로 할 수 있다.
복수회 조사할 때는 상기한 바와 같이 레이저광의 조사 부분을 동일하게 해도 되고, 레이저광의 조사 부분을 상이하게(레이저광의 조사 부분을 어긋나게) 함으로써, 직선형상 또는 곡선형상의 전체가 조면화되도록 해도 된다.
레이저광의 조사 부분을 동일하게 하여 복수회 조사했을 때는 점선형상으로 조사되지만, 레이저광의 조사 부분을 어긋나게 하여, 즉 처음에는 레이저광의 비조사 부분이었던 부분에 레이저광의 조사 부분이 적어도 부분적으로 겹치도록 어긋나게 하여 조사하는 것을 반복하면, 각 회에서 점선형상으로 조사한 경우에도 최종적으로는 실선 상태로 조사되게 된다.
금속성형체에 대하여 연속적으로 레이저광을 조사하면, 조사면의 온도가 상승하는 점에서, 두께가 작은 성형체에서는 휨 등의 변형이 생길 우려도 있기 때문에, 냉각하는 등의 대책이 필요하게 되는 경우가 있다. 그러나, 도 1에 나타내는 바와 같이 점선형상으로 레이저 조사하면, 레이저광의 조사 부분(101)과 레이저광의 비조사 부분(102)이 교대로 생기고, 레이저광의 비조사 부분(102)에서는 냉각되어 있게 되기 때문에, 레이저광의 조사를 반복한 경우, 두께가 작은 성형체여도 휨 등의 변형이 생기기 어려워지므로 바람직하다. 이 때, 상기한 바와 같이 레이저광의 조사 부분을 상이하게 한(레이저광의 조사 부분을 어긋나게 한) 경우에도 각 회의 레이저광의 조사시에는 점선형상으로 조사되어 있기 때문에, 마찬가지의 효과가 얻어진다.
레이저광의 조사 방법은 금속성형체(110)(접합면)의 표면에 대하여 상기와 같은 점선 조사 부분을 복수 병렬적으로 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 일방향으로 조사하는 방법, 또는 도 2(b)에 나타내는 점선과 같이 쌍방향으로부터 조사하는 방법을 사용할 수 있다. 그 밖에 레이저광의 점선 조사 부분이 교차하도록 조사하는 방법이어도 된다. 이와 같은 조사 패턴은 제1 레이저광 조사 방법의 경우에도 마찬가지로 사용해도 된다.
조사 후의 각 점선의 간격(b1)은 금속성형체의 접합면의 면적 등에 따라 조정할 수 있는 것인데, 예를 들면 0.01~5mm의 범위로 할 수 있다.
도 1에 나타내는 레이저광의 조사 부분(101)의 길이(L1)와 레이저광의 비조사 부분(102)의 길이(L2)는 L1/L2=1/9~9/1의 범위가 되도록 조정할 수 있다. 레이저광의 조사 부분(101)의 길이(L1)는 복잡한 다공 구조로 조면화하기 위해서는 0.05mm 이상인 것이 바람직하고, 0.1~10mm가 보다 바람직하며, 0.3~7mm가 더욱 바람직하다.
제2 레이저광 조사 방법에서는 레이저의 구동 전류를 직접 변환하는 직접 변조 방식의 변조 장치를 레이저 전원에 접속한 파이버 레이저 장치를 사용하고, 듀티비(duty ratio)를 조정하여 레이저 조사할 수 있다.
레이저의 여기에는 펄스 여기와 연속 여기의 2종류가 있고, 펄스 여기에 의한 펄스파 레이저는 일반적으로 노멀 펄스라고 불린다. 연속 여기여도 펄스파 레이저를 만들어내는 것이 가능하며, 노멀 펄스보다 펄스 폭(펄스 ON 시간)을 짧게 하여, 그 만큼 피크 파워가 높은 레이저를 발진시키는 Q 스위치 펄스 발진 방법, AOM이나 LN 광강도 변조기에 의해 시간적으로 광을 잘라냄으로써 펄스파 레이저를 생성시키는 외부 변조 방식, 레이저의 구동 전류를 직접 변조하여 펄스파 레이저를 생성하는 직접 변조 방식에 의해 펄스파 레이저를 만들어낼 수 있다.
상기한 바람직한 실시형태에서는 레이저의 구동 전류를 직접 변환하는 직접 변조 방식의 변조 장치를 레이저 전원에 접속한 파이버 레이저 장치를 사용함으로써, 레이저를 연속 여기시켜 펄스파 레이저를 만들어낸 것이며, 제1 레이저 조사 방법에서 사용한 연속파 레이저와는 다른 것이다.
단, 에너지 밀도, 레이저광의 조사 속도, 레이저광의 출력, 파장, 빔 직경(스팟 직경), 초점 벗어남 거리는 제1 레이저 조사 방법과 마찬가지로 실시한다.
듀티비는 레이저광의 출력의 ON 시간과 OFF 시간으로부터 다음 식에 의해 구해지는 비이다.
듀티비(%)=ON 시간/(ON 시간+OFF 시간)×100
듀티비는 도 1에 나타내는 L1/L2에 대응하는 것이므로, 10~90%의 범위로부터 선택할 수 있다. 듀티비를 조정하여 레이저광을 조사함으로써, 도 1에 나타내는 바와 같은 점선형상으로 조사할 수 있다. 듀티비가 크면 조면화 공정의 효율은 좋아지지만, 냉각 효과는 낮아지고, 듀티비가 작으면 냉각 효과는 좋아지지만, 조면화 효율은 나빠진다. 목적에 따라 듀티비를 조정한다.
제2 레이저광 조사 방법에서는 조면화 대상이 되는 금속성형체의 접합면 상에 레이저광을 통과시키지 않는 마스킹재를 간격을 두고 복수 배치한 상태에서 레이저를 연속 조사하는 방법을 적용할 수 있다. 마스킹재는 금속성형체에 직접 접촉해도 되고 접촉하고 있지 않아도 된다. 레이저광을 복수회 조사할 때는 마스킹재의 위치를 변화시킴으로써, 금속성형체의 접합면 전체를 조면화시킬 수 있다.
이 실시형태의 일례로는 도 3(a)과 같이 금속성형체(110) 상에 간격을 두고 복수장의 마스킹재(111)를 배치한 상태에서 레이저광을 연속 조사한다. 마스킹재로서는 열전도율이 작은 금속 등을 사용할 수 있다.
레이저광의 조사 후, 마스킹재(111)를 제거하면, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 도 1과 마찬가지로 레이저광의 조사 부분(101)과 비조사 부분(102)이 교대로 생긴 점선이 형성되어 있다.
도 3(a), (b)에 나타내는 실시형태의 경우에도 마스킹재(111)의 부분에서는 냉각되어 있게 되기 때문에, 레이저광의 조사를 반복한 경우, 두께가 작은 성형체여도 휨 등의 변형이 생기기 어려워지므로 바람직하다.
도 1의 경우와 마찬가지로, 레이저광의 조사 부분(101)의 길이(L1)와 레이저광의 비조사 부분(102)의 길이(L2)는 L1/L2=1/9~9/1의 범위가 되도록 조정할 수 있다. 레이저광의 조사 부분(101)의 길이(L1)는 복잡한 다공 구조로 조면화하기 위해서는 0.05mm 이상인 것이 바람직하고, 0.1~10mm가 바람직하며, 0.3~7mm가 보다 바람직하다.
제1 레이저광 조사 방법과 제2 레이저광 조사 방법에서 사용하는 레이저는 공지의 것을 사용할 수 있고, 예를 들면 YVO4 레이저, 파이버 레이저(싱글모드 파이버 레이저, 멀티모드 파이버 레이저), 엑시머 레이저, 탄산 가스 레이저, 자외선 레이저, YAG 레이저, 반도체 레이저, 유리 레이저, 루비 레이저, He-Ne 레이저, 질소 레이저, 킬레이트 레이저, 색소 레이저를 사용할 수 있다.
금속성형체의 접합면에 대하여 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정에 있어서, 제1 레이저광 조사 방법 또는 제2 레이저광 조사 방법을 실시할 때는 상기한 에너지 밀도와 조사 속도를 만족하도록 금속성형체에 레이저광을 조사하면, 금속성형체의 표면(접합면)은 용융하면서 일부가 증발되는 점에서, 복잡한 구조의 다공 구조가 형성된다. 이 때 형성되는 다공 구조는 일본 특허 제5774246호 공보의 도 7, 도 8, 일본 특허 제5701414호 공보의 도 7, 도 8에 표시되는 것과 동일한 복잡한 다공 구조이거나, 유사한 다공 구조이다.
한편, 상기한 에너지 밀도와 조사 속도를 만족하지 않는 경우에는 금속성형체의 표면(접합면)에는 재료의 승화에 의한 구멍이 형성되거나(통상의 펄스 레이저 조사에 의해 형성되는 구멍), 또는 용융(레이저 용접)해버려, 복잡한 구조의 구멍은 형성되지 않는다.
다음 공정에서, 앞 공정에 있어서 조면화된 금속성형체의 접합면(예를 들면 도 2와 같이 하여 레이저광 조사된 면)을 포함하는 부분을 금형 내에 배치하고, 상기 수지성형체가 되는 수지를 사출 성형하여 복합성형체를 얻는다.
사출 성형시에 있어서 조면화된 접합면의 다공 구조 내부에 용융 상태의 수지가 들어간 후에 굳어짐으로써, 복합성형체에 있어서는 금속성형체의 접합면(레이저광 조사부)과 수지성형체의 사이가 강한 접합력으로 일체화된다.
수지성형체에 사용하는 수지의 예로는 열가소성 수지, 열경화성 수지 외에 열가소성 엘라스토머도 포함된다.
열가소성 수지는 용도에 따라 공지의 열가소성 수지로부터 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 폴리아미드계 수지(PA6, PA66 등의 지방족 폴리아미드, 방향족 폴리아미드), 폴리스티렌, ABS 수지, AS 수지 등의 스티렌 단위를 포함하는 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌 단위를 포함하는 공중합체, 폴리프로필렌, 프로필렌 단위를 포함하는 공중합체, 그 밖의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리카보네이트계 수지, 아크릴계 수지, 메타크릴계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아세탈계 수지, 폴리페닐렌술피드계 수지를 들 수 있다.
열경화성 수지는 용도에 따라 공지의 열경화성 수지로부터 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 요소 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지, 레소르시놀 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 비닐우레탄을 들 수 있다.
열가소성 엘라스토머는 용도에 따라 공지의 열가소성 엘라스토머로부터 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 스티렌계 엘라스토머, 염화비닐계 엘라스토머, 올레핀계 엘라스토머, 우레탄계 엘라스토머, 폴리에스테르계 엘라스토머, 니트릴계 엘라스토머, 폴리아미드계 엘라스토머를 들 수 있다.
이들 열가소성 수지, 열경화성 수지, 열가소성 엘라스토머에는 공지의 섬유상 충전재를 배합할 수 있다. 공지의 섬유상 충전재로서는 탄소 섬유, 무기 섬유, 금속 섬유, 유기 섬유 등을 들 수 있다. 수지성형체는 30질량% 이상의 섬유상 충전제를 함유할 수 있다.
탄소 섬유는 주지의 것이며, PAN계, 피치계, 레이온계, 리그닌계 등의 것을 사용할 수 있다.
무기 섬유로서는 유리 섬유, 현무암 섬유, 실리카 섬유, 실리카·알루미나 섬유, 지르코니아 섬유, 질화붕소 섬유, 질화규소 섬유 등을 들 수 있다.
금속 섬유로서는 스테인레스, 알루미늄, 구리 등으로 이루어지는 섬유를 들 수 있다.
유기 섬유로서는 폴리아미드 섬유(전방향족 폴리아미드 섬유, 디아민과 디카르복실산의 어느 한쪽이 방향족 화합물인 반방향족 폴리아미드 섬유, 지방족 폴리아미드 섬유), 폴리비닐알코올 섬유, 아크릴 섬유, 폴리올레핀 섬유, 폴리옥시메틸렌 섬유, 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유(전방향족 폴리에스테르 섬유를 포함한다), 폴리페닐렌술피드 섬유, 폴리이미드 섬유, 액정 폴리에스테르 섬유 등의 합성 섬유나 천연 섬유(셀룰로오스계 섬유 등)나 재생 셀룰로오스(레이온) 섬유 등을 사용할 수 있다.
이들 섬유상 충전재로서는 섬유 직경이 3~60μm의 범위인 것을 사용할 수 있는데, 이들 중에서도 예를 들면 금속성형체의 접합면이 조면화되어 형성되는 개방 구멍 등의 개구 직경보다 작은 섬유 직경의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 섬유 직경은 보다 바람직하게는 5~30μm, 더욱 바람직하게는 7~20μm이다.
본 발명의 제조 방법에서는 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지고 있고, 상기 다공 구조 내부에 수지가 들어간 상태에서 금속성형체와 수지성형체가 일체화된다.
본 발명의 제조 방법으로 얻어진 복합성형체는 상기 금속성형체와 상기 수지성형체의 접합 강도가 60MPa 이상인 것이다. 본 발명의 복합성형체는 금속성형체와 수지성형체가 접합된 복합성형체로서, 상기 금속성형체의 상기 수지성형체와의 접합면은 표면으로부터 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지도록 조면화되어 있고, 상기 금속성형체와 상기 수지성형체의 접합 강도가 60MPa 이상이다. 복합성형체의 각 구성 요소, 및 레이저광 조사를 사용한 경우의 조면화에 대해서는 본 발명의 제조 방법에 대해서 서술한 사항을 적용할 수 있다.
본 발명의 제조 방법으로 얻어진 복합성형체는 금속성형체에 형성된 구멍(홈)의 최대 깊이가 500μm를 넘는 깊이인 점, 구멍(홈)의 깊이가 깊으면 구멍(홈)의 개구부가 커져 용융 상태의 수지(섬유도 포함한다)가 들어가기 쉬워지는 점에서, 접합 강도가 커지는 것이라고 생각된다.
[실시예]
(실시예 1~4, 비교예 1, 2)
실시예 및 비교예에서는 도 4에 나타내는 금속성형체(알루미늄:A5052)(10)의 접합면(11)의 전체면(40mm2의 넓이 범위)에 대하여, 표 1에 나타내는 조건으로 레이저광을 제1 레이저광 조사 방법에 의해 연속 조사하여 레이저광 조사면을 조면화했다.
또한 조사 패턴은 도 2(b)와 동일한 쌍방향이지만, 제1 레이저광 조사 방법(레이저광의 연속 조사)이므로, 도 2(b)와 동일한 조사 패턴이며, 또한 실선으로 표시되는 조사 패턴이 된다.
레이저 장치는 다음의 것을 사용했다.
발진기 : IPG-Yb 파이버;YLR-300-SMAC
집광계 : fc=80mm/fθ=100mm
이어서 처리 후의 금속성형체를 사용하고, 하기의 방법으로 사출 성형하여, 실시예 및 비교예의 금속성형체(10)와 수지성형체(20)로 이루어지는 도 5에 나타내는 복합성형체(1)를 얻었다. 수지성형체(20)는 금속성형체(10)와 동일 형상 및 동일 치수이다.
<사출 성형>
GF30% 강화 PA6 수지(플라스트론 PA6-GF30-01, 길이 9mm:다이셀폴리머(주)제)
수지 온도 : 280℃
금형 온도 : 100℃
사출 성형기 : 화낙제 ROBOSHOT S2000i100B)
(홈 깊이)
홈(구멍)의 최대 깊이는 레이저광 조사 후의 면(40mm2의 넓이 범위)으로부터 1mm×1mm=1mm2의 면적의 부분을 10개소 골라, 디지털 마이크로스코프 M205C(라이카·마이크로시스템즈(주))로 측정했다. 구체적으로는 1mm×1mm의 정사각형의 각각에 100μm 간격으로 평행하게 9개의 직선을 긋고, 그 직선 부분의 단면 관찰로부터 깊이를 측정했다. 10개소의 정사각형에 대한 측정 중에서 최대 깊이를 최대 홈 깊이로 했다.
평균 홈(구멍) 깊이는 상기 방법으로 측정한 10개소의 정사각형의 각각의 최대 깊이의 수 평균값으로서 평가했다. 최대 홈(구멍) 깊이는 상기 디지털 마이크로스코프에 의해 측정 가능한 범위를 넘었을 때는 측정 가능한 범위 내를 최대값으로 했다.
〔인장 시험〕
실시예 및 비교예의 도 7에 나타내는 복합성형체를 사용하고, 인장 시험을 행하여 전단 접합 강도를 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
인장 시험은 수지성형체(20)측의 단부를 고정한 상태에서 금속성형체(10)의 부분을 도 5에 나타내는 X방향으로 인장한 경우에 금속성형체(10)와 수지성형체(20)의 접합면이 파괴될 때 까지의 최대 하중을 측정했다.
<인장 시험 조건>
시험기 : (주)시마즈세이사쿠쇼제의 오토그래프 AG-X plus(50kN)
인장 속도 : 10mm/min
척간 거리 : 50mm
Figure pct00001
실시예 1~4의 대비로부터, 초점 벗어남 거리를 마이너스(-)로 함으로써 최대 홈 깊이가 보다 깊어진 것을 확인할 수 있었다. 실시예 1, 2와 비교예 1, 2의 대비로부터, 레이저광 조사의 반복 횟수를 증가시킴으로써 평균 홈 깊이와 최대 홈 깊이가 보다 깊어진 것을 확인할 수 있었다. 실시예와 비교예의 대비로부터, 최대 홈 깊이의 차이에 의해 접합 강도에 명확한 차가 생긴 것을 확인할 수 있었다.
(산업상 이용 가능성)
본 발명의 복합성형체의 제조 방법 및 얻어진 복합성형체는 금속 제품의 일부를 수지성형체로 대체하여 경량화하기 위해서 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 금속성형체와 수지성형체가 접합된 복합성형체의 제조 방법으로서,
    상기 금속성형체의 상기 수지성형체와의 접합면에 대하여 에너지 밀도 1MW/cm2 이상, 조사 속도 2000mm/sec 이상으로 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정과,
    앞 공정에 있어서 조면화된 금속성형체의 접합면을 포함하는 부분을 금형 내에 배치하고, 수지를 사출 성형하여 복합성형체를 얻는 공정을 가지고 있고,
    상기 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지고 있고,
    상기 금속성형체와 상기 수지성형체의 접합 강도가 60MPa 이상인 복합성형체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 조면화된 금속성형체의 접합면이 표면으로부터 최대 깊이가 600μm 이상의 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지고 있는 것인 것을 특징으로 하는 복합성형체의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정이 조면화 대상이 되는 금속성형체의 접합면에 대하여 직선, 곡선 또는 직선과 곡선의 조합이 되도록 레이저광을 조사하고, 레이저광을 연속 조사하는 공정인 것을 특징으로 하는 복합성형체의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 레이저광을 조사하여 조면화하는 공정이 조면화 대상이 되는 금속성형체의 표면에 대하여 직선, 곡선 또는 직선과 곡선의 조합이 되도록 레이저광을 조사하고, 직선 및/또는 곡선의 각각에 있어서 레이저광의 조사 부분과 비조사 부분이 교대로 생기도록 조사하는 공정인 것을 특징으로 하는 복합성형체의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 레이저광의 조사 공정이 레이저의 구동 전류를 직접 변환하는 직접 변조 방식의 변조 장치를 레이저 전원에 접속한 파이버 레이저 장치를 사용하고, 듀티비를 조정하여 레이저 조사하는 공정인 것을 특징으로 하는 복합성형체의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저광의 조사 공정이 레이저광 조사의 반복 횟수를 15회 이상으로 하는 것과, 레이저광의 초점 벗어남 거리를 마이너스로 조정하는 것의 한쪽 또는 양쪽을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 복합성형체의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지성형체가 30질량% 이상의 섬유상 충전제를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 복합성형체의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 복합성형체의 제조 방법에 의해 얻어진 복합성형체.
  9. 금속성형체와 수지성형체가 접합된 복합성형체로서, 상기 금속성형체의 상기 수지성형체와의 접합면은 표면으로부터 최대 깊이가 500μm를 넘는 구멍을 포함하는 다공 구조를 가지도록 조면화되어 있고, 상기 금속성형체와 상기 수지성형체의 접합 강도가 60MPa 이상인 복합성형체.
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