ブラスト処理金属片のインサート成形による金属・樹脂直接接合 東京大学 ○木村 文信,田村 勇太,門屋 祥太郎,梶原 優介 Metal/Polymer Injection Molded Direct Joining using Abrasive Blasted Metal Work The Univ. of Tokyo Fuminobu Kimura, Yuta Tamura, Shotaro Kadoya, and Yusuke Kajihara Abstract: An injection molded polymer body can be joined to a metal piece whose surface is specially treated. One of the surface treatment is abrasive blasting that roughens the surface and creates micro-structures on the surface. During the injection molding, the melted polymer flows into the micro-structures and then the metal and polymer can be joined. This paper describes an experimental investigation of relationship between blasting conditions and strength of the joining. For the joining processes, we used the metal pieces with various sized/shaped surface structures that were abrasive blasted under various conditions. To evaluate the joining samples, we carried out tensile tests and show that the strength can be affected by blasting conditions. 1. はじめに 近年の製造業では環境・エネルギー面への配慮から構造の軽量 化が重視され,構造材を金属から樹脂へ置き換える方法が多く取 り組まれている.しかし,構造全てを樹脂に置換できない場合は 必ず金属と樹脂を接合する技術が必要となる.従来はねじやリベ ット,接着剤を利用することで接合しているが,近年では,それ らの余分な部品を用いずに直接接合する手法が注目を集めるよう になっている. 金属・樹脂の直接接合の一つとして,特殊な表面処理を施した 金属部材を金型内に挿入してから射出成形を行う(インサート成 形する)ことで,挿入した金属部材と射出樹脂を接触面で強固に 接合する手法が提案されている.金属部材の表面処理としては, 樹脂と化学結合を生じさせる特殊な膜(レイヤ)をコーティング する方法[1]や,薬品[2]やレーザ加工[3],ブラスト加工[4]によっ て表面に微細構造を形成する(粗化する)方法が提案されている. 中でもブラスト加工は,大面積をローコストで処理できるドライ プロセスであり,微細構造の形状制御性も比較的高いといった利 点を有している.しかし,他の処理方法[2, 3]に比べて研究・調査 があまりなされておらず,接合に必要な条件や加工条件と接合強 度の関係が十分に明らかにされていない.従って,本稿では「ブ ラスト加工を利用した直接接合」を主題として取り上げる. 金属部材の表面微細構造を利用する直接接合手法は,(a)金属部 材の表面粗化処理と(b)樹脂部材の射出成形といった 2 つの加工が 要素技術となる(図 1a および b).それぞれについて様々な加工 条件が存在し,それらを最適化していくことが求められる.最適 化へのアプローチの 1 つとして,実際に条件を変化させて接合サ ンプルを作製し,その都度強度試験を行う,という方法が考えら れる.本稿ではその一環として,ブラスト加工による表面粗化処 理の加工条件が接合界面のせん断強度(接合強度)にどのような 影響を与えるかを調査することを目的とする. 2. 直接接合の加工プロセス 2.1 ブラスト加工 本研究ではエアブラストの一種である,直圧式マイクロブラス トを用いて表面粗化処理を行った.図 2 にブラスト装置の模式図 を示す.圧縮した空気によって噴射材をノズル先端から金属片表 面に向けて噴射する.噴射材の金属片への衝突によって金属表面 は塑性変形し,微細な凹凸形状が形成される.また,ノズルを水 平方向(図中の x-y 方向)に送ることで,金属片表面の任意の部 分を加工する. 加工条件として設定できるものは,噴射材の種類,圧縮空気の 圧力,ノズル先端と金属片の距離などがある.今回は噴射材のみ を変え,他の条件は固定した(空気圧:1.0 MPa,ノズル距離:10 mm).使用した噴射材(新東工業製)は大別するとアルミナ砥粒 とガラスビーズの 2 つに分類でき,それぞれでサイズの異なるも のを単独もしくは組み合わせて用いた.ブラスト加工条件(噴射 材の品番,おおよそのサイズ)を表 1 に示す.条件 a から d はア ルミナ砥粒のみを用いるもので,条件 e と f は,条件 b で加工し た金属片にガラスビーズを用いて追加工するものである.使用し た金属片はアルミニウム合金(A5052)である. 以上の条件で加工したアルミ片の表面粗さを計測した(規格: JIS B 0601-1994).計測結果(算術平均粗さ Ra,最大高さ Ry,十 点平均粗さ Rz)を表 1 の右側に示す.噴射材が大きくなるほど表 面粗さが大きくなることが分かる.また,追加工に関しては,ガ ラスビーズの径が大きいものを利用したもの(条件 e)では,よ り表面が粗くなる方へ(b から a に近くなる),径が小さいもので 追加工した場合(条件 f)は表面が細かくなる方へ(b から c)変 化していることが分かる. 図 1 金属・樹脂直接接合は(a)金属部材の表面粗化処理と(b) 樹脂部材の射出成形(インサート成形)の 2 つの加工が要素 技術となる. (a) suface treatment raw metal polymer (b) injection molding 表 1 ブラスト加工の条件(噴射材の違い)と加工後の金属 片の表面粗さ(規格:JIS B 0601-1994,単位:μm). 品番 平均サイズ Ra Ry Rz a WAF80 181 μm 3.79 28.7 18.6 b WAF150 84.5 μm 2.45 17.2 12.5 c WAF180 71.5 μm 2.08 14.9 11.1 d WA#400 47.5 μm 1.05 7.25 5.97 e WAF150 GB-D 84.5 μm φ256 μm 3.38 19.5 13.1 f WAF150 GB-AH 84.5 μm φ67.5 μm 2.20 13.6 10.1 図 2 直圧式マイクロブラスト装置の模式図. Metal work Nozzle 2015 年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 Copyright Ⓒ 2015 JSPE - 441 - G69