【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.07.22】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23YG0057
利用課題名 / Title
高分子/金属溶着特性
利用した実施機関 / Support Institute
山形大学 / Yamagata Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
生分解性樹脂,ポリ乳酸,アルミニウム,溶着,成形/ Molding,異種材料接着・接合技術/ Dissimilar material adhesion/bonding technology,高強度・生分解性プラスチック/ High-strength, biodegradable plastic,異種材料接着・接合技術/ Dissimilar material adhesion/bonding technology
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
佐藤 凌
所属名 / Affiliation
山形大学工学部高分子・有機材料工学科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
近年、燃料費節約等の目的から、自動車や航空機を中心とした構造部品の軽量化が求められている。それに伴い、金属素材の一部を樹脂素材に置き換えるマルチマテリアル化に向けた技術開発が進んでいる。しかし、金属と異種材料である樹脂のマルチマテリアル化の実現には、溶着技術が大きな課題となる。そこで、溶着技術として、超音波溶着が挙げられる。超音波溶着は、超音波縦振動により材料間で発熱し、短時間で局所的な溶着を特徴としている。しかし、金属と樹脂を短時間で直接溶着させるのは、非常に困難である。このような現状の中、過去の研究では、特定の条件でポリ乳酸(PLA)とアルミニウムの超音波溶着性が確認されている。また、金属と樹脂の溶着において、適切な表面処理を行うことが重要である。以上より本研究では、超音波溶着技術に着目し、アルミニウムの表面に物理的に溝をつけることにより、ポリ乳酸とアルミニウムの短時間溶着を目指す。高分子と金属の溶着界面における接着状態をマイクロX線CTを用いて非破壊で観察した。得られたデータを３次元解析アプリケーションにより解析した。
実験 / Experimental
超音波ウェルダーJⅡP30s(精電舎電子工業株式会社製)を用いて、ポリ乳酸フィルムとアルミニウムを超音波溶着させた。X線非破壊検査装置 (装置ID：YG-602, TXScanner, Micro-focus X-ray CT scanner)を用いて高分子と金属の溶着界面における接着状態をマイクロX線CTを用いて非破壊で観察した。試料は、ポリ乳酸とアルミニウムを使用した。アルミニウムには、溝をつけており、溝の中に樹脂がどのように入り込んでいるかを観察した。そして、得られたデータを３次元解析アプリケーションにより解析した。万能試験機 3342(INSTRON 社製)を用いて、超音波溶着させた試験片の引張せん断試験を行い、最大強度を測定した。
結果と考察 / Results and Discussion
溝を付けたアルミニウムとポリ乳酸を短時間で溶着させることに成功した。具体的には、2s という短時間で、ポリ乳酸がアルミニウムの溝に入り込み溶着を可能した。 図 1にポリ乳酸とアルミニウムが溶着した後の断面の X 線 CT 観察画像を示す。溝の中に樹脂が入り込んでいる様子が確認できる。しかし、ヒートシールのような熱での溶着では、 溶着時間2s ではアルミニウムの溝にポリ乳酸が入り込むことができず、 溶着できなかった。また、溶着時間を 10s に伸ばすと、溝に樹脂は入り込むが、溝の奥まできれいに埋めることはできなかった。これは、超音波溶着の利点である、界面から発熱する特徴を生かして、短時間で溶着できたことを示す。引張せん断試験の結果は、溝の深さが深くなるにつれ、最大強度が大きくなる傾向がみられた。そこで、先ほどの X 線 CT 観察により、溝に入り込んだ樹脂の体積を概算で算出した。算出した体積を用いて、溝の深さを 0.1mm～0.6mm に変化させたときのポリ乳酸の体積と最大強度との関係を図 3 に示す。溝の深さが 0.1mm のときは、溶着しなかったが、そのほかは、溝が深くなるにつれて、溝に入り込む樹脂の体積が大きくなり、最大強度も大きくなっていることが分かった。 これは、樹脂が金属の溝に入り込むことにより溶着を可能にしたことを示す。これは、樹脂と金属の直接溶着技術の向上に寄与すると考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図 １．ポリ乳酸とアルミニウムの溶着部断面の X 線 CT 画像 溝の深さ0.3mm
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 山形大学工学部高分子有機材料工学科 卒業研究発表会 R6.2.14．
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件