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JP2021022517A - ラミネート材を用いた接合品およびラミネート材を用いた接合品の製造方法。 - Google Patents

ラミネート材を用いた接合品およびラミネート材を用いた接合品の製造方法。 Download PDF

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JP2021022517A JP2019139179A JP2019139179A JP2021022517A JP 2021022517 A JP2021022517 A JP 2021022517A JP 2019139179 A JP2019139179 A JP 2019139179A JP 2019139179 A JP2019139179 A JP 2019139179A JP 2021022517 A JP2021022517 A JP 2021022517A
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忍 山内
Shinobu Yamauchi
忍 山内
裕一 古川
Yuichi Furukawa
裕一 古川
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Abstract

【課題】樹脂部材を長期間安定した状態に取り付けることができて、十分な耐久性を得ることができるとともに、製品価値を向上させることができるラミネート材を用いた接合品およびラミネート材を用いた接合品の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、金属層51の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層52が設けられたラミネート材Lと、レーザー光Pを透過する樹脂部材3とを備えたラミネート材を用いた接合品1を対象とする。被覆層52と樹脂部材3とは当接しており、被覆層52と樹脂部材3とが溶着により互いに接合された接合部Wを有していることを特徴とする。【選択図】図5

Description

本発明は、金属層に樹脂製の被覆層が積層されたラミネート材と樹脂部材とのラミネート材を用いた接合品およびラミネート材を用いた接合品の製造方法に関する。
金属層に樹脂製の被覆層が積層されたラミネート材は、金属が有している光およびガスに対するバリア性と、樹脂が有している耐食性、耐水性、耐薬品性、電気絶縁性および耐摩耗性などの機能とを併せ持つだけでなく、ラミネート材自体を薄くかつ軽量にすることができるため、包装材などに広く用いられている。
ラミネート材を包装材として用いるためには、ラミネート材どうしを接合あるいはラミネート材と他の部材とを接合して密閉する必要があり、その接合には、接着剤で接合する方法やラミネート材を構成する被覆層の樹脂を溶着する方法が用いられる。特に、溶着する場合は接合面におけるラミネート材の構成材料自体を用いて接合できるため、接合する工程がシンプルで、一般的な方法として採用される。これが熱融着ヒートシールである。
ヒートシールでは、ラミネート材と相手材(ラミネート材あるいは樹脂部材)とを接合させる部分で加熱すると同時に、隙間なく密着させることが不可欠である。すなわち、ラミネート材および相手材に加熱させた金型を押し当てることで、加圧固定と加熱とを同時に行う方法が採用されており、この技術が下記特許文献1に開示されている。
同文献では、二枚のラミネート材を重ねて上下両側からヒーターを内蔵した金型で挟むことで、接合面を均等に加圧および加熱することが容易で、効率的にヒートシールすることができる。しかし、ヒーター接触側の樹脂層は熱溶融させず、接合側の樹脂層のみを熱溶融させて接合する必要があり、両樹脂層に同一の樹脂を用いた場合、ヒーター接触側からの熱伝導で加熱するため、ヒーター接触側の樹脂層が、接合側の樹脂層よりも必然的に高温となってしまう。このため、両樹脂層の溶融温度を変え、接合側の樹脂層をより低温で溶融する構造として、適切な加熱条件でヒートシールする方法が用いられる。
特開2006−40747号公報
しかしながら、上記ヒーター金型からの熱伝導による加熱方法において、一方をラミネート材、他方を樹脂部材としてヒートシールする場合、樹脂部材におけるヒーター接触側は接合側よりも先に溶融してしまうため、ラミネート材側からのみ加熱することになる。また、ラミネート材の接合側よりもヒーター接触側の溶融温度を高くしなければならず、ラミネート材の材料構成や加熱条件などを工夫する必要があり、大量生産に適し、安定し、かつ信頼性の高い接合方法が確立できないという課題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、樹脂部材をラミネート材に長期間安定した状態に取り付けることができて、十分な耐久性を得ることができるとともに、製品価値を向上させることができるラミネート材を用いた接合品およびラミネート材を用いた接合品の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を要旨とするものである。
[1]金属層の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層が設けられたラミネート材と、
レーザー光を透過する樹脂部材とを備え、
前記被覆層と前記樹脂部材とは当接しており、前記被覆層と前記樹脂部材とが溶着により互いに接合された接合部を有していることを特徴とするラミネート材を用いた接合品。
[2]前記接合部における前記樹脂部材は前記ラミネート材よりも厚くなっている前項1記載のラミネート材を用いた接合品。
[3]前記樹脂部材は前記レーザー光の透過率が10%以上である樹脂で構成されている前項1または2記載のラミネート材を用いた接合品。
[4]前記被覆層と前記樹脂部材との材質が同一である前項1〜3のいずれか1項に記載のラミネート材を用いた接合品。
[5]金属層の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層が設けられたラミネート材と、
レーザー光を透過する樹脂部材とを備え、
前記被覆層と前記樹脂部材とを当接させ、前記樹脂部材を透過した前記レーザー光が前記金属層で発熱することによるレーザー溶着により、前記被覆層と前記樹脂部材とが互いに接合されていることを特徴とするラミネート材を用いた接合品の製造方法。
[6]前記レーザー光の波長は800nm〜1200nmである前項5記載のラミネート材を用いた接合品の製造方法。
[7]前記レーザー光が前記樹脂部材における前記被覆層と前記樹脂部材とが互いに接合された接合部以外の部位を透過する前項5または6記載のラミネート材を用いた接合品の製造方法。
発明[1]のラミネート材を用いた接合品によれば、樹脂部材はレーザー光を透過する樹脂で構成され、ラミネート材を構成する樹脂製の被覆層と樹脂部材とが当接され、溶着により互いに接合されているため、樹脂部材をラミネート材に長期間安定した状態に取り付けることができる。このため、十分な耐久性を得ることができるとともに、製品価値を向上させることもできる。さらに、レーザー光に樹脂部材を透過させて溶着により、ラミネート材と樹脂部材とを接合させるため、接合部における温度のみを選択的に上昇させることができる。
発明[2]のラミネート材を用いた接合品によれば、レーザー光に樹脂部材を透過させ、ラミネート材と樹脂部材とが溶着により接合されるため、ラミネート材よりも厚い樹脂部材を接合することができる。
発明[3]のラミネート材を用いた接合品によれば、レーザー光の透過率が10%以上である樹脂を用いて樹脂部材を構成することで、レーザー光のエネルギーを効率良く用いて接合することができる。
発明[4]のラミネート材を用いた接合品によれば、ラミネート材を構成する被覆層と樹脂部材との材質が同一であるため、両者を確実に接合することができる。
発明[5]のラミネート材を用いた接合品の製造方法によれば、樹脂部材を透過させたレーザー光が金属層で発熱することによるレーザー溶着により、ラミネート材と樹脂部材とが互いに接合されるため、金属層におけるレーザー光の吸収を利用して選択的に加熱し溶着することができる。
また、レーザー光に樹脂部材を透過させ、接合部における温度を選択的に上昇させることができるため、溶着させる界面近傍の樹脂のみを軟化流動させて、接合できる温度まで発熱させることができる。さらに、上記[1]の接合品の発明と同様の効果を得ることもできる。
発明[6]のラミネート材を用いた接合品の製造方法によれば、レーザー光の波長が、800nm〜1200nmであるため、レーザー光が樹脂部材を透過しやすくなる。
発明[7]のラミネート材を用いた接合品の製造方法によれば、レーザー光に樹脂部材における接合部以外の部位を透過させ、金属層でレーザー光を吸収させて、ラミネート材と樹脂部材とを接合するため、複雑な密閉構造の内部であっても接合することができる。
図1は本発明の実施形態であるラミネート材を用いた接合品を概略的に示す斜視図である。 図2は本発明の実施形態であるラミネート材を用いた接合品を分解して概略的に示す斜視図である。 図3は本発明の実施形態であるラミネート材を用いた接合品のフランジ部材を拡大して示す図であって、図(a)は斜視図、図(b)は図(a)のB−B線における断面を概略的に示す断面図である。 図4は図1のA−A線における断面を示す図であって、図(a)はラミネート材を用いた接合品全体を示す断面図、図(b)はラミネート材を用いた接合品の一部を示す断面図である。 図5は図1のA−A線における断面の一部を拡大して示す断面図である。 図6は本発明の他の実施形態であるラミネート材を用いた接合品のケーシングを形成する過程を示す断面図であって、図(a)は形成前を示す断面図、図(b)は形成途中を示す断面図、図(c)は形成後を示す断面図である。
図1は本実施形態のラミネート材を用いた接合品1を概略的に示す斜視図、図2は本実施形態のラミネート材を用いた接合品1を分解して概略的に示す斜視図、図3は本実施形態のラミネート材を用いた接合品1のフランジ部材7を示す図、図4および図5は図1のA−A線における断面図、図6は他の実施形態におけるラミネート材を用いた接合品1のケーシング2について説明する図である。
本発明のラミネート材を用いた接合品は、金属層の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層が設けられたラミネート材およびレーザー光を透過する樹脂部材を備えており、被覆層と樹脂部材とが当接し、被覆層と樹脂部材とが溶着により互いに接合された接合部を有していることを特徴とするものである。
図1および図2に示すように、本実施形態のラミネート材を用いた接合品1としては、熱交換器が挙げられる。この熱交換器は、電気自動車等の電動機を駆動する電力を供給するバッテリー装置を冷却するものである。
図1および図2に示すように、本実施形態のラミネート材を用いた接合品1は、三つのケーシング2および各ケーシング2両端に上側から当接させた二つの樹脂部材3を備え、各ケーシング2および各樹脂部材3のそれぞれの長手方向が直交するように配置された構成を有している。
なお、本実施形態では三つのケーシング2を用いているが、これに限らず、熱交換器の用途に応じてケーシング2の数は変更可能である。
本実施形態のラミネート材を用いた接合品1として熱交換器を例に挙げたが、これに限らず、この接合品1は後述するラミネート材および後述する樹脂部材を備え、ラミネート材の被覆層と樹脂部材とが当接し、溶着により互いに接合されているものであればよい。
ケーシング2は、その表面に被冷却部材を接触配置させることで、ケーシング2内部を流れる熱媒体と被冷却部材との間で熱交換するために用いられるものであり、後述するラミネート材Lを用いて形成される。
本実施形態の熱媒体としては、水もしくは不凍液等の冷媒が用いられている。
ここで、図示は省略したが、被冷却部材として、例えば電池ユニットが用いられる。この電池ユニットは、リチウムイオン電池等の二次電池を多数接続した組電池や複数の組電池を直列または並列に組み合わせたものである。
図2、図4(a)および図4(b)に示すように、本実施形態のケーシング2は、二つのラミネート材Lによって構成されている。すなわち、一方のラミネート材Lには、長円形状の凹部23および外周縁部21が形成されており、この凹部23を塞ぐように他方のラミネート材Lが重ね合わされている。そして、外周縁部21と他方のラミネート材Lとが熱圧着(熱融着)により一体に接合されることで、ケーシング2は長円形状に構成されている。
本実施形態においてケーシング2は長円形状であるが、その形状は長方形状、楕円状もしくは正方形状であってもよい。さらに、これらの形状に限定されることはなく、ケーシング2はその内部を熱媒体が流れるような形状であればよい。
また、凹部23は深絞り加工などのプレス加工により形成される。深絞り加工とは、オス、メス一対の金型であるパンチおよびダイスを用いて、一枚の金属板に圧力を加えて絞り込み(圧縮し)、凹状に加工する加工方法である。
また、本実施形態では、二つのラミネート材Lを重ね合わせることで、ケーシング2を形成しているが、一つのラミネート材Lのみを用いて形成してもよい。すなわち、図6(a)に示すように、一端側に凹部23が形成されたラミネート材Lの他端側を、図6(b)に示すD方向に折り曲げ、そして、図6(c)に示すように、ラミネート材Lの両端が一致するように重ね合わせ、一端側の外周縁部21と他端とを熱圧着(熱融着)により一体に接合することで、ケーシング2を形成してもよい。
ラミネート材Lは金属層の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層を配置し、積層状に一体化して構成されるものである。
図5に示すように、本実施形態のラミネート材Lは、金属層51の両面に被覆層52、53を配置し、積層状に一体化された三層ラミネート材によって構成されている。さらに、図2、図4(a)および図4(b)に示すように、出入口22がラミネート材Lを貫通するように形成されている。
本実施形態の金属層51を構成する金属はアルミニウムである。なお、アルミニウムという用語は、純アルミニウムはもちろんアルミニウム合金も含む意味で用いられる。
また、本実施形態の金属層51を構成するアルミニウム層の厚さは8μm〜500μmに設定するのが良く、より好ましくは20μm〜200μmに設定するのが良い。
被覆層52、53は樹脂で構成されており、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができる。例えば、ポリアミド樹脂、アイオノマー樹脂、高密度ポリエチレン樹脂(以後、HDPE)、低密度ポリエチレン樹脂(LDPE)、アクリルブタジエン共重合体樹脂(ABS)、ポリ塩化ビニル樹脂(PVC)、ポリスチレン樹脂(PS)、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)、ポリフェニレンスルファイド樹脂(PPS)、ポリイミド樹脂(PI)もしくはポリカーボネート樹脂(PC)を用いることができる。
本実施形態の被覆層52、53としては、HDPEが用いられている。なお、被覆層52、53は同種の樹脂によって構成しても良いし、異なる種類の樹脂によって構成しても良い。
出入口22は、ケーシング2の内部に対し熱媒体を流出入させるためのものである。
図2、図4(a)および図4(b)に示すように、本実施形態の出入口22はケーシング2上面の両端に位置するように設けられている。
フランジ部材7は、後述する樹脂部材3をラミネート材Lに取り付けた際に、その取り付け強度を向上させるためのものである。
図3は本実施形態のフランジ部材7を拡大して示す図であって、図3(a)は斜視図、図3(b)は図3(a)のB−B線における断面を概略的に示す断面図である。これらの図に示すように、本実施形態のフランジ部材7は円筒状の上フランジ部材72および略半円状の下フランジ部材73を備えており、両フランジ部材72、73は同一の内径75を有し、これらの中心軸Cが一致するように一体に成形されている。また、下フランジ部材73には三つの突起部74が鉛直方向に突出するように設けられている。
また、図5に示すように、フランジ部材7は出入口22近傍におけるラミネート材Lの内周面61、62に沿うように配置され、上フランジ部材72はケーシング2外部に突出する突出部71を有している。そして、下フランジ部材73および突起部74はケーシング2底壁内面と当接している。
樹脂部材3はレーザー光を透過する樹脂によって構成されるものであり、上述の被覆層52、53で例示した樹脂を用いることができ、その融点は100℃〜200℃、そしてレーザー光Pの透過率は10%以上となっている。
さらに、樹脂部材3はラミネート材Lの外層を構成する被覆層52に用いられる樹脂と異なる樹脂を用いてもよいが、被覆層52に用いられる樹脂と同一の樹脂を用いる方が好ましい。同一の樹脂を用いる方が、樹脂部材3および被覆層52を溶着させやすいためである。
本実施形態の樹脂部材3では配管部材が用いられており、この配管部材はケーシング2内部に対し熱媒体を供給および排出させるためのものである。この配管部材としては、複数のケーシング2を繋ぐヘッダやマニホールドを用いることができる。さらに、これらに限定されることはなく、ケーシング2内部に対し熱媒体を供給および排出できるものであれば、外部の他の装置と接続するものであってもよい。
本実施形態の樹脂部材3では、HDPE製のヘッダが用いられており、その融点は約120℃、レーザー光Pの透過率は14%である。
図1および図2に示すように、本実施形態の樹脂部材3は直方体状の形状であり、長手方向の端部に流入口33もしくは流出口34を備え、ケーシング2の出入口22に対応する穴32を有している。そして、各ケーシング2に設けられたフランジ部材7の突出部71が、各穴32に嵌め込まれる構造となっており、これらの突出部71が各穴32に嵌め込まれることで、樹脂部材3とラミネート材Lが当接されている。
流入口33および流出口34は、それぞれ熱媒体を樹脂部材3に供給および排出するためのものである。
本実施形態では樹脂部材3に熱媒体を、流入口33から供給し流出口34から排出しているが、流出口34から供給し流入口33から排出するようにしてもよい。
穴32は一方の樹脂部材3に供給された熱媒体をケーシング2内部に注入、およびケーシング2内部の熱媒体を他方の樹脂部材3に排出するためのものである。
本実施形態では、各ケーシング2と対応して同数の三つの穴32が各樹脂部材3に形成されている。
接合部Wは、樹脂部材3とラミネート材Lとを当接させ、ラミネート材Lの外層を構成する被覆層52と樹脂部材3とを溶着により互いに接合させた部分である。
図5に示すように、本実施形態の接合部Wにおける樹脂部材3は、ラミネート材Lよりも厚くなるように構成されている。
次に、本実施形態のラミネート材を用いた接合品1の製造方法について説明する。
まず、アルミニウムで構成される金属層51の両面に、HDPEで構成される被覆層52、53を積層状に接着し一体化することで、長方形状のラミネート材Lを形成する。このラミネート材Lを二つ準備し、一方のラミネート材Lに上述の深絞り加工を施すことで長円形状の凹部23を形成し、この凹部23底面の両端側を貫通させ、二つの出入口22を形成する。
そして、各出入口22近傍におけるラミネート材Lの内周面61、62に沿うように、フランジ部材7を設ける。この時、上フランジ部材72の先端付近、つまり、突出部71がケーシング2外部に突出する。次いで、凹部23を塞ぐように他方のラミネート材Lを配置し、一方のラミネート材Lの外周縁部21と他方のラミネート材Lとを熱圧着(熱融着)により一体に接合することで、長円形状のケーシング2を形成する。同様にして、同一のケーシング2を三つ準備する。
次に、樹脂部材3として、長手方向の端部に流入口33もしくは流出口34を備え、ケーシング2の出入口22に対応する穴32を有するHDPE製の直方体状のヘッダを二つ準備する。
これらを準備後、各ケーシング2を長手方向が並列になるように配置し、各ケーシング2の出入口22および各樹脂部材3の穴32が対向するように配置する。そして、ラミネート材Lに配置されたフランジ部材7の突出部71を穴32に嵌め込み、樹脂部材3とケーシング2を当接させ、樹脂部材3とケーシング2とを隙間が無いように加圧密着させる。この際、接合面Wがたわまないような構造とする。
次に、樹脂部材3とケーシング2との当接面に対して、波長が800nm〜1200nmのレーザー光Pを照射して、樹脂部材3およびケーシング2をレーザー溶着により接合する。この際、当接面は樹脂部材3によって隠れているため、レーザー光Pは樹脂部材3を通して照射される。
つまり、図5に示すように、レーザー光Pは樹脂部材3の外壁35上方から下壁36に向かって鉛直方向に照射される。樹脂部材3はレーザー光Pを透過する樹脂であるため、レーザー光Pは外壁35および下壁36を透過する。この際、レーザー光Pは樹脂部材3ではそれほど吸収されず、樹脂部材3での発熱は融点以下となるように抑制される。そして、下壁36と当接している被覆層52もレーザー光Pを透過する樹脂であるため、レーザー光Pは被覆層52を透過して金属層51に到達する。
金属層51は不透明なアルミニウムで構成されているため、レーザー光Pは金属層51を透過することができず、金属層51で吸収され、金属層51周辺部分が発熱する。この発熱する部分が発熱領域Sである。すると、発熱領域Sにおける下壁36および被覆層52を構成する界面近傍の樹脂が、加熱により軟化流動し、接合部Wにおいて、溶着され接合される。
このように、本実施形態のラミネート材を用いた接合品1は、ラミネート材Lの外層を構成する被覆層52と樹脂部材3とがレーザー溶着により互いに接合され製造される。
そして、樹脂部材3の流入口33から熱媒体が流入されると、その熱媒体がケーシング2内部を流通し、樹脂部材3の流出口34から熱媒体が流出される。こうして、ケーシング2内部に循環される熱媒体と、ケーシング2表面に接触配置された上述の電池ユニット等の被冷却部材との間で熱交換されて、被冷却部材から発生する熱が熱媒体を介して放出される。これにより車両のバッテリー装置等の発熱体が冷却されるものである。
以上の構成を有する本実施形態のラミネート材を用いた接合品1によれば、樹脂部材3はレーザー光Pを透過する樹脂で構成され、ラミネート材Lを構成する樹脂製の被覆層52と樹脂部材3とが当接され、溶着により互いに接合されているため、樹脂部材3を長期間安定した状態に取り付けることができる。このため、十分な耐久性を得ることができるとともに、製品価値を向上させることもできる。さらに、レーザー光Pに樹脂部材3を透過させて溶着によりラミネート材Lと樹脂部材3とを接合させるため、接合部Wにおける温度のみを選択的に上昇させることができる。
また、レーザー光Pの透過率が10%以上である樹脂を用いて樹脂部材3を構成しているため、レーザー光Pのエネルギーを効率良く用いて接合することができる。さらに、ラミネート材Lを構成する被覆層52および樹脂部材3が同種の樹脂で構成されているため、両者を確実に接合することができる。
また、本実施形態のラミネート材を用いた接合品1の製造方法によれば、樹脂部材3を透過させたレーザー光Pが金属層51で発熱することによるレーザー溶着により、ラミネート材Lと樹脂部材3とが互いに接合されるため、金属層51におけるレーザー光Pの吸収を利用して選択的に加熱し溶着することができる。さらに、レーザー光Pに樹脂部材3を透過させ、接合部Wにおける温度を選択的に上昇させることができるため、溶着させる界面近傍の樹脂のみを軟化流動させて接合できる温度まで発熱させることができる。
また、波長が800nm〜1200nmであるレーザー光Pを用いているため、レーザー光Pが樹脂部材3を透過しやすくなる。
さらに、レーザー光Pを樹脂部材3の外壁35および下壁36を透過させ、金属層51でレーザー光Pを吸収させるため、樹脂部材3における発熱領域Sを除く部分では発熱を抑制でき、発熱領域Sにおいては、溶着させる界面近傍の樹脂のみを軟化流動させて接合できる温度まで発熱させることができる。このように、複雑な密閉構造の内部であっても接合することができる。
本発明のラミネート材を用いた接合品は、電池ユニットを冷却する熱交換器として好適に用いることができる。
1:ラミネート材を用いた接合品
3:樹脂部材
35:外壁
36:下壁
51:金属層
52、53:被覆層
L:ラミネート材
P:レーザー光
W:接合部

Claims (7)

  1. 金属層の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層が設けられたラミネート材と、
    レーザー光を透過する樹脂部材とを備え、
    前記被覆層と前記樹脂部材とは当接しており、前記被覆層と前記樹脂部材とが溶着により互いに接合された接合部を有していることを特徴とするラミネート材を用いた接合品。
  2. 前記接合部における前記樹脂部材は前記ラミネート材よりも厚くなっている請求項1記載のラミネート材を用いた接合品。
  3. 前記樹脂部材は前記レーザー光の透過率が10%以上である樹脂で構成されている請求項1または2記載のラミネート材を用いた接合品。
  4. 前記被覆層と前記樹脂部材との材質が同一である請求項1〜3のいずれか1項に記載のラミネート材を用いた接合品。
  5. 金属層の少なくとも片面側に樹脂製の被覆層が設けられたラミネート材と、
    レーザー光を透過する樹脂部材とを備え、
    前記被覆層と前記樹脂部材とを当接させ、前記樹脂部材を透過した前記レーザー光が前記金属層で発熱することによるレーザー溶着により、前記被覆層と前記樹脂部材とが互いに接合されていることを特徴とするラミネート材を用いた接合品の製造方法。
  6. 前記レーザー光の波長は800nm〜1200nmである請求項5記載のラミネート材を用いた接合品の製造方法。
  7. 前記レーザー光が前記樹脂部材における前記被覆層と前記樹脂部材とが互いに接合された接合部以外の部位を透過する請求項5または6記載のラミネート材を用いた接合品の製造方法。
JP2019139179A 2019-07-29 2019-07-29 ラミネート材を用いた接合品およびラミネート材を用いた接合品の製造方法。 Pending JP2021022517A (ja)

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