新的制造工艺可实现木材和金属的无粘合剂连接

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格拉茨工业大学的研究人员利用 3D 打印技术和超声波连接技术，成功实现了可再生原料木材与金属和聚合物复合材料的极强连接。
可再生原材料木材对气候无害，同时又轻便坚固，因此从根本上来说非常适合用于汽车制造。迄今为止，一个挑战是如何将木材与汽车中的其他材料（如金属和聚合物复合材料）以坚固的方式连接在一起。
由格拉茨工业大学 (TU Graz) 材料科学、连接和成型研究所的 Sergio Amancio 领导的研究团队（成员包括 Gean Marcatto、Awais Awan、Willian Carvalho 和 Stefan Herbst）现已成功测试了两种技术，通过这两种技术无需使用粘合剂或螺钉即可实现极强的连接。
该技术在木材上的应用正在申请专利，可用于飞机、汽车和家具行业。
连接技术和增材制造使木材能够取代可持续性较差的材料
两种新颖的制造技术适用于各自的应用领域。山毛榉、橡木、碳纤维增强聚酰胺和聚苯硫醚、不锈钢316L 和 Ti-64 合金被用作测试材料。
塞尔吉奥·阿曼西奥说：“我们的动机显然是环境保护。”通过新的制造工艺，可再生原材料木材可以取代由能源密集型或难以回收的材料制成的部件。
AddJoining：3D 打印通过木材孔隙实现连接
利用 AddJoining 技术，可以使用 3D打印工艺将聚合物复合材料制成的组件固定并直接打印到表面（在本例中为木材）上。
打印材料渗入木材孔隙，发生化学反应，类似于胶水与木材的反应。由此产生的连接在机械负载测试中非常成功。
“接头断裂后，我们能够在木材孔隙中发现聚合物，并在聚合物中发现断裂的木纤维，这表明断裂发生在木材和聚合物中，而不是在接头处，”在该研究所担任博士后研究该过程的 Gean Marcatto 解释道。
这些成功的测试是在未经处理的木材表面上进行的。通过激光纹理化或蚀刻将微米或纳米结构引入木材中，可以实现更耐用的接头，从而增加孔隙并增强粘合表面。
“但我们希望尽可能减少步骤，最重要的是不使用化学品，”塞尔吉奥·阿曼西奥 (Sergio Amancio) 在解释其基本想法时说道。
“我们可以很好地将这项技术应用于复杂的 3D 几何形状，因为组件可以直接打印在表面上——无论需要什么样的几何形状。”
超声波连接确保点连接稳定
在超声波连接中，使用超声波发生器将高频低振幅振动施加到木制部件上。与基体部件（在本例中为聚合物或聚合物复合材料）接触时，摩擦会在界面处产生热量，从而熔化聚合物部件的表面。
Addjoining 使用 3D 打印技术将塑料复合材料制成的部件打印到木材上。图片来源：Wolf - TU Graz
熔融的聚合物渗入木材天然多孔的​​表面。这样，通过机械联锁（因为熔融的塑料在木材中再次凝固）和粘合力的结合，可以实现非常稳定的点接。
“由于我们实现了精确的局部点连接，这种技术特别适合大型部件和二维结构，”Awais Awan 解释说，他的博士学位致力于研究利用超声波能量进行连接的技术。
这些点接缝也经过了机械测试，非常成功。通过对木材 表面进行预处理（例如激光纹理处理），还可以进一步增强接缝强度。
未来，该团队希望与汽车、飞机和家具行业的合作伙伴合作，进一步完善这些技术。