作者:王琛,,張佳音,蔣旻翰,,夏凌然(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院)
殼體作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要組成部分,,具有容納和定位零件,、美化和裝飾外觀的功能,。塑膠因其具有質(zhì)輕,、絕緣、低成本和易加工等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子,、機(jī)械及日用產(chǎn)品殼體的生產(chǎn)制造中,。對(duì)于大批量生產(chǎn)的塑膠殼體,通常采用注塑,、擠塑等傳統(tǒng)工藝進(jìn)行制造,;而對(duì)于小批量定制的塑膠殼體,采用3D打印工藝既節(jié)省了開模的時(shí)間和成本,,又簡(jiǎn)化了開發(fā)流程,、提高了生產(chǎn)效率,。
塑膠殼體多設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu),各部分通過卡扣,、自攻螺絲,、機(jī)制螺絲等連接方式進(jìn)行裝配。近年來,,許多文獻(xiàn)對(duì)塑膠殼體的連接方式及其性能進(jìn)行了探究。陳麗蘭等分析了塑膠卡扣的基本類型,,以及其在生產(chǎn)過程中的注塑工藝控制要點(diǎn)和插拔性能影響因素,。李麗坤基于有限元方法計(jì)算了塑膠卡扣的極限拔脫性能,并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)卡扣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,。張琳總結(jié)了螺絲柱,、焊接柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),從模具設(shè)計(jì)和注塑工藝角度對(duì)螺絲柱,、焊接柱的連接性能進(jìn)行了探討,。相關(guān)研究表明,卡扣,、自攻螺絲,、機(jī)制螺絲等連接方式具有較好的連接性能,然而在長(zhǎng)期使用的過程中,,容易出現(xiàn)松動(dòng),、蠕變、應(yīng)力集中等現(xiàn)象,,耐久性能較差,。
考慮到一些產(chǎn)品具有拆卸和維修的需求,3D打印塑膠殼體的連接結(jié)構(gòu)既要實(shí)現(xiàn)殼體零件間的靜態(tài)連接,,又要具有可多次拆卸與裝配的耐久性能,。使用熱熔螺母嵌件植入塑膠殼體中,配合以緊固螺絲的連接方式,,可以在不損失螺母完整性的情況下實(shí)現(xiàn)塑膠殼體的重復(fù)拆裝,,具有較好的連接性能和耐久性能。因此,,本文對(duì)螺母嵌件在3D打印塑膠殼體中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,,通過單因素試驗(yàn)分析了嵌件類型、熱熔溫度和孔洞直徑對(duì)熱熔螺母嵌件與塑膠連接性能的影響,,采用田口方法對(duì)埋植參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,,得到埋植參數(shù)的優(yōu)化組合,完成了熱熔螺母嵌件在3D打印電子產(chǎn)品殼體中的應(yīng)用實(shí)踐,。
1,、實(shí)驗(yàn)部分(節(jié)選)
制樣過程
應(yīng)用Solidworks軟件繪制塑膠基座的3D模型,,基座形狀為長(zhǎng)方體,尺寸為15 mm×15 mm×12 mm,。將塑膠基座3D模型導(dǎo)出為STL文件,,并加載到Cura軟件中進(jìn)行切片處理,生成G⁃code加工數(shù)據(jù),。選取埋植參數(shù)中的嵌件類型,、熱熔溫度和孔洞直徑作為正交試驗(yàn)影響因子,設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)(表1),,使用桌面級(jí)3D打印機(jī)進(jìn)行9組塑膠基座的制備,,并對(duì)9組塑膠基座進(jìn)行螺母嵌件的埋植操作。
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表1 因素水平表
埋植操作的基本步驟為:首先把塑膠基座放置于水平工作平臺(tái)上,,將螺母嵌件的導(dǎo)入端與塑膠基座的開孔進(jìn)行對(duì)齊定位,。隨后加熱電烙鐵至220 ℃,讓其壓頭與螺母嵌件的頂端接觸,,使螺母嵌件溫度升高,,當(dāng)溫度達(dá)到塑膠自身的融化溫度時(shí),對(duì)電烙鐵壓頭施加豎直方向的壓力,,將螺母嵌件埋入塑膠基座中,。最后退出壓頭,冷卻后的螺母嵌件與塑膠基座固化成為一體,。螺母嵌件的埋植操作流程如圖2所示,,完成螺母嵌件埋植的9組塑膠基座如圖3所示。
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圖2 螺母嵌件的埋植操作流程
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圖3 螺母嵌件植入效果圖
性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征
用熱導(dǎo)率測(cè)試儀對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測(cè)試,,需對(duì)樣品表面進(jìn)行拋光和清潔處理,,表面涂抹導(dǎo)熱硅脂,冷源溫度設(shè)置為18 ℃,,熱源溫度為60 ℃,,壓力為40 N;
密度依據(jù)浸漬法測(cè)量,;
拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,,試驗(yàn)速度設(shè)置為2.0 mm/min;
沖擊試驗(yàn)在簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,,能量為5 J,,速度為2.9 m/s,跨距為62 mm,;
采用FTIR對(duì)改性后的BF官能團(tuán)進(jìn)行分析,,掃描范圍為4000~400 cm-1。
使用SEM觀察復(fù)合材料的微觀形貌,,加速電壓為15 kV,。
ABAQUS 仿真參數(shù)
對(duì)植入塑膠基座的螺母嵌件抗拔脫性能進(jìn)行測(cè)試,,如圖4所示,選用M4機(jī)米螺絲擰入螺母嵌件中(直至擰緊),,試驗(yàn)在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,。加載過程中,機(jī)米螺絲的螺紋段由上端夾具夾緊,,由于上端夾具內(nèi)壁含有鋸齒,,可減少拉伸時(shí)機(jī)米螺絲與夾具間的相對(duì)滑移。塑膠基座由下端夾具夾持固定,,試驗(yàn)采用位移加載模式,,加載速率為2 mm/min。
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圖4 抗拔脫性能測(cè)試
對(duì)植入塑膠基座的螺母嵌件抗扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行測(cè)試,,如圖5所示,選用M4機(jī)米螺絲擰入螺母嵌件中(直至擰緊),,將塑膠基座夾持固定于臺(tái)虎鉗上,。利用扭力扳手順時(shí)針擰動(dòng)機(jī)米螺絲,直至螺母嵌件從塑膠基座中擰轉(zhuǎn)脫離,,記錄下擰轉(zhuǎn)過程中的最大扭矩,。
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圖5 抗扭轉(zhuǎn)性能測(cè)試
2、熱熔螺母嵌件與塑膠連接性能分析與優(yōu)化
2.1單因素分析
2.1.1 嵌件類型對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響
選擇熱熔螺母嵌件中最常用的3類嵌件(斜紋,、網(wǎng)紋,、直紋),設(shè)置熱熔溫度為220 ℃,、孔洞直徑為5.8 mm,,對(duì)各類嵌件與塑膠的連接性能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖6~7所示,�,?梢钥闯觯奔y,、網(wǎng)紋,、直紋螺母嵌件的最大拉出力分別為1.10、0.78,、0.34 kN,,最大扭矩分別為2.92、2.02,、2.61 N·m,。斜紋螺母嵌件的最大拉出力比網(wǎng)紋、直紋螺母嵌件的最大拉出力分別提升了29.09 %,、69.09 %,,最大扭矩比網(wǎng)紋,、直紋螺母嵌件的最大扭矩分別提升了30.82 %、10.62 %,�,?拱蚊撔阅芘判�?yàn)椋盒奔y>網(wǎng)紋>直紋,抗扭轉(zhuǎn)性能排序?yàn)椋盒奔y>直紋>網(wǎng)紋,。嵌件的形狀影響了其與塑膠的連接性能,,由于斜紋螺母嵌件的滾花紋路最深,嵌件埋入塑膠時(shí),,滾花的吃膠面積越大,,其表面融化附著的塑膠量越多,塑膠對(duì)嵌件產(chǎn)生的軸向和扭轉(zhuǎn)阻抗力越大,,因此其抗拔脫,、抗扭轉(zhuǎn)性能最好。網(wǎng)紋螺母嵌件的滾花外壁具有釘狀結(jié)構(gòu),,嵌件埋入塑膠時(shí),,釘狀結(jié)構(gòu)均勻地扎入塑膠中,形成了較強(qiáng)的軸向和扭轉(zhuǎn)阻抗力,,但由于其滾花紋路最淺,,嵌件與塑膠的扭轉(zhuǎn)接觸面積最小,因此其抗扭轉(zhuǎn)性能最差,。直紋螺母嵌件的滾花紋路與扭轉(zhuǎn)平面垂直,,有效增加了嵌件與塑膠的扭轉(zhuǎn)接觸面積,加強(qiáng)了嵌件的抗扭轉(zhuǎn)性能,,但由于其滾花紋路與拉出方向一致,,塑膠對(duì)嵌件產(chǎn)生的軸向阻抗力較小,因此其抗拔脫性能最差,。在試驗(yàn)加載過程中,,由于機(jī)米螺絲的外螺紋受到萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上端夾具中鋸齒狀內(nèi)壁的機(jī)械咬合而發(fā)生部分磨損,隨著載荷的增加逐步產(chǎn)生滑移,,在載荷⁃位移曲線中出現(xiàn)了局部鋸齒狀波動(dòng)線段,,數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)了離散性特征。
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圖6 載荷⁃位移曲線
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圖7 嵌件類型對(duì)最大扭矩的影響
2.1.2 熱熔溫度對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響
熱熔溫度是指埋植螺母嵌件時(shí),,電烙鐵壓頭的設(shè)定溫度,。選擇斜紋螺母嵌件,設(shè)置孔洞直徑為5.8 mm,。對(duì)180,、200、220 ℃ 3種熱熔溫度下嵌件與塑膠的連接性能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖8~9所示,�,?梢钥闯觯�180,、200,、220 ℃熱熔溫度下嵌件的最大拉出力分別為0.83、0.88,、1.10 kN,,最大扭矩分別為2.12、2.40,、2.92 N·m,。220 ℃熱熔溫度下嵌件的最大拉出力比200 ℃和180 ℃熱熔溫度下的最大拉出力分別提升了20.00 %和24.55 %,最大扭矩比200 ℃和180 ℃熱熔溫度下的最大扭矩分別提升了17.81 %和27.40 %,。180~220 ℃范圍內(nèi),,隨著熱熔溫度的升高,嵌件的最大拉出力,、最大扭矩增大,,嵌件與塑膠的連接性能增強(qiáng)。這是因?yàn)榍都c塑膠界面的結(jié)合形式分為機(jī)械咬合與化學(xué)鍵合,。前者由于嵌件表面粗糙不平,、存在凹凸結(jié)構(gòu),,黏流態(tài)的塑膠流動(dòng),、附著并鑲?cè)氲角都砻娴陌纪菇Y(jié)構(gòu)中,形成了微觀機(jī)械咬合,。隨著熱熔溫度的升高,,塑膠的流動(dòng)性越好,在嵌件表面形成了有效的鋪展和潤(rùn)濕,,增加了嵌件的吃膠面積,,提高了嵌件與塑膠界面的結(jié)合強(qiáng)度;后者是在高溫作用下,,聚乳酸塑膠中的活性基團(tuán)與黃銅表面的氧化物發(fā)生反應(yīng),,形成C—O—M型化學(xué)鍵(M表示金屬)。具體講,,在熱熔埋植的過程中,,嵌件與塑膠界面處的活性基團(tuán)羧基(—COOH)中的碳氧雙鍵會(huì)打開,并通過氧原子與嵌件表面的氧化鋅(ZnO)發(fā)生反應(yīng),,最終形成—C—O—Zn化學(xué)鍵,。熱熔溫度越高,嵌件與塑膠界面形成的—C—O—Zn化學(xué)鍵越多,界面結(jié)合強(qiáng)度越高,,嵌件與塑膠的連接性能越強(qiáng),。
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圖8 載荷⁃位移曲線
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圖9 熱熔溫度對(duì)最大扭矩的影響
2.1.3 孔洞直徑對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響
孔洞直徑是指塑膠基座中用于埋植螺母嵌件的開孔直徑。選擇斜紋螺母嵌件,,設(shè)置熱熔溫度220 ℃,。對(duì)5.8、5.9,、6.0 mm 3種孔洞直徑下嵌件與塑膠的連接性能進(jìn)行測(cè)試,,測(cè)試結(jié)果如圖10~11所示�,?梢钥闯�,,5.8、5.9,、6.0 mm孔洞直徑下嵌件的最大拉出力分別為1.10,、0.72、0.43 kN,,最大扭矩分別為2.92,、2.51、1.92 N·m,。5.8 mm孔洞直徑下嵌件的最大拉出力比5.9,、6.0 mm孔洞直徑下的最大拉出力分別提升了34.55 %、60.91 %,,最大扭矩比5.9,、6.0 mm孔洞直徑下的最大扭矩分別提升了14.04 %、34.25 %,。5.8~6.0 mm范圍內(nèi),,隨著孔洞直徑的減小,嵌件的最大拉出力,、最大扭矩增大,,嵌件與塑膠的連接性能增強(qiáng)。這是因?yàn)樵谇都袢胨苣z的過程中,,接觸界面上融化的塑膠隨著嵌件的埋入逐步排擠,、流動(dòng)并填充到嵌件的滾花、倒鉤和凹槽的間隙處,。隨著孔洞直徑的減小,,融化排擠的塑膠量增多,足量的塑膠流動(dòng)并填充到嵌件的間隙處,,提高了嵌件與塑膠界面的結(jié)合強(qiáng)度,,因此嵌件與塑膠的連接性能增強(qiáng),。
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圖10 載荷⁃位移曲線
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圖11 孔洞直徑對(duì)最大扭矩的影響
2.2田口分析
2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
通過上文單因素試驗(yàn)分析結(jié)果可知,埋植參數(shù)中的嵌件類型,、熱熔溫度和孔洞直徑對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響效果明顯,。為優(yōu)化埋植參數(shù)設(shè)置,進(jìn)一步提高螺母嵌件與塑膠的連接性能,,選取嵌件類型,、熱熔溫度和孔洞直徑作為影響因子進(jìn)行田口試驗(yàn)設(shè)計(jì),應(yīng)用Mintab18軟件制作L9型正交試驗(yàn)表如表2所示,。
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表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果
2.2.2 信噪比分析
應(yīng)用Mintab18軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果(表2)進(jìn)行計(jì)算分析,,為了進(jìn)一步提高螺母嵌件與塑膠的連接性能,數(shù)據(jù)分析時(shí)選用望大特性,。對(duì)由正交試驗(yàn)得到的9組最大拉出力和最大扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和,,通過對(duì)最大拉出力P和最大扭矩T進(jìn)行線性函數(shù)歸一處理,設(shè)置加權(quán)系數(shù)各為0.5,,求出嵌件與塑膠的連接性能加權(quán)值Wi,。將9組連接性能加權(quán)值Wi輸入Mintab18軟件中進(jìn)行田口分析,得到嵌件與塑膠連接性能的信噪比響應(yīng)表(表3)和信噪比響應(yīng)圖如圖12所示,。
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表3 信噪比響應(yīng)表
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圖12 信噪比響應(yīng)圖
從表3可以看出,,嵌件類型(因素A)的秩值最大,為6.743,,其對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響最大,;孔洞直徑(因素C)的秩值居中,為3.390,,其對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響次之,;熱熔溫度(因素B)的秩值最小,為0.787,,其對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響最小,。
信噪比響應(yīng)圖進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)論,,由圖12可見,,A、B,、C 3個(gè)因素信噪比響應(yīng)圖中,,嵌件類型響應(yīng)曲線的斜率最大,其對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響最大,;孔洞直徑響應(yīng)曲線的斜率次之,,其對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響次之;熱熔溫度響應(yīng)曲線的斜率最小,,其對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響最小,。綜上分析,最優(yōu)埋植參數(shù)組合為A1B3C1,即嵌件類型為斜紋,、熱熔溫度為220 ℃,、孔洞直徑為5.8 mm。對(duì)此試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,,按該組合對(duì)應(yīng)的埋植參數(shù)制作試件,,對(duì)試件進(jìn)行連接性能測(cè)試,測(cè)得其最大拉出力為1.22 kN,、最大扭矩為3.04 N·m,。高于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表格中最大拉出力和最大扭矩的最大值,驗(yàn)證了A1B3C1為最優(yōu)方案,。
3,、熱熔螺母嵌件在3D打印塑膠殼體中的應(yīng)用實(shí)踐
3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
進(jìn)行螺母嵌件埋植操作前,首先對(duì)3D打印塑膠殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。塑膠殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含形狀,、脫模斜度、壁厚,、加強(qiáng)筋,、止口等多個(gè)要素,與熱塑性塑膠常用的注塑等傳統(tǒng)工藝不同,,3D打印工藝制造的塑膠殼體有其特定的設(shè)計(jì)原則,。以3D打印電子產(chǎn)品塑膠殼體為例,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,總結(jié)設(shè)計(jì)原則如下:(1)3D打印塑膠殼體的內(nèi)外表面應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)側(cè)凹或側(cè)凸部分,,否則在打印時(shí)會(huì)產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu),影響殼體的外觀,。(2)區(qū)別于注塑件,,3D打印塑膠殼體由于不需要進(jìn)行脫模處理,因此無須設(shè)置脫模斜度,。(3)為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成型品質(zhì),,避免產(chǎn)生側(cè)壁填充間隙,3D打印塑膠殼體的壁厚范圍設(shè)置為2~3 mm,,且壁厚需設(shè)置為擠出頭直徑的整數(shù)倍(一般擠出頭直徑為0.4 mm),。(4)3D打印塑膠殼體的加強(qiáng)筋、止口等結(jié)構(gòu)的厚度不應(yīng)小于1 mm,,且無須設(shè)置脫模斜度,。
參考上述原則設(shè)計(jì)完成的3D打印電子產(chǎn)品殼體如圖13所示,此3D打印電子產(chǎn)品殼體分為上,、下殼體2個(gè)部分,,上,、下殼體之間通過埋植熱熔螺母嵌件,配合緊固螺釘?shù)姆绞竭M(jìn)行連接,。殼體的側(cè)壁開有2個(gè)方形槽,,用于放置電源接口和數(shù)據(jù)接口。上,、下殼體的壁厚均設(shè)計(jì)為2.4 mm,,上殼體的公止口與下殼體的母止口厚度均為1.2 mm,加強(qiáng)筋的厚度為2 mm,,上,、下殼體、止口和加強(qiáng)筋均無脫模斜度,。根據(jù)上文的埋植參數(shù)優(yōu)化結(jié)果,,植入螺母嵌件的孔洞直徑為5.8 mm,孔深為8 mm,。
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圖13 3D打印電子產(chǎn)品殼體的結(jié)構(gòu)示意圖
3.23D打印與埋植操作
使用桌面級(jí)3D打印機(jī)制作電子產(chǎn)品塑膠殼體,,成型材料選用PLA打印絲,層高設(shè)置為0.2 mm,,打印速度設(shè)置為50 mm/s,。為盡量避免殼體產(chǎn)生支撐結(jié)構(gòu),在進(jìn)行切片處理時(shí),,將上,、下殼體的上底面和下底面分別貼合在打印平臺(tái)上,以盡可能減少殼體模型產(chǎn)生懸空部分,。為了節(jié)省打印材料,、提高打印速度,在保證模型打印品質(zhì)的前提下,,適當(dāng)縮減了塑膠殼體的填充率,,采用經(jīng)濟(jì)型填充方式,填充率設(shè)置為15 %,。對(duì)于3D打印進(jìn)程中出現(xiàn)的拉絲等問題,,需等待打印結(jié)束后,通過后處理手段,,采用機(jī)械打磨等方法去除,。
打印完成后,,對(duì)打印成型的下殼體進(jìn)行螺母嵌件的埋植操作,,根據(jù)上文的埋植參數(shù)優(yōu)化結(jié)果,選用斜紋螺母嵌件,,電烙鐵熱熔溫度設(shè)置為220 ℃,。埋植操作的基本步驟見上文,。嵌件埋植完成后,將PCB電路板裝配在下殼體中,,蓋上上殼體,,擰緊螺絲后即完成裝配步驟,嵌件埋植與裝配過程如圖14所示,。3D打印塑膠殼體具有表面品質(zhì)好,、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、開發(fā)成本低,、定制效率高等優(yōu)點(diǎn),。將熱熔螺母嵌件應(yīng)用到3D打印塑膠殼體中,進(jìn)一步提高了塑膠殼體的連接性能和耐久性能,,具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值,。
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圖14 嵌件埋植與裝配過程示意圖
4、結(jié)論
(1)探究嵌件類型,、熱熔溫度和孔洞直徑對(duì)熱熔螺母嵌件與塑膠連接性能的影響,;通過單因素試驗(yàn)分析表明:嵌件的形狀影響了其與塑膠的連接性能,各類嵌件的抗拔脫性能排序?yàn)椋盒奔y>網(wǎng)紋>直紋,,抗扭轉(zhuǎn)性能排序?yàn)椋盒奔y>直紋>網(wǎng)紋,;180~220 ℃范圍內(nèi),隨著熱熔溫度的升高,,嵌件與塑膠的連接性能增強(qiáng),;5.8~6.0 mm范圍內(nèi),隨著孔洞直徑的減小,,嵌件與塑膠的連接性能增強(qiáng),;
(2)選取埋植參數(shù)中的嵌件類型、熱熔溫度和孔洞直徑作為正交試驗(yàn)影響因子,,通過田口分析表明,,埋植參數(shù)對(duì)嵌件與塑膠連接性能的影響程度為:嵌件類型>孔洞直徑>熱熔溫度,優(yōu)化埋植參數(shù)為:嵌件類型(斜紋),、孔洞直徑(5.8 mm),、熱熔溫度(220 ℃),此參數(shù)組合下熱熔螺母嵌件的最大拉出力為1.22 kN,、最大扭矩為3.04 N·m,,嵌件與塑膠的連接性能最佳;
(3)3D打印塑膠殼體具有表面品質(zhì)好,、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,、開發(fā)成本低、定制效率高等優(yōu)點(diǎn),;將熱熔螺母嵌件應(yīng)用到3D打印塑膠殼體中,,進(jìn)一步提高了塑膠殼體的連接性能和耐久性能,,具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值。
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