奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)使用 3D 打印進(jìn)行木材-聚合物連接

2024年9月1日,，南極熊獲悉,，奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)（TU Graz）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩種無需使用任何粘合劑或螺絲將木材與金屬和聚合物復(fù)合材料等材料連接的新方法。其中一種方法稱為AddJoining,，利用增材制造技術(shù)將木材材料與聚合物復(fù)合材料結(jié)合,；另一種技術(shù)稱為超聲波連接，利用高頻振動(dòng)將材料固定到木材上,。



兩種方法目前正處于專利申請中,，未來有望在航空、汽車和家具等行業(yè)推廣,，以鼓勵(lì)在各種產(chǎn)品和系統(tǒng)中更多地采用木材,。作為一種可再生的天然材料，木材既堅(jiān)固又輕便,，因此在這些行業(yè)中作為不可再生材料或難以回收材料的一種更可持續(xù)替代品變得更加可行。

AddJoining工藝

AddJoining工藝是指直接在未經(jīng)處理的木材基板上3D打印聚合物復(fù)合組件,。利用聚合物材料滲透到木材的孔隙中產(chǎn)生的化學(xué)鍵合作用,，起到類似于膠水的作用與木材連接,。在機(jī)械負(fù)載測試中，兩種材料之間的結(jié)合非常牢固,，研究人員Gean Marcatto表示：“在接頭斷裂后,，在木材孔隙中發(fā)現(xiàn)了聚合物，并在聚合物中發(fā)現(xiàn)了斷裂的木材纖維,，這表明斷裂發(fā)生在木材和聚合物內(nèi)部,，而不是接頭處�,！�

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，首先使用激光紋理或蝕刻在木材中創(chuàng)建微觀或納米結(jié)構(gòu),，可以實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大和耐用的接頭,。額外的孔隙可以使更多的聚合物滲透到木材表面，從而增強(qiáng)結(jié)合力,。然而,，出于簡便性的考慮，研究人員更感興趣的是通過較少步驟可以實(shí)現(xiàn)的結(jié)合,。

超聲波連接

超聲波連接與AddJoining類似,，但不是直接在木材上進(jìn)行3D打印,，而是使用低振幅的高頻振動(dòng)使得聚合物或聚合物復(fù)合材料發(fā)生滲透,。具體而言,，將一個(gè)聲學(xué)工具頭應(yīng)用于木材，然后置于聚合物或聚合物復(fù)合材料上,。振動(dòng)木材與合成材料之間的摩擦產(chǎn)生熱量,，導(dǎo)致聚合物部件表面熔化，使熔融材料滲入木材的多孔結(jié)構(gòu)中,。研究員Awais Awan表示：“這種技術(shù)特別適合大型部件和2D結(jié)構(gòu),，因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)精確的局部點(diǎn)焊�,！币部梢允孪仁褂眉す鈱�(duì)木材進(jìn)行紋理處理來加強(qiáng)接頭,。


△ 在超聲波連接中，木材材料和基底組件通過摩擦熱進(jìn)行連接

在研究工作中,，研究人員測試了多種不同的材料，包括山毛櫸和橡木等多種木材品種,，以及諸如碳纖維增強(qiáng)聚酰胺,、聚苯硫醚、316L不銹鋼和Ti-64合金等基底材料,。目前,，TU Graz團(tuán)隊(duì)正致力于與汽車,、飛機(jī)和家具等行業(yè)的合作伙伴共同開發(fā)這些多材料連接方法。