奧地利格拉茨工業(yè)大學使用 3D 打印進行木材-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（TU Graz）的一個研究團隊開發(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，利用增材制造技術將木材材料與聚合物復合材料結合；另一種技術稱為超聲波連接，利用高頻振動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，以鼓勵在各種產品和系統(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處理的木材基板上3D打印聚合物復合組件。利用聚合物材料滲透到木材的孔隙中產生的化學鍵合作用，起到類似于膠水的作用與木材連接。在機械負載測試中，兩種材料之間的結合非常牢固，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部，而不是接頭處。”

研究團隊認為，首先使用激光紋理或蝕刻在木材中創(chuàng)建微觀或納米結構，可以實現(xiàn)更加強大和耐用的接頭。額外的孔隙可以使更多的聚合物滲透到木材表面，從而增強結合力。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現(xiàn)的結合。

超聲波連接

超聲波連接與AddJoining類似，但不是直接在木材上進行3D打印，而是使用低振幅的高頻振動使得聚合物或聚合物復合材料發(fā)生滲透。具體而言，將一個聲學工具頭應用于木材，然后置于聚合物或聚合物復合材料上。振動木材與合成材料之間的摩擦產生熱量，導致聚合物部件表面熔化，使熔融材料滲入木材的多孔結構中。研究員Awais Awan表示：“這種技術特別適合大型部件和2D結構，因為能夠實現(xiàn)精確的局部點焊�！币部梢允孪仁褂眉す鈱δ静倪M行紋理處理來加強接頭。


△ 在超聲波連接中，木材材料和基底組件通過摩擦熱進行連接

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團隊正致力于與汽車、飛機和家具等行業(yè)的合作伙伴共同開發(fā)這些多材料連接方法。