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(kāi)發(fā)了兩種無(wú)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(qǐng)中，未來(lái)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(cè)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(jiǎn)便性的考慮，研究人員更感興趣的是通過(guò)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(lái)加強(qiáng)接頭。


△ 在超聲波連接中，木材材料和基底組件通過(guò)摩擦熱進(jìn)行連接

在研究工作中，研究人員測(cè)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(kāi)發(fā)這些多材料連接方法。