用于金屬和樹脂高強(qiáng)注塑連接的晶格結(jié)構(gòu)增材制造

供稿人：王迎鑫、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　


金屬和高強(qiáng)樹脂的連接對于電子、汽車和航空航天工業(yè)的輕量化制造至關(guān)重要，晶格結(jié)構(gòu)可以使樹脂和金屬產(chǎn)生機(jī)械互鎖，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度接頭。增材制造技術(shù)已經(jīng)廣泛用于制傳統(tǒng)工藝下難以成型的復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，尤其是在輕量化制造領(lǐng)域。最近臺灣科技大學(xué)3D打印研究中心采用增材制造技術(shù)和注塑方法實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度的金屬和樹脂的機(jī)械互鎖。該技術(shù)的主要原理是首先通過選區(qū)激光融化(SLM)技術(shù)在金屬基板上生成了不同形狀和密度的晶格結(jié)構(gòu)，然后將熔融樹脂通過注塑方法注入晶格結(jié)構(gòu)并固化，形成互鎖的高強(qiáng)接頭。

圖1(a) 金屬基板上的單層5×5晶格結(jié)構(gòu)；(b) X、Y 方向的周期性邊界線；(c) 晶格結(jié)構(gòu)和金屬基板的 1×1 晶胞模型；(d) 為FEA模擬設(shè)計(jì)的單胞樹脂-晶格結(jié)合件。

為了探究不同晶格結(jié)構(gòu)下的失效模式，研究人員對不同密度，不同晶格形狀的連接件的拉伸力學(xué)性能，使用Abaqus軟件進(jìn)行了有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在較低密度的晶格結(jié)構(gòu)中, 晶格-樹脂互鎖區(qū)域的樹脂量較多, 樹脂能夠承受較大的應(yīng)力, 并能夠?qū)⑵鋺?yīng)力傳遞給金屬支柱晶格。

圖2(a) FEA預(yù)測不同晶胞樹脂-晶格樣品的粘合強(qiáng)度； (b) 不同樹脂-晶格樣品的實(shí)驗(yàn)拉力

3D打印晶格結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)金屬-樹脂結(jié)合件的性能，其連接界面的結(jié)合強(qiáng)度，與傳統(tǒng)刻蝕等連接方法相比，高出2~3倍。 增材制造技術(shù)為制造幾微米到幾十微米的高幾何復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了更高的設(shè)計(jì)自由度，毫無疑問，在航空航天、汽車、醫(yī)療和電子制造業(yè)等領(lǐng)域，輕質(zhì)高強(qiáng)的定制化結(jié)構(gòu)將成為未來發(fā)展的趨勢。
參考文獻(xiàn)：

    Sva B、Cky C、Chl D 等。 用于注塑成型過程中金屬和樹脂的高強(qiáng)度機(jī)械聯(lián)鎖的晶格結(jié)構(gòu)的增材制造，增材制造 49 (2022) 102463。