熱熔螺母嵌件在3D打印塑膠殼體中的應(yīng)用研究

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。

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。

圖2  螺母嵌件的埋植操作流程

圖3  螺母嵌件植入效果圖

性能測試與結(jié)構(gòu)表征

用熱導(dǎo)率測試儀對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測試，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。

圖4  抗拔脫性能測試

對(duì)植入塑膠基座的螺母嵌件抗扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行測試，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。

圖5  抗扭轉(zhuǎn)性能測試

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)行測試，測試結(jié)果如圖6~7所示�？梢钥闯�，斜紋、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。

圖6  載荷⁃位移曲線

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)行測試，測試結(jié)果如圖8~9所示�？梢钥闯�，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�與塑膠界面的結(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�表面的凹凸結(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)。

圖8  載荷⁃位移曲線

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)行測試，測試結(jié)果如圖10~11所示�？梢钥闯觯�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�埋入塑膠的過程中，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)。

圖10  載荷⁃位移曲線

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。

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。

表3  信噪比響應(yīng)表

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)行連接性能測試，測得其最大拉出力為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。

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。

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。