無需膠水：通過3D打印與超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)木材和金屬的強(qiáng)力粘合

2024年8月29日，南極熊獲悉，奧地利格拉茨理工大學(xué)（TU Graz）的科學(xué)家們近日推出了兩種突破性的連接材料新技術(shù)，預(yù)示著制造業(yè)將迎來革命性的變革。這兩種方法能夠在孔隙層面形成超強(qiáng)粘合，無需依賴傳統(tǒng)的腐蝕性粘合劑，從而大幅提升環(huán)保性和生產(chǎn)效率。

△在超聲波連接中，木材和金屬等兩種材料通過聲波摩擦產(chǎn)生的熱量連接在一起

技術(shù)研發(fā)背景

傳統(tǒng)工業(yè)膠粘劑雖然能夠有效連接各類材料，但其環(huán)境影響卻不容忽視。以石油基化學(xué)品為原料的膠粘劑不僅生產(chǎn)過程消耗大量能源和資源，還會(huì)釋放有害污染物。使用后，這些膠粘劑會(huì)對(duì)土壤和地下水造成污染，同時(shí)某些化學(xué)品對(duì)工人健康也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。盡管市場(chǎng)上已有多種嘗試改進(jìn)的環(huán)保粘合劑，包括可重復(fù)使用的植物膠和可生物降解的產(chǎn)品，但奧地利研究團(tuán)隊(duì)卻采用了全新的方法。

△通過“Addjoining”技術(shù)，研究人員可以將塑料復(fù)合材料直接通過3D打印的方式打印到未經(jīng)處理的木材表面上

3D打印技術(shù)帶來創(chuàng)新性粘合方案

研究人員開發(fā)了名為“Addjoining”的先進(jìn)3D打印工藝，通過該技術(shù)，能夠直接在未經(jīng)處理的木材表面打印各種材料，使它滲透至木材的孔隙中，形成強(qiáng)力的粘合。實(shí)驗(yàn)表明，連接處斷裂發(fā)生在木材和聚合物中，而非接頭處，證明了該方法的有效性。

格拉茨技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)、連接與成型研究所的博士后研究員Gean Marcatto解釋道：“在斷裂過程中，我們能夠在木材孔隙中找到聚合物，并在聚合物中發(fā)現(xiàn)斷裂的木纖維，這表明粘合發(fā)生在木材與聚合物的結(jié)合處，而非接頭位置�！�

研究團(tuán)隊(duì)還提出，通過激光蝕刻技術(shù)創(chuàng)建更復(fù)雜的木材結(jié)構(gòu)或增大孔隙，將進(jìn)一步提升3D打印粘合的強(qiáng)度。這種技術(shù)特別適用于復(fù)雜的3D幾何形狀，因?yàn)樗�允許組件直接在表面上打印，滿足多樣化的設(shè)計(jì)需求。

研究負(fù)責(zé)人Sergio Amancio表示：“我們希望盡可能簡(jiǎn)化操作步驟，并且最重要的是避免使用化學(xué)品。這項(xiàng)技術(shù)特別適合用于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗�可以直接在表面上打印所需的幾何形狀�！?br />

△IIW國(guó)際焊接與連接會(huì)議

新型超聲波連接技術(shù)

研究人員提出的第二種連接技術(shù)被稱為“超聲波連接”。這種方法使用一種稱為超聲波發(fā)生器的設(shè)備，通過木材和金屬聚合物的接合處發(fā)射高頻低振動(dòng)的聲波。這些聲波在接合處產(chǎn)生摩擦，從而生成足夠的熱量以將兩種材料粘合在一起。

該研究的共同作者Awais Awan表示：“由于我們實(shí)現(xiàn)了精確的局部點(diǎn)連接，因此這項(xiàng)技術(shù)特別適合用于大型部件和二維結(jié)構(gòu)�！毖芯咳藛T相信，這種新型綠色連接技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力，尤其在家具、汽車和航空行業(yè)中表現(xiàn)突出。

目前，研究成果已在上個(gè)月IIW年會(huì)和國(guó)際焊接與連接會(huì)議上發(fā)表。未來，該團(tuán)隊(duì)希望與汽車、飛機(jī)和家具行業(yè)的合作伙伴合作，進(jìn)一步完善這些技術(shù)。