用于金屬和樹脂高強注塑連接的晶格結構增材制造

供稿人：王迎鑫、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　


金屬和高強樹脂的連接對于電子、汽車和航空航天工業(yè)的輕量化制造至關重要，晶格結構可以使樹脂和金屬產生機械互鎖，以實現高強度接頭。增材制造技術已經廣泛用于制傳統(tǒng)工藝下難以成型的復雜的精細結構，尤其是在輕量化制造領域。最近臺灣科技大學3D打印研究中心采用增材制造技術和注塑方法實現了高強度的金屬和樹脂的機械互鎖。該技術的主要原理是首先通過選區(qū)激光融化(SLM)技術在金屬基板上生成了不同形狀和密度的晶格結構，然后將熔融樹脂通過注塑方法注入晶格結構并固化，形成互鎖的高強接頭。

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

為了探究不同晶格結構下的失效模式，研究人員對不同密度，不同晶格形狀的連接件的拉伸力學性能，使用Abaqus軟件進行了有限元計算，發(fā)現在較低密度的晶格結構中, 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力, 并能夠將其應力傳遞給金屬支柱晶格。

圖2(a) FEA預測不同晶胞樹脂-晶格樣品的粘合強度； (b) 不同樹脂-晶格樣品的實驗拉力

3D打印晶格結構顯著增強金屬-樹脂結合件的性能，其連接界面的結合強度，與傳統(tǒng)刻蝕等連接方法相比，高出2~3倍。 增材制造技術為制造幾微米到幾十微米的高幾何復雜結構提供了更高的設計自由度，毫無疑問，在航空航天、汽車、醫(yī)療和電子制造業(yè)等領域，輕質高強的定制化結構將成為未來發(fā)展的趨勢。
參考文獻：

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