熱熔螺母嵌件在3D打印塑膠殼體中的應用研究

作者：王琛，張佳音，蔣旻翰，夏凌然（南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院）

殼體作為產品結構的主要組成部分，具有容納和定位零件、美化和裝飾外觀的功能。塑膠因其具有質輕、絕緣、低成本和易加工等特點被廣泛應用于電子、機械及日用產品殼體的生產制造中。對于大批量生產的塑膠殼體，通常采用注塑、擠塑等傳統(tǒng)工藝進行制造；而對于小批量定制的塑膠殼體，采用3D打印工藝既節(jié)省了開模的時間和成本，又簡化了開發(fā)流程、提高了生產效率。

塑膠殼體多設計為分體結構，各部分通過卡扣、自攻螺絲、機制螺絲等連接方式進行裝配。近年來，許多文獻對塑膠殼體的連接方式及其性能進行了探究。陳麗蘭等分析了塑膠卡扣的基本類型，以及其在生產過程中的注塑工藝控制要點和插拔性能影響因素。李麗坤基于有限元方法計算了塑膠卡扣的極限拔脫性能，并結合仿真結果對卡扣結構進行了優(yōu)化。張琳總結了螺絲柱、焊接柱的結構特點，從模具設計和注塑工藝角度對螺絲柱、焊接柱的連接性能進行了探討。相關研究表明，卡扣、自攻螺絲、機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、蠕變、應力集中等現(xiàn)象，耐久性能較差。

考慮到一些產品具有拆卸和維修的需求，3D打印塑膠殼體的連接結構既要實現(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現(xiàn)塑膠殼體的重復拆裝，具有較好的連接性能和耐久性能。因此，本文對螺母嵌件在3D打印塑膠殼體中的應用進行了研究，通過單因素試驗分析了嵌件類型、熱熔溫度和孔洞直徑對熱熔螺母嵌件與塑膠連接性能的影響，采用田口方法對埋植參數(shù)進行優(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打印電子產品殼體中的應用實踐。

1、實驗部分(節(jié)選）

制樣過程
應用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模型導出為STL文件，并加載到Cura軟件中進行切片處理，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影響因子，設計3因素3水平正交試驗（表1），使用桌面級3D打印機進行9組塑膠基座的制備，并對9組塑膠基座進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上，將螺母嵌件的導入端與塑膠基座的開孔進行對齊定位。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，當溫度達到塑膠自身的融化溫度時，對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

性能測試與結構表征

用熱導率測試儀對復合材料的導熱性能進行測試，需對樣品表面進行拋光和清潔處理，表面涂抹導熱硅脂，冷源溫度設置為18 ℃，熱源溫度為60 ℃，壓力為40 N；

密度依據(jù)浸漬法測量；
拉伸試驗和三點彎曲實驗在萬能試驗機上進行，試驗速度設置為2.0 mm/min；
沖擊試驗在簡支梁沖擊試驗機上進行，能量為5 J，速度為2.9 m/s，跨距為62 mm；
采用FTIR對改性后的BF官能團進行分析，掃描范圍為4000~400 cm-1。
使用SEM觀察復合材料的微觀形貌，加速電壓為15 kV。

ABAQUS 仿真參數(shù)
對植入塑膠基座的螺母嵌件抗拔脫性能進行測試，如圖4所示，選用M4機米螺絲擰入螺母嵌件中（直至擰緊），試驗在萬能力學試驗機上進行。加載過程中，機米螺絲的螺紋段由上端夾具夾緊，由于上端夾具內壁含有鋸齒，可減少拉伸時機米螺絲與夾具間的相對滑移。塑膠基座由下端夾具夾持固定，試驗采用位移加載模式，加載速率為2 mm/min。

圖4  抗拔脫性能測試

對植入塑膠基座的螺母嵌件抗扭轉性能進行測試，如圖5所示，選用M4機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虎鉗上。利用扭力扳手順時針擰動機米螺絲，直至螺母嵌件從塑膠基座中擰轉脫離，記錄下擰轉過程中的最大扭矩。

圖5  抗扭轉性能測試

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、網紋、直紋），設置熱熔溫度為220 ℃、孔洞直徑為5.8 mm，對各類嵌件與塑膠的連接性能進行測試，測試結果如圖6~7所示。可以看出，斜紋、網紋、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 %�？拱蚊撔阅芘判驗椋盒奔y>網紋>直紋，抗扭轉性能排序為：斜紋>直紋>網紋。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，滾花的吃膠面積越大，其表面融化附著的塑膠量越多，塑膠對嵌件產生的軸向和扭轉阻抗力越大，因此其抗拔脫、抗扭轉性能最好。網紋螺母嵌件的滾花外壁具有釘狀結構，嵌件埋入塑膠時，釘狀結構均勻地扎入塑膠中，形成了較強的軸向和扭轉阻抗力，但由于其滾花紋路最淺，嵌件與塑膠的扭轉接觸面積最小，因此其抗扭轉性能最差。直紋螺母嵌件的滾花紋路與扭轉平面垂直，有效增加了嵌件與塑膠的扭轉接觸面積，加強了嵌件的抗扭轉性能，但由于其滾花紋路與拉出方向一致，塑膠對嵌件產生的軸向阻抗力較小，因此其抗拔脫性能最差。在試驗加載過程中，由于機米螺絲的外螺紋受到萬能力學試驗機上端夾具中鋸齒狀內壁的機械咬合而發(fā)生部分磨損，隨著載荷的增加逐步產生滑移，在載荷⁃位移曲線中出現(xiàn)了局部鋸齒狀波動線段，數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)了離散性特征。

圖6  載荷⁃位移曲線

圖7  嵌件類型對最大扭矩的影響

2.1.2 熱熔溫度對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，電烙鐵壓頭的設定溫度。選擇斜紋螺母嵌件，設置孔洞直徑為5.8 mm。對180、200、220 ℃ 3種熱熔溫度下嵌件與塑膠的連接性能進行測試，測試結果如圖8~9所示�？梢钥闯觯�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，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。這是因為嵌件與塑膠界面的結合形式分為機械咬合與化學鍵合。前者由于嵌件表面粗糙不平、存在凹凸結構，黏流態(tài)的塑膠流動、附著并鑲入到嵌件表面的凹凸結構中，形成了微觀機械咬合。隨著熱熔溫度的升高，塑膠的流動性越好，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合強度；后者是在高溫作用下，聚乳酸塑膠中的活性基團與黃銅表面的氧化物發(fā)生反應，形成C—O—M型化學鍵（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羧基（—COOH）中的碳氧雙鍵會打開，并通過氧原子與嵌件表面的氧化鋅（ZnO）發(fā)生反應，最終形成—C—O—Zn化學鍵。熱熔溫度越高，嵌件與塑膠界面形成的—C—O—Zn化學鍵越多，界面結合強度越高，嵌件與塑膠的連接性能越強。

圖8  載荷⁃位移曲線

圖9  熱熔溫度對最大扭矩的影響

2.1.3 孔洞直徑對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，設置熱熔溫度220 ℃。對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行測試，測試結果如圖10~11所示。可以看出，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，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。這是因為在嵌件埋入塑膠的過程中，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，足量的塑膠流動并填充到嵌件的間隙處，提高了嵌件與塑膠界面的結合強度，因此嵌件與塑膠的連接性能增強。

圖10  載荷⁃位移曲線

圖11  孔洞直徑對最大扭矩的影響

2.2田口分析

2.2.1 試驗設計
通過上文單因素試驗分析結果可知，埋植參數(shù)中的嵌件類型、熱熔溫度和孔洞直徑對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)設置，進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行田口試驗設計，應用Mintab18軟件制作L9型正交試驗表如表2所示。

表2  正交試驗方案及結果

2.2.2 信噪比分析

應用Mintab18軟件對正交試驗結果（表2）進行計算分析，為了進一步提高螺母嵌件與塑膠的連接性能，數(shù)據(jù)分析時選用望大特性。對由正交試驗得到的9組最大拉出力和最大扭矩數(shù)據(jù)進行加權求和，通過對最大拉出力P和最大扭矩T進行線性函數(shù)歸一處理，設置加權系數(shù)各為0.5，求出嵌件與塑膠的連接性能加權值Wi。將9組連接性能加權值Wi輸入Mintab18軟件中進行田口分析，得到嵌件與塑膠連接性能的信噪比響應表（表3）和信噪比響應圖如圖12所示。

表3  信噪比響應表

圖12  信噪比響應圖

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，其對嵌件與塑膠連接性能的影響最小。

信噪比響應圖進一步驗證了以上結論，由圖12可見，A、B、C 3個因素信噪比響應圖中，嵌件類型響應曲線的斜率最大，其對嵌件與塑膠連接性能的影響最大；孔洞直徑響應曲線的斜率次之，其對嵌件與塑膠連接性能的影響次之；熱熔溫度響應曲線的斜率最小，其對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。對此試驗結果進行驗證，按該組合對應的埋植參數(shù)制作試件，對試件進行連接性能測試，測得其最大拉出力為1.22 kN、最大扭矩為3.04 N·m。高于正交試驗設計表格中最大拉出力和最大扭矩的最大值，驗證了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用實踐

3.1結構設計
進行螺母嵌件埋植操作前，首先對3D打印塑膠殼體進行結構設計。塑膠殼體的結構設計包含形狀、脫模斜度、壁厚、加強筋、止口等多個要素，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計原則。以3D打印電子產品塑膠殼體為例，對其進行結構設計，總結設計原則如下：（1）3D打印塑膠殼體的內外表面應盡可能避免出現(xiàn)側凹或側凸部分，否則在打印時會產生支撐結構，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行脫模處理，因此無須設置脫模斜度。（3）為了保證結構強度和成型品質，避免產生側壁填充間隙，3D打印塑膠殼體的壁厚范圍設置為2~3 mm，且壁厚需設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筋、止口等結構的厚度不應小于1 mm，且無須設置脫模斜度。

參考上述原則設計完成的3D打印電子產品殼體如圖13所示，此3D打印電子產品殼體分為上、下殼體2個部分，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行連接。殼體的側壁開有2個方形槽，用于放置電源接口和數(shù)據(jù)接口。上、下殼體的壁厚均設計為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，加強筋的厚度為2 mm，上、下殼體、止口和加強筋均無脫模斜度。根據(jù)上文的埋植參數(shù)優(yōu)化結果，植入螺母嵌件的孔洞直徑為5.8 mm，孔深為8 mm。

圖13  3D打印電子產品殼體的結構示意圖

3.23D打印與埋植操作
使用桌面級3D打印機制作電子產品塑膠殼體，成型材料選用PLA打印絲，層高設置為0.2 mm，打印速度設置為50 mm/s。為盡量避免殼體產生支撐結構，在進行切片處理時，將上、下殼體的上底面和下底面分別貼合在打印平臺上，以盡可能減少殼體模型產生懸空部分。為了節(jié)省打印材料、提高打印速度，在保證模型打印品質的前提下，適當縮減了塑膠殼體的填充率，采用經濟型填充方式，填充率設置為15 %。對于3D打印進程中出現(xiàn)的拉絲等問題，需等待打印結束后，通過后處理手段，采用機械打磨等方法去除。

打印完成后，對打印成型的下殼體進行螺母嵌件的埋植操作，根據(jù)上文的埋植參數(shù)優(yōu)化結果，選用斜紋螺母嵌件，電烙鐵熱熔溫度設置為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好、結構強度高、開發(fā)成本低、定制效率高等優(yōu)點。將熱熔螺母嵌件應用到3D打印塑膠殼體中，進一步提高了塑膠殼體的連接性能和耐久性能，具有較好的實用推廣價值。

圖14  嵌件埋植與裝配過程示意圖

4、結論
（1）探究嵌件類型、熱熔溫度和孔洞直徑對熱熔螺母嵌件與塑膠連接性能的影響；通過單因素試驗分析表明：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為：斜紋>網紋>直紋，抗扭轉性能排序為：斜紋>直紋>網紋；180~220 ℃范圍內，隨著熱熔溫度的升高，嵌件與塑膠的連接性能增強；5.8~6.0 mm范圍內，隨著孔洞直徑的減小，嵌件與塑膠的連接性能增強；

（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影響因子，通過田口分析表明，埋植參數(shù)對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好、結構強度高、開發(fā)成本低、定制效率高等優(yōu)點；將熱熔螺母嵌件應用到3D打印塑膠殼體中，進一步提高了塑膠殼體的連接性能和耐久性能，具有較好的實用推廣價值。