奥地利格拉茨工业大学使用 3D 打印进行木材-聚合物连接

2024年9月1日，南极熊获悉，奥地利格拉茨工业大学（TU Graz）的一个研究团队开发了两种无需使用任何粘合剂或螺丝将木材与金属和聚合物复合材料等材料连接的新方法。其中一种方法称为AddJoining，利用增材制造技术将木材材料与聚合物复合材料结合；另一种技术称为超声波连接，利用高频振动将材料固定到木材上。



两种方法目前正处于专利申请中，未来有望在航空、汽车和家具等行业推广，以鼓励在各种产品和系统中更多地采用木材。作为一种可再生的天然材料，木材既坚固又轻便，因此在这些行业中作为不可再生材料或难以回收材料的一种更可持续替代品变得更加可行。

AddJoining工艺

AddJoining工艺是指直接在未经处理的木材基板上3D打印聚合物复合组件。利用聚合物材料渗透到木材的孔隙中产生的化学键合作用，起到类似于胶水的作用与木材连接。在机械负载测试中，两种材料之间的结合非常牢固，研究人员Gean Marcatto表示：“在接头断裂后，在木材孔隙中发现了聚合物，并在聚合物中发现了断裂的木材纤维，这表明断裂发生在木材和聚合物内部，而不是接头处。”

研究团队认为，首先使用激光纹理或蚀刻在木材中创建微观或纳米结构，可以实现更加强大和耐用的接头。额外的孔隙可以使更多的聚合物渗透到木材表面，从而增强结合力。然而，出于简便性的考虑，研究人员更感兴趣的是通过较少步骤可以实现的结合。

超声波连接

超声波连接与AddJoining类似，但不是直接在木材上进行3D打印，而是使用低振幅的高频振动使得聚合物或聚合物复合材料发生渗透。具体而言，将一个声学工具头应用于木材，然后置于聚合物或聚合物复合材料上。振动木材与合成材料之间的摩擦产生热量，导致聚合物部件表面熔化，使熔融材料渗入木材的多孔结构中。研究员Awais Awan表示：“这种技术特别适合大型部件和2D结构，因为能够实现精确的局部点焊。”也可以事先使用激光对木材进行纹理处理来加强接头。


△ 在超声波连接中，木材材料和基底组件通过摩擦热进行连接

在研究工作中，研究人员测试了多种不同的材料，包括山毛榉和橡木等多种木材品种，以及诸如碳纤维增强聚酰胺、聚苯硫醚、316L不锈钢和Ti-64合金等基底材料。目前，TU Graz团队正致力于与汽车、飞机和家具等行业的合作伙伴共同开发这些多材料连接方法。