Verschillend ontwerp van materiaalbinding bij 3D-printen: ontwerp van lijmoppervlak en gids voor lijmselectie

Inleiding: Ontwerpuitdagingen en kansen van ongelijksoortige materiaalcombinaties

Modern productontwerp is steeds meer geneigd om meerdere materiaalcombinaties te gebruiken om de prestatievoordelen van verschillende materialen ten volle te benutten. Bijvoorbeeld de combinatie van stijve structurele delen en flexibele afdichtingen, de combinatie van metalen skelet en kunststof omhulsel, de combinatie van geleidende materialen en isolatiematerialen, enz. De 3D-printtechnologie biedt een ongekende mate van vrijheid voor het realiseren van het verbindingsontwerp van ongelijksoortige materialen. Het kan complexe materiaalcombinaties realiseren die moeilijk te realiseren zijn met traditionele productie door middel van multi-materiaal printen of post-printing assemblage. De verschillen in fysische en chemische eigenschappen tussen ongelijksoortige materialen (zoals thermische uitzettingscoëfficiënt, elastische modulus, oppervlakte-energie) brengen echter unieke uitdagingen met zich mee voor het ontwerp van verbindingen.

Liefdebreuk is een van de meest voorkomende faalwijzen van ongelijksoortige materiaalcombinaties. Als gevolg van de discrepantie tussen de thermische uitzettingscoëfficiënten van materialen, kunnen temperatuurveranderingen schuifspanning veroorzaken op het verbindingsvlak; als gevolg van verschillen in elastische modulus treedt spanningsconcentratie op het grensvlak op tijdens belastingoverdracht; vanwege verschillen in oppervlakte-energie heeft de lijm een ​​verschillende bevochtigbaarheid van de twee materialen, wat de hechtsterkte beïnvloedt. Daarom vereist het verbindingsontwerp van ongelijksoortige materialen systematische overweging van meerdere dimensies, zoals materiaalkeuze, lijmkeuze, interfaceontwerp en procescontrole om de betrouwbaarheid van de verbinding te garanderen. Dit artikel gaat in op de kernpunten van het 3D-printen van ongelijksoortige materiaalverbindingen en biedt ingenieurs praktische ontwerprichtlijnen.

Evaluatie- en selectieprincipes van materiaalcompatibiliteit

Het belangrijkste probleem bij het combineren van ongelijksoortige materialen is materiaalcompatibiliteit. Compatibiliteitsbeoordeling moet worden uitgevoerd vanuit drie dimensies: fysieke compatibiliteit, chemische compatibiliteit en procescompatibiliteit. Fysieke compatibiliteit richt zich op het matchen van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Materiaalcombinaties met te grote CTE-verschillen (zoals aluminium CTE=23×10⁻⁶/K en PC-kunststof CTE=65×10⁻⁶/K) zullen enorme thermische spanningen veroorzaken wanneer de temperatuur verandert, wat leidt tot falen van de hechting of vervorming van het onderdeel. Het ontwerpprincipe is om zoveel mogelijk materialen te kiezen met vergelijkbare CTE, of om CTE-verschillen te compenseren door middel van constructief ontwerp (zoals flexibele overgangszones).

Chemische compatibiliteit evalueert of er chemische reacties tussen materialen optreden. Bepaalde kunststoffen (zoals ABS, PC) en specifieke lijmen (zoals lijmen die ketonoplosmiddelen bevatten) kunnen opzwellen of spanningsscheuren veroorzaken; metalen en zure lijmen kunnen corroderen. Materiaalcompatibiliteitstests moeten vóór het ontwerp worden uitgevoerd, inclusief onderdompelingstests, spanningsscheurtests, enz. Procescompatibiliteit richt zich op de vraag of twee materialen kunnen worden vervaardigd en samengevoegd met behulp van dezelfde of compatibele processen. PLA en ABS kunnen bijvoorbeeld worden geprint met FDM, maar de printtemperaturen zijn verschillend en er moeten gesegmenteerde print- of post-assemblageoplossingen worden ontworpen.

Functionele compatibiliteit is een andere belangrijke overweging bij de materiaalkeuze. Verschillende materiaalcombinaties zijn meestal bedoeld om functionele complementariteit te bereiken, dus materiaaleigenschappen moeten overeenkomen met functionele vereisten. Geleidende materialen (zoals koper, geleidende hars) worden bijvoorbeeld geselecteerd voor onderdelen die geleidend moeten zijn, technische kunststoffen worden geselecteerd voor onderdelen die geïsoleerd moeten worden; Materialen met een hoge hardheid (zoals gereedschapsstaal, keramiek) worden geselecteerd voor slijtvaste oppervlakken, en elastomeren (zoals TPU) worden geselecteerd voor onderdelen die moeten worden opgevangen. Bij de materiaalkeuze moet ook rekening worden gehouden met de kosten, beschikbaarheid en impact op het milieu.Op basis van bevredigende functies moet prioriteit worden gegeven aan volwassen, economische en milieuvriendelijke materiaalcombinaties.

Lijmkeuze: van epoxyhars tot structurele lijm

Lijmen zijn de belangrijkste media voor het verbinden van ongelijksoortige materialen. Het kiezen van een geschikte lijm vereist een uitgebreide afweging van factoren zoals het type materiaal dat moet worden verlijmd, het soort spanning, de werkomgeving, procesvereisten en kosten. Epoxy is de meest veelzijdige structurele lijm. Het heeft de voordelen van hoge sterkte, chemische corrosieweerstand en lage krimp. Het is geschikt voor verschillende materiaalcombinaties zoals metaal-metaal, metaal-kunststof, keramiek-kunststof, enz. Tweecomponenten epoxyhars kan verschillende uithardingstijden en prestatiekenmerken bereiken door de formule aan te passen, en is de reguliere keuze voor industriële toepassingen.

Acrylstructuurlijm (zoals methacrylaat) hardt snel uit (initiële verharding binnen enkele minuten), heeft een goede hechting op een verscheidenheid aan materialen (waaronder moeilijk hechtende kunststoffen zoals PE en PP) en is geschikt voor snelle montagetoepassingen. Polyurethaanlijm (PU) heeft een uitstekende flexibiliteit en slagvastheid en is geschikt voor het verlijmen van elastische materialen en stijve materialen, of verbindingen die dynamische belastingen moeten kunnen weerstaan. Siliconenlijm heeft een goede weerstand tegen hoge temperaturen en weersomstandigheden en is geschikt voor toepassingen buiten of bij hoge temperaturen. De sterkte ervan is echter laag en wordt meestal alleen gebruikt voor afdichting in plaats van voor structurele verbindingen. Cyanoacrylaat (instant cyanoacrylaat, 502) hardt zeer snel uit en is geschikt voor tijdelijke bevestiging van kleine oppervlakken. Het is echter zeer bros en heeft een slechte vochtbestendigheid, waardoor het niet geschikt is voor structurele toepassingen.

Bij de keuze van de lijm moet ook rekening worden gehouden met de verwerkbaarheid. Tweecomponentenlijmen vereisen nauwkeurige dosering en menging, en het duurt langer om te werken; Eéncomponentlijmen (zoals vochtuithardend polyurethaan) zijn handiger in gebruik, maar vereisen specifieke uithardingsomstandigheden. Bij massaproductie moet rekening worden gehouden met de lijmaanbrengmethode (handcoating, doseermachine, spuiten) en uithardingsmethode (uitharding bij kamertemperatuur, thermische uitharding, UV-uitharding). UV-uithardende lijm hardt zeer snel uit (enkele seconden tot tientallen seconden) en is geschikt voor geautomatiseerde productie, maar vereist wel dat ten minste één van de gekleefde materialen transparant is. Bij het selecteren van een lijm wordt aanbevolen om het technische gegevensblad van de leverancier te raadplegen en daadwerkelijke hechtsterktetests uit te voeren om dit te verifiëren.

Ontwerp van het lijmoppervlak: geometrie en oppervlaktebehandeling

Het geometrische ontwerp van het lijmoppervlak heeft rechtstreeks invloed op de hechtsterkte. Het basisprincipe is het maximaliseren van het effectieve hechtingsoppervlak en het vermijden van spanningsconcentratie. Voor verbindingen die onderhevig zijn aan trek- of schuifbelastingen moet oppervlakteverlijming worden gebruikt in plaats van punt- of lijnverlijming. Voor dunne plaatmaterialen kunnen overlappende verbindingen worden gebruikt om het draagvermogen te vergroten door de overlaplengte te vergroten. Een te grote overlaplengte kan echter spanningsconcentratie aan het uiteinde van de verbinding veroorzaken. Normaal gesproken wordt aanbevolen dat de overlaplengte 10-20 maal de dikte van het hechtoppervlak bedraagt. Voor verbindingen die onderhevig zijn aan afpelbelastingen moeten verstijverontwerpen worden gebruikt of moet in plaats daarvan mechanische verbindingshulp worden gebruikt.

Oppervlaktebehandeling is een belangrijke stap om de hechtsterkte te verbeteren. Op het oppervlak van 3D-geprinte onderdelen bevinden zich meestal resten van lossingsmiddel, olievlekken of lagen met een lage oppervlakte-energie, die het hechtingseffect ernstig beïnvloeden. Mechanische behandeling (zoals slijpen, zandstralen) kan de oppervlakteruwheid en het specifieke oppervlak vergroten en het mechanische inbeddingseffect verbeteren. Chemische behandelingen (zoals plasmabehandeling, vlambehandeling, beitsen) kunnen het oppervlak veranderenDe chemische samenstelling van het oppervlak verhoogt de oppervlakte-energie en verbetert de bevochtigbaarheid van de lijm. Voor moeilijk te verlijmen kunststoffen (zoals PE, PP, PTFE) is een speciale oppervlaktebehandelingstechnologie (zoals Corona-ontlading, laserbehandeling) vereist om effectief te kunnen hechten. Het verlijmen moet zo snel mogelijk na de oppervlaktebehandeling worden uitgevoerd om herbesmetting van het oppervlak te voorkomen.

Bij het ontwerp van de geometrische kenmerken van het lijmoppervlak moet ook rekening worden gehouden met de vloeiing en afvoer van lijm. Ontwerp afleidingsgroeven of lijmoverloopgroeven om de lijmstroom te geleiden en het vasthouden van luchtbellen te voorkomen. Voor het lijmen van grote oppervlakken kan een puntmatrix-lijmpatroon (zoals een raster of een spiraal) worden gebruikt om de hechtsterkte te garanderen en de afvoer te vergemakkelijken. De beheersing van de hechtingsspleet is ook erg belangrijk. Als de opening te groot is, zal de hoeveelheid lijm toenemen en zal de uithardingskrimp groot zijn; als de opening te klein is, zal de lijm moeilijk volledig te vullen zijn. Het wordt doorgaans aanbevolen om de lijmopening binnen het bereik van 0,1-0,5 mm te houden, en afstandhouders of positioneringspennen te gebruiken om uniforme openingen te garanderen.

3D-printen unieke bonding-ontwerpstrategie

3D-printtechnologie biedt unieke mogelijkheden voor het bonding-ontwerp van ongelijksoortige materialen. Multi-materiaal 3D-printen (zoals Stratasys PolyJet, 3D Systems MultiJet) kan onderdelen met meerdere materiaalcombinaties in één enkele print vervaardigen. Het kan een geleidelijke overgang tussen materialen bewerkstelligen in plaats van een plotseling grensvlak, waardoor het probleem van grensvlakspanningsconcentratie fundamenteel wordt geëlimineerd. Hoewel de kosten van multi-materiaal printapparatuur relatief hoog zijn, is de ontwerpvrijheid voor complexe functionele onderdelen (zoals zacht-harde robotgrijpers en sensorgeïntegreerde structuren) veel groter dan die van traditionele productie.

Voor 3D-printen met één materiaal kan de verbinding van ongelijksoortige materialen worden bereikt door de ingebedde onderdeelstructuur te ontwerpen. Pauzeer tijdens het printproces om een ​​stuk metaal of ander materiaal in te sluiten en ga vervolgens verder met printen om het stuk in te pakken, waardoor een mechanisch in elkaar grijpende structuur ontstaat. Deze methode is geschikt voor het inbedden van kleine onderdelen zoals moeren, draden, sensoren, enz. De belangrijkste ontwerppunten zijn dat er groeven of gaten op het oppervlak van de ingebedde onderdelen moeten zitten om de stroom van printmaterialen te vergemakkelijken om mechanische sloten te vormen; de ingebedde onderdelen moeten nauwkeurig worden gepositioneerd om botsingen met de printkoppen te voorkomen; de printparameters (zoals temperatuur en snelheid) moeten worden aangepast om oververhitting en beschadiging van de ingebedde onderdelen te voorkomen.

Een combinatie van klik- en lijmverbinding is een andere praktische strategie. 3D-printen kan nauwkeurige gespstructuren produceren om voorlopige positionering en mechanische fixatie van onderdelen te bereiken, en vervolgens lijmen gebruiken om de verbindingssterkte en afdichting te verbeteren. Het klikontwerp vereenvoudigt het montageproces en verkort de wachttijd voor het uitharden van de lijm. Bij het ontwerpen van gespen moet rekening worden gehouden met demontagevereisten: permanente verbindingen kunnen eenmalige gespen gebruiken (met een grote perspassing), en verbindingen die gerepareerd moeten worden, moeten verwijderbare gespen gebruiken (met een kleine perspassing of elastische vervorming). De combinatie van gespen en lijmen maakt optimaal gebruik van de voordelen van de twee verbindingsmethoden en is een efficiënte oplossing voor het 3D-printen van ongelijksoortige materialen.

Lijmsterktetest en kwaliteitsverificatie

De lijmsterktetest is een noodzakelijke stap om de betrouwbaarheid van het lijmontwerp te verifiëren. Afhankelijk van het soort kracht kunnen verschillende testmethoden worden geselecteerd: Treksterktetest (ASTM D1002) evalueert het vermogen van een lijmverbinding om schuifbelastingen te weerstaan; Treksterktetest(ASTM D2095) evalueert het vermogen om trekbelastingen te weerstaan; de afpelsterktetest (ASTM D1876) evalueert het vermogen om afpelbelastingen te weerstaan; en de vermoeiingssterktetest evalueert de duurzaamheid onder cyclische belasting. Het testen moet worden uitgevoerd in een omgeving die vergelijkbaar is met de werkelijke gebruiksomstandigheden (zoals temperatuur, vochtigheid, medium) om representatieve gegevens te verkrijgen.

Destructieve tests zijn weliswaar nauwkeurig, maar kunnen niet voor elk onderdeel worden gebruikt. Daarom is het noodzakelijk om een ​​kwaliteitsverificatiemethode vast te stellen, gebaseerd op procescontrole. De belangrijkste parameters van het lijmproces (zoals de kwaliteit van de oppervlaktevoorbereiding, de lijmverhouding, het lijmvolume, de uithardingstemperatuur en -tijd) moeten worden geregistreerd en bewaakt. Voor belangrijke onderdelen kan een strategie worden gebruikt die destructieve bemonsteringsproeven combineert met 100% procesinspectie. Procesinspectie omvat visuele inspectie (lijmvulling, luchtbellen, gebrek aan lijm), dimensionale inspectie (hechtopeningen, verkeerde uitlijning) en niet-destructieve inspectie (zoals ultrasone inspectie, röntgeninspectie van interne defecten).

Het testen van de duurzaamheid van het milieu is een belangrijk middel om de betrouwbaarheid van verlijmingen op lange termijn te verifiëren. De gebonden monsters worden in ruwe omgevingen geplaatst, zoals hoge temperaturen, hoge luchtvochtigheid, zoutnevel en ultraviolette straling, en de hechtsterkte wordt regelmatig getest om de prestatieverzwakking te evalueren. Voor producten die langdurig worden gebruikt, zijn bovendien versnelde verouderingstesten nodig om de lijmlevensduur te voorspellen. Testgegevens moeten een database vormen die een basis biedt voor ontwerpverbeteringen en materiaalkeuze. De analyse van hechtingsfouten is net zo belangrijk. Door middel van breukanalyse (naakte observatie, microscoopobservatie, SEM-analyse) kan de faalwijze (cohesief falen, interfacefalen, gemengd falen) worden bepaald, kunnen de zwakke schakels in het ontwerp of proces worden gevonden en kan de optimalisatierichting worden gestuurd.

Typische toepassingsgevallen en ontwerppunten

Medische hulpmiddelen zijn een typisch toepassingsgebied voor het verlijmen van ongelijksoortige materialen. Apparaten voor medicijntoediening vereisen bijvoorbeeld de verbinding van een transparant plastic venster (PC of PMMA) en een witte schaal (ABS of PC). De lijm moet niet-giftig, transparant en bestand tegen desinfectie zijn. De belangrijkste punten van het ontwerp zijn het selecteren van UV-uithardende acryllijm van medische kwaliteit, het ontwerpen van een opening van 0,2 mm en een lijmoverloopgroef op het hechtingsoppervlak, het uitvoeren van een plasma-oppervlaktebehandeling vóór het hechten, en het uitvoeren van een UV-uitharding (30 seconden) en een verouderingstest na het hechten. Een ander geval betreft een draagbaar medisch apparaat dat de verbinding van flexibel TPU en stijf ABS vereist. Er werd gekozen voor structurele polyurethaanlijm en er werd een gradiëntovergangszone ontworpen om de spanningsconcentratie te verminderen.

In consumentenelektronicaproducten wordt veel gebruik gemaakt van het verlijmen van metalen frames en kunststof behuizingen. De verbinding tussen het middelste frame (aluminiumlegering of titaniumlegering) en de achterkant (glas of keramiek) van een smartphone vereist structurele lijm met hoge sterkte (zoals structurele lijm van epoxyhars of acryl), en het verbindingsoppervlak is ontworpen met een nauwkeurige positioneringsstructuur en een lijmopening van 0,1 mm. De belangrijkste punten van het ontwerp zijn het overwegen van reparatie-demontage, het ontwerpen van gemakkelijk te scheiden structuren (zoals verzwakkingslijnen) op belangrijke locaties en het gebruik van smeltlijm of afpelbare lijm om te helpen. Een ander geval is de schaal van de oortelefoon, die een combinatie van zachte en harde kunststoffen vereist om ergonomisch dragen te bereiken. Er wordt gebruik gemaakt van tweekleurendruk of assemblage van meerdere materialen, en als lijm wordt flexibele polyurethaanlijm geselecteerd.

Op het gebied van industriële apparatuur vereist de integratie van sensoren en structurele onderdelen het verbinden van ongelijksoortige materialen. De verbinding tussen de druksensor (roestvrij staal) en de vloeistofleiding (PEEK of PTFE) vereist bijvoorbeeld chemisch bestendige epoxyharslijm, een taps overgangsontwerp op het hechtingsoppervlak om de spanningsconcentratie te verminderen, en druk- en lekkagetests. Een ander geval is een robot-eindeffector, waarvoor de verbinding nodig is tussen een stijf skelet (aluminiumlegering of nylon) en een flexibele vingertop (TPU of siliconen). Er wordt gebruik gemaakt van een combinatie van snap + lijm. De lijm is geselecteerd als flexibele polyurethaanlijm met hoge sterkte en er worden grijpkrachttests en vermoeidheidstests uitgevoerd.

Conclusie: Systematisch ontwerp garandeert de betrouwbaarheid van verbindingen van ongelijksoortige materialen

Ontwerp van verbinding tussen verschillende materialen is een van de sleuteltechnologieën bij de engineering van 3D-printproducten. Door middel van wetenschappelijke materiaalselectie, een redelijk ontwerp van het hechtoppervlak, de juiste oppervlaktebehandeling en strikte procescontrole, kan een zeer betrouwbare verbinding van verschillende materialen worden bereikt. Ontwerpers moeten systematisch rekening houden met mechanische eigenschappen, omgevingsfactoren, proceshaalbaarheid en kostenbeperkingen om de optimale lijmoplossing te selecteren. Met de ontwikkeling van multi-materiaal 3D-printtechnologie zal de ontwerpvrijheid van ongelijksoortige materiaalcombinaties verder worden uitgebreid, waardoor er meer mogelijkheden voor productinnovatie ontstaan.

In de toekomst zullen intelligente verbindingsmaterialen (zoals zelfherstellende lijmen, spanningsgevoelige lijmen) en geautomatiseerde lijmprocessen (zoals robotdosering, online kwaliteitsinspectie) de betrouwbaarheid en efficiëntie van verbindingen van verschillende materialen verder verbeteren. Het wordt aanbevolen dat ondernemingen ontwerpnormen vaststellen voor het verbinden van ongelijksoortige materialen, databanken voor materiaalcompatibiliteit en procesparameterbibliotheken verzamelen, professionele verbindingsontwerpingenieurs opleiden en verbindingstechnologie gebruiken als een van de kernmogelijkheden voor gedifferentieerde concurrentie op het gebied van 3D-printproducten. Door voortdurende technologische accumulatie en technische praktijk zal het ontwerp van ongelijksoortige materiaalverbindingen evolueren van ervaringsgericht naar wetenschappelijk ontwerp, waardoor een solide technische basis wordt gelegd voor prestatieverbetering en kostenoptimalisatie van 3D-printproducten.