Lijepljenje drva i metala zvučnim valovima

Koristeći tehnologiju 3D ispisa i ultrazvučnu tehniku ​​spajanja, istraživači na Institutu tehnologije u Grazu (TU Graz) uspjeli su postići iznimno čvrst spoj drva s metalom i polimernim kompozitom. 

Obnovljiva sirovina drvo je klimatski neutralna, a u isto vrijeme lagana i čvrsta, što je čini zanimljivom za upotrebu u proizvodnji vozila. Jedan od dosadašnjih izazova bilo je spajanje drva i drugih materijala, poput metala i polimernih kompozita, na robustan način. 

Istraživački tim predvođen Sergiom Amanciom s Instituta za znanost o materijalima, spajanje i oblikovanje s sveučilišta TU Gra, Gean Marcatto, Awais Awan, Willian Carvalho i Stefan Herbst,sada je uspješno testirao dvije tehnike pomoću kojih se iznimno čvrsti spojevi mogu postići bez upotrebe ljepila ili vijaka. Primjena ovih tehnika na drvo je u postupku patentiranja i mogla bi se koristiti u zrakoplovnoj, automobilskoj i industriji namještaja. 

Kao ispitni materijal korišteni su bukva, hrast, poliamid ojačan ugljičnim vlaknima i polifenilen sulfid, nehrđajući čelik 316L i legure Ti-64. 

S tehnikom AddJoining, komponenta izrađena od polimernog kompozita se pričvršćuje i ispisuje izravno na površinu, u ovom slučaju drvo, pomoću procesa 3D printanja. Otisnuti materijal prodire u pore drva, gdje dolazi do kemijske reakcije, slične reakciji ljepila s drvom. Rezultirajuće veze bile su vrlo uspješne u ispitivanjima mehaničkog opterećenja. "Nakon što je spoj puknuo, uspjeli smo pronaći polimer u porama drva i slomljena drvena vlakna u polimeru, što sugerira da je do puknuća došlo u drvu i polimeru, ali ne na spoju", objašnjava Gean Marcatt. 

Ovi uspješni testovi provedeni su na neobrađenoj drvenoj površini, a još izdržljiviji spojevi mogu se postići uvođenjem mikro ili nano strukture u drvo putem laserskog teksturiranja ili jetkanja, što povećava pore i poboljšava površine za lijepljenje. 

Kod ultrazvučnog spajanja, visokofrekventne vibracije niske amplitude primjenjuju se na drvenu komponentu pomoću sonotrode, alata koji stvara ultrazvučne vibracije i primjenjuje vibracijsku energiju na plin, tekućinu, krutinu ili tkivo. 

U kontaktu s osnovnom komponentom, u ovom slučaju polimerom ili polimernim kompozitnim materijalom, trenje stvara toplinu na sučelju koja topi površinu polimernog dijela. Rastaljeni polimer infiltrira se u prirodno poroznu površinu drva. Na taj se način može postići vrlo stabilan točkasti spoj, iz mješavine mehaničkog međusobnog spajanja (jer se otopljena plastika ponovno skruti u drvu) i adhezijske sile. 

"Ova tehnika je posebno prikladna za velike komponente i 2D strukture budući da postižemo precizno lokaliziran točkasti spoj", objašnjava Awais Awan, koji je svoj doktorat posvetio tehnologiji spajanja pomoću ultrazvučne energije. Ovi točkasti spojevi također su mehanički ispitani s velikim uspjehom. Spojevi se također mogu dodatno ojačati prethodnom obradom drvene površine kao što je lasersko teksturiranje. 

Tim bi u budućnosti želio surađivati ​​s partnerima iz automobilske industrije, zrakoplovne industrije i industrije namještaja na daljnjem usavršavanju tehnologije.