表面结构设计对增材制造零件粘接性能的影响

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增材制造(AM)是近年来发展迅速的新型制造工艺,由于其可以设计制备出任意形状的结构件,所以可以在确保结构件强度的前提下最大限度的降低结构件的重量。将传统结构与增材制造结构通过粘接连接是降低成本的一种非常具有意义的方法。本论文选用了应用最广泛的熔融沉积成型(FDM)和打印精度较高的选择性激光烧结(SLS)这两种AM技术,系统研究了表面结构对于粘接性能的影响。本论文的研究成果如下:(1)采用熔融沉积成型工艺研究了聚醚醚酮(PEEK)与聚醚酰亚胺(PEI)的粘结性能。通过单搭接(SLJ)试验、双悬臂梁(DCB)试验和有限元分析(FEA),设计和优化了沟槽、方块、半球和台阶锥四种附着在体表面的微特征。表面特征和等离子体预处理对粘接强度影响很大。无论是SLJ还是DCB,其粘接强度均按阶梯锥>方块≈半球>沟槽顺序递减。与传统的微观结构不同,表面宏观结构尺寸较大,没有提高胶黏剂与胶接表面之间的粘结力(或浸润性),但这些结构间的互锁作用使胶接面边缘的应力向中间分散,一定程度上弱化了应力集中问题。有限元分析结果表明,表面结构(5-20μm)时通过胶粘剂和表面微结构的联锁提高了胶粘剂粘接强度。而在DCB测试中,观察到粘接面失效,但是可用于粘接的体积增加的表面积对粘接强度提供了额外的促进作用。(2)采用选择性激光烧结工艺论文研究了构建方向和纤维取向对选择性激光烧结制得的碳纤维增强尼龙12试样粘结性能的影响。对于双悬臂梁测试结果,侧表面的Ⅰ型层间断裂韧性(GIC)比上表面高近4倍,比下表面高2.5倍。确定了较高的表面粗糙度和纤维取向相结合可以增强粘接性能。在纤维垂直于粘接表面的情况下,可以最大程度的抑制纤维撕裂失效,从而获得最高的断裂韧性(GIC=2600 J/m2)。
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