一直以来, 焊接都是连接金属的标准技术. 但是, 这种在高温下进行的复杂工艺并不适用于所有的材料. 日前, 基尔大学的 '纳米功能材料' 课题组与Phi-Stone股份有限公司联合开发了一种替代传统焊接和粘合的新技术. 该技术依据特殊的蚀刻工艺, 可以使铝和铝合金, 聚合物之间相互连接并形成坚固耐用的接头. 他们将在汉诺威工业博览会(4月23日至27日)上展示可移动连接装置的样机, 并将在得到客户的反馈意见后开始大批量生产.
基尔大学课题组及其合作伙伴(基尔Phi-Stone创业股份有限公司), 将在汉诺威工业博览会上展示他们的可移动型样机 'Metalangelo' . 图片来源: Siekmann, CAU
焊接是一种通过熔化局部工件来连接其他零部件的制造工艺. 然而, 熔化时的高温环境势必会对材料的性能产生不可预估的影响, 导致其组织结构及光学性能发生变化. 同时, 焊接还需要特殊的安全措施和技艺娴熟的技工. 相比之下, 基尔大学课题组(Rainer Adelung教授)研发的 新工艺不仅可以节省焊接材料, 而且即使是在焊接死角处, 亦或者是倒挂在天花板上施工时, 操作起来也非常便捷. 在短短的几分钟内, 金属与金属, 金属与聚合物之间就可以永久连接.
该团队正考虑将该工艺应用于船舶, 飞机或汽车等生产领域. Adelung表示, 该工艺特别适用于在成品中附加零部件, 例如在船舶或汽车中附加内部构件. Adelung说: '焊接时金属局部的高温环境会破坏已经处理或喷涂过的工件表面, 而我们的工艺却是在室温下进行的, 不需要对工件施加特殊的保护措施. '
蚀刻原件安装在具有真空保持器的铝件表面上, 然后用特定的工艺以电化学的方式将其结构化. 图片来源: Siekmann, CAU
为了能够将金属紧密的连接在一起, 基尔大学课题组利用 '纳米雕刻' 技术, 将已经电化学微刻蚀的工件表面变得更加粗糙, 以便于在微米级上加工出直角钩的结构. 处理后的两个表面通过粘合剂相互粘合, 便会产生一种很难断裂的强力接头.
Phi-Stone股份有限公司的董事Ingo Paulowicz说: '就算是发生断裂, 那么可能也只是粘合剂或材料本身出了问题, 而非连接点. ' '纳米雕刻工艺为连接技术领域的发展提供了一个全新的机遇. 未来, 该技术也可能有助于医疗技术的发展 . ' Adelung补充道.
在电子显微镜下, 可以看到金属粗糙表面的细钩结构. 这使得许多材料能够 '互锁' 并永久连接. 图片来源: Mark-Daniel Gerngroß
为了将这种连接工艺应用到工业生产中, 日前, 基尔大学课题组和Phi-Stone股份有限公司研制了一种名为 'Metalangelo' 的可移动型样机. 通过3D打印定制生产的蚀刻元件, 可以在室温中精确地处理金属表面. 他们希望与首批客户一道, 结合客户需求将样机开发到市场准备阶段. 他们在这方面已经注册了两项专利. 样机引用了文艺复兴时期的雕塑家米开朗基罗的名称, 以此凸显新工艺的基本原理: 定向表面处理 . 然而, 基尔大学研究团队要进行处理的是金属而非大理石.
铝制法兰件牢固地连接在铝壁上. 图片来源: Siekmann, CAU
如上图所示, 该工艺在连接金属时不会产生传统的焊缝. 图片来源: Siekmann, CAU