一直以來, 焊接都是連接金屬的標準技術. 但是, 這種在高溫下進行的複雜工藝並不適用於所有的材料. 日前, 基爾大學的 '納米功能材料' 課題組與Phi-Stone股份有限公司聯合開發了一種替代傳統焊接和粘合的新技術. 該技術依據特殊的蝕刻工藝, 可以使鋁和鋁合金, 聚合物之間相互連接並形成堅固耐用的接頭. 他們將在漢諾威工業博覽會(4月23日至27日)上展示可移動連接裝置的樣機, 並將在得到客戶的反饋意見後開始大批量生產.
基爾大學課題組及其合作夥伴(基爾Phi-Stone創業股份有限公司), 將在漢諾威工業博覽會上展示他們的可移動型樣機 'Metalangelo' . 圖片來源: Siekmann, CAU
焊接是一種通過熔化局部工件來連接其他零部件的製造工藝. 然而, 熔化時的高溫環境勢必會對材料的性能產生不可預估的影響, 導致其組織結構及光學性能發生變化. 同時, 焊接還需要特殊的安全措施和技藝嫻熟的技工. 相比之下, 基爾大學課題組(Rainer Adelung教授)研發的 新工藝不僅可以節省焊接材料, 而且即使是在焊接死角處, 亦或者是倒掛在天花板上施工時, 操作起來也非常便捷. 在短短的幾分鐘內, 金屬與金屬, 金屬與聚合物之間就可以永久連接.
該團隊正考慮將該工藝應用於船舶, 飛機或汽車等生產領域. Adelung表示, 該工藝特別適用於在成品中附加零部件, 例如在船舶或汽車中附加內部構件. Adelung說: '焊接時金屬局部的高溫環境會破壞已經處理或噴塗過的工件表面, 而我們的工藝卻是在室溫下進行的, 不需要對工件施加特殊的保護措施. '
蝕刻原件安裝在具有真空保持器的鋁件表面上, 然後用特定的工藝以電化學的方式將其結構化. 圖片來源: Siekmann, CAU
為了能夠將金屬緊密的連接在一起, 基爾大學課題組利用 '納米雕刻' 技術, 將已經電化學微刻蝕的工件表面變得更加粗糙, 以便於在微米級上加工出直角鉤的結構. 處理後的兩個表面通過粘合劑相互粘合, 便會產生一種很難斷裂的強力接頭.
Phi-Stone股份有限公司的董事Ingo Paulowicz說: '就算是發生斷裂, 那麼可能也只是粘合劑或材料本身出了問題, 而非連接點. ' '納米雕刻工藝為連接技術領域的發展提供了一個全新的機遇. 未來, 該技術也可能有助於醫療技術的發展 . ' Adelung補充道.
在電子顯微鏡下, 可以看到金屬粗糙表面的細鉤結構. 這使得許多材料能夠 '互鎖' 並永久連接. 圖片來源: Mark-Daniel Gerngroß
為了將這種連接工藝應用到工業生產中, 日前, 基爾大學課題組和Phi-Stone股份有限公司研製了一種名為 'Metalangelo' 的可移動型樣機. 通過3D列印定製生產的蝕刻元件, 可以在室溫中精確地處理金屬表面. 他們希望與首批客戶一道, 結合客戶需求將樣機開發到市場準備階段. 他們在這方面已經註冊了兩項專利. 樣機引用了文藝複興時期的雕塑家米開朗基羅的名稱, 以此凸顯新工藝的基本原理: 定向表面處理 . 然而, 基爾大學研究團隊要進行處理的是金屬而非大理石.
鋁製法蘭件牢固地連接在鋁壁上. 圖片來源: Siekmann, CAU
如上圖所示, 該工藝在連接金屬時不會產生傳統的焊縫. 圖片來源: Siekmann, CAU