Koristeći tehnologiju 3D štampanja i ultrazvučne tehnike spajanja, istraživači u TU Graz su uspeli da postignu izuzetno čvrsto spajanje drveta obnovljive sirovine sa metalom i polimernim kompozitom.
Drvo od obnovljive sirovine je klimatski neutralno i istovremeno lagano i snažno, što ga čini suštinski atraktivnim za upotrebu u proizvodnji vozila. Jedan izazov do danas je spajanje drveta i drugih materijala u vozilu, kao što su metali i polimerni kompoziti, na robustan način.
Istraživački tim na čelu sa Serhiom Amanciom sa Instituta za nauku o materijalima, spajanje i formiranje Tehnološkog univerziteta u Gracu (TU Graz)—Gean Marcatto, Avais Avan, Villian Carvalho i Stefan Herbst—sada je uspešno testirao dve tehnike pomoću kojih su izuzetno jaki spojevi može se postići bez upotrebe lepkova ili šrafova.
Primena tehnika na drvo je patentirana i mogla bi se koristiti u industriji aviona, automobila i nameštaja.
Dve nove proizvodne tehnike su pogodne za svoje oblasti primene. Kao materijali za ispitivanje korišćeni su bukva, hrast, poliamid ojačan ugljeničnim vlaknima i polifenilen sulfid, nerđajući čelik 316L i legure Ti-64.
„Naša motivacija je očigledno zaštita životne sredine“, kaže Serhio Amancio. Sa novim proizvodnim procesima, drvo iz obnovljivih sirovina moglo bi da zameni komponente napravljene od energetski intenzivnih materijala ili materijala koji se teško recikliraju.
Sa tehnikom AddJoining, komponenta napravljena od polimernog kompozita se pričvršćuje i štampa direktno na površinu—u ovom slučaju drvo—postupkom 3D štampanja.
Štampani materijal prodire u pore drveta, gde se javlja hemijska reakcija, slična reakciji lepka sa drvetom. Dobijeni spojevi su bili veoma uspešni u testovima mehaničkog opterećenja.
„Nakon lomljenja zgloba, uspeli smo da pronađemo polimer u porama drveta i polomljena drvena vlakna u polimeru, što sugeriše da je do loma došlo u drvetu i polimeru, ali ne na spoju“, objašnjava Gean Marcatto, koji radi na ovaj proces kao postdoc na institutu.
Ovi uspešni testovi su sprovedeni na neobrađenoj površini drveta. Još izdržljiviji spojevi mogu se postići uvođenjem mikro- ili nano-strukture u drvo kroz lasersko teksturiranje ili nagrizanje, što povećava pore i poboljšava površine za vezivanje.
„Ali želeli smo da radimo sa što manje koraka i, pre svega, bez hemikalija“, kaže Serhio Amancio, objašnjavajući osnovnu ideju.
„Ovu tehnologiju možemo posebno dobro da koristimo sa komplikovanim 3D geometrijama jer se komponente štampaju direktno na površinu — u bilo kojoj geometriji koja je potrebna.“
U ultrazvučnom spajanju, visokofrekventna vibracija sa malom amplitudom se primenjuje na drvenu komponentu pomoću sonotrode. U kontaktu sa osnovnom komponentom — u ovom slučaju, polimerom ili polimernim kompozitnim materijalom — trenje stvara toplotu na interfejsu koja topi površinu polimernog dela.
Rastopljeni polimer se infiltrira u prirodno poroznu površinu drveta. Na ovaj način se može postići veoma stabilan tačkasti spoj mešanjem mehaničkog spajanja (jer se rastopljena plastika ponovo učvršćuje u drvetu) i sila prijanjanja.
„Ova tehnika je posebno pogodna za velike komponente i 2D strukture jer postižemo precizno lokalizovanu tačku“, objašnjava Avais Avan, koji je svoj doktorat posvetio spajanju tehnologije pomoću ultrazvučne energije.
Ovi tačkasti spojevi su takođe mehanički testirani sa velikim uspehom. Spojevi se takođe mogu dodatno ojačati prethodnom obradom površine drveta kao što je lasersko teksturiranje.
Tim bi u budućnosti želeo da radi sa partnerima iz automobilske, avionske i industrije nameštaja na daljem usavršavanju tehnologija.
