激光选区熔化制造格点互锁结构在注塑金属-聚合物连接中的工艺与结构关系

《Scientific Reports》：Process–structure relationships in LPBF-fabricated lattice interlocks for injection molded metal–polymer joining

　　

摘要

在需要轻量化与高性能的应用领域中，金属-聚合物混合结构的需求日益增加。然而，基于化学表面处理的传统连接方法存在重复性差、设计灵活性有限的问题。本研究提出了一种基于激光粉末床熔融技术制造的晶格结构，并结合工艺特性来设计结构互锁机制，以实现注塑直接连接。与传统主要关注几何设计的方案不同，本研究将注塑过程中的流动和压力条件纳入晶格性能的评估体系中。研究人员使用AlSi10Mg材料设计了三种晶格结构，并通过注塑成型和拉伸试验对其机械性能进行了实验分析。同时，还通过注塑模拟分析了在真实工艺条件下的晶格插件的压力分布和结构变形情况。实验结果表明，所有晶格结构都能实现稳定连接，但承载能力会因晶格几何形状的不同而有所差异。尤其是，尽管界面结合仍然保持良好，但随着晶格复杂度的增加，其抗拉强度最多可降低23.6%。模拟结果显示，晶格密度会影响材料的流动行为和结构响应，从而导致注塑压力与结构变形之间存在平衡关系。低密度晶格在填充过程中的模拟注塑压力较低，这有助于聚合物更好地渗透；而高密度晶格则具有更好的结构强度，其冯·米塞斯应力可增加至143.3%。本研究表明，金属-聚合物连接的晶格性能不能仅通过结构设计来评估，还需考虑加工条件的影响。所提出的方法为在真实注塑环境下基于激光粉末床熔融技术的晶格互锁结构提供了工艺与结构相结合的评估框架。