文丨小菲有点烦
编辑丨小菲有点烦
在增材制造（AM）工艺中，我们将基于熔丝的增材制造技术与热铆接方法相结合，以修复复杂的汽车前灯。
我们采用了一种全新的聚丙烯复合长丝配方，用于3D打印一组桩柱和受损前灯中缺失的支架，以有效地实现修复后的组件再次使用。
在研究的初期，我们进行了三种不同放样设计的测试，包括滚花、圆顶和空心，以评估它们在极限剪切强度、韧性和可重复性方面的性能表现。
此外，我们对修复后的前灯进行了耐久性测试，它在循环负载下表现出卓越的性能，在进行了10,000次循环测试后，我们观察到桩接头没有明显的退化现象。
这项研究为汽车部件的可持续修复提供了一种可行的方法，通过结合增材制造和热铆接技术，我们可以有效地延长产品的使用寿命，减少了对环境的不良影响。
车祸可能导致车头灯组件的维修费用昂贵，而且通常情况下，车头灯损坏后只会被更换，这导致损坏的灯具最终被丢弃填埋，这已经引发了日益严重的环境和健康担忧。
在车头灯组件中，一种常见的损坏是车头灯外壳凸耳（支架）的破损，这对修复工作来说是一项繁琐的手动任务，需要受过培训的技术人员。
由于不同汽车制造商设计的凸耳具有各种复杂的几何形状，修复过程既费时又昂贵，因此我们提出一种自动修复方法。
可以根据CAD模型制造受损部件并将其连接到前灯外壳组件，这将极大地改进传统的修复流程。
这种方法还能够创建更复杂的几何形状，使操作员能够修复更广范围的受损前灯，最重要的是避免浪费有价值的原材料。
为了确定修复塑料前灯接线片的最佳方法，我们进行了广泛的研究，考察了所有常见的热塑性塑料连接方法。
聚合物部件通常使用机械紧固、粘合和焊接等技术进行连接，根据连接的需要，还可以采用混合连接方法，如机械连接和粘合的结合，或者采用塑料注射包覆成型等其他方法。
粘合过程通常包括四个步骤：表面准备、涂覆粘合剂、在恒定压力下连接部件以及粘合剂的固化。
粘合是一种有效的方法，用于连接不同材料，依赖于化学粘合机制，如溶剂型系统、芳香族聚合物和热固性粘合剂的化学粘合机制。
这种连接类型能够在表面上提供适当的密封，无需在基板上打孔。
当然这种方法也有一些缺点，例如所需的时间较长、处理危险化学品、产生有毒排放、自动化复杂以及在受力方面性能较差（除了剪切载荷之外）。
机械连接方法相对较快速且易于应用，可以使用紧固元件（如铆钉、自攻螺钉或锁定机构）来实现。
这些方法适用于连接不同材料，创建的接头易于拆卸以进行回收和更换连接部件。
但是，为了修复而进行的机械连接可能需要创建额外的功能，例如用于拧紧或铆接的孔，这可能随后导致结构问题，如应力集中可能会损害接头的完整性，或者对于具有粘弹性性质的材料可能出现应力松弛。
我们对塑料可用的焊接技术进行了详细分析，发现可以根据接头的面积、形状和连接部件的数量来采用多种不同的工艺来连接它们。
这些方法可以分为传导焊接、电磁焊接和摩擦焊接工艺，具体取决于所需的热源，而传导加热方法（包括热板焊接和热风焊接）的主要局限性在于需要进行表面处理、受热的不需要部分以及由此产生的几何形状变形。
使用电磁加热源的焊接会增加自动化过程的复杂性，因为它需要植入金属网或碳带等感应器来将电磁能转化为输入能量供应给材料。
此外需要对正在开发的接头进行受控环境屏蔽，以减少接头可能出现的完整性问题，同时也需要满足用户或操作员可能面临的安全合规性要求。
由于车头灯组件中还包括其他导电部件，因此摩擦热源焊接方法不太适合修复应用。
不难看出旋转焊接仅限于圆形几何形状，振动焊接适用于平坦的表面形状，而超声波焊接则需要使用与每种形状兼容的焊头。
而铆接是一种机械连接方法，通过使用工具将铆钉状机械接头形成于连接部件之后的变形过程中。
这种方法适用于不同种类的材料，速度相对较快，无需组装设备和紧固件，不需要粘合剂，并且可以拆卸、回收和更换连接部件。
在以往的报道中，汽车行业使用铆接技术成功实施的案例也不在少数，在图1所示的热铆接过程中，组装后的连接部件通过热工具加热铆柱至其玻璃化转变温度以上。
在压力下，热工具和形成的铆柱冷却，形成了铆钉状接头，或者我们也可以使用其他热源（如热空气或红外光）对铆柱进行加热，然后将冷铆接工具压在软化的塑料上以形成铆钉。
在这两种情况下，通过在铆接工具上吹冷空气可以提高凝固速度。
这项研究的结果表明，采用铆接方法修复塑料车头灯外壳凸耳是一种可行的方法，因为它速度较快，无需粘合剂，并且可以在不同种类的材料之间进行连接。
这有助于延长前灯的使用寿命，减少浪费，有望为解决塑料垃圾和环境问题提供创新的解决方案。
有研究人员进行了关于桩式聚合物-金属接头的力学行为研究，并得出了以下结论：铆钉头接头的体积和变形桩的有效空腔填充是影响接头强度的最关键参数。
根据ASTD5961标准，桩接头的失效可能表现为净张力、劈裂、剪切和撕裂。
另一项研究比较了基于摩擦的铆接方法与超声波铆接方法以及类似的搭接剪切方法，并报告了拉伸强度的结果。
在探索制造技术领域，增材制造（AM）工艺在需要按需生产、低产量、高复杂性和可定制性的领域比传统制造工艺更具优势。
增材制造技术在修复功能性金属零件方面已经取得了令人鼓舞的成果，有些研究人员使用激光金属沉积技术成功修复了不锈钢和钛合金试件上的10mm深凹槽，通过五轴数控机床对样品和粉末喷嘴进行位置控制。
还有人开发了一种利用激光直接沉积（LDD）技术修复涡轮叶片的方法，其平均精度达到0.030毫米。
不仅如此冷喷涂（CS）技术已经广泛用于涂覆金属和金属复合材料，也已成功用于修复目的，例如修复铝注射成型工具和由镁和铝镁合金制成的飞机部件的磨损表面。
一些研究还报告了电弧增材制造（WAAM）在修复普通碳素结构钢和灰口铸铁等金属零件方面的成功应用。
增材制造技术在修复聚合物结构方面却鲜有研究，有人报道了一种基于增材制造的方法，结合了新型聚合物复合材料配方和机器人辅助夹具，以实现汽车前灯的修复。
在处理热塑性材料的成熟增材制造技术中，熔丝制造（FFF）和选择性激光烧结（SLS）是自动化塑料修复系统中有希望的两个候选技术。
然而，在需要直接将修复应用于各种基材的情况下，类似SLS的粉末床熔融工艺并不是最理想的选择。
相比之下，使用SLS进行修复将会更加人力密集、成本较高，并且由于难以回收剩余的粉末原料而产生浪费。
相反FFF过程的成本较低，产生的废物最少，并且可以在机器人平台的协助下进行扩展和自动化。
基于热塑性塑料的连接方法以及在修复应用中实施增材制造的见解，我们提出了两种修复汽车前灯外壳凸耳的创新方法。
在第一种方法中，损坏的部分直接3D打印到前灯外壳组件上，然而需要解决机器人抓取可修复物体和3D打印平台的复杂同步问题，这一点目前尚未实现。
而且这种方式只能使用与基材兼容的材料进行印刷，这限制了材料的选择。
相比之下，第二种方法允许使用任何材料进行凸耳的3D打印，然后通过特定的热铆接程序将其连接到前灯上。
第一种方法不需要将部件附加到前灯的额外步骤，这两种方法都在图2中的示意图中进行了说明。
首先我们使用3D打印机准备替换接线片，然后使用与车头灯材料兼容的材料，在车头灯外壳上3D打印桩柱。
接下来，操作员将3D打印的替换部件（以蓝色显示）放置在正确的位置，由于3D打印的桩柱和凸耳孔的设计，凸耳可以紧密贴合而无需夹紧，铆接工具将形成柱子后，将凸耳永久固定到位。
我们探讨了FFF的参数，作为基于材料挤出的增材制造和铆接方法，以实现汽车前灯组件的全功能修复功能。
采用系统方法来确定最合适的铆接柱设计，然后优化3D打印参数，以创建具有所需机械性能的铆接接头。
本研究结合了增材制造（AM）和热铆接技术，旨在解决汽车前灯组件修复中的环境和经济挑战。
通过使用全新的聚丙烯复合长丝配方，我们成功地3D打印出一组桩柱和受损前灯中缺失的支架。
值得注意的是，我们的修复方法不仅在实验室条件下表现出卓越的性能，还在实际的耐久性测试中通过了考验。
在进行了10,000次循环测试后，我们观察到桩接头没有明显的退化现象，这证明了这种方法的可行性和可持续性。
本研究为解决汽车部件的可持续修复提供了一种创新的方法，通过结合增材制造和热铆接技术，我们不仅可以延长产品的使用寿命，还可以减少对环境的不良影响。
这一研究成果为未来汽车维修领域提供了有力的支持，有望减少塑料垃圾的产生，推动环保和可持续发展的目标取得更大的进展。
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