Optimisation of the Joining Procedure in Multimaterial Components by Additive Technology

Abstract

The combining of metal and polymer has gain popularity in a range of industrial areas due to the increasing structures that benefit on the unique properties of two materials. However, as the materials are quite different, there are a lot of barriers in the way of producing these joints. The purpose of this research is to use additive technology to build multimaterial components while optimising, testing, and assessing the process. This approach allows the construction of metal-polymer connections between polylactic acid and pre-drilled aluminium sheets by the use of a mechanical anchoring mechanism and the fused deposition modelling technique.A polymer component density that is nearly 100 % was achieved by optimising and studying parameters such as filament temperature and humidity, printing speed and nozzle temperature, raster angle, number of contours, and layer thickness in order to guarantee the integrity of the connection. Additionally, applying paint to the aluminium’s surface improved its surface so that the polymer could be adequately deposited on the metal substrate, which strengthened the junction.To evaluate the strength of the joints, tensile tests were performed. By just optimising printing parameters, an average maximum force of 0.85 [kN] was attained, reflecting a higher performance than that reported in previous research. The failure of the heterogeneous connection generally resulted from cutting of the anchoring mechanism because of the geometry of the joint, indicating that the mechanism’s design has to be improved. The difficulty of the metal-polymer connection was demonstrated by comparing these findings with the higher results achieved for the homogenous polymer-polymer joint, emphasizing the need to investigate other methods of adhesion between the materials.This research reveals the possibilities of additive manufacturing in the production of metal-polymer joints and offers insight into future improvements of this concept.

Com a crescente procura de estruturas que aproveitem as características distintas de dois materiais, a união entre metal e polímero tem despertado interesse em diversos setores da indústria. No entanto, a produção destas ligações enfrenta desafios significativos devido às diferenças da natureza dos materiais. O objetivo deste estudo é otimizar, testar e avaliar o fabrico de componentes multimaterial utilizando tecnologia aditiva. Este conceito, através de um mecanismo de ancoragem mecânico e usando o método fused deposition modelling, possibilita a criação de juntas metal-polímero, entre chapas de alumínio pré-perfuradas e ácido polilático.Para garantir a integridade da ligação, foi realizada a otimização e estudo de parâmetros como temperatura e humidade do filamento, velocidade e temperatura de impressão, ângulo de impressão, número de contornos e altura das camadas, pretendendo alcançar uma densidade do componente polimérico de aproximadamente 100%. Além disso, a modificação da superfície do alumínio com tinta possibilitou a deposição adequada do polímero no substrato metálico e contribuiu para o aumento da resistência da junta.Foram realizados ensaios de tração para avaliar a resistência da ligação. Foi alcançada uma força máxima média de 0,85 [kN], representando um desempenho superior ao relatado em estudos anteriores, apenas através da otimização de parâmetros de impressão. Em geral, a falha da ligação heterogénea aconteceu por corte do mecanismo de ancoragem devido à geometria da junta, o que sugere a necessidade de aprimorar o design do mecanismo. Comparando estes resultados com os obtidos para a ligação homogénea, polímero-polímero, que foram superiores, percebe-se a dificuldade da união metal-polímero e a importância de investigar outros métodos de adesão entre os materiais.Esta pesquisa abre portas para futuras otimizações desse conceito, e evidencia o potencial do fabrico aditivo na produção de juntas metal-polímero.