3D打印UV與ABS材料仿生表面摩擦學性能

朱煒軍，衣雪梅，王美玲

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

3D打印是一種基于離散/堆疊原理，并通過逐漸積累原始材料進而實現(xiàn)樣本制造的先進制造技術.3D打印技術具有眾多優(yōu)勢，被贊譽為將引領世界第三次工業(yè)革命的關鍵核心技術，其技術特點可以使它通過程序設計出與自然界高度相似的微結構，實現(xiàn)復雜的三維微結構制備[1-6].

仿生摩擦學是摩擦學、工程技術與生物科學的交叉學科.仿生學試圖在技術層面模仿自然界有機體的優(yōu)異性質并將其應用于工程實踐.一些學者針對摩擦損耗問題，結合仿生學技術提出了仿生耐磨表面的新設想.仿生非光滑表面是指根據(jù)自然界的優(yōu)異結構與表面，在形成摩擦副的物體表面上設計出具有一定形狀尺寸的非光滑幾何單元，改變摩擦副接觸狀態(tài)，從而影響摩擦副的摩擦學性能[7-10].張東亞等[11]以錫基巴氏合金為基體，表面加工出發(fā)射線陣列和矩形陣列2種圓形凹坑織構，研究這2種織構在不同工況下摩擦學性能，實驗結果表明：仿生表面的減摩性能會隨滑動速度的增加而改善，但隨接觸壓力的增加而降低；矩形陣列織構的摩擦學性能優(yōu)于發(fā)射線陣列.王煥杰等[12]通過對賽龍SXL、研理PREM和研理UNIV 3種高分子材料不同仿生表面布置方式進行實驗，得出當硬材料與軟材料作為一對摩擦副時，織構應布置在軟材料試樣上，可改善摩擦副的摩擦學性能.趙帥等[13]通過在不銹鋼表面制作微凹坑陣列式的仿生表面，與5種不同彈性模量的高分子材料組成摩擦副進行研究，得出織構化表面在接觸過程中會產生應力集中和表面形變，材料的彈性模量越小，凹坑引起的變形越明顯，可能產生的切削作用越顯著.胡天昌等[14]通過實驗制備45#鋼表面復合潤滑結構，研究仿生表面密度和凹坑尺寸對其摩擦性能的影響，結果表明：織構表面具有較小摩擦系數(shù)且耐磨性好；對同一孔徑織構面，摩擦系數(shù)隨面密度增加而減小；密度小于一定值時，摩擦系數(shù)隨孔徑減小而減?。幻芏仍鲋烈欢ㄖ岛?，摩擦系數(shù)則隨孔徑增大而減小.邊培瑩等[15]對3D打印鋁合金材料的摩擦學性能進行研究，通過測試高速傳動件上3D打印鋁合金的材料耐磨性能，研究3D打印技術對金屬材料耐磨性能的影響.

綜上，對仿生表面3D打印高分子材料的摩擦機理研究較少，摩擦機理并不明確.以3D打印光敏樹脂(UV)和丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)2種共聚物為樣品，針對具有仿生表面的3D打印件進行了摩擦學性能研究，對于仿生表面作用機理的完善有重要意義.

1 實驗

1.1 試樣制備

本文采用球-面接觸形式摩擦副，上試樣采用GCr15鋼球，下試樣分別選用UV和ABS材料，各材料性能參數(shù)如表1所示.

表1 材料物理特性

選用矩形陣列織構的圓形凹坑，織構布置在軟材料試樣上，在干摩擦條件下進行實驗.根據(jù)液態(tài)感光材料的光聚合原理[16-17]，UV樣品利用光固化技術(stereo lithography apparatus，SLA)，采用光固化成型法，通過SLA激光光固化3D打印機制備.采用振鏡掃描的方式，用Nd：YV04二極管泵浦固體激光器，波長355 nm，光斑0.08～0.20 mm，光斑直徑0.15 mm，功率500 mV，脈沖頻率10～150 kHz.ABS加工采用熔融堆積技術(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，由宏瑞Z300制備.打印噴頭為單噴頭，噴嘴直徑0.4 mm，打印速度為10～150 mm/s.最終加工出的表面形貌及截面輪廓如圖1所示.板狀樣品是具有表面紋理微結構的30 mm×30 mm×3.5 mm的板.表面均勻分布直徑400 μm，間距1 000 μm，凹坑深度300 μm的圓形凹坑.

a.UV仿生表面形貌；b.ABS仿生表面形貌；c.UV截面輪廓；d.ABS截面輪廓.圖1 仿生表面形貌及截面輪廓Fig.1 Bionic surface morphology and section profile

1.2 實驗設計

采用HSR-2M型高速往復式摩擦磨損試驗機在室溫20 ℃、濕度50%條件下進行磨損實驗.實驗機通過改變電動機的速度和可移動基座盤偏心率來調節(jié)往復運動的振幅和其振蕩頻率[18]，往復行程固定為5 mm，由于3D打印板材樣本是高分子材料，所以應在低負載條件下進行.實驗載荷分別為3、5 N，轉速分別為200、400 r/min，實驗時間為30 min.實驗結束后使用摩擦磨損實驗機磨痕測量模塊對其進行磨損量測量，使用體式顯微鏡SMZ25與激光共聚焦顯微鏡OLS4000對實驗前后的樣品進行分析.為了減小實驗誤差，每次測試都重復2次，并取2次實驗數(shù)據(jù)的平均值.為保持試件表面清潔，減小實驗誤差，實驗前用酒精棉將試樣表面擦拭干凈，使其自然晾干.

2 結果與討論

2.1 摩擦系數(shù)結果與分析

在不同工況條件下3D打印UV樣品光滑表面與仿生表面摩擦系數(shù)結果，如圖2所示.由圖2可知，前10 min仿生表面的摩擦系數(shù)明顯小于光滑表面，這是由于實驗開始階段處于磨合階段，摩擦副接觸表面間可能存在表面微凸體，隨著摩擦副表面的相對運動，表面微凸體逐漸剝離形成磨粒，而仿生表面存在著圓形凹坑，磨粒磨損的影響會大大降低，可以看出，仿生表面摩擦系數(shù)一直處于緩慢增長的狀態(tài)，不同于光滑試件摩擦系數(shù)的陡然升高.10 min以后，仿生表面的摩擦系數(shù)大于或者接近于光滑表面，這是因為隨著摩擦時間的增長，仿生表面上的圓形凹坑被磨平，造成其摩擦機理與光滑表面相近，并且接觸面積會隨著凹坑磨平而變大.

圖2 不同工況條件下UV光滑表面與仿生表面摩擦系數(shù)Fig.2 Friction coefficient between 3D printed smooth surface and bionic surface of UV under different working conditions

通過對比不同工作條件下UV試樣仿生表面摩擦系數(shù)的結果，對數(shù)據(jù)進行計算，結果顯示：在3 N載荷200 r/min轉速工況下平均摩擦系數(shù)為0.534，5 N載荷200 r/min轉速工況下平均摩擦系數(shù)為0.598，3 N載荷400 r/min轉速工況下平均摩擦系數(shù)為0.642，由計算的平均摩擦系數(shù)可以得出，雖然部分時間段摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動的情況，但是其平均摩擦系數(shù)整體仍趨于平穩(wěn)，5 N載荷400 r/min轉速條件下樣品的摩擦系數(shù)略高于3 N載荷200 r/min轉速下的摩擦系數(shù)，且速度對其影響更大.考慮到后期實驗數(shù)據(jù)的變化可能與仿生表面受到破壞有關，現(xiàn)截取前10 min的數(shù)據(jù)進行分析研究，根據(jù)圖中曲線可以看出前10 min各組數(shù)據(jù)的摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)且維持在一個較低的水平.通過計算前10 min的實驗數(shù)據(jù)得出：3 N載荷200 r/min轉速工況下的平均摩擦系數(shù)為0.245，5 N載荷200 r/min工況下的平均摩擦系數(shù)0.537，3 N載荷400 r/min工況下的平均摩擦系數(shù)為0.578.可以看出，在前 10 min中，各組試樣的摩擦系數(shù)都保持在一個較低值，而3 N載荷200 r/min工況下的平均摩擦系數(shù)大大小于其余摩擦系數(shù).

結果表明，實驗開始時試樣的摩擦系數(shù)保持較低水平，這是因為在鋼球摩擦副作用下以點線接觸進行摩擦，產生載荷集中效能，引起接觸疲勞磨損，而UV是軟材料，所以接觸疲勞磨損可忽略.這種現(xiàn)象與硬基板承載機制相符，硬基板支撐在軟基板上，恒速較大，容易在負載下變形，增加軟基板壓力組織，硬相接觸更多的硬組織和軟質基材實現(xiàn)均勻的分布載荷，而不會刮擦相互摩擦表面.10 min后，隨著磨屑的堆積與樣品表面微結構被破壞，3組試件的摩擦系數(shù)均緩慢增加，耐磨性逐漸降低.從整體圖像上來看，摩擦系數(shù)最低的是載荷為3 N轉速為200 r/min的一組，當載荷與轉速增加時，材料的摩擦磨損情況會更加劇烈，會使材料的跑合期時間更短，提前進入到磨損穩(wěn)定期.分析原因是因為材料表面存在一層保護薄膜，在最初的一段時間內，鋼球需要先破壞掉薄膜才能接觸到本質的高分子材料基體，因此得出當載荷與轉速較大時，材料表面的氧化物等保護物質就會破壞的越早，也就是說在這種情況下材料的磨損現(xiàn)象便會越嚴重，即對于非金屬的高分子材料而言，載荷與轉速的大小會影響到材料的磨損情況的快慢.但是一段時間后，復合材料UV的摩擦系數(shù)曲線最終都穩(wěn)定在0.7左右，可知載荷與轉速的大小只會影響磨損快慢，而對材料的真實摩擦系數(shù)大小沒有影響，也證實了摩擦系數(shù)是材料的本質特性.

在不同工況情況下ABS的3D打印光滑表面與仿生表面摩擦系數(shù)結果如圖3所示.由圖3可知，與UV材料不同，ABS仿生表面與光滑表面摩擦系數(shù)在3、5 N載荷條件下都近似相同.在3 N載荷條件下，實驗開始時，仿生表面摩擦系數(shù)略高于光滑表面，隨著實驗進行，仿生表面與光滑表面的摩擦系數(shù)逐漸升高且逐漸接近.5 N載荷下，2種樣品摩擦系數(shù)近乎相同.

圖3 不同工況情況下ABS的3D打印光滑表面與仿生表面摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficient between 3D printed smooth surface and bionic surface of ABS under different working conditions

通過對比不同工況條件下ABS試樣仿生表面摩擦系數(shù)的結果，與UV樣品不同，3組樣品的摩擦系數(shù)均保持在一個相對較低的穩(wěn)定水平，沒有比較大的變化.通過對數(shù)據(jù)進行計算，結果顯示：3 N載荷200 r/min工況下平均摩擦系數(shù)為0.336，5 N載荷200 r/min轉速工況下平均摩擦系數(shù)為0.346，3 N載荷400 r/min工況下的平均摩擦系數(shù)為0.378.可以得出結論，在載荷一定的條件下，摩擦系數(shù)基本能夠保持一致，轉速為400 r/min時，對試件表面氧化物的摩擦次數(shù)在單位時間內就會越多，因此能夠在更短的時間內將氧化物等保護物質破壞，在磨損實驗過程中率先接觸到高分子復合材料的基體；載荷一定時提高轉速，摩擦系數(shù)間的2種材料分子在單位試件內的碰撞便會增多，根據(jù)能量守恒定律，此時的熱能便會遠遠大于在低轉速下的熱能，熱能增加宏觀表現(xiàn)為材料摩擦面的溫度升高，高分子材料的耐熱性能較差，較高的表面溫度會加快其材料磨損.結果表明，在3組實驗中，試樣始終保持著較低的摩擦系數(shù)，ABS材料較UV耐磨，實驗產生的磨屑較少，仿生表面沒有被破壞或破壞較輕，磨屑也沒有堵塞凹坑結構，因此摩擦系數(shù)相比UV更穩(wěn)定.

2.2 磨損量結果與分析

不同工況條件下3D打印UV光滑表面與仿生表面的磨痕截面與磨損量如圖4所示，仿生表面的磨痕深度與磨痕寬度均大于光滑表面.在不同的工況條件下，仿生表面5 N載荷下的磨損量比3 N提高了40.0%，而光滑表面在5 N載荷情況下磨損量增加量高達126.0%.在相同工況條件下，光滑表面的磨損量均小于仿生表面的磨損量，對于3 N載荷的情況，仿生表面的磨損量較光滑表面有較大的增加，磨損量增加了75.5%，而5 N載荷情況下，雖然仿生表面的磨損量仍大于光滑表面，但是磨損量的差值遠小于小載荷情況下磨損量差值，僅高了8.6%，也就說明，在大載荷情況下，仿生表面在耐磨方面表現(xiàn)的更加穩(wěn)定.

a.磨痕截面輪廓；b.磨損量.圖4 3 N、5 N載荷下UV光滑表面與仿生表面磨痕截面輪廓及磨損量Fig.4 Profile and wear amount of UV smooth surface and bionic surface under 3 N and 5 N load

a：磨痕截面輪廓；b：磨損量.圖5 UV仿生表面不同工況下磨痕截面輪廓及磨損量Fig.5 Profile and wear amount of wear mark under different working conditions of UV bionic surface

不同工況條件下3D打印UV仿生表面磨痕截面及磨損量如圖5所示，3 N載荷200 r/min工況下的磨痕最淺并且磨痕寬度最窄，3 N載荷400 r/min工況下磨痕最深.3 N載荷200 r/min工況下的樣品的磨損量最小，5 N載荷200 r/min工況下與3 N載荷400 r/min工況條件下樣品的磨損量較大.可得：5 N載荷相較3 N載荷磨損量提高了40.0%，轉速400 r/min相較200 r/min磨損量提高了185.5%.實驗結果說明，在相同的轉速情況下，5 N載荷較3 N載荷有更大的磨損量，在相同的載荷情況下，轉速比400 r/min、200 r/min的磨損量更大，且轉速對磨損量大小的影響較大.

不同工況條件下3D打印ABS光滑表面與仿生表面的磨痕截面與磨損量如圖6所示，仿生表面的磨痕深度與磨痕寬度均小于光滑表面.在不同的工況條件下，仿生表面5 N載荷下的磨損量比3 N提高了44.5%，而光滑表面在5 N載荷情況下磨損量增加量高達175.6%.在相同工況條件下，光滑表面的磨損量均大于仿生表面的磨損量，對于3 N的情況，仿生表面的磨損量與光滑表面磨損量近似，較光滑表面磨損量降低了8.3%，而5 N載荷情況下，仿生表面的磨損量仍小于光滑表面，并且仿生表面磨損量的改善情況更為明顯，磨損量降低了40.1%，說明對于ABS材料，仿生表面可以改善材料的耐磨特性，并且在大載荷情況下，仿生表面對于耐磨情況的改善更為明顯.

a：磨痕截面輪廓；b：磨損量.圖6 3 N、5 N載荷下ABS光滑表面與仿生表面磨痕截面輪廓及磨損量Fig.6 Profile and wear amount of ABS smooth surface and bionic surface under 3 N and 5 N load

在不同工況條件下3D打印ABS仿生表面磨痕截面及磨損量如圖7所示.可以看出，3 N載荷200 r/min的條件下樣品的磨損量最小，5 N載荷200 r/min與3 N載荷400 r/min條件下樣品的磨損量較大.通過計算可得：大載荷相比小載荷磨損量提高了2.69%，高轉速相比低轉速磨損量提高了12.5%.分析結果說明，與UV相比，磨損量有著很大幅度的降低，可以說明ABS比UV材料耐磨性更加優(yōu)異.然而比較3組工況下實驗數(shù)據(jù)，在相同的轉速情況下，大載荷比小載荷會產生更大的磨損量，在相同的載荷情況下，高轉速比低轉速的磨損量更大，并且轉速對磨損量大小的影響較大，這點與UV的實驗情況類似.

a.磨痕截面輪廓；b.磨損量.圖7 ABS仿生表面不同工況下磨痕截面輪廓及磨損量Fig.7 Profile and wear amount of wear mark under different working conditions of ABS bionic surface

2.3 磨損形貌分析

a、 b.3 N載荷200 r/min工況下二維形貌；c.3 N載荷200 r/min工況下三維形貌；d、e.5 N載荷200 r/min工況下二維形貌； f.5 N載荷200 r/min工況下三維形貌；g、h.3 N載荷400 r/min工況下二維形貌；i.3 N載荷400 r/min工況下三維形貌.圖8 不同工況下仿生表面UV磨損后形貌Fig.8 Ultraviolet wear patterns of bionic surfaces under different working conditions under different working conditions

在不同工況條件下，仿生表面UV樣品表面形貌的顯微鏡圖像如圖8所示，3 N載荷200 r/min工況下形成的磨痕最窄最淺，3 N載荷400 r/min工況下形成的磨痕最寬最深，這與測得的摩擦系數(shù)和磨損量相符合.3種工況下表面凹坑均遭到嚴重破壞，在高載荷與高轉速的情況下，樣品磨損情況明顯增大，表面的凹坑結構中幾乎被磨屑填滿并且周邊存在大量磨屑.圓形凹坑中堆擠了大量由摩擦后產生的晶體狀磨屑，樣品表面有一點磨損，但表面平整，沒有明顯的磨粒導致的劃痕和犁溝磨損，主要為粘著磨損.

在不同工況條件下，仿生表面ABS樣品表面形貌的顯微鏡圖像如圖9所示，3 N載荷200 r/min工況下形成的磨痕最窄最淺，3 N載荷400 r/min工況下形成的磨痕最寬最深，這與測得的摩擦系數(shù)和磨損量相符合.圖片顯示，磨屑較少，凹坑中未被磨屑填滿，與UV材料仿生表面被磨屑不同，因此ABS仿生表面的摩擦系數(shù)可以保持在一個穩(wěn)定且較低的水平上，也可以說明ABS材料較UV材料耐磨性更好.在摩擦過程以后，樣品表面產生了明顯的磨痕，且磨痕均較為光滑，幾乎沒有由磨屑導致的明顯劃痕與犁溝.可以說明，由于仿生表面的容屑機理，材料表面減少磨屑導致的磨粒磨損所帶來的影響.然而隨著實驗的進行，樣品表面的溫度逐漸增加，接近ABS材料的熱變形溫度，使材料表面的黏著磨損極大地增加.根據(jù)顯微鏡圖像可以說明，仿生表面可以有效地減少磨屑造成的磨粒磨損，材料的主要磨損方式為黏著磨損，伴隨有磨粒磨損.

a、b.3 N載荷200 r/min工況下二維形貌；c.3 N載荷200 r/min工況下三維形貌； d、e.5 N載荷200 r/min工況下二維形貌；f.5 N載荷200 r/min工況下三維形貌； g、h.3 N載荷400 r/min工況下二維形貌；i.3 N載荷400 r/min工況下三維形貌.圖9 不同工況下仿生表面ABS磨損后形貌Fig.9 Ultraviolet wear patterns of bionic surfaces under different working conditions under different working conditions

仿生表面對表面摩擦學性能起到改善作用，然而，研究者發(fā)現(xiàn)，仿生表面的引入會導致邊緣應力集中，當摩擦副對偶材料彈性模量較小時，會產生凸起，可能會導致未切削作用的產生，隨著高分子材料的彈性模量增加，仿生表面造成的未切削作用逐漸減弱[13].切削作用對彈性模量較小的UV材料造成的增摩作用大于仿生表面對其產生的減摩作用，因此仿生表面對摩擦系數(shù)與磨損率起到增加的作用；而彈性模量較大的ABS材料增摩作用小于減摩作用，仿生表面對摩擦系數(shù)與磨損率起到降低的作用.

3 結論

在這項研究中，討論了具有3D打印仿生表面的UV與ABS 2種材料的摩擦磨損特性.通過3D打印技術分別制備了2種具有仿生表面的試件以及光滑表面試件，在不同的工況條件下對其進行摩擦磨損實驗，經實驗分析得結論如下：

1)對于UV材料，在3 N載荷下，仿生表面在穩(wěn)定磨損階段標準化磨損量仍大于光滑表面；對于ABS材料，在3 N載荷下，雖然仿生表面磨損量已小于光滑表面，但是相較于光滑表面，仿生表面對于磨損量的改善情況并不明顯.在5 N載荷下，UV材料雖然光滑表面總磨損量小于仿生表面，但在穩(wěn)定摩擦階段，仿生表面的磨損量及標準化磨損量相對較小，并且相對3 N載荷情況，磨損量的增加量較少；對于ABS材料，在5 N載荷下，仿生表面的磨損量及標準化磨損量明顯小于光滑表面.

2)與ABS相比，UV硬度較低，耐磨性差，材料較軟，磨損時會有大量磨屑產生，會造成仿生表面堵塞，產生的磨屑對表面的磨損影響較小，因此會影響仿生表面的耐磨特性，從而大大降低仿生表面改善表面耐磨性的作用.ABS相比UV較硬且是較為耐磨的材料，出現(xiàn)了在3 N、5 N載荷下磨損量均得到改善的情況.由于其不會產生大量磨屑，從而不會堵塞表面凹坑，同時由于磨屑較硬，其所帶來磨粒磨損較為嚴重，因此仿生表面的容屑作用可以使其耐磨性能得到充分運用.