《Polymers》：Microhardness and Abrasive Wear-Induced Material Loss in FDM-Printed PLA, PETG, ABS, ASA, and Fe-Filled PLA
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这项探索性研究在受控湿式磨粒研磨条件下，比较评价了熔融沉积建模（fused deposition modeling，FDM）打印的PLA、PETG、ABS、ASA以及含1 wt.% Fe的PLA的时间依赖性磨粒磨损诱导材料损失、局部显微硬度和磨损表面形貌。取自
这项探索性研究在受控湿式磨粒研磨条件下，比较评价了熔融沉积建模（fused deposition modeling，FDM）打印的PLA、PETG、ABS、ASA以及含1 wt.% Fe的PLA的时间依赖性磨粒磨损诱导材料损失、局部显微硬度和磨损表面形貌。取自同一打印构建的两个实体圆柱试样以相对夹具位置同时测试，在连续水润滑和5 N法向载荷下对P180 SiC砂纸研磨60 min。60 min后，累积质量损失分别为PLA 11.1%、PETG 13.0%、PLA–1 wt.% Fe 22.6%、ABS 39.3%和ASA 50.1%。基于两个试样水平均值，维氏显微硬度（Vickers microhardness，HV0.1）在PLA–1 wt.% Fe中最高（28.5），其次为PLA（22.4）和ABS（13.3），而ASA（11.9）和PETG（11.8）数值非常接近。光学显微镜和选定的扫描电子显微镜/能量色散X射线谱（scanning electron microscopy/energy-dispersive X-ray spectroscopy，SEM/EDS）观察揭示了材料依赖性表面特征，并显示在填充PLA的分析区域内可局部检测到Fe。显微硬度排序与累积材料损失趋势不一致，在Fe填充PLA以及PETG与ASA之间尤为明显。这些结果表明，在所选条件下，局部压痕硬度排序与所研究FDM打印聚合物的累积质量损失排序并不直接对应。对于承受磨粒接触的FDM部件材料选择，这些发现表明，局部显微硬度不应单独用作特定条件下磨粒磨损性能的代理指标。
研究背景方面，增材制造已不仅用于快速原型，也用于功能终端部件生产；在可用增材制造方法中，FDM因简单、成本相对较低和材料可得性广而受到关注。长丝的物理和力学特性会影响打印质量及最终零件服役性能，因此材料选择是关键步骤，尤其当打印部件在使用中反复接触、摩擦或遭受表面损伤时。PLA（聚乳酸）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、ASA（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物）和PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯）是广泛使用的长丝类型，各自在刚度、韧性、打印性和耐环境性上平衡不同。PLA易打印、尺寸稳定性好且来源于可再生资源，但耐热性有限且脆；打印PLA的力学性能对生产参数高度敏感，并已探索天然纤维和金属填料等增强策略；含金属PLA可能改变硬度和力学响应，但最终行为取决于填料在聚合物中的分布，因此本研究纳入1 wt.% Fe的PLA作为额外材料进行材料损失比较；该实验室规模PLA基复合长丝的生产路线和初步力学性能此前已在会议论文中报告，选择低Fe含量1 wt.%以保持打印性和长丝连续性，同时引入可检测金属填料。由于纯PLA和PLA–1 wt.% Fe长丝生产路线不同，本研究并非设计用于分离Fe添加的独立效应，而是将含Fe长丝视为一种不同材料配方；原始实验未包含经同一长丝生产路线制备的匹配实验室纯PLA对照，因此当前数据不能将Fe添加贡献与长丝生产历史相关效应分开。ABS因韧性、抗冲击性和热稳定性平衡而广泛使用，但打印时易收缩和翘曲；ASA通常被视为ABS替代品，尤其户外应用，具有类似总体力学行为及更好的耐候和抗紫外性能；PETG常因较易打印、良好抗冲击性和低收缩而受青睐。由于这些材料在力学响应和服役特征上不同，其在磨粒条件下的磨损行为也可能显著不同。既有研究在显著不同实验配置下考察FDM聚合物摩擦学行为，例如PETG干滑动、PLA与ABS滑动磨损比较、ASA摩擦学响应随打印参数变化、PLA/ABS/HIPS球盘测试不同层厚等。经典聚合物摩擦学早已表明磨粒磨损不能仅由硬度解释：Ratner et al.将聚合物耐磨性联系到多种力学性能组合，Lancaster随后报告磨粒磨损率与1/(Sε)近似线性，其中S为断裂强度、ε为断裂伸长率。Kujawa and Ptak比较若干FDM打印和常规挤出聚合物的耐磨性，报告硬度与耐磨性无简单关系。由此，本研究针对的知识空白是：广泛使用FDM聚合物在同一湿式固定磨粒研磨条件下并排数据有限，且同时缺乏局部显微硬度和磨损表面表征。研究的主要问题是：基于局部显微硬度的材料排序是否与同一湿式固定磨粒研磨条件下累积质量损失排序相对应。研究并非建立通用硬度–磨损关系或FDM聚合物通用排序，而是提供明确定义磨粒条件下的受控描述性比较。研究人员在共同湿式磨粒研磨方案下比较五种FDM长丝体系的时间依赖性材料损失、局部显微硬度和磨损表面形貌，得出显微硬度排序不直接对应累积质量损失排序，尤其Fe填充PLA以及PETG与ASA之间明显；其意义在于提示FDM部件承受磨粒接触时，局部显微硬度不应单独作为条件特异性磨粒磨损性能的代理指标。
关键技术方法概括（不超过250字）：商业PLA、ABS、ASA、PETG长丝由Fibromast, Istanbul, Türkiye供应；PLA–1 wt.% Fe为实验室制备（名义Fe 1 wt.%，Fe颗粒纯度99%、粒径50–100 nm，来自现有实验室库存；制备路线和初步力学表征此前会议论文报告）。试样用Creality K1 FDM打印机（0.4 mm喷嘴）制成直径30 mm、高20 mm圆柱（100%名义填充、同心填充、单壁）。湿式磨粒研磨采用RotoPol 22配RotoForce 4，P180 SiC（碳化硅）砂纸，连续水润滑，盘速300 rpm、试样头150 rpm共转，5 N/试样，60 min；两个同批试样相对位置同时测试。质量于0、5、10、15、20、30、40、60 min称量并计算累积质量损失；测后按Archimedes原理测表观密度；未磨损后表面以HV0.1、15 s、每试样5点测维氏显微硬度；磨损面用40×光学显微镜观察，选定PLA和PLA–1 wt.% Fe用SEM/EDS观察。
研究结果如下。3.1 Time-Dependent Material Loss Under Wet–Abrasive Grinding（湿式磨粒研磨下的时间依赖性材料损失）：通过60 min湿式磨粒研磨及分段质量测量，得出60 min累积质量损失描述性均值分别为PLA 11.15±0.81%、PETG 13.00±0.46%、PLA–1 wt.% Fe 22.62±2.51%、ABS 39.27±0.51%、ASA 50.12±1.60%；20 min时分别约4.50%、5.28%、8.66%、15.90%、18.86%，总体排序在后期维持。通过区间损失率计算，得出ASA和ABS总体损失率最高、PLA和PETG最低、PLA–1 wt.% Fe居中；0–20 min平均损失率约0.23、0.26、0.43、0.80、0.94百分点/min，20–60 min降至约0.17、0.19、0.35、0.58、0.78百分点/min。材料去除随时间趋于减慢但存在波动，原文未将其解释为唯一稳态磨损机制，并指出表面状态变化、碎屑累积、砂纸切削效率变化、反复中断–冲洗–干燥–重装及高损失材料几何/有效接触变化等可能参与，但这些贡献无法分离；由于未测界面温度，局部热辅助软化或涂抹不能排除。3.2 Surface Morphology（表面形貌）：3.2.1 Optical Microscopy Observations（光学显微镜观察）通过40×光学显微镜观察磨损表面，得出所有材料均显示方向性磨痕，但均匀性和分布不同；磨损形貌并不与累积质量损失成比例，ASA损失最大却表面较均匀，PLA损失较低却表面更不规则，因此表观平滑或粗糙不能单独作为材料损失度量，应与重量结果联合解释。3.2.2 SEM and Local EDS Observations of PLA-Based Specimens（PLA基试样的SEM与局部EDS观察）通过选定PLA和PLA–1 wt.% Fe磨损面及未磨损后表面的SEM/EDS观察，得出PLA–1 wt.% Fe磨损区呈不规则形貌，含 elongated grooves、涂抹区、脊和局部破坏，未磨损后表面相对更均匀；磨损区EDS局部Fe约0.09 wt.%，未磨损区约0.72 wt.%，说明Fe在打印材料中局部可检测，但低Fe信号不能解释为体相Fe贫化或Fe颗粒优先去除，也不能支持形成广泛暴露的富Fe保护层；SEM图像本身不能建立颗粒拔出、界面脱粘、填料团聚或唯一磨损机制，也不能验证体相Fe浓度、粒径分布、分散状态或界面特征。3.3 Vickers Microhardness Response（维氏显微硬度响应）：通过在未磨损后表面以HV0.1、15 s、每试样5点测维氏显微硬度，得出两试样水平均值：PLA–1 wt.% Fe为28.76±0.38和28.30±0.21，PLA为22.34±1.21和22.42±0.45，ABS为13.30±0.99和13.24±0.21，ASA为12.06±0.44和11.74±0.44，PETG为11.62±0.43和12.00±0.14；描述性排序为PLA–1 wt.% Fe > PLA > ABS > ASA≈PETG。两试样均值绝对差0.06–0.46 HV0.1，平均绝对差0.26 HV0.1；ASA与PETG相对顺序在两试样间反转，符合二者硬度非常接近。通过显微硬度与累积质量损失对比，得出硬度排序不直接对应材料损失排序：PLA–1 wt.% Fe硬度最高但60 min损失22.62%，高于纯PLA的11.15%；ASA与PETG硬度接近但损失分别50.12%和13.00%。因此局部压痕硬度不能单独解释磨粒响应，结果与Ratner–Lancaster框架一致，即聚合物磨粒响应关联更广泛力学性能组合；硬度与材料损失结果应视为互补而非可直接互换，且排序具条件特异性。3.4 Limitations（局限性）：通过说明试样复制与测试结构，得出每材料两个同批试样同run测试，未独立评估build-to-build和run-to-run变异性，研磨数据按探索性和描述性解释；商业纯PLA与实验室PLA–1 wt.% Fe生产历史不同，不能隔离Fe作用，需同一长丝路线制备的匹配纯PLA对照；同一P180 SiC砂纸在每个60 min run中持续使用，切削效率变化、砂纸磨损或堵塞及碎屑累积未独立量化；未测试样或界面温度，局部热效应不能排除；表观密度在研磨后测定且无未研磨配对试样，体积损失仅为辅助估计；盘与试样头共转使代表性滑动距离不能可靠确定，未计算比磨损率；ASA累积损失50.12%表明后期初始几何、有效接触面积和名义接触压力不能假定不变，约7.1 kPa仅作为初始加载描述；SEM/EDS限于选定区域，不能验证体相Fe浓度、填料分散或团聚，也不能建立唯一材料去除机制。
讨论总结方面，原文强调经典聚合物摩擦学中磨粒磨损不能仅由硬度解释，Ratner et al.将耐磨性与多种力学性能联系，Lancaster报告磨损率与1/(Sε)近似线性；本研究的创新不在于再次指出硬度不足，而在于同一湿式固定磨粒研磨方案下对五种FDM长丝体系进行并排比较，并结合时间分辨重量、局部显微硬度和表面表征。Kujawa and Ptak报告FDM打印试样硬度与耐磨性无简单关系；既有滑动磨损研究还显示ABS在球盘条件下磨损可低于PLA，ASA摩擦学响应随打印参数显著变化。因此，本研究的材料损失响应不应归因于单一聚合物性能，而应视为材料配方、FDM诱导介观结构、变形行为及特定固定磨粒湿式研磨配置的共同结果；观察到的排序应视为特定于本湿式固定磨粒研磨配置，而非PLA、PETG、ABS和ASA的通用等级。
结论部分译文：本研究在共同湿式磨粒研磨方案下，比较了FDM打印PLA、PETG、ABS、ASA和含1 wt.% Fe的PLA的时间依赖性磨粒磨损诱导材料损失、局部显微硬度和磨损表面形貌。60 min后，PLA和PETG的累积材料损失最低，ASA最高。PLA–1 wt.% Fe尽管局部显微硬度最高，但材料损失呈中间响应。一项关键的条件特异性观察是，显微硬度排序与累积材料损失趋势不直接对应。实验室制备的PLA–1 wt.% Fe显微硬度高于商业纯PLA，但材料损失也显著更大；PETG和ASA的显微硬度值相对接近，但材料损失响应差异明显。这些结果表明，仅局部压痕硬度不足以解释所研究FDM聚合物的累积质量损失排序。光学显微镜和选定SEM/EDS观察进一步显示材料依赖性磨损表面特征，并表明在填充PLA分析区域内可局部检测到Fe。然而，现有表面观察不能建立唯一材料去除机制或Fe填料的体相分布。研究发现特定于所选打印参数、试样几何、磨粒粒度、水润滑、旋转条件和施加载荷。因此，观察到的差异应解释为实验室尺度、条件特异性信息，可支持未来以耐久性为导向的材料比较，而不是服务寿命、资源效率或可持续性性能的直接证据。未来研究应包括更大的独立试样集、量化的滑动距离和接触条件，以及更系统的填料分布和颗粒–基体界面表征。
