提高3D打印零件耐磨稳定性的适宜表面处理方法可行性研究

《Polymers》：Feasibility Study of Suitable Surface Treatments for 3D-Printed Parts to Increase Abrasion Resistance Stability Dominik Fink, Zdenek Chval and Karel Raz

　　

增材制造技术如多射流熔融（Multi-Jet Fusion, MJF）能够生产具有相对各向同性力学性能的聚合物零件，但其表面状态常常限制直接的功能应用。本研究调查了选定的表面处理方法应用于通过MJF制造的PA12GB（玻璃微珠填充PA12）零件的可行性，旨在通过修改表面性能来提高耐磨性和与温度相关的性能。评估了五种表面处理：底涂层（base coating, BC）、丙烯酸涂层（acrylic coating, AC）、化学蒸汽抛光（chemical vapor smoothing, PostPro3D）、玻璃涂层（glasscoat, 环氧基SiO₂体系）和陶瓷填充双组分环氧涂层（ceramic-filled 2K epoxy coating）。未处理的样品作为参考。测量了表面层厚度、粗糙度（ISO 21920-2:2021）、摩擦系数（ASTM G99-23）和肖氏D硬度（ASTM D2240-15R21）。结果显示处理间存在显著差异。玻璃涂层和陶瓷涂层形成最厚和最硬的层（约265 μm和约409 μm；肖氏D约84），但摩擦系数大幅增加。蒸汽抛光和底涂层形成较薄的层，性能与未处理样品相近。丙烯酸涂层降低了表面粗糙度，同时适度增加了硬度。研究结果表明，表面处理显著改变了MJF打印的PA12GB零件的摩擦学和力学表面行为。给定处理的适宜性强烈取决于预期的功能要求，特别是关于摩擦和表面硬度。

论文解读文章

**研究背景与问题**
增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术如多射流熔融（Multi-Jet Fusion, MJF）能够生产具有相对各向同性力学性能的聚合物零件，然而其固有的表面粗糙度和部分孔隙率（源于粉末颗粒的逐层烧结）严重限制了直接功能应用，尤其是对滑动接触或机械加载场景的摩擦学性能。聚酰胺12（Polyamide 12, PA12）是粉末床熔融中最成熟的材料之一，通过添加玻璃微珠形成PA12GB（glass bead-filled PA12）可进一步调控刚度和热行为，但表面形貌更加复杂。尽管已有多种后处理技术（如机械精加工、等离子处理、化学改性）被研究，但对多种商业化涂层及化学蒸汽抛光在相同测试条件下的系统比较仍极为有限。因此，本研究旨在评估五种表面处理应用于MJF制造的PA12GB零件的可行性，重点关注其对表面粗糙度、摩擦系数、硬度和层厚的影响，以确定最适宜提升耐磨稳定性的策略。该论文发表在《Polymers》。

**关键技术方法**
研究人员采用五种商业表面处理技术——底涂层（Base Coating, BC）、丙烯酸涂层（Acrylic Coating, AC）、化学蒸汽抛光（PostPro3D）、环氧基SiO₂玻璃涂层（Glasscoat）和陶瓷填充双组分环氧涂层（Ceramic-filled 2K epoxy），应用于由MJF技术制造的PA12GB圆盘试样（直径70 mm，每组4个）。表面层厚度通过光学显微镜（Olympus BX61）截面分析获得（每处理组1个代表样品，15个局部测量值）；表面粗糙度依据ISO 21920-2:2021使用共聚焦激光扫描显微镜（Olympus LEXT OLS 5000）测量（两个垂直方向，10×10视野，5×物镜）；摩擦系数依据ASTM G99-23使用销盘式摩擦试验机（Anton Paar TRB3，100Cr6钢球直径6 mm，法向载荷10 N，滑动距离188.5 m，转速300 rpm）测量；表面硬度依据ASTM D2240-15R21使用肖氏D硬度计（SAUTER HBD 100）测量。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA，α=0.05）及双样本t检验评估组间差异。

**研究结果**
**3.1 厚度测量**
通过光学显微镜对破坏性截面进行局部厚度测量（每处理组1个代表性试样，15个测量点），发现涂层厚度差异显著（ANOVA，p<0.001）。PostPro3D形成最薄层（44.5 μm），其次为BC（93.1 μm）、AC（106.4 μm），玻璃涂层（264.7 μm）和陶瓷涂层（409.1 μm）显著较厚。厚涂层（陶瓷和玻璃）相对厚度变异性较低（6.4%–7.4%），而薄涂层（PostPro3D和AC）变异性较高（约24%），表明手动施加未显著损害陶瓷系统的厚度均匀性。

**3.2 表面粗糙度测量**
使用共聚焦激光扫描显微镜依据ISO 21920-2:2021测量表面粗糙度参数（Ra）。结果显示，手动施加的陶瓷涂层具有最高Ra值，而喷雾施加的AC涂层表现出更均匀的形貌。未处理的PA12GB基底具有最低粗糙度。涂层施加方法在决定最终表面形态中起主导作用。ANOVA分析表明组间粗糙度存在显著差异（p<0.001），但有限测量次数下需谨慎解读。

**3.3 摩擦系数测试**
依据ASTM G99-23进行销盘磨损试验（10 N载荷，188.5 m滑动距离，100Cr6钢球），记录摩擦系数μ的演化。结果表明，PostPro3D（μ=0.1251）和AC（μ=0.1375）的摩擦系数与未处理状态（μ=0.1312）相当。BC出现异常近零摩擦系数（μ=-0.0071），可能为测量伪影或不稳定接触。玻璃涂层（μ=0.4133）和陶瓷涂层（μ=0.4790）的摩擦系数显著增加约3–4倍。ANOVA证实组间差异显著（p<0.001）。

**3.4 表面硬度测量**
依据ASTM D2240-15R21测量肖氏D硬度。BC（75 Shore D）和PostPro3D（76 Shore D）与未处理状态（75 Shore D）几乎相同，AC（78 Shore D）略有增加，玻璃涂层（84 Shore D）和陶瓷涂层（84 Shore D）最高。ANOVA显示硬度差异显著（p<0.001）。

**3.5 表面粗糙度与摩擦系数的相关性**
线性回归分析表明，平均表面粗糙度（Ra）与摩擦系数（COF）呈正相关：COF=0.0053Ra+0.1411，但决定系数R²=0.1087，表明粗糙度仅解释摩擦行为中很小部分变异，涂层组成、硬度及形貌等其他因素起更重要作用。

**讨论与结论**
研究结果与先前文献一致：陶瓷增强涂层因硬质颗粒承载作用提升硬度和耐磨性，但增加摩擦；化学蒸汽抛光主要改变表面形貌而非引入新层。玻璃微珠在PA12GB中引入界面异质性，可能影响涂层粘附机制。手动施加导致厚度偏差，但未引起10,000次滑动循环下的涂层分层，表明功能稳定性足够。统计ANOVA极低p值确认差异来源于涂层类型和施加方法。基于经典粗糙峰接触理论，表面粗糙度影响真实接触面积，但摩擦行为受多因素控制。结论翻译如下：研究结果表明，所应用的表面处理显著改变了打印部件的表面特性。统计分析证实，表面处理类型对涂层厚度、硬度、表面粗糙度和摩擦行为有统计学显著影响。同时，表面粗糙度与摩擦系数之间的回归分析仅显示出弱相关性，表明摩擦学性能不仅受表面形态控制，还受涂层组成和力学性能等其他因素影响。在所评估的表面处理中，陶瓷填充涂层系统表现出最有利的摩擦学性能，与未处理和其他处理的试样相比，提供了改善的耐磨性和更高的表面硬度。涂层中陶瓷颗粒的存在可能增强了表面的承载能力，并增加了接触界面的抗机械磨损能力。所呈现的结果提供了对应用于增材制造聚合物部件的选定工业表面处理技术的系统比较评估。这些发现有助于更好地理解后处理技术如何影响MJF生产零件的功能性能，并可能支持在需要改善摩擦学性能的应用中选择合适的表面精加工策略。未来工作应关注涂层成分、表面微观结构与长期磨损行为的相互作用，特别是针对更复杂的AM几何结构。