FDM 3D打印聚醚醚酮零件摩擦磨損特性研究

田爽，烏日開西·艾依提，阿依古麗·喀斯木

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830017)

聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)具有優(yōu)異的自潤滑性、耐摩擦性、耐腐蝕性[1]，近年來被越來越多地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車和電子等領(lǐng)域[2-3]。傳統(tǒng)的注塑、機(jī)械加工等方式制作的PEEK零件形狀相對簡單，3D打印因其無需借助刀具、夾具、模具等繁瑣的加工流程等優(yōu)點(diǎn)[4]，成為制作復(fù)雜形狀PEEK零件的一種有效手段。在眾多3D打印技術(shù)中，針對PEEK 的3D打印工藝有選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)和熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)2種[5-6]。FDM具有操作簡單、成本低、可以打印復(fù)合材料等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)用范圍最廣的熱塑性材料3D打印工藝[7]。由于3D打印的逐層堆積特性，使打印件的力學(xué)性能具有各向異性的特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦也呈現(xiàn)出各向異性[8-10]。

3D打印技術(shù)在多材料、復(fù)合材料、復(fù)合結(jié)構(gòu)等零件制備中的優(yōu)勢，使其在摩擦領(lǐng)域也呈現(xiàn)出了巨大的潛力[11-12]。3D打印的工藝參數(shù)組合對打印件的多項(xiàng)性能都有不同的影響，研究分層層厚、打印方向、打印速度、掃描方式等關(guān)鍵工藝參數(shù)對試樣摩擦學(xué)性能和磨損機(jī)制的影響規(guī)律是研究重點(diǎn)之一[13]。3D打印在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件的制備中表現(xiàn)出了極大的靈活性，研究不同纖維增強(qiáng)材料及其含量改變對摩擦性能的影響是該方向的一個(gè)研究熱點(diǎn)[14-15]。3D打印的材料累加過程與零件表面微結(jié)構(gòu)相結(jié)合來改善摩擦性能也是很多學(xué)者關(guān)注的問題[16-18]。

本文作者利用FDM 3D打印工藝制備3種打印角度的PEEK零件，研究打印角度及載荷變化對PEEK零件的摩擦學(xué)性能的影響，并分析其摩擦性能的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用ENGINEER Q300型3D打印機(jī)制備試樣，使用的PEEK絲材直徑為1.75 mm。摩擦實(shí)驗(yàn)由MFT-5000型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)完成。摩擦實(shí)驗(yàn)后的試樣表面形貌用VHX-6000超景深顯微鏡進(jìn)行觀測分析。

1.2 試樣制備

打印試樣前，先將PEEK絲材放置于溫度為110 ℃的干燥箱中干燥4 h。打印機(jī)設(shè)定的固定參數(shù)為：噴嘴直徑0.4 mm，噴頭溫度400 ℃，打印層高0.2 mm，打印速度30 mm/s，掃描間距0.3 mm，采用往復(fù)掃描方式。

采用上述方法分別制備了打印角度為0°、45°、90°的3種試樣。試樣的尺寸根據(jù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持范圍確定為30 mm×10 mm×8 mm。每個(gè)打印角度均制備了3個(gè)試樣。試樣與圓柱銷的接觸形式如圖1所示。

圖1 3種打印角度示意

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)采用銷-塊摩擦副，摩擦方式為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。銷直徑為5 mm，高度為10 mm，材料為304不銹鋼。銷試樣的接觸面依次用400、800、1 200、2 000、2 500目的金相砂紙打磨，并用金相試樣拋光機(jī)進(jìn)行拋光。PEEK打印件的表面保持原始打印狀態(tài)。

試驗(yàn)設(shè)定摩擦頻率為5 Hz，試驗(yàn)時(shí)間為30 min，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，采用蒸餾水潤滑，具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，采集記錄摩擦因數(shù)-時(shí)間曲線。試驗(yàn)后先將試樣放入超聲波清洗機(jī)中清洗，烘干后用電子天平稱重，通過稱量摩擦前后PEEK試件質(zhì)量變化來計(jì)算PEEK的磨損率[19]。計(jì)算公式見式(1)、(2)。

(1)

式中：ΔV為磨損體積，mm3；Δm為磨損質(zhì)量，mg；ρ為PEEK密度，ρ=1.3 g/cm3。

(2)

式中：F為施加載荷，N；S為滑動(dòng)距離，m；ω為磨損率，mm3/(N·m)。

從摩擦試驗(yàn)機(jī)中取出試樣，觀測磨痕形貌，并分析磨損機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印角度對PEEK材料摩擦性能的影響

施加載荷20 N時(shí)，3種打印角度的PEEK-304不銹鋼摩擦副的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。可以看出，摩擦因數(shù)變化曲線分為2個(gè)階段，第一階段為磨合期，試驗(yàn)開始后摩擦因數(shù)先隨時(shí)間的延長而增加，隨后進(jìn)入第二階段，摩擦因數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)直到試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 3種打印角度試樣的摩擦曲線

圖3所示為施加載荷20 N時(shí)3種打印角度試樣的平均摩擦因數(shù)和磨損率。由圖3(a)可以看出，打印角度0°試樣的平均摩擦因數(shù)值最大，45°試樣平均摩擦因數(shù)值最小，0°、90°試樣與其相比分別上升了20.59%、12.33%。

圖3 3種打印角度試樣的平均摩擦因數(shù)及磨損率

由圖3(b)可以看出，磨損率隨打印角度的增加而增加。0°試樣的磨損率最小，45°試樣是其1.5倍，90°試樣則是其3倍。當(dāng)打印角度為0°時(shí)，磨痕與打印溝槽方向一致，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的擠壓作用使磨屑緩慢移動(dòng)進(jìn)入溝槽，溝槽較長導(dǎo)致磨屑排出較慢，部分未排出溝槽的磨屑增大了接觸表面的粗糙度從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)較大。打印角度為90°時(shí)，即滑動(dòng)方向與溝槽方向垂直，試樣表面接觸的溝槽數(shù)量相對較多，即接觸凸起更多，更易被剪切從而產(chǎn)生大量磨屑，因此90°試樣磨損率最大。45°試樣的摩擦力可以分解為平行于溝槽方向和垂直于溝槽方向的力，在2種方向的摩擦力作用下部分磨屑可落在溝槽外部，相對于90°試樣受力較小，所以磨損率介于45°與90°試樣之間。

2.2 載荷對PEEK摩擦性能的影響

不同載荷下PEEK-304不銹鋼摩擦副的平均摩擦因數(shù)和磨損率的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同載荷下3種打印角度試樣的平均摩擦因數(shù)及磨損率

從圖4(a)可以看出，不同載荷下，打印角度0°試樣的平均摩擦因數(shù)值最大，45°試樣平均摩擦因數(shù)值最小。隨著載荷的增大，試樣摩擦因數(shù)下降。這是因?yàn)椋S著摩擦載荷增大，摩擦副之間的正壓力使得實(shí)際接觸面積逐漸增大，接觸表面也越光滑，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移膜變多，因此達(dá)到穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)就越小[20]。

從圖4(b)可以看出，3種打印角度試樣的磨損率均隨載荷的上升而增加。隨著載荷的增加，PEEK材料表面更容易發(fā)生塑性變形，使材料承受剪切變形的能力降低；而且摩擦產(chǎn)生熱量的散熱速度減慢，使聚合物的表面進(jìn)一步軟化，導(dǎo)致聚合物表明硬度下降，因此在摩擦過程中，高載荷會(huì)導(dǎo)致較高的磨損量[21]。

2.3 磨損形貌分析

在不同載荷條件下3種打印試樣的磨損形貌如圖5—7所示，圖中雙箭頭所指為劃痕方向。可見隨著載荷增大，不同打印角度試樣的磨損表面都越來越光滑。從圖5可知，載荷為20 N時(shí)各角度試樣的磨損表面均留有不同數(shù)量的打印形成的溝槽，溝槽內(nèi)均存有少量磨屑，其使得表面平整度較低，造成了較高的摩擦因數(shù)。溝槽的存在同時(shí)也降低了實(shí)際接觸面積，從而使磨損率較低。如圖5 (a)所示，0°試樣表面溝槽數(shù)量最多，使得試樣的摩擦因數(shù)最大，磨損率最低。在小載荷條件下，各試樣表面只殘留有微弱的磨損痕跡，與其磨損率一致。試樣表面發(fā)生輕微的塑性變形，此時(shí)材料表面的微粗糙峰與對摩副上表面的微凸峰發(fā)生連接，磨損機(jī)制主要為黏著磨損。

圖5 20 N時(shí)3種打印角度試樣的磨損表面形貌

如圖6所示，在50 N下3種打印角度試樣的磨損表面平整度有所提高。在50 N下試樣的摩擦因數(shù)下降，磨損后試樣表面的溝槽數(shù)量也少于20 N下，即磨去的凸起較多，使得磨損率升高。黏著磨損是由于摩擦接觸表面不平，處于點(diǎn)接觸狀態(tài)，滑動(dòng)時(shí)局部高壓引起塑性變形和瞬間高溫。這種情況下會(huì)出現(xiàn)接觸面的峰頂材料軟化或熔化，從而導(dǎo)致焊合的現(xiàn)象[22]。因此，隨著載荷的增大黏著磨損進(jìn)一步加劇，進(jìn)而使摩擦副之間的阻力增大，導(dǎo)致接觸面的材料被剝離原表面，最終表現(xiàn)為磨損率上升，而磨損表面更為平滑。

從圖7可以看出，當(dāng)載荷為80 N時(shí)，3種試樣的磨損表面均呈現(xiàn)出光滑狀態(tài)，表面劃痕也更為明顯。各角度試樣磨損前后表面的高度差最大，使得磨損率也相應(yīng)增大；0°試樣的高度差為150.52 μm、45°試樣為146.09 μm、90°試樣為172.63 μm，分別較20、50 N時(shí)有不同程度增加。載荷較大時(shí)，材料表面塑性變形相應(yīng)增大，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)疲勞破壞。綜上所述，此時(shí)的磨損機(jī)制為黏著磨損以及疲勞破壞引起的表層脫落。純PEEK材料在低載荷條件下可以保持良好的摩擦磨損性能，磨損率較低，在高載荷條件下磨損率的增幅加大。

圖7 80 N時(shí)3種打印角度試樣的磨損表面形貌

3 結(jié)論

研究了3種不同打印角度制備的PEEK試樣在不同載荷下摩擦磨損性能的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1)在不同載荷下，打印角度為0°時(shí)試樣的摩擦因數(shù)均最大，90°試樣次之，45°試樣的摩擦因數(shù)最小；打印角度為90°時(shí)試樣的磨損率最大，45°試樣次之，0°試樣的磨損率最小。施加載荷20 N時(shí)，45°試樣的摩擦因數(shù)較0°試樣降低了20.59%，90°試樣的磨損率是0°試樣的3倍。

(2)隨著載荷的增加，不同打印角度試樣的平均摩擦因數(shù)下降，而磨損率有所增加。45°試樣在80 N載荷作用下的摩擦因數(shù)值最小，0°試樣在20 N載荷作用下的磨損率最低。

(3)在低載荷下，不同打印角度的PEEK 試樣以黏著磨損為主，隨載荷的增加，磨損表面平整度與光滑度提高，試樣由于黏著磨損加劇引起了表層脫落。