机器人抓取界面中3D打印与传统聚合物嵌件的摩擦力学行为及弹塑性接触响应

《Polymers》：Tribomechanical Behaviour and Elasto-Plastic Contact Response of 3D-Printed Versus Conventional Polymer Inserts in Robotic Gripping Interfaces Georgiana Ionela P?duraru, Andrei C?lin, Marilena Stoica, Delia Alexandra Prisecaru and Petre Lucian Seiciu

　　

采用熔融沉积成型(FDM)技术制备的3D打印聚合物因丝材路径、层间界面及蜂窝状填充结构而呈现方向性微观组织，其力学与摩擦学响应区别于均质块体材料。本研究针对机器人抓取应用场景，对聚丙烯(PP)块体嵌件与填充率为30%的六边形蜂窝结构聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG) 3D打印嵌件进行了对比摩擦力学评估。研究人员在5至100 N（PP为150 N）的载荷范围内开展了渐进式划痕试验，并利用轮廓仪定量分析了沟槽形貌、脊状隆起形成及材料位移体积比。基于弹塑性锥形压入模型，研究人员从沟槽几何特征中推导了压入压力与弹塑性转变半径。研究结果表明，PETG嵌件表现出非均匀沟槽深度、间歇性脊状撕裂及与内部填充结构相关的摩擦波动，这与增材制造聚合物的各向异性及结构依赖性行为一致。相比之下，块体PP在高载荷下呈现出更平滑的摩擦曲线与更稳定的塑性流动。研究人员引入了比摩擦功与脊-痕体积比两个功能性指标，以支持机器人抓取系统的材料选择。研究证实，3D打印嵌件的局部接触力学由打印诱导的结构特征主导，可通过基于划痕的弹塑性分析进行有效评估。该研究提出的评估框架可直接应用于工业搬运、包装及协作机器人领域的抓取性能优化。

研究背景与意义

随着工业机器人技术在抓取、精密装配等领域的快速发展，末端执行器与工件接触界面的可靠性已成为制约自动化效率的核心因素。传统均质聚合物嵌件虽具备稳定的摩擦特性，但在定制化与快速迭代需求面前灵活性不足。熔融沉积成型(FDM)技术凭借低成本、短周期的优势，可实现复杂结构聚合物嵌件的快速定制，但其固有的层间结合界面、丝材走向及内部填充拓扑导致材料呈现显著的结构各向异性与力学性能不均匀性。现有研究多聚焦于打印工艺参数对拉伸强度的影响，缺乏对3D打印聚合物在接触力学层面，特别是弹塑性变形与摩擦磨损耦合机制的系统性评估。针对这一空白，来自罗马尼亚的研究团队在《Polymers》期刊发表了题为《Tribomechanical Behaviour and Elasto-Plastic Contact Response of 3D-Printed Versus Conventional Polymer Inserts in Robotic Gripping Interfaces》的研究，旨在通过对比30%六边形填充PETG与均质PP嵌件在渐进载荷下的响应，揭示微观结构对宏观摩擦学行为的调控机制，为机器人抓取部件的理性设计提供理论依据。

主要技术方法

研究人员选取挤出级均质聚丙烯(PP)板材与30%六边形填充的FDM打印PETG作为研究对象。采用CETR UMT多试样测试系统进行线性渐进加载划痕试验，加载范围覆盖5至150 N，滑动速度为0.5 mm/s。利用Mahr GD 140接触式轮廓仪获取划痕后的三维形貌数据，量化沟槽深度、宽度及脊状隆起体积。基于Johnson弹塑性压入理论模型，将实验测得的几何参数转化为压入压力(p₀)与弹塑性分离半径(c)等力学参量。此外，研究定义了脊-痕体积比(γ)与单位划痕长度比摩擦功(w_f)作为评价材料耐磨性与能量耗散特性的功能性指标。

研究结果

3.1 渐进载荷下摩擦系数(COF)演变

研究结果显示，PETG样品的摩擦系数随划痕路径呈现显著的周期性波动，波动频率与六边形填充单元的尺度相匹配。这是由于压头在跨越丝材交点（高刚度区）与填充空隙（低刚度区）时，接触刚度发生交替变化所致。相比之下，两种PP样品均表现出平滑且单调的摩擦曲线，仅在载荷极高时出现微小波动，证实了均质材料的塑性流动具有一致性。在低载荷区间（5-20 N），PETG已出现微失稳现象，而PP表现出极强的抗初始压入能力。

3.2 沟槽深度、宽度及划痕形貌

轮廓仪扫描结果显示，PETG的划痕形貌呈现明显的非均匀性，表现为沟槽深度的跳跃式变化及脊状隆起的撕裂现象，这归因于压头穿越内部孔隙结构时的突发性穿透及层间结合界面的脆性断裂。PP样品则形成了深而连续的沟槽（PP2最深达约930 μm）及对称的脊状堆积，显示出典型的均质材料延性犁削特征。值得注意的是，PP在低载荷下几乎无可见划痕，而PETG因局部刚度不足在低载下即产生明显压痕。

3.3 量化指标：脊-痕体积比与比摩擦功

定量分析表明，PETG的脊-痕体积比(γ)随载荷剧烈变化，在低载（5 N）与高载（100 N）下γ < 1，表明材料发生了去除或微断裂；而在中载（20-50 N）下γ > 1，表现为塑性堆积。PP样品的γ值在整个载荷区间内保持稳定且大于1，证明了其优异的塑性容纳能力。在能量耗散方面，PP的比摩擦功更低，意味着在重复抓取作业中产生的热量更少，有利于热稳定性。

讨论与结论

研究人员在讨论中指出，3D打印聚合物的摩擦学行为不能仅依据基体树脂的化学属性进行判断，其内部架构（Architecture）起到了决定性作用。PETG表现出的摩擦波动与非均匀磨损源于填充结构导致的局部约束差异，使其呈现出类似复合材料的非连续变形机制；而PP则遵循经典的均质材料弹塑性接触理论。研究强调，在机器人抓取应用中，若追求高耐久性与低维护成本，均质PP是更优的选择；若需要利用结构的顺应性以适应不规则工件，则需谨慎评估PETG填充结构带来的性能离散性。

结论部分指出，该研究成功建立了基于划痕测试的弹塑性评估框架，明确了30%六边形填充PETG在机器人抓取界面中存在显著的架构依赖性行为。研究提出的脊-痕体积比(γ)与比摩擦功(w_f)可作为增材制造部件功能筛选的有效指标。该成果不仅深化了对FDM聚合物接触力学机制的理解，也为自动化领域中聚合物嵌件的选材与结构设计提供了重要的实验依据与设计准则。