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这篇研究聚焦制药行业传动带摩擦层的高性能需求，通过熔融沉积成型(FDM) 3D打印技术，系统研究了热塑性聚氨酯(TPU) 51A与60A两种材料的加工工艺。研究探讨了打印温度与层数对材料邵氏A硬度、耐磨性（质量损失）、拉伸性能、结晶度(XRD)、化学结构(FTIR)、热稳定性(TGA)及微观形貌(SEM)的影响。结果表明，通过优化打印参数（如对TPU 51A采用265 °C与四层结构），可有效平衡材料的耐磨性与机械性能，为实现定制化、一体化的多材料传动带制造提供了关键技术依据，在精密制药自动化领域具有重要应用前景。
在高度监管的制药生产环境中，输送与操纵系统的可靠性与精度至关重要。传动带作为关键部件，需满足美国食品药品监督管理局(FDA)合规、良好生产规范(GMP)及洁净室标准，其材料必须无毒、不渗出，并能耐受强效清洗剂与灭菌过程。传统传动带在制药机械手所要求的高循环、急停急启的严苛工况下，面临磨损加速、热积聚及对不准等问题，其可靠性受到挑战。增材制造(AM)与高性能聚合物的结合为此提供了创新解决方案。
本研究专注于用于制药机械手的传动带，其核心功能之一是作为摩擦层，在胶囊泡罩板插入过程中精准制动纸板包装。这要求材料表面具有高摩擦力以实现可控的产品运动，其工作模式是持续的、严苛的“行进-制动”高循环过程。因此，获得优异的摩擦学性能——特别是低的比磨损率(SWR)，不仅是工程效率目标，更是维持GMP和洁净室合规性的强制要求。
热塑性聚氨酯(TPU)因其优异的柔韧性、高伸长率、出色的拉伸强度、冷弯性以及高耐磨性，非常适用于制药自动化部件。熔融长丝制造(FFF)技术能够通过控制内部结构（如填充密度和图案）来精确调节TPU的摩擦响应。先前研究表明，填充结构、表面特性及打印参数（如层厚、打印速度）对TPU的摩擦系数(COF)和耐磨性有显著影响。此外，后处理（如低温冷却）可通过改变微观结构和提高硬度来进一步增强耐磨性。
本研究的长期目标是将增材制造从制造孤立的摩擦试样扩展到生产完整的传动带。作者意图应用双材料3D打印技术，在单一制造过程中同时沉积两种功能不同的材料：较硬的材料用于结构支撑和驱动部件（齿形基座），而柔性、经磨损优化的TPU层则构成本次研究的活性摩擦表面。这种方法使得制造针对特定机械和摩擦学要求而定制的集成式、多材料传动带成为可能。
材料与方法
研究考察了两种TPU材料：TPU 51A和TPU 60A。为了分析打印参数的影响，对每种材料考虑了两种打印温度和两种层数（三层或四层）。使用 Artillery Sidewinder X4 Plus 3D打印机进行制造，采用0.4 mm喷嘴，并实施了技术改进以增加挤出组件刚性，解决软性TPU长丝进料时易弯曲的问题。为专注于评估热效应和层数依赖性影响，本研究有意将其他工艺参数（如填充密度、打印速度）保持恒定。
测试与表征方法
- 1.
邵氏A硬度测量：使用邵氏A硬度计在样品表面多个位置进行测量，取平均值。
- 2.
磨损分析：使用Baroid润滑性试验机()评估耐磨性。在特定载荷下，TPU材料制成的测试辊与纸板试样相对运动，通过精密天平以10秒间隔测量试样质量损失，以累积质量损失作为磨损量度。
- 3.
拉伸测试：试样按ASTM D638 Type V标准制造，使用配备2.5 kN载荷传感器的机电测试机以15 mm/min的横梁速度进行测试。
- 4.
XRD分析：使用配备铜阳极X射线管的D8 advance衍射仪，在2θ范围5–60°内测量。结晶度(XC)通过结晶峰面积与总峰面积之比计算。
- 5.
FTIR分析：使用傅里叶变换红外光谱仪在4000–400 cm?1扫描范围内记录光谱，分析化学结构。
- 6.
热分析：使用热重分析仪在氮气气氛下以10 °C/min的速率从25 °C加热至600 °C，评估热稳定性。
- 7.
SEM分析：使用扫描电子显微镜观察磨损/断裂表面的形貌，以可视化表面变形和磨损相关特征。
结果与讨论
硬度评估
TPU 51A和60A的邵氏A硬度值对打印温度和沉积层数表现出明确的依赖性。对于51A材料，硬度值大约在68.5至80.5之间，最高值出现在255 °C/三层，最低值出现在265 °C/四层。而对于60A材料，硬度值大约在65.2至72.9之间，且硬度和随温度和层数的增加而更一致地增加，这表明在更高打印温度下层间扩散改善、孔隙率降低。
磨损分析结果
累积质量损失随时间的变化显示出近似线性的增长。对于51A材料()，在255 °C打印的试样通常比在265 °C打印的磨损率更高，且三层打印的样品往往比四层的质量损失略高。相比之下，60A材料表现出比51A更高的整体累积质量损失，且打印温度和层数的增加都会导致质量损失增加。
硬度与磨损之间存在一般的反比关系，但存在偏差，证实打印温度和层数共同影响着硬度和耐磨性。其中，TPU 51A在265 °C/四层条件下打印的样品表现出最低的累积质量损失（约0.025 g），但硬度相对较低，表明其磨损的减少不能单纯归因于硬度的提高。
拉伸测试结果
拉伸性能与打印参数密切相关。对于51A材料，在255 °C/三层条件下打印的样品表现出最高的屈服强度（约2.86 MPa）和最大应变（约9.8%），同时保持了中等的累积质量损失。而打印四层的样品（如265 °C/四层和255 °C/四层）通常显示出较低的屈服强度和延展性。对于60A材料系列，观察到累积质量损失整体增加，同时屈服强度和应变显著降低。研究确认，所有打印样品主要呈非晶态，拉伸和磨损性能主要受热历史和层间扩散控制，而非结晶度变化。
XRD结果
X射线衍射谱显示出一个以2θ = 20°为中心的宽峰()，证实了TPU主要为非晶态。在2θ为11°、21.3°、23.7°、27.4°和29.2°处存在的峰表征了半结晶TPU。结晶度计算表明，与原始长丝样品相比，打印后样品的结晶度有所下降。对于两组TPU样品，增加打印层数能达到与提高打印温度相似的效果，即降低结晶度。结晶度的降低表明非晶域比例增加，为更硬的结晶区域的重排/取向提供了更多自由度，从而改善了材料的机械性能。
FTIR分析结果
所有样品都显示出TPU的特征吸收带，表明加工后聚合物骨架得以保留。在3320 cm?1处的宽吸收带归属于氨基甲酸酯基团中形成氢键的N–H伸缩振动。在2900和2800 cm?1处的谱带对应于脂肪族C–H基团的不对称和对称伸缩振动。在羰基区域（1725–1705 cm?1）观察到的强吸收带归属于氨基甲酸酯基团的C=O伸缩振动。~1530 cm?1处的谱带归属于酰胺II振动，1220 cm?1处的吸收对应于氨基甲酸酯键的酰胺III和C–N伸缩振动。1100–1080 cm?1处的吸收带归属于C–O–C伸缩振动，证实了软段中醚基团的存在。~2270 cm?1处无吸收带，证实了无未反应的异氰酸酯基团，表明加工过程中未发生显著的化学降解。
热分析结果
热重分析表明，所有51A材料的T5%（失重5%的温度）高达260 °C，而60A材料的T5%值约为250 °C，表明其具有良好的热稳定性。差示扫描量热法(DSC)曲线显示，所有样品均未出现结晶放热峰，表明其为非晶态聚合物。然而，51A和60A长丝以及3D打印样品在300至350 °C之间呈现一个宽的内吸热峰，这可能对应于硬段有序结构的熔融以及软硬段混合微相的熔融。DSC结果还表明，3D打印样品的熔融温度(Tm)值略高于长丝，并随层数增加而增加，这可能归因于TPU中硬段微晶的生长。
SEM分析结果
磨损表面的SEM观察揭示了由特定载荷条件引起的明显表面变形。表面形态显示出沿加载方向被压平和拉长的特征()，表明在循环机械应力下打印层发生了渐进式塑性变形和拉伸。这种行为与皮带的工作条件一致，即重复的拉伸和弯曲载荷促进了材料的逐渐伸长。观察到的形态特征因此归因于变形驱动的磨损机制，而非纯磨料去除。
对于不同打印参数的样品，表面形貌存在差异。例如，51A材料在255 °C/三层和265 °C/三层条件下打印出的结构存在大量空隙，易于加剧不均匀磨损；而在265 °C/四层条件下打印的样品则观察到局部表面破裂。对于60A材料，在225 °C/三层和235 °C/三层条件下打印的、结构中存在空隙的样品，在载荷下能更有效地重新分布材料，有利于更好的磨损行为；而四层结构则显示出表面不均匀变化，这有利于材料剥离和更大的磨损。
结论
对3D打印TPU 51A和TPU 60A的实验研究表明，打印温度和沉积层数显著影响硬度、耐磨性、拉伸行为、结晶度和热稳定性。
对于51A材料，增加层数通常会降低硬度。在255 °C时，这伴随着磨损的轻微增加；而在265 °C时，磨损率显著降低，表明在较高温度-四层条件下摩擦学性能得到改善。相比之下，对于60A材料，增加层数会导致硬度更高，但磨损也略有增加。
未发现屈服强度与磨损率之间存在直接相关性。所研究的材料主要呈现非晶态结构，虽然结晶度对磨损行为有一般性影响，但这种关系并非严格成比例。一个例外是60A材料在235 °C下打印时，尽管结晶度下降，但磨损增加，表明额外的结构因素影响了磨损响应。
热分析证实，所研究的打印温度未引起显著的结构降解，两种材料均保持良好的热稳定性。与原始长丝相比，沉积通常会导致结晶度降低。
SEM观察表明，根据加工条件的不同，主导的磨损机制也不同，而XRD和DSC分析证实了打印TPU主要为非晶态以及微相组织的作用。
综合考虑摩擦学性能，在265 °C下以四层打印的TPU 51A提供了最有利的结果。该研究还强调，聚合物材料的技术行为强烈依赖于加工参数，每种材料-工艺组合都需要单独评估。
局限性与未来工作
尽管本研究展示了FDM打印TPU用于制药传动带摩擦层的潜力，但存在一些局限性。实验研究仅限于狭窄的打印参数范围，未探索填充密度、图案和打印速度等已知会显著影响FDM打印TPU部件机械、摩擦学和表面性能的变量。
未来研究应通过系统研究填充密度、图案、打印速度和扫描线方向对磨损行为的影响来扩展参数空间。此外，可以探索后处理热处理（退火）以增强层间结合、控制结晶度并提高整体耐磨性，同时保持柔韧性。
当前结果与制药传动带的相关性应在定义的实验范围内进行解释。本研究中采用的摩擦学测试旨在重现皮带摩擦层与纸板包装之间的局部接触条件，特别是在接触压力、滑动交互和材料配对方面。然而，未在循环制动条件、长期疲劳载荷以及污染或颗粒脱落评估下进行全尺寸皮带测试。因此，其应用于制药传动带是作为一个有技术依据的用例，而非完全经过验证的操作演示。需要涉及真实皮带原型和循环制动模拟的进一步研究，以全面验证FDM打印TPU部件对制药生产环境的适用性。
