Tribological performance of 3D printed plastics coated with self-lubricating coatings

Abstract

Este estudo teve como foco principal a melhoria das propriedades tribológicas de componentesplásticos impressos por Fused Deposition Modeling (FDM) por meio da aplicação derevestimentos autolubrificantes de tungsténio-enxofre-carbono (W-S-C). A investigaçãoenvolveu a impressão 3D de amostras de plásticos usando filamentos de poliamida (PA) epoliamida reforçada com fibra de carbono (CF-PA). Quatro revestimentos distintos, três cujapercentagem atómica de carbono rondou os 36% e um outro com teor de carbono de cerca de48%, foram depositados nas amostras de polímeros impressas em 3D recorrendo apulverização catódica com magnetrão desbalanceado de campo fechado. Os revestimentoscom 36 % de teor de carbono foram aplicados com e sem intercamada de crómio, e com duasespessuras diferentes. Os revestimentos foram caracterizados usando várias técnicas, incluindomicroscopia eletrónica de varredura (SEM), espectroscopia dispersiva de comprimento de onda(WDS), difração de raios-X (XRD), nanoindentação, teste de abrasão e teste tribológico deesfera sobre disco em regime alternado. Os resultados mostraram uma melhoria significativanas propriedades tribológicas das amostras revestidas. As amostras de PA revestidas exibiramuma notável redução de 65% no coeficiente de fricção (CoF) e uma taxa de desgaste 24 vezesmenor do que as amostras de PA não revestidas. Da mesma forma, as amostras de CF-PArevestidas demonstraram uma redução substancial do seu CoF em 55% e uma taxa de desgaste10 vezes menor do que as amostras de CF-PA não revestidas. Os revestimentos mais espessosdemonstraram um desempenho tribológico superior em comparação com os outrosrevestimentos, mostrando a sua eficácia na melhoria das propriedades tribológicas das amostrasde PA e CF-PA.

This study focused on improving the tribological properties of Fused Deposition Modeling(FDM) printed plastic components by applying self-lubricating tungsten-sulfur-carbon (W-SC) coatings. The research involved 3D printing plastic samples using polyamide (PA) andcarbon fiber reinforced polyamide (CF-PA) filaments. Four distinct coatings, including threewith approximately 36 at.% carbon content and one with approximately 48 at.% carboncontent, were deposited onto the 3D printed polymer samples using closed field unbalancedmagnetron sputtering. The coatings with 36 at.% carbon content were applied with and withouta chromium interlayer, and with two different thickness. The coatings were characterized usingvarious techniques, including scanning electron microscopy (SEM), wavelength dispersivespectroscopy (WDS), X-ray diffraction (XRD), nanoindentation, scratch testing, andreciprocating ball-on-disk testing. The results showed a significant enhancement in thetribological properties of the coated samples. The coated PA samples exhibited a remarkable65% reduction in coefficient of friction (CoF) and a wear rate 24 times lower than the uncoatedPA samples. Similarly, the coated CF-PA samples demonstrated a substantial 55% reductionin CoF and a wear rate 10 times lower than the uncoated CF-PA samples. The thicker coatingsdemonstrated superior tribological performance compared to the other coatings, showcasingtheir effectiveness in improving the tribological characteristics of both PA and CF-PA samples.