增材制造工艺参数对表面粗糙度的影响及3D显微镜测量技术研究

近年来，增材制造技术在工业与学术领域持续突破，其中熔融沉积成型（FDM）技术因其低成本与复杂零件制造能力，成为研究与应用的热点。然而，FDM制件的表面粗糙度问题直接影响其机械性能与功能适用性。为系统探究工艺参数（如喷嘴直径、温度及打印方向）对表面质量的影响，本研究通过实验设计与数据分析，结合高精度测量工具——美能光子湾3D共聚焦显微镜，对制件表面形貌及粗糙度进行量化评估，旨在为工艺优化提供科学依据。

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熔融沉积成型(FDM)工艺

熔融沉积成型(FDM)工艺，也称为材料挤出(MEX)工艺，最广泛使用的材料之一是聚乳酸(PLA)，这是一种半结晶结构的聚合物，具有可生物降解性且物理性能良好，但其使用是以牺牲石油基聚合物为代价的。

由于制造过程会导致零件的机械和热性能较低，通过用碳纤维、玻璃纤维和天然纤维等其他材料增强聚合物以及采用诸如热处理、化学处理等方法来改善这些性能。这些方法需要额外的步骤和成本，从而也增加了制造时间。

表面纹理是零件功能的重要因素。在熔融沉积成型工艺中，表面粗糙度取决于熔融材料通过挤出喷嘴流动并在零件上逐层沉积的特定方式。挤出材料的特性也受到打印温度和冷却速度的强烈影响。在加工过程中的热处理技术会重新加热已沉积的材料层，并减缓新沉积材料层的冷却速度。

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热处理改善沉积层间粘附性

依据ISO 527标准，精心设计并制造了符合ISO 527-2 type B的试样。使用3D打印机进行样品制作，实验选取了喷嘴直径、零件温度和打印方向三个关键因素，每个因素分别设置三个水平。其中，喷嘴直径设为0.5mm、0.6mm、0.8mm；零件温度包含无加热、加热平台至50°C、局部加热至80°C这三种情况；打印方向则涵盖X、Y、Z三个方向。ISO 527-2 type 8 样品(a)印刷方向；(b)样品尺寸

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表面粗糙度分析

对于表面粗糙度的测量，主要选取与构建平台高度一致的表面进行。同时，为了更全面地了解表面粗糙度的特性，还对比了与构建平台平行表面的粗糙度。研究发现，构建平台表面由于制造条件特殊，其粗糙度与其他表面存在较大差异。例如，简单钢化玻璃构建平台和涂覆微孔涂层构建平台的表面粗糙度不同，而且与构建平台相反的表面粗糙度高出很多，最高可达38倍。例如简单钢化玻璃平台的Sq值为2.63?m，而与打印平台相对的表面粗糙度最高，Sq值达到99.3?m。这一结果表明，打印平台上的表面由于其特殊的打印条件（如较低的层高和打印速度）以及钢化玻璃的光滑表面，具有更好的表面质量。构建平台表面及相对表面的粗糙度值

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喷嘴直径

在分析各因素对表面粗糙度的影响时，发现喷嘴直径在构建平台高度恒定的情况下，对表面粗糙度的影响较小，变化幅度在2.81%以内，粗糙度值通常在48-49.5μm范围内。不过，整体趋势是随着喷嘴直径的增大，表面粗糙度有所增加。然而，对于与喷嘴垂直的平面，情况则相反，粗糙度会随着喷嘴直径的增大而减小。这是因为大直径喷嘴挤出宽度增加，使得打印表面所需的层数减少。

表面粗糙度平均效应的变化情况

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温度

温度是影响表面粗糙度的关键因素。过程热处理对表面粗糙度的影响十分显著。当仅使用构建平台温度时，表面粗糙度变化为6.25%；而采用过程热处理后，与无加热的情况相比，表面粗糙度改善了63.17%。通过ANOVA分析可知，温度是影响表面粗糙度的主要因素，其显著性高达79.53%。

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打印方向

打印方向对表面粗糙度也有一定影响。当在X和Y方向打印时，表面粗糙度的变化几乎可以忽略不计；但在Z方向打印时，表面粗糙度会增加8.19%。这一现象与零件尺寸以及所使用的3D打印机类型密切相关。实验中使用的床式抛射型3D打印机，其构建平台在Y方向移动，这对薄高零件的稳定性产生影响，进而导致Z方向打印时表面粗糙度增加。

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垂直于喷嘴的平面表面

当将表面粗糙度的结果与垂直于喷嘴的平面表面所获得的值进行比较时，又观察到了另一个重要方面。如下图所示，零件表面平行于和背离构建平台时，表面粗糙度随喷嘴直径变化的结果。

喷嘴直径对测试样品顶面粗糙度的影响

对于与构建平台高度表面一致的表面粗糙度结果相反，其值随着喷嘴尺寸的增大而减小。这一现象的原因在于，随着喷嘴直径的增大，层间粘结点减少，并且取决于挤出宽度。随着喷嘴直径的增大，挤出宽度也会增大，从而打印一个表面所需的层数减少。

实验数据表明，对于表面质量要求较高的零件，如果考虑加工过程中的热处理，前一层的温度应是需要仔细选择的主要参数之一。使用加工过程中的热处理时，表面粗糙度Sq参数提高了63.17%，并且在整个打印零件上大致保持恒定。在本研究考虑的特定打印条件下喷嘴直径和打印方向参数对表面粗糙度没有显著影响。

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美能光子湾3D共聚焦显微镜

美能光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察

• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

• 提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

实验结果表明，温度是改善表面粗糙度的主导因素，而喷嘴直径与打印方向的影响则相对有限。在数据获取过程中，美能光子湾3D共聚焦显微镜凭借其亚微米级形貌分析能力，为表面粗糙度的精准测量提供了可靠支持。该技术的应用不仅提升了实验数据的可信度，也为增材制造领域的质量控制与工艺改进提供了重要的技术手段。未来，结合高精度测量与工艺参数优化，有望进一步推动增材制造技术在精密制造领域的深度应用。