近年來，增材制造技術(shù)在工業(yè)與學(xué)術(shù)領(lǐng)域持續(xù)突破，其中熔融沉積成型（FDM）技術(shù)因其低成本與復(fù)雜零件制造能力，成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。然而，F(xiàn)DM制件的表面粗糙度問題直接影響其機(jī)械性能與功能適用性。為系統(tǒng)探究工藝參數(shù)（如噴嘴直徑、溫度及打印方向）對表面質(zhì)量的影響，本研究通過實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析，結(jié)合高精度測量工具——美能光子灣3D共聚焦顯微鏡，對制件表面形貌及粗糙度進(jìn)行量化評估，旨在為工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

#Photonixbay.01

熔融沉積成型(FDM)工藝

熔融沉積成型(FDM)工藝，也稱為材料擠出(MEX)工藝，最廣泛使用的材料之一是聚乳酸(PLA)，這是一種半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的聚合物，具有可生物降解性且物理性能良好，但其使用是以犧牲石油基聚合物為代價的。

由于制造過程會導(dǎo)致零件的機(jī)械和熱性能較低，通過用碳纖維、玻璃纖維和天然纖維等其他材料增強(qiáng)聚合物以及采用諸如熱處理、化學(xué)處理等方法來改善這些性能。這些方法需要額外的步驟和成本，從而也增加了制造時間。

表面紋理是零件功能的重要因素。在熔融沉積成型工藝中，表面粗糙度取決于熔融材料通過擠出噴嘴流動并在零件上逐層沉積的特定方式。擠出材料的特性也受到打印溫度和冷卻速度的強(qiáng)烈影響。在加工過程中的熱處理技術(shù)會重新加熱已沉積的材料層，并減緩新沉積材料層的冷卻速度。

#Photonixbay.02

熱處理改善沉積層間粘附性

依據(jù)ISO 527標(biāo)準(zhǔn)，精心設(shè)計并制造了符合ISO 527-2 type B的試樣。使用3D打印機(jī)進(jìn)行樣品制作，實驗選取了噴嘴直徑、零件溫度和打印方向三個關(guān)鍵因素，每個因素分別設(shè)置三個水平。其中，噴嘴直徑設(shè)為0.5mm、0.6mm、0.8mm；零件溫度包含無加熱、加熱平臺至50°C、局部加熱至80°C這三種情況；打印方向則涵蓋X、Y、Z三個方向。ISO 527-2 type 8 樣品(a)印刷方向；(b)樣品尺寸

#Photonixbay.03

表面粗糙度分析

對于表面粗糙度的測量，主要選取與構(gòu)建平臺高度一致的表面進(jìn)行。同時，為了更全面地了解表面粗糙度的特性，還對比了與構(gòu)建平臺平行表面的粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建平臺表面由于制造條件特殊，其粗糙度與其他表面存在較大差異。例如，簡單鋼化玻璃構(gòu)建平臺和涂覆微孔涂層構(gòu)建平臺的表面粗糙度不同，而且與構(gòu)建平臺相反的表面粗糙度高出很多，最高可達(dá)38倍。例如簡單鋼化玻璃平臺的Sq值為2.63μm，而與打印平臺相對的表面粗糙度最高，Sq值達(dá)到99.3μm。這一結(jié)果表明，打印平臺上的表面由于其特殊的打印條件（如較低的層高和打印速度）以及鋼化玻璃的光滑表面，具有更好的表面質(zhì)量。構(gòu)建平臺表面及相對表面的粗糙度值

#Photonixbay.04

噴嘴直徑

在分析各因素對表面粗糙度的影響時，發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑在構(gòu)建平臺高度恒定的情況下，對表面粗糙度的影響較小，變化幅度在2.81%以內(nèi)，粗糙度值通常在48-49.5μm范圍內(nèi)。不過，整體趨勢是隨著噴嘴直徑的增大，表面粗糙度有所增加。然而，對于與噴嘴垂直的平面，情況則相反，粗糙度會隨著噴嘴直徑的增大而減小。這是因為大直徑噴嘴擠出寬度增加，使得打印表面所需的層數(shù)減少。

表面粗糙度平均效應(yīng)的變化情況

#Photonixbay.05

溫度

溫度是影響表面粗糙度的關(guān)鍵因素。過程熱處理對表面粗糙度的影響十分顯著。當(dāng)僅使用構(gòu)建平臺溫度時，表面粗糙度變化為6.25%；而采用過程熱處理后，與無加熱的情況相比，表面粗糙度改善了63.17%。通過ANOVA分析可知，溫度是影響表面粗糙度的主要因素，其顯著性高達(dá)79.53%。

#Photonixbay.06

打印方向

打印方向對表面粗糙度也有一定影響。當(dāng)在X和Y方向打印時，表面粗糙度的變化幾乎可以忽略不計；但在Z方向打印時，表面粗糙度會增加8.19%。這一現(xiàn)象與零件尺寸以及所使用的3D打印機(jī)類型密切相關(guān)。實驗中使用的床式拋射型3D打印機(jī)，其構(gòu)建平臺在Y方向移動，這對薄高零件的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致Z方向打印時表面粗糙度增加。

#Photonixbay.07

垂直于噴嘴的平面表面

當(dāng)將表面粗糙度的結(jié)果與垂直于噴嘴的平面表面所獲得的值進(jìn)行比較時，又觀察到了另一個重要方面。如下圖所示，零件表面平行于和背離構(gòu)建平臺時，表面粗糙度隨噴嘴直徑變化的結(jié)果。

噴嘴直徑對測試樣品頂面粗糙度的影響

對于與構(gòu)建平臺高度表面一致的表面粗糙度結(jié)果相反，其值隨著噴嘴尺寸的增大而減小。這一現(xiàn)象的原因在于，隨著噴嘴直徑的增大，層間粘結(jié)點(diǎn)減少，并且取決于擠出寬度。隨著噴嘴直徑的增大，擠出寬度也會增大，從而打印一個表面所需的層數(shù)減少。

實驗數(shù)據(jù)表明，對于表面質(zhì)量要求較高的零件，如果考慮加工過程中的熱處理，前一層的溫度應(yīng)是需要仔細(xì)選擇的主要參數(shù)之一。使用加工過程中的熱處理時，表面粗糙度Sq參數(shù)提高了63.17%，并且在整個打印零件上大致保持恒定。在本研究考慮的特定打印條件下噴嘴直徑和打印方向參數(shù)對表面粗糙度沒有顯著影響。

#ME-PT3000

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

• 超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

• 提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

實驗結(jié)果表明，溫度是改善表面粗糙度的主導(dǎo)因素，而噴嘴直徑與打印方向的影響則相對有限。在數(shù)據(jù)獲取過程中，美能光子灣3D共聚焦顯微鏡憑借其亞微米級形貌分析能力，為表面粗糙度的精準(zhǔn)測量提供了可靠支持。該技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了實驗數(shù)據(jù)的可信度，也為增材制造領(lǐng)域的質(zhì)量控制與工藝改進(jìn)提供了重要的技術(shù)手段。未來，結(jié)合高精度測量與工藝參數(shù)優(yōu)化，有望進(jìn)一步推動增材制造技術(shù)在精密制造領(lǐng)域的深度應(yīng)用。