近年來(lái)，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(wèn)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(duì)表面質(zhì)量的影響，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，結(jié)合高精度測(cè)量工具——美能光子灣3D共聚焦顯微鏡，對(duì)制件表面形貌及粗糙度進(jìn)行量化評(píng)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(jià)的。

由于制造過(guò)程會(huì)導(dǎo)致零件的機(jī)械和熱性能較低，通過(guò)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(lái)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(shí)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(guò)擠出噴嘴流動(dòng)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(guò)程中的熱處理技術(shù)會(huì)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(jì)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(shí)驗(yàn)選取了噴嘴直徑、零件溫度和打印方向三個(gè)關(guān)鍵因素，每個(gè)因素分別設(shè)置三個(gè)水平。其中，噴嘴直徑設(shè)為0.5mm、0.6mm、0.8mm；零件溫度包含無(wú)加熱、加熱平臺(tái)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(gè)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(duì)于表面粗糙度的測(cè)量，主要選取與構(gòu)建平臺(tái)高度一致的表面進(jìn)行。同時(shí)，為了更全面地了解表面粗糙度的特性，還對(duì)比了與構(gòu)建平臺(tái)平行表面的粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建平臺(tái)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(jiǎn)單鋼化玻璃構(gòu)建平臺(tái)和涂覆微孔涂層構(gòu)建平臺(tái)的表面粗糙度不同，而且與構(gòu)建平臺(tái)相反的表面粗糙度高出很多，最高可達(dá)38倍。例如簡(jiǎn)單鋼化玻璃平臺(tái)的Sq值為2.63μm，而與打印平臺(tái)相對(duì)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(tái)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(tái)表面及相對(duì)表面的粗糙度值

#Photonixbay.04

噴嘴直徑

在分析各因素對(duì)表面粗糙度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴嘴直徑在構(gòu)建平臺(tái)高度恒定的情況下，對(duì)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(guò)，整體趨勢(shì)是隨著噴嘴直徑的增大，表面粗糙度有所增加。然而，對(duì)于與噴嘴垂直的平面，情況則相反，粗糙度會(huì)隨著噴嘴直徑的增大而減小。這是因?yàn)榇笾睆絿娮鞌D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(guò)程熱處理對(duì)表面粗糙度的影響十分顯著。當(dāng)僅使用構(gòu)建平臺(tái)溫度時(shí)，表面粗糙度變化為6.25%；而采用過(guò)程熱處理后，與無(wú)加熱的情況相比，表面粗糙度改善了63.17%。通過(guò)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(duì)表面粗糙度也有一定影響。當(dāng)在X和Y方向打印時(shí)，表面粗糙度的變化幾乎可以忽略不計(jì)；但在Z方向打印時(shí)，表面粗糙度會(huì)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(shí)驗(yàn)中使用的床式拋射型3D打印機(jī)，其構(gòu)建平臺(tái)在Y方向移動(dòng)，這對(duì)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(shí)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(shí)，又觀察到了另一個(gè)重要方面。如下圖所示，零件表面平行于和背離構(gòu)建平臺(tái)時(shí)，表面粗糙度隨噴嘴直徑變化的結(jié)果。

噴嘴直徑對(duì)測(cè)試樣品頂面粗糙度的影響

對(duì)于與構(gòu)建平臺(tái)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(huì)增大，從而打印一個(gè)表面所需的層數(shù)減少。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)于表面質(zhì)量要求較高的零件，如果考慮加工過(guò)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(guò)程中的熱處理時(shí)，表面粗糙度Sq參數(shù)提高了63.17%，并且在整個(gè)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(duì)表面粗糙度沒(méi)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(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測(cè)量場(chǎng)景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)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(jì)

• 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(shí)驗(yàn)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(duì)有限。在數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中，美能光子灣3D共聚焦顯微鏡憑借其亞微米級(jí)形貌分析能力，為表面粗糙度的精準(zhǔn)測(cè)量提供了可靠支持。該技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了實(shí)驗(yàn)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(lái)，結(jié)合高精度測(cè)量與工藝參數(shù)優(yōu)化，有望進(jìn)一步推動(dòng)增材制造技術(shù)在精密制造領(lǐng)域的深度應(yīng)用。