3D打印制件表面質量測試與對比分析

王 琛

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037)

3D打印作為一種新興的增材制造技術，與傳統(tǒng)減材制造技術不同，其是一種無需原胚和模具，可直接依據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，將成型材料逐層堆積，制造出任意形狀模型制件的快捷成型技術[1]。其打印成型的模型制件可直接應用于實際生產或實物裝配。因此，3D打印制件的表面質量決定了3D打印制件的表面效果和整體質量[2]。為了探究不同3D打印工藝制件的表面質量及其影響因素，本文選用3D打印各類工藝中常用的兩種工藝，熔融沉積(FDM)工藝和立體光固化(SLA)工藝[3]。通過制作L型實驗試件，對試件進行表面粗糙度測試，對比由兩種工藝制作試件的表面質量，參考實際輪廓圖分析影響制件表面質量的主要因素，為3D打印工藝的選用和3D打印制件表面質量的提高提供指導性依據(jù)。

1 表面質量評定參數(shù)

制件的表面粗糙度與制件的表面形狀誤差和表面波度有所區(qū)分[4]。當波距小于1 mm時，屬于表面粗糙度的范疇。制件表面粗糙度的好壞對制件的表面質量、美觀程度、使用性能都有非常重要的影響[5]。對于3D打印工藝制成的模型制件，其表面粗糙度值越小，制件的表面質量越高，模型的整體效果越美觀。為了精確描述制件表面的微觀形狀特征，國家標準規(guī)定了表面粗糙度相應的評定參數(shù)，包含幅度參數(shù)和間距參數(shù)。其中經常使用的是幅度參數(shù)，幅度參數(shù)中主要考量的指標為輪廓的算術平均差和輪廓的最大高度[6]。

輪廓的算術平均差如圖1所示。輪廓的算術平均差是指在一定取樣長度lr內，被測輪廓上各點至輪廓中線距離絕對值的算術平均值。

圖1 輪廓的算術平均差

輪廓的最大高度如圖2所示。輪廓的最大高度是指在一定取樣長度lr內，被測輪廓上最大輪廓峰高Rp和最大輪廓谷深Rv之和。

圖2 輪廓的最大高度

2 實驗測量部分

2.1 測量設備

為精確評定3D打印制件的表面粗糙度，本次測量使用的是TR-240型表面粗糙度測量儀。該型表面粗糙度測量儀適用范圍廣、精度高，可以測量多種機械加工工藝制成零件的表面粗糙度值，通過選定的測量條件即可獲得相應的測量參數(shù)。與PC機連接后，可以清晰地顯示出全部測量結果及實際表面輪廓圖，并可在軟件中進行數(shù)據(jù)輸出。

2.2 試件制備

為比較熔融沉積(FDM)工藝和立體光固化(SLA)工藝的表面質量，分別制作10組試件，通過表面粗糙度測量儀對10組試件的表面粗糙度進行測量。與其他機械加工工藝相比，3D打印快速成型工藝的缺點在于XOY平面方向上表面粗糙值較大以及Z軸方向上的臺階效應。因此，設計L型試件，該型試件能同時體現(xiàn)XOY平面方向和z軸方向的表面特征，同時該型試件可實現(xiàn)一次成型，避免了3D打印過程中其余加工因素的影響。L型試件的三維模型如圖3所示。

圖3 L型試件三維模型

通過UG軟件建立L型試件模型，以相同的切片精度，導出STL格式文件。將STL格式文件分別導入至3D打印設備的控制軟件中。本次實驗使用是3D pro型號的熔融沉積(FDM)3D打印機和Projet-5000型號的立體光固化(SLA)3D打印機，將各3D打印機的技術參數(shù)均調至高質量打印的參數(shù)范圍，主要技術參數(shù)見表1。

表1 3D打印機主要技術參數(shù)設置

2.3 測量過程

首先確定表面粗糙度測量儀已經通過串行數(shù)據(jù)線與電腦連接。調整探針傳感器的位置，使之在工作平臺垂直投影區(qū)域內[7-8]。隨后將需要測量的試件放置于工作平臺上，逆時針旋轉調節(jié)手柄，使探針傳感器與試件表面預接觸。繼續(xù)旋轉調節(jié)手柄，觀察探針傳感器接觸位置指示圖，當箭頭指示位置與0點重合停止旋轉，針位參數(shù)配置完成。

打開DataView 程序后，開始連機操作。DataView程序自動檢測PC機串行接口狀態(tài)。如果串行數(shù)據(jù)線連接無誤，DataView將自動建立與TR-240粗糙度測量儀的連接。

確定試件位置固定后，設備開始自動測量。DataView程序自動從TR-240表面粗糙度測量儀上讀取測量得到的表面粗糙度原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要進行濾波和計算，得到表面粗糙度評定參數(shù)和實際表面輪廓圖。重復上述操作，可以測得其余各組試件的表面粗糙度值。

3 表面粗糙度分析

對熔融沉積(FDM)和立體光固化(SLA)3D打印工藝制作的10組試件分別進行10次測量，測量得到試件的Ra和Rz參數(shù)，求得各參數(shù)的平均值并進行分析，各參數(shù)平均值見表2，選取其中1組試件的實際輪廓如圖4～7所示。

表2 各參數(shù)平均值

圖4 FDM工藝XOY平面方向實際輪廓圖

圖5 FDM工藝Z軸方向實際輪廓圖

圖6 SLA工藝XOY平面方向實際輪廓圖

圖7 SLA工藝Z軸方向實際輪廓圖

從表2中可以看出。相同取樣長度下，XOY平面方向上FDM工藝的輪廓最大高度平均值Ra為8.512 μm，SLA工藝的輪廓最大高度平均值Ra為2.597 μm。FDM工藝的輪廓最大高度平均值大于SLA工藝的輪廓最大高度平均值。因此，在XOY平面方向上，SLA工藝制件的表面粗糙度值更小，表面質量更高。原因在于SLA工藝設備采用的是光照成型打印機構，F(xiàn)DM工藝設備采用的是機械成型打印機構。SLA工藝設備的打印精度本身就高于FDM工藝設備的打印精度[9-10]。

同樣，從表2中可以看出。相同取樣長度下，Z軸方向上FDM工藝的輪廓最大高度平均值Ra為9.357 μm，SLA工藝的輪廓最大高度平均值Ra為1.989 μm。FDM工藝的輪廓最大高度平均值也大于SLA工藝的輪廓最大高度平均值。因此，在Z軸方向上，SLA工藝制件的表面粗糙度值更小，表面質量更高。原因在于FDM工藝打印過程中，由于是層層疊加成型的，其層高值較大，z軸方向臺階效應明顯。而SLA工藝打印過程中，由于是光照成型，其層高值較小，幾乎沒有臺階效應。

對輪廓最大高度值進行分析，F(xiàn)DM工藝的輪廓最大高度平均值Rz為40.160 μm，SLA工藝的輪廓最大高度平均值Rz為21.600 μm。比較可知，F(xiàn)DM工藝的輪廓最大高度平均值大于SLA工藝的輪廓最大高度平均值，可以推斷FDM工藝制件的表面質量不如SLA工藝制件的表面質量。

從圖4～7中可以看出，SLA工藝打印成型的制件，成型表面有微小的彎曲，平面度較差。相比較FDM工藝打印成型的制件成型表面平面度較高。原因主要與兩種工藝后處理方式的差異有關，SLA工藝的后處理過程需要通過高溫加熱的方法去除支撐材料，而高溫加熱過程對制件表面產生變形的影響，引起制件表面的彎曲。FDM工藝由于采用機械法去除支撐材料，去除支撐材料的過程對制件表面產生的影響較小。因此，從平面度角度對比分析，F(xiàn)DM工藝制件的表面效果更好。

分析表2中10組測量數(shù)據(jù)的平均Ra值，介于5～10 μm之間。平均Rz值也是介于8～63 μm之間。說明FDM工藝和SLA工藝成型制件的表面粗糙度均相當于機械加工中的半光精度，制件的表面質量較高，無需進行二次加工。

4 小結

3D打印制件的表面質量決定了3D打印制件的表面效果和整體質量。本文選用3D打印中常用的熔融沉積(FDM)工藝和立體光固化(SLA)工藝，制作L型實驗試件，測量出各試件的表面粗糙度評定參數(shù)與實際輪廓圖。對比并分析兩種3D打印工藝制件的表面質量及影響因素，為3D打印工藝的選用和3D打印制件表面質量的提高提供指導性依據(jù)。