3D打印制件表面质量测试与对比分析

王 琛

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

3D打印作为一种新兴的增材制造技术，与传统减材制造技术不同，其是一种无需原胚和模具，可直接依据计算机图形数据，将成型材料逐层堆积，制造出任意形状模型制件的快捷成型技术[1]。其打印成型的模型制件可直接应用于实际生产或实物装配。因此，3D打印制件的表面质量决定了3D打印制件的表面效果和整体质量[2]。为了探究不同3D打印工艺制件的表面质量及其影响因素，本文选用3D打印各类工艺中常用的两种工艺，熔融沉积(FDM)工艺和立体光固化(SLA)工艺[3]。通过制作L型实验试件，对试件进行表面粗糙度测试，对比由两种工艺制作试件的表面质量，参考实际轮廓图分析影响制件表面质量的主要因素，为3D打印工艺的选用和3D打印制件表面质量的提高提供指导性依据。

1 表面质量评定参数

制件的表面粗糙度与制件的表面形状误差和表面波度有所区分[4]。当波距小于1 mm时，属于表面粗糙度的范畴。制件表面粗糙度的好坏对制件的表面质量、美观程度、使用性能都有非常重要的影响[5]。对于3D打印工艺制成的模型制件，其表面粗糙度值越小，制件的表面质量越高，模型的整体效果越美观。为了精确描述制件表面的微观形状特征，国家标准规定了表面粗糙度相应的评定参数，包含幅度参数和间距参数。其中经常使用的是幅度参数，幅度参数中主要考量的指标为轮廓的算术平均差和轮廓的最大高度[6]。

轮廓的算术平均差如图1所示。轮廓的算术平均差是指在一定取样长度lr内，被测轮廓上各点至轮廓中线距离绝对值的算术平均值。

图1 轮廓的算术平均差

轮廓的最大高度如图2所示。轮廓的最大高度是指在一定取样长度lr内，被测轮廓上最大轮廓峰高Rp和最大轮廓谷深Rv之和。

图2 轮廓的最大高度

2 实验测量部分

2.1 测量设备

为精确评定3D打印制件的表面粗糙度，本次测量使用的是TR-240型表面粗糙度测量仪。该型表面粗糙度测量仪适用范围广、精度高，可以测量多种机械加工工艺制成零件的表面粗糙度值，通过选定的测量条件即可获得相应的测量参数。与PC机连接后，可以清晰地显示出全部测量结果及实际表面轮廓图，并可在软件中进行数据输出。

2.2 试件制备

为比较熔融沉积(FDM)工艺和立体光固化(SLA)工艺的表面质量，分别制作10组试件，通过表面粗糙度测量仪对10组试件的表面粗糙度进行测量。与其他机械加工工艺相比，3D打印快速成型工艺的缺点在于XOY平面方向上表面粗糙值较大以及Z轴方向上的台阶效应。因此，设计L型试件，该型试件能同时体现XOY平面方向和z轴方向的表面特征，同时该型试件可实现一次成型，避免了3D打印过程中其余加工因素的影响。L型试件的三维模型如图3所示。

图3 L型试件三维模型

通过UG软件建立L型试件模型，以相同的切片精度，导出STL格式文件。将STL格式文件分别导入至3D打印设备的控制软件中。本次实验使用是3D pro型号的熔融沉积(FDM)3D打印机和Projet-5000型号的立体光固化(SLA)3D打印机，将各3D打印机的技术参数均调至高质量打印的参数范围，主要技术参数见表1。

表1 3D打印机主要技术参数设置

2.3 测量过程

首先确定表面粗糙度测量仪已经通过串行数据线与电脑连接。调整探针传感器的位置，使之在工作平台垂直投影区域内[7-8]。随后将需要测量的试件放置于工作平台上，逆时针旋转调节手柄，使探针传感器与试件表面预接触。继续旋转调节手柄，观察探针传感器接触位置指示图，当箭头指示位置与0点重合停止旋转，针位参数配置完成。

打开DataView 程序后，开始连机操作。DataView程序自动检测PC机串行接口状态。如果串行数据线连接无误，DataView将自动建立与TR-240粗糙度测量仪的连接。

确定试件位置固定后，设备开始自动测量。DataView程序自动从TR-240表面粗糙度测量仪上读取测量得到的表面粗糙度原始数据，并根据需要进行滤波和计算，得到表面粗糙度评定参数和实际表面轮廓图。重复上述操作，可以测得其余各组试件的表面粗糙度值。

3 表面粗糙度分析

对熔融沉积(FDM)和立体光固化(SLA)3D打印工艺制作的10组试件分别进行10次测量，测量得到试件的Ra和Rz参数，求得各参数的平均值并进行分析，各参数平均值见表2，选取其中1组试件的实际轮廓如图4～7所示。

表2 各参数平均值

图4 FDM工艺XOY平面方向实际轮廓图

图5 FDM工艺Z轴方向实际轮廓图

图6 SLA工艺XOY平面方向实际轮廓图

图7 SLA工艺Z轴方向实际轮廓图

从表2中可以看出。相同取样长度下，XOY平面方向上FDM工艺的轮廓最大高度平均值Ra为8.512 μm，SLA工艺的轮廓最大高度平均值Ra为2.597 μm。FDM工艺的轮廓最大高度平均值大于SLA工艺的轮廓最大高度平均值。因此，在XOY平面方向上，SLA工艺制件的表面粗糙度值更小，表面质量更高。原因在于SLA工艺设备采用的是光照成型打印机构，FDM工艺设备采用的是机械成型打印机构。SLA工艺设备的打印精度本身就高于FDM工艺设备的打印精度[9-10]。

同样，从表2中可以看出。相同取样长度下，Z轴方向上FDM工艺的轮廓最大高度平均值Ra为9.357 μm，SLA工艺的轮廓最大高度平均值Ra为1.989 μm。FDM工艺的轮廓最大高度平均值也大于SLA工艺的轮廓最大高度平均值。因此，在Z轴方向上，SLA工艺制件的表面粗糙度值更小，表面质量更高。原因在于FDM工艺打印过程中，由于是层层叠加成型的，其层高值较大，z轴方向台阶效应明显。而SLA工艺打印过程中，由于是光照成型，其层高值较小，几乎没有台阶效应。

对轮廓最大高度值进行分析，FDM工艺的轮廓最大高度平均值Rz为40.160 μm，SLA工艺的轮廓最大高度平均值Rz为21.600 μm。比较可知，FDM工艺的轮廓最大高度平均值大于SLA工艺的轮廓最大高度平均值，可以推断FDM工艺制件的表面质量不如SLA工艺制件的表面质量。

从图4～7中可以看出，SLA工艺打印成型的制件，成型表面有微小的弯曲，平面度较差。相比较FDM工艺打印成型的制件成型表面平面度较高。原因主要与两种工艺后处理方式的差异有关，SLA工艺的后处理过程需要通过高温加热的方法去除支撑材料，而高温加热过程对制件表面产生变形的影响，引起制件表面的弯曲。FDM工艺由于采用机械法去除支撑材料，去除支撑材料的过程对制件表面产生的影响较小。因此，从平面度角度对比分析，FDM工艺制件的表面效果更好。

分析表2中10组测量数据的平均Ra值，介于5～10 μm之间。平均Rz值也是介于8～63 μm之间。说明FDM工艺和SLA工艺成型制件的表面粗糙度均相当于机械加工中的半光精度，制件的表面质量较高，无需进行二次加工。

4 小结

3D打印制件的表面质量决定了3D打印制件的表面效果和整体质量。本文选用3D打印中常用的熔融沉积(FDM)工艺和立体光固化(SLA)工艺，制作L型实验试件，测量出各试件的表面粗糙度评定参数与实际轮廓图。对比并分析两种3D打印工艺制件的表面质量及影响因素，为3D打印工艺的选用和3D打印制件表面质量的提高提供指导性依据。