基于Taguchi方法和数据驱动的FDM打印聚合物表面粗糙度与润湿性评估

《Micromachines》：A Taguchi-Based and Data-Driven Assessment of Surface Roughness and Wettability in FDM-Printed Polymers Mehmet Alba?kara and Eyyup Ger?ekcio?lu

　　

熔融沉积成型（FDM）能够快速灵活地生产聚合物基部件；然而，由于增材制造的本质，它会产生独特的微尺度表面结构。这些微尺度表面形貌直接影响部件的功能特性，如表面粗糙度和润湿性。在这项研究中，研究人员通过改变层厚、打印方向和填充密度，研究了通过FDM打印的PLA、PETG和ABS样品的表面粗糙度和接触角（CA）行为。实验设计采用Taguchi L16正交阵列。表面粗糙度通过光学轮廓仪测定，润湿性通过静态接触角测试测量。表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）和三维表面分析进行辅助。研究结果表明，表面粗糙度主要取决于层厚，而润湿性更受打印方向的影响，打印方向决定了表面的各向异性。开发的人工神经网络（ANN）模型成功预测了表面粗糙度和接触角输出的趋势。这项研究揭示了FDM过程中形成的微尺度表面对功能表面行为的影响，为开发面向微机械、微流控和生物医学应用的可设计表面提供了基础框架。

**研究背景**
增材制造技术，尤其是熔融沉积成型（FDM），因其成本效益高、几何灵活性好以及能处理多种热塑性材料而在工业界和学术界备受关注。FDM部件的表面性能（如表面粗糙度和润湿性）对其在生物医学、微流控、结构、汽车和航空航天等领域的应用至关重要。表面粗糙度受层高、打印方向等参数显著影响，同时根据Wenzel和Cassie-Baxter模型，微观粗糙度会改变液体扩散行为，从而影响润湿性。润湿性决定了表面的亲水或疏水特性，直接影响细胞粘附、微流控中的流动控制或自清洁表面等功能。尽管已有文献研究了FDM部件的表面粗糙度和润湿性，但系统性地在同一实验框架内考察不同聚合物类型（PLA、PETG、ABS）下这两个参数及其微结构成因的研究仍然有限。为此，研究人员开展本研究，旨在揭示材料类型和工艺参数对表面性能的影响，并为应用提供优化建议。该论文发表在《Micromachines》。

**关键技术与方法**
研究人员选用Beta品牌直径1.75 mm的PLA、PETG和ABS三种常用FDM材料。采用Taguchi L16正交阵列设计实验，涵盖四种层高（0.12–0.21 mm）、四种打印方向（0°、15°、30°、45°）和四种填充密度（20%–50%），共48个实验组合（每种材料16组）。使用Flashforge Adventurer 5M Pro打印机（产地：香港San Po Kong）制备15×15 mm样品。表面粗糙度采用Nanovea S400光学轮廓仪（非接触式）测量，获取Sa值（算术平均高度）。润湿性通过Attension Theta Lite接触角仪以去离子水（5 μL）进行静态接触角测试。表面形貌通过Zeiss Gemini LEO 1430 VP扫描电子显微镜（SEM）和三维表面分析辅助。开发人工神经网络（ANN）模型（MATLAB 2025b，feedforward回归模型），采用Bayesian Regularization（trainbr）算法防止过拟合，Tansig和purelin激活函数，5折交叉验证确定最佳架构。

**研究结果**
**3.1 PLA样品结果**
表面粗糙度（SR）和接触角（CA）结果（表3）表明，SR主要受层高影响（ANOVA中p<0.05），层高增加使阶梯效应更明显，SR增大。打印方向影响表面形貌，0°和15°时SR较低，30°和45°时较高。CA受打印方向显著影响（ANOVA中p<0.05），0°时CA最高，30°时下降。填充密度对SR和CA无主导作用。通过S/N比确定SR最优参数为层高0.12 mm、打印方向0°、填充密度30%。实现亲水性的最优参数为层高0.12 mm、打印方向30°、填充密度50%；实现疏水性的最优参数为层高0.21 mm、打印方向0°、填充密度40%。

**3.2 PETG样品结果**
PETG的SR（9.6–24.4 μm）和CA（42.9°–89.9°）关系非线性（表6）。层高对SR影响最大（ANOVA，表7），最优SR参数为层高0.12 mm、打印方向0°、填充密度50%。CA的唯一有效参数为打印方向（ANOVA，表8）。亲水性最优参数为层高0.21 mm、打印方向30°、填充密度20%；疏水性最优参数为层高0.12 mm、打印方向0°、填充密度50%。研究依据Cassie-Baxter和Wenzel模型解释：适度粗糙度形成气穴增强疏水性，过度粗糙度则使液体渗入空隙导致亲水。

**3.3 ABS样品结果**
ABS的SR（9.7–23.8 μm）和CA（53.8°–88.3°）受层高和打印方向共同影响（表9、表10）。与PLA和PETG不同，ABS中打印方向也显著影响SR（ANOVA中p<0.05），归因于ABS的高热收缩和冷却敏感性。SR最优参数为层高0.12 mm、打印方向0°、填充密度20%。CA仅受打印方向影响（ANOVA，表11），亲水性最优为层高0.12 mm、打印方向30°、填充密度20%；疏水性最优为层高0.21 mm、打印方向0°、填充密度30%。所有材料中，水平打印方向（0°）增强疏水性，倾斜打印方向（30°）增强亲水性。

**3.4 机器学习预测**
ANN模型（表12）对SR的预测性能：RMSE=2.14，MAE=1.63，R²=0.83，MAPE=10.75%；对CA的预测：RMSE=5.9，MAE=4.4，R²=0.76，MAPE=7.1%。模型能捕捉SR和CA的整体趋势，但对极端值和材料特异性变化有平滑效应。预测值与实验值对比（表13、表14）显示，模型在中等CA范围一致性较好，在低和高CA区域偏差增大。

**3.5 表面形貌**
SEM图像（图11a）显示FDM打印PLA样品表面具有明显、规则的层状图案，三维表面轮廓（图11b）确认了沿丝材线的峰-谷结构。表面高度变化（图11c）表明0.12 mm层高下周期性起伏一致。ANOVA和SEM共同证实层高是决定表面结构的主要因素。接触角测量最高值94.09°（疏水）和最低值42.86°（亲水）显示约50°的差异，表明润湿性强烈依赖于丝材类型和工艺参数（图12）。

**3.6 材料比较**
PLA的CA范围54.6°–94.1°，分布最广，对参数敏感；PETG的CA范围42.9°–89.9°，最低值最小，可表现更亲水；ABS的CA范围53.8°–88.3°，居中。三种材料在相似打印参数下呈现不同CA范围，证实润湿性受表面形貌和材料固有表面能共同控制，而非仅由粗糙度决定。

**总结讨论**
本研究系统地评估了丝材类型和打印参数对FDM打印部件表面粗糙度和润湿性的影响。结论包括：
- FDM打印样品的接触角值因丝材类型而显著变化：PLA为54.6°–94.1°，PETG为42.9°–89.9°，ABS为53.8°–88.3°，证实材料依赖的表面化学对润湿性有强烈影响。
- 即使在可比打印条件和相似表面形貌下，不同聚合物表现出不同的润湿行为，表明润湿性由表面形貌和材料固有表面能共同作用决定，而非仅由粗糙度决定。
- PETG表现出最低接触角最小值（42.9°），在特定参数组合下显示最强亲水倾向；PLA达到最高接触角（94.1°），显示最强疏水响应。
- 接触角变化范围超过50°，突显通过材料选择和工艺参数控制可显著调节表面润湿性。

尽管ANN模型在不同材料和参数组合下展现出成功预测性能，但其对其他材料和扩展参数的适用性受限于数据驱动模型对训练数据集的依赖。研究结果表明，通过生产参数可在微尺度上受控设计FDM聚合物部件的表面功能性。