评估使用车削作为MEX技术制造零件后处理方法的可能性

《Applied Sciences》：Assessment of the Possibility of Using Turning as a Post-Processing Method for Parts Manufactured by MEX Technology

　　

增材制造能够实现快速原型制造、复杂几何形状的生产以及生产成本的降低，这有助于其在工程中的广泛应用。尽管增材技术有许多优点，但在制造零件的尺寸和几何精度方面仍存在限制，特别是在MEX（材料挤出）技术中。本研究旨在探究使用减材加工（subtractive machining）作为后处理方法来提高3D打印零件精度的可能性。研究人员采用MEX方法使用指定的工艺参数制造圆柱形样品，然后进行车削（turning）。作为研究的一部分，在加工前后对直径和圆度偏差（roundness deviation, RONt）进行了分析。结果表明，车削后几何偏差明显减小，尺寸精度提高。研究结果表明，减材加工可以有效补偿增材制造过程固有的不准确性。车削过程使样品直径按预期减少了高达7.04%，同时根据打印取向和切削参数，几何精度得到提高，圆度误差（roundness error）减少了高达95.76%。因此，车削可用作MEX技术制造零件的最终加工方法。

论文解读：《评估使用车削作为MEX技术制造零件后处理方法的可能性》发表在《Applied Sciences》。

增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术如材料挤出（Material Extrusion, MEX）因快速原型和复杂几何制造能力在工程中广泛使用，但MEX零件存在显著的尺寸和几何精度限制，尤其是层间阶梯效应导致表面粗糙、形状偏差和公差超差，影响机械配合、密封性及美观性。现有后处理方法如化学处理虽改善表面质量但无法提高几何精度，而减材加工（如车削、铣削）的研究尚不充分，缺乏对加工余量、切削参数及打印取向影响的系统评估。因此，本研究旨在探究车削（turning）作为MEX技术制造零件后处理方法的可行性，以补偿增材制造过程固有的不准确性。

研究人员使用商业PLA（聚乳酸）丝材（MakerBot）通过MEX技术（MakerBot Sketch打印机）制造圆柱形样品，设置层高0.2 mm、喷嘴温度220°C、平台温度50°C、填充密度95%、六边形填充图案。样品分为水平打印组（A组，5件）和垂直打印组（B组，5件）。车削后处理在传统车床（TOP POR?BA 350）上进行，采用ISO SVJBR 2525刀杆和VBMT 160408 SW1 BP35A刀片（刀尖半径0.8 mm），切削参数：进给0.1 mm/rev，主轴转速500 rpm，切削速度47.1 m/min，切削深度（a_p）分别为0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm。测量方法包括：使用Zeiss PRISMO Navigator三坐标测量机（红宝石测球直径1.505 mm，连续扫描步长60 μm）测量直径和圆度偏差（RONt，依据ISO 12181-1，高斯滤波2–15 UPR）；使用KEYENCE VHX-X1数字光学显微镜观察表面形貌；使用Taylor Hobson Form Talysurf接触式轮廓仪（金刚石触针，速度0.5 mm/s）测量表面粗糙度Ra和Rz（依据ISO 21920-3:2021和ISO 21920-2:2021，高斯滤波，LS参考线）。

研究结果分为三个部分：
**3.1 直径测量**：通过对比加工前后直径，发现车削后直径系统减小，水平打印组（A组）平均直径从29.62 mm降至28.00 mm（a_p=1.0 mm），减小5.47%；垂直打印组（B组）从30.12 mm降至28.00 mm，减小7.04%。A组初始直径偏小（低于名义尺寸1.27%），B组偏大（高于名义尺寸0.40%），表明打印取向影响初始尺寸精度。
**3.2 圆度偏差测量**：车削后圆度偏差（RONt）显著降低。A组平均RONt从0.401 mm降至0.017 mm（a_p=1.0 mm），改善95.76%；B组从0.121 mm降至0.013 mm（a_p=0.3 mm），改善89.26%。A组初始偏差更高（因水平打印阶梯效应），车削后改善幅度更大。B组在a_p=1.0 mm时出现异常（样品B4因切屑形成凹口导致RONt升高），表明局部缺陷可能影响结果。
**3.3 表面粗糙度参数分析**：车削后表面粗糙度Ra和Rz值随打印取向和切削深度变化。A组最低平均Ra为2.037 μm（a_p=0.5 mm），最低平均Rz为12.944 μm（a_p=1.0 mm）；B组最低平均Ra为1.880 μm（a_p=0.5 mm），最低平均Rz为10.561 μm（a_p=0.5 mm）。总体而言，垂直打印样品表面粗糙度更优，但切削深度影响显著。

讨论部分总结：车削有效补偿了MEX工艺引起的取向依赖性尺寸误差，使不同打印取向的样品在加工后尺寸趋于一致；但PLA的热塑性导致切削区局部热软化可能产生凹口或毛刺，影响圆度测量；材料去除量需谨慎控制以避免暴露内部填充结构导致力学性能下降。研究结论翻译如下：
**5. 结论**
实验分析评估了MEX工艺中打印取向和加工参数对圆柱PLA样品尺寸与几何精度的影响。结果表明，增加切削深度通常改善尺寸精度，而圆度改善取决于打印取向和局部加工缺陷。尺寸精度改善最大出现在最高切削深度（a_p=1.0 mm），而最低平均圆度偏差出现在A组a_p=1.0 mm和B组a_p=0.3 mm。应用车削作为后处理操作改善了MEX技术制造零件的尺寸和几何精度，但本研究仅限于尺寸和圆度偏差评估，结果应视为车削作为MEX/PLA圆柱零件后处理方法潜力的初步验证。车削PLA零件可能导致表面产生毛刺和凹口，对几何精度（尤其是圆度偏差）产生不利影响。打印取向影响初始几何精度，A组（水平打印）因更明显的阶梯效应显示出比B组（垂直打印）更高的圆度偏差。Ra和Rz参数分析表明，加工条件（包括切削深度和样品取向）的选择对控制MEX制造PLA零件车削后的表面粗糙度起重要作用。需要进一步研究以将减材加工作为后处理方法应用于增材制造零件，未来研究将扩展至其他聚合物材料和金属增材制造零件，并综合评估表面粗糙度、表面形貌、加工后结构完整性及统计显著性，同时研究切削温度和切削液的影响。