金属3D打印能达到怎样的尺寸精度与表面光洁度？

从制造与工程的角度来看，金属3D打印（尤其是DMLS/SLM等粉末床熔融技术）的尺寸精度与表面光洁度，是决定其适用领域的关键性能指标。需要明确的是，“打印态”仅代表基准状态，要实现最终工程级公差，几乎总是需要配合后处理工艺。

打印态零件的尺寸精度

金属3D打印零件的尺寸精度，是指其测量尺寸与设计CAD模型的接近程度。对于DMLS，其典型精度为±0.1 mm至±0.2%（取较大值），主要适用于X-Y平面上的关键特征。Z轴（构建方向）上的精度通常略低。

• 影响因素：

  • 工艺参数： 激光功率、扫描速度及扫描间距。

  • 零件几何结构： 薄壁及悬垂结构容易因残余应力而变形。

  • 材料： 不同合金（如铝合金6061与Inconel 718）的热膨胀系数与熔化特性不同。

  • 后处理： 应力消除与热处理（如热处理及HIP）可能引起微小尺寸偏移。

• 与传统工艺比较： 打印态精度通常低于CNC机加工，后者可稳定达到±0.025 mm甚至更高精度。

通过混合制造实现高精度公差

对于需高精度配合面、轴承座或螺纹连接的部件，单纯的打印精度无法满足要求，因此混合制造成为关键方案。

• 二次CNC加工： 对关键特征预留加工余量，通过精密加工方式，如CNC铣削或CNC车削，加工至严格公差。这种方式结合了DMLS的几何自由度与CNC的尺寸精度。

• 实际可达公差： 采用此方法后，可在关键特征上实现±0.025 mm至±0.05 mm（IT7–IT9级）公差，满足航空航天及医疗器械等高要求应用。

打印态零件的表面光洁度

DMLS打印态零件的表面通常较粗糙，因熔融粉末颗粒的堆积而形成。其典型表面粗糙度范围为Ra 10–25 μm（400–1000 μin）。

• 粗糙原因：

  • 部分烧结颗粒： 细粉末颗粒附着于熔池边缘。

  • “阶梯效应”： 分层打印在曲面与倾斜面上形成阶梯纹理。

  • 支撑结构痕迹： 支撑与零件接触点会留下瑕疵。

• 功能影响： 此类粗糙表面不适用于轴承配合面、流体密封面或疲劳关键部件，因为粗糙度会成为应力集中点。

通过后处理提升表面光洁度

后处理是提升表面质量的关键环节，不同工艺具有不同效果：

• 喷砂处理： 喷砂是常见的第一步，可清理表面并降低峰值粗糙度，表面粗糙度可达Ra 4–8 μm，形成均匀亚光效果。

• 滚光处理： 滚筒抛光（Tumbling）适用于倒角、去毛刺、表面均化，粗糙度可改善至Ra 1–4 μm。

• 磨料流加工（AFM）： 适合抛光内部通道或复杂几何结构，其他方法难以触及之处。

• 电解抛光： 通过电化学溶解去除表层材料，可显著改善表面平滑度。电解抛光可将表面粗糙度提升至Ra 0.2–0.8 μm，并增强耐腐蚀性。

• CNC磨削/精加工： 对于关键平面或圆柱表面，传统CNC磨削或机加工仍是实现最佳表面质量的方式，可达Ra 0.4 μm或更好，相当于高品质机加工表面。

可实现性能汇总

工程设计指南

1. 为工艺设计： 设计时应考虑打印态的局限，避免在难以加工的内部表面设定关键公差。

2. 明确关键特征： 明确标注需严格公差或高光洁度的表面，以便预留机加工余量。

3. 整体流程思维： 高精度零件的最优生产路径通常是结合3D打印制造近净形，再通过CNC加工实现最终精度。