在众多增材制造应用中，3D 打印部件的表面光洁度是与功能性能同等重要的考虑因素。然而，除了主观的视觉评估与对比外，关于不同技术和品牌的 3D 打印机之间在表面光洁度上的量化差异，行业一直缺乏详实的数据支撑。

造成这一数据空白的原因在于，表面光洁度的优劣往往难以归因于单一变量 — 通常是打印机、材料、定向和后处理方法共同作用的结果。

本白皮书试图通过设置对四种不同 3D 打印机和不同后处理标准的表面光洁度进行定量对比，来弥补这一不足。所选的四种技术，对应终端生产制造领域最主流的四款 3D 打印机：

• Formlabs Fuse 系列选择性激光烧结 (SLS) 打印机，采用 Nylon 12 Powder 以及介质喷砂（标准）和抛光（额外）两种后处理方法

• EOS 选择性激光烧结 (SLS) 打印机，采用 Nylon 12 Powder 和介质喷砂（标准）和抛光（额外）两种后处理方法

• HP 5600 系列多射流熔融 (MJF) 打印机，采用 Nylon 12 Powder 和介质喷砂（标准）和抛光（额外）两种后处理方法

• Formlabs Form 4 立体光固化成型 (SLA) 打印机，采用 Tough 2000 Resin 和 Form Wash 和 Form Cure（标准）后处理方法

每种技术所选用的材料都是终端消费品最常用的材料，也是相互之间最具可比性的材料。

决定表面光洁度的关键因素在于后处理的程度或方法，而非单纯依赖所选择的技术。在“标准”后处理条件下（即粉末床熔融技术采用介质喷砂，树脂技术采用清洗与固化），树脂 3D 打印机的表面光洁度最高，而 EOS SLS 打印机生产的部件表面粗糙度最高。而额外的后处理，如滚磨或 Fuse Blast Polishing System (Fuse Polish) 显著改善了 SLS 和 MJF 部件，其中经 Fuse Polish 抛光处理后的部件，其表面光洁度已非常接近 SLA 部件的水平，仅略有差距。下表和下图显示了具体测试结果，其中 Ra 值越低，表面越光滑。

对于 3D 打印部件，通常仅凭视觉评估即可判断其表面光洁度是否满足预期用途的标准。不过，若需在多台打印机、多次打印中确定特定技术的平均性能表现，测量表面粗糙度的数据则显得尤为关键。

表面光洁度和表面粗糙度通常可以互换使用。特别是对于采用粉末床熔融技术生产的部件而言，表面粗糙度是判断一种技术能否生产出“高质量”表面处理效果的核心指标。

目前，测量表面粗糙度最常用的方法是使用表面轮廓仪（也称为接触式轮廓仪）。该方法通过将探针紧贴被测表面并在直线上匀速拉动，随着探针随表面起伏上下移动，从而勾勒出表面轮廓。

系统会根据探针采集的数据进行计算，得出 Ra 和 Rz 两个关键值。

• Ra 是测量表面沿该线的平均偏差。
• Rz 是峰值（直线上的高点）和谷值（直线上的低点）之间最大差值的测量值。 

本研究还采用了其他三种确定表面粗糙度的方法：光学轮廓测量法、高对比度摄影法和扫描电子显微镜法。虽然本文的主要结果来自表面轮廓仪的读数，但这些补充测量结果也包含在详细信息结果中，为分析提供了进一步的背景佐证与实证支持。

本次研究甄选的四款打印机，均定位于工业级或成品制造应用，而非快速原型制造或工厂车间的按需夹具和固定装置生产。

Fuse 1+ 30W 打印机是目前应用最广泛的粉末床熔融技术打印机，占全球粉末床打印机销量的一半以上。这款工业级产品以极高的性价比和易用性著称：完整的生态圈成本约为 5 万美元，占地面积仅需约 100 平方英尺（约 10 平方米）。另外两款最常用的粉末床熔融 3D 打印机分别是 HP MJF 系列和 EOS SLS 打印机。这两种方案的成本通常在 20 万至 50 万美元之间，不仅需要庞大的基础设施配套，而且占用空间大。

从技术原理来看，MJF 技术利用熔剂和辐射热将粉末颗粒熔合在一起，而 SLS 技术则依靠高功率激光熔化并熔结粉末颗粒。MJF 技术是惠普 (HP) 的独家专利技术，而 SLS 3D 打印机则有多家厂商可供选择，比如 Formlabs 和 EOS。

本研究的第四款打印机是 Formlabs 的 Form 4 SLA 桌面级 3D 打印机。尽管其工艺原理与上述三款粉末床技术截然不同，但 Form 4 部件同样广泛应用于成品制造，其表面光洁度常被视为最接近注射成型塑料的标杆。

由于 Formlabs 并不是 EOS 和 HP 打印机的运营商，本次测试中的部件均委托自业内知名的外部服务机构在相应的机器上进行打印，并严格按照官方指导进行后处理后，运送回 Formlabs 进行统一分析。

针对本次评估的四种技术，我们均选用了各自在成品制造领域最主流的材料。对于每种材料，每个部件打印完成后均分别进行了“标准”和“额外”两级后处理。这些工序均严格遵循各制造商针对其材料推荐的后处理流程。

Fuse 系列 Nylon 12 Powder：

• 标准 - 使用 Form Blast 自动进行介质喷砂

• 额外 - 使用 Fuse Polish 自动进行抛光

EOS P396 PA2200 Nylon 12 Powder：

• 标准 - 手动介质喷砂，去除松散粉末

• 额外 - 振动滚磨

HP Jet Fusion PA12：

• 标准 - 除粉和介质喷砂，去除粉末

• 额外 - 振动滚磨

Form 4 Tough 2000 Resin：

• 标准 - 使用 Form Wash 和 Form Cure 进行清洗和固化

• 额外 - 没有额外的 SLA 后处理推荐标准

为了采集具有代表性的数据，测试部件的选择至关重要。影响 3D 打印部件表面光洁度的因素错综复杂，主要包括：

• 定向

• 支撑

• 曲面特征/阶梯效应

• 特定几何形状（如极薄壁或销）

• 后处理方法

• 打印缺陷

本研究选用的制动钳模型，在每个主要平面均包含大面积平坦平面、四个倾斜平面以及多个斜面，所有这些表面的尺寸均足以采集到高质量数据。同时，保持部件在每台打印机上的定向一致，可以保证不同的特征能够按需分辨。

三款粉末床技术（Fuse 系列、EOS、HP）打印机均使用 Nylon 12 Powder——这是 SLS/MJF 工艺中最常用的材料。而 Form 4 SLA 打印机则使用了 Formlabs 的专有材料 Tough 2000 Resin。由于两者应用场景高度重叠，这使得树脂件与尼龙件的对比具备了极强的参考价值。

Fuse 系列和 Form 4 部件由 Formlabs 公司内部打印并完成后处理，而 HP 和 EOS 部件则由 3DPX 和 Materialise 公司负责打印与后处理。

以下结果详细说明了部件在经过制造商推荐的“标准”表面后处理工艺后的对比情况。在无需额外的后处理的情况下，SLA 打印部件的光滑度明显高于 SLS 和 MJF 打印部件。MJF 部件次之，优于 SLS 打印部件；两种 SLS 技术（EOS 和 Formlabs Fuse 1+ 30W）的平均结果相对接近。当然，这一数据会因具体的表面及其定向而有所不同。例如，在垂直定向的平面 S1 上，每种材料显示的差异更为明显，Fuse 1+ 30W 的性能表现远远超过 EOS，在质量上更接近 MJF 部件。

仔细观察下图，可以看到表面后处理的几个关键点。尤其是曲面，清晰展现了打印过程中产生的阶梯效应。其中大多数情况下表现为 100µm 级的阶梯状纹理，部分区域则平滑过渡。另一方面，正对摄像头的平面展示了垂直定向表面的状态。Tough 2000 Resin 部件表面看起来近乎玻璃般光滑，而 EOS 和 Fuse 系列表面则可见明显的粗糙颗粒，HP 部件则介于两者之间，表面呈现出类似织物的纹理质感。

以下结果详细说明了部件经过额外表面后处理工艺的对比情况。虽然 Fuse 1+ 30W 采用内部打印，与外包给服务机构的部件有所不同，但这些均代表了在表面光洁度为关键指标时的行业通用处理方法。

• Fuse 系列 SLS 部件：使用 Formlabs 的 Fuse Blast Polishing System 自动进行抛光

• 外包的 EOS 部件：振动滚磨

• 外包的 HP 部件：振动滚磨

• Form 4 SLA 部件：由于部件在标准处理后已非常光滑，因此不建议进行额外的表面后处理

显而易见，后处理对平均表面光洁度的影响有多大 — 经抛光程序处理后，Fuse 1+ 30W 打印 Nylon 12 Powder 的光洁度大幅提高，几乎可与 HP PA12 部件相当。

下文展示了三种粉末床技术（Fuse 系列、EOS 和 HP）的部件在经过“额外”后处理前后的对比。由于 SLA 3D 打印部件没有进行“额外”的后处理，故不作对比展示。

以下是每种测量材料的详细信息。其中包括用于视觉参考的部件全尺寸图像、用于更细致地观察部件的高分辨率部件特写、每个部件的最佳和最差测量值表、SEM 图像（如有）或光学显微镜图像（若无 SEM 图像），以及沿部件表面的轮廓曲线。请注意，对于表面轮廓，红蓝标尺范围保持一致：即距离平均高度 +75µm 或 -75µm。

对比时需关注以下几个关键点：放大图像，直观感受表面粗糙度的视觉表现；观察 SEM 显微图像，了解松散材料和部分烧结粉末如何导致微观结构的显著差异；查看粗糙度分布图，注意每张图上红色/蓝色的分布范围，这直接反映了整个表面波动的程度。

本研究表明，采用 SLS 和 MJF 技术打印的部件可以获得非常相似的表面粗糙度。与使用 EOS PA2200 Nylon 12 Powder 的 EOS SLS 打印机打印的部件相比，Formlabs Fuse 1+ 30W 打印的部件要光滑一些，不过经过额外的后处理（分别为 Fuse Polishing System 和振动滚磨处理），两者的表面效果非常相似。

直接从打印机打印出来，HP 打印机打印的 MJF 部件表面光洁度最高，不过平均而言，其优势仅在 0.2µm 左右，且通过后处理还能进一步缩小差距。

随着生态圈的补充，如 Formlabs 推出的 Fuse Blast Polishing System，用户现在能够以传统上只有投入数十万美元购买更昂贵系统才能实现的表面质量来加工部件。诸如此类的后处理步骤，再加上打印工艺的改进，使得入门级 SLS 打印系统也能生产出极具竞争力的表面光洁度部件，经抛光处理后，其 Ra 值范围
从 4.3µm 到 8.9µm 不等。

如需亲身体验 Fuse 1+ 30W 打印部件的表面光洁度，请索取免费的 SLS 3D 打印样品。