增材制造表面粗糙度测量：3D共聚焦多尺度方法

DED和PBF成型表面跟切削纹理两样。熔道、未熔颗粒、飞溅物和孔洞混在一起，尺度跨度宽，单看一档说不清。这正是增材制造表面测量要啃的硬骨头，也是增材制造表面粗糙度测量绕不开的前提。非接触式表面测量因此成了优选。

单一倍率描述不了真实表面。近年多用3D共聚焦显微镜做三维测量，换物镜搭多尺度分析，从形貌做到局部结构提取。这也是增材制造表面粗糙度测量与增材制造表面形貌的主流思路。

增材制造表面表征的核心挑战

DED和PBF表面由确定性纹理和随机缺陷混成。焊缝跟熔池凝固、扫描路径走，没熔粉末堆成球状突起，凹坑来自熔合不良、球化或微气孔。增材制造表面测量要先分清纹理与缺陷，定好尺度。

接触式探针慢且有划伤风险；光学显微镜景深不够；白光干涉遇大斜率丢数据。非接触式表面测量优势明显——共聚焦激光扫描显微镜正是这类设备代表，但要选对型号。金属增材制造检测离不开多尺度。

多尺度必要：宏观看颗粒分布，中观算粗糙度贡献，微观拆单条焊缝和颗粒尺寸。

多尺度数据采集

基于CLSM的多尺度数据采集a-c为强度图像，d-f为地形高度图

共聚焦激光扫描显微镜靠针孔挡焦外杂光，Z向逐层扫描拼高度图。不同物镜对应不同视野和分辨率。激光共聚焦显微镜和它说的是同一类设备。

3D共聚焦显微镜硬件连续：5×看全局，10×平衡做3D表面形貌测量，20×抠局部。换物镜不重装夹，数据落同一坐标系。

DED表面粗糙度常超20µm，50×往上用不上——工作距离短，斜率测量受限。所以只取5×、10×、20×三档做增材制造表面粗糙度测量。

低分辨率点模式分析

原始表面形貌(a)，噪声抑制和形态消除后的S-F表面(b)，代表主带宽的L-F表面(c)，实施稳健高斯回归滤波后

5×视野大，把未熔颗粒当空间点。3D共聚焦显微镜在低倍看分布。预处理先高斯滤波，再用稳健回归分波纹和粗糙度，阈值分割取中心。Ripley'sK函数判断点随机、聚集或均匀。

结果不全部对称，多数尺度曲线落95%蒙特卡洛包络内，整体偏随机。小尺度偶尔聚集或均匀，窗口拉大就稳。表面形貌分析能区分工艺稳不稳。

中分辨率粗糙度表征

提取的S-L表面形貌(a)和无颗粒特征的对应形貌(b)

到10×做ISO25178面积参数。表面拆S-F、L-F（波纹含焊缝）、S-L（粗糙度含颗粒）。激光共聚焦显微镜此尺度最稳。表面形貌分析帮看懂波纹，也量化缺陷密度。中分辨率,优先算整体，增材制造表面测量拿到第一批参数。参考文章中波纹层占整体粗糙度约六成，去颗粒剩不到三成。所以先压焊缝波动。

20xROI的原始形貌(a);经过表面配准后从10x数据集中提取出的对应ROI(b);归一化互相关的响应(e);20xROI与10xROI形貌之间的差异图(d)

20×配准比对：Sa相对偏差约2%，绝对误差不到0.5µm。Sp、Sv、Sz这些极值差得多，因高NA物镜边缘还原好。统计参数靠这档拿稳值。

高分辨率特征表征

激光共聚焦显微镜高NA边缘还原好。分水岭当地形找山峰鞍部谷底，Wolf修剪去小边界。光学3D测量和接触式互补，非接触式表面测量不伤样。金属增材制造检测靠这类特征提取落地。

修剪阈值取Sz的1%–20%。焊缝片段按质心对齐合并；颗粒在S-L处理。3D打印表面粗糙度常由颗粒主导，增材制造表面形貌可逐个量化。3D表面形貌测量补局部几何。增材制造表面测量到这步能定位单颗、算清形貌。

几何参数：投影面积、体积、95%高度、方向角、偏心率、等效直径。焊缝宽用平行短轴线段平均。这些对应熔池宽、残留粒径、搭接。

共聚焦在多尺度表征中的实践优势

三维形貌测量：通过非接触方式获取表面高度变化，可以观察熔道、颗粒以及局部缺陷分布。

表面粗糙度评价：基于三维高度数据，可以分析Sa、Sq等面积参数，用于比较不同制造工艺或处理方式对表面质量的影响。

局部结构尺寸分析：对于颗粒、凹槽以及微结构区域，可以进一步提取高度、宽度和轮廓信息。

增材制造表面粗糙度测量说到底是尺度匹配：低倍看分布，中倍算贡献，高倍拆几何。硬件来自3D共聚焦显微镜，框架由ISO25178确立，特征提取交分水岭。3D表面形貌测量覆盖全尺度，表面形貌分析是闭环基础。增材制造表面粗糙度测量方法正从抽检走向在线多尺度闭环。

凯视迈（KathMatic）是国产优质品牌，推出的KC系列多功能精密测量显微镜，可非接触、高精度地获取样品表面的微观形貌，生成基于高度的彩色三维点云，全程以数据图形化的方式进行显示、处理、测量、分析。

KC系列三合一精测显微镜现已广泛应用于各行各业的新型材料研究、精密工程技术等基石研究领域。相比于同类产品，其主要特点在于：

1、更宽的成像范围：可测量的样品平面尺寸覆盖微米级~米级，无需为调整成像范围而频繁更换镜头倍率或采用图像拼接。

2、更快的测试速度：已从底层优化测试流程，新一代高效测试仅需两步⸺样品放置与视觉选区，KC自动完成后续测试。

3、更优异的分析功能：三维显示、数据优化、尺寸测量、统计分析、源数据导出微观形貌分析功能迎来大幅提升。

4、更稳定的测试表现：即便样品颜色、材质、反射率、表面斜率及环境温度存在明显差异，也可保证重复测试的稳定性。

欢迎私信或留言咨询~