基于穩健設計的FDM成型件尺寸精度的優化分析

高善平

（泉州信息工程學院，泉州 362000）

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基于穩健設計的FDM成型件尺寸精度的優化分析

高善平

（泉州信息工程學院，泉州 362000）

摘 要：本文主要對FDM熔融堆積成型中成型件的尺寸精度進行研究。根據成型工藝過程，在眾多影響因素中選擇主要因素，采用穩健設計方法設計實驗參數，以尋求保證成型件尺寸精度的最優組合參數，并為后期設備及工藝參數的優化提供依據。

關鍵詞：穩健設計 FDM 尺寸精度

引言

FDM熔融快速成型誕生于20世紀80年代。該技術可以大大縮短產品的制造周期，降低成本，且成型設備操作維修方便、無污染，被廣泛應用于各行業。但是，由于該技術制造產品的精度低、機械性能差等原因，使其應用只停留在模型制造、樣品開發等，而對于現代設計驗證、裝配檢驗或者用于模具制造，則需要成型件具有較高的尺寸精度和機械性能。因此，在現有設備的基礎上研究FDM的成型工藝，甚至通過研究改進設備的精度都具有重要的現實意義。

1 影響因素及主要工藝參數

FDM熔融堆積成型主要包括數據模型處理、成型過程及制件后處理等過程。根據其整個加工工藝過程，分析總結影響制件精度的因素。其中，有部分專家已對設備及原始文件帶來的誤差進行了研究，也有部分人對成型過程中的工藝參數進行了分析，主要包括分層厚度、噴嘴直徑、成型方向、噴頭溫度、環境溫度、擠出速度、填充速度（指輪廓掃描速度）、填充方式、網格間距、理想輪廓線的補償量、開啟延遲時間、關閉延遲時間。但是，各有各的研究成果，但還未完全解決FDM工藝上的缺陷。本文主要從成型過程中成型絲的變化出發，在實驗平臺相同、噴嘴尺寸相同、排除大部分外部干擾的基礎上，主要選取分層厚度、掃描速度、擠出速度、碰頭溫度、環境溫度等五個工藝參數進行研究。

2 田口方法——望小特性

田口方法是由田口玄一博士在1950-1960年代提出的品質設計工程，即穩健化設計。田口法是一種根據生產過程中的工藝參數進行實驗設計的方法。該方法通過實驗分析各工藝參數對產品質量的影響，并為加工制造過程中工藝參數的優化提供依據。田口實驗法跟傳統的實驗方法對比，優勢在于其可以大大減少實驗的工作量，主要依靠控制因子（即工藝參數）及其水準的數目選用適當的正交實驗表，通過實驗比較及數據統計分析，找到產品誤差最小的制造工藝，從而提升產品的質量并，降低生產成本。

望小特性是生產過程或者實驗過程中的一種理想狀態，用y表示。在工作過程中，要求產品的質量能夠達到最佳狀態，即y越小越好，最好為零，如產品的尺寸、粗糙度等。因此，望小特性的S/N定義為：

其中，n為實驗次數、yi為第i次實驗的品質特性值。

3 實驗設計

3.1 實驗模型的選擇

實驗模型選擇必須在滿足實驗目標的前提下，保證其高效率和低成本。本實驗主要驗證成型件尺寸精度，根據FDM成型特點，噴頭掃描時主要是在X、Y、Z三個方向運動。其中，X、Y是在同一個工作臺平面，掃描精度影響不大，但成型質量受到不定因素——掃描長度的影響，因此，X、Y選擇不同長度。另外，Z軸的成型方向有堆積影響，可以選擇跟X、Y某個長度相同的尺寸來衡量其誤差?？紤]上述因素，實驗模型設計成30mm×10mm×10mm，如圖1所示。

圖1 試件模型

3.2 控制因子及水準

通過以上分析，造成FDM熔融堆積快速成型制件精度的因素很多，在此選擇分層厚度、擠出速度、填充速度、噴嘴溫度、環境溫度（即成型室溫度）等因素作為控制因子。由于碰頭的直徑一般為0.15～0.4mm，因此選取工藝參數水準時，要盡量選擇區間內的參數。在此，我們取分層厚度為0.2～0.3mm，則對應地確定了控制因子及其水準，如表1所示。

表1 控制因子與水平

根據FDM成型的工藝過程，成型絲的形態變化除了受到上述因素影響外，同時也受到各因素之間的交互影響，如擠出速度和填充速度的協調關系、噴頭溫度與環境溫度之間的相互影響等。根據這幾個主要因素，設計正交試驗表頭如表2所示。

表2 表頭設計

4 試驗結果分析

通過本次測驗，主要目的在于確定成型件尺寸方向的加工誤差。在此，我們假設試件的長、寬、高的尺寸誤差分別用△L%、△W%、△H%表示。在同一實驗平臺、相同環境下，盡量避免外部因素的影響，先后共進行了27次實驗，且保證成型件在充分冷卻后進行測量。由于成型過程中，難免會出現一些不可控因素對試件的成型過程產生影響，因此在測量X、Y、Z三個方向的尺寸時，需要多次測量后取其平均值作為其最終尺寸誤差，并根據穩健設計理論計算出信噪比，具體結果如表3所示。

表3 試件各尺寸方向的信噪比

對實驗所測數據進行分析，X、Y、Z方向均存在尺寸誤差。其中，雖然X、Y方向同為工作臺上的成型方向，但X方向比Y方向誤差大，說明長度越長誤差越大，且二者均小于設計尺寸，而Z方向則大于設計尺寸。根據表3中的S/N數據，繪制各水平與5個控制因子關系的極差圖。在此，以X方向的極差圖為例，如圖2所示，其他兩個方向的表現方法與其一致。

圖2 X方向的極差圖

根據以上極差圖，可以較清晰地分析出5個主要控制因子水平高低對成型件三方向尺寸精度的影響，并可以推導出X方向各控制因子的最佳水平組合為A3B3C2D2E2，即分層厚度取3水平，掃描速度位3水平，填充速度、噴嘴溫度、成型室溫度分別取2水平時，可獲得X向的最高尺寸精度。此外，可以分析推導出影響各個方向尺寸精度的因子水平數是不同的。如果對單個方向上的尺寸精度要求較高，可參考最優組合適當取值；但如果考慮到整個試件的精度，則需要綜合考慮各控制因子對三個方向的影響情況，綜合選定其水平。

5 結論

本文主要研究FDM熔融堆積成型件尺寸精度的最優成型工藝參數，運用田口方法進行實驗、分析，尋找保證尺寸精度的最優組合工藝，結論如下。

（1）該實驗是在其他因素一致的基礎上進行的，可保證五個工藝參數對成型精度的影響不引入外部因素，實驗結果較為可靠。

（2）通過田口方法進行工藝參數的組合，并設計實驗表頭，進行合理實驗。實驗結果顯示，工藝參數的優化能夠進一步改善產品的尺寸精度，但是沒辦法完全消除。其中，X、Y方向尺寸與工作臺平行，工藝參數對兩者的影響區別不大，但受成型尺寸的影響，長度越大誤差越大。

參考文獻

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［3］韓霞，楊恩源.快速成型技術與應用［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［4］吳懷宇.3D打印——三維智能數字化創造［M］.北京：電子工業出版社，2014.

Optimization Analysis of Dimensional Accuracy of FDM Shaped Parts Based on Robust Design

GAO Shanping
（Quanzhou Institute of information engineering， Quanzhou 362000）

Abstract:This paper mainly studies the dim ensional accuracy of the molded parts in the FDM melt accumulation process. According to the m olding process， in many factors that affect selection factors， using robust design method to design the parameters of experiment and seek to ensure that the optimum combination of parameters of molding parts siz e precision， and provides the basis for the later equipm ent and process parameter optimization.

Key words:robust design， FDM， dimensional accuracy

基金項目：2014年福建省中青年教師教育科研項目（科技A類）“FDM快速成型的工藝優化研究”（JA14459）。