FDM制品精度主要工藝參數(shù)的試驗(yàn)分析

鄔宗鵬，楊 琦，張 卉，李 芳

（安徽工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山243002）

FDM制品精度主要工藝參數(shù)的試驗(yàn)分析

鄔宗鵬，楊 琦，張 卉，李 芳

（安徽工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新教育學(xué)院，安徽 馬鞍山243002）

隨著快速成型（Rapid prototyping，RP）技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)DM快速成型已不僅用于制作原型，而是直接制造模具的母模與零件或部件的最終產(chǎn)品，如石蠟型、塑料原型、陶瓷零件，其中石蠟型零件用于精密鑄造。針對(duì)FDM快速成型制品精度的影響參數(shù)展開研究，在成型設(shè)備硬件不變的情況下，通過試驗(yàn)優(yōu)化主要工藝參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了9個(gè)長(zhǎng)方體試件，使用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量其長(zhǎng)、寬、高方向的尺寸，得出平均尺寸誤差，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析處理，根據(jù)結(jié)果來合理地設(shè)定工藝參數(shù)。

FDM；工藝參數(shù)；制品精度；試驗(yàn)分析

1 FDM快速成型的工藝原理

熔融沉積（FDM）是將低熔點(diǎn)絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，使熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，并在0.1 s內(nèi)迅速凝固，每完成一層成型，工作臺(tái)便下降一層高度，噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲，如此反復(fù)逐層沉積，直到最后一層，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件[1]。

在FDM成型加工過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)引起誤差，這些誤差嚴(yán)重影響了FDM制品的成型精度，作為其中重要因素的工藝參數(shù)，將會(huì)直接引起成型制品精度的較大差別，因此在加工之前應(yīng)予以考慮，通過合理控制與設(shè)置，對(duì)于后續(xù)的成型制品精度分析提供理論參考依據(jù)。

2 FDM系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)

在FDM快速成型系統(tǒng)中，成型制品精度是由多個(gè)工藝參數(shù)來控制的，本文選取了其中四個(gè)最主要的參數(shù)，它們分別是分層厚度、填充線度、成型角度和填充間隔[2]。

（1）分層厚度：制品成型過程中每層切片截面的厚度。該參數(shù)與所用噴嘴類型有關(guān)，一般取0.15 mm～0.4 mm.

（2）填充線度：層片填充線的寬度。

（3）成型角度：制品與成型室三維坐標(biāo)系的夾角。

（4）填充間隔：在同一層片中相鄰填充線間的距離。

3 FDM成型試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)利用北京殷華GⅡA型快速成型機(jī)，成型材料為ABS B601，支撐材料為ABS S301，成型空間：255 mm×290 mm×320 mm，成型層厚：0.2～0.4 mm，成型速度：5～60 cm/h.通過制品加工試驗(yàn)，考察不同的主要工藝參數(shù)單獨(dú)或交互作用對(duì)制品的尺寸精度、表面粗糙度及性能的影響，以期為后續(xù)的成型制品精度分析提供理論參考依據(jù)。圖1和圖2分別為成型設(shè)備外觀和絲材室。

圖1 GⅡA型快速成型機(jī)外觀

圖2 成型機(jī)ABS絲材

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

4.1 試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)（利用Pro/e軟件）

本文是分析成型試件在工作室中XYZ三個(gè)方向上的尺寸變化，同時(shí)考慮到成型時(shí)間和材料成本問題，試件的三維模型設(shè)計(jì)使用參數(shù)化軟件Pro/e繪制，設(shè)計(jì)20 mm×10 mm×5 mm的長(zhǎng)方體作為試驗(yàn)評(píng)估對(duì)象，如圖3所示，加工后的試件如圖4所示。

圖3 長(zhǎng)方體三維模型

圖4 長(zhǎng)方體試件

試驗(yàn)具體加工步驟如下：

（1）將Pro/e軟件繪制長(zhǎng)方體三維CAD模型保存副本為STL格式文件。

（2）打開電源、計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)Aurora2009快速成型軟件。

（3）點(diǎn)擊菜單欄中文件項(xiàng)，選擇載入（Ctrl+l）長(zhǎng)方體的STL文件。

（4）點(diǎn)擊模型中的自動(dòng)布局，然后進(jìn)行分層。（5）點(diǎn)擊工具中的預(yù)設(shè)支撐1.

（6）依次點(diǎn)擊文件——三維打印機(jī)中的連接、初始化和打印模型命令。

（7）快速成型機(jī)開機(jī)，材料及成形室預(yù)熱，以50℃為一升溫梯度，將成型材料逐步升溫至248℃；以10℃為一升溫梯度，將成型室溫度逐步升溫至55℃.

（8）將噴頭移動(dòng)到工作臺(tái)中部，上升工作臺(tái)，使之上表面接近噴嘴微調(diào)工作臺(tái)，使之間隙大約為0.1 mm，完成高度校準(zhǔn)之后開始成型工作。

4.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法（Orthogonal experimental method）是一種科學(xué)地安排與分析研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，最早由日本著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一提出，與傳統(tǒng)試驗(yàn)方法相比，其避免了試驗(yàn)次數(shù)多的缺點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布也很均勻，同時(shí)可用相應(yīng)的方差分析方法、極差分析方法等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，引出許多有價(jià)值的結(jié)論。

使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，最適宜的正交表為L(zhǎng)9（34），可觀察4個(gè)因素，每個(gè)因素均為3水平，需要做9次試驗(yàn)。根據(jù)表頭的設(shè)計(jì)原則，最終得到正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，如表1所示。

表1 四因素三水平正交表

試驗(yàn)其它參數(shù)取值為：成型材料ABS601，成型設(shè)備噴嘴直徑為0.4 mm，主噴頭溫度230℃，副噴頭溫度217.2℃，成型室溫度60℃.

5 基于試驗(yàn)的工藝參數(shù)分析

根據(jù)以上所選擇的參數(shù)因素，加工出9個(gè)試驗(yàn)件，各試件長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的尺寸相對(duì)誤差為分析目標(biāo)，尺寸相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與測(cè)量值或多次測(cè)量的平均值的比值，一般用百分?jǐn)?shù)表示，因此分別用△L%、△W%和△H%表示。加工好的試件在成型室的封閉環(huán)境中靜置12個(gè)小時(shí)后取出，用測(cè)量精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量試件的X、Y、Z三方向的尺寸，從而計(jì)算出尺寸相對(duì)誤差值[3]。具體尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 X、Y、Z方向的尺寸數(shù)據(jù)

在正交試驗(yàn)法中，主要采用了計(jì)算S/N方式來衡量制品測(cè)量值與理想值的偏差，S代表想要得到的數(shù)值，N代表可控因素的影響，計(jì)算函數(shù)如下：

從函數(shù)中可以得出樣本的尺寸平均誤差與S/N成反比關(guān)系，其值越小表示制品的尺寸誤差越接近理想設(shè)計(jì)尺寸，S/N比值相應(yīng)越大，制品品質(zhì)損失越小。

將表2中X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸相對(duì)誤差代入S/N函數(shù)中，計(jì)算出信噪比。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 S/N數(shù)據(jù)

觀察表3可知，試件X、Y、Z方向的平均尺寸誤差分別為3.76%，0.65%與-1.68%，通過比較，X方向誤差最大，Y方向誤差最小。成型試件實(shí)際測(cè)量尺寸在X、Y方向上小于設(shè)計(jì)尺寸，而在Z向上則大于設(shè)計(jì)尺寸。成型角度和分層厚度對(duì)試件精度影響程度顯著，所以在制品成型前，這兩個(gè)因素為重點(diǎn)考慮對(duì)象，除此之外，填充間隔和填充線寬不只是對(duì)試件的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，從試驗(yàn)結(jié)果看它們對(duì)試件的精度也有不小的影響。同時(shí)由數(shù)據(jù)可知，影響制品各個(gè)方向的尺寸精度的因素水平數(shù)是不同的，若對(duì)單個(gè)方向上尺寸精度要求高，可參考最優(yōu)組合，若對(duì)制品的所有成型方向上的尺寸精度要求較高，那必須綜合考慮所有主要因素，進(jìn)一步分析了解各因素水平對(duì)尺寸波動(dòng)的影響。

6 結(jié)束語

通過正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，形成了基于單目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)置。以試件在X、Y、Z向的尺寸誤差為考察目標(biāo)，對(duì)影響FDM成型精度的四個(gè)主要因子（成型角度、分層厚度、填充間隔和填充線寬）進(jìn)行分析，最后得出優(yōu)化組合并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性。具體內(nèi)容如下：

（1）成型試件在X、Y、Z向的尺寸并不都是小于設(shè)計(jì)尺寸的，X、Y方向尺寸偏小，Z向偏大。

（2）成型角度和分層厚度對(duì)試件尺寸精度影響程度顯著，此外，填充間隔和填充線寬不只是對(duì)成型試件的機(jī)械性能影響較大，從試驗(yàn)結(jié)果來看它們對(duì)試件的尺寸精度也有不小的影響。

[1]韓 江，王益康，田曉青，等.熔融沉積（FDM）3D打印工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016，6（6）：139－142．

[2]楊繼全.3D打印成型工藝及技術(shù)[M].南京：南京師范大學(xué)出版社，2016.

[3]張劍峰，彭安華．基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的 FDM工藝參數(shù)優(yōu)化[J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版，2012，1（1）：62－67．

Experimental Analysis on Main Process Parameters of FDM Products

WU Zong-peng，YANG Qi，ZHANG Hui，LI Fang
（School of Creative Education，Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 243002，China）

With the rapid prototyping（Rapid prototyping RP）technology，F(xiàn)DM rapid prototyping has been used not only to make the final product prototype，but directly manufacturing mold mold and parts or components，such as paraffin,plastic prototypes，ceramic parts，including paraffin type parts for precision casting.Study on the effect of FDM rapid prototyping and product precision parameters unchanged in the case of hardware equipment，by optimizing the main parameters of test，test design of 9 rectangular specimens，using vernier caliper was used to measure the length，width and height of the direction of the size，the average size of the error，and the test data processing multivariate analysis of variance，according to the results of a reasonable set of process parameters.

FDM；process parameters；product accuracy；test analysis

TH161

A

1672-545X（2017）10-0066-03

2017-07-27

鄔宗鵬（1980-），男，安徽六安人，工程師/實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ虒?shí)踐教學(xué)、信息技術(shù)、數(shù)控加工及快速成型技術(shù)。