工業級熔融沉積快速成型機工藝參數優化

王琛?段佩姚?陸雪億

摘 要：通過正交試驗設計，選取打印材料擠出速度，成型層厚，成型方向為正交試驗影響因子，探究工業級熔融沉積快速成型機最優工藝參數組合，以提高打印模型的表面質量。

關鍵詞：正交試驗;工藝參數

熔融沉積快速成型工藝原理及熱熔性材料性能的限制，影響了成型件的表面粗糙度。[1]不同工藝參數的搭配，成型件表面質量不同。[2]如何在現有設備的基礎上，提高表面質量，需要通過合理的參數搭配來實現，這就是工藝參數的優化。[3]本文通過正交試驗法，探究工業級熔融沉積快速成型機的最優工藝參數組合。

1 試驗設計

本試驗使用的是工業級fotus 450快速成型機，根據熔融沉積工藝的工作原理，對成型件表面粗糙度的影響因素主要包括成型材料擠出速度、成型層厚、成型方向、成型材料的種類、擠出頭溫度等5個工藝參數。[4]選取其中成型材料擠出速度、成型層厚、成型方向為正交試驗的影響因子。

2 試驗過程

通過UG軟件建模，設計X=35mm、Y=20mm、Z=5mm的長方體試件，[5]將其導出STL文件。本試驗主要評定試件頂面的表面粗糙度，使用TR240型粗糙度測試儀進行測量。根據擠出速度、成型層厚、成型方向的參數組合（表1），調整fotus 450快速成型機的打印參數，制作出9組試件。對每個試件頂面的表面粗糙度值進行測量，測量及計算結果見表2。

2.1 正交因素水平表（見表1）

2.3 方差分析（見表3）

3 試驗結果分析

分析數據計算表（表2）、表面粗糙度極差圖（圖1）和方差分析表（表3）得出以下結論：

第一，從數據計算表和極差圖中可以看出，成型方向A以A1為最好。因為成型方向所屬列中K1、K2、K3比較結果為K1最小，表面粗糙度值也最小。因此，在0°～90°范圍內，成型方向角度值越大，成型件表面粗糙度值越小。試驗中最佳成型方向角度為90°。因為在此方向上成型件受臺階效應影響最小，表面粗糙度值也最小。[6]

第二，從數據計算表和極差圖中可以看出，成型層厚B以B1為最好。因為成型層厚所屬列中K1、K2、K3比較結果為K1最小，表面粗糙度值也最小。因此，在0.1mm～0.3mm切片厚度范圍內，切片厚度越小，成型件表面粗糙度值越小。試驗中最佳成型層厚為0.1mm。

第三，從數據計算表和極差圖中可以看出，擠出速度C以C2為最好。因為擠出速度所屬列中K1、K2、K3比較結果為K2最小，表面粗糙度值也最小。

第四，從方差分析表中可以得出，因素C在顯著水平為0.1上是顯著的，因素A在顯著水平為0.01上是高度顯著的，而因素B不顯著。

第五，從極差圖中可以看出，本次試驗最優組合為A1B1C2，此組合不包含在試驗設計中，更能說明試驗的效果明顯。對試驗結果繼續驗證，按該組合對應的參數制作試件。對試件進行粗糙度測試，測得其表面粗糙度為4.956μm，低于試驗設計表格中粗糙度最小值5.377μm，說明A1B1C2為最優方案。fotus 450快速成型機的最優表面質量參數組合如表4。

參考文獻：

[1] 王琛，蔣玉婷，陸雪億.拼合蛋椅模型的設計與制作[J].藝術科技，2019（09）：71.

[2] 瞿娟，郁舒蘭.表情包的形態語義分析和認知[J].戲劇之家，2019（04）：222-223.

[3] 藺秀媛，閆小星，尹太玉.多功能臥具設計分析[J].藝術科技，2019（07）.

[4] 第燁，靳文奎.基于老年人懷舊傾向的交互產品設計研究[J].戲劇之家，2019（14）：141-143.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發平均生產周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內有害揮發物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，男，南京林業大學家居與工業設計學院實驗師，主要研究方向：工業設計工程。