FDM制品精度主要工艺参数的试验分析

邬宗鹏，杨 琦，张 卉，李 芳

（安徽工业大学创新教育学院，安徽 马鞍山243002）

FDM制品精度主要工艺参数的试验分析

邬宗鹏，杨 琦，张 卉，李 芳

（安徽工业大学创新教育学院，安徽 马鞍山243002）

随着快速成型（Rapid prototyping，RP）技术的发展，FDM快速成型已不仅用于制作原型，而是直接制造模具的母模与零件或部件的最终产品，如石蜡型、塑料原型、陶瓷零件，其中石蜡型零件用于精密铸造。针对FDM快速成型制品精度的影响参数展开研究，在成型设备硬件不变的情况下，通过试验优化主要工艺参数，试验设计了9个长方体试件，使用游标卡尺分别测量其长、宽、高方向的尺寸，得出平均尺寸误差，并对试验数据进行多因素方差分析处理，根据结果来合理地设定工艺参数。

FDM；工艺参数；制品精度；试验分析

1 FDM快速成型的工艺原理

熔融沉积（FDM）是将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在0.1 s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件[1]。

在FDM成型加工过程中，每一个环节都可能会引起误差，这些误差严重影响了FDM制品的成型精度，作为其中重要因素的工艺参数，将会直接引起成型制品精度的较大差别，因此在加工之前应予以考虑，通过合理控制与设置，对于后续的成型制品精度分析提供理论参考依据。

2 FDM系统的主要工艺参数

在FDM快速成型系统中，成型制品精度是由多个工艺参数来控制的，本文选取了其中四个最主要的参数，它们分别是分层厚度、填充线度、成型角度和填充间隔[2]。

（1）分层厚度：制品成型过程中每层切片截面的厚度。该参数与所用喷嘴类型有关，一般取0.15 mm～0.4 mm.

（2）填充线度：层片填充线的宽度。

（3）成型角度：制品与成型室三维坐标系的夹角。

（4）填充间隔：在同一层片中相邻填充线间的距离。

3 FDM成型试验设备

试验利用北京殷华GⅡA型快速成型机，成型材料为ABS B601，支撑材料为ABS S301，成型空间：255 mm×290 mm×320 mm，成型层厚：0.2～0.4 mm，成型速度：5～60 cm/h.通过制品加工试验，考察不同的主要工艺参数单独或交互作用对制品的尺寸精度、表面粗糙度及性能的影响，以期为后续的成型制品精度分析提供理论参考依据。图1和图2分别为成型设备外观和丝材室。

图1 GⅡA型快速成型机外观

图2 成型机ABS丝材

4 试验设计及过程

4.1 试验件的设计（利用Pro/e软件）

本文是分析成型试件在工作室中XYZ三个方向上的尺寸变化，同时考虑到成型时间和材料成本问题，试件的三维模型设计使用参数化软件Pro/e绘制，设计20 mm×10 mm×5 mm的长方体作为试验评估对象，如图3所示，加工后的试件如图4所示。

图3 长方体三维模型

图4 长方体试件

试验具体加工步骤如下：

（1）将Pro/e软件绘制长方体三维CAD模型保存副本为STL格式文件。

（2）打开电源、计算机，启动Aurora2009快速成型软件。

（3）点击菜单栏中文件项，选择载入（Ctrl+l）长方体的STL文件。

（4）点击模型中的自动布局，然后进行分层。（5）点击工具中的预设支撑1.

（6）依次点击文件——三维打印机中的连接、初始化和打印模型命令。

（7）快速成型机开机，材料及成形室预热，以50℃为一升温梯度，将成型材料逐步升温至248℃；以10℃为一升温梯度，将成型室温度逐步升温至55℃.

（8）将喷头移动到工作台中部，上升工作台，使之上表面接近喷嘴微调工作台，使之间隙大约为0.1 mm，完成高度校准之后开始成型工作。

4.2 正交试验设计

正交试验法（Orthogonal experimental method）是一种科学地安排与分析研究多因素多水平的设计方法，最早由日本著名的统计学家田口玄一提出，与传统试验方法相比，其避免了试验次数多的缺点，数据点的分布也很均匀，同时可用相应的方差分析方法、极差分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论。

使用正交试验设计法，最适宜的正交表为L9（34），可观察4个因素，每个因素均为3水平，需要做9次试验。根据表头的设计原则，最终得到正交试验设计方案，如表1所示。

表1 四因素三水平正交表

试验其它参数取值为：成型材料ABS601，成型设备喷嘴直径为0.4 mm，主喷头温度230℃，副喷头温度217.2℃，成型室温度60℃.

5 基于试验的工艺参数分析

根据以上所选择的参数因素，加工出9个试验件，各试件长、宽、高三个方向的尺寸相对误差为分析目标，尺寸相对误差是指绝对误差与测量值或多次测量的平均值的比值，一般用百分数表示，因此分别用△L%、△W%和△H%表示。加工好的试件在成型室的封闭环境中静置12个小时后取出，用测量精度为0.02 mm的游标卡尺测量试件的X、Y、Z三方向的尺寸，从而计算出尺寸相对误差值[3]。具体尺寸数据如表2所示。

表2 X、Y、Z方向的尺寸数据

在正交试验法中，主要采用了计算S/N方式来衡量制品测量值与理想值的偏差，S代表想要得到的数值，N代表可控因素的影响，计算函数如下：

从函数中可以得出样本的尺寸平均误差与S/N成反比关系，其值越小表示制品的尺寸误差越接近理想设计尺寸，S/N比值相应越大，制品品质损失越小。

将表2中X、Y、Z三个方向的尺寸相对误差代入S/N函数中，计算出信噪比。具体数据如表3所示。

表3 S/N数据

观察表3可知，试件X、Y、Z方向的平均尺寸误差分别为3.76%，0.65%与-1.68%，通过比较，X方向误差最大，Y方向误差最小。成型试件实际测量尺寸在X、Y方向上小于设计尺寸，而在Z向上则大于设计尺寸。成型角度和分层厚度对试件精度影响程度显著，所以在制品成型前，这两个因素为重点考虑对象，除此之外，填充间隔和填充线宽不只是对试件的机械性能产生影响，从试验结果看它们对试件的精度也有不小的影响。同时由数据可知，影响制品各个方向的尺寸精度的因素水平数是不同的，若对单个方向上尺寸精度要求高，可参考最优组合，若对制品的所有成型方向上的尺寸精度要求较高，那必须综合考虑所有主要因素，进一步分析了解各因素水平对尺寸波动的影响。

6 结束语

通过正交试验对工艺参数进行了优化，形成了基于单目标的参数优化设置。以试件在X、Y、Z向的尺寸误差为考察目标，对影响FDM成型精度的四个主要因子（成型角度、分层厚度、填充间隔和填充线宽）进行分析，最后得出优化组合并通过实验验证了其合理性。具体内容如下：

（1）成型试件在X、Y、Z向的尺寸并不都是小于设计尺寸的，X、Y方向尺寸偏小，Z向偏大。

（2）成型角度和分层厚度对试件尺寸精度影响程度显著，此外，填充间隔和填充线宽不只是对成型试件的机械性能影响较大，从试验结果来看它们对试件的尺寸精度也有不小的影响。

[1]韩 江，王益康，田晓青，等.熔融沉积（FDM）3D打印工艺参数优化设计研究[J].制造技术与机床，2016，6（6）：139－142．

[2]杨继全.3D打印成型工艺及技术[M].南京：南京师范大学出版社，2016.

[3]张剑峰，彭安华．基于稳健设计的 FDM工艺参数优化[J]．南京航空航天大学学报：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，FDM 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

邬宗鹏（1980-），男，安徽六安人，工程师/实验师，硕士研究生，研究方向为工程实践教学、信息技术、数控加工及快速成型技术。