呂福順，劉肖肖，程 祥，鄭光明，楊先海

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

基于FDM的3D打印參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究*

呂福順，劉肖肖，程 祥，鄭光明，楊先海

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

以熔融沉積制造技術(shù)中常用的基體材料PLA作為對(duì)象，通過3D打印實(shí)驗(yàn)，對(duì)打印過程中的因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。利用單因素實(shí)驗(yàn)法和正交實(shí)驗(yàn)法，以打印時(shí)間和打印尺寸誤差為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，選取層厚、打印速度和噴嘴溫度三個(gè)主要因素展開實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，層厚為0.3mm，打印速度為20mm/s，噴嘴溫度為200℃時(shí)，可以在保證打印質(zhì)量的情況下獲得最短打印時(shí)間。對(duì)打印效率影響程度由大到小依次是層厚，打印速度，噴嘴溫度，并進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3D打??；參數(shù)優(yōu)化；單因素實(shí)驗(yàn)；正交實(shí)驗(yàn)

0 引言

材料PLA(聚乳酸)是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。機(jī)械性能及物理性能良好，PLA適用于吹塑、熱塑等各種加工方法，加工方便，應(yīng)用前景十分廣泛[1]。

3D打印技術(shù)[2]，是指根據(jù)所建立的三維模型，通過打印設(shè)備逐層增加材料來制造三維產(chǎn)品的技術(shù),這種逐層堆積成形技術(shù)被稱作增材制造[3-4]。相比傳統(tǒng)的制造技術(shù)，3D打印不用事先制造模具，在制造過程中不用去除大量的材料，也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品。因此，通過3D打印技術(shù)，在生產(chǎn)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)省材料和節(jié)約能源[5]。3D打印技術(shù)適合于快速成型及小批量產(chǎn)品制造、形狀復(fù)雜零件的制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計(jì)與制造等，也適合于難加工材料的制造、外形設(shè)計(jì)檢查、裝配檢驗(yàn)和快速反求工程等[6]。因此，3D打印產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)內(nèi)外越來越廣泛的關(guān)注，必將成為發(fā)展前景廣闊的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

熔融沉積制造(FDM)工作原理是將加工成絲狀的熱熔性材料(PLA、ABS、蠟等)，經(jīng)過送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)熱熔噴嘴，在噴嘴內(nèi)固態(tài)絲狀材料被加熱熔融，同時(shí)噴頭沿零件分層打印軌跡運(yùn)動(dòng)，并將熔融的材料擠出，使其沉積在指定的位置后凝固成型，與前一層成型材料產(chǎn)生粘結(jié)，層層堆積最終形成產(chǎn)品模型[7]。熔融沉積制造(FDM)工藝是3D打印領(lǐng)域的一種快速成型加工方法，以其操作簡(jiǎn)單，成型速度快成為3D打印領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。打印效率是3D打印中重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，包括打印時(shí)間和打印質(zhì)量。而在影響打印效率的因素中，層厚、打印速度和溫度起主要影響作用，因此打印過程中各因素參數(shù)的合理選取與優(yōu)化顯得至關(guān)重要。

本文針對(duì)PLA材料，對(duì)熔融沉積(FDM)3D打印的工藝參數(shù)進(jìn)行分析，通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建，分析打印尺寸誤差[8]產(chǎn)生的機(jī)理和對(duì)表面質(zhì)量的作用效果。通過切片軟件調(diào)節(jié)層厚、打印速度及打印溫度，并借助單因素實(shí)驗(yàn)法和正交實(shí)驗(yàn)法[9]，研究打印效率以及各打印參數(shù)因素對(duì)其影響規(guī)律，獲得3D打印的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)加工機(jī)床采用自行研發(fā)的熔融增材與銑削減材復(fù)合加工機(jī)床[10]，如圖1所示。

圖1 研發(fā)的復(fù)合加工機(jī)床

本實(shí)驗(yàn)采用孔徑為0.5mm的噴嘴，所打印樣件模型尺寸為邊長(zhǎng)為10mm的薄壁正方體塊。

本機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制器采用MACH3的控制卡，為了進(jìn)一步提高對(duì)打印溫度測(cè)量的精確度，因此對(duì)3D打印機(jī)的溫度控制部分進(jìn)行單獨(dú)控制。采用獨(dú)立的溫度控制儀，分別控制打印噴頭溫度和熱床溫度，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)流程框圖

2 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果分析

在PLA 3D打印參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)的目的是獲取最優(yōu)的打印參數(shù)組合，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為打印時(shí)間和打印尺寸誤差，選取的打印參數(shù)因素是層厚，打印速度，噴嘴溫度。先采用單因素實(shí)驗(yàn)法獲得適合打印的各種因素的參數(shù)范圍，然后在其所在的適當(dāng)范圍內(nèi)各取水平值進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，以此確定打印過程中各因素的影響大小及顯著性，尋找3D打印中的最優(yōu)參數(shù)組合。

2.1 3D打印單因素實(shí)驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)選取的各打印因素如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)各組打印因素參數(shù)

由表1可以看出，共需打印18個(gè)模型工件。為了提高打印效率和便于對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在同一個(gè)加工基準(zhǔn)面上一次性打印出這16個(gè)模型。安排的實(shí)驗(yàn)布局如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)的總體布局

實(shí)驗(yàn)加工過程及結(jié)果如圖4所示，實(shí)驗(yàn)后對(duì)各打印樣件的表面質(zhì)量進(jìn)行分析，找到適合打印的各參數(shù)的取值范圍，從而在適合的參數(shù)范圍內(nèi)取值進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)加工過程及結(jié)果

在第一組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)中，當(dāng)層厚為0.05mm和0.1mm時(shí)出現(xiàn)明顯斷絲現(xiàn)象，導(dǎo)致打印無法進(jìn)行。當(dāng)層厚為0.2mm時(shí)，沒有出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，且噴嘴出絲較為均勻。當(dāng)層厚為0.3mm，0.4mm，0.5mm時(shí)，均沒有出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，且出絲均勻。所以選取層厚0.2～0.5mm進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。出現(xiàn)斷絲的機(jī)理：擠出絲材過細(xì)，粘結(jié)力變小，噴嘴運(yùn)動(dòng)過程中容易將熔融絲材拉斷。

在第二組實(shí)驗(yàn)中，打印速度在5mm/s和30mm/s分別出現(xiàn)堆積和斷絲現(xiàn)象。當(dāng)打印速度在10mm/s時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)堆積，且在25mm/s時(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷絲。所以選取打印速度10～25mm/s進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。出現(xiàn)堆積和斷絲的機(jī)理：打印速度過慢，噴嘴的溫度會(huì)使已打印冷卻的絲材再次熔融，出現(xiàn)堆積。打印速度過快，噴嘴在運(yùn)動(dòng)過程中容易將熔融絲材拉斷，出現(xiàn)斷絲。

在第三組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度為180℃時(shí)絲材熔融不充分致使噴嘴堵塞。溫度在190℃～220℃時(shí)出絲均勻，且沒有堵塞的現(xiàn)象。在230℃時(shí)出現(xiàn)堆積和斷絲現(xiàn)象，因此溫度選取190℃～220℃進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。 出現(xiàn)堆積和斷絲的機(jī)理：溫度過高，絲材熔融成液態(tài)，在重力作用下自行漏出，導(dǎo)致材料堆積，甚至在接下來的打印中由于供料不足出現(xiàn)斷絲。

斷絲和堆積現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 斷絲和堆積

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，在單因素實(shí)驗(yàn)中，適合打印的各參數(shù)的范圍：層厚為0.2～0.5mm，打印速度為10～25mm/s，溫度為190℃～220℃。由于各參數(shù)在此范圍的不同取值也會(huì)影響打印時(shí)間和打印尺寸誤差，所以在接下來的正交實(shí)驗(yàn)中，各參數(shù)需要在上述范圍內(nèi)取值，找到最佳的打印參數(shù)組合。

2.2 3D打印正交實(shí)驗(yàn)

基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正交實(shí)驗(yàn)三個(gè)主要影響因素及水平如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)主要影響因素及水平

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)主要是考察三個(gè)因素對(duì)打印時(shí)間和打印質(zhì)量的影響效果，不考察因素間的交互作用，故選用L16(45)正交表，具體實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)具體打印方案

表中：

△X—X方向的尺寸誤差；

△Y—Y方向的尺寸誤差；

△Z—Z方向的尺寸誤差；

△S—X、Y、Z方向的尺寸誤差的平均值。

完成表3中的16組實(shí)驗(yàn)，記錄各實(shí)驗(yàn)樣件的打印時(shí)間，然后對(duì)加工件進(jìn)行尺寸誤差的測(cè)量，采用的測(cè)量?jī)x器是千分尺，分別從X、Y、Z三個(gè)方向上對(duì)打印尺寸誤差進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的結(jié)果記錄在表中，同時(shí)算出平均尺寸誤差。所測(cè)得的各個(gè)樣件的打印時(shí)間和尺寸誤差如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

對(duì)表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析

表中：

Ki-因素所在列第i水平對(duì)應(yīng)的打印時(shí)間(平均尺寸誤差)之和；

ki-因素所在列第i水平對(duì)應(yīng)的打印時(shí)間(平均尺寸誤差)的平均值；

R-各列因素所對(duì)應(yīng)的極差值。

根據(jù)極差R的大小，可以判斷各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響主次。由表4比較各R值大小，可得228.5>168.75>58，2.527>1.749>1.616,所以在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)打印時(shí)間和打印質(zhì)量影響最大的因素是層厚，其次是打印速度，影響最小的因素是溫度。同時(shí)分別以各因素水平為橫坐標(biāo)，打印時(shí)間和平均尺寸誤差的平均值ki為縱坐標(biāo)，可繪制各因素與打印時(shí)間、平均尺寸誤差的趨勢(shì)圖，如圖6所示。

(a)層厚與打印時(shí)間、尺寸誤差的關(guān)系

(b)打印速度與打印時(shí)間、尺寸誤差的關(guān)系

(c)溫度與打印時(shí)間、尺寸誤差的關(guān)系圖6 各因素對(duì)打印時(shí)間和平均尺寸誤差的影響

圖6a中隨著層厚的增大，打印時(shí)間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而尺寸誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，層厚在拐點(diǎn)處時(shí)尺寸誤差值最小，變化趨勢(shì)較明顯；圖6b中隨著打印速度的增大，打印時(shí)間呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而尺寸誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，打印速度在拐點(diǎn)處時(shí)尺寸誤差值最小，變化趨勢(shì)非常明顯；圖6c中隨著溫度的升高，打印時(shí)間變化較緩和，變化趨勢(shì)不明顯，而尺寸誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，溫度在拐點(diǎn)處時(shí)尺寸誤差值最小。

本實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)為打印后的時(shí)間和尺寸誤差，打印時(shí)間和尺寸誤差越小,則打印效率越高。從表5和圖6中可以看出，層厚和打印速度對(duì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均有非常顯著的影響，溫度對(duì)打印時(shí)間沒有顯著影響，但對(duì)打印質(zhì)量有顯著影響。所以在不考慮交互作用的情況下，不同指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)方案也是不同的，但是通過綜合平衡法可以得到綜合的最優(yōu)方案，具體平衡過程如下：

層厚因素：從趨勢(shì)圖6a可以看出，層厚在0.3～0.5mm之間變化時(shí)，尺寸誤差明顯變高，且層厚因素是影響打印質(zhì)量的主要因素，在確定最優(yōu)水平時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。所以層厚選取0.3mm。

打印速度因素：從圖6b可以看出，打印速度在15mm/s和20mm/s時(shí)，打印質(zhì)量相差不大，出于縮短打印時(shí)間的考慮，優(yōu)先選擇速度較大者。所以打印速度選取20mm/s。

溫度因素：從圖6c可以看出，溫度對(duì)打印時(shí)間影響很小，但對(duì)打印尺寸誤差有明顯的影響，溫度在200℃時(shí)打印尺寸誤差為最小。所以溫度選取200℃。

綜合上述分析，最優(yōu)方案為A2B3C2，即最優(yōu)打印參數(shù)組合為層厚0.3mm，打印速度20mm/s，溫度200℃。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照所得最優(yōu)方案的打印參數(shù)，即層厚0.3mm，打印速度20mm/s，溫度200℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖7所示，打印時(shí)間和尺寸誤差測(cè)量結(jié)果如表6所示。

圖7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)打印的樣件

表6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果

從表6中的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，最優(yōu)方案的打印參數(shù)即層厚0.3mm，打印速度20mm/s，溫度200℃時(shí)，可以獲得較短的打印時(shí)間和較小尺寸誤差，從而驗(yàn)證了上述理論分析的正確性以及本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案打印參數(shù)的可行性。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所得到的最優(yōu)打印參數(shù)可以打印形狀較為復(fù)雜的模型特征，從而獲得較短的時(shí)間和較高的表面質(zhì)量，打印的模型特征如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)打印的模型

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)PLA材料進(jìn)行了3D打印的單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以得出以下結(jié)論：各因素對(duì)打印效率的影響程度由大到小依次是層厚，打印速度，噴嘴溫度。隨著層厚的增加，打印時(shí)間會(huì)縮短，但打印尺寸誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且層厚在0.3mm時(shí)尺寸誤差為最小。隨著打印速度的增加，打印時(shí)間會(huì)縮短，但打印尺寸誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且打印速度在15mm/s時(shí)尺寸誤差為最小。基于打印時(shí)間的考慮，且打印速度在15mm/s與20mm/s時(shí)的打印尺寸誤差相差不大，因此選擇打印時(shí)間較短者，即20mm/s。隨著溫度的不斷升高，打印時(shí)間變化不大，打印尺寸誤差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且溫度在200℃時(shí)尺寸誤差為最小?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)研究，得到了優(yōu)化的各因素參數(shù)為層厚0.3mm，打印速度20mm/s，溫度200℃。

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(編輯李秀敏)

ExperimentalResearchon3DPrintingParameterOptimizationBasedonFDM

LV Fu-shun，LIU Xiao-xiao，CHENG Xiang，ZHENG Guang-ming，YANG Xian-hai

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China)

Aim at the material PLA which is always used as the basic material in the fusion deposition manufacturing, an optimal experiment for parameters in printing process has been conducted by the 3D print experiment. This article adopts single factor experiment method and orthogonal experiment method to proceed the experiments. The printing time and dimension errors are chosen as the experiment index, while the layer thickness, printing speed and jet temperature are considered as the three principal factors in the process of experiment. The experiment result shows that it can obtain the shortest printing time and guarantee the printing quality at the same time when the layer thickness is 0.3mm, the printing speed is 20mm/s and the jet temperature is 200 ℃. Meanwhile, the further experiment has verified that the impact of the printing efficient in descending order is layer thickness, printing speed and jet temperature.

3D print; optimization of parameters; single factor experiment; orthogonal experiment

TH164;TG547

：A

1001-2265(2017)09-0114-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.029

2017-04-12

山東省自然科學(xué)基金(ZR2015EL023)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GGX103015)

呂福順(1992—)，男，山東濰坊人，山東理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)與裝備，(E-mail)664568379@qq.com。