張金松,鄭凱特,渠國洋

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院,上海 200072)

熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是一種使用和維護(hù)簡單、成本較低的增材制造技術(shù),通過逐層打印的方式來構(gòu)建物體,成型材料一般是熱塑性材料,如ABS、PC、尼龍、金屬粉等[1-2].材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化,噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速固化,與周圍的材料黏結(jié)成形.每一個層片都是在上一層上堆積而成,上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用.隨著高度的增加,層片輪廓的面積和形狀都會改變,需要設(shè)計一些輔助支撐結(jié)構(gòu),對后續(xù)層提供定位和支撐,以保證成形過程的順利實現(xiàn)[3-7].

本文搭建了氣動式石蠟熔融沉積裝置,包括氣動擠出模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊與運(yùn)動控制模塊.采用正交試驗設(shè)計的方法,研究石蠟熔融沉積過程中工藝參數(shù)對線寬的影響;采用單因素試驗驗證正交試驗結(jié)果的正確性.

1 實驗方案

實驗材料選用石蠟(熔點為80 ℃,黏度為14.42～59.64 Pa·s).氣動式石蠟熔融沉積裝置工作原理是電加熱料筒中的固體石蠟到融化,氣壓作用在熔融態(tài)石蠟的尾部,推動石蠟均勻的從噴嘴中擠出,在基板上固化成型.

1.1 實驗裝置

氣動式石蠟熔融沉積裝置主要由氣動擠出模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊、運(yùn)動控制模塊組成,如圖1所示.

氣動擠出模塊主要由料筒壓蓋、料筒、保溫套、噴嘴組成.料筒壓蓋與不銹鋼料筒密封連接,壓縮氣體從料筒壓蓋進(jìn)入料筒內(nèi),作用于熔融態(tài)石蠟尾部.噴嘴與料筒連接,外部設(shè)有保溫套防止噴嘴堵塞.

圖1 氣動式石蠟熔融沉積裝置Fig.1 Pneumatic paraffin FDM device

壓力控制模塊主要由壓力控制器與電磁閥組成,以調(diào)節(jié)氣體壓力和通斷.

溫度控制模塊主要由K型熱電偶的溫度控制器和環(huán)形電阻加熱套組成.

運(yùn)動控制模塊主要由多軸控制器、驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器以及滾珠絲杠滑臺組成,精確控制基板在x,y,z3個方向的運(yùn)動.

1.2 測量方法

本文針對石蠟熔融沉積的線寬(w)進(jìn)行研究,采用視頻顯微鏡(萊卡公司YYV-200E)觀測基板上凝固后的石蠟,并使用相關(guān)圖像處理軟件測量線寬.

平均線寬為

圖2 一次實驗測量的15條線寬Fig.2 The width of 15 lines measured in one experiment

2 正交試驗

與石蠟線寬(w)相關(guān)的FDM工藝參數(shù)如圖3所示,分別是溫度(t)、氣壓(P)、噴嘴直徑(d)、基板移動速度(v)、噴嘴距離基板高度(h).

由于線寬(w)的影響因素較多,因此采用了多因素(i)、多水平(j)正交試驗法的研究方法,具有“均勻分散,齊整可比”的數(shù)據(jù)特點,減少了試驗次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)可信度[8-11].

2.1 正交試驗

本文的正交試驗中有5個基本因素:t,P,d,v,h,考慮到可能存在的隨機(jī)誤差,增加了1個隨機(jī)誤差因素.每個因素取5個水平,本試驗選用L2556標(biāo)準(zhǔn)正交表(見表1).

表1 正交試驗表(L2556)Tab.1 Orthogonal experiment table(L2556)

正交試驗的結(jié)果如表2所示.

2.2 實驗結(jié)果分析

對正交試驗結(jié)果采用無重復(fù)試驗的方差分析,討論各個工藝因素對線寬的影響.

總偏差平方和SST為

(4)

各因素偏差平方和SSj為

(5)

隨機(jī)誤差引起的偏差平方和SSe為

(6)

表2 正交試驗結(jié)果(L2556)Tab.2 Result of orthogonal experiment (L2556)

隨機(jī)誤差的偏差平方和SSe為所有空列所對應(yīng)的偏差平方之和.

自由度f的計算為

式中:ftotal為總自由度;fi為i因素自由度;fe為隨機(jī)誤差自由度

i因素的均方與誤差均方的比值Fi表達(dá)式為

(10)

利用因素均方與誤差均方的比值可以檢驗因素影響的顯著性,Fi服從F分布.Fi值的大小反映某一因素所有水平對試驗指標(biāo)的影響.Fi值越大時,該因素的水平對試驗指標(biāo)的影響越大.F值接近1時,該因素的水平對試驗指標(biāo)的影響無明顯差異.

通過用Fi值與Fc(臨界值)進(jìn)行比較來衡量因素水平對指標(biāo)的影響大小,其中顯著性水平α一般取α=0.05與α=0.1,并進(jìn)行比較:

當(dāng)FF0.1時,試驗因素對試驗指標(biāo)的影響比較顯著,標(biāo)記為“”.

當(dāng)Fi<6.39時,試驗因素對試驗指標(biāo)的影響不顯著,不做記號;當(dāng)6.3915.98時,試驗因素對試驗指標(biāo)的影響比較顯著,標(biāo)記為“”.

正交試驗結(jié)果的方差分析如表3所示.

表3 石蠟線寬的方差分析Tab.3 Analysis of variance on paraffin width

由表3可知,噴嘴直徑(d)的變化對石蠟線寬有顯著的影響.根據(jù)Fi值的大小,影響線寬的主次順序分別為:噴嘴直徑(d)>氣壓(P)>基板移動速度(v)>噴嘴距離基板高度(h)>溫度(t)>隨機(jī)誤差(e).方差分析結(jié)果表明,噴嘴直徑(d)與氣壓(P)對石蠟沉積成型的線寬影響最顯著,基板移動速度(v)對沉積成型的影響較為顯著.

結(jié)合表2的實驗參數(shù),得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為:d=0.4 mm,P=0.2 MPa,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃.

3 單因素驗證試驗

3.1 噴嘴直徑對線寬的影響

根據(jù)正交試驗結(jié)果,設(shè)定最優(yōu)的工藝參數(shù)P=0.2 MPa,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃,選取不同直徑的噴嘴d=0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,對噴嘴直徑(d)進(jìn)行單因素驗證試驗(見圖4).

從圖4中可知,線寬(w)隨著噴嘴直徑(d)的增大而增加;選用d=0.4 mm的噴嘴,熔融沉積的石蠟線寬最窄,成型精度也越高.單因素驗證試驗證實了正交試驗中噴嘴直徑(d)優(yōu)水平選取的正確性.

圖4 噴嘴直徑(d)對線寬(w)的影響Fig.4 Effect of the nozzle diameter on width

3.2 氣壓對線寬的影響

根據(jù)正交試驗結(jié)果,設(shè)定最優(yōu)的工藝參數(shù)d=0.4 mm,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃,選取不同的氣壓P=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 MPa,對氣壓(P)進(jìn)行單因素驗證試驗(見圖5).

圖5 氣壓(P)對線寬(w)的影響Fig.5 Effect of the air pressure on width

從圖5中可知,線寬隨著氣壓的增大而增加;選用P=0.2 MPa的氣壓,熔融沉積的石蠟線寬最窄,成型精度也越高.單因素驗證試驗證實了正交試驗中氣壓(P)優(yōu)水平選取的正確性.

3.3 基板移動速度對線寬的影響

根據(jù)正交試驗結(jié)果,設(shè)定最優(yōu)的工藝參數(shù)d=0.4 mm,P=0.2 MPa,h=0.3 mm,t=80 ℃,選取不同的基板移動速度v=4.2,4.8,5.4,6.0,6.6,7.2 mm/s,對基板移動速度(v)進(jìn)行單因素驗證試驗(見圖6).

圖6表明,隨著移動速度增大時,線寬在不斷減小;基板移動速度(v)在5.4～7.2 mm/s時,線寬(w)在0.5 mm上下,較為平穩(wěn),適合石蠟熔融沉積成型.單因素試驗中基板移動速度取4～7 mm/s之間最優(yōu)與正交試驗中基板移動速度的優(yōu)水平為5.4 mm/s相符,驗證了正交試驗中基板移動速度的優(yōu)水平選取的正確性.

圖6 基板移動速度(v)對線寬(w)的影響Fig.6 Effect of the velocity on width

4 結(jié)語

本文研發(fā)了一套氣動式石蠟熔融沉積裝置,包含氣動擠出模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊和運(yùn)動控制模塊.采用優(yōu)化設(shè)計的方法對FDM石蠟的線寬影響因素進(jìn)行了試驗和方差分析.各個工藝參數(shù)(溫度t、氣壓P、噴嘴直徑d、噴嘴距離基板高度h和基板移動速度v之間無相關(guān)性影響;工藝參數(shù)對線寬影響的顯著性由大到小依次是噴嘴直徑、氣壓和基板移動速度;最優(yōu)參數(shù)組合為t=80 ℃,P=0.2 MPa,d=0.4 mm,v=5.4 mm/s和h=0.3 mm;單因素驗證試驗證實了正交試驗結(jié)果的正確性.

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