康小青,段玉崗

（1.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；2.陜西恒通智能機(jī)器有限公司，陜西 西安 710054）

熔融沉積成形FDM( fused deposion mddeling )是屬于快速成形技術(shù)中的一種。其基本工作原理是絲狀的原材料在送絲機(jī)構(gòu)輸送下至噴頭，經(jīng)過(guò)加熱器將絲材加熱到熔融狀態(tài)，然后從噴嘴擠出并粘結(jié)在成型平臺(tái)上，隨后快速冷卻并凝固成型。當(dāng)一層截面制作完成后，工作臺(tái)下降一層的高度，噴頭再繼續(xù)制作當(dāng)前層，如此重復(fù)，最終完成整個(gè)實(shí)體的制作。FDM工藝涉及CAD/CAM、數(shù)據(jù)編程、材料編制、材料制備、工藝參數(shù)設(shè)置及后處理等環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都能引起誤差。這些誤差嚴(yán)重的影響了 FDM 成形件的精度，因此，阻礙了它在快速成形技術(shù)及功能零件制造中的進(jìn)一步應(yīng)用。選擇合理的工藝參數(shù)，能在很大程度上提高成形的質(zhì)量，減小制造過(guò)程中的不足。所以，在熔融擠壓快速成形的過(guò)程中如何選擇較佳的工藝參數(shù)顯得非常重要。本文從工藝參數(shù)的設(shè)置方面對(duì)精度的影響進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和分析，最終得出較好的工藝組合。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PEEK絲材，陜西恒通智能機(jī)器有限公司自制。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高溫FDM打印機(jī)，陜西恒通智能機(jī)器有限公司自制；0～200mm的游標(biāo)卡尺，晉億有限公司。

1.3 樣品制備

用高溫FDM打印機(jī)將PEEK絲材制成長(zhǎng)×寬×厚為20mm×20mm×2mm的正方體，此樣品做為精度測(cè)試件。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省時(shí)間和材料的消耗，并使得試驗(yàn)結(jié)果既能反映XY平面方向的精度，又能反映豎直Z方向的精度，設(shè)計(jì)長(zhǎng)×寬×厚為20mm×20mm×5mm的正方體作為測(cè)試件，并采用正交試驗(yàn)的方法，對(duì)試驗(yàn)中的分層厚度、噴頭溫度、進(jìn)出速度、空走速度這四個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 因素水平表

根據(jù)表1的選用方法，選用L9（34）的正交表來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，具體設(shè)計(jì)試驗(yàn)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)表

2 基于正交試驗(yàn)的誤差分析

成形件的X、Y、Z，3個(gè)方向的尺寸誤差作為本試驗(yàn)的分析內(nèi)容。把加工好的成形件在室內(nèi)通風(fēng)干燥的環(huán)境下放置24小時(shí)以上，然后用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量成形件X、Y、Z，3個(gè)方向上的誤差值，每個(gè)成形件三個(gè)方向分別測(cè)試3個(gè)數(shù)據(jù)，其平均值作為最終的測(cè)量值。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 均值極差表

根據(jù)表3所測(cè)的成形件各方向的誤差，分別計(jì)算不同方向的均值和極差值，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表4可以看出，對(duì)于X方向成形精度影響的最佳水平組合為A3B1C3D2；即噴頭溫度為330℃，分層厚度選取0．15，進(jìn)出速度50mm/s，空走速度為50mm/s；同理分析可知，Y方向成形精度的最佳水平組合為A1B1C1D1，Z方向成形精度的最佳水平組合為A2B3C3D2。通過(guò)極差值分析可以看出，在成型加工過(guò)程中，X方向尺寸精度主要受?chē)婎^溫度和絲材進(jìn)出速度的影響，Y方向尺寸精度主要受?chē)婎^溫度和分層厚度的影響，Z方向尺寸精度主要受?chē)婎^溫度和絲材進(jìn)出速度的影響。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，影響測(cè)試模型的每個(gè)方向的尺寸精度因子水平組合并不是固定的，若對(duì)加工零件某一方向上的成形尺寸精度要求較高，可參考試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合，選擇合適的影響因子水平組合，可實(shí)現(xiàn)成形件的精確加工制造。

3 結(jié)語(yǔ)

影響FDM成型件精度的工藝參數(shù)有很多，主要有分層厚度引起的臺(tái)階效應(yīng)，噴嘴溫度引起的材料的粘結(jié)性能、堆積性能以及材料流量等；進(jìn)出速度和空走速度引起的材料填充是否充足，是否有斷絲等現(xiàn)象，這些因素都會(huì)引起成型質(zhì)量方面明顯的偏差。成型過(guò)程中需要合理設(shè)置和匹配這些參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)法，獲得了良好的成型工藝參數(shù)組合，大大的提高了成型件的尺寸精度。