陳松茂 陳宇林
(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510640)
熔融沉積增材制造技術(shù)(FDM)具有一次成型、易于操作、支撐結(jié)構(gòu)去除簡(jiǎn)單、材料浪費(fèi)少且成本低、顏色多選、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于模具制造、醫(yī)療、建筑、藝術(shù)、教育等行業(yè)[1- 4]。然而,受到聚合物材料粘彈特性、機(jī)械性能、臺(tái)階效應(yīng)等因素的制約,同時(shí)提高制件成型精度和打印效率成為FDM工藝至今仍難以解決的瓶頸問題。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞FDM工藝參數(shù)優(yōu)化開展了一系列研究,以此彌補(bǔ)該工藝技術(shù)的短板。
田口正交實(shí)驗(yàn)(Taguchi)法是一種精確高效且廣泛使用的工藝參數(shù)優(yōu)化方法。Torres等[5]采用Taguchi法研究了噴嘴溫度、填充速度、光柵角度、填充率和層厚等工藝參數(shù)在高低兩個(gè)水平下對(duì)聚乳酸(PLA)制件的拉伸和斷裂性能的影響,提出了3種載荷(通用、拉伸、斷裂)工況下FDM最優(yōu)工藝參數(shù)的組合。該實(shí)驗(yàn)使用了方差分析,為FDM相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程參考,但因因素較多而水平數(shù)較少,實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易受到隨機(jī)因素的影響,且水平的高低也難控制。在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,他們還研究了層厚、填充密度和100 ℃下后續(xù)熱處理對(duì)PLA制件剪切性能的影響規(guī)律,提出了關(guān)于強(qiáng)度和延展性兩者優(yōu)化的折衷建議,為FDM多目標(biāo)優(yōu)化的平衡問題提供了參考,并且以熱處理作為因素之一的實(shí)驗(yàn)在FDM中也相當(dāng)新穎,不過仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所優(yōu)化后的工藝參數(shù)的適用性[6]。Zaman等[7]通過Taguchi法、方差分析法和信噪比分析法等研究了層厚、外殼數(shù)、填充圖案和填充率在高低兩個(gè)水平下對(duì)PLA制件和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)己烷二甲醇酯(PETG)制件抗壓性能的影響,發(fā)現(xiàn)層厚、外殼數(shù)和填充率對(duì)PLA制件的抗壓強(qiáng)度作用明顯,而PETG制件的抗壓性能對(duì)填充圖案和填充率比較敏感。同樣,因其水平數(shù)少,實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)不可控因素敏感性較大,但各分析手段保證了評(píng)估的穩(wěn)健性。Deng等[8]采用Taguchi法研究了不同工藝參數(shù)對(duì)聚醚醚酮(PEEK)制件各拉伸性能(抗拉強(qiáng)度、楊氏模量、伸展性)的影響,提出了填充速度、層厚、擠出溫度和填充率等工藝參數(shù)的最優(yōu)組合方案,并通過拉伸、彎曲和沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。3種實(shí)驗(yàn)針對(duì)性地用到了對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的試樣,對(duì)本文而言這些標(biāo)準(zhǔn)或多或少限制了實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可在一種實(shí)驗(yàn)中自行設(shè)計(jì)多形狀試樣以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)尺寸的影響。Liu等[9]采用Taguchi法,研究了層厚、光柵角度、沉積角度、氣隙、光柵寬度對(duì)PLA制件的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度的影響,結(jié)合方差分析獲得了拉伸、彎曲、沖擊性能的最佳工藝參數(shù)水平,并利用灰色關(guān)聯(lián)分析法解決了多參數(shù)耦合響應(yīng)的問題。此實(shí)驗(yàn)在類似的FDM工藝參數(shù)的宏觀優(yōu)化中具有較好的代表性,但微觀過程仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。Pan等[10]采用Taguchi法,研究了填充速度和層厚對(duì)PLA制件粘合強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)粘合強(qiáng)度與填充速度、層厚成正比關(guān)系。Dakshinamurthy等[11]通過正交實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和方差分析,研究了光柵角度、光柵寬度和層厚對(duì)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制件粘彈性的影響,發(fā)現(xiàn)層厚和光柵寬度的影響最大,占比分別為55%和31%。Mahmood等[12]同樣采用Taguchi法,針對(duì)不同幾何特征制件,研究了試樣寬、厚、外殼數(shù)及填充密度對(duì)ABS制件尺寸精度的影響,揭示了各工藝參數(shù)對(duì)尺寸精度的敏感度。此實(shí)驗(yàn)注意到了試樣尺寸的影響性,這在FDM工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中的研究是相當(dāng)稀有的。
以上絕大部分研究均忽略了一個(gè)FDM工藝參數(shù)優(yōu)化過程中客觀存在的現(xiàn)象:在相同絲材、成型設(shè)備和工藝參數(shù)條件下打印不同尺寸規(guī)格制件時(shí)會(huì)存在尺寸精度差異性的問題。如果忽略了這種差異性,在采用不同質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)會(huì)引起錯(cuò)誤導(dǎo)向。對(duì)此,本文以3種尺寸規(guī)格PLA試樣為例,選擇層厚、填充速度、噴頭溫度和填充率為主要工藝參數(shù)因子,選取尺寸偏差、尺寸誤差和打印時(shí)間為打印質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),采用Taguchi法及極差分析法研究不同尺寸規(guī)格與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)PLA試樣熔融沉積工藝參數(shù)優(yōu)化的影響機(jī)制。
參考GB/T 9341—2008、GB/T 1040.2—2006標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[5,9,13- 14]所述的拉伸、彎曲等試樣類型,設(shè)計(jì)如圖1所示的3種試樣尺寸規(guī)格,分別命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試樣。統(tǒng)一定義寬度方向?yàn)閄軸方向,長(zhǎng)度方向?yàn)閅軸方向,厚度方向?yàn)閆軸方向,3種試樣的厚度取值均為4 mm。
圖1 3種尺寸規(guī)格的PLA試樣Fig.1 Three dimensions of PLA samples
選取尺寸精度和打印效率為質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。尺寸精度由尺寸誤差和尺寸偏差來評(píng)估,前者以百分比形式表示[15- 16],后者以絕對(duì)值形式表示[17- 18];打印效率由打印時(shí)間來評(píng)估。等效尺寸誤差E和等效尺寸偏差e分別由各自X、Y、Z方向的尺寸誤差和尺寸偏差計(jì)算獲得,具體計(jì)算公式如下:
(1)
(2)
E=ΔX+ΔY+ΔZ
(3)
e=|eX|+|eY|+|eZ|
(4)
式中,eX、eY、eZ為3個(gè)方向的尺寸偏差,ΔX、ΔY、ΔZ為3個(gè)方向的尺寸誤差,Xi、Yi、Zi為試樣尺寸的測(cè)量平均值,X、Y、Z為尺寸設(shè)計(jì)的理論值。
PLA是一種結(jié)晶型聚合物材料,加熱熔化后會(huì)膨脹[19],冷卻成型后會(huì)收縮[20],并伴有彈性回復(fù)。因此在測(cè)量試樣尺寸之前,須將已完成打印的試樣從熱床上取下并靜置24 h,以保證試樣已定型,減小PLA材料剛成型時(shí)的熱收縮不穩(wěn)定帶來的測(cè)量誤差(見圖2)。
圖2 材料收縮帶來的測(cè)量誤差Fig.2 Measuring error due to material shrinkage
為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,統(tǒng)一采用如圖3所示的卡尺測(cè)量點(diǎn)方案。其中,測(cè)量Ⅰ、Ⅱ型試樣的X和Z方向尺寸時(shí),選取Y方向的3個(gè)四等分位置作為測(cè)量點(diǎn);測(cè)量Ⅲ型試樣的X和Z方向尺寸時(shí),分別選取Y方向的外部寬邊兩端中間位置和內(nèi)部窄邊3個(gè)四等分位置作為測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)的Xi、Zi,取平均值并代入式(1)、(2),計(jì)算獲得尺寸偏差Xe、Ze和尺寸誤差ΔX、ΔZ。測(cè)量3種試樣的Y方向尺寸時(shí),選取寬邊兩端中間位置作為測(cè)量點(diǎn),重復(fù)測(cè)量3次并記錄對(duì)應(yīng)的Yi值,取平均值并代入式(1)、(2),計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)的Ye、ΔY。最后,根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的等效尺寸誤差E和等效尺寸偏差e。
采用國(guó)產(chǎn)某型號(hào)PLA絲材,直徑為(1.75±0.02)mm,熔化溫度范圍為190~220 ℃,密度為(1.25±0.05)g/cm3。
FDM設(shè)備采用高諾A001型國(guó)產(chǎn)桌面打印機(jī)(圖4(a)所示),噴嘴孔徑為0.4 mm,層厚范圍為0.05~0.40 mm,最高填充速度為200 mm/s,X、Y軸定位精度為0.025 0 mm,Z軸定位精度為0.012 5 mm。測(cè)量?jī)x器選用LF170型鋅合金電子數(shù)顯卡尺(見圖4(b)),分辨率為0.01 mm。
采用四因素三水平的L9(34)陣列田口正交實(shí)驗(yàn)表,以層厚(A)、填充速度(B)、噴頭溫度(C)和填充率(D)為主要因子,各水平對(duì)應(yīng)因子的取值如表1所示。其他FDM工藝參數(shù)取值如下:壁厚、底/頂層厚均為0.4 mm,熱床溫度為65 ℃,回絲速度為40 mm/s,回退長(zhǎng)度為4.5 mm,空移速度為90 mm/s,底/頂層速度為20 mm/s,外壁打印速度=內(nèi)壁打印速度=填充打印速度=填充速度,并在打印過程中保持不變。所有試樣的打印均在26 ℃室溫下進(jìn)行。打印開始前,須將熱床平臺(tái)調(diào)平,噴頭位置歸0,同時(shí)熱床預(yù)熱至65 ℃。為了盡可能減少外界因素帶來的誤差,每次只打印一個(gè)試樣,并且每個(gè)試樣在平臺(tái)上的初始位置、相同類型試樣的打印位置均相同。每組試樣至少進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),測(cè)量、記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)和打印時(shí)間。
圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器Fig.4 Experimental device and instrument
表1 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表Table 1 L9(34)orthogonal experimental table
以尺寸偏差評(píng)價(jià)指標(biāo)分析不同規(guī)格試樣在各因素水平下的尺寸精度差異性。圖5顯示了1-9組的尺寸偏差變化曲線。
從圖5(a)可以看出:3種試樣的等效尺寸偏差e值總體呈波浪遞增趨勢(shì),且在第8組工藝參數(shù)水平下達(dá)到最高值;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試樣e值的變化范圍分別是0.12~0.76、0.16~0.66、0.42~0.64 mm;各試樣之間e值大小也存在差別,Ⅲ型試樣e值除了在第8組小于Ⅰ型試樣外,其余均大于其他兩種試樣;而Ⅰ、Ⅱ型試樣e值在不同組各有高低。
從圖5(b)、5(c)、5(d)可以發(fā)現(xiàn):除了第7-9組Ⅲ型試樣的eZ值變化趨勢(shì)與另兩種試樣相反外,各變化趨勢(shì)均呈波浪遞增趨勢(shì),且大部分尺寸偏差在第8組或者接近第8組時(shí)達(dá)到最高值;同一組不同方向的尺寸偏差有明顯的差異性,eX主要表現(xiàn)為Ⅲ≈Ⅱ>Ⅰ,eY為Ⅰ>Ⅱ>>Ⅲ,eZ在第1-6組為Ⅱ≈Ⅲ>>Ⅰ、在第7-9組為Ⅲ>Ⅱ>>Ⅰ(“≈”表示前后兩者接近但前者總體比后者稍大,“>”表示前者絕大部分情況下大于后者,“>>”表示前者在任何情況下均大于后者且差值不小)。造成以上尺寸精度差異性的原因如下:
(1)試樣的長(zhǎng)寬比或長(zhǎng)厚比越大,對(duì)寬或厚邊尺寸精度差異性的影響越弱。由PLA材料可壓縮性和各向異性[21]可知,長(zhǎng)邊越小,冷卻時(shí)對(duì)短邊收縮的抑制作用越弱,另兩個(gè)方向越容易收縮變形,隨著長(zhǎng)寬比或長(zhǎng)厚比的增大,這種抑制作用將加強(qiáng),使寬和后邊實(shí)際尺寸比理論值大的概率增加。因此,相同組3種尺寸規(guī)格試樣的eX、eZ大致呈現(xiàn)出Ⅲ≈Ⅱ>Ⅰ的現(xiàn)象。
圖5 3種PLA試樣的尺寸偏差變化曲線
(2)長(zhǎng)邊尺寸是引起Y方向尺寸精度差別較大的主要原因。冷卻時(shí),長(zhǎng)邊收縮引起的形變要比其他邊大,導(dǎo)致Y方向的實(shí)際尺寸測(cè)量值比理論值小,根據(jù)應(yīng)變和形變的關(guān)系,應(yīng)變相同的情況下尺寸越大的邊收縮效果越明顯,eY越小。因此,相同水平下3種尺寸規(guī)格試樣的eY大致呈現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>>Ⅲ的現(xiàn)象。
(3)因素A(層厚)對(duì)Z方向尺寸精度差異性的影響較大,當(dāng)層厚增大到一定值后將會(huì)引起eZ的較大波動(dòng)。由圖5(d)中可見,前6組(層厚為0.1、0.2 mm)的eZ均維持在一個(gè)較小幅值(±0.1 mm)范圍內(nèi)波動(dòng),但后3組實(shí)驗(yàn)(層厚為0.3 mm)的eZ值出現(xiàn)了較大波動(dòng),Ⅰ型試樣的eZ波動(dòng)范圍下降至-0.15~-0.20 mm,Ⅱ、Ⅲ型試樣的eZ值波動(dòng)范圍上升至0.15~0.25 mm。主要原因是PLA熔絲經(jīng)噴嘴擠出沉積后均會(huì)向反方向(即Z方向)產(chǎn)生一定量的回彈,隨著層厚的增大,回彈越明顯,eZ的波動(dòng)幅度越大。同時(shí),當(dāng)前層沉積材料的回彈會(huì)受到下一層材料熔覆的壓力抑制,相鄰層間存在一個(gè)周期時(shí)間,該時(shí)間決定了該層的回彈抑制作用,而頂層的回彈不受抑制,也決定了Z方向高度。 Ⅰ型試樣由于尺寸規(guī)格較小,周期相對(duì)較短,回彈抑制作用明顯,同時(shí)隨著層厚的增大,eZ呈現(xiàn)出在負(fù)范圍內(nèi)較大幅度的波動(dòng)特性;而Ⅱ、Ⅲ型試樣由于尺寸規(guī)格逐步變大,周期變長(zhǎng),回彈抑制作用減弱,同時(shí)隨著層厚的增大,eZ呈現(xiàn)出正范圍內(nèi)較大幅度的波動(dòng)特性。另外,噴嘴與熱床間隙大小直接影響了每一層熔絲的高度和線寬[22],同時(shí)也間接對(duì)Z方向的尺寸精度造成影響。因此,Z方向的尺寸精度差異性更加復(fù)雜。
由表2分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):Ⅰ型試樣因素順序?yàn)锳>B>D>C,Ⅱ型為A>D>B>C,Ⅲ型為A>C>D>B;Ⅰ型試樣優(yōu)組合為A1B3C1D2(誤差指標(biāo))和A1B3C3D1(偏差),Ⅱ型為A1B3C3D1(誤差指標(biāo))和A1B3C2D2(偏差),Ⅲ型為A1B3C3D1(兩種指標(biāo));相同尺寸規(guī)格試樣在兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)下的因素順序相同;3種尺寸規(guī)格試樣的因素A和B優(yōu)水平相同,但Ⅰ、Ⅱ型試樣優(yōu)組合有差別。造成以上結(jié)果的原因是:
表2 3種PLA試樣等效尺寸誤差、等效尺寸偏差極差分析結(jié)果Table 2 Equivalent dimension error and equivalent dimension deviation range analysis results of three PLA samples
(1)因素A(層厚)是影響尺寸精度的最主要工藝參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)因素A的最低水平為0.1 mm,相鄰兩水平間隔為0.1 mm,均遠(yuǎn)大于試樣精度分辨率0.01 mm,因而因素A的變化對(duì)3種類型試樣尺寸精度的影響顯著,層厚越大,尺寸精度越低,同時(shí)打印效率越高,反之亦然[23- 25]。
(2)因素B(填充速度)對(duì)尺寸精度的影響隨著試樣尺寸規(guī)格的增大而減小。打印大尺寸規(guī)格試樣的外輪廓具有更充裕的時(shí)間恒速熔覆,熔絲平穩(wěn)擠出,這種穩(wěn)定擠出過程在一定程度上削弱了因素B對(duì)尺寸精度的影響。
(3)因素C(噴頭溫度)對(duì)Ⅰ、Ⅱ型試樣尺寸精度的影響最弱,但對(duì)Ⅲ型試樣尺寸精度的影響較大。因?yàn)樵诖蛴≥^大尺寸規(guī)格試樣的外輪廓過程中,因素C水平的不同會(huì)使熔絲受到的拉伸和熱收縮作用差異較大,進(jìn)而引起較大的尺寸精度誤差或偏差。
(4)因素D(填充率)對(duì)不同試樣的尺寸精度的影響相對(duì)比較復(fù)雜,主要表現(xiàn)為對(duì)Ⅰ、Ⅲ型試樣的影響較小而對(duì)Ⅱ型試樣的影響較大。這可能與試樣尺寸大小和形狀有關(guān),如圖6所示,每一層輪廓熔融沉積時(shí)均按照先外后內(nèi)的順序進(jìn)行。為了讓外輪廓和內(nèi)部填充充分粘合,二者部分掃描軌跡需重疊。重疊區(qū)域每一層新熔覆的材料會(huì)對(duì)已成型部分產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用,在一定程度上抑制了外輪廓的冷卻收縮。由于Ⅰ型試樣尺寸規(guī)格小,重疊區(qū)域少,且XY平面投影形狀為規(guī)整的矩形,填充率的變化對(duì)尺寸精度的影響不大;Ⅲ型試樣尺寸規(guī)格大,重疊區(qū)域多,但XY平面投影形狀是帶有弧度轉(zhuǎn)折的啞鈴形,熔絲在多個(gè)拐角處堆積嚴(yán)重,在一定程度上削弱了填充率對(duì)尺寸精度的影響;Ⅱ型試樣尺寸規(guī)格適中,重疊區(qū)域較多,且XY平面投影形狀為規(guī)整的矩形,反而增強(qiáng)了填充率對(duì)尺寸精度的影響。
圖6 填充軌跡結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of filling path
對(duì)比兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)的極差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn):尺寸偏差指標(biāo)用于評(píng)價(jià)試樣尺寸精度更為科學(xué)合理。因?yàn)榈刃С叽缯`差E和等效尺寸偏差e中來自X、Y、Z方向的占比具有明顯的不同(見圖7):等效尺寸偏差e的各部分的占比更為均衡,而等效尺寸誤差E則極為分散。由式(2)可知,尺寸誤差占比分散的主要原因是試樣的長(zhǎng)寬比和長(zhǎng)厚比大可導(dǎo)致極差分析中長(zhǎng)邊方向的尺寸誤差占比(如Y方向)減小,因此,尺寸誤差指標(biāo)不適用于評(píng)價(jià)各方向尺寸比值過大的制件尺寸精度,建議采用尺寸偏差指標(biāo)來評(píng)價(jià)。
圖7 3種試樣的等效尺寸偏差e和誤差E在3個(gè)方向上的占比
在打印時(shí)間的記錄中,對(duì)各試樣進(jìn)行類似表2的分析,結(jié)果(具體結(jié)果略)發(fā)現(xiàn):3種試樣的因素影響順序相同,均為A>D>C>B,且除了Ⅰ型試樣因素B的優(yōu)水平有所差異外,其他因素的優(yōu)水平均一致。由具體分析結(jié)果可知,因素A(層厚)對(duì)3種尺寸規(guī)格試樣打印效率的影響最大,因素D(填充率)次之,因素C(噴頭溫度)和因素B(填充速度)的極差均比較小,可忽略,且噴頭溫度理論上不影響打印效率。綜合而言,在評(píng)價(jià)這些試樣的打印效率時(shí),只需重點(diǎn)考慮層厚和填充率兩個(gè)因素的影響。
各試樣在各評(píng)價(jià)指標(biāo)下的工藝參數(shù)優(yōu)水平如圖8所示。不同試樣在同一評(píng)價(jià)指標(biāo)、同一工藝參數(shù)下的優(yōu)水平接近但不完全相同,說明工藝參數(shù)的優(yōu)水平受到尺寸規(guī)格的影響,但主要還是取決于其自身對(duì)FDM過程的影響程度。兩種影響均需考慮進(jìn)優(yōu)化過程中,否則所得結(jié)論受隨機(jī)因素的影響較大,容易使結(jié)論失效。對(duì)比分析結(jié)果,建議4個(gè)工藝參數(shù)的組合優(yōu)化方案設(shè)置為:以高精度為質(zhì)量評(píng)價(jià)偏好時(shí),采用尺寸偏差評(píng)價(jià)指標(biāo),Ⅰ、Ⅲ型試樣選擇層厚為0.1 mm、填充速度為120 mm/s、噴頭溫度為208 ℃、填充率為10%的方案(A1B3C3D1),而Ⅱ型試樣選擇層厚為0.1 mm、填充速度為120 mm/s、噴頭溫度為200 ℃、填充率為20%的方案(A1B3C2D2);以高效率為質(zhì)量評(píng)價(jià)偏好時(shí),忽略填充速度和噴頭溫度因素的影響,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試樣均可選擇層厚為0.3 mm、填充率為10%的方案(A3D1);同時(shí)兼顧精度和效率時(shí),綜合采用尺寸偏差和打印時(shí)間評(píng)價(jià)指標(biāo),Ⅰ型試樣選擇層厚為0.2 mm、填充速度為90 mm/s、噴頭溫度為200 ℃、填充率為10%的方案(A2B2C2D1),Ⅱ型試樣選擇層厚為0.2 mm、填充速度為120 mm/s、噴頭溫度為200 ℃、填充率為10%的方案(A2B3C2D1),Ⅲ型試樣選擇層厚為0.1 mm、填充速度為90 mm/s、噴頭溫度為208 ℃、填充率為10%的方案(A2B2C3D1)??梢钥吹?,不同試樣的結(jié)果稍微有所不同,這也證明了尺寸規(guī)格會(huì)對(duì)尺寸精度有所影響,從而影響工藝參數(shù)的優(yōu)化。此外,以上實(shí)驗(yàn)及分析除了揭示各工藝參數(shù)對(duì)尺寸精度和打印效率的影響機(jī)理之外,用該方法所得結(jié)論對(duì)不同偏好以及不同試樣尺寸規(guī)格下準(zhǔn)確地作出相應(yīng)的優(yōu)化策略具有指導(dǎo)性。但本實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)3種尺寸規(guī)格的試樣進(jìn)行了宏觀Taguchi實(shí)驗(yàn),所以未來需要收集更多樣本,以完善同類型實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果,且對(duì)復(fù)雜形狀試樣及微觀意義上的研究也需完善,本文在尺寸規(guī)格以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)上進(jìn)行了創(chuàng)新,后續(xù)可利用類似的方法進(jìn)行以除尺寸精度和打印效率外的打印質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化??傊?,尺寸規(guī)格需要受到各相關(guān)研究人員的重視。
圖8 3種試樣在3種評(píng)價(jià)指標(biāo)下的工藝參數(shù)優(yōu)水平
本文以3種尺寸規(guī)格PLA試樣為例,選取層厚、填充速度、噴頭溫度和填充率為主要工藝參數(shù)因素,采用L9(34)Taguchi田口正交實(shí)驗(yàn)法,對(duì)不同尺寸規(guī)格PLA試樣在不同質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)下的熔融沉積工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究。通過尺寸精度差異性分析和極差分析,得到以下結(jié)論。
(1)不同尺寸規(guī)格PLA試樣熔融沉積時(shí)存在尺寸精度的差異性。具體表現(xiàn)為:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試樣的等效尺寸偏差總體上呈波浪遞增趨勢(shì),而且波動(dòng)特性各不相同,其中尺寸規(guī)格較小的Ⅰ型試樣等效尺寸偏差值波動(dòng)最大,Ⅱ型試樣次之,Ⅲ型試樣波動(dòng)最小;類似地,3種試樣在X、Y、Z方向上的尺寸偏差總體上也呈波浪遞增趨勢(shì),但當(dāng)層厚最大時(shí)Ⅲ型試樣的Z方向尺寸偏差呈波浪遞減趨勢(shì);在相同工藝參數(shù)條件下,3種試樣的等效尺寸偏差和X、Y、Z方向的等效尺寸偏差值均存在差別,尺寸規(guī)格較大的Ⅲ型試樣的等效尺寸偏差總體上大于其他兩種試樣的等效尺寸偏差,而Ⅰ型和Ⅱ型試樣的等效尺寸偏差則各有高低差別;X方向的等效尺寸偏差主要表現(xiàn)為Ⅲ≈Ⅱ>Ⅰ,Y方向的尺寸偏差主要表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>>Ⅲ,Z方向的尺寸偏差值則存在兩種情況(當(dāng)層厚最大時(shí)主要表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅱ>>Ⅰ,其余情況則表現(xiàn)為Ⅱ≈Ⅲ>>Ⅰ)。
(2)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)不同尺寸規(guī)格PLA試樣的尺寸精度時(shí)存在差異性。采用尺寸誤差和尺寸偏差指標(biāo)評(píng)價(jià)相同尺寸規(guī)格試樣時(shí)得到的因素順序是相同的,但評(píng)價(jià)不同尺寸規(guī)格試樣時(shí)則有差別,主要表現(xiàn)為:影響Ⅰ型試樣尺寸精度的因素順序?yàn)锳>B>D>C,Ⅱ型試樣為A>D>B>C,Ⅲ型試樣為A>C>D>B;3種尺寸規(guī)格試樣的層厚和填充速度的優(yōu)水平都相同,但優(yōu)組合在Ⅰ、Ⅱ型試樣中有差異。由此可見:層厚對(duì)尺寸精度的影響最大,層厚越大,尺寸精度越低,但打印效率越高;填充速度對(duì)尺寸精度的影響隨著試樣尺寸規(guī)格的增大而減??;噴頭溫度對(duì)Ⅰ型和Ⅱ型試樣尺寸精度的影響最弱,但對(duì)Ⅲ型試樣尺寸精度的影響較大;填充率對(duì)Ⅰ型和Ⅲ型試樣尺寸精度的影響較小,而對(duì)Ⅱ型試樣尺寸精度的影響較大。此外,尺寸偏差指標(biāo)用于評(píng)價(jià)制件尺寸精度更為科學(xué)合理。
(3)采用打印時(shí)間評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)3種尺寸規(guī)格PLA試樣的打印效率時(shí)因素順序相同,均為A>D>C>B,并且除了Ⅰ型試樣填充速度的優(yōu)水平有差別外,其他因素的優(yōu)水平均相同。由此可知,對(duì)于不同尺寸規(guī)格試樣,層厚是影響打印效率的最大因素,其次是填充率,噴頭溫度和填充速度由于極差較小,影響微弱,故在評(píng)價(jià)打印效率時(shí)可忽略。
(4)對(duì)比4個(gè)工藝參數(shù)優(yōu)水平數(shù)據(jù)結(jié)果,可得到3種尺寸規(guī)格PLA試樣的工藝參數(shù)優(yōu)化組合方案:質(zhì)量要求傾向高精度時(shí),建議采用尺寸偏差評(píng)價(jià)指標(biāo),Ⅰ、Ⅲ型試樣選擇A1B3C3D1方案,Ⅱ型試樣選擇A1B3C2D2方案;質(zhì)量要求傾向高效率時(shí),建議采用打印時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo),忽略填充速度和噴頭溫度因素的影響,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型試樣均可選擇A3D1方案;質(zhì)量要求同時(shí)兼顧精度與效率時(shí),建議綜合采用尺寸偏差和打印時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo),Ⅰ型試樣選擇A2B2C2D1方案,Ⅱ型試樣選擇A2B3C2D1方案,Ⅲ型試樣選擇A2B2C3D1方案。