基于正交实验的FDM工艺机械性能优化

王琛?陆雪亿?訾然?段佩姚

摘 要：通过正交实验设计，选取成型壁厚、成型层厚、填充率为正交试验影响因子，探究FDM快速成型工艺机械性能的影响因素，以提高打印模型的机械性能。

关键词：正交实验;机械性能

熔融沉积快速成型由于材料性能和加工工艺的影响，成型件的机械性能表现不同。[1]FDM快速成型机不同工艺参数的设置对打印模型的机械性能影响较大。[2]本文通过正交试验法，探究FDM快速成型工艺机械性能的影响因素。

1 实验设计

本文研究使用型号为HoFi-2型快速成型机。根据快速成型机加工参数分类，选取加工壁厚、成型层厚、填充率为正交试验的影响因子，[3]定义如下：

加工壁厚：FDM控制程序对三维实体模型切片时，最外层轮廓向内偏置的距离，成型件壁厚的范围与其大小和形状相关。[4]

成型层厚：FDM控制程序对三维实体模型切片时相邻两层之间的高度，本次试验使用的快速成型机的成型层厚在0.1～0.3mm之间。

填充率：又称“密度”。挤出头在填充时，模型内部既有填充区域，又有未填充区域，填充区域占整体模型的比例就是模型填充率，范围在0%～100%之间。

2 实验过程

参考塑料拉伸试验方法《GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能测定》中的“模塑和挤塑的试验条件”部分。[5]使用1BA型试样。[6]通过UG软件建立试件模型，以同样的切片精度，导出STL文件。本实验主要评定试件的抗拉强度，使用万能力学试验机进行抗拉强度测量。根据加工壁厚、成型层厚、填充率的参数组合（如表1），设置HoFi-2的加工参数，制作9组试件。对9组试件进行抗拉强度测量，实验方案及结果计算见表2。

第一，正交因素水平表如表1所示。

第二，实验方案及结果计算见表2。

第三，方差分析见表3。

3 实验分析

分析表2（数据计算表）、图1（抗拉强度极差图）和表3（方差分析表）可以得出以下结论：

第一，从表2和图1中可以看出，填充率A以A3为最好。因为填充率所属列中K1、K2、K3比较结果为K3最大，抗拉强度值也最大。因此，在0%～100%的填充率范圍内，数值越大，成型件抗拉强度值也越大。

第二，从表2和图1中可以看出，成型层厚B以B3为最好。因为成型层厚所属列中K1、K2、K3比较结果为K3最大，抗拉强度值也最大。因此，在0.1～0.3mm切片厚度范围内，切片厚度越小，成型件抗拉强度值越大。

第三，从表2和图1中可以看出，成型壁厚C以C1为最好。因为挤出速度所属列中K1、K2、K3比较结果为K1最大，抗拉强度值也最大。因此，在一定成型壁厚范围内，壁厚值越大，成型件抗拉强度值也越大。

第四，从表3中可以得出，因素B在显著水平为0.1上是显著的，因素A在显著水平为0.01上是高度显著的，而因素C不显著。

第五，从图1中可以看出，本次实验最优组合为A3B3C1，这个组合并不包含在实验设计中，更能说明实验的效果明显。对此实验结果继续验证，按该组合对应的参数制作试件，对该试件进行拉伸试验，测得其抗拉强度为27.372Mpa。高于实验设计表格中抗拉强度最大值26.752Mpa。说明A3B3C1为最优方案。工艺参数优化组合如表4。

参考文献：

[1] 王琛，蒋玉婷，陆雪亿.拼合蛋椅模型的设计与制作[J].艺术科技，2019（09）：71.

[2] 瞿娟，郁舒兰.表情包的形态语义分析和认知[J].戏剧之家，2019（04）：222-223.

[3] 蔺秀媛，闫小星，尹太玉.多功能卧具设计分析[J].艺术科技，2019（07）.

[4] 第烨，靳文奎.基于老年人怀旧倾向的交互产品设计研究[J].戏剧之家，2019（14）：141-143.

[5] 高玲玲，徐伟.缩短有限定制沙发平均生产周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁忆青，王丹.冬季室内有害挥发物释放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者简介：王琛，男，南京林业大学家居与工业设计学院实验师，主要研究方向：工业设计工程。