工业级熔融沉积快速成型机工艺参数优化

王琛?段佩姚?陆雪亿

摘 要：通过正交试验设计，选取打印材料挤出速度，成型层厚，成型方向为正交试验影响因子，探究工业级熔融沉积快速成型机最优工艺参数组合，以提高打印模型的表面质量。

关键词：正交试验;工艺参数

熔融沉积快速成型工艺原理及热熔性材料性能的限制，影响了成型件的表面粗糙度。[1]不同工艺参数的搭配，成型件表面质量不同。[2]如何在现有设备的基础上，提高表面质量，需要通过合理的参数搭配来实现，这就是工艺参数的优化。[3]本文通过正交试验法，探究工业级熔融沉积快速成型机的最优工艺参数组合。

1 试验设计

本试验使用的是工业级fotus 450快速成型机，根据熔融沉积工艺的工作原理，对成型件表面粗糙度的影响因素主要包括成型材料挤出速度、成型层厚、成型方向、成型材料的种类、挤出头温度等5个工艺参数。[4]选取其中成型材料挤出速度、成型层厚、成型方向为正交试验的影响因子。

2 试验过程

通过UG软件建模，设计X=35mm、Y=20mm、Z=5mm的长方体试件，[5]将其导出STL文件。本试验主要评定试件顶面的表面粗糙度，使用TR240型粗糙度测试仪进行测量。根据挤出速度、成型层厚、成型方向的参数组合（表1），调整fotus 450快速成型机的打印参数，制作出9组试件。对每个试件顶面的表面粗糙度值进行测量，测量及计算结果见表2。

2.1 正交因素水平表（见表1）

2.3 方差分析（见表3）

3 试验结果分析

分析数据计算表（表2）、表面粗糙度极差图（图1）和方差分析表（表3）得出以下结论：

第一，从数据计算表和极差图中可以看出，成型方向A以A1为最好。因为成型方向所属列中K1、K2、K3比较结果为K1最小，表面粗糙度值也最小。因此，在0°～90°范围内，成型方向角度值越大，成型件表面粗糙度值越小。试验中最佳成型方向角度为90°。因为在此方向上成型件受台阶效应影响最小，表面粗糙度值也最小。[6]

第二，从數据计算表和极差图中可以看出，成型层厚B以B1为最好。因为成型层厚所属列中K1、K2、K3比较结果为K1最小，表面粗糙度值也最小。因此，在0.1mm～0.3mm切片厚度范围内，切片厚度越小，成型件表面粗糙度值越小。试验中最佳成型层厚为0.1mm。

第三，从数据计算表和极差图中可以看出，挤出速度C以C2为最好。因为挤出速度所属列中K1、K2、K3比较结果为K2最小，表面粗糙度值也最小。

第四，从方差分析表中可以得出，因素C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B不显著。

第五，从极差图中可以看出，本次试验最优组合为A1B1C2，此组合不包含在试验设计中，更能说明试验的效果明显。对试验结果继续验证，按该组合对应的参数制作试件。对试件进行粗糙度测试，测得其表面粗糙度为4.956μm，低于试验设计表格中粗糙度最小值5.377μm，说明A1B1C2为最优方案。fotus 450快速成型机的最优表面质量参数组合如表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。