基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的FDM成型件尺寸精度的優(yōu)化分析

高善平

（泉州信息工程學(xué)院，泉州 362000）

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基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的FDM成型件尺寸精度的優(yōu)化分析

高善平

（泉州信息工程學(xué)院，泉州 362000）

摘 要：本文主要對(duì)FDM熔融堆積成型中成型件的尺寸精度進(jìn)行研究。根據(jù)成型工藝過程，在眾多影響因素中選擇主要因素，采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以尋求保證成型件尺寸精度的最優(yōu)組合參數(shù)，并為后期設(shè)備及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)健設(shè)計(jì) FDM 尺寸精度

引言

FDM熔融快速成型誕生于20世紀(jì)80年代。該技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品的制造周期，降低成本，且成型設(shè)備操作維修方便、無(wú)污染，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。但是，由于該技術(shù)制造產(chǎn)品的精度低、機(jī)械性能差等原因，使其應(yīng)用只停留在模型制造、樣品開發(fā)等，而對(duì)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)驗(yàn)證、裝配檢驗(yàn)或者用于模具制造，則需要成型件具有較高的尺寸精度和機(jī)械性能。因此，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上研究FDM的成型工藝，甚至通過研究改進(jìn)設(shè)備的精度都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 影響因素及主要工藝參數(shù)

FDM熔融堆積成型主要包括數(shù)據(jù)模型處理、成型過程及制件后處理等過程。根據(jù)其整個(gè)加工工藝過程，分析總結(jié)影響制件精度的因素。其中，有部分專家已對(duì)設(shè)備及原始文件帶來(lái)的誤差進(jìn)行了研究，也有部分人對(duì)成型過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析，主要包括分層厚度、噴嘴直徑、成型方向、噴頭溫度、環(huán)境溫度、擠出速度、填充速度（指輪廓掃描速度）、填充方式、網(wǎng)格間距、理想輪廓線的補(bǔ)償量、開啟延遲時(shí)間、關(guān)閉延遲時(shí)間。但是，各有各的研究成果，但還未完全解決FDM工藝上的缺陷。本文主要從成型過程中成型絲的變化出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相同、噴嘴尺寸相同、排除大部分外部干擾的基礎(chǔ)上，主要選取分層厚度、掃描速度、擠出速度、碰頭溫度、環(huán)境溫度等五個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行研究。

2 田口方法——望小特性

田口方法是由田口玄一博士在1950-1960年代提出的品質(zhì)設(shè)計(jì)工程，即穩(wěn)健化設(shè)計(jì)。田口法是一種根據(jù)生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。該方法通過實(shí)驗(yàn)分析各工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并為加工制造過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。田口實(shí)驗(yàn)法跟傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比，優(yōu)勢(shì)在于其可以大大減少實(shí)驗(yàn)的工作量，主要依靠控制因子（即工藝參數(shù)）及其水準(zhǔn)的數(shù)目選用適當(dāng)?shù)恼粚?shí)驗(yàn)表，通過實(shí)驗(yàn)比較及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，找到產(chǎn)品誤差最小的制造工藝，從而提升產(chǎn)品的質(zhì)量并，降低生產(chǎn)成本。

望小特性是生產(chǎn)過程或者實(shí)驗(yàn)過程中的一種理想狀態(tài)，用y表示。在工作過程中，要求產(chǎn)品的質(zhì)量能夠達(dá)到最佳狀態(tài)，即y越小越好，最好為零，如產(chǎn)品的尺寸、粗糙度等。因此，望小特性的S/N定義為：

其中，n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)、yi為第i次實(shí)驗(yàn)的品質(zhì)特性值。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x擇

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇必須在滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的前提下，保證其高效率和低成本。本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證成型件尺寸精度，根據(jù)FDM成型特點(diǎn)，噴頭掃描時(shí)主要是在X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。其中，X、Y是在同一個(gè)工作臺(tái)平面，掃描精度影響不大，但成型質(zhì)量受到不定因素——掃描長(zhǎng)度的影響，因此，X、Y選擇不同長(zhǎng)度。另外，Z軸的成型方向有堆積影響，可以選擇跟X、Y某個(gè)長(zhǎng)度相同的尺寸來(lái)衡量其誤差。考慮上述因素，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)成30mm×10mm×10mm，如圖1所示。

圖1 試件模型

3.2 控制因子及水準(zhǔn)

通過以上分析，造成FDM熔融堆積快速成型制件精度的因素很多，在此選擇分層厚度、擠出速度、填充速度、噴嘴溫度、環(huán)境溫度（即成型室溫度）等因素作為控制因子。由于碰頭的直徑一般為0.15～0.4mm，因此選取工藝參數(shù)水準(zhǔn)時(shí)，要盡量選擇區(qū)間內(nèi)的參數(shù)。在此，我們?nèi)》謱雍穸葹?.2～0.3mm，則對(duì)應(yīng)地確定了控制因子及其水準(zhǔn)，如表1所示。

表1 控制因子與水平

根據(jù)FDM成型的工藝過程，成型絲的形態(tài)變化除了受到上述因素影響外，同時(shí)也受到各因素之間的交互影響，如擠出速度和填充速度的協(xié)調(diào)關(guān)系、噴頭溫度與環(huán)境溫度之間的相互影響等。根據(jù)這幾個(gè)主要因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表頭如表2所示。

表2 表頭設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過本次測(cè)驗(yàn)，主要目的在于確定成型件尺寸方向的加工誤差。在此，我們假設(shè)試件的長(zhǎng)、寬、高的尺寸誤差分別用△L%、△W%、△H%表示。在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、相同環(huán)境下，盡量避免外部因素的影響，先后共進(jìn)行了27次實(shí)驗(yàn)，且保證成型件在充分冷卻后進(jìn)行測(cè)量。由于成型過程中，難免會(huì)出現(xiàn)一些不可控因素對(duì)試件的成型過程產(chǎn)生影響，因此在測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸時(shí)，需要多次測(cè)量后取其平均值作為其最終尺寸誤差，并根據(jù)穩(wěn)健設(shè)計(jì)理論計(jì)算出信噪比，具體結(jié)果如表3所示。

表3 試件各尺寸方向的信噪比

對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，X、Y、Z方向均存在尺寸誤差。其中，雖然X、Y方向同為工作臺(tái)上的成型方向，但X方向比Y方向誤差大，說(shuō)明長(zhǎng)度越長(zhǎng)誤差越大，且二者均小于設(shè)計(jì)尺寸，而Z方向則大于設(shè)計(jì)尺寸。根據(jù)表3中的S/N數(shù)據(jù)，繪制各水平與5個(gè)控制因子關(guān)系的極差圖。在此，以X方向的極差圖為例，如圖2所示，其他兩個(gè)方向的表現(xiàn)方法與其一致。

圖2 X方向的極差圖

根據(jù)以上極差圖，可以較清晰地分析出5個(gè)主要控制因子水平高低對(duì)成型件三方向尺寸精度的影響，并可以推導(dǎo)出X方向各控制因子的最佳水平組合為A3B3C2D2E2，即分層厚度取3水平，掃描速度位3水平，填充速度、噴嘴溫度、成型室溫度分別取2水平時(shí)，可獲得X向的最高尺寸精度。此外，可以分析推導(dǎo)出影響各個(gè)方向尺寸精度的因子水平數(shù)是不同的。如果對(duì)單個(gè)方向上的尺寸精度要求較高，可參考最優(yōu)組合適當(dāng)取值；但如果考慮到整個(gè)試件的精度，則需要綜合考慮各控制因子對(duì)三個(gè)方向的影響情況，綜合選定其水平。

5 結(jié)論

本文主要研究FDM熔融堆積成型件尺寸精度的最優(yōu)成型工藝參數(shù)，運(yùn)用田口方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、分析，尋找保證尺寸精度的最優(yōu)組合工藝，結(jié)論如下。

（1）該實(shí)驗(yàn)是在其他因素一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，可保證五個(gè)工藝參數(shù)對(duì)成型精度的影響不引入外部因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為可靠。

（2）通過田口方法進(jìn)行工藝參數(shù)的組合，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表頭，進(jìn)行合理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，工藝參數(shù)的優(yōu)化能夠進(jìn)一步改善產(chǎn)品的尺寸精度，但是沒辦法完全消除。其中，X、Y方向尺寸與工作臺(tái)平行，工藝參數(shù)對(duì)兩者的影響區(qū)別不大，但受成型尺寸的影響，長(zhǎng)度越大誤差越大。

參考文獻(xiàn)

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Optimization Analysis of Dimensional Accuracy of FDM Shaped Parts Based on Robust Design

GAO Shanping
（Quanzhou Institute of information engineering， Quanzhou 362000）

Abstract:This paper mainly studies the dim ensional accuracy of the molded parts in the FDM melt accumulation process. According to the m olding process， in many factors that affect selection factors， using robust design method to design the parameters of experiment and seek to ensure that the optimum combination of parameters of molding parts siz e precision， and provides the basis for the later equipm ent and process parameter optimization.

Key words:robust design， FDM， dimensional accuracy

基金項(xiàng)目：2014年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（科技A類）“FDM快速成型的工藝優(yōu)化研究”（JA14459）。