石蠟熔融沉積的線寬試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張金松,鄭凱特,渠國洋

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是一種使用和維護(hù)簡(jiǎn)單、成本較低的增材制造技術(shù),通過逐層打印的方式來構(gòu)建物體,成型材料一般是熱塑性材料,如ABS、PC、尼龍、金屬粉等[1-2].材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化,噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng),同時(shí)將熔化的材料擠出,材料迅速固化,與周圍的材料黏結(jié)成形.每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成,上一層對(duì)當(dāng)前層起到定位和支撐的作用.隨著高度的增加,層片輪廓的面積和形狀都會(huì)改變,需要設(shè)計(jì)一些輔助支撐結(jié)構(gòu),對(duì)后續(xù)層提供定位和支撐,以保證成形過程的順利實(shí)現(xiàn)[3-7].

本文搭建了氣動(dòng)式石蠟熔融沉積裝置,包括氣動(dòng)擠出模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊.采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,研究石蠟熔融沉積過程中工藝參數(shù)對(duì)線寬的影響;采用單因素試驗(yàn)驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的正確性.

1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料選用石蠟(熔點(diǎn)為80 ℃,黏度為14.42～59.64 Pa·s).氣動(dòng)式石蠟熔融沉積裝置工作原理是電加熱料筒中的固體石蠟到融化,氣壓作用在熔融態(tài)石蠟的尾部,推動(dòng)石蠟均勻的從噴嘴中擠出,在基板上固化成型.

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

氣動(dòng)式石蠟熔融沉積裝置主要由氣動(dòng)擠出模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊組成,如圖1所示.

氣動(dòng)擠出模塊主要由料筒壓蓋、料筒、保溫套、噴嘴組成.料筒壓蓋與不銹鋼料筒密封連接,壓縮氣體從料筒壓蓋進(jìn)入料筒內(nèi),作用于熔融態(tài)石蠟尾部.噴嘴與料筒連接,外部設(shè)有保溫套防止噴嘴堵塞.

圖1 氣動(dòng)式石蠟熔融沉積裝置Fig.1 Pneumatic paraffin FDM device

壓力控制模塊主要由壓力控制器與電磁閥組成,以調(diào)節(jié)氣體壓力和通斷.

溫度控制模塊主要由K型熱電偶的溫度控制器和環(huán)形電阻加熱套組成.

運(yùn)動(dòng)控制模塊主要由多軸控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器以及滾珠絲杠滑臺(tái)組成,精確控制基板在x,y,z3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng).

1.2 測(cè)量方法

本文針對(duì)石蠟熔融沉積的線寬(w)進(jìn)行研究,采用視頻顯微鏡(萊卡公司YYV-200E)觀測(cè)基板上凝固后的石蠟,并使用相關(guān)圖像處理軟件測(cè)量線寬.

平均線寬為

圖2 一次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的15條線寬Fig.2 The width of 15 lines measured in one experiment

2 正交試驗(yàn)

與石蠟線寬(w)相關(guān)的FDM工藝參數(shù)如圖3所示,分別是溫度(t)、氣壓(P)、噴嘴直徑(d)、基板移動(dòng)速度(v)、噴嘴距離基板高度(h).

由于線寬(w)的影響因素較多,因此采用了多因素(i)、多水平(j)正交試驗(yàn)法的研究方法,具有“均勻分散,齊整可比”的數(shù)據(jù)特點(diǎn),減少了試驗(yàn)次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)可信度[8-11].

2.1 正交試驗(yàn)

本文的正交試驗(yàn)中有5個(gè)基本因素:t,P,d,v,h,考慮到可能存在的隨機(jī)誤差,增加了1個(gè)隨機(jī)誤差因素.每個(gè)因素取5個(gè)水平,本試驗(yàn)選用L2556標(biāo)準(zhǔn)正交表(見表1).

表1 正交試驗(yàn)表(L2556)Tab.1 Orthogonal experiment table(L2556)

正交試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果采用無重復(fù)試驗(yàn)的方差分析,討論各個(gè)工藝因素對(duì)線寬的影響.

總偏差平方和SST為

(4)

各因素偏差平方和SSj為

(5)

隨機(jī)誤差引起的偏差平方和SSe為

(6)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果(L2556)Tab.2 Result of orthogonal experiment (L2556)

隨機(jī)誤差的偏差平方和SSe為所有空列所對(duì)應(yīng)的偏差平方之和.

自由度f的計(jì)算為

式中:ftotal為總自由度;fi為i因素自由度;fe為隨機(jī)誤差自由度

i因素的均方與誤差均方的比值Fi表達(dá)式為

(10)

利用因素均方與誤差均方的比值可以檢驗(yàn)因素影響的顯著性,Fi服從F分布.Fi值的大小反映某一因素所有水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響.Fi值越大時(shí),該因素的水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大.F值接近1時(shí),該因素的水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響無明顯差異.

通過用Fi值與Fc(臨界值)進(jìn)行比較來衡量因素水平對(duì)指標(biāo)的影響大小,其中顯著性水平α一般取α=0.05與α=0.1,并進(jìn)行比較:

當(dāng)FF0.1時(shí),試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響比較顯著,標(biāo)記為“”.

當(dāng)Fi<6.39時(shí),試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響不顯著,不做記號(hào);當(dāng)6.3915.98時(shí),試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響比較顯著,標(biāo)記為“”.

正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析如表3所示.

表3 石蠟線寬的方差分析Tab.3 Analysis of variance on paraffin width

由表3可知,噴嘴直徑(d)的變化對(duì)石蠟線寬有顯著的影響.根據(jù)Fi值的大小,影響線寬的主次順序分別為:噴嘴直徑(d)>氣壓(P)>基板移動(dòng)速度(v)>噴嘴距離基板高度(h)>溫度(t)>隨機(jī)誤差(e).方差分析結(jié)果表明,噴嘴直徑(d)與氣壓(P)對(duì)石蠟沉積成型的線寬影響最顯著,基板移動(dòng)速度(v)對(duì)沉積成型的影響較為顯著.

結(jié)合表2的實(shí)驗(yàn)參數(shù),得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為:d=0.4 mm,P=0.2 MPa,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃.

3 單因素驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 噴嘴直徑對(duì)線寬的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定最優(yōu)的工藝參數(shù)P=0.2 MPa,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃,選取不同直徑的噴嘴d=0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,對(duì)噴嘴直徑(d)進(jìn)行單因素驗(yàn)證試驗(yàn)(見圖4).

從圖4中可知,線寬(w)隨著噴嘴直徑(d)的增大而增加;選用d=0.4 mm的噴嘴,熔融沉積的石蠟線寬最窄,成型精度也越高.單因素驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)了正交試驗(yàn)中噴嘴直徑(d)優(yōu)水平選取的正確性.

圖4 噴嘴直徑(d)對(duì)線寬(w)的影響Fig.4 Effect of the nozzle diameter on width

3.2 氣壓對(duì)線寬的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定最優(yōu)的工藝參數(shù)d=0.4 mm,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃,選取不同的氣壓P=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 MPa,對(duì)氣壓(P)進(jìn)行單因素驗(yàn)證試驗(yàn)(見圖5).

圖5 氣壓(P)對(duì)線寬(w)的影響Fig.5 Effect of the air pressure on width

從圖5中可知,線寬隨著氣壓的增大而增加;選用P=0.2 MPa的氣壓,熔融沉積的石蠟線寬最窄,成型精度也越高.單因素驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)了正交試驗(yàn)中氣壓(P)優(yōu)水平選取的正確性.

3.3 基板移動(dòng)速度對(duì)線寬的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定最優(yōu)的工藝參數(shù)d=0.4 mm,P=0.2 MPa,h=0.3 mm,t=80 ℃,選取不同的基板移動(dòng)速度v=4.2,4.8,5.4,6.0,6.6,7.2 mm/s,對(duì)基板移動(dòng)速度(v)進(jìn)行單因素驗(yàn)證試驗(yàn)(見圖6).

圖6表明,隨著移動(dòng)速度增大時(shí),線寬在不斷減小;基板移動(dòng)速度(v)在5.4～7.2 mm/s時(shí),線寬(w)在0.5 mm上下,較為平穩(wěn),適合石蠟熔融沉積成型.單因素試驗(yàn)中基板移動(dòng)速度取4～7 mm/s之間最優(yōu)與正交試驗(yàn)中基板移動(dòng)速度的優(yōu)水平為5.4 mm/s相符,驗(yàn)證了正交試驗(yàn)中基板移動(dòng)速度的優(yōu)水平選取的正確性.

圖6 基板移動(dòng)速度(v)對(duì)線寬(w)的影響Fig.6 Effect of the velocity on width

4 結(jié)語

本文研發(fā)了一套氣動(dòng)式石蠟熔融沉積裝置,包含氣動(dòng)擠出模塊、壓力控制模塊、溫度控制模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊.采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)FDM石蠟的線寬影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)和方差分析.各個(gè)工藝參數(shù)(溫度t、氣壓P、噴嘴直徑d、噴嘴距離基板高度h和基板移動(dòng)速度v之間無相關(guān)性影響;工藝參數(shù)對(duì)線寬影響的顯著性由大到小依次是噴嘴直徑、氣壓和基板移動(dòng)速度;最優(yōu)參數(shù)組合為t=80 ℃,P=0.2 MPa,d=0.4 mm,v=5.4 mm/s和h=0.3 mm;單因素驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)了正交試驗(yàn)結(jié)果的正確性.

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