基于田口法的FDM3D打印機工藝參數(shù)能效優(yōu)化方法

楊少遠，趙 剛,c，段家烀，高 星

(武漢科技大學(xué) a.冶金裝備及其控制教育部重點實驗室；b.機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室；c.機械自動化學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

相對于傳統(tǒng)的機械加工方法，3D打印機技術(shù)更符合綠色制造的理念，但目前仍屬于高能耗、高浪費和低環(huán)保的技術(shù)。3D打印機能源供應(yīng)主要來源于電能，在實際生產(chǎn)方面，與傳統(tǒng)的注塑機相比，生產(chǎn)同等重量下的產(chǎn)品，3D打印機耗能更多[1]。3D打印機技術(shù)作為一項潛力巨大的先進制造技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)的去除型制造技術(shù)，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了無限新的可能。在加工方面，除了考慮到生產(chǎn)成品的精度和打印速度以外，如何降低能源消耗顯得極其重要。

目前國內(nèi)各大高校及企業(yè)主要研究集中在如何提高3D打印機的加工速度[2]、精度[3]等方面。環(huán)境問題越來越受到制造業(yè)重視[4]，針對3D打印加工過程而言，其能耗、污染及浪費問題日益突出。對于3D打印技術(shù)的能耗問題國外已有專家學(xué)者進行了研究。Luo等[5]提出一種用于分析固化成形技術(shù)的環(huán)境績效的方法。Sreenivasan和Bourell[6]從能耗的角度對激光燒結(jié)技術(shù)的可持續(xù)進行了分析。Perry等[7]在增材制造方面跨平臺的加工參數(shù)對能耗的影響進行了研究。Kellens等[8]獲取并分析了激光燒結(jié)的功率消耗的詳細數(shù)據(jù)。Morrow等[9]進行研究了一種被稱為直接金屬沉積的增材制造技術(shù)的平均能耗。此外，研究表明使用移動噴頭的材料沉積的增材制造技術(shù)，比如直接金屬沉積及焊接系統(tǒng)的熔融效率比粉末床低[10]。Baumers等[11]將兩種主流聚合物激光燒結(jié)平臺的電力消耗進行了比較評估。

可見，對于3D打印能耗研究國內(nèi)極少開展，而國外主要集中在激光燒結(jié)技術(shù)上，對于FDM技術(shù)的能耗研究甚少。FDM成型打印技術(shù)可靠性高且成本低且，廣泛應(yīng)用在實際生產(chǎn)中。為了分析FDM3D打印機的能源消耗及加工時間與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，擬通過田口法設(shè)計實驗，采集實驗數(shù)據(jù)并利用信噪比進行建模分析，研究工藝參數(shù)對FDM3D打印機加工能耗和加工時間的影響。

1 FDM3D打印機能耗優(yōu)化方法

1.1 田口法

本文擬通過田口法，采用多個工藝參數(shù)進行組合實驗，分析FDM3D打印機能耗以及加工時間隨工藝參數(shù)改變所產(chǎn)生的變化趨勢。田口法采用正交表進行實驗設(shè)計，能減少試驗次數(shù)且選取的水平組合具有代表性，可以比較全面的反映出在不同水平下的各因素對響應(yīng)值影響的大致情況。再用信噪比進行評價響應(yīng)值的品質(zhì)特性[12]，通過對正交實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，找出最優(yōu)參數(shù)組合，提高響應(yīng)值的品質(zhì)特性。本實驗中采用信噪比分析工藝參數(shù)對FDM3D打印機加工能耗和加工時間的影響規(guī)律，F(xiàn)DM3D打印機加工能耗和加工時間的信噪比：

(1)

其中，b為重復(fù)測量次數(shù)(本次實驗b=9)，yj為第j次重復(fù)實驗測得的響應(yīng)值，這里表示第j次實驗測得的能耗或加工時間。

1.2 FDM3D打印機能耗分析

為了能更加直觀的分析3D打印機總能耗及加工時間與工藝參數(shù)的關(guān)系，避免其他附屬功能對能耗及加工時間產(chǎn)生影響，本實驗選用只具備基本的3D打印功能的FDM3D打印機。該打印機的總體構(gòu)成如圖1所示。機械部件主要由機架、步進電機、皮帶傳動、滾軸絲杠、擠出電機、噴頭和熱床組成。電子部件主要由步進電機驅(qū)動控制器、單片機控制器、電機驅(qū)動板等組成的集成主板。軟件以切片軟件為主，本實驗選用Cura軟件，其包含有模型切片及打印機控制兩大部分。主板通過啟動電源供電，切片軟件將所需打印的3D模型轉(zhuǎn)換成G-code代碼，將其導(dǎo)入單片機，進而控制電機驅(qū)動器產(chǎn)生高低電頻，實現(xiàn)控制步進電機的運動、擠出電機的進料，完成所需模型的打印。由圖1可知，熱床、噴頭、步進電機等是FDM3D打印機的主要耗能元件。該打印機在整個加工過程中每個階段的功率各不相同，主要有4個階段分別為待機，預(yù)熱，加工，冷卻。

圖1 FDM3D打印機總體構(gòu)成

由圖1可知，熱床、噴頭、步進電機等是FDM3D打印機的主要耗能元件。該打印機在整個加工過程中每個階段的功率各不相同，主要有4個階段分別為待機，預(yù)熱，加工，冷卻。

(1)待機功率：主要指基礎(chǔ)元器件(主板、熱敏電阻等)在3D打印機開機后正常工作的功率，這段功率與工藝參數(shù)無關(guān)。

(2)預(yù)熱功率：指打印機熱床和噴頭加熱到設(shè)定的打印溫度這一過程的功率，這段功率與工藝參數(shù)有關(guān)。

(3)加工功率：指模型進行加工時的總功率，包括基礎(chǔ)功率，熱床和噴頭保持打印溫度的功率，步進電機、擠出電機及擠出電機散熱風(fēng)扇的功率，這段功率與工藝參數(shù)有關(guān)。

(4)冷卻功率：指模型打印完成后，器件冷卻到室溫的功率，這段功率與工藝參數(shù)無關(guān)。

因此，F(xiàn)DM3D打印機加工總能耗為：

(2)

FDM3D打印機加工時間為：

T=T1+T2+T3+T4

(3)

其中，P1(t),P2(t),P3(t),P4(t)分別為待機、預(yù)熱、加工、冷卻4個階段的功率；T1,T2,T3,T4分別為待機，預(yù)熱，加工，冷卻4個階段所經(jīng)歷的時間。

2 基于田口法的優(yōu)化實驗設(shè)計

2.1 FDM3D打印機主要工藝參數(shù)的確定

在FDM3D打印機快速成型系統(tǒng)中，許多工藝參數(shù)對3D打印機加工過程中的能耗及加工時間有著密切影響，主要有: 熱床溫度、分層厚度、填充方式、噴頭溫度、打印速度、噴嘴直徑等[13]。理論分析中，上述這些因素中或多或少都對3D打印機的能耗及加工時間產(chǎn)生一定的影響，但在實際生產(chǎn)中，用戶所能調(diào)控的參數(shù)并不多，因此本次實驗選取4個起主要作用且易于調(diào)控的工藝參數(shù)對3D打印機能耗和加工時間的影響進行實驗分析，分別為熱床溫度x1、噴頭溫度x2、打印速度x3和分層厚度x4。

2.2 實驗設(shè)備及模型

實驗設(shè)備選用自制FDM3D打印機，選材為PLA(聚乳酸，polylactic acid)3D打印機的功率及能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測采用WT1800高精度功率分析儀，直接獲得3D打印機在待機，預(yù)熱，加工，冷卻4個階段的能耗及時間數(shù)據(jù)，打印模型為任意選取的三維模型——圓柱。如圖2、圖3所示。

圖2 FDM3D打印機能耗測試實驗加工模型

圖3 FDM3D打印機能耗測試實驗設(shè)備

2.3 正交實驗設(shè)計

本次實驗設(shè)計選取熱床溫度x1、噴頭溫度x2、打印速度x3、分層厚度x4作為4個實驗因素，根據(jù)打印機的實際工作條件選取實驗范圍x1=(60～70)℃，x2=(185～195)℃，x3=(50～70)mm/min，x4=(0.1～0.2)mm。各實驗因數(shù)根據(jù)實驗范圍設(shè)定三個水平，如表1所示。

為保證實驗的準確性，選用實驗次數(shù)較多的L27(313)正交表進行實驗設(shè)計，以工藝參數(shù)的不同水平作為自變量，以FDM3D打印機的能耗E和加工時間T作為目標值，依次進行實驗。為了使實驗數(shù)據(jù)不受外界因數(shù)干擾，每組實驗經(jīng)歷整個打印機工作狀態(tài)，開機后和關(guān)機前分別進行30s的待機，防止實驗數(shù)據(jù)受待機時間差異過大的影響。同時每做完一組實驗后，等待熱床和噴頭的溫度降至室溫，再進行下一組實驗，防止實驗結(jié)果受環(huán)境溫度的影響。

表1 影響因數(shù)及水平

3 結(jié)果與討論

實驗方案和實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交表及實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

通過對實驗結(jié)果分別與工藝參數(shù)進行方差分析，可獲得各工藝參數(shù)對目標值的影響程度，F(xiàn)值越大說明該工藝參數(shù)對目標值的影響越大，如表3、表4所示。再通過采用1.1節(jié)提到的信噪比來分析工藝參數(shù)對FDM3D打印機加工能耗和加工時間的影響規(guī)律，如圖4、圖5所示。圖中反映了FDM3D打印機加工過程中在其工藝參數(shù)三個水平下的能耗與加工時間的信噪比圖，每個工藝參數(shù)的三個水平值作為橫軸，其對應(yīng)的信噪比值作為縱軸。

表3 能耗方差分析

表4 時間方差分析

根據(jù)表3、表4可看出，分層厚度x4是影響FDM3D打印機加工過程中能耗和時間的核心因素，若只控制噴頭溫度x2和打印速度x3則改善效果不明顯。這表明在實際加工中，應(yīng)著重控制分層厚度x4和熱床溫度x1并協(xié)調(diào)控制打印速度x3和噴頭溫度x2的情況下，才能顯著地降低能耗和提高生產(chǎn)效率。

圖4 能耗信噪比

圖5 加工時間信噪比

由圖4可知，能耗信噪比隨熱床溫度、噴頭溫度的升高而降低，由公式(1)可知能耗升高；能耗信噪比隨著打印速度、分層厚度的增大而增加，同理可得能耗降低，則面向高能效的最優(yōu)參數(shù)組合為{x1=60,x2=185,x3=70,x4=0.20}；由圖5可知，時間信噪比隨熱床溫度升高而降低，同理可得加工時間增加；時間信噪比隨打印速度、分層厚度的增大而增加，同理可得加工時間減少；時間信噪比隨著噴頭溫度升高先增加后減少，同理可得加工時間先減少后增加，則面向高效率的最優(yōu)參數(shù)組合為{x1=60,x2=190,x3=70,x4=0.20}。

4 結(jié)論

通過田口法建立了工藝參數(shù)與FDM3D打印機的能耗模型，研究了3D打印機能耗和加工時間與熱床溫度、噴頭溫度、打印速度及分層厚度之間的關(guān)系。實驗表明想要降低3D打印機能耗，一方面在選取實驗許可范圍內(nèi)較低的熱床溫度和噴頭溫度外；另一方面選擇盡可能大的打印速度和分層厚度。想要提高打印效率，一方面在選取實驗范圍內(nèi)較低的熱床溫度和盡可能大的打印速度外；另一方面選擇適中的噴頭溫度和盡可能大的分層厚度。