基于正交實(shí)驗(yàn)的FDM工藝機(jī)械性能優(yōu)化

王琛?陸雪億?訾然?段佩姚

摘 要：通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取成型壁厚、成型層厚、填充率為正交試驗(yàn)影響因子，探究FDM快速成型工藝機(jī)械性能的影響因素，以提高打印模型的機(jī)械性能。

關(guān)鍵詞：正交實(shí)驗(yàn);機(jī)械性能

熔融沉積快速成型由于材料性能和加工工藝的影響，成型件的機(jī)械性能表現(xiàn)不同。[1]FDM快速成型機(jī)不同工藝參數(shù)的設(shè)置對(duì)打印模型的機(jī)械性能影響較大。[2]本文通過正交試驗(yàn)法，探究FDM快速成型工藝機(jī)械性能的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文研究使用型號(hào)為HoFi-2型快速成型機(jī)。根據(jù)快速成型機(jī)加工參數(shù)分類，選取加工壁厚、成型層厚、填充率為正交試驗(yàn)的影響因子，[3]定義如下：

加工壁厚：FDM控制程序?qū)θS實(shí)體模型切片時(shí)，最外層輪廓向內(nèi)偏置的距離，成型件壁厚的范圍與其大小和形狀相關(guān)。[4]

成型層厚：FDM控制程序?qū)θS實(shí)體模型切片時(shí)相鄰兩層之間的高度，本次試驗(yàn)使用的快速成型機(jī)的成型層厚在0.1～0.3mm之間。

填充率：又稱“密度”。擠出頭在填充時(shí)，模型內(nèi)部既有填充區(qū)域，又有未填充區(qū)域，填充區(qū)域占整體模型的比例就是模型填充率，范圍在0%～100%之間。

2 實(shí)驗(yàn)過程

參考塑料拉伸試驗(yàn)方法《GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能測(cè)定》中的“模塑和擠塑的試驗(yàn)條件”部分。[5]使用1BA型試樣。[6]通過UG軟件建立試件模型，以同樣的切片精度，導(dǎo)出STL文件。本實(shí)驗(yàn)主要評(píng)定試件的抗拉強(qiáng)度，使用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)量。根據(jù)加工壁厚、成型層厚、填充率的參數(shù)組合（如表1），設(shè)置HoFi-2的加工參數(shù)，制作9組試件。對(duì)9組試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果計(jì)算見表2。

第一，正交因素水平表如表1所示。

第二，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果計(jì)算見表2。

第三，方差分析見表3。

3 實(shí)驗(yàn)分析

分析表2（數(shù)據(jù)計(jì)算表）、圖1（抗拉強(qiáng)度極差圖）和表3（方差分析表）可以得出以下結(jié)論：

第一，從表2和圖1中可以看出，填充率A以A3為最好。因?yàn)樘畛渎仕鶎倭兄蠯1、K2、K3比較結(jié)果為K3最大，抗拉強(qiáng)度值也最大。因此，在0%～100%的填充率范圍內(nèi)，數(shù)值越大，成型件抗拉強(qiáng)度值也越大。

第二，從表2和圖1中可以看出，成型層厚B以B3為最好。因?yàn)槌尚蛯雍袼鶎倭兄蠯1、K2、K3比較結(jié)果為K3最大，抗拉強(qiáng)度值也最大。因此，在0.1～0.3mm切片厚度范圍內(nèi)，切片厚度越小，成型件抗拉強(qiáng)度值越大。

第三，從表2和圖1中可以看出，成型壁厚C以C1為最好。因?yàn)閿D出速度所屬列中K1、K2、K3比較結(jié)果為K1最大，抗拉強(qiáng)度值也最大。因此，在一定成型壁厚范圍內(nèi)，壁厚值越大，成型件抗拉強(qiáng)度值也越大。

第四，從表3中可以得出，因素B在顯著水平為0.1上是顯著的，因素A在顯著水平為0.01上是高度顯著的，而因素C不顯著。

第五，從圖1中可以看出，本次實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合為A3B3C1，這個(gè)組合并不包含在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，更能說明實(shí)驗(yàn)的效果明顯。對(duì)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果繼續(xù)驗(yàn)證，按該組合對(duì)應(yīng)的參數(shù)制作試件，對(duì)該試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其抗拉強(qiáng)度為27.372Mpa。高于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表格中抗拉強(qiáng)度最大值26.752Mpa。說明A3B3C1為最優(yōu)方案。工藝參數(shù)優(yōu)化組合如表4。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王琛，蔣玉婷，陸雪億.拼合蛋椅模型的設(shè)計(jì)與制作[J].藝術(shù)科技，2019（09）：71.

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[3] 藺秀媛，閆小星，尹太玉.多功能臥具設(shè)計(jì)分析[J].藝術(shù)科技，2019（07）.

[4] 第燁，靳文奎.基于老年人懷舊傾向的交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J].戲劇之家，2019（14）：141-143.

[5] 高玲玲，徐偉.縮短有限定制沙發(fā)平均生產(chǎn)周期的方法研究[J].家具，2019，41（2）：13-17.

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內(nèi)有害揮發(fā)物釋放特征及防治措施[J].家具，2018，39（2）：11-14+23.

作者簡介：王琛，男，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)工程。