FDM 型3D 打印機制件精度研究★

井石磊

（陜西開放大學，陜西 西安 710065）

0 引言

3D 打印技術(shù)，又稱為增材制造技術(shù)，是一種可以改變產(chǎn)品生產(chǎn)流程、供應(yīng)鏈設(shè)計的突破性制造技術(shù)，其制造快捷、成本低、材料利用率高等特殊優(yōu)勢在模具制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。以木模砂型鑄造為例，需要提前進行木模模具車銑，模具使用過程中也存在尺寸形狀磨損變化問題，損耗時間長、精度較低。3D 打印技術(shù)可以通過調(diào)整打印參數(shù)，獲得成型精度更高、品質(zhì)更好的鑄模模型，通過分析打印工藝參數(shù)與產(chǎn)品精度之間的關(guān)系，選取最優(yōu)打印工藝參數(shù)組合。

1 增材制造技術(shù)特點及應(yīng)用類型

與傳統(tǒng)車銑加工工序的減材制造加工方式不同，3D 打印技術(shù)是通過對所需構(gòu)筑鑄件進行提前軟件建模，并通過逐層掃描處理，利用打印機進行材料堆積而成。以FDM熔融沉積成型技術(shù)為例，就是通過選取低熔點金屬或熱塑性樹脂材料，加熱熔絲由打印機噴頭擠出，在計算機設(shè)定程序控制下，按照預(yù)定軌跡，完成鑄件逐層堆積成型過程。與傳統(tǒng)減材制造工藝相比，3D 打印技術(shù)具備材料利用率高、數(shù)字化及成型產(chǎn)品個性化等特點及應(yīng)用優(yōu)勢。

當前3D 打印技術(shù)的應(yīng)用主要包含兩方面內(nèi)容：一是利用打印技術(shù)打印出模具模型，包括砂型鑄造、陶瓷型鑄造等類型，與傳統(tǒng)模具制造工藝相比，該技術(shù)打印模具耐溫抗?jié)裥Ч?，機械性能更高；二是利用3D 打印技術(shù)直接塑型，即通過逐層堆積方式完成鑄型制造，該類鑄造方式最大優(yōu)勢就在于無需制造模具，大幅縮短了生產(chǎn)制造周期。

2 試驗方案設(shè)計

本次試驗選用MakerPiM14 型號桌面性打印機，其應(yīng)用了FDM 熔融堆積成型技術(shù)進行模型成型制造，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。該打印機主要選用耗材直徑1.75 mm 的PLA 塑料材料，兼容Windows、Linus、Mac 等操作系統(tǒng)，選用Cura 開源切片軟件，軟件適用STL、JPG、PNG 等多種格式，本次試驗還需利用游標卡尺及螺旋測微器等測量工具。

表1 MakerPiM14 打印機主要技術(shù)參數(shù)

進行模型鑄造前首先利用UG 繪圖軟件繪制出試驗?zāi)Ｐ停w外寬為一個帶孔圓柱體鑄件模型，具體尺寸參數(shù)如圖1 所示。該試驗?zāi)Ｐ透叨菻=10 mm，內(nèi)、外徑尺寸分別為10 mm、25 mm，試驗過程中精度測算標準按照打印成型模型的尺寸變化率，即（量測尺寸-設(shè)計尺寸）/設(shè)計尺寸，所得數(shù)值越小代表打印精度越高。

圖1 鑄件模型尺寸參數(shù)示意圖（單位：mm）

FDM類打印機塑鑄過程中影響制造精度的影響有很多，包括填充密度、打印速度、打印溫度等，本文通過選取打印厚度、溫度、速度以及壁厚4 項基本參數(shù)，通過分析上述參數(shù)與塑鑄模型尺寸之間的關(guān)系，從而選取某一參數(shù)組合下打印鑄件精度最高的最優(yōu)參數(shù)組合。其中打印層厚與打印厚度的區(qū)別在于層厚是指噴頭一次噴出熔絲的厚度，即每打印一層的寬度；打印厚度指整體鑄件橫向壁厚；打印速度指噴頭水平面移動速度；打印溫度指噴頭處加熱溫度。結(jié)合上述MakerPiM14 打印機主要技術(shù)參數(shù)，設(shè)定出厚度A（0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm）、層厚B（0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm）、速度C（40 mm/s、60 mm/s、80 mm/s）、溫度D（190 ℃、200 ℃、210 ℃）4 項參數(shù)取值進行正交試驗，并按照上述因素水平設(shè)計出如表2 所示9 種參數(shù)組合方案[1]。

表2 鑄件成型工藝參數(shù)組合試驗方案

3 試驗結(jié)果分析

將上述參數(shù)組合下成型鑄件打印結(jié)果如圖2 所示進行編號處理，并通過量測鑄件高度、內(nèi)外徑尺寸，計算尺寸變化率，結(jié)果如表3 所示。通過計算試驗結(jié)果極差，從而確定出上述參數(shù)因素中的影響主次因素順序，得出精度更高的參數(shù)組合[2]。

圖2 參數(shù)組合試驗打印結(jié)果

表3 試驗結(jié)果極差Rj

3.1 水平最優(yōu)打印工藝參數(shù)組合

由于尺寸變化率越小代表鑄件塑鑄精度越高，因此可以根據(jù)表3 中K 值分析各因素參數(shù)對鑄件精度的影響效果，確定出各參數(shù)水平下最優(yōu)打印組合[3]。

1）外徑尺寸。根據(jù)外徑尺寸中參數(shù)因素尺寸變化率計算結(jié)果可以看出，打印厚度因素A 中A1精度最高，同樣可以判斷出其他參數(shù)因素中的最優(yōu)水平分別為B2、C2、D1，因此外徑尺寸中精度最高的參數(shù)組合即為A1B2C2D1，即打印厚度0.6 mm、打印層厚0.15 mm、打印速度60 mm/s、打印溫度190 ℃時，外徑尺寸精度最高。

2）內(nèi)徑尺寸。同樣分析表3 中各因素內(nèi)徑尺寸變化率的最小值，可以得出內(nèi)徑尺寸下的參數(shù)組合為A3B3C1D2，也即對于內(nèi)徑尺寸來說，選取打印厚度1.0 mm、打印層厚0.2 mm、打印速度40 mm/s、打印溫度200 ℃時，尺寸精度最高。

3）高度尺寸。同理判斷出高度尺寸下的最優(yōu)打印組合為A2B2C3D3。

3.2 各參數(shù)影響主次順序分析

完成上述分析步驟后，通過極差對各因素的影響主次順序進行判斷，極差值越大即代表該參數(shù)因素的影響力越大，也即該參數(shù)因素越重要。

1）外徑尺寸中極差數(shù)值RB最大，也即外徑尺寸中影響因素最大的為層厚參數(shù)因素，其次分別為速度、厚度和溫度參數(shù)。

2）內(nèi)徑尺寸中極差數(shù)值RA最大，也即內(nèi)徑尺寸中影響因素最大的為厚度參數(shù)因素，其次分別為速度、溫度和層厚參數(shù)。

3）高度尺寸中極差數(shù)值RC最大，也即高度尺寸中影響因素最大的為速度參數(shù)因素，其次分別為厚度、層厚和溫度參數(shù)。

3.3 綜合打印工藝參數(shù)組合確定

根據(jù)上述優(yōu)選水平組合以及各參數(shù)影響主次順序分析，來對打印工藝參數(shù)組合進行綜合選取確定。對于打印厚度A 來說對內(nèi)徑尺寸的精度影響較大，也即選取A3；對于打印層厚B 來說對外徑尺寸的精度影響較大，也即選取B2；對于打印速度C 來說對高度尺寸的精度影響較大，也即選取C3；對于打印溫度D 來說對內(nèi)徑尺寸的精度影響較大，也即選取D2。所以最終選取打印參數(shù)為A3B2C3D2，也即在厚度參數(shù)1.0 mm、層厚參數(shù)0.15 mm、速度參數(shù)80 mm/s、溫度參數(shù)200 ℃下，所得鑄件的尺寸精度最高。

4 結(jié)語

本文通過介紹3D 打印中的FDM打印技術(shù)，并通過正交試樣法測試影響鑄件尺寸精度的各項參數(shù)因素，從打印厚度、層厚、速度以及溫度參數(shù)中分析對打印鑄件尺寸精度的影響水平，從而選取最優(yōu)參數(shù)組合，對實際生產(chǎn)應(yīng)用具有一定借鑒意義。