1、TeChn010gy 0nd 工艺与检测 熔融沉积(FDM)3 D打印工艺参数优化设计研究 韩 江 王益康 田晓青 江本赤 夏 链 (合肥工业大学机械与汽车工程学院CIMS研究所，安徽合肥230009) 摘要：通过分析FDM成型工艺，设计试验加工模型。对模型主要工艺参数进行数学建模分析，分析推导 出尺寸误差和表面精度误差产生的机理以及具体的表面精度误差函数。通过对表面精度误差函数 的仿真结果的分析，确定打印工艺参数取值。通过3D打印机与上位机建立熔融沉积(FDM)3D打 印机试验平台，并设计了基于正交试验法的FDM打印机参数优化方案，通过试验结果的分析，得出 了工艺参数的最优组合以及影响的主次
2、顺序，再次利用试验验证了参数分析和优化结果的正确性。 关键词：FDM工艺分析；正交试验法；参数优化；表面精度 中图分类号：TP273+5 文献标识码：A DoI：1019287jcnki10052402201606027 Design and study of fused deposition modeling(FDM)3D printing process parameters optimization HAN Jiang，WANG Yikang，TIAN xiaoqing，JIANG Benchi，XIA Lian (CIMS Institute，School of Mechanical
3、and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，CHN) Abstract：By analyzing the FDM molding technology，design the test modelsMathematical modeling and analysis to the main technical parameters of the mode1analyze generation mechanism of size error and surface accuracy errors an
4、d the specific suYface accuracy error functionAnalyze the simulation results of surface precision error function to determine the value of the printing process parameters3 D printer connects to PC to establish 3 D printer to establish a test platform，design a FDM printer parameter optimization metho
5、d based on ohogonal experimentBy analyzing each error value of the test results，obtain the opti mum combination of the parameters as well as primary and secondary order of effectsTest again verifies the correctness of parametric analysis and experimental optimization results Keywords：FDM process ana
6、lysis；oahogonal experiment；parameter optimization；surface accuracy 3D打印作为一项新型的数字化制造技术，其实质 上类似一台三轴数控加工机床，只是与传统的切削加 工方式不同，它主要运用计算机控制逐层堆积的方法 来制造实体产品。随着3D打印技术的发展、桌面级 的3D打印机的普及，以及3D打印的应用越来越多， 提高打印精度变得尤为重要。实践表明，相同硬件的 FDM打印机在不同的工艺参数下，成型的效果也会出 现明显的差别。对于一台打印机，获得其最佳的打印 参数对成型精度有很明显的提升。本文研究内容 是对一台熔融沉积(FDM)3D打印机
7、的工艺参数进行 分析，通过对模型的数学建模，分析打印误差产生的机 理和对表面精度的作用效果。通过切片软件调节层 厚、打印速度及打印温度来进行正交试验分析，找出各 参数影响精度的主次顺序和最优组合方式，在硬件不 安徽省自主创新专项(2013AKKG0394) 变的情况下获得更高打印精度，提高参数调试人员效 率和加工产品的表面精度，在实际成型加工中有重要 意义。 1 FDM打印机工作原理 熔融沉积成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性 材料，熔点一般为100300不等的各种丝材，如 PLA、ABS、尼龙等。材料通过送料机构进给，在通过 打印喷头时受热熔化并挤出，当喷头沿工件内外截面 轮廓和内部填充轨
8、迹运动时，挤出的材料迅速固化，并 与已固化的材料粘结，逐层堆积，形成实体工件。与其 他3D打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑料 作为成型材料的增材制造方法，打印出的产品耐热性、 耐腐蚀性、抗菌性较好，内部机械应力小。其成型材料 139 工艺与检测TeCh 0gy 0nd TeS1 种类多，成型件强度高、精度较高，被越来越多用于制 造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生产 工具。 2 FDM参数优化试验方案设计 21实验模型设计 实验模型建立原则：实验目的是要验证3D打印 机优化方案对产品精度的影响，故通过proE软件造 型，设计一个包含平面，斜面、曲面等元素构成的模型， 易于对该模
9、型进行数学建模和分析，以及试验后的精 度测量。故设计模型如图1所示。 图1试验模型 22 FDM打印工艺参数分析 根据实验平台的上位机切片软件分析以及FDM 工艺参数分析，影响加工精度的参数主要为层高、打印 速度、打印温度 。 221层高参数 层高数值的几何意义是指在对STL模型文件进 行切片时相邻层的间距_3j，同时其工艺意义是指FDM 打印机喷头走完每一层的厚度。由于FDM工艺这种 打印方式会导致层与层间有明显不连续现象，这种犹 如楼梯上的阶梯面的现象可以称为“阶梯现象” 4 J。 层高值越小，阶梯现象越小，打印时间越长，但是可以 获得相对好的表面精度。打印时间短，阶梯现象明显， 表面精度
10、低，表面会有明显的粗糙感。 层高参数取决于喷头口内径的大小、机械结构的 精度等各种因素。本次试验用的3D打印机为STD公 司第一代型号机，喷头大小为05 mm，所以层高值被 限制为小于05 mm，这样层和层之间才能相互作用粘 合形成实物 。 打印样件外轮廓大致可分为两类，如图2所示直 线型和圆弧型，其中理论外表面和实际外表面之间存 在着误差，这个误差可以用截面的理论面积和实际面 积的差AS来表示，显然AS也可以代表加工件的表面 精度。随机选择一层，对其几何关系进行推导，得到层 高h和加工件表面精度的关系。 当加工件表面为图2a直线斜面时，得到每层截面 的缺失面积AS为： 140 S=h 2ta
11、na (1) 其中 为加工件截面的底角。当 不变时，由公式得 到的缺失面积也不变。故在图2a情况下加工出的产 品表面精度与底角大小有关，且底角一旦确定，则表面 精度一致。 当加工件表面为图2b圆弧面时，截面的每一层缺 失面积s都不同： sin = R= (2) 吼n 一 L cos =一( ) (3) L= (co 一cosT) (4) s=Lh (5) 将式(2)(5)联立并化简得： AS=丢 尺(c。 一1一( ) )(6) 当3=0时，将其代人公式(6)中得： AS=吉 (1一1一筹) (7) 当 0。时，将其代人公式(6)得： 一lim AS= (cos3一 一( ) )(8) 由于
12、无法真正达到90。只能接近，且3代表最 高层N1层，故公式(8)取极限简化为： AS= h (9) 式中： 为经验参数。 与截面圆弧半径有关，在一般 3D打印机打印空间的长宽高在150 mill150 mm 150 mm范围内， 取值为10到20之间。 (a)直线型 (b)圆弧型 图2表面质量分析图 由推导得到的公式，设打印表面相对精度为0，加 工件总高度为H，则可求得缺失面积成型AS与相对 精度的关系： 0=AsH 假设打印件高度日为常数等于100 mm，根据经 验h为常数，设为015 mm，让Ah在一005 mm与 等 ul口平昂O删 005 mm之间变换，每次绘制表面精度误差与相对精 度
13、的函数图，所得 与卢的函数公式的Matlab仿真 图形，如图3所示。得到 值最小时的h取值为01 mm，故层高设置值在01 mm时，表面精度为最高并 且随着层高的增大表面精度会逐渐下降。 图3加工底角与表面精度误差函数 时通过分析仿真结果可得在打印曲面时，整个模 型表面精度误差从底部到顶部是呈现增大趋势。在接 近 =90。时，表面精度误差陡降是因为实际情况下最 后一层高度h0，打印最后一层时 无法取得90。而 出现的误差。试验结果分析时可以测量模型总高度， 从而求得平均层高h 再根据公式推导出一个加工件 的表面精度误差值。 222打印速度参数 打印速度会影响到加工的效率，同时在喷头挤丝 量和挤
14、出丝线直径D一定的情况下，还会影响熔丝在 热床或已加工表面位置精度。 D tan = 是实际挤出丝线长度Z和理论长度Z 的夹角，两 者越接近越好及 为最佳，否则超出理论长度的丝 线会被喷头挤压推移造成打印轮廓的误差。为了得到 正确的打印速度，通过每次调整速度，反复打印长100 mm的直线，测量始端和末端，得到高度差最小的打印 速度在35 mms左右范围内。 223打印温度参数 喷头温度过低时，会出现材料无法粘结到热床上 和层间剥离现象，同时也会造成喷嘴堵塞；喷头温度过 高则会使材料挤出时偏于液态，而不是易于控制的丝 状_6 J。根据PLA的温度性能指标，PLA的适宜打印温 度范围在175220
15、。 3 3D打印实验平台搭建 3D打印机平台如图4所示，包括硬件平台和软 TeChn010gy and 工艺与检测 件平台两大类，其中硬件平台又分为3D打印机本 体(包括机械机构、运动控制卡和电源等)，通讯模 块(路由器+以太网)，控制端PC三个部分。软件 平台主要是切片软件，以及打印机控制软件3D printer组成。上位机与打印机通讯方式如图5所 示。测量打印件模型精度的工具是游标卡尺和螺旋 测微仪。 图4 3D打印机实验平台框架 图5上位机和下位机的通讯 4基于正交试验法的参数优化 正交实验法就是利用排列整齐的正交表来对试验 进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的 实验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺 效果。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每 次试验都具有较强的代表性。由于正交表具备均衡分 散的特点，保证了全面实验的某些要求，这些试验往往 能够较好或更好地达到实验的目的 71。 41正交试验方案设计 本次试验条件影响因子有3个，为层高、打印速 度、打印温度。不考虑因素间的交互作用，本次试验为 三因素三水平试验，各因素水平取值如表1所示，共需 要完成9次试验，综合考虑后选用 (3 )正交试验 表。正交表设计方案如表2所示。 嚣一
