基于田口法的FDM3D打印機工藝參數能效優化方法

楊少遠，趙 剛,c，段家烀，高 星

(武漢科技大學 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.機械自動化學院，武漢 430081)

0 引言

相對于傳統的機械加工方法，3D打印機技術更符合綠色制造的理念，但目前仍屬于高能耗、高浪費和低環保的技術。3D打印機能源供應主要來源于電能，在實際生產方面，與傳統的注塑機相比，生產同等重量下的產品，3D打印機耗能更多[1]。3D打印機技術作為一項潛力巨大的先進制造技術，顛覆了傳統的去除型制造技術，為制造業轉型升級提供了無限新的可能。在加工方面，除了考慮到生產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。

目前國內各大高校及企業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。環境問題越來越受到制造業重視[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打印技術的能耗問題國外已有專家學者進行了研究。Luo等[5]提出一種用于分析固化成形技術的環境績效的方法。Sreenivasan和Bourell[6]從能耗的角度對激光燒結技術的可持續進行了分析。Perry等[7]在增材制造方面跨平臺的加工參數對能耗的影響進行了研究。Kellens等[8]獲取并分析了激光燒結的功率消耗的詳細數據。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，比如直接金屬沉積及焊接系統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打印能耗研究國內極少開展，而國外主要集中在激光燒結技術上，對于FDM技術的能耗研究甚少。FDM成型打印技術可靠性高且成本低且，廣泛應用在實際生產中。為了分析FDM3D打印機的能源消耗及加工時間與工藝參數之間的關系，擬通過田口法設計實驗，采集實驗數據并利用信噪比進行建模分析，研究工藝參數對FDM3D打印機加工能耗和加工時間的影響。

1 FDM3D打印機能耗優化方法

1.1 田口法

本文擬通過田口法，采用多個工藝參數進行組合實驗，分析FDM3D打印機能耗以及加工時間隨工藝參數改變所產生的變化趨勢。田口法采用正交表進行實驗設計，能減少試驗次數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值影響的大致情況。再用信噪比進行評價響應值的品質特性[12]，通過對正交實驗結果的統計分析，找出最優參數組合，提高響應值的品質特性。本實驗中采用信噪比分析工藝參數對FDM3D打印機加工能耗和加工時間的影響規律，FDM3D打印機加工能耗和加工時間的信噪比：

(1)

其中，b為重復測量次數(本次實驗b=9)，yj為第j次重復實驗測得的響應值，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的關系，避免其他附屬功能對能耗及加工時間產生影響，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動控制器、單片機控制器、電機驅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模型轉換成G-code代碼，將其導入單片機，進而控制電機驅動器產生高低電頻，實現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，預熱，加工，冷卻。

圖1 FDM3D打印機總體構成

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，預熱，加工，冷卻。

(1)待機功率：主要指基礎元器件(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無關。

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

(3)加工功率：指模型進行加工時的總功率，包括基礎功率，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扇的功率，這段功率與工藝參數有關。

(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無關。

因此，FDM3D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、預熱、加工、冷卻4個階段的功率；T1,T2,T3,T4分別為待機，預熱，加工，冷卻4個階段所經歷的時間。

2 基于田口法的優化實驗設計

2.1 FDM3D打印機主要工藝參數的確定

在FDM3D打印機快速成型系統中，許多工藝參數對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生一定的影響，但在實際生產中，用戶所能調控的參數并不多，因此本次實驗選取4個起主要作用且易于調控的工藝參數對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 實驗設備及模型

實驗設備選用自制FDM3D打印機，選材為PLA(聚乳酸，polylactic acid)3D打印機的功率及能耗數據監測采用WT1800高精度功率分析儀，直接獲得3D打印機在待機，預熱，加工，冷卻4個階段的能耗及時間數據，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備

2.3 正交實驗設計

本次實驗設計選取熱床溫度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。各實驗因數根據實驗范圍設定三個水平，如表1所示。

為保證實驗的準確性，選用實驗次數較多的L27(313)正交表進行實驗設計，以工藝參數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。為了使實驗數據不受外界因數干擾，每組實驗經歷整個打印機工作狀態，開機后和關機前分別進行30s的待機，防止實驗數據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，防止實驗結果受環境溫度的影響。

表1 影響因數及水平

3 結果與討論

實驗方案和實驗結果如表2所示。

表2 正交表及實驗數據

續表

通過對實驗結果分別與工藝參數進行方差分析，可獲得各工藝參數對目標值的影響程度，F值越大說明該工藝參數對目標值的影響越大，如表3、表4所示。再通過采用1.1節提到的信噪比來分析工藝參數對FDM3D打印機加工能耗和加工時間的影響規律，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三個水平下的能耗與加工時間的信噪比圖，每個工藝參數的三個水平值作為橫軸，其對應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，應著重控制分層厚度x4和熱床溫度x1并協調控制打印速度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參數組合為{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參數組合為{x1=60,x2=190,x3=70,x4=0.20}。

4 結論

通過田口法建立了工藝參數與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。