基于正交實驗的FDM工藝機械性能優化

王琛?陸雪億?訾然?段佩姚

摘 要：通過正交實驗設計，選取成型壁厚、成型層厚、填充率為正交試驗影響因子，探究FDM快速成型工藝機械性能的影響因素，以提高打印模型的機械性能。

關鍵詞：正交實驗;機械性能

熔融沉積快速成型由于材料性能和加工工藝的影響，成型件的機械性能表現不同。[1]FDM快速成型機不同工藝參數的設置對打印模型的機械性能影響較大。[2]本文通過正交試驗法，探究FDM快速成型工藝機械性能的影響因素。

1 實驗設計

本文研究使用型號為HoFi-2型快速成型機。根據快速成型機加工參數分類，選取加工壁厚、成型層厚、填充率為正交試驗的影響因子，[3]定義如下：

加工壁厚：FDM控制程序對三維實體模型切片時，最外層輪廓向內偏置的距離，成型件壁厚的范圍與其大小和形狀相關。[4]

成型層厚：FDM控制程序對三維實體模型切片時相鄰兩層之間的高度，本次試驗使用的快速成型機的成型層厚在0.1～0.3mm之間。

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

2 實驗過程

參考塑料拉伸試驗方法《GB/T1040.2-2006塑料拉伸性能測定》中的“模塑和擠塑的試驗條件”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，導出STL文件。本實驗主要評定試件的抗拉強度，使用萬能力學試驗機進行抗拉強度測量。根據加工壁厚、成型層厚、填充率的參數組合（如表1），設置HoFi-2的加工參數，制作9組試件。對9組試件進行抗拉強度測量，實驗方案及結果計算見表2。

第一，正交因素水平表如表1所示。

第二，實驗方案及結果計算見表2。

第三，方差分析見表3。

3 實驗分析

分析表2（數據計算表）、圖1（抗拉強度極差圖）和表3（方差分析表）可以得出以下結論：

第一，從表2和圖1中可以看出，填充率A以A3為最好。因為填充率所屬列中K1、K2、K3比較結果為K3最大，抗拉強度值也最大。因此，在0%～100%的填充率范圍內，數值越大，成型件抗拉強度值也越大。

第二，從表2和圖1中可以看出，成型層厚B以B3為最好。因為成型層厚所屬列中K1、K2、K3比較結果為K3最大，抗拉強度值也最大。因此，在0.1～0.3mm切片厚度范圍內，切片厚度越小，成型件抗拉強度值越大。

第三，從表2和圖1中可以看出，成型壁厚C以C1為最好。因為擠出速度所屬列中K1、K2、K3比較結果為K1最大，抗拉強度值也最大。因此，在一定成型壁厚范圍內，壁厚值越大，成型件抗拉強度值也越大。

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，本次實驗最優組合為A3B3C1，這個組合并不包含在實驗設計中，更能說明實驗的效果明顯。對此實驗結果繼續驗證，按該組合對應的參數制作試件，對該試件進行拉伸試驗，測得其抗拉強度為27.372Mpa。高于實驗設計表格中抗拉強度最大值26.752Mpa。說明A3B3C1為最優方案。工藝參數優化組合如表4。

參考文獻：

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

[2] 瞿娟，郁舒蘭.表情包的形態語義分析和認知[J].戲劇之家，2019（04）：222-223.

[3] 藺秀媛，閆小星，尹太玉.多功能臥具設計分析[J].藝術科技，2019（07）.

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

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

[6] 姚月姝，祁憶青，王丹.冬季室內有害揮發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，南京林業大學家居與工業設計學院實驗師，主要研究方向：工業設計工程。