基于田口法的熔融沉積制造表面粗糙度實驗研究

趙鵬程，李 智，商 正，王進峰

（1. 華北電力大學 教務處，河北 保定 071003；2. 華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003）

3D 打印技術是智能制造9 大核心技術之一[1]，“新工科”建設要求將3D 打印等新技術引入到本科教學工作中。限于成本等原因，在高校實訓中應用較為廣泛的是基于熔融沉積制造（FDM）工藝的3D 打印技術，其打印材料為PLA 或ABS 絲材。通過熱噴頭加熱令絲材融化，在送進機構的作用下，融化的絲材通過噴頭擠壓到成型工作臺上，層層疊加逐漸成型。由于階梯效應，零件往往存在表面粗糙度高、表面質量差等問題[2]。FDM 工藝成型過程中，層厚、打印速度等因素的變化，都會對成型件的表面質量造成影響[3-4]。

為了提高FDM 工藝零件的成型精度，科研工作者從工藝原理、分層算法、路徑規劃、送絲機構等方面進行了廣泛研究[5-8]。而成型過程中的參數設計對成型精度的影響是最直接的，例如層厚、打印速度、溫度等。韓江等人分析了尺寸誤差和表面精度誤差的產生機理，通過設計層厚、打印速度、溫度3 因素的正交實驗，驗證了降低表面精度誤差方法的有效性[9]。呂福順分別以ABS 和PLA 兩種材料的圓筒為研究對象，研究了層厚對不同直徑的圓筒件成型精度的影響[10]。劉莉琳以尺寸誤差和打印時間為優化目標，以層厚、打印速度、溫度為優化參數，進行了實驗研究[11]。

表面粗糙度是衡量FDM 工藝成型精度的主要指標。為了探究溫度、層厚和打印速度對快速成型件表面粗糙度的影響，本研究設計了3 因素3 水平的正交實驗。通過表面粗糙度儀測量打印件表面粗糙度，并進行信噪比計算和方差分析，來確定影響表面粗糙度的敏感性因素。

1 實驗準備及實驗方案

本次實驗采用的FDM 3D 打印機如圖1 所示。耗材為直徑0.7 mm 的黃色PLA 絲狀材料。

圖1 FDM 3D 打印機

用Pro/E 建好模型，并導入Cura 軟件中，模型如圖2 所示。

圖2 打印的模型

實驗為采用3 因素3 水平的正交實驗，各因素水平如表1 所示，正交實驗表如表2 所示[12]。

表1 因素水平表

表2 正交實驗表

2 基于田口法的表面粗糙度分析

使用探針式表面粗糙度儀測量打印件側面的表面粗糙度，如圖3 所示。

圖3 粗糙度測量

為了保證測量的準確性，使用該粗糙度儀對被測對象的4 個側面各測1 次，測得的數據如表3 所示。為了確定影響其表面粗糙度的敏感性因素，利用田口法對表面粗糙度Ra進行信噪比計算和方差分析。信噪比（S/N）通過公式（1）計算，計算結果如表3 所示。

式中，η為信噪比，yi為表面粗糙度，n= 4

表3 表面粗糙度及信噪比

對于FDM 3D 打印而言，要求表面粗糙度越小越好，因此對表面粗糙度的優化按照基于望小目標的參數優化方法進行。首先，計算各因素在各水平的信噪比的和值和平均值，如表4 所示。

表4 各因素水平信噪比和值T 及均值Q

然后計算實驗總波動及各因素波動方差Si，實驗總波動ST：

其中，r為各因素各水平的實驗次數，本例r= 3。各因素方差分析如表5 所示。

表5 各因素方差分析

從表5 各因素方差的大小可以明確判斷，層厚對于表面粗糙度的影響最大，溫度次之，打印速度最小。

根據田口法的原理，要求每個因素輸出的信噪比越大越好。根據每個因素的平均值，選取最大者作為該因素的最優參數，據此確定最佳參數組合為A2B2C1，即溫度選擇220°、打印速度選擇60 mm/s、層厚選擇0.08 mm。最佳參數組合產生的表面粗糙度Rae和信噪比Se可通過式（6）、式（7）計算。

式中，分別表示因素A 在第二水平的平均值、因素B 在第二水平的平均值和因素C 在第一水平的平均值，為表面粗糙度平均值（見表3）。

因此，通過田口法可估算出在溫度為220 ℃、打印速度為60 mm/s、層厚為0.8 mm 時，能夠獲得最小的表面粗糙度為4.95 μm。

3 結語

（1）采用不同打印參數組合，打印件的表面粗糙度差別較大。各參數對打印件表面粗糙度的影響程度從小到大依次為層高、溫度、打印速度。

（2）田口法能夠用于FDM 3D 打印件最優參數組合的預測。

（3）限于實驗條件，本次研究沒有考慮熱噴頭絲材擠出速度的影響，這將在今后的工作中進一步考慮。