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，又稱為增材制造技術，是一種可以改變產品生產流程、供應鏈設計的突破性制造技術，其制造快捷、成本低、材料利用率高等特殊優勢在模具制造領域被廣泛應用。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 打印技術可以通過調整打印參數，獲得成型精度更高、品質更好的鑄模模型，通過分析打印工藝參數與產品精度之間的關系，選取最優打印工藝參數組合。

1 增材制造技術特點及應用類型

與傳統車銑加工工序的減材制造加工方式不同，3D 打印技術是通過對所需構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，在計算機設定程序控制下，按照預定軌跡，完成鑄件逐層堆積成型過程。與傳統減材制造工藝相比，3D 打印技術具備材料利用率高、數字化及成型產品個性化等特點及應用優勢。

當前3D 打印技術的應用主要包含兩方面內容：一是利用打印技術打印出模具模型，包括砂型鑄造、陶瓷型鑄造等類型，與傳統模具制造工藝相比，該技術打印模具耐溫抗濕效果更好，機械性能更高；二是利用3D 打印技術直接塑型，即通過逐層堆積方式完成鑄型制造，該類鑄造方式最大優勢就在于無需制造模具，大幅縮短了生產制造周期。

2 試驗方案設計

本次試驗選用MakerPiM14 型號桌面性打印機，其應用了FDM 熔融堆積成型技術進行模型成型制造，主要技術參數如表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，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 打印機主要技術參數

進行模型鑄造前首先利用UG 繪圖軟件繪制出試驗模型，整體外寬為一個帶孔圓柱體鑄件模型，具體尺寸參數如圖1 所示。該試驗模型高度H=10 mm，內、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-設計尺寸）/設計尺寸，所得數值越小代表打印精度越高。

圖1 鑄件模型尺寸參數示意圖（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，通過分析上述參數與塑鑄模型尺寸之間的關系，從而選取某一參數組合下打印鑄件精度最高的最優參數組合。其中打印層厚與打印厚度的區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。結合上述MakerPiM14 打印機主要技術參數，設定出厚度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 項參數取值進行正交試驗，并按照上述因素水平設計出如表2 所示9 種參數組合方案[1]。

表2 鑄件成型工藝參數組合試驗方案

3 試驗結果分析

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

圖2 參數組合試驗打印結果

表3 試驗結果極差Rj

3.1 水平最優打印工藝參數組合

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

1）外徑尺寸。根據外徑尺寸中參數因素尺寸變化率計算結果可以看出，打印厚度因素A 中A1精度最高，同樣可以判斷出其他參數因素中的最優水平分別為B2、C2、D1，因此外徑尺寸中精度最高的參數組合即為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）內徑尺寸。同樣分析表3 中各因素內徑尺寸變化率的最小值，可以得出內徑尺寸下的參數組合為A3B3C1D2，也即對于內徑尺寸來說，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打印組合為A2B2C3D3。

3.2 各參數影響主次順序分析

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因素的影響力越大，也即該參數因素越重要。

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

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

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

3.3 綜合打印工藝參數組合確定

根據上述優選水平組合以及各參數影響主次順序分析，來對打印工藝參數組合進行綜合選取確定。對于打印厚度A 來說對內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為A3B2C3D2，也即在厚度參數1.0 mm、層厚參數0.15 mm、速度參數80 mm/s、溫度參數200 ℃下，所得鑄件的尺寸精度最高。

4 結語

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