熔融沉积制造工艺参数的优化

Z 方向 尺寸
Z3 Z7 Z 11
18
空心圆柱 3 的高度
TO p 1
表面粗
12
特征 7 的高度
糙度
Side4
9
特征 11 的高度
底座 1 顶面的粗糙度 正方体 4 的 X 向侧面 在 Z 向的表面粗糙度
3 试验设计
当选择前面所述的 6 个主要因素来进行正交 试验时 另一个关键的问题是 在 6 个主要因素中 是否存在交互作用?如有的话 如何选择它们可能 的交互作用( 共有 15 个) 因为交互作用的影响也 有 可能比较显著. 根据过去加工的经验 再经过 仔细分析和筛选后 确定出如下 3 个交互作用: 补 偿量 > 挤出速度~ 补偿量 > 填充速度~ 挤出速度 > 填充速度.
1. 0
0. 4
I
0. 35
18. 95
40
40
0. 30
1.Fra Baidu bibliotek2
0. 6
因
子
试
与
A
B
A> B
C
A> C
验列
号1
2
3
4
5
6
7
号
B> C D
8
9 10 11
E
F
12
13
图 2 FDM 工艺参数优化正交试验方案的表头设计
Fig. 2 The table title deSign in OrthOgOnal teSt Of FDM prOceSS parameter OptimizatiOn
的速度统称为填充速度.
2 标准测试件设计
为 了合理确定精度9需设计一个标准测试件 又 称 基 准 件9benchmark 9 使 其 具 有 一 般 的 尺 寸\ 几 何 特 征 及 表 面 粗 糙 度 特 征9 以 此 来 评 估 FDM 工艺的精度.
在本研究中9采用 M-RPMS-II 型多功能快速 成型系统9它集成了 LOM 和 FDM 两种快速成型 工艺. 由于该系统使用与成型零件相同的材料 ABS 作支撑材料9有时支撑会与原型本体在某些 部位相粘结9从而使支撑的去除比较费事; 况且经 过支撑去除处理后的那部分原型表面通常也很粗 糙. 因此9测试件设计成在成型方向上不加支撑9 这并 不 会 影 响 FDM 工 艺 参 数 优 化 的 研 究9 只 不 过是没有考虑有悬空结构的零件的成型情况.
整解决的~ 况且大多数用户只尝试使用制造商初 始提供的工艺参数~ 并没有意识到工艺参数之间 的相互作用会严重影响原型件的精度. 表面上~
能让用户设定的参数似乎易于调节~ 但用户调节 后很快便会发现~ 有时即使是较小的调整量也会 对 原型质量产生很大的影响. 再者~ 工艺参数的 组合设置也似乎无规律可循.
组名
测量特征 名义尺寸 /mm
特征描述
组名
测量特征 名义尺寸
特征描述
XY 平面 内尺寸
X1 Y1 83 X4 Z6 Y8 Z3 SZ 9
108
底座 1 的 X 向尺寸
Fl a t n eSS 1
0
90
底座 1 的 Y 向尺寸
2. 4
空心圆柱 3 的壁厚
24
正方体 4 的 X 向尺寸
ParalleliSm1
图 1 设计的标准测试件
Fig. 1 The benchmark designed f or experiment
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大连理工大学学报
第 42 卷
===========================
表 1 标准测试件 22 个尺寸~ 几何特征和表面粗糙度特征
Tab. 1 Schedule Of 22 dimenSiOnal geOmetrical and Surf ace rOughneSS f eatureS On the benchmark
关键词: 正交试验; 精度 / 快速成型; FDM; 基准件; 优化 中图分类号: Th16; TP13 文献标识码: A
0引 言
原型的尺寸~ 几何精度和表面粗糙度是将 RP 技术应用于工业产品快速制造的核心~ 尤其当原 型被 用 做 母 模~ 注 塑 模 或 EDM 电 极 等 来 进 行 产 品的批量生产时~ 它们对于最终产品的质量起着 决定性的作用. 由于本课题是将快速成型技术与 电 铸~ 电弧喷涂等传统技术结合起来~ 利用 RP 加 工出的原型进行快速制模的研究~ 原型的尺寸~ 几 何精度和表面质量是首先要考察和研究的对象.
实 践表明9尽管上述各因素对原型精度和成 型时间都有或多或少的影响9但起主要作用的还 是少数几个工艺参数. 在本文的研究中9选择 6 个工艺参数: 补偿量 A\ 挤出速度 B\ 填充速度 C\ 分层厚度 D\ 开启延时 E 和关闭延时 F 作为主要 的影响因素9研究它们单独或交互作用对原型尺 寸\ 几何精度以及表面粗糙度的影响. 这些工艺 参数的定义如下.
1 FDM 主要工艺参数的确定
在 FDM 快速成型系统中~ 有 12 个比较重要 的因素必须在成型加工之前予以考虑~ 它们是: 分 层厚度~ 喷嘴直径~ 喷头温度~ 环境温度~ 挤出速度 ( 又称沉积速度)~ 填充速度( 指轮廓扫描速度或打 网 格速度)~ 填充方式~ 网格间距~ 理想轮廓线的
收稿日期: 2OO1-O4-11; 修回日期: 2OO2-O3-O1. 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 重点项目 5993511O) . 作者简介: 邹国林( 197O-) ~ 男~ 博士生; 郭东明( 1959-) ~ 男~ 教授~ 博士生导师; 贾振元( 1963-) ~ 男~ 教授~ 博士生导师.
根 据 测 试 件 设 计 的 一 般 原 则[1] 设 计 的 测 试 件 如图 1 所示9它包含 22 个尺寸\ 几何及表面粗 糙 度特征9可以把它们分成 4 组: D X\ 水平面 内尺寸; @ Z 垂直方向尺寸; 形位误差; @ 表 面粗糙度9如表 1 所示. 此处 Z 方向为零件的成型 方向9如有变截面将会出现 台阶' 效应9因而尺 寸误差比 X 平面内的要大. 由于采用 3 种不同 的分层厚度: O. 2O\ O. 2 \ O. 3O mm9当按每种层厚 进 行分层时9必须使成型零件各特征的 Z 向尺寸 为 3 种层厚最小公倍数 3 mm 的整倍数9采取这种 措施后就可以完全消除因分层切片所造成的四舍 五入误差9从而使零件成型的总层数为一整数.
0
Ang2
30
Cylin3
0
20
圆孔 6 的直径
形位特征 Perpend3
0
20
方孔 8 的 Y 向尺寸
Cir cu l 6
0
18
空心圆柱 3 的外径
Sp h er en eSS 7
0
24
半球体 9 的球径
Ang7
30
Sp h er en eSS 9
0
底座 1 顶面的平面度 底座 1 的 X 向平行度 特征 2 的角度 空心圆柱 3 的圆柱度 空心圆柱 3 的垂直度 圆孔 6 的圆度 特征 7 的球度 特征 7 的锥度角 半球体 9 的球度
FDM 工 艺 是 一 个 涉 及 CAD/ CAM~ 数 控 编 程~ 材料制备~ 工艺参数设置及后处理等环节的集 成制造过程~ 每一环节都会引起误差~ 这些误差严 重影 响 了 FDM 原 型 的 精 度~ 并 阻 碍 了 它 在 快 速 制模技术及功能零件制造中的进一步应用.
在 FDM 工艺过程中有许多参数影响原型的 精度及加工时间~ 然而其中只有一小部分是用户 所能控制和调整的. 设备本身的精度如丝杆导轨 的精度以及软件算法的先进性等不是用户所能调
表 2 因子与水平表
Tab. 2 Table Of f actOrS and their levelS
C/ ( mm - S-1)
A/mm
B/ ( mm - S-1)
D/ mm
E/ S
F/ S
轮廓
网格
I
0. 25
15. 28
30
30
0. 20
0. 8
0. 2
I
0. 30
17. 12
35
35
0. 25
( 大连理工大学 机械工程学院~ 辽宁 大连 116O24 )
摘要: 在 FDM 工艺参数优化设计中~ 使用一个包含 22 个尺寸~ 几何精度及表面粗糙度特征
的测试件~ 采用一个具有最少试验次数的正交试验得到 27 个 FDM 原型. 通过使用三坐标测 量仪和表面粗糙度轮廓仪来测量原型件的各种特征~ 并使用 MATLAB 软件进行试验数据处 理~ 据此结果来评估 FDM 原型件的质量. 取得了加工工艺参数与原型件质量之间的关系~ 并 进行了工艺参数的优化. 研究结果表明~ 工艺参数的优化设置能大幅度改善原型件的质量.
1 补偿量: 零件实际加工轮廓线与理想轮 廓线之间的距离;
2 挤出速度: 喷头内熔融态丝从喷嘴挤出 的速度;
3 填充速度: 扫描截面轮廓的速度或打网 格的速度;
4 分层厚度: 成型过程中每层切片截面的 厚度;
开启延时: 螺杆正向旋转产生增压开始 挤丝与喷头开始填充之间的时间间隔;
6 关闭延时: 螺杆反向旋转产生负压停止 挤丝与喷头停止填充之间的时间间隔.
4 试验结果分析
27 个原型件加工出来后 用三坐标测量仪和
表面粗糙度轮廓仪对表 1 中的 22 个考察指标逐个 进行测量. 运用 MATLAB 软件对各个 指 标 下 的 数据进 行 方 差 计 算 和 分 析 并 绘 制 极 差 图[4~ 5] 找
第4期
邹国林等: 熔融沉积制造工艺参数的优化
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邹国林等: 熔融沉积制造工艺参数的优化
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补 偿量\ 偏置扫描中的偏置值\ 开启延迟时间\ 关 闭 延迟时间. 另外9丝的材质\ 加密层及其参数设 置\ 成型室吹热风的方式\ 加工小零件时在当前成 型面上吹冷风强制冷却\ 空行程速度\ 工件相对于 工作台面的成型角度\ 添加支撑等因素也会影响 原型质量和成型时间.
以上 6 个参数中9前 2 个与后 3 个可分别在分 层切片数据处理软件和工艺控制软件中直接设
定. 只有 挤出速度' 不能直接由软件来设定9而 需通过硬件来调整.
需要说明的是9用 FDM 工艺成型时9成型方 式按是否打网格可分为两种: 一种是只有轮廓而 无网格的成型; 另一种是既有轮廓又有网格的成 型. 这样相应的喷头运动可分为扫描截面轮廓和 打网格9在工艺控制软件中它们的速度可分别设 定. 为了叙述方便9本文把二者统称为填充9它们
第42卷第4期 2OO2年7月
大连理工大学学报 Journal of Dalian University of Technology
Vol. 42~ No. 4 Jul. 2 O O 2
文章编号: 1OOO-86O8( 2OO2) O4-O446-O5
熔融沉积制造工艺参数的优化
邹 国 林~ 郭 东 明~ 贾 振 元~ 刘 顺 福
FDM 工 艺 参 数 的 优 化 设 置 尚 未 有 人 进 行 过 系 统的研究. 实际上~ 对于给定的快速成型系统~ 工艺参数的优化设置会在不引起附加费用的情况
下大幅度改善原型件的质量. 本文设计一个包含 22 个单项考察特征的标
准测试件进行 27 轮实验~ 得出 27 个 FDM 原型. 通过三坐标测量仪和表面粗糙度轮廓仪测量 27 个原 型 的 尺 寸~ 形 位 误 差 及 表 面 粗 糙 度~ 使 用 MATLAB 软 件 进 行 试 验 数 据 处 理~ 利 用 分 析 结 果来评估 FDM 工艺过程及进行工艺参数优化.
出 6 个因子中对各单项指标有明显影响的因子及 其水平.
例如对于尺寸特征 X 1 根据试验数据所得 的极差图以及方差分析表分别如图 3 和表 3 所示. 由极差图可直观地看出这 6 个主要因子各水平对 X 1 的影响情况. 为了减少尺寸误差~ 获得最好 的尺寸精度 它们应取的水平数为 A( I ) ~ B( I ) ~ C( I ) ~ D( I ) ~ E( I ) ~ F( I ) . 图中 X 1 的实测尺 寸值与名义尺寸( 108 mm) 之间的差异比较大 其 原因在于表 2 中补偿量这个因子的 3 个考察水平 普 遍偏大 这也可从图中补偿量的单调下降反映 出来. 补偿量考察水平之所以偏大是因为没有考 虑 材料收缩的影响 因为补偿量的大小由挤出丝 的实际宽度 WP 和零件尺寸的实际收缩量 ALP 来 决定 而不仅仅是扫描头的半径. 本试验也验证 了材料收缩对零件尺寸精度的显著影响. 当然 特征实测尺寸与名义尺寸差异比较大也与本试验 挤 出速度~ 填充速度这两个因子的考察水平取值 有关.
所要考察的主要因素及其交互作用确定下来
后 下一步便是确定这些因素所要检查的水平数. 决定对每一个因素使用 3 个不同的水平 即低 ( I )~ 中(I )~ 高( I )3 个水平 如表 2 所示. 使用 正交试验设计法 最适宜的正交表是 L27( 313) [2~ 3] 能用来进行三水平试验. 最后根据表头设计的原 则[3~ 4] 来进行最佳表头设计 避免所考察的 3 个交 互作用与 6 个单独因子相混杂. 这样就能得到最 终的正交试验设计方案 如图 2 所示.