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FDM快速成型工艺参数的分析与优化研究

冯建军 梁宏斌 于阳

冯建军, 梁宏斌, 于阳. FDM快速成型工艺参数的分析与优化研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(5): 742-748. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180235
引用本文: 冯建军, 梁宏斌, 于阳. FDM快速成型工艺参数的分析与优化研究[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(5): 742-748. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180235
Feng Jianjun, Liang Hongbin, Yu Yang. Analysis and Optimization of Processing Parameters in FDM Rapid Prototyping[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(5): 742-748. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180235
Citation: Feng Jianjun, Liang Hongbin, Yu Yang. Analysis and Optimization of Processing Parameters in FDM Rapid Prototyping[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(5): 742-748. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180235

FDM快速成型工艺参数的分析与优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180235
基金项目: 

辽宁省自然科学基金项目 2015020128

详细信息
    作者简介:

    冯建军(1992-), 硕士研究生, 研究方向为数控技术、现代制造技术, 15242146001@163.com

    通讯作者:

    梁宏斌, 教授, 博士, lianghb@hit.edu.cn

  • 中图分类号: TH16

Analysis and Optimization of Processing Parameters in FDM Rapid Prototyping

  • 摘要: 针对快速成型工件尺寸精度差的问题,对分层厚度、扫描速度、喷头温度、填充线宽这4个因子进行正交试验研究,结合信噪比响应,通过极差法和方差分析法确定成型件在XYZ方向尺寸精度的最优因子水平组合以及各影响因子的显著性,根据多元回归分析建立单目标参数优方案预测的数学模型。试验证明,此工艺参数的优化组合可以有效的提高成型件的尺寸精度,而且优方案预测数学模型的建立也极大的提高了生产效率,对用户合理地选取工艺参数提供了极大的帮助。
  • 图  1  试验平台

    图  2  零件模型

    图  3  预测值与实际值的柱状图比较

    表  1  各因素水平取值

    影响因子 水平1 水平2 水平3
    分层厚度A/mm 0.2 0.25 0.3
    扫描速度B/(mm·s-1) 40 45 50
    喷头温度C/℃ 200 210 220
    填充线宽D/mm 1.73 1.75 1.77
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    表  2  有交互作用的四因素三水平正交试验

    因子 A B e e C (B×D)2 e (B×C)1 D e (B×C)2 (B×D)1 e
    试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
    1 0.20 40 200 1.73
    2 0.20 40 210 1.75
    3 0.20 40 220 1.77
    4 0.20 45 200 1.75
    5 0.20 45 210 1.77
    6 0.20 45 220 1.73
    7 0.20 50 200 1.77
    8 0.20 50 210 1.73
    9 0.20 50 220 1.75
    10 0.25 40 200 1.75
    11 0.25 40 210 1.77
    12 0.25 40 220 1.73
    13 0.25 45 200 1.77
    14 0.25 45 210 1.73
    15 0.25 45 220 1.75
    16 0.25 50 200 1.73
    17 0.25 50 210 1.75
    18 0.25 50 220 1.77
    19 0.30 40 200 1.77
    20 0.30 40 210 1.73
    21 0.30 40 220 1.75
    22 0.30 45 200 1.73
    23 0.30 45 210 1.75
    24 0.30 45 220 1.77
    25 0.30 50 200 1.75
    26 0.30 50 210 1.77
    27 0.30 50 220 1.73
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    表  3  尺寸误差及信噪比

    因子 X方向 Y方向 Z方向 S/N S/N S/N
    试验号 ΔX ΔY ΔZ X Y Z
    1 0.045 0.059 0.121 26.936 24.583 18.344
    2 0.042 0.055 0.185 27.535 25.193 14.657
    3 0.016 0.027 0.168 35.918 31.373 15.494
    4 0.045 0.114 0.163 26.936 18.862 15.756
    5 0.043 0.139 0.138 27.331 17.140 17.202
    6 0.059 0.137 0.167 24.583 17.266 15.546
    7 0.011 0.079 0.188 39.172 22.047 14.517
    8 0.051 0.119 0.189 25.849 18.489 14.471
    9 0.105 0.093 0.184 19.576 20.630 14.704
    10 0.101 0.126 0.103 19.914 17.993 19.743
    11 0.055 0.048 0.126 25.193 26.375 17.993
    12 0.071 0.101 0.136 22.975 19.914 17.329
    13 0.065 0.021 0.189 23.742 33.556 14.471
    14 0.017 0.076 0.211 35.391 22.384 13.514
    15 0.051 0.080 0.166 25.849 21.938 15.598
    16 0.062 0.062 0.162 24.152 24.152 15.810
    17 0.015 0.050 0.181 36.478 26.021 14.846
    18 0.006 0.037 0.137 44.437 28.636 17.266
    19 0.069 0.061 0.216 23.223 24.293 13.311
    20 0.025 0.107 0.286 32.041 19.412 10.873
    21 0.113 0.083 0.189 18.938 21.618 14.471
    22 0.131 0.117 0.238 17.655 18.636 12.468
    23 0.089 0.078 0.156 21.012 22.158 16.138
    24 0.091 0.070 0.197 20.819 23.098 14.111
    25 0.067 0.073 0.103 23.479 22.734 19.743
    26 0.059 0.049 0.198 24.583 26.196 14.067
    27 0.019 0.091 0.092 34.425 20.819 20.724
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    表  4  信噪比响应

    因子 A B e e C (B×D)2 e (B×C)1 D e (B×C)2 (B×D)1 e
    X方向 K1 253.8 232.7 254.9 257.9 225.2 263.9 264.3 228.2 244.0 234.2 243.5 233.4 210.2
    K2 258.1 223.3 229.4 258.1 255.4 222.7 238.3 251.5 219.7 225.2 242.8 252.2 253.1
    K3 216.2 272.2 243.8 212.2 247.5 241.5 225.5 248.4 264.4 268.8 233.1 242.6 264.8
    极差R 37.66 48.83 25.52 45.96 22.31 18.79 25.96 23.31 20.41 34.61 10.45 18.83 54.57
    因素主次 B A (B×C)1 C D (B×C)2 (B×D)1 (B×D)2
    Y方向 K1 195.6 210.8 223.8 228.8 215.6 203.7 205.8 199.9 185.7 215.4 198.6 207.1 201.3
    K2 221.0 195.0 187.3 197.4 203.4 202.1 197.0 212.1 197.1 204.7 202.2 200.0
    K3 199.0 209.7 204.4 189.3 205.3 209.7 212.7 203.5 232.7 195.4 214.7 208.5 203.0
    极差R 25.39 15.72 36.55 39.43 12.19 7.65 15.76 12.24 47.06 20.04 16.03 8.49 10.00
    因素主次 D A B (B×C)1 C (B×C)2 (B×D)1 (B×D)2
    Z方向 K1 140.7 142.2 139.1 146.6 144.2 139.9 144.3 140.0 139.1 148.4 141.2 141.6 140.7
    K2 146.6 134.8 158.1 135.1 133.8 145.7 142.0 138.9 145.7 133.3 138.8 136.2 141.5
    K3 135.9 146.1 125.9 141.5 145.2 137.6 136.8 144.2 138.4 141.5 133.4 145.3 141.0
    极差R 10.66 11.34 32.18 11.53 11.48 8.04 7.43 5.31 7.23 15.18 7.84 9.05 0.88
    因素主次 C B A (B×D)2 (B×C)2 D (B×C)1 (B×D)1
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    表  5  X方向因素BC水平搭配表

    因素 B1 B2 B3
    C1 23.357 22.777 28.934
    C2 28.265 27.911 28.970
    C3 25.944 23.750 32.813
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    表  6  Y方向因素BC水平搭配表

    因素 B1 B2 B3
    C1 22.290 23.685 22.978
    C2 23.660 20.561 23.569
    C3 24.302 20.767 23.362
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    表  7  Z方向因素BD水平搭配表

    因素 B1 B2 B3
    D1 15.512 13.843 17.002
    D2 16.290 15.831 16.431
    D3 15.599 15.261 15.283
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    表  8  X方向方差分析表

    来源 平方和 自由度 均方 F 临界值Fα 显著性
    A 118.404 2 59.202 2.125 F0.10(2, 10)=2.92 *
    B 248.987 2 124.493 4.468 F0.25(2, 10)=1.60 **
    C 54.537 2 27.269 0.979 F0.10(4, 10)=2.61
    D 57.174 2 28.587 1.026 F0.25(4, 10)=1.59
    B×C 218.809 4 54.702 1.963 *
    B×D 114.421 4 28.605 1.027
    误差 278.627 10 27.863
    总和 1090.958 26
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    表  9  Y方向方差分析表

    来源 平方和 自由度 均方 F 临界值Fα 显著性
    A 190.532 2 95.266 4.465 F0.10(2, 10)=2.92 ***
    B 157.994 2 78.997 3.703 F0.05(2, 10)=4.10 **
    C 46.410 2 23.205 1.088 F0.025(2, 10)=5.46
    D 216.724 2 108.362 5.079 F0.10(4, 10)=2.61 ***
    B×C 262.409 4 65.602 2.550
    B×D 8.210 4 2.052 0.096
    误差 213.351 10 21.335
    总和 1095.630 26
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    表  10  Z方向方差分析表

    来源 平方和 自由度 均方 F 临界值Fα 显著性
    A 54.947 2 27.473 3.364 F0.10(2, 10)=2.92 **
    B 62.046 2 31.023 1.976 F0.05(2, 10)=4.10
    C 68.828 2 34.414 4.214 F0.10(4, 10)=2.61 ***
    D 3.551 2 1.775 0.217
    B×C 19.707 4 4.927 0.603
    B×D 103.834 4 25.958 3.179 **
    误差 81.657 10 8.166
    总和 394.569 26
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    表  11  实验结果

    因素 X Y Z
    水平 取值 水平 取值 水平 取值
    A 2 0.25 mm 2 0.25 mm 2 0.25 mm
    B 3 50 mm/s 1 40 mm/s 3 50 mm/s
    C 3 220 ℃ 3 220 ℃ 3 220 ℃
    D 3 1.77 mm 3 1.77 mm 1 1.73 mm
    显著因子 B>A>B×C D>A>B C>A>B×D
    最优组合 A2B3C3D3 A2B1C3D3 A2B3C3D1
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  • 收稿日期:  2018-07-04
  • 刊出日期:  2019-05-05

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