石蜡熔融沉积的线宽试验优化设计

张金松,郑凯特,渠国洋

(上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200072)

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)是一种使用和维护简单、成本较低的增材制造技术,通过逐层打印的方式来构建物体,成型材料一般是热塑性材料,如ABS、PC、尼龙、金属粉等[1-2].材料在喷头内被加热熔化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,与周围的材料黏结成形.每一个层片都是在上一层上堆积而成,上一层对当前层起到定位和支撑的作用.随着高度的增加,层片轮廓的面积和形状都会改变,需要设计一些辅助支撑结构,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现[3-7].

本文搭建了气动式石蜡熔融沉积装置,包括气动挤出模块、压力控制模块、温度控制模块与运动控制模块.采用正交试验设计的方法,研究石蜡熔融沉积过程中工艺参数对线宽的影响;采用单因素试验验证正交试验结果的正确性.

1 实验方案

实验材料选用石蜡(熔点为80 ℃,黏度为14.42～59.64 Pa·s).气动式石蜡熔融沉积装置工作原理是电加热料筒中的固体石蜡到融化,气压作用在熔融态石蜡的尾部,推动石蜡均匀的从喷嘴中挤出,在基板上固化成型.

1.1 实验装置

气动式石蜡熔融沉积装置主要由气动挤出模块、压力控制模块、温度控制模块、运动控制模块组成,如图1所示.

气动挤出模块主要由料筒压盖、料筒、保温套、喷嘴组成.料筒压盖与不锈钢料筒密封连接,压缩气体从料筒压盖进入料筒内,作用于熔融态石蜡尾部.喷嘴与料筒连接,外部设有保温套防止喷嘴堵塞.

图1 气动式石蜡熔融沉积装置Fig.1 Pneumatic paraffin FDM device

压力控制模块主要由压力控制器与电磁阀组成,以调节气体压力和通断.

温度控制模块主要由K型热电偶的温度控制器和环形电阻加热套组成.

运动控制模块主要由多轴控制器、驱动器、步进电机、联轴器以及滚珠丝杠滑台组成,精确控制基板在x,y,z3个方向的运动.

1.2 测量方法

本文针对石蜡熔融沉积的线宽(w)进行研究,采用视频显微镜(莱卡公司YYV-200E)观测基板上凝固后的石蜡,并使用相关图像处理软件测量线宽.

平均线宽为

图2 一次实验测量的15条线宽Fig.2 The width of 15 lines measured in one experiment

2 正交试验

与石蜡线宽(w)相关的FDM工艺参数如图3所示,分别是温度(t)、气压(P)、喷嘴直径(d)、基板移动速度(v)、喷嘴距离基板高度(h).

由于线宽(w)的影响因素较多,因此采用了多因素(i)、多水平(j)正交试验法的研究方法,具有“均匀分散,齐整可比”的数据特点,减少了试验次数，提高了数据可信度[8-11].

2.1 正交试验

本文的正交试验中有5个基本因素:t,P,d,v,h,考虑到可能存在的随机误差,增加了1个随机误差因素.每个因素取5个水平,本试验选用L2556标准正交表(见表1).

表1 正交试验表(L2556)Tab.1 Orthogonal experiment table(L2556)

正交试验的结果如表2所示.

2.2 实验结果分析

对正交试验结果采用无重复试验的方差分析,讨论各个工艺因素对线宽的影响.

总偏差平方和SST为

(4)

各因素偏差平方和SSj为

(5)

随机误差引起的偏差平方和SSe为

(6)

表2 正交试验结果(L2556)Tab.2 Result of orthogonal experiment (L2556)

随机误差的偏差平方和SSe为所有空列所对应的偏差平方之和.

自由度f的计算为

式中:ftotal为总自由度;fi为i因素自由度;fe为随机误差自由度

i因素的均方与误差均方的比值Fi表达式为

(10)

利用因素均方与误差均方的比值可以检验因素影响的显著性,Fi服从F分布.Fi值的大小反映某一因素所有水平对试验指标的影响.Fi值越大时,该因素的水平对试验指标的影响越大.F值接近1时,该因素的水平对试验指标的影响无明显差异.

通过用Fi值与Fc(临界值)进行比较来衡量因素水平对指标的影响大小,其中显著性水平α一般取α=0.05与α=0.1,并进行比较:

当FF0.1时,试验因素对试验指标的影响比较显著,标记为“”.

当Fi<6.39时,试验因素对试验指标的影响不显著,不做记号;当6.3915.98时,试验因素对试验指标的影响比较显著,标记为“”.

正交试验结果的方差分析如表3所示.

表3 石蜡线宽的方差分析Tab.3 Analysis of variance on paraffin width

由表3可知,喷嘴直径(d)的变化对石蜡线宽有显著的影响.根据Fi值的大小,影响线宽的主次顺序分别为:喷嘴直径(d)>气压(P)>基板移动速度(v)>喷嘴距离基板高度(h)>温度(t)>随机误差(e).方差分析结果表明,喷嘴直径(d)与气压(P)对石蜡沉积成型的线宽影响最显著,基板移动速度(v)对沉积成型的影响较为显著.

结合表2的实验参数,得到最优的工艺参数组合为:d=0.4 mm,P=0.2 MPa,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃.

3 单因素验证试验

3.1 喷嘴直径对线宽的影响

根据正交试验结果,设定最优的工艺参数P=0.2 MPa,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃,选取不同直径的喷嘴d=0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,对喷嘴直径(d)进行单因素验证试验(见图4).

从图4中可知,线宽(w)随着喷嘴直径(d)的增大而增加;选用d=0.4 mm的喷嘴,熔融沉积的石蜡线宽最窄,成型精度也越高.单因素验证试验证实了正交试验中喷嘴直径(d)优水平选取的正确性.

图4 喷嘴直径(d)对线宽(w)的影响Fig.4 Effect of the nozzle diameter on width

3.2 气压对线宽的影响

根据正交试验结果,设定最优的工艺参数d=0.4 mm,v=5.4 mm/s,h=0.3 mm,t=80 ℃,选取不同的气压P=0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 MPa,对气压(P)进行单因素验证试验(见图5).

图5 气压(P)对线宽(w)的影响Fig.5 Effect of the air pressure on width

从图5中可知,线宽随着气压的增大而增加;选用P=0.2 MPa的气压,熔融沉积的石蜡线宽最窄,成型精度也越高.单因素验证试验证实了正交试验中气压(P)优水平选取的正确性.

3.3 基板移动速度对线宽的影响

根据正交试验结果,设定最优的工艺参数d=0.4 mm,P=0.2 MPa,h=0.3 mm,t=80 ℃,选取不同的基板移动速度v=4.2,4.8,5.4,6.0,6.6,7.2 mm/s,对基板移动速度(v)进行单因素验证试验(见图6).

图6表明,随着移动速度增大时,线宽在不断减小;基板移动速度(v)在5.4～7.2 mm/s时,线宽(w)在0.5 mm上下,较为平稳,适合石蜡熔融沉积成型.单因素试验中基板移动速度取4～7 mm/s之间最优与正交试验中基板移动速度的优水平为5.4 mm/s相符,验证了正交试验中基板移动速度的优水平选取的正确性.

图6 基板移动速度(v)对线宽(w)的影响Fig.6 Effect of the velocity on width

4 结语

本文研发了一套气动式石蜡熔融沉积装置,包含气动挤出模块、压力控制模块、温度控制模块和运动控制模块.采用优化设计的方法对FDM石蜡的线宽影响因素进行了试验和方差分析.各个工艺参数(温度t、气压P、喷嘴直径d、喷嘴距离基板高度h和基板移动速度v之间无相关性影响;工艺参数对线宽影响的显著性由大到小依次是喷嘴直径、气压和基板移动速度;最优参数组合为t=80 ℃,P=0.2 MPa,d=0.4 mm,v=5.4 mm/s和h=0.3 mm;单因素验证试验证实了正交试验结果的正确性.

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