3D打印零件的尺寸精度及控制

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.08.011

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (8): 79-85.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.08.011

3D打印零件的尺寸精度及控制

高海亮(), 胡程, 周宇强, 刘欣, 程建明(), 宋桂珍()

太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030000

收稿日期:2023-04-07 出版日期:2023-08-26 发布日期:2023-08-21
通讯作者: 程建明（1964—），男，高级工程师，从事机电一体化技术，机械优化设计研究，chengjianming@tyut.edu.cn
宋桂珍（1964—），女，副教授，从事特种加工技术，结构优化设计研究，gzh_s@163.com
E-mail:gaohailiang163@126.com;chengjianming@tyut.edu.cn;gzh_s@163.com
作者简介:高海亮（1996—），男，在读硕士研究生，从事机械优化设计研究，gaohailiang163@126.com

Dimensional accuracy and control of 3D printed parts

GAO Hailiang(), HU Cheng, ZHOU Yuqiang, LIU Xin, CHENG Jianming(), SONG Guizhen()

School of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030000，China

Received:2023-04-07 Online:2023-08-26 Published:2023-08-21
Contact: CHENG Jianming, SONG Guizhen E-mail:gaohailiang163@126.com;chengjianming@tyut.edu.cn;gzh_s@163.com

摘要/Abstract

摘要：

在大型零件的成形过程中，零件底部翘曲变形导致精度丧失是熔融沉积增材制造技术的一个突出问题。以熔融沉积成型（FDM）3D打印制件的底部翘曲变形为研究对象，建立了一种FDM翘曲变形的数学模型，通过标准正交试验设计研究喷嘴温度、分层厚度、托板温度、填充密度和堆积层数及断面长度对FDM 3D打印翘曲变形的影响，应用极差分析和方差分析得到了最优的工艺参数组合。研究结果表明，分层高度为0.2 mm，喷嘴温度为210 ℃，托板温度为55 ℃，填充率为40 %，底层堆积层数为25层，断面长度为20 mm，此时翘曲变形量最小，为0.402 mm。对翘曲变形影响程度主次顺序为：分层厚度>堆积层数>喷嘴温度>断面长度>填充密度>托板温度。随着堆积层数的增加和断面长度的减小，翘曲变形量呈减小趋势。

关键词: 3D打印, 熔融沉积成型, 翘曲变形, 参数优化

Abstract:

In the forming process of large⁃sized parts， the precision loss caused by the warping deformation at the bottom of the part is a prominent problem in the melt deposition additive manufacturing technology. Taking the bottom warping deformation of melt deposition molding （FDM） 3D printed parts as a research object， an orthogonal experiment was designed to study the effects of nozzle temperature， layer thickness， bracket temperature， filling density， the number of layers， and section length on the warping deformation of FDM 3D printing. The optimal combination of process parameters was obtained through range analysis and variance analysis. The results indicated that the warpage deformation obtained a minimum value of 0.402 mm at a layer height of 0.2 mm， a nozzle temperature of 210 ℃， a bracket temperature of 55 ℃， a filling rate of 40 %， a number of bottom layers of 25， and a section length of 20 mm. The factors of influence on the warpage deformation was by a order of layer thickness > number of layers > nozzle temperature > section length > filling density > bracket temperature. The warping deformation decreased with an increase in the number of layers but a decrease in the section length.

Key words: 3D printing, melt deposition forming, warping deformation, parameter optimization

中图分类号:

TQ320.66

高海亮, 胡程, 周宇强, 刘欣, 程建明, 宋桂珍. 3D打印零件的尺寸精度及控制[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 79-85.

GAO Hailiang, HU Cheng, ZHOU Yuqiang, LIU Xin, CHENG Jianming, SONG Guizhen. Dimensional accuracy and control of 3D printed parts[J]. China Plastics, 2023, 37(8): 79-85.

图/表 14

图1 丝材沉积成型原理

Fig.1 Principle of silk deposition forming

图2 最大翘曲变形量与翘曲半径的关系

Fig.2 The relationship between maximum warpage deformation and warp radius

图3 3D打印机

Fig.3 3D printer

图4 打印模型形状和尺寸

Fig.4 Shapes and dimensions of the print model

因素	分层高度/ mm	喷嘴温度/℃	托板温度/℃	填充密度/%	堆积层数	断面长度/ mm
水平1	0.10	190	35	20	10	20
水平2	0.15	200	40	40	15	40
水平3	0.20	210	45	60	20	60
水平4	0.25	220	50	80	25	80
水平5	0.30	230	55	100	30	100

表1 正交实验因素和水平

Tab.1 Factors and levels of the orthogonal test

项目	A/ $m m$	B/℃	C/℃	D/%	E	F/ $m m$
极差	0.054	0.047	0.032	0.040	0.050	0.045
$k 1$	0.530	0.523	0.536	0.506	0.552	0.493
$k 2$	0.526	0.509	0.533	0.499	0.511	0.519
$k 3$	0.482	0.499	0.523	0.537	0.515	0.516
$k 4$	0.529	0.526	0.506	0.539	0.502	0.538
$k 5$	0.536	0.546	0.504	0.522	0.522	0.537

项目	A/ $m m$	B/℃	C/℃	D/%	E	F/ $m m$
极差	0.054	0.047	0.032	0.040	0.050	0.045
$k 1$	0.530	0.523	0.536	0.506	0.552	0.493
$k 2$	0.526	0.509	0.533	0.499	0.511	0.519
$k 3$	0.482	0.499	0.523	0.537	0.515	0.516
$k 4$	0.529	0.526	0.506	0.539	0.502	0.538
$k 5$	0.536	0.546	0.504	0.522	0.522	0.537

表2 极差分析

Tab.2 Range analysis

表2 极差分析

Tab.2 Range analysis

因素	离差平方和	自由度	F比	P值	显著性
分层高度	0.010	4	1.506	0.351	P>0.5
喷嘴温度	0.006	4	1.135	0.453	P>0.5
托板温度	0.004	4	0.674	0.644	P>0.5
堆积层数	0.007	4	1.145	0.449	P>0.5
断面长度	0.007	4	1.013	0.495	P>0.5
填充率	0.006	4	—	—	—

表3 方差分析

Tab.3 Variance analysis

图5 分层高度对翘曲变形的影响

Fig.5 Effect of layering height on warping deformation

图6 喷嘴温度对翘曲变形的影响

Fig.6 Effect of nozzle temperature on warping deformation

图7 托板温度对翘曲变形的影响

Fig.7 Effect of temperature of bracket on warping deformation

图8 填充率对翘曲变形的影响

Fig.8 Effect of filling rate on warping deformation

图9 堆积层数对翘曲变形量的影响

Fig.9 Effect of accumulation layer number on warping deformation

图10 断面长度对翘曲变形量的影响

Fig.10 Effect of section length on warping deformation

图11 参数优化前后模型对比

Fig.11 Comparison of the models before and after parameter optimization

参考文献 10

1	Panda S K， Padhee S， Anoop Kumar S， et al. Optimization of fused deposition modelling （FDM） process parameters using bacterial foraging technique［J］. Intelligent Information Management， 2009， 1（2）： 89.
2	Kochan Detlef，Chua Chee Kai， Du Zhaohui. Rapid prototyping issues in the 21st century［J］. Computers in Industry，1999，39（1）： 36⁃40.
3	Gabriel Jiga，Crunţeanu Daniel Eugeniu，Dobrescu Tiberiu Gabriel，et al. Redesign of a metallic component using polylactic acid⁃PLA by fused deposition modeling⁃FDM for Durability Increase［J］. Macromolecular Symposia，2022，405（1）： 236.
4	Arivazhagan A， Masood S H. Dynamic mechanical properties of ABS material processed by fused deposition modelling［J］. International Journal of Engineering Research and Industrial Applications， 2012， 2（3）： 2 009⁃2 014.
5	Sonmez Fazil O， Thomas Hahn H. Thermomechanical analysis of the laminated object manufacturing （LOM） process［J］. Rapid Prototyping Journal，1998，4（1）： 351⁃482.
6	Panda B N， Shankhwar K， Garg A， et al. Performance evaluation of warping characteristic of fused deposition modelling process［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2017， 88： 1 799⁃1 811.
7	Syrlybayev D， Zharylkassyn B， Seisekulova A， et al. Optimization of the warpage of fused deposition modeling parts using finite element method［J］. Polymers， 2021， 13（21）： 3849
8	王天明，习俊通，金烨.熔融堆积成型中的原型翘曲变形［J］.机械工程学报，2006，28（3）：233⁃238.
	WANG T M， XI J T， JIN Y. Warping deformation of prototype in melt stacking molding［J］.Journal of Mechanical Engineering，2006，28（3）：233⁃238.
9	张捷，顾海，李彬，等.FDM工艺零件翘曲变形分析及实验研究［J］.制造业自动化，2017，39（8）：48⁃49，60.
	ZHANG J， GU H， LI B，et al. Warpage deformation analysis and experimental study of FDM process parts［J］.Manufacturing Automation，2017，39（8）：48⁃49，60.
10	杜林芳.FDM 3D打印塑件翘曲变形影响因素的研究［J］.中国塑料，2018，32（9）：108⁃112.
	DU L F. Study on the influencing factors of warpage deformation of FDM 3D printed plastic parts［J］.China Plastics，2018，32（9）：108⁃112.

[1]	朱家威, 潘威, 黄士争, MOHINI Sain, 杨卫民, 鉴冉冉. 高速高强熔融沉积成型技术研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 118-126.
[2]	李传敏, 杨建军, 李洋, 王洛唯. PDMS/SiC功能梯度复合材料3D打印主动混合喷头结构设计与工艺参数优化[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 71-76.
[3]	凌远志, 王海雄, 李亚君, 何金辉, 严天祥. 超声波振动与热床对熔融沉积成型的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 87-91.
[4]	雷经发, 沈强, 刘涛, 孙虹, 尹志强. 熔融沉积工艺参数对热塑性聚氨酯弹性体静动态力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 29-35.
[5]	杨钦杰, 李佳汶, 李明, 陈刚, 李光照, 彭必友, 韩锐. 熔融沉积3D打印设备研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 157-171.
[6]	何金辉, 王海雄, 刘善坤, 李亚君. 基于二次回归正交旋转试验熔融沉积超声振动成型研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 107-113.
[7]	郑方莉, 傅南红, 焦晓龙, 杨卫民, 谢鹏程. 人工智能在注射成型参数设置及优化中的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 84-91.
[8]	王若寒, 毕超, 李翱. 基于响应面法的对乙酰氨基酚片剂FDM成型的工艺优化研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(9): 69-74.
[9]	孟浩, 袁美霞, 华明. ABS的3D打印制品表面质量研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(6): 74-79.
[10]	于盛睿, 邹佳勇, 骆杰, 曾义和, 刘广, 凌妍, 王云明, 韩文, 周华民. 非对称温度场下微孔发泡模内表面装饰复合成型工艺的翘曲变形[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 63-69.
[11]	王金坤, 孟正华, 郭巍, 胡豪胜, 周磊. 模内装饰薄膜滞热对成型工艺的影响分析[J]. 中国塑料, 2020, 34(4): 70-77.
[12]	肖清武, 柳和生, 黄益宾. 外部气体辅助注塑制品翘曲变形数值模拟[J]. 中国塑料, 2020, 34(3): 48-53.
[13]	马昊鹏, 高丽洁, 焦志伟, 马具彪, 杨卫民. 非溶剂致相分离3D打印/复印成型技术研究[J]. 中国塑料, 2020, 34(12): 1-7.
[14]	雷经发, 魏展, 刘涛, 孙虹, 段焕天. 熔融沉积PLA材料动态力学行为及本构模型研究[J]. 中国塑料, 2020, 34(11): 59-65.
[15]	罗通通, 孙玲. 偶联剂对PLA/PBAT/WF复合材料3D打印性能的影响[J]. 中国塑料, 2020, 34(11): 66-72.

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Dimensional accuracy and control of 3D printed parts

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